DD232115A1

DD232115A1 - Einrichtung zur messgasaufbereitung

Info

Publication number: DD232115A1
Application number: DD24908183A
Authority: DD
Inventors: Heinz Gatzmanga; Ruediger Hille; Juergen Wilke
Original assignee: Junkalor Dessau
Priority date: 1983-03-23
Filing date: 1983-03-23
Publication date: 1986-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reinigung und Trocknung kontinuierlich stroemender und hinsichtlich ihrer Zusammensetzung zu analysierender Gasproben, deren hoher Gehalt an Stoerkomponenten die direkte Kopplung eines betrieblichen Analysenmessgeraetes mit dem Prozess nicht zulaesst, wie es z. B. in der stoffwandelnden Industrie, in Heiz- oder Kraftwerken der Fall ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messgasaufbereitungseinrichtung zu schaffen, die sich bei vertretbarem Aufwand durch geringe Wartungs- und Betriebskosten auszeichnet, die das Ergebnis der Analysenmessung nicht beeinflusst und deren Funktion bei einer breiten Palette von Anwendungsfaellen gewaehrleistet ist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass eine intensive Waschung des Messgases mit einer chemisch inerten und mit Wasser nicht mischbaren Fluessigkeit vorgenommen wird, welche im Kreislauf gepumpt wird und eine geringere Dichte als Wasser aufweist. Als sehr vorteilhafte Waschfluessigkeit wird in der Erfindung Siliconoel aufgefuehrt. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur wartungsarmen Aufbereitung von Rauchgasen sowie anderen Industriegasen, deren Gehalt an Störkomponenten die direkte Ankopplung eines automatischen Gasanalysators ausschließt. Der Trend und die Notwendigkeit zu einer möglichst umfassenden Informationsgewinnung von Prozessen der stoffwandelnden Industrie hat u.a. einen verstärkten Einsatz derartiger Gasanalysatoren zum Zwecke der kontinuierlichen Konzentrationsbestimmung einer oder mehrerer Gaskomponenten bedingt. Ein störungsfreier Betrieb der vorrangig auf physikalische Meßprinzipien beruhenden Gasanalysatoren erfordert die Abtrennung der Störkomponenten aus der Meßgasprobe, was in vorgeschalteten Armaturen, nachfolgend Aufbereitungseinrichtung genannt, realisiert wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der on-line-Analyse von Prozeßgasen ist neben der störungsfreien und repräsentativen Entnahme die zuverlässige und wartungsarme Reinigung und Trocknung des Meßgases von entscheidender Bedeutung für die Brauchbarkeit der gesamten Analysenmeßanlage.

Dies äußert sich darin, daß bei modernen Meßanlagen die Kosten für die Aufbereitungseinrichtungen etwa denen für den eigentlichen Gasanalysator entsprechen.

In der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren zur effektiven Reinigung und Trocknung von Gasen bekannt. Eine Applikation dieser Verfahren in der Gasanalysenmeßtechnik ist jedoch durch deren Spezifik stark eingeschränkt. Da die Meßwerte nur dann sinnvoll genutzt werden können, wenn sie mit geringer zeitlicher Verzögerung vorliegen, müssen alle vom Meßgas durchströmten Armaturen ein möglichst geringes Volumen aufweisen. Die praktische Konsequenz hiervon ist, daß bei der apparativen Realisierung in der Regel ein Kompromiß zwischen geringen Lauf- und Verzögerungszeiten einerseits und vertretbaren Wartungsabständen andererseits eingegangen werden muß. Des weiteren dürfen die Aufbereitungseinrichtungen nicht Quelle von Meßfehlern sein, d. h. alle Einwirkungen, die sich in einer Konzentrationsänderung des Meßgases niederschlagen, sind auszuschließen. Nicht zuletzt sei die große Vielfalt von Prozeßgasen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Art und Grad der Verunreinigung sowie Feuchtegehalt genannt. Universalgeräte, die allen Prozeßbedingungen gerecht werden, sind kaum denkbar, jedoch ist im Sinne rentabler Fertigungszahlen und einer ausreichenden Störunempfindlichkeit eine große Anwendungsbreite in Hinblick auf unterschiedliche bzw. zeitlich schwankende Prozeßparameter anzustreben.

Kommerzielle Reinigungseinrichtungen stellen Filter, Waschflaschen oder Strahlpumpen dar, während zur Trocknung vorrangig Kühlfallen und Adsorptionsvorlagen sowie in neuerer Zeit Permeationstrockner zum Einsatz kommen.

