EP1399725A1 - Langzeitprobennahmesystem - Google Patents

Langzeitprobennahmesystem

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Publication number
EP1399725A1
EP1399725A1 EP02747349A EP02747349A EP1399725A1 EP 1399725 A1 EP1399725 A1 EP 1399725A1 EP 02747349 A EP02747349 A EP 02747349A EP 02747349 A EP02747349 A EP 02747349A EP 1399725 A1 EP1399725 A1 EP 1399725A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filter
partial
flow
gas flow
long
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02747349A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Albert Merz
Bernhard Oser
Helmut Seifert
Reinhold Siegel
Günther ZIMMERMANN
Hubert Vogg
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP1399725A1 publication Critical patent/EP1399725A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N1/2247—Sampling from a flowing stream of gas
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    • G01N1/2247—Sampling from a flowing stream of gas
    • G01N2001/225—Sampling from a flowing stream of gas isokinetic, same flow rate for sample and bulk gas

Definitions

  • the present invention relates to a long-term sampling system for the continuous monitoring of dust and pollutant emissions and for determining the dust emission in flowing media with isokinetic removal of a partial gas stream from the main gas stream of a pollutant emitter, preferably an industrial incinerator, by means of a partial flow sampling probe with separation of the dust in the exhaust gas by cake filtration a filter and tapping the pressure loss caused by the flow through the same.
  • DE 41 15 212 C2 describes a method and an associated long-term sampling system for the continuous determination of dust contents in flowing media under isokinetic partial Current extraction of samples from the main gas stream of a pollutant emitter by means of a probe and with separation of the dusts by cake filtration on a filter are known.
  • An isokinetic partial flow withdrawal from a main gas flow exists if the partial flow to be extracted and measured has exactly the same composition with regard to the flue gas composition and the chemical components as the main gas flow (cf. [1]).
  • the following flow parameters are measured in order to constantly maintain the isokinetic partial flow withdrawal conditions on the partial flow withdrawal probe: the total pressure p G , the static pressure pst.
  • the static pressure p st ⁇ T of the partial gas stream the system temperature T, the gas humidity, and via an analysis unit downstream of the filter which taps into a partial stream, the gas composition.
  • the density, the viscosity ⁇ , the volume flow and the Reynolds number Re of the partial gas flow can be calculated from these flow parameters. These flow data serve to regulate the isokinetic partial flow draw in the event of changing flow conditions in the main exhaust gas flow.
  • the pressure loss in the unoccupied filter is measured at the start of a separation process.
  • the emission constant E r is empirically determined within an entire sampling cycle between h 0 and h end .
  • a substream is branched off from the substream of the exhaust gas cleaned of dust for an analysis of the volatile, ie. H. filterable chemical ingredients after the filter and before the pump not according to isokinetic conditions.
  • the object of the invention is to modify a long-term sampling system in such a way that in addition to the continuous quantitative long-term sampling of dusts in flowing media, the possibility is also created of volatile and thus filterable ingredients with optimized, i.e. H. Sensitive detection limit with simultaneous reduced measurement effort continuously quantitatively.
  • Fig. 1 shows the long-term sampling system in principle
  • Fig. 2 shows the partial flow extraction probe in the area of the probe mouth.
  • Fig. 1 shows the schematic of the illustrated embodiment of the long-term sampling system for the continuous determination of dust levels, gas composition, gas moisture and the volatile, ie. H. filterable chemical ingredients in flowing media under isokinetic partial flow removal conditions.
  • FIG. 1 shows the section of an exhaust gas duct 1 which is connected downstream of the flue gas cleaning stage as part of a previously described emission duration monitoring and in which the main gas stream 3 of the exhaust gas is directed in the direction indicated by the arrow.
  • the section shown is straight and vertical, the cross section of the exhaust duct 1 is round and the main gas stream flows upwards.
  • the isokinetic partial flow withdrawal takes place by means of a partial flow withdrawal probe 2, the probe mouth 6 of which is oriented against the flow in the flow profile of the main gas flow in the exhaust duct 1 in accordance with VDI guideline 2066.
  • the vacuum in the suction line 4 required for the suction of the partial flow is generated by a suction fan 5.
  • the flow data of the partial flow withdrawal probe 2 in particular the flow resistance coefficients of the probe mouth 6 in the main gas flow, are included as parameters in the regulation of the isokinetic partial flow withdrawal. They are determined in advance as part of separate wind tunnel measurements, changing depending on the temperature, pressure conditions and viscosity of the flow medium and taking into account when controlling the suction fan 5.
  • FIG. 2 shows a possible design of the partial flow sampling probe 2 in the area of the probe opening 6.
