WO2008116943A1 - Sonda para la toma de muestra de gases con alto contenido en partículas - Google Patents

Sonda para la toma de muestra de gases con alto contenido en partículas Download PDF

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shaft
gases
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Inventor
Miguel Ángel DELGADO LOZANO
Miguel MORALES RODRÍGUEZ
Antonio SÁNCHEZ CANTERO
Enrique Tova Holgado
Francisco RODRÍGUEZ BAREA
Luis CAÑADAS SERRANO
Vicente CORTÉS GALEANO
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Ingeniería Energética Y De Contaminación, S.A.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
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    • G01N1/2202—Devices for withdrawing samples in the gaseous state involving separation of sample components during sampling
    • G01N2001/222—Other features
    • G01N2001/2223—Other features aerosol sampling devices

Definitions

  • the invention relates, as expressed in the statement of the present specification, to a probe specially designed for the aspiration of gas samples in processes in which there is a high content of particles that, due to their nature, tend to produce glue. or accumulations in the common probes, either in the suction hole, or inside the conduit that transports the sample to the analysis system. Such circumstances limit the extraction capacity of the gaseous samples and, in extreme cases, can cause the total plugging of the probe with the consequent damage to the process monitoring.
  • the present invention is applicable in any industry or process in which it is necessary to take gas samples with a high particle content.
  • coal or biomass boilers and clinker furnaces of cement factories should be highlighted.
  • the optimization of certain industrial processes requires the sampling of gases and their subsequent analysis.
  • the difficulty of this sampling is highly conditioned by the particularities of the process in which it is performed (pressure, temperature, humidity, etc.) as well as by the presence of certain gaseous compounds and / or particulate matter that interact with the elements of the Sample acquisition and analysis system.
  • the acquisition is especially complex sample and subsequent analysis of the gases when the concentration of particulate matter in the gases is high, and the nature of the particles and / or the process conditions are such that they promote the formation of deposits in the suction sections of the sampling probe , reducing or preventing an effective suction of gases.
  • the complexity turns out to be extreme when said optimization also requires a continuous measurement of these gaseous concentrations.
  • the sampling probes that do not incorporate adequate mechanisms end up clogging, forcing their extraction from the sampling point for cleaning, which on many occasions is not feasible, resulting in permanent deterioration of the equipment.
  • the obstruction is mainly caused by collapse and agglomeration of the particles in exposed sections, such as the aspiration section, or in sections with low aspiration velocity.
  • This agglomeration entails an additional reduction of the suction flow and, therefore, of the speed of the gases in the line that contributes to propitiate a new accumulation of material, ending in the total obstruction of the line. This phenomenon occurs more frequently due to high concentrations of particles and, especially, if the particles have a clear tendency to adhere to the surfaces of the sampling probe.
  • the existing sampling systems apply particle separation solutions based on physical principles of filtration or inertial separation that, however, do not definitively solve the previous problem for the wide casuistry of processes that require this type of measurement, especially in those situations in which the particles are characterized by their adhesion and agglomeration tendency.
  • the present invention relates to a probe for the aspiration of gases with a high content of particles, consisting of a circular section duct internally traversed and longitudinally by an axis, which has at one of its ends a propeller or screw without finally, its diameter being slightly smaller than the inside diameter of the duct.
  • the arrangement of the shaft with respect to the sample aspiration conduit is such that the end of the helix or worm protrudes slightly from the end of the conduit that is introduced into the process stream.
  • the other The shaft end is continuously operated by a rotating device that rotates the propeller.
  • the direction of rotation of the shaft is such that the advance of the spirals of the propeller takes place towards the end of the sample suction duct positioned in the process stream.
  • the shaft passes through the end of the suction duct external to the process through a seal that prevents infiltration of outside air into the sample.
  • Exhaust gas is expelled through a transverse duct coupled to the lateral cylindrical wall of the suction duct.
  • the action of the propeller or worm produces two combined effects.
  • the rotation of the propeller produces a cylindrical surface of breakage in any glue of material that could plug the inlet hole of the sample aspiration conduit. Said breakage surface guarantees the passage of gas into the probe.
  • the propeller or worm in addition to constituting an obstacle to the entry of particles, produces, when turning in the direction defined above, the shredding of the material that could adhere inside the probe, as well as its transport towards the outside of this one through its end positioned in the process current.
  • the described invention thus allows continuous aspiration of gas samples in processes where there are high concentrations of particles that tend to cause blockages in common probes, especially when the material is sticky or prone to form. cakes
  • Said figure shows a longitudinal section of the particularized probe for the sampling of gases in a medium with high particle content and high temperature.
  • Figure 1 shows the implementation of the invention for its particular application to a cement clinker kiln in which the raw material, mainly limestones and marls, is oxidized at high temperatures (up to 1500 0 C) in contact with gas from combustion. Under these conditions the material acquires a semi-molten state that causes significant sticking in any intrusive element.
  • the raw material mainly limestones and marls
  • the probe consists of a circular main duct (1) through which the gas sample circulates.
  • One of its ends constitutes the sample inlet section and is installed inside the process stream.
  • the other end and its cylindrical lateral surface it has a hole and a sleeve (2) welded through which the extracted sample circulates towards the aspiration, treatment and analysis system.
  • axis (3) that runs longitudinally through the main duct (1), its diameter being smaller than its inner diameter.
  • Said shaft (3) has at its end close to the inlet section of the sample a worm or screw (4) that protrudes slightly from the main duct (1).
  • the other end of the shaft (3) crosses the external end to the main duct process (1) and is coupled to an electric motor (5) that drives the rotation of the propeller (4) around the axis of the probe.
  • the direction of rotation of the shaft (3) is such that the advance of the spirals of the propeller (4) is towards the outside of the main duct (1).
  • the outer end of the main duct (1) is finished off with a closing bushing (6) provided with two seals (7) that surround the shaft (3) preventing the infiltration of air through it.
  • the closing bushing (6) also serves as a support for the motor (5).
  • the probe is cooled by water or other fluid that circulates between two jackets, one external (8) and another internal (9), concentric with the main duct (1).
  • the outer jacket (8) is welded at one end to the outer wall of the main duct (1) in the sample inlet section and at the other end to the inner sleeve (9). The latter is also welded to the outer wall of the main duct (1) at the outer end of the process.
  • the cooling water enters the annular space between the two cooling jackets and returns to the annular space between the inner jacket (9) and the main duct (1).
  • the probe has a flange (10) welded to the outer jacket (8) for permanent mounting on the oven wall, accessing the inside of the oven through a hole provided in turn with a flanged connection.
  • a pneumatic motor or an indirect transmission system such as a set of belts and pulleys, roller chains or module sprockets can be used.

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Abstract

Sonda para la toma de muestra de gases con alto contenido en partículas que, por su naturaleza, tienden a producir pegaduras o acumulaciones en las sondas comunes, bien en el orificio de aspiración, o bien en el interior del conducto que transporta la muestra. La invención consiste en un conducto de sección circular (1) atravesado interiormente y de forma longitudinal por un eje (3), el cual tienen acoplado en uno de sus extremos una hélice (4) que gira en sentido tal que el avance de las espirales se produce hacia el extremo de la sonda posicionado en la corriente del proceso. La hélice produce una superficie cilindrica de rotura en cualquier pegadura de material que pudiera taponar el orificio de aspiración, garantizando el paso del gas. Adicionalmente produce el transporte hacia el exterior del material que pudiera acceder al interior de la sonda.

Description

SONDA PARA LA TOMA DE MUESTRA DE GASES CON ALTO CONTENIDO EN PARTÍCULAS
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere, tal y como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, a una sonda especialmente diseñada para la aspiración de muestras de gases en procesos en los que existe un elevado contenido en partículas que, por su naturaleza, tienden a producir pegaduras o acumulaciones en las sondas comunes, bien en el orificio de aspiración, o bien en el interior del conducto que transporta la muestra al sistema de análisis. Tales circunstancias limitan la capacidad de extracción de las muestras gaseosas y, en los casos extremos, pueden producir el taponamiento total de la sonda con el consiguiente perjuicio para la monitorización del proceso.
CAMPO DE APLICACIÓN
La presente invención es de aplicación en cualquier industria o proceso en la que se precise la realización de tomas de muestras de gases con alto contenido en partículas. Dentro de este grupo caben destacarse las calderas de carbón o biomasa y los hornos de clínker de las fábricas de cemento.
ANTECEDENTES
La optimización de determinados procesos industriales exige la toma de muestra de gases y su análisis posterior. La dificultad de esta toma de muestra viene altamente condicionada por las particularidades del proceso en la que se realiza (presión, temperatura, humedad, etc.) así como por la presencia de determinados compuestos gaseosos y/o materia particulada que interaccionan con los elementos del sistema de adquisición de muestra y análisis. Es especialmente compleja la adquisición de muestra y análisis posterior de los gases cuando la concentración de materia particulada en los gases es elevada, y la naturaleza de las partículas y/o las condiciones del proceso son tales que promueven la formación de depósitos en las secciones de aspiración de la sonda tomamuestras, mermando o imposibilitando una succión efectiva de los gases. La complejidad resulta ser extrema cuando además dicha optimización precisa de una medida continua de estas concentraciones gaseosas.
En esta situación, las sondas tomamuestras que no incorporan mecanismos adecuados terminan por obstruirse obligando a su extracción del punto de muestreo para su limpieza, que en numerosas ocasiones no resulta ser factible, dando como resultado el deterioro permanente del equipo. La obstrucción se produce principalmente por colapso y aglomeración de las partículas en secciones expuestas, como es la sección de aspiración, o en secciones con baja velocidad de aspiración. Esta aglomeración conlleva una reducción adicional del caudal de aspiración y, por tanto, de la velocidad de los gases en la línea que contribuye a propiciar una nueva acumulación de material, finalizando en la obstrucción total de la línea. Este fenómeno se produce con mayor frecuencia ante concentraciones elevadas de partículas y, de forma especial, si las partículas presentan una clara tendencia a quedar adheridas a las superficies de la sonda de muestreo.
Para evitar esta problemática y resolver la medida continua de gases en este tipo de procesos, los sistemas tomamuestras existentes aplican soluciones de separación de partículas basadas en principios físicos de filtración o separación inercial que, sin embargo, no resuelven definitivamente la problemática anterior para la amplia casuística de procesos que requieren este tipo de medida, especialmente en aquellas situaciones en las que las partículas se caracterizan por su adherencia y tendencia a la aglomeración.
Los sistemas tomamuestras existentes basados en el principio de filtración incorporan, generalmente en cabeza de la sonda, un filtro de geometría y configuraciones diversas. Ejemplo de este tipo de soluciones son las patentes JP10090139, JP10090137 o KR100305331B. Esta solución no impide, aún cuando se disponga de limpieza discontinua por aire, la progresiva colmatación del sistema de filtración y, en cualquier caso, no evita la deposición de material que se adhiere y aglomera sobre la sección de aspiración e incluso sobre el propio filtro.
De otro lado, los sistemas basados en efectos inerciales propician una separación gruesa de la materia particulada en su camino hacia el sistema analítico mediante la aplicación sobre los gases de determinados cambios bruscos de dirección. Patentes del tipo EP0135205 ó DE4438267 atienden a esta clasificación.
Al igual que sucede con el caso anterior, este tipo de soluciones adolecen de la robustez necesaria para aplicaciones que requieren de una medida continua en las condiciones de proceso anteriormente detalladas, donde una elevada carga de materia particulada en los gases, especialmente si las partículas muestran una fuerte tendencia a la adherencia y aglomeración, produciría obstrucciones al paso de gases en las distintas secciones de aspiración. Un caso particular de este tipo de sistemas es el recogido en la patente DE1815063, donde se incorpora, además del mecanismo de separación por decantación, un mecanismo de transporte del material decantado hacia el exterior, que únicamente es efectivo, lógicamente, para el material susceptible de decantar, resultando ser poco eficiente, por ejemplo, para partículas más finas o para el material que se adhiere y aglomera en la superficie interna de la sonda o en la sección de entrada de gases.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una sonda para la aspiración de gases con alto contenido en partículas, consistente en un conducto de sección circular atravesado interiormente y de forma longitudinal por un eje, el cual tiene acoplado en uno de sus extremos una hélice o tornillo sin fin, siendo el diámetro de ésta ligeramente inferior al diámetro interior del conducto. La disposición del eje respecto al conducto de aspiración de la muestra es tal que el extremo de la hélice o tornillo sin fin sobresale ligeramente respecto al extremo del conducto que es introducido en la corriente del proceso. El otro extremo del eje es accionado continuamente por un dispositivo de giro que hace rotar a la hélice. El sentido de giro del eje es tal que el avance de las espirales de la hélice se produce hacia el extremo del conducto de aspiración de la muestra posicionado en la corriente del proceso.
El eje atraviesa el extremo del conducto de aspiración externo al proceso a través de un sello que evita la infiltración de aire exterior en la muestra.
La salida del gas extraído se realiza a través de un conducto transversal acoplado a la pared cilindrica lateral del conducto de aspiración.
La acción de la hélice o tornillo sin fin produce dos efectos combinados. De un lado, el giro de la hélice produce una superficie cilindrica de rotura en cualquier pegadura de material que pudiera taponar el orificio de entrada del conducto de aspiración de la muestra. Dicha superficie de rotura garantiza el paso de gas al interior de la sonda. De otro lado, la hélice o tornillo sin fin, además de constituir un obstáculo a la entrada de partículas, produce, al girar en el sentido definido anteriormente, el desmenuzamiento del material que pudiera adherirse en el interior de la sonda, así como su transporte hacia el exterior de ésta a través de su extremo posicionado en la corriente del proceso.
En virtud a lo anterior, la invención descrita permite pues aspirar de forma continua muestras de gases en procesos en los que existan elevadas concentraciones de partículas que sean tendentes a originar atascos en las sondas comunes, en especial cuando el material es pegajoso o propenso a formar tortas.
Además de su eficacia, la cualidad fundamental de la invención es su simplicidad, lo cual se traduce en una alta fiabilidad y un bajo coste de fabricación y mantenimiento. DESCRIPCIÓN DE DIBUJOS
Para complementar la descripción y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención se adjunta la figura 1.
En dicha figura se muestra un corte longitudinal de la sonda particularizada para la toma de muestra de gases en un medio con alto contenido en partículas y elevada temperatura.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En la figura 1 se muestra la ejecución de la invención para su aplicación particular a un horno de clínker de cemento en el que la materia prima, fundamentalmente calizas y margas, es oxidada a altas temperaturas (hasta 15000C) en contacto con gas de combustión. En estas condiciones el material adquiere un estado semifundido que origina pegaduras importantes en cualquier elemento intrusivo.
La sonda está constituida por un conducto principal circular (1) por el que circula la muestra gaseosa. Uno de sus extremos constituye la sección de entrada de la muestra y se instala en el interior de la corriente de proceso. En las proximidades del otro extremo y en su superficie lateral cilindrica dispone de un orificio y un manguito (2) soldado por el que circula la muestra extraída hacia el sistema de aspiración, tratamiento y análisis.
En el interior del conducto principal (1) y concéntrico con éste, se dispone un eje (3) que atraviesa longitudinalmente el conducto principal (1), siendo su diámetro menor que el diámetro interior de éste. Dicho eje (3), tiene acoplado en su extremo próximo a la sección de entrada de la muestra una hélice o tornillo sin fin (4) que sobresale ligeramente del conducto principal (1).
El otro extremo del eje (3) atraviesa el extremo externo al proceso del conducto principal (1) y es acoplado a un motor eléctrico (5) que acciona el giro de la hélice (4) alrededor del eje de la sonda. El sentido de giro del eje (3) es tal que el avance de las espirales de la hélice (4) es hacia el exterior del conducto principal (1).
El extremo exterior de conducto principal (1) es rematado con un casquillo de cierre (6) provisto de dos retenes (7) que rodean el eje (3) impidiendo la infiltración de aire a través de éste. El casquillo de cierre (6) sirve igualmente de soporte para el motor (5).
Para soportar las altas temperaturas de la corriente de proceso la sonda es refrigerada por agua u otro fluido que circula entre dos camisas, una externa (8) y otra interna (9), concéntricas con el conducto principal (1).
La camisa externa (8) está soldada por uno de sus extremos a la pared extema del conducto principal (1) en la sección de entrada de muestra y por el otro extremo a la camisa interna (9). Esta última está igualmente soldada a la pared externa del conducto principal (1) en el extremo externo al proceso. El agua de refrigeración entra por el espacio anular entre las dos camisas de refrigeración y retoma por el espacio anular entre la camisa interior (9) y el conducto principal (1).
La sonda dispone de una brida (10) soldada a la camisa exterior (8) para su montaje permanente en la pared del horno, accediendo al interior de éste a través de un orificio provisto a su vez de una conexión embridada.
Como alternativa al movimiento giratorio conferido por el motor eléctrico (5) directamente al eje (3), puede utilizarse un motor neumático o un sistema de transmisión indirecta como un juego de correas y poleas, cadenas de rodillos o piñones de módulo.

Claims

REIVINDICACIONES
1) Aparato para la extracción de muestras gaseosas en procesos con elevados contenidos en partículas caracterizado por comprender los siguientes elementos:
- Un conducto principal de sección circular (1) por cuyo interior circula la muestra gaseosa, uno de cuyos extremos es posicionado en la corriente del proceso, mientras que el otro extremo es exterior al proceso.
- Un eje (3) concéntrico al conducto principal (1) dispuesto longitudinalmente en su interior, provisto en el extremo del lado del proceso de una hélice o tornillo sin fin (4) que atraviesa la sección de entrada del conducto principal (1) siendo la longitud del conjunto del eje (3) y la hélice (4) superior a la del conducto principal (1).
- Un sistema de cierre compuesto por un casquillo cilindrico (7) soldado al extremo exterior del conducto principal (1) que soporta en su interior uno o varios elementos de sellado que abrazan la pared del eje (3) impidiendo la infiltración de aire exterior en la muestra.
- Un conducto (2) acoplado a la pared cilindrica del conducto principal (1) en su extremo exterior y comunicado con éste para la descarga de la muestra gaseosa.
- Medios para accionar el giro del eje (3) alrededor del eje del conducto principal (1) siendo el sentido de giro tal que el sentido de avance de las espirales de la hélice (4) sea hacia el extremo del conducto principal (1) posicionado en la corriente del proceso.
2) Aparato acorde con la reivindicación 1 en el que el giro del eje se realiza de forma continua mediante un motor eléctrico o neumático. 3) Aparato acorde con la reivindicación 1 y 2 caracterizado por disponer de medios de soportación para su instalación permanente en el proceso permitiendo un funcionamiento en continuo desatendido.
4) Aparato acorde con las reivindicaciones 1, 2 y 3 caracterizado por disponer de dos camisas, una externa (8) y otra interna (9), concéntricas con el conducto principal (1), y que posibilitan la circulación de un fluido para refrigeración.
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