Meßgasfilter bestehen meist aus chemisch beständigem Material wie Glaswatte oder Sinterkeramik und wirken als Sieb- und/ oder Prallfilter. Aufgrund der begrenzten Filterkapazität ist der Wartungsaufwand häufig recht erheblich. Zur Kompensation dieses Mangels existieren eine Reihe von technischen Lösungen, in denen z. B. ein automatischer Wechsel der Filtereinsätze vorgesehen ist (DE-OS 1815062) oder der Filtereinsatz alternierend in die Meßgasleitung geschaltet bzw. mittels Druckluft regeneriert wird (DE-OS 1949082). Es ist jedoch bekannt, daß die Reinigung verschmutzter Filtereinsätze mittels Druckluft nur bedingt möglich ist. Neben den hier notwendigen Aufwendungen für Magnetventile, Zeitsteuerungen bzw. Statussensoren ist sehr häufig eine Beheizung der Filtereinsätze erforderlich, um eine Verwässerung durch ausfallendes Kondensat zu unterbinden. Es sind weiterhin Filtereinrichtungen bekannt (DE-OS 1949082, DE-OS 2920195) in denen mit Hilfe eines Druckluftinjektors bzw. -ejektors eine starke, zur Filteroberfläche parallele Strömung und somit ein gewisser Selbstreinigungseffekt erzeugt wird. Durch den notwendigen Druckluftanschluß, den relativ großen, aus dem Prozeß gezogenen Gasstrom sowie dessen^ Verrnischung mit Luft ergeben sich eine Reihe von Problemen, die eine breitere Nutzung dieses Prinzips ausschließen. Ähnliche Mängel ergeben sich bei einer Kombination von Filterelementen mit Fliehkraftabscheidern und/oder Elektrofiltern wie es in den Erfindungen (DD-PS 105063 und DD-PS 133113) vorgeschlagen wird. Elektrofilter haben sich wegen der großen Gefahr von Überschlägen und des recht hohen apparativen Aufwandes in der Gasanalysenmeßtechnik nicht bewährt, während die hier üblichen, sehr geringen Gasdurchsätze keinen sinnvollen Einsatz von Fliehkraftabscheidern gestatten.

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Waschflaschen sind zwar wegen ihrer Verschmutzungs- und Kondensatunempfindlichkeit unkompliziert in der Anwendung, wenn man von möglichen Absorptionseffekten absieht, jedoch ist aufgrund der relativ großen Gasperlen und deren geringer Verweilzeit in der Waschflüssigkeit der erzielte Reinigungseffekt gering. Eine Feinverteilung des durchperlenden Gases, z. B.

mittels Fritten oder Düsen, ist wiederum durch die Verstopfungsgefahr derartiger Bauteile ausgeschlossen.

Eine wirkungsvolle Reinigung bei gleichzeitiger Kühlung und Förderung des Meßgases bieten die Entnahme- und Aufbereitungseinrichtungen, in denen die Gasprobe bereits am Entnahmeort mittels eines Wasserschirms vorgereinigt und anschließend von einer Wasserstrahlpumpe über einen Abscheider zum Analysator transportiert wird (DE-OS 1808886).

Dominierender Mangel derartiger Vorrichtungen ist der, durch die Löslichkeit vieler Gase in Wasser verursachte Meßfehler, welcher nur schwer und mit großem Aufwand zu kompensieren ist. Um diesen Fehler gering zu halten wird in einer Erfindung neuerer Zeit (DE-OS 2917274) vorgeschlagen, bereits gereinigtes Meßgas mit dem Waschwasser in intensiven Kontakt zu bringen und somit einen Konzentrationsaustausch herbeizuführen. Die Realisierung des beabsichtigten Effektes setzt voraus, daß das Lösungsgleichgewicht sicher erreicht wird, was einen recht erheblichen apparativen Aufwand erfordert. Zum anderen wird eine solche Anordnung ungünstige dynamische Eigenschaften der Meßeinrichtung nach sich ziehen.