  • the static pressure p St , H of the main gas flow is at the outside via at least one radial outer opening 7, behind the probe opening the partial flow extraction probe, the static pressure p s _ , ⁇ of the partial gas flow via at least one radial inner opening 8 in the partial flow extraction probe and the total pressure p G via three pitot tubes 9, which tap the pressure values clearly in front of the opening of the probe opening, tapped in the main gas flow and in each case via one Pipeline not shown in the figures parallel to the suction line 4 to a pressure measuring device, which are located in a housing 10 at the end of the suction line 4 outside the exhaust duct, pneumatically forwarded and converted by this into electrical signals.
  • the system temperature T of the main gas flow is measured via a thermal sensor 11, which also taps the measured values clearly before the probe mouth.
  • the system temperature T and the three system pressures Ps t , H Pst, ⁇ and p G mentioned above are fed as four electrical signals 12 in parallel and simultaneously to a measuring and control unit 13 for controlling the suction fan 5 via an operating unit 14.
  • the partial gas flow sucked off via the partial flow extraction probe 2 and by means of the suction fan 5 can be switched over alternately via a feed line 15, a discharge line 22 and two multi-way valves 20 and 21 alternatively by one of the two filter housings 16 and 17, in which the dusts contained in the partial gas flow and others Solid particles are continuously separated on the fine filters 18 and 19, passed.
  • Teflon filters for example, are suitable as fine filters.
  • New to the long-term sampling system are the adsorber stages 23 and 24 arranged in the two filter housings 16 and 17 and directly downstream of the ultra-fine filters 18 and 19.
  • the volatile, i.e. filterable chemical ingredients, for example heavy metals or organic pollutants, dissolved in the partial gas stream accumulate on these Absorber material so that they can be quantified by a suitable analysis method after completion of the sampling.
  • the entire partial gas flow is passed through the adsorber stages 23 or 24, the entire proportion of the volatile constituents dissolved in the entire partial gas flow is also advantageously available for analysis. In this way, the detection limit for individual ingredients is lowered, so that the substances to be detected are much easier to detect even at very low concentrations.
  • the adsorber stages 23 and 24 connected downstream of the fine filters 18 and 19 do not require their own drive or control units, which considerably reduces the measurement effort previously required.
  • the long-term sampling system is therefore also suitable for continuous, long-term sampling of volatile substances without additional measuring technology.
  • the following substances can usually be detected on the adsorbent (e.g. polypropylene, activated carbon, etc.) of adsorber stages 23 and 24: polybrominated or polychlorinated dibenz-p-dioxins polybrominated or polychlorinated dibenzofurans polychlorinated biphenyls polychlorinated benzenes polychlorinated phenols polychlorinated naphthalene polycyclic aromatic hydrocarbons volatile heavy metals, such as B. Hg and their compounds
  • a bypass line 25 is connected in the discharge line 22, via which a minimal amount of lower current is constantly sucked in and fed directly to an analysis unit 26 and from there to the outside.
  • the gas composition is determined in the analysis unit, in particular with regard to C0 2 , 0 2 and the gas moisture.
  • the measured values determined in the process are supplied to the measuring and control unit 13 as electrical measured values 27.
  • the partial gas flow from the partial gas flow is reduced at the level of the discharge line 22, since the partial gas flow now only has to be branched off for the analysis unit 26.
  • the partial gas flow flows through the suction fan 5, from where it is fed back to the main gas flow via a further line, specifically at one point after the partial gas flow has been taken in the direction of flow.
  • these can optionally be provided with a heater, not shown in the figures.
  • the table clearly shows the enormous decrease in the concentration of furans and dioxins between the upper and middle adsorbent layer, which already has a value of 0.01 pg TEQ / Nm 3 in the second adsorbent layer and is therefore already in the range of the detection limit. For this reason, an analysis of the lower and possibly also the middle segment can be dispensed with for routine measurements.
  • absorption stages or combined ad and absorber layers are also included the same or different adsorbents which can be selected in each case with regard to the adsorption capacity for a specific pollutant.
  • a plurality of ad and / or absorber stages arranged one behind the other and / or in parallel can also be used, which can be analyzed separately and coordinated with one another.
  • the long-term sampling system offers the possibility of connecting additional analysis devices.
  • a branching of a lower part flow between the ultrafine filter and the adsorber stage or within the adsorber stage is suitable for additional, further gas analysis.
  • the leads 31 and 32 also open out between two ad or absorption stages.
  • Certain pollutants, which should not be measured in an independent gas analysis can be trapped in the ad or absorber stages, for example, to avoid cross-sensitivity in gas analysis.
  • portions of the pollutants absorbed or adsorbed before the derivation 31 or 32 are not lost for balancing the amounts of pollutants in the absorption or adsorption stages.
  • the long-term sampling system is also suitable for the assessment and optimization of a combustion process.
  • the essential information with regard to the assessment of a combustion process in particular the efficiency of combustion or the formation and release of pollutants from the process, is namely in the raw gas, i.e. between the waste heat boiler and the first flue gas cleaning stage.
  • the partial crude gas flow must also be removed isokinetically from the main crude gas flow directly after the waste heat boiler.
  • Quartz fiber filters for example, are suitable as fine filters 18 and 19 for this application.

