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Dokumentenidentifikation DE60122490T2 03.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001277035
Titel PROBENENTNAHMEGERÄT ZUR BESEITIGUNG VON PARTIKELARTEFAKTEN BEI DER RAUCHGASMESSUNG
Anmelder MSP Corp., Minneapolis, Minn., US
Erfinder LIU, Y., Benjamin, North Oaks, MN 55127, US;
ROBERTS, L., Daryl, Blaine, MN 55449, US;
MARPLE, A., Virgil, Maple Plain, MN 55359, US;
ROMAY, J., Francisco, Vadnais Heights, MN 55127, US
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 60122490
Vertragsstaaten DE, FR, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.04.2001
EP-Aktenzeichen 019288695
WO-Anmeldetag 25.04.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/13377
WO-Veröffentlichungsnummer 2001081891
WO-Veröffentlichungsdatum 01.11.2001
EP-Offenlegungsdatum 22.01.2003
EP date of grant 23.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse G01N 1/24(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B07B 7/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01D 45/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Probenehmer, der Rauchgase aus Schornsteinen, z. B. aus Kohlekraftwerken, entnimmt und Teilchenstoffe aus den Gasen entfernt, so daß die übrige Probe insbesondere auf das Vorhandensein von Quecksilber sowie anderer Gase genau analysiert werden kann.

Quecksilber ist aufgrund seiner Toxizität, Persistenz und Biomagnifikation in der Nahrungskette von erheblicher Umweltrelevanz. Die chemische Form von Quecksilber, die man in Rauchgasen vorfindet, beeinflußt stark sein Verhalten in Behandlungsvorrichtungen und seine Umweltbelastung. Daher ist die Messung von Quecksilber in seinen chemischen und physikalischen Hauptformen in Rauchgasen, vorzugsweise in Echtzeit, für die effiziente Gestaltung jeder Quecksilberbehandlungsvorrichtung, das Verständnis des Verhaltens von Quecksilber in der Umwelt und die rationelle Regulierung von Quecksilber emissionen von zentraler Bedeutung. Von verschiedenen Forschern wurden kritische Untersuchungen zur Bedeutung und Schwierigkeit zuverlässiger Messungen der Konzentration und Speziation von Quecksilber in Rauchgasen vorgelegt. Bisher gab es keinen Probenehmer, der gewährleistet, daß eine Rauchgasprobe im wesentlichen unverändert bleibt, während sie die Beprobungsleitungen zum Analysator durchläuft. Teilchenstoffe im Rauchgas beeinflussen die chemische Form von Quecksilber in solchem Gas und seine Verteilung zwischen gas- und teilchenförmigen Rauchgaskomponenten. Mittlerweile ist anerkannt, daß die Trennung der Teilchenstoffe aus dem Rauchgas ein Weg ist, um zu gewährleisten, daß eine genaue Beprobung und Analyse stattfinden kann.

In einigen Fällen dienen Filter, Zyklone und Kaskadenimpaktoren zum Einfangen und auch zum Fraktionieren von Teilchen gleicher Größe in Rauchgasen, wobei nachgewiesen wurde, daß sie die Qualität von Quecksilberdaten verbessern.

Nach relativ kurzer Zeit erreichen diese Vorrichtungen ihr Aufnahmevermögen für Teilchen und müssen manuell gereinigt oder ausgetauscht werden. Somit sind sie für kontinuierliche und/oder in Echtzeit erfolgende Quecksilberüberwachungen in einem gewerblichen Umfeld ungeeignet. Eine grundsätzliche Einschränkung von Zyklonen, Impaktoren, Filtern, Diffusionsbatterien, elektrostatischen Abscheidern u. ä. Vorrichtungen ist, daß sich Teilchen in diesen Vorrichtungen ansammeln. Nicht nur strömt das frische Rauchgas über die angesammelten Teilchen hinweg, was die Messung sowohl der teilchengebundenen als auch der gasförmigen Quecksilberspezies verzerrt, sondern die Vorrichtungen müssen auch periodisch gereinigt werden.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten offenbart die Erfindung eine Variante eines virtuellen Impaktors zum Beproben von Rauchgasen und Entfernen von Teilchenstoffen aus einer Gasströmung, die zu einem Analyseninstrument geführt wird, z. B. einem chemischen Umweltüberwachungsgerät (CEM) für Quecksilber. Virtuelle Impaktoren, die hohes Aufnahmevermögen haben, sind zur Teilchenbeprobung in der Atmosphäre bekannt, z. B. veranschaulicht die US-A-4670135 eine solche Vorrichtung.