Es existieren weiterhin technische Lösungen zur Gasaufbereitung, die eine räumliche Integrierung von Reinigungs- und Kühlstufe vorsehen, was den Vorteil der Verringerung der Totvolumen in sich birgt. Die in der DE-OS 157158 beschriebene Vorrichtung stellt eine, mit einer stark gekühlten, chemisch beständigen Flüssigkeit gefüllte Waschflasche dar, in der mittels einer Rohrwendel die Verweilzeit der Gasblasen erhöht wird. Ungelöst bei dieser Vorrichtung ist die Abführung der Schmutzpartikel und insbesondere des Kondensates, da sämtliche vorgeschlagenen Waschflüssigkeiten mit Wasser mischbar sind. Darüber hinaus dürfte der beabsichtigte Wascheffekt bei den vorgeschlagenen Betriebstemperaturen kaum gewährleistet sein, da der Stockpunkt aller Waschflüssigkeiten weit unterschritten ist.

Durch die relativ große Masse und somit Wärmekapazität eines solchen Waschgefäßes ist zur Einhaltung vertretbarer Anfahrzeiten bzw. einer guten Regelbarkeit der Kühltemperatur ein leistungsstarkes Kühlaggregat erforderlich.

In der DD-PS 60020 und DE-OS 2252009 ist die Ausnutzung bestimmter strömungstechnischer Effekte neben der Erhöhung der Wärmeübergangszahlen an den Kühlerwandungen sowohl auf die Vermeidung von festen Ablagerungen als auch auf die bewußte Staubabscheidung gerichtet.

Es wurde bereits erwähnt, daß derartige Wirkungen bei den sehr geringen Gasdurchsätzen sehr fraglich sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Meßgasaufbereitungseinrichtung zu schaffen, die einen weitestgehend wartungsfreien Betrieb gestattet, deren Funktion bei einem breiten Spektrum von Meßfällen gewährleistet ist und die weder nennenswerte Verschlechterungen d,er dynamischen Eigenschaften der Meßeinrichtung noch Meßwertverfälschungen nach sich zieht.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufbereitungseinrichtung zur Meßgastrocknung und -reinigung zu schaffen, die bei angemessenem Aufwand den Forderungen des Anwenders nach Wartungsarmut, einfacher Installation hinsichtlich der Energie- bzw. Hilfsstoffversorgung sowie unkomplizierter Funktion gerechnet wird und somit einen deutlich höheren Gebrauchswert aufweist als derzeitige technische Lösungen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das zu reinigende Maßgas durch eine, mit Füllkörpern großer spezifischer und glatter Oberfläche versehene Säule geleitet wird, welche im Gegenstrom dazu mit Siliconöl geringer Dichte und Viskosität beaufschlagt wird, daß sich unterhalb dieser Wascheinrichtung ein Absetzgefäß zur Abtrennung von Wasser und Schmutzpartikeln aus dem Siliconöl befindet, daß das Siliconöl im Kreislauf gepumpt und gegebenenfalls vor Eintritt in die Waschsäule gekühlt wird, daß das im Meßgaskühler anfallende Kondensat in das Absetzgefäß geleitet wird und daß sich an der tiefsten Stelle des Absetzgefäßes ein Absperrorgan befindet, welches bei Erreichen eines bestimmten Füllstandes die Leitung zu einem Sammelgefäß zeitweilig öffnet. Obwohl die Verwendung von Siliconöl als Waschflüssigkeit aufgrund seiner relativ hohen Viskosität nicht üblich ist, läßt seine gute chemische und thermische Beständigkeit sowie sein geringer Dampfdruck bei Auswahl spezieller Siliconölsorten jedoch eine sinnvolle Nutzung zur Aufbereitung von Gasproben zu. Der hydrophobe Charakter des Siliconöls ermöglicht eine nachfolgende Abtrennung von Kondensat und Staubpartikeln, welche sich bei einer Siliconöldichte unter 1 kg/l am Boden eines Absetzgefäßes niederschlagen. Ein festes Anhaften von ausgewaschenen Staubteilchen an den Füllkörpern einer Waschsäule wird durch die antiadhäsive Wirkung des Siliconöles verhindert. Die zusätzliche Nutzung als Wärmeübertragungs- bzw. Kühlflüssigkeit ist durch den sehr niedrigen Stockpunkt von Siliconöl (etwa —40⁰C) unproblematisch.

Die vorgesehene Reinigung des Meßgases in einer Waschsäule bietet den Vorteil einer sehr großen aktiven Oberfläche bei ausreichender Verweilzeit, ohne daß sich eine laminare Strömung ausbilden kann oder eine Kondensation störend auswirkt. Eine Meßwertverfälschung durch Absorptionseffekte ist einmal durch die sehr geringe Löslichkeit von Gasen in Siliconöl und zum anderen durch den Kreislauf der Waschflüssigkeit bei Betriebsmessungen vernachlässigbar. Zur Umwälzung des Siliconöls kann eine mit niedriger Frequenz arbeitende Membranpumpe eingesetzt werden, wie sie bereits zur Meßgasförderung genutzt wird. Hierdurch entfallen Dichtungs- und Lagerungsprobleme, zum anderen ist für die gesamte Aufbereitungseinrichtung lediglich ein elektrischer Anschluß erforderlich. Über die Fördermenge kann eine Anpassung an unterschiedlichste Einsatzfälle vorgenommen werden, während zeitliche Schwankungen der Betriebsbedingungen unkritisch sind. Die Regelung des Füllstandes im Absetzgefäß, ermöglicht entsprechend dem jeweiligen Anfall an Störkomponenten deren wartungslose Abführung. Durch Abtauchung der Kondensatleitung des Kühlers in das Absetzgefäß entfallen bisher übliche Kondensatabscheider

Der Druckabfall über einer derartigen Reinigungseinrichtung ist zeitlich konstant und liegt weit unter den Werten konventioneller

Filterarmaturen.

Eine andere Schaltungsvariante bietet sich dann an, wenn sehr gute dynamische Eigenschaften der Meßeinrichtung und eine Taupunktabsenkung unter 0⁰C gefordert werden. Hierbei wird die Temperatur des Silikonöles in der Kühlzelle stark herabgesetzt, bevor es in die Waschsäule eintritt, so daß diese, ohne daß die Gefahr des Einfrierens besteht, zusätzlich als Wärmetauscher fungiert.

Die Aufwendungen für eine Isolation der Reinigungseinrichtung werden durch die sich ergebenden Vorteile, wie geringe Totvolumen, ausgezeichnete Wärmeübergangszahlen und sichere Taupunktabsenkung mehr als kompensiert.

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Ausführungsbeispiel

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen jeweils eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Meßgasaufbereitungseinrichtung wobei Fig. 1: die Verschaltung bei separater Reinigung und Trocknung und

Fig.2: die Verschaltung bei kombinierter Reinigung und Trocknung des Meßgases verdeutlicht.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung strömt das Meßgas im Ringspalt 4 zwischen Gehäuse und Waschsäule 1 nach unten und tritt dann bei Umkehr der Strömungsrichtung in die konzentrisch angeordnete Waschsäule 1 ein. Zur Füllung der Säule 1 sind z. B. Glasraschingringe von kleinem Durchmesser geeignet. Das, durch die Säule 1 von oben nach unten durchströmende Siliconöl, reichert sich mit Staubpartikeln an und gelangt anschließend in das Absetzgefäß 2. Bei einer Siliconöldichte von ca.

0,95kg/l ist ein sicheres Absinken der Kondensattröpfchen und Feststoffpartikel im Absetzgefäß 2 gewährleistet. Um eine Kurzschlußströmung zu verhindern, ist ein konzentrisch angeordnetes Umlenkrohr 3 vorgesehen.

Zur Umwälzung des Siliconöles ist eine Umwälzpumpe 6 von Vorteil, deren Schwingfrequenz mittels einer Multivibratorschaltung der Viskosität der Waschflüssigkeit sowie dem erforderlichen Durchsatz angepaßt ist. Durch die sich abscheidenden Störkomponenten steigt der Füllstand im Ansetzgefäß 2, wodurch bei Erreichen eines bestimmten oberen Grenzwertes ein Füllstandsfühler 10 anspricht.

Die Erfassung des Füllstandes kann optisch, kapazitiv oder, in Kombination mit einem metallischen Schwimmer, auch induktiv erfolgen. Das Meßsignal des Füllstandsfühlers 10 wird zur Ansteuerung eines Magnetventiles 7 bzw. eines von einer Magnetspule betätigten Schlauchquetschventiles genutzt.

Durch die Hysterese der Füllstandsregeleinrichtung sind die Niveauschwankungen im Absetzgefäß 2 bzw. die Zeitintervalle der Ventilöffnung festgelegt. Da die Abführung der Störkomponenten durch den hydrostatischen Druck im Absetzgefäß 2 bewirkt werden soll, muß im Sammelgefäß 8 annähernd der gleiche Druck herrschen wie oberhalb des Flüssigkeitsspiegels.

Dies wird durch die Evakuierungsleitung 15 sichergestellt, in welcher sich zur Verhinderung unerwünschter Durchmischungseffekte eine Düse 9 kleinen Durchmessers befindet.

Das Sammelgefäß 8, welches ein großes Volumen besitzt und möglichst durchsichtig ist, kann vom Wartungspersonal in großen Zeitabständen entleert werden, ohne daß dadurch die Meßeinrichtung in ihrer Funktion gestört wird. Nach der Reinigung des Meßgases wird dieses durch die Kühlzelle 5 geleitet, in der eine definierte Taupunktabsenkung vorgenommen wird. Zur Regelung der Kälteleistung der Kühleinrichtung 14 wird das Meßsignal eines Temperaturfühlers 16 genutzt, welcher in unmittelbarer Nähe dem aus der Kühlzelle 5 austretenden Gasstrom angeordnet ist.

Als Kühleinrichtung 14 werden vorrangig Peltierbatterien oder Kompressoraggregate, seltener Wasserwärmetauscher, zur Anwendung kommen.

Das in der Kühlzelle 5 anfallende Kondensat fließt über die Kondensatabtauchung 12 in das Absetzgefäß 2 und dient somit als Hilfsmedium für die Abführung der ausgewaschenen Feststoffpartikel.

Die Aufbereitungseinrichtung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, weist die gleichen Armaturen auf wie die in Fig. 1 beschriebene und unterscheidet sich lediglich durch den Strömungsweg von Siliconöl und Meßgas sowie die hier notwendige Isolation 13 des Waschgefäßes.

Im Kreislauf des Siliconöls ist zwischen Absetzgefäß 2 und Waschsäule 1 die Kühlzelle 5 angeordnet, während das Meßgas nur die Waschsäule 1 passiert und hier sowohl gereinigt als auch getrocknet wird. Der Temperaturfühler 16 zur Regelung der Kälteleistung befindet sich in dem, aus der Waschsäule 1 austretendem Gasstrom.

Sowohl durch die Gegenstromführung von Siliconöl und Meßgas als auch den antiadhäsiven Charakter des Siliconöles sind bei Taupunktabsenkungen unter 0⁰C Vereisungen im Reinigungssystem ausgeschlossen.

Claims

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Erfindungsanspruch:

1. Einrichtung zur Meßgasaufbereitung unter Verwendung einer Waschflüssigkeit, gekennzeichnet dadurch, daß sie eine von Meßgas und Waschflüssigkeit im Gegenstrom durchströmte und mit Füllkörpern versehene Waschsäule (1), die eine chemisch inerte, mit Wasser nicht mischbare und eine geringere Dichte als dieses besitzende Waschflüssigkeit enthält, aufweist.
2. Einrichtung zur Meßgasaufbereitung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Waschflüssigkeit ein im Kreislauf gefördertes Siliconöl geeigneter Dichte ist.
3. Einrichtung zur Meßgasaufbereitung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich unterhalb der Waschsäule (1) ein Absetzgefäß (2) befindet, an das Leitungen zur getrennten Abführung des Siliconöles und der abgeschiedenen Störkomponenten angeschlossen sind und in das unterhalb des Füllstandes die Kondensatleitungen eines separaten Meßgaskühlers (5; 14) münden.
4. Einrichtung zur Meßgasaufbereitung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß Einrichtungen zur Regelung des Füllstandes (10) im Absetzgefäß (2) vorhanden sind, wobei als Stellglied ein am Boden des Absetzgefäßes angeordnetes Ventil (7) genutzt wird.
5. Einrichtung zur Meßgasaufbereitung nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Sammelgefäß (8) mit der Meßgasleitung kommuniziert und zur Verhinderung von Durchmischungseffekten zwischen beiden Systemen eine Düse (9) mit geringem Öffnungsdurchmesser verwendet wird.
6. Einrichtung zur Meßgasaufbereitung nach Punkt 1 bis3, gekennzeichnet dadurch, daß in der Rückführleitung für das Siliconöl in die Waschsäule (1) eine Kühleinrichtung (14) geschaltet ist.
7. Einrichtung zur Meßgasaufbereitung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß sich im Absetzgefäß (2) zur Verhinderung einer Kurzschlußströmung zwischen Siliconölein- und -austritt geeignete Einbauten (3) befinden.
8. Einrichtung zur Meßgasaufbereitung nach einem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß zur Förderung des Siliconöles eine Membranpumpe (6) Verwendung findet.

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