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Abstract

Langzeitprobenahmesystem zur kontinuierlichen Überwachung von Staub- und Schadstoffemissionen und zur Ermittelung der Staubemission in strömenden Medien unter isokinetischer Entnahme eines Teilgasstroms aus dem Hauptgasstrom eines Schadstoffemitters mittels einer Teilstromentnahmesonde (2) und mit Abscheiden der Stäube durch Kuchenfiltration auf einem Feinstfilter (18, 19) sowie von im Teilgasstrom gelösten flüchtigen, d. h. filtergängigen chemischen Inhaltsstoffe in einer Adsorberstufe (23, 24). Aufgabe der Erfindung ist die Modifikation des Langzeitprobenahmesystems, sodass neben der kontinuierlichen quantitativen Langzeitbeprobung von Stäuben in strömenden Medien zusätzlich die Möglichkeit geschaffen wird, flüchtige und damit filtergängige Inhaltsstoffe mit optimierter, d. h. sensiblerer Nachweisgrenze bei gleichzeitig reduziertem Messaufwand kontinuierlich quantitativ zu erfassen. Die Aufgabe wird gelöst, indem die Adsorberstufe (23, 24), dem Feinstfilter (18, 19) nachgeschaltet, während der kontinuierlichen Überwachung vom gesamten Teilgasstrom durchströmt wird.

Description

LangzeitprobennahmeSystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Langzeitprobenahmesystem zur kontinuierlichen Überwachung von Staub- und Schadstoffemissionen und zur Ermittelung der Staubemission in strömenden Medien unter isokinetischer Entnahme eines Teilgasstroms aus dem Hauptgasstrom eines Schadstoffemitters, vorzugsweise einer industriellen Verbrennungsanlage, mittels einer Teilstromentnahmesonde mit Abscheiden der Stäube im Abgas durch Kuchenfiltration auf einem Filter und Abgreifen des bei der Durchströmung desselben verursachten Druckverlustes.
Der erforderliche Umfang von Emissionsdauerüberwachungen werden durch einschlägige nationale gesetzliche Vorschriften bestimmt. Beispielsweise schreibt die in Deutschland verbindliche 17. BlmSchV (Bundes- Immission-Schutz-Verordnung) für eine lückenlose Überwachung von Rauchgas emittierende Anlagen auch taktweise zu wiederholenden Einzelmessungen vor, um relevante Staubinhalts- stoffe und filtergängige Schadstoffe, wie Schwermetalle oder organische Verbindungen nachzuweisen und zu belegen, mit Kenntnis der gleichfalls zu bestimmenden Abgasfeuchte.
Bekannte Verfahren zur Emissionsdauerüberwachung sind Absorptionsverfahren von Lichtwellen oder sonstigen Strahlungsquellen. Weiter ist bekannt, Staubfilter über ihren Druckverlust zu überwachen, indem bei einem Schwellwert davon ausgegangen wird, dass der Filter beladen ist und ausgewechselt werden muss. Erst danach lässt sich nachträglich die integrale Menge der auf dem Filter abgeschiedenen Partikel gravimetrisch bestimmen. Eine kontinuierliche Überwachung der abgeschiedenen Menge in vorgegebenen Zeitschritten lässt sich mit dieser Methode nicht erzielen.
Aus der DE 41 15 212 C2 ist ein Verfahren und ein dazugehöriges Langzeitprobenahmesystem zur kontinuierlichen Bestimmung von Staubgehalten in strömenden Medien unter isokinetischer Teil- Stromentnahme von Proben aus dem Hauptgasstrom eines Schadstoff- emitters mittels einer Sonde und mit Abscheiden der Stäube durch Kuchenfiltration auf einem Filter bekannt. Eine isokinetische Teilstromentnahme aus einem Hauptgasstrom liegt vor, wenn der abzusaugende und zu messende Teilstrom exakt die gleiche Zusammensetzung bezüglich der RauchgasZusammensetzung und der chemischen Bestandteile aufweist, wie der Hauptgasstrom (vgl. [1]). Dabei werden zum ständigen Aufrechterhalten der isokinetischen Teilstromentnahme-Bedingungen an der Teilstromentnahmesonde die folgenden Strömungsparameter gemessen: Der Gesamtdruck pG, der statische Druck pst.H des Hauptgasstromes, der statische Druck pstιT des TeilgasStromes, die Systemtemperatur T, die Gasfeuchte, sowie über eine dem Filter nachgeschaltete Analyseeinheit, welche einen Teilstrom anzapft, die Gaszusammensetzung. Aus diesen Strömungsparametern lassen sich die Dichte, die Viskosität η, der Volumenstrom sowie die Reynoldszahl Re des Teilgasstromes berechnen. Diese Strömungsdaten dienen der Regelung der isokinetischen Teilstromentnahme bei sich ändernden Strömungsbedingungen im Abgashauptstrom. Zur Bestimmung der Staubemission wird zunächst der Druckverlust im unbelegten Filter beim Start eines Abscheideprozesses gemessen. Während des Abscheideprozesses wird dann der momentane Druckverlust ΔpF im Filter unter ständigem Aufrechterhalten der isokinetischen Teil- stromentnahme-Bedingungen stetig weiter gemessen, wobei laufend die Filterbelegung h = ΔPF/ (η»vF) , vF ist die Filtrationsgeschwindigkeit, berechnet wird. Die zeitliche Änderung der Filterbelegung Δhx wird dann über die Beziehung Δhx = h1+1 - dargestellt, wobei hx die Filterbelegung zu einem Zeitpunkt t und 1+1 die Filterbelegung zu einem weiteren Zeitpunkt t1+1 ist . Über die Beziehung Er = / (hEnde-ho) (m = abgeschiedene Staubmenge) wird die Emissionskonstante Er im Rahmen eines gesamten Probenahmezyklus zwischen h0 und hEnde empirisch bestimmt. Mit der gleichen Beziehung lässt sich dann bei einem filterspezifischen, d. h. prak- tisch unveränderlichen Er bei bekannten Δhx die in einem Zeitintervall zwischen t und t1+1 abgeschiedenen Staubmenge Δrri! bestimmen, welche sich dann für eine Dokumentation einem im demselben Zeitintervall bestimmten Teilgasvolumen im Normzustand zuordnen lässt. Auf die formelmäßigen Zusammenhänge bei diesem Verfahren sei auf die einschlägige Literatur sowie Lehrbücher (z. B. [2]) für die Wärme- und S offüber ragung verwiesen.
Bei dem Verfahren und dem mit diesem offengelegten Langzeitprobenahmesystem erfolgt jedoch die Abzweigung eines Unterteilstromes aus dem Teilstrom des vom Staub gereinigten Abgases für eine Analyse der im Abgas gelösten flüchtigen, d. h. filtergängigen chemischen Inhaltstoffe nach dem Filter und vor der Pumpe nicht nach isokinetischen Bedingungen.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Langzeitprobenahmesystem so zu modifizieren, dass neben der kontinuierlichen quantitativen Langzeitbeprobung von Stäuben in strömenden Medien zusätzlich die Möglichkeit geschaffen wird, flüchtige und damit filtergängige Inhaltsstoffe mit optimierter, d. h. sensiblerer Nachweisgrenze bei gleichzeitig reduziertem Messaufwand kontinuierlich quantitativ zu erfassen.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale vor, die im Patentanspruch 1 angeführt sind. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung an.
Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von Figuren einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Langzeitprobenahmesystems näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 das Langzeitprobenahmesystem in prinzipieller Darstellung, sowie Fig. 2 die Teilstromentnahmesonde im Bereich der Sondenmündung .
Fig. 1 zeigt das Schema der dargestellten Ausführungsform des Langzeitprobenahmesystems zum kontinuierlichen Bestimmen von Staubgehal en, GasZusammensetzung, Gasfeuchte sowie der im Abgas gelösten flüchtigen, d. h. filtergängigen chemischen Inhaltsstoffe in strömenden Medien unter isokinetischer Teilstromentnahmebedingungen .
In Fig. 1 ist der Abschnitt eines Abgaskanals 1 dargestellt, welcher im Rahmen einer zuvor beschriebenen Emissionsdauerüberwachungen der Rauchgasreinigungsstufe nachgeschaltet ist und in dem der Hauptgasstrom 3 des Abgases in der angegebenen Pfeil- richtung geleitet wird. Idealerweise ist dabei der gezeigte Abschnitt gerade verlaufend und vertikal ausgerichtet, der Querschnitt des Abgaskanals 1 rund sowie der Hauptgasstrom nach oben strömend. Die isokinetische Teilstromentnahme erfolgt in diesem Abschnitt mittels einer Teilstromentnahmesonde 2, dessen Sondenmündung 6 gemäß der VDI-Richtlinie 2066 im Strömungsprofil des Hauptgasstroms im Abgaskanal 1 gegen die Strömung ausgerichtet ist. Der für die Absaugung des Teilstroms erforderliche Unterdr ck in der Saugleitung 4 wird über ein Sauggebläse 5 erzeugt. Die Strömungsdaten des Teilstromentnahmesonde 2, insbesondere die Strömungswiderstandsbeiwerte der Sondenmündung 6 im Haupt- gasstrom, fließen dabei als Parameter in die Regelung der isokinetischen Teilstromentnahme mit ein. Sie werden im Rahmen separater Windkanalmessungen vorab bestimmt, wobei sie sich je nach Temperatur, Druckverhältnisse und Viskosität des Strömungsmediums ändern und bei der Steuerung des Sauggebläses 5 zu berücksichtigen sind.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Gestaltung der Teilstromentnahmesonde 2 im Bereich der Sondenmündung 6. Für die Ermittlung der Regelparameter für die isokinetische Teilstromentnahme wird deutlich hinter der Sondenmündung der statische Druck pSt,H des Hauptgas- Stromes über mindestens eine radialen Außenöffnung 7 außen an der Teilstromentnahmesonde, der statische Druck ps_,τ des Teilgasstromes über mindestens eine radialen Innenöffnung 8 in der Teilstromentnahmesonde sowie der Gesamtdruck pG über drei Staurohre 9, welche die Druckwerte deutlich vor der Sondenmündungs- Öffnung abgreifen, im Hauptgasstrom abgegriffen und jeweils über eine in den Figuren nicht dargestellte Rohrleitung parallel zu der Saugleitung 4 zu je einem Druckmessgerät, welche sich in einem Gehäuse 10 am Ende der Saugleitung 4 außerhalb des Abgaskanals befinden, pneumatisch weitergeleitet und durch diese in elektrische Signale gewandelt. Ferner wird die Systemtemperatur T des Hauptgasstromes über ein Thermofühler 11, welcher ebenfalls die Messwerte deutlich vor der Sondenmündung abgreift, gemessen.
Die Systemtemperatur T sowie die drei zuvor genannten Systemdrücke Pst,H Pst,τ und pG werden als vier elektrische Signale 12 parallel und zeitgleich einer Mess- und Regeleinheit 13 für die Steuerung des Sauggebläses 5 über eine Bedieneinheit 14 zugeführt .
Im Dauerbetrieb wird der über die Teilstromentnahmesonde 2 und mittels dem Sauggebläse 5 abgesaugte Teilgasstrom über eine Zuleitung 15, eine Ableitung 22 und zwei Mehrwegehähne 20 und 21 wechselseitig umschaltbar alternativ durch einen der beiden Filtergehäuse 16 und 17, in welchen die im Teilgasstrom enthaltenen Stäube und andere Feststoffpartikel fortlaufend auf den Feinstfiltern 18 und 19 aufgeschieden werden, geleitet. Als Feinstfilter eignen sich hierbei beispielsweise Teflonfilter.
Neu bei dem Langzeitprobenahmesystem sind die in den beiden Filtergehäusen 16 und 17 angeordneten und den Feinstfiltern 18 und 19 direkt nachgeschalteten Adsorberstufen 23 und 24. In diesen reichern sich die im Teilgasstrom gelösten flüchtigen, d. h. filtergängigen chemischen Inhaltsstoffe, beispielsweise Schwermetalle oder organische Schadstoffe, auf dem Absorbermaterial an, sodass sie nach Abschluss der Beprobung durch ein geeignetes Analyseverfahren quantifizierbar sind. Mit der Durchleitung des gesamten Teilgasstrom durch die Adsor- berstufen 23 oder 24 steht in vorteilhafter Weise auch der gesamte Anteil der im gesamten Teilgastrom gelösten flüchtigen Inhaltsstoffe für eine Analyse zu Verfügung. Auf diese Weise wird die Nachweisgrenze für einzelne Inhaltstoffe herabgesenkt, sodass die zu detektierenden Stoffe auch bei sehr geringen Konzentrationen erheblich besser erfassbar sind. Eine Abzweigung eines Unterteilgasstromes aus dem Teilgasstrom des vom Staub gereinigten Abgases auf der Höhe der Ableitung 22 für eine Schadstoffanalyse der im Abgas gelösten flüchtigen Inhaltstoffe, welcher gemäß des genannten Stands der Technik nicht nach isokine- tischen Bedingungen erfolgt, ist damit nicht mehr erforderlich. Diese werden in den Adsorberstufen 23 oder 24 abgefangen oder können über die Ableitungen 31 oder 32 vor den Adsorberstufen einer eigenständigen Gasanalyse auch für die Erfassung von z. B. HC1, S02, NOx, HF oder anderer Schadstoffe zugeführt werden.
Ferner benötigt die den Feinstfiltern 18 und 19 nachgeschalteten Adsorberstufen 23 und 24 im Gegensatz zu dem genannten Stand der Technik für eine kontinuierliche Beprobung keine eigenen Antriebs- oder Regelungseinheiten, was den bisher übliche Messaufwand erheblich reduziert. Damit ist das Langzeitprobenahmesystem ohne zusätzliche Messtechnik auch zur lückenlosen kontinuierlichen Langzeitbeprobung von flüchtigen Stoffen geeignet.
Üblicherweise sind auf der Adsorbenz (z. B. Polypropylen, Aktivkohle etc.) der Adsorberstufen 23 und 24 folgende Stoffe im Einzelnen nachweisbar: polybromierte bzw. polychlorierte Dibenz-p-dioxine polybromierte bzw. polychlorierte Dibenzofurane polychlorierte Biphenyle polychlorierte Benzole polychlorierte Phenole polychlorierte Naphtaline polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe flüchtige Schwermetalle, wie z. B. Hg und deren Verbindungen
Nach den Feinstfiltern 18 und 19 und den Adsorberstufen 23 und 24 ist in der Ableitung 22 eine Bypassleitung 25 geschaltet, über welcher konstant eine minimale Unterteilstrommenge angesaugt und direkt einer Analyseeinheit 26 zugeführt und von dort ins Freie geleitet wird. In der Analyseeinheit erfolgt die Bestimmung der Gaszusammensetzung insbesondere hinsichtlich C02, 02 sowie der Gasfeuchte. Die dabei ermittelten Messwerte werden als elektrische Messwerte 27 der Mess- und Regeleinheit 13 zugeführt. Mit diesen und den an der Sondenmündung 6 der Teilstromentnahmesonde 2 ermittelten Systemtemperatur T und der drei Systemdrücken pstιH, Pst,τ und pG sowie der durch die Feinstfilter 18 und 19 erzeugte und an diesen abgegriffenen Druckminderungen Δp (gemessen wird der Differenzdruck vor und hinter dem Feinstfilter 18 bzw. 19, der als elektrische Messsignale 28 der Mess- und Regeleinheit 13 zugeführt wird) werden die Dichte, die Viskosität η, der Volumenstrom sowie die Reynoldszahl Re des Teilgas- Stromes weiterverarbeitet und in einem weiteren Schritt zur Regelung der isokinetischen Teilstromentnahme bei sich ändernden Strömungsbedingungen im Hauptgaststrom herangezogen. Dabei wird dem Sauggebläse 5 eine entsprechende Regelgröße 29 für den Gebläsemotor zugeführt .
Gegenüber dem genannten Stand der Technik verringert sich der Unterteilgasstrom aus dem Teilgasstrom auf der Höhe der Ableitung 22, da der Unterteilgasstrom jetzt nur noch für die Analyseeinheit 26 abgezweigt werden muss .
Im Anschluss an die Ableitung 22 durchströmt der Teilgasstrom das Sauggebläse 5, von wo dieser über eine weitere Leitung wieder dem Hauptgasstrom, und zwar an einer Stelle nach der Teilgasstromentnahme in Strömungsrichtung gesehen, zugeführt wird. Zur Vermeidung von ungewollter Kondensation insbesondere von gasförmig vorliegenden SchadstoffVerbindungen in den Feinstfiltern 18 und 19 oder im Sauggebläse 5 können diese optional mit einer in den Figuren nicht näher dargestellte Heizung versehen werden. Mit Hilfe einer derartigen Verschiebung des Taupunktes lassen sich insbesondere auch die im Teilgasstrom gelösten flüchtigen Inhaltsstoffe sicher durch die Feinstfilter 18 und 19 in die Adsorberstufen 23 und 24 transportieren.
Zur Durchführung einer kontinuierlichen Langzeitbeprobung wird zunächst der Differenzdruck vor und hinter dem jeweils über die Mehrwegehähne 20 und 21 durchgeschalteten Feinstfilter 18 bzw. 19, d. h. die Druckminderung Δp, im unbelegten Zustand gemessen. Damit beginnt der Probenahmevorgang, welcher ohne Unterbrechung und ohne ein Umschalten auf den jeweils anderen, nicht aktiven Feinstfilter 18 oder 19 bis zur vollständigen Belegung, d. h bis zur Überschreitung einer als Limit vorgegebenen Druckdifferenz prit des aktiven Feinstfilters weitergeführt wird. Wird Δpkrit überschritten, wird der Teilgasstrom über die Mehrwegehähne 20 und 21 auf den bislang nicht aktiven Feinstfilter 18 oder 19 umgeschaltet und der jetzt belegte Feinstfilter dem Filtergehäuse zur weiteren Analyse und / oder zur Archivierung entnommen. Ferner kann die reale Emissionskonstante Er als Quotient der abgeschiedenen Staubmenge m zu der Gesamtfilterbelegung Δh = hEnde - hO bestimmt und für die nachträgliche Korrektur der taktweise bestimmten Staubmengen pro Zeitintervall herangezogen werden. Da sich die Emissionskonstante Er als spezifische Größe der Staubpartikel praktisch nie ändert ist eine derartige Korrektur nur bei unbekannter, d. h. während der ersten Messung als Schätzwert eingesetzter, Emissionskonstante Ea erforderlich.
Auf die einzelnen Verfahrensschritte sowie auf die Algorithmen zur Ermittlung der zu dokumentierenden Emissionsdaten aus den gewonnenen Messdaten wird auf den zuvor zitierten Stand der Technik verwiesen. Zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Langzeitprobenahmesystems wurden an einer Müllverbrennungsanlage sechs einwöchige Messzyklen durchgeführt. Die Versuche wurden mit zwei verschiedenen Teilstromentnahmesonden mit einem Wirkdurchmesser dw von 16 bzw. 25 mm durchgeführt. Zur Überprüfung der Wirksamkeit der Ad- sorberstufen wurde die Schüttung in diesen in drei Adsorber- schichten unterteilt, wobei der das Feinstfilter passierende Teilgasstrom zunächst die obere, dann die mittlere und schließlich die untere Adsorberschicht durchströmt. Die Dioxin- und Fu- rankonzentrationen in pg TEQ/Nm3 (TEQ= Toxizitätsäquivalent) der nach der Langzeitbeprobung in den Adsorberschichten akkumulierten Dioxine und Furane wurden quantitativ ausgewertet und für die drei Adsorberschichten in der folgenden Tabelle angegeben.
Tabelle: Beispiel für die Adsorption von Dioxin/Furan auf den Adsorberschichten einer Adsorberstufe
Aus der Tabelle deutlich ersichtlich ist die enorme Konzentrationsabnahme an Furanen und Dioxinen zwischen der oberen und mittleren Adsorberschicht, welche bereits in der zweiten durchströmten Adsorberschicht einen Wert von 0,01 pg TEQ/Nm3 aufweist und damit bereits im Bereich der Nachweisgrenze liegt. Deshalb kann bei Routinemessungen auf eine Analyse des unteren und eventuell auch des mittleren Segmentes verzichtet werden.
Anstelle der Adsorberstufen sind je nach Einsatzzweck und der Art der zu detektierenden flüchtigen Inhaltstoffen auch Absorptionsstufen oder kombinierte Ad- und Absorberschichten mit gleichen oder verschiedenen, jeweils hinsichtlich der Adsorptionsfähigkeit für einen bestimmten Schadstoff auswählbaren Ad- sorbenzien einsetzbar.
Ferner können auch mehrere hintereinander und/oder parallel angeordnete Ad- und/oder Absorberstufen zur Anwendung gelangen, welche aufeinander abgestimmt separat analytisch auswertbar sind.
Neben der zuvor beschriebenen kontinuierlichen Langzeitbeprobung von Stäuben über die Feinstfilter und der flüchtigen Inhaltsstoffe über die Adsorberstufen besteht im Rahmen des erfindungs- gemäßen Langzeitprobenahmesystems die Möglichkeit zum Anschluss von zusätzlichen Analysegeräten. Beispielsweise bietet sich eine Abzweigung eines Unterteilstromes zwischen dem Feinstfilter und der Adsorberstufe oder innerhalb der Adsorberstufe für eine zusätzliche, weiterführende Gasanalytik an. Insbesondere bietet es sich an, die Ableitungen 31 und 32 auch zwischen zwei Ad- oder Absorbtionsstufen ausmünden zu lassen. Dabei können bestimmte Schadstoffe, welche bei einer eigenständige Gasanalyse nicht gemessen werden sollen, beispielsweise zur Vermeidung von Querempfindlichkeiten bei der Gasanalytik in Ad- oder Absorlberstufen bereits vor der Ableitung abgefangen werden. Zudem gehen Anteile der vor der Ableitung 31 oder 32 ab- oder adsorbierten Schadstoffe für eine Bilanzierung der Schadstoffmengen in den Ab- oder Adsorptionsstufen nicht verloren.
Grundsätzlich ist das Langzeitprobennahmesystem auch im Rahmen einer Beurteilung und Optimierung eines Verbrennungsprozesses geeignet. Die wesentlichen Informationen in Hinblick auf die Beurteilung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere auf die Effizienz der Verbrennung oder die Bildung und Freisetzung von Schadstoffen aus dem Prozess, liegen nämlich im Rohgas, also zwischen dem Abhitzekessel und der ersten Rauchgasreinigungsstufe, vor. Im Rahmen einer Messung muss demzufolge der Rohgasteilstrom auch direkt nach dem Abhitzekessel aus dem Rohgashauptstrom isokinetisch abgenommen werden. Im allgemeinen ist der dort herrschende Strömungszustand gekennzeichnet durch erhebliche Schwankungen der Rohgasgeschwindigkeit und durch Partikelentmischungen im Rohgas, so dass eine isokinetische Teil- stromentnahme sowie umfangreiche Netzmessungen Vorraussetzung für das Konzept der Probennahme und die Repräsentativität des Probenmaterials sind. Als Feinstfilter 18 und 19 eigenen sich für diesen Einsatz beispielsweise Quarzfaserfilter.
[1] Röthele, S.: Verfahren zur geschwindigkeitsgleichen Absaugung mit Differenzdrucksonden; Staub-Reinhalt . Luft 42 (1982) S .6-10
Bezugszeichen:
1 Abgaskanal
2 Teilstromentnahmesonde
3 Hauptgasstrom
4 Saugleitung
5 Sauggebläse
6 Sondenmündung
7 Außenöffnung
8 Innenöffnung
9 Staurohr
10 Gehäuse
11 Thermofühler
12 Elektrische Signale
13 Mess- und Regeleinheit
14 Bedieneinheit
15 Zuleitung
16 Filtergehäuse
17 Filtergehäuse
18 Feinstfilter
19 Feinstfilter
20 Mehrwegehahn
21 Mehrwegehahn
22 Ableitung
23 Adsorberstufe
24 Adsorberstufe
25 Bypassleitung
26 Analyseeinheit
27 Elektrische Messwerte
28 Elektrische Messsignale
29 Regelgröße Gebläsemotor
30 Leitung
31 Ableitung
32 Ableitung

Claims

Patentansprüche :
1. Langzeitprobenahmesystem zur kontinuierlichen Überwachung von Staub- und Schadstoffemissionen und zur Ermittelung der Staubemission in strömenden Medien unter isokinetischer Entnahme eines Teilgasstroms aus dem Hauptgasstrom eines Schadstoffemitters, vorzugsweise einer industriellen Verbrennungsanlage, mittels einer Teilstromentnahmesonde (2) und mit Abscheiden der Stäube durch Kuchenfiltration auf einem Feinstfilter (18, 19) sowie von im Teilgasstrom gelösten flüchtigen, d. h. filtergängigen chemischen Inhaltstoffe in einer Adsorberstufe (23, 24), wobei a) zum ständigen Aufrechterhalten der isokinetischen Teil- stro entnahmebedingungen an der Teilstromentnahmesonde (2) folgende Strömungsparameter gemessen werden: der Gesamtdruck pG, der statische Druck pSCjH des Hauptgasstromes, der statische Druck Pst,τ des Teilgasstromes, die Systemtemperatur T, und zusätzlich an einer dem Feinstfilter (18, 19) nachgeschalteten Analyseeinheit (26) , welche den Teilgasstrom anzapft, die GasZusammensetzung und die Gasfeuchte gemessen, und aus diesen Messgrößen die Dichte, die Viskosität η, der Volumenstrom und die Reynoldszahl des Teilgasstroms berechnet werden, b) zur Bestimmung der Staubemission der Druckverlust im unbelegten Feinstfilter (18, 19) beim Start des Abscheideprozesses gemessen wird, der momentane Druckverlust Δp im Feinstfilter (18, 19) unter ständigem Aufrechterhalten der isokinetischen Teilstromentnahmebedingungen stetig gemessen wird, die Filterbelegung h = ΔpF/ (η«vF) , vF ist die Filtrationsgeschwindigkeit, berechnet wird, die zeitliche Änderung der Filterbelegung ΔhL über die Beziehung Δhx = h1+ι -hi dargestellt wird, wobei λ die Filterbelegung zu einem Zeitpunkt tj. und h1+1 die Filterbelegung zu einem Zeitpunkt t1+1 ist, die reale Emissionskonstante Er als Quotient der während der Probenahmezeit auf dem Feinstfilter (18, 19) abgeschiedenen Staubmenge m zu der Gesamtfilterbelegung Δh = hEnde - h0 zwischen dem Anfang und dem Ende der Proben- nahme ermittelt wird, die zeitliche Änderung der auf dem Feinstfilter (18, 19) abgeschiedenen Staubmenge Δmx aus dem Produkt der zeitlichen Änderung der Filterbelegung Δhx und der tatsächlichen Ξrnissionskonstante Er berechnet wird, und die im jeweiligen Zeitraum abgeschiedene Staubmenge zum momentanen Teilgasvolumen im Normzustand zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Adsorberstufe (23, 24), dem Feinstfilter (18, 19) nachgeschaltet, während der kontinuierlichen Überwachung vom gesamten Teilgastrom durchströmt wird.
2. Langzeitprobennahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorberstufe (23, 24) aus mehreren hintereinander geschalteten Adsorberschichten mit gleichen oder verschiedenen, jeweils hinsichtlich der Adsorptionsfähigkeit für einen bestimmten Schadstoff auswählbaren Absorbenzien besteht.
3. Langzeitprobennahmesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorberstufe (23, 24) durch mehrere, parallel oder hintereinander geschaltete Adsorberstufen ersetzbar ist.
4. Langzeitprobennahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Feinstfilter (18, 19) und der nachgeschalteten Adsorberstufe (23, 24) eine zusätzliche Ableitung (31, 32) für die Entnahme eines Unterteil- gasstromes aus dem Teilgasstrom vorgesehen ist.
5. Langzeitprobennahmesystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einer oder mehreren ausgewählten Stellen zwischen zwei Adsorberschichten einer Adsorberstufe (23, 24) oder zwischen zwei hintereinander geschalteten Adsorberstufen je eine zusätzliche Ableitung für die Entnahme eines Unterteilgasstromes aus dem Teilgasstrom vorgesehen ist.
6. Langzeitprobennahmesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Adsorberstufen je nach Einsatzzweck und der Art der zu detektierenden flüchtigen Inhaltstoffen auch Absorptionsstufen oder kombinierte Ad- und Absorberstufen mit gleichen oder verschiedenen, jeweils hinsichtlich der Ab- bzw. Adsorptionsfähigkeit für einen bestimmten Schadstoff auswählbaren Ab- bzw. Adsorbenzien eingesetzt sind.
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