Die US-A-5423228 betrifft eine mit Verdünnung arbeitende Schornsteinbeprobungsvorrichtung zum Analysieren gasförmiger Komponenten eines Gasstroms aus einem Schornstein, der Teilchenmaterial mit variierender Größe im Inneren enthält. Ein Durchgang hat ein erstes Ende, das mit der Sonde zwischen seinen Enden in einem Winkel kommuniziert, um eine Gasprobe aufzunehmen und ihre Strömungsrichtung zu ändern, um so das meiste Teilchenmaterial durch Trägheitskraft zu entfernen. Ein mit dem zweiten Ende des Durchgangs verbundener Ejektor mischt Verdünnungsluft mit der Gasprobe, um eine verdünnte Probe bereitzustellen. Ein Filter stromaufwärts vom zweiten Ende des Durchgangs entfernt restliches Teilchenmaterial aus der Gasprobe, das nicht das durch Trägheitskraft abgetrennte ist. Instrumentenluft kann in Rückströmungsrichtung an der Stromaufwärtsseite des Filters bereitgestellt werden, um Teilchenmaterial aus dem Filter periodisch zu entfernen.

Die US-A-4670135 betrifft einen volumenreichen virtuellen Impaktor zum Beproben atmosphärischer Aerosole, der mehrere Einlaßdüsen und zugeordnete Aufnahmeröhren hat, die in einem gemeinsamen Rahmen oder Gehäuse mit Durchgängen angeordnet sind, die die Luftströmung durch die Einlaßdüsen in eine Hauptströmung und eine Nebenströmung aufteilen. Die Nebenströmung oder die kleinere Volumenströmung durchläuft die jeweilige Aufnahmeröhre in eine gemeinsame Kammer, während die Hauptströmung veranlaßt wird, eine 180°-Drehung zwischen dem Strömungsausgang der Einlaßdüse und ihren zugehörigen Aufnahmeröhren zu vollführen und ein Filter für kleine Teilchen zu durchlaufen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen in einem Rauchkanal angeordneten Probenehmer zum Beproben von Rauchgasen und Entfernen von Teilchenmaterial aus einer Strömungsprobe des Gases, die dann einem externen chemischen Analyseninstrument zugeführt wird. Das Entfernen der Teilchen gewährleistet, daß die gasförmigen Chemikalien, z. B. Quecksilber, Spezies oder Konzentration nicht ändern, da Einflüsse vom chemischen Aufbau der Teilchen ausgeschaltet sind.

Die Erfindung verwendet ein virtuelles Gegenstrahl-Impaktorkonzept, um die Teilchenstoffe im Gasstrom zu trennen und keine Teilchenstoffe in der Beprobungsvorrichtung selbst anzusammeln. In der bevorzugten Form wurde der virtuelle Impaktor abgewandelt, um zu gewährleisten, daß die verwendeten Düsen und Strömungsdurchgänge im wesentlichen jederzeit teilchenfrei gehalten werden. Soll ein Reinigungszyklus verwendet werden, kann das Reinigen mit Druckluft und ohne Austausch von Komponenten oder Teilen leicht und automatisch erfolgen.

Der virtuelle Impaktorprobenehmer reduziert den Druckabfall, der mit vielen anderen Probenehmern zusammenhängt, und verringert wesentlich die ungewollte Abscheidung unerwünschter Teilchen auf den Innenflächen des Probenehmers. Der virtuelle Impaktor verwendet Einlaßdüsen, die zu Aufnahmedüsen oder -röhren ausgerichtet sind, in die Teilchen durch Trägheitskraft abgegeben werden. Während die Hauptgasströmung in einen separaten Strömungsweg abgelenkt wird, hat der Probenehmer zwei Stufen der Teilchentrennung in einer dargestellten bevorzugten Ausführungsform. Der Gebrauch einer einzelnen Stufe ist möglich, wenn die Probe gering beladen ist, und die zusätzliche zweite Stufe gewährleistet, daß der virtuelle Impaktor in Anwendungen mit sowohl hoher als auch niedriger Beladung und einem breiten Größenverteilungsbereich von Rauchgasteilchen verwendbar ist. Der Probenehmer ist recht kompakt und kann im Rauchkanal oder Schornstein angeordnet sein. Der Auslaß aus dem Probenehmer für das gereinigte oder teilchenfreie Gas ist mit einer Pumpe verbunden, die eine Strömung der Gasprobe durch das Analyseninstrument oder Quecksilber-CEM bewirkt, das in der offenbarten Ausführungsform zum Einsatz kommt.

Das Reinigen des Probenehmers wird mit Hilfe von Druckluftstrahlen in den Auslaßdurchgängen im Probenehmerkörper erreicht, die die entfernten Teilchen aus den Aufnahmeröhren abführen. Ein Strahl mit hoher Geschwindigkeit strömt über die Aufnahmedurchgänge, die die durch Trägheitskraft abgetrennten Teilchen führen, was gewährleistet, daß die Teilchen sofort und unter ausreichendem Druck abgegeben werden, um Abscheidung der Teilchen auf Durchgangsoberflächen oder auf Komponenten des virtuellen Impaktors zu vermeiden. Der Strahl verursacht eine Nebenströmung von Gas durch die Aufnahmeröhren.

Eine zweite Form der Erfindung kann mit Ventilen in den Teilchenauslaßdurchgängen verwendet werden, die kurzzeitig schließen, so daß die Druckluft die Aufnahmedurchgänge und bei Bedarf die Einlaßdüsen und Durchgänge des virtuellen Impaktors spült.

Das Analyseninstrument kann jedes gewünschte herkömmliche Instrument sein. Der virtuelle Impaktorprobenehmer stellt ein im wesentlichen teilchenfreies Gas zur Analyse bereit, so daß genaue Bestimmungen der analysierten Chemikalien erhalten werden.

Im Betrieb wurde festgestellt, daß der virtuelle Impaktor der Erfindung keine erheblichen Teilchenstoffe ansammelt und sowohl Elementarquecksilber als auch Quecksilberchlorid beim Beproben von Rauchgasen ungestört beläßt.

Der Impaktor kann unter erhöhten Temperaturen arbeiten, die man gewöhnlich in Schornsteinen oder Rauchkanälen von Kohlekraftwerken vorfindet, beispielsweise lassen sich Temperaturen im Bereich von 300 °F handhaben. Die Druckluft, die zur Bereitstellung von Strahlen genutzt wird, um den virtuellen Impaktor teilchenfrei zu halten, ist in Kohlekraftwerken allgemein leicht verfügbar, wobei aber bei Bedarf ein kleiner Kompressor genutzt werden kann. Ein Druck der Druckluft zwischen 60 psi Überdruck und 90 psi Überdruck reicht aus, damit der Probenehmer unter Auslegungsbedingungen arbeiten kann.

Der Probenehmer hält sich selbst frei von allen Teilchenstoffen sowie von Flugasche, die im Rauchkanal vorhanden sein kann. Der Probenehmer kann eine kompakte Einheit und somit direkt in einem Rauchkanal mit Schornsteinwandverbindungen für die Strömung der Reingasprobe zur externen Pumpe und zum Analysator sowie Verbindungen für den Druckluftdurchgang durch die Schornsteinwand eingebaut sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäß hergestellten Rauchgas-Beprobungsvorrichtung;

2 ist eine Seitenansicht der Vorrichtungen von 1 mit entfernter Abdeckplatte;

3 ist eine Schnittansicht an der Linie 3-3 in 2 mit weggebrochenen Abschnitten, um sowohl einen ersten als auch einen zweiten Auslaßdurchgang zu zeigen;

4 ist eine fragmentarische Schnittansicht eines Druckluftstrahls, der mit einem ersten Durchgang eines Erststufenabschnitts des Probenehmers der Erfindung verwendet wird;

5 ist eine schematische Darstellung eines Strömungswegs, der mit dem Probenehmer der Erfindung verwendet wird;

6 ist eine schematische Darstellung der Strömungen in einer typischen Anlage in den Probenehmer der Erfindung; und

7 ist eine abgewandelte Form des Probenehmers mit Ventilen an den Auslaßdurchgängen.

NÄHERE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Der zur Beprobung von Rauchgasen gestaltete virtuelle Impaktorprobenehmer ist allgemein bei 10 in 1 dargestellt und in einem Schornstein oder Rauchkanal 12 positioniert, der bei 14 dargestelltes Rauchgas enthält. Dieser Schornstein oder Rauchkanal kann für ein Kohlekraftwerk o. ä. bestimmt sein, in dem sich solche Chemikalien wie Quecksilber im Rauchgas befinden und Analysen vorgenommen werden sollen, um zu bestimmen, welche Art von Behandlung oder Waschtechnik wirksam wäre, und um festzustellen, ob Umweltnormen eingehalten werden.

Der virtuelle Impaktorprobenehmer 10 weist ein Gehäuse 16 auf, das Innendurchgänge und Düsen gemäß der späteren Erläuterung zum Entfernen von Teilchenstoffen aus der Probe hat, die in das Probenehmergehäuse 16 aus dem Rauchkanal 12 eingezogen wird. Das Probenehmergehäuse nutzt virtuelle Impaktorprinzipien, und in einem virtuellen Impaktor wird eine Strömung eines Gases durch das Gehäuse induziert. Im vorliegenden Fall ist mit spezifischem Bezug auf 5 der allgemein bei 16 gezeigte Probenehmer oder das Gehäuse mit verschiedenen Komponenten verbunden, und in diesem Fall wird die Strömung durch die Gehäusedurchgänge zum Entfernen der Teilchen durch eine Probenpumpe 20 erzeugt, deren Niederdruckseite durch eine in den Rauchkanal verlaufende Leitung 22 über eine Verbindung 21 mit einer Kammer im Gehäuse verbunden ist. Die Pumpe 20 sorgt für die Reingasströmung aus dem Gehäuse 16 zu einem Quecksilber-CEM 24. Andere Behandlungsvorrichtungen, z. B. eine chemische Umwandlungseinheit 25, können im Ausgang der Probenpumpe 20 verbunden sein.

Gemäß 1 weist das Gehäuse 16 einen Hauptkörper 26 und eine Abdeckplatte 28 auf, die eine Seite des Körpers abdeckt. Der Klarheit halber ist die Abdeckplatte 28 in 2 entfernt. In 2 ist der Hauptkörper 26 mit verschiedenen Düsen im Querschnitt zwecks Veranschaulichung der Innendurchgänge gezeigt. Der Körper 26 hat einen Auslaßdurchgang 30, der mit der Pumpe 20 über die Leitung 22 gemäß 2 verbunden ist. Wie angegeben, sorgt die Pumpe 20 für eine Strömung durch die verschiedenen Stufen des Probenehmers 10, und darstellungsgemäß ist der Probenehmerkörper 16 mit einer ersten Innenkammer 32 ausgebildet, in die eine erste Einlaßdüse 34 vorsteht. Die Düse 34 ist in einer geeigneten Öffnung in der Seitenwand des Gehäuses 26 angeordnet und hat einen mittleren Einlaßdurchgang oder eine Einlaßröhre 36 sowie ein zulaufendes oder konisch geformtes Einlaßende 38, das gemäß 1 offen ist, um das Rauchgas aufzunehmen. Diese erste Einlaßdüse ist darstellungsgemäß entfernbar und wird mit geeigneten Kopfschrauben 40 an Ort und Stelle gehalten.

Der Durchgang 36 der Düse hat eine Mittelachse 46, die zu einer Bohrung oder einem Durchgang 48 einer Aufnahmeröhre oder -düse 44 ausgerichtet ist. Das Innenende der Einlaßdüse ist vom Einlaßende der Aufnahmedüse 44 beabstandet. Der Durchgang 36 und der Durchgang 48 sind koaxial. Die Aufnahmedüse 44 ist in einer geeigneten Aussparung oder Aufnahme 50 angeordnet, die im Gehäuse 26 gebildet ist. Außerdem ist der Durchgang 48 zu einem mit Strichlinien in 2 bei 52 gezeigten kurzen Durchgang ausgerichtet, der einen Querauslaßdurchgang 54 schneidet, was auch in 4 gezeigt ist, um eine Kammer für eine sogenannte Neben- oder Sekundärströmung zu bilden. Der Durchgang 54 ist der Abgabedurchgang für die Neben- oder Sekundärströmung.

Der Körper 26 hat eine zweite Innenkammer 60, die mit der ersten Kammer 32 über einen Querdurchgang 58 verbunden ist. Außerdem weist die zweite Kammer 60 eine Hauptströmungskammer des virtuellen Impaktors auf. Eine zweite Einlaßdüse 62 ist in einer vorgesehenen Öffnung in der Wand des Körpers 26 angeordnet, die zur zweiten Kammer führt. Die Einlaßdüse oder das Einlaßteil 62 hat einen mittleren zweiten Einlaßdurchgang 64 mit einer Mittelachse 66. Eine zweite Aufnahmedüse oder -röhre 68 ist in einer vorgesehenen Aufnahme entlang der Seite der Kammer 60 angeordnet und hat einen zweiten Aufnahmedurchgang oder eine Röhre 70, die zum Einlaßdurchgang 64 weist und mit ihm koaxial ist, so daß die Achse 66 auch die Achse des Durchgangs oder der Bohrung 70 ist, die die zweite Aufnahmeröhre bildet. Das Innen- oder Außenende der zweiten Einlaßdüse 62 und das Einlaßende der zweiten Aufnahmedüse 68 sind ebenfalls beabstandet.

Der Aufnahmedurchgang oder die Bohrung 70 ist zu einem kurzen Durchgang 72 ausgerichtet, der ebenfalls den Querauslaßdurchgang 54 schneidet, was einen Sekundärströmungsauslaß bildet. Die kurzen Verbindungsdurchgänge 52 und 72 sind auch in 4 gezeigt.

Die zweite Einlaßdüse 62 hat eine zulaufende oder konische Einlaßöffnung 67, die zum Durchgang 64 führt, genauso wie die erste Einlaßdüse 34 einen konischen Einlaß hat.

Die erste und zweite Kammer 32 und 60 sowie die zugeordnete erste und zweite Einlaßdüse 34 und 62 und ihre erste und zweite Aufnahmedüse oder -röhre 44 und 68 stehen in Fluidverbindung miteinander und bilden eine erste Doppeldüsen-Impaktorstufe, die bewirkt, daß die Teilchen durch Trägheitskraft getrennt und aus dem Hauptanteil der Strömung durch den Probenehmer entfernt werden, wobei sie gemäß der späteren Erläuterung arbeiten.

Weiterhin hat der Hauptkörper 26 des Gehäuses 16 eine dritte Kammer 74, die eine Öffnung hat, in der eine dritte Einlaßdüse 76 angeordnet ist. Die Einlaßdüse 76 hat einen mittleren Einlaßdurchgang 78 und eine zulaufende Einlaßfläche 80, die zur Kammer 60 offen ist. Der Einlaßdurchgang 78 hat eine Mittelachse 82. Eine dritte Aufnahmedüse 84 hat eine Aufnahmeröhre oder einen Durchgang 86, der eine mit der Achse 82 koaxiale Mittelachse hat. Der dritte Aufnahmedurchgang oder die Aufnahmeröhre 86 ist zu einem kurzen Durchgang im Körper 26 ausgerichtet, der bei 88 mit Strichlinien gezeigt ist und zu einem kreuzenden Nebenströmungs-Auslaßabgabedurchgang 90 führt, der eine(n) Sekundär- oder Nebenströmungsauslaßkammer oder -durchgang bildet.

Darstellungsgemäß ist der Reingas führende Hauptströmungs-Auslaßdurchgang 30 mit der Kammer 74 verbunden, so daß eine Einlaßströmung von der ersten und zweiten Einlaßdüse abzüglich der Nebenströmung durch die Aufnahmeröhrendurchgänge 48, 70 und 86 die dritte Einlaßdüse 76 in die Kammer 74 durchläuft und dann über den Durchgang 30 aufgrund der Pumpe 20 nach außen strömt. Danach wird diese teilchenfreie Hauptströmung zur externen Pumpe und zum Analyseninstrument geführt.

Der erste, zweite und dritte Satz von Einlaßdüsen und Aufnahmedüsen oder -röhren arbeiten jeweils als virtueller Impaktor. Aufgrund der durch die Pumpe 20 bewirkten Strömung tritt teilchenbeladenes Gas in die Kammern 32 und 60 ein, und diese Strömung wird in den Einlaßdüsen beschleunigt. Die Hauptströmung oder der größte Anteil der Einlaßströmung wird im Raum zwischen dem Auslaßende der Einlaßdurchgänge 36 und 64 und den Einlaßenden der Aufnahmedurchgänge 48 und 70 so ab- oder umgelenkt, daß die Strömung im wesentlichen eine 90°-Biegung über die Achsen 46 und 56 vollführt. Aufgrund von größerer Trägheitskraft treten Teilchen in der Einlaßströmung in die jeweiligen Aufnahmeröhren oder Aufnahmedurchgänge 48 und 70 ein und durchlaufen dann die Durchgänge 52 und 72 in den Querauslaßdurchgang 54. Das Nebenströmungsgas durchläuft die Aufnahmeröhrendurchgänge 48 und 70 und führt die teilchenbeladene Luft durch den Auslaßdurchgang 54 nach außen. Für die Sekundär- oder Nebenströmung sorgt in einem normalen virtuellen Impaktor eine kleine Pumpe, die mit dem Auslaß- oder Abgabedurchgang 54 verbunden wäre. Allerdings kann die Nebenströmung auf bevorzugte Weise erzeugt werden, die darstellungsgemäß auch die Durchgänge teilchenfrei hält. Eine allgemein bei 94 gezeigte Druckluftquelle ist über eine Leitung 96 mit einem Druckluftdurchgang 98 verbunden, der mit dem Querdurchgang 54 koaxial ist. Eine in 4 näher gezeigte Öffnung bzw. Verengung 100 ist zwischen dem Durchgang 98 und dem Auslaßdurchgang 54 so plaziert, daß die Druckluft beschleunigt wird, um einen Strahl vorbei an den Durchgängen 52 und 72 zu bilden. Teilchen, die über die Durchgänge 52 und 72 ausgetrieben werden, werden über den Auslaßdurchgang 54 herausgeführt. Der Strahl sorgt für eine Sekundärströmung durch die Aufnahmeröhrendurchgänge 48, 52, 70 und 72, der Strahl erzeugt eine ausreichende Sekundärströmung und hat genügend Geschwindigkeit im Auslaßdurchgang 54, so daß keine Teilchen an den Oberflächen des Auslaßdurchgangs 54 oder an den Düsen haften bleiben.

Auch der Zweitstufenimpaktor in der Kammer 74 ist mit einer Nebenströmung versehen. Die Druckluftquelle 94 ist über eine Leitung 102 mit einem Durchgang 104 verbunden, der eine Endverengung 105 an seinem Innenende hat, die mit dem Auslaßdurchgang 90 kommuniziert. Dadurch wird wiederum ein Luftstrahl gebildet, der sich am Durchgang 88 vorbei bewegt und Teilchen in den Durchgang 90 transportiert, wonach die Teilchen durch diese Ejektorwirkung in den Durchgang 90 ausgetrieben werden. Beide Durchgänge 54 und 90 geben die Teilchen wieder in den Rauchkanal ab, in dem das Gehäuse 16 angeordnet ist.

Wiederum sorgt die zweite Stufe des virtuellen Impaktors mit der dritten Einlaßdüse 76 und der dritten Aufnahmeröhre oder dem Durchgang 86, der in der Düse 84 gezeigt ist, für eine Trennung der Teilchen dadurch, daß die Strömung aus dem Durchgang 30 die Hauptströmung von beiden Einlässen in der ersten Stufe zur Pumpe 20 und dann in das Analyseninstrument mitführt. Die restlichen Teilchen, die in den Durchgang 78 transportiert werden, werden beschleunigt, und Trägheitskraft bewirkt, daß solche Teilchen in die Aufnahmeröhre 86 und dann in den Auslaßdurchgang 90 strömen.

Jede der drei Kammern in 2 bildet zusammen mit den darin enthaltenen Einlaß- und Aufnahmedüsen einen virtuellen Impaktor. Da die gesamte Strömung durch die Einlaßdüse in die Kammer eintritt, wird sie auf eine ausreichend hohe Geschwindigkeit beschleunigt, um Teilchenimpaktion in die Aufnahmedüse zu bewirken. Der Großteil der Gesamtströmung wird seitwärts abgelenkt, und nur ein kleiner Anteil der Gesamtströmung kann durch die Aufnahmedüse strömen, um die Teilchen abzuführen. Die seitwärts abgelenkte große Strömung ist relativ rein und wird als Hauptströmung bezeichnet, und die kleine Strömung durch die Aufnahmedüse, die die meisten Teilchen enthält, wird Nebenströmung genannt. In 2 werden die Hauptströmungen aus der ersten und zweiten Kammer kombiniert und bilden die Gesamtströmung durch die Einlaßdüse in der dritten Kammer, wo sie einer weiteren Impaktionsstufe, Teilchenentfernung und Reinigung unterzogen wird, bevor die Gasprobe in das Analyseninstrument zur Quecksilberanalyse geführt wird.

5 zeigt eine schematische Darstellung, in der der Probenehmer 10, der die Prinzipien eines virtuellen Impaktors nutzt, im Inneren einer Schornsteinwand 110 angeordnet ist. Dadurch können sich die Pumpe und das Analyseninstrument außerhalb der Schornsteinwand 110 befinden. Die Druckluftquelle 94 sorgt für eine Nebenströmung durch die zuvor gezeigten Auslaßdurchgänge, und diese wird wieder in den Rauchkanal oder Schornstein mit den meisten Teilchen in der Probe geführt. Die Teilchen werden in die jeweiligen Aufnahmeröhren und dann durch die Auslaßdurchgänge nach außen transportiert. Eine Pumpe zur Erzeugung der Nebenströmung kann auch mit den Auslaßdurchgängen verbunden und innerhalb oder außerhalb der Rauchkanalwand angeordnet sein.

Der Rauchgaseinlaß ist mit dem Pfeil 112 bezeichnet, und diese Einlaßströmung bildet eine Hauptströmung, die durch die Pumpe 20 abgesaugt wird und nahezu teilchenfrei ist, wenn sie sich durch den Kanal oder die Leitung 22 zur externen Pumpe bewegt.

In 6 ist der Körper 26 dargestellt. Der Erststufenimpaktor ist bei 116 gezeigt und beinhaltet zwei getrennte virtuelle Impaktordüsen und zwei Aufnahmen, die in den Kammern 32 und 60 angeordnet sind. Die Strömung zur zweiten Stufe ist bei 118 gezeigt. Die zweite Stufe 119 befindet sich in der Kammer 74. Die Strömung in die zweite Stufe verläuft über einen durch den Pfeil 118 bezeichneten Durchgang, der im wesentlichen der Einlaßdurchgang 78 in der dritten Einlaßdüse 76 ist. Die beiden Abgabeleitungen oder Auslaßleitungen, die mit den Auslaßdurchgängen verbunden sind, sind bei 122 bzw. 124 gezeigt, und beide weisen teilchenbeladenes Ausstoßgas auf, das in der dargestellten bevorzugten Form zurück in den Schornstein oder Rauchkanal strömt. Die Hauptströmung von Probengas, das durch die Pumpe 20 abgezogen wird, strömt dann darstellungsgemäß über den Durchgang 30 nach außen, und diese weist eine mit dem Pfeil 126 bezeichnete Hauptströmung auf.

Die Einlaßströmungen sind ebenfalls schematisch dargestellt, und in einer speziellen Form der Erfindung werden etwa neun Liter pro Minute durch beide Einlaßdurchgänge 64 und 36 in der ersten Stufe eingezogen, und etwa 13,3 Liter pro Minute werden zur Kammer 74 mit der zweiten Stufe durch den Durchgang 78 geführt.

Die Druckluftquellen sind in 6 getrennt dargestellt, und sie sind für die Erststufen- und Zweitstufendurchgänge erläuterungsgemäß über Öffnungen bzw. Verengungen vorgesehen, die für eine Strahlejektorwirkung sorgen.

Diese Ejektorwirkung saugt die Nebenströmung aus dem virtuellen Impaktor- und stößt die darin enthaltenen Teilchen wieder in den Rauchkanal aus, ohne eine Pumpe oder ein Gebläse zu verwenden. Dies ist ein größerer Vorteil der Erfindung, da der Gebrauch einer Pumpe oder eines Gebläses Größe, Volumen, Kosten und Komplexität des Probenehmers stark erhöhen und seine Betriebszuverlässigkeit reduzieren würde.

Zu beachten ist, daß die Maße der Öffnungen bzw. Verengungen 100 und 105 der Auslaßdurchgänge 54 und 90 sowie der Punkt, an dem die Aufnahmeröhren und ihre kurzen Verbindungsdurchgänge 52 und 72, die zu den jeweiligen Auslaßdurchgängen führen, relativ zu den Öffnungen liegen, so gewählt sind, daß der statische Druck die Nebenströmung in einer Venturiartigen Wirkung abzieht. Sobald sich die Nebenströmung und die expandierende Druckluftströmung gemischt haben, werden sie aus dem Probenehmer zurück zum Rauchgasstrom abgegeben.

Außerdem ist zu beachten, daß die Strömung aus der Kammer 32, die den Durchgang 54 durchläuft, um die Düsen 68 und 62 auf dem Weg zur zweiten Stufe strömt. Die Maße der Hauptströmungskammern oder -plenen sind viel größer als der Abstand zwischen den Beschleunigungsdüsen oder Einlaßdüsen und den entsprechenden Aufnahmeröhren. Die zur Abtrennung von Teilchen in der ersten Stufe erforderliche Strömungsdynamik mit der Wirkung in den Kammern 32 und 60 bleibt durch die Strömung des Gases zur zweiten Stufe unverändert.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Düsen gegