DE2920195A1

DE2920195A1 - Sonde zur probennahme von rauchschachtgasen oder anderen industriellen gasen

Info

Publication number: DE2920195A1
Application number: DE19792920195
Authority: DE
Inventors: James C Laird; Robert L Tomlin
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1978-05-23
Filing date: 1979-05-18
Publication date: 1979-11-29
Also published as: FR2426899A1; IT1115230B; JPS5513892A; NL7903810A; FR2426899B1; IT7922881A0; CA1123229A; US4161883A

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Probennahme von Rauchschachtgas oder anderen Industriegasen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .

Derartige Sonden werden besonders, jedoch nicht ausschließlich, zu kontinuierlichen überwachungszwecken eingesetzt. Seit jüngerer Zeit gibt es strenge Vorschriften zur Verbesserung der Luftqualität. Dies geschieht durch eine Kontrolle der Emissionen von Verunreinigungen aus stationären Quellen, beispielsweise Kraftwerken und Fa-

zu

briken. Diese Vorschriften haben einem dringenden Bedarf nach wirksamer Ausrüstung zur Überwachung von Gasen geführt. Diese Gase können direkt im Schacht bzw. Kamin durch optische Methoden einschließlich der Fotometrie oder der Spektrometrie analysiert werden. Diese Methoden sind jedoch verhältnismäßig wenig verläßlich, da ihre Empfindlichkeit durch das fein zerteilte Material im Schachtbzw. Abzugsstrom und durch die Anhäufung von Schmutz auf Fenstern, Linsen oder Reflektoren verschlechtert wird. Eine weitere Analyse-Methode beinhaltet die Extraktion einer teilchenfreien Probe aus der Schachtströmung, welche dann zu einem entfernt angeordneten Instrument geführt wird. Dabei kann es sich dann um ein optisches, naß-chemisches oder chromatografisches Gerät handeln. Aufgrund der Bequemlichkeit, die dadurch entsteht, daß die analytische Einrichtung entfernt vom Probennahmepunkt angebracht wird, befassen sich die folgenden Ausführungen mit dieser Methode.

Die Hauptprobleme, die mit der Extraktionsmethode verbunden sind, liegen in der Elimination von fein zerteiltem Material aus der Probe. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Probenldtung frei von Verstopfungen bleibt, die auf Kondensation oder Korrosion beruhen.

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Außerdem wird sichergestellt, daß die Probe beim Durchgang von dem Schacht bzw. dem Abzug zum Analysiergerät keine Veränderung erfährt. Die Elimination des fein zerteilten Materials geschieht dadurch, daß die Gase in der Abzugsströmung von den Feststoffen abgefiltert werden. Das Freihalten der ProbenleÜing und die Bewahrung der ursprünglichen Art der Probe erfolgt dadurch, daß entweder eine Wärmebehandlung der ProbenMtmg erfolgt, wodurch alle Bestandteile der Probe überhalb ihres Taupunktes über den gesamten Durchgang der leitung gehalten werden, oder, vorzugsweise, daß die Probe am Abzug bzw. Schacht vor der Injektion in die leifcrng. so konditioniert wird, daß korrosive Aerosole und Wasserdampf entfernt werden. Von diesen Lösungswegen hat sich derjenige als am schwierigsten herausgestellt, wie die Filtration der Gase von den Feststoffen in der Abzugsströmung erfolgt. Hiermit befaßt sich die vorliegenden Erfindung.

Bei der Extraktionsmethode wird eine Sonde durch die Abzugs- bzw. Kaminwand geführt, und zwar bis zu einer gewissen Entfernung in die Strömung hinein. Der Einlaß in die Sonde, über welche die Probe abgezogen wird, ist mit einem porösen Filter versehen. Bisher war es Praxis, ein Filter zu verwenden, welches Teilchen zurückhielt, die größer als 5-30 ,u waren. Derartige Filter verstopfen sich rasch unter strengeren Betriebsbedingungen, denen sie ausgesetzt sind, wodurch eine häufige Reinigung bzw. häufiger Austausch erforderlich werden. Schornsteinsonden sind oft hoch oberhalb des Erdbodens montiert, was den Austausch von Filtern gefährlich und zeitraubend macht. Eine gewisse Erleichterung beim Austausch und Säubern ergibt sich, wenn für ein automatisches, periodisches Rückwärts -Durchblas en des Filters gesorgt wird, wodurch festgehaltene

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Teilchen entfernt werden. Das Rückwärts-Durchblasen ergibt jedoch keine wirksame, lang anhaltende Säuberung von Filtern unter ungefähr 100 ,u Porosität, so daß der periodische Austausch des Filters notwendig bleibt.

Als Alternative dafür, die Probensonde mit feinkörnigen Filter auszustatten, wurde bereits eine Rückspülungssonde entwickelt. Die Rückspülungssonde verwendet eine Pumpe, die am Abzug bzw. Kamin in der Nähe der Sonde montiert ist und von der Abzugsströmung eine Teilströmung in eine Kammer abzieht, diese Teilströmung durch die Pumpe zirkuliert und im wesentlichen vollständig zurück in die Kammer gegen die Richtung der Einlaßströmung ausstößt. Eine kleine Probe der zirkulierenden Teilströmung wird abgezogen und dem Analysiergerät zugeführt. Dadurch, daß die Strömung auf diese Weise zurückgespült wird, wird den Feststoffen in der AbzugsStrömung in Richtung auf den Pumpeneinlaß verhältnismäßig wenig Impuls verliehen? die extrahierte Probe ist im wesentlichen frei von fein zerteiltem Material. Derartige Einrichtungen erreichen zwar viel, wenn es darum geht, die Verstopfung der Sonde zu verhindern. Die am Abzug bzw. Schornstein montierte Pumpe muß jedoch bei bestimmten Einsatzgebieten erwärmt werden und ist oft aufgrund von Korrosion und mechanischer Abnutzung eine Fehlerquelle.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sonde der eingangs genannten Art zu schaffen, die Gasproben entnehmen kann, welche im wesentlichen f:rei von fein zerteiltem Material ist, dabei selbstreinigend ist und eine längere Zeitdauer ohne routinemäßige Wartung arbeiten kann.

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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Probensonde arbeitet bei der Temperatur der Abzugs- bzw. Kaminströmung; sie verwendet keine am Kamin bzw. Abzug montierten Komponenten, die aufgrund von Verschleiß oder Korrosion anfällig wären. Es ist eine einfache Verbindung zwischen der Sonde und einer davon entfernt angeordneten Überwachungsstation erforderlich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen Fig. 1 die Draufsicht auf die erfindungsgemäße Sonde mit

aufgebrochenen Abschnitten, wodurch die innere Bauweise gezeigt werden kann;

Fig. 2 ein Schemadiagramm, welches die Sonde, die am Abzug bzw. Kamin montierten Komponente der Probengas-Konditioniereinrichtung und die Verbindungen mit der Überwachungsstation zeigt.

In Fig. 1 ist eine Kamin- bzw. Abzugswand 10 gezeigt, in der sich ein Durchbruch 12 befindet. Dieser ist von einem Sonden-Montageflansch 14 abgedeckt. Ein Rückblasrohr 16, welches am Flansch 14 befestigt ist, erstreckt sich durch den Flansch und den Durchbruch 12 ins Innere des Abzugs. Das äußere Ende 17 des Rohrs 16 ist mit einer Druckluftquelle über ein Solenoidventil (in Fig. 1 nicht gezeigt) verbunden, welches periodisch Reinigungsluft in das Rohr einläßt. Das Innenende 18 des Rohrs 16 ist durch eine hoh-

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le Filterkappe 20 aus gesintertem Material verschlossen. Die Kappe 20 wird so gewählt, daß ihre Porosität nicht kleiner als 100 ,u und vorzugsweise nicht größer als 500 ,u ist. Eine Filterkappe mit einer Porosität, die unter 100 ,u liegt, kann durch periodische Luftstöße nicht zuverlässig saubergehalten werden. Ein offenendender, zylindrischer Metallschirm 21 wird von dem Rohr 16 in Abstand von der Filterkappe 20, diese umgebend, getragen. Er schützt die Filterkappe vor dem direkten Aufprall von Teilchen mit hoher Geschwindigkeit, die von der Strömung im Abzug mitgeführt werden.

Ein Sammelrohr 23 ist in eine Öffnung im Rohr 16 in der Nähe von dessen Innenende 18 eingedichtet und erstreckt sich nach vorne. Es besitzt innerhalb der Filterkappe 20 ein offenes Ende 24. Ein Ejektor 25, der vom Flansch 14 getragen ist, ist am Ende des Rohres 23 in der Nähe der Abzugswand festgemacht. Wie aus der eingefügten Ansicht erkennbar ist, umfaßt der Ejektor 25 eine Düse 26, der kontinuierlich über ein Rohr 27 Druckluft zugeführt wird, sowie ein Mundstück 28. Der aus der Düse 26 austretende Luftstrom wird in die Kehle des Mundstückes 28 geleitet, wodurch stromab von der Mundstückkehle ein Vakuum geschaffen wird. Demzufolge verläuft eine Hochgeschwindigkeitsströmung, die am offenen Ende 24 des Rohres 23 beginnt, durch das Rohr und tritt stromab der Mundstückkehle aus. Das Austrittsende des Mundstückes 28 ist mit einem perforierten Ausstoßrohr 29 verbunden, welches die Ejektroströmung in die Abzugs strömung ausstößt.

Probengas wird durch ein Inertialfilter 31 extrahiert, welches in der Mitte des Rohres 23 angeordnet ist. Wie in der Zusatzzeichnung zu erkennen ist, umfaßt das Filter 31 ein offenendendes, zylindri-

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sches/ gesintertes Metallrohr 32 mit einem kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Rohres 23. Der Zylinder 32 wird in Abstand von der Innenwand des Rohres 23 durch offen zentrierte, kreisförmige End-Baffles 33 getragen. Diese erzeugen einen abgegrenzten Raum 34, der den Zylinder umgibt. Eine Probenleitung 35 ist so in das Rohr 23 eingesetzt, daß sie mit dem Raum 34, der den Zylinder 32 umgibt, kommuniziert. Der Zylinder 32 hat vorzugsweise eine Nominalporosität von 2 ,u. Der Ejektor 25 wird so betrieben, daß er eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 24 m/sec ergibt. Der Zylinder 32 besitzt zweckmäßigerweise einen Innendurchmesser von 6,25 mm, was zu einer Volumenströmung von ungefähr 46,3 l/min bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 24 m/sec führt. Ein mäßiges Vakuum wird durch eine Probennahmepumpe (nicht gezeigt), die an einer entfernten Überwachungsstation angeordnet ist, an die Leitung 35 gelegt, wodurch das Probengas aus dem Raum 3 4 extrahiert wird. Die Strömung des Probengases in der Leitung erfolgt mit niedriger Geschwindigkeit von zwischen ungefähr 0,1 l/min bis nicht mehr als 5 l/min. Eine derartig niedrige Probengasströmung hat einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Impuls von Teilchen, die sich in der Strömung befinden, welche durch das Rohr 23 fließt. Somit ist die Gasprobe im wesentlichen frei von allem fein zerteilten Material. Darüber hinaus besitzen die Teilchen eine geringe Neigung, in die Poren des Zylinders 32 einzutreten und dort festgehalten zu werden. Teilchen, die momentan an der Innenfläche des Zylinders festhaften, werden durch die Hochgeschwindigkeitsteilchen der vorbeigehenden Strömung mitgenommen.

Die Gasprobe in der Leitung 35 verläuft durch den Plansch 14 in eine Gaskonditionieranordnung, die sich innerhalb des Gehäuses

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befindet. Dieses ist am Flansch 14 außerhalb des Abzugs bzw. Kamines befestigt. .Die Gaskonditionieranordnung entfernt Säurenebel und Wasserdampf, die im Probengas vorliegen, bevor dieses zur entfernten Überwachungsstation geleitet wird. Auf diese Weise werden Probleme gemildert, die mit dem Einfrieren und der Korrosion der Proben-Übertragungsleitung verbunden sind. Ein geeigneter Konditionierapparat ist in dem Artikel "Continuous Stack Monitoring" von R. L. Chapman beschrieben, veröffentlich in "Environmental Science and Technology", Juni 1974, S. 520-525. Der Konditionierapparat ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, auf die nunmehr Bezug genommen wird.

Das Rückblasrohr 16 ist über ein elektrisch betätigtes Solenoidventil 41 mit der Luftversorgung verbunden. Das Ventil 41 wird durch einen automatischen Zeitgeber (nicht gezeigt) periodisch kurz geöffnet, wodurch ein Luftstoß in das Rohr 16 zur Reinigung des Grobfilters 20 eingelassen wird. Eine kontinuierliche Luftströmung wird dem Ejektor 25 über das Rohr 27 zugeführt, welches mit einem Druckregler 42 verbunden ist. Diesem wird von der Luftversorgung ungeregelte Druckluft zugeführt. Der Regler 42 wird am besten an der Überwachungsstation zur bequemeren Einstellung angebracht. Das Probengas in der Leitung 35, welches Säurenebel und Wasserdampf enthält, wird eine kurze Entfernung zu einem Dreiwegeventil 43 in der Konditionieranordnung geführt, die am Abzugsdurchbruch montiert ist. Das Probengas in der Leitung 35 passiert normalerweise das Ventil 43 zur gemeinsamen Leitung 44 und in einen Säurenebelabscheider 45. Der Abscheider 45 trennt die Säurenebel und eine gewisse Menge des Wasserdampfes vom Probengas durch Kondensation. Vom Abscheider gelangt das Probengas in einen Membran-

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trockner 46, wo das in der Probe verbliebene Wasser entfernt wird. Der Trockner 46 umfaßt ein Membranrohrsystem, durch welches das Probengas strömt und das für Wasserdampf durchlässig ist. Ein Strom trockener Reinigungsluft, die über die Leitung 47 zugeführt wird, umgibt das Rohrsystem und führt den Wasserdampf, der durch die Membranrohre durchdringt, zur Ausstoßleitung 48 weg. Das nunmehr von Säurenebeln und Wasserdampf befreite Probengas tritt aus dem Trockner 46 aus und in die Leitung 51 ein, wo es zur Überwachungsstation geführt wird.

Das Ventil 43 wird pneumatisch unter der Steuerung eines solenoidbetätigten Steuerventils 52 betätigt. Durch die Betätigung des Ventils 52 wird Luftdruck von der Luftversorgung dem Ventil 43 zugeführt, wodurch letzteres die gemeinsame Leitung 44 von der Probengasleitung 35 zur Testgasleitung 53 umschaltet. Entweder kein Gas, worauf die analytische Vorrichtung an der Überwachungsstation nicht ansprechen darf, oder bekannte Konzentrationen an Füllgas, für welches die analytische Vorrichtung empfindlich ist, können zur Instrumenteneichung in die Leitung 53 eingebracht werden und um die Dichtheit der Konditionieranordnung und der Probenübertragungsleitung zu testen.

Die Säurenebel und der Wasserdampf, die aus dem Probengas durch den Abscheider 45 kondensiert wurden, werden in einem Sumpf gesammelt, der als einstückiges Teil des Abscheiders ausgebildet ist. Dieses Kondensat wird periodisch vom Abscheidersumpf durch ein Solenoidventil 54 abgezogen, welches gleichzeitig mit dem Ventil 41 betätigt wird. Hierdurch wird der Sumpf mit der Vakuumöffnung eines luftbetätigten Eduktors 55 verbunden. Wenn das Ventil 41 geöffnet

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ist und Luft in das Rohr 16 zur Reinigung des Filters 20 eingelassen wird, wird Luft zur Leitung 56 geführt, die durch den Ejektor 55 strömt. Dies induziert ein Vakuum an der öffnung, die mit dem Auslaß des Ventils 54 verbunden ist, welches zu diesem Zeitpunkt ebenfalls offen ist. Das im Sumpf des Abscheiders 45 gesammelte Kondensat wird extrahiert und zusammen mit der Abluft vom Ejektor 55 in eine Ausstoßleitung 57 ausgeworfen.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

1,/ Sonde zur Probennahme von Rauchschachtgasen oder anderen industriellen Gasen mit einer rohrförmigen Leitung, die an beiden Enden offen ist und sich durch die Schachtwand so erstreckt, daß ein offenes Ende der Strömung industrieller Gase ausgesetzt ist, mit einem relativ groben Filter aus gasdurchlässigem Material, welches das genannte erste offene Ende umschließt; mit einer Einrichtung, die an dem gegenüberliegenden offenen Ende angeschlossen ist und periodisch einen Strahl unter Druck stehenden Strömungsmittels an die Leitung anlegt, wodurch das Filter von hierin festgehaltenen Material gereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält: eine zweite rohrförmige Leitung (23), die an beiden Enden offen ist, wobei ein Ende (24) die erste

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röhrförmige Leitung (16) so durchdringt, daß sie eine Strömung gefilterten industriellen Gases darin abfängt, während das zweite Ende (29) zum Schacht hin entlüftet ist; eine Einrichtung (25), welche der Strömung von Gasen innerhalb der zweiten Leitung (23) eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit verleiht; ein Inertialfilter (31), welches zwischen den beiden Enden in die zweite Leitung (23) eingesetzt ist und so gebaut ist, daß die Extraktion einer Probengasströmung bei verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Gase, welche das Inertialfilter (31) durchqueren, möglich ist.
2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertialfilter (31) einen Zylinder (32) aus porösem Material enthält, welcher an beiden Enden offen und in die zweite röhrförmige Leitung (23) so eingesetzt ist, daß er die durchgehende Gasströmung aufnimmt und axial führt, wobei das Inertialfilter (31) weiter eine Deckwand aus gasundurchlässigem Material enthält, welche das Äußere des Zylinders in Abstand umgibt, so daß ein begrenzter, den Zylinder umgebender Raum (34) geschaffen wird, wobei die Probengasströmung von dem umgrenzten Raum (34) abgezogen wird.
3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität des groben Filters (20) nicht unter ungefähr 100 ,u liegt, während die Porosität des Inertialfilters (31) erheblich geringer, vorzugsweise in der Größenordnung von 2 ,u ist.
4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Einrichtung (25), welche der Gasströmung in der zweiten Leitung (23) und dem Inertialfilter (31) eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit verleiht, einen luftbetriebenen Ejektor enthält, der aus einem Mundstück (28) und einer Düse (26), welche einen kontinuierlichen Strom von Durckluft in das Mundstück leitet, besteht, wodurch in einem Abschnitt des Ejektors stromauf von dem Mundstück (28) , welches stromab von dem Inertialfilter liegt, ein Vakuum herbeigeführt wird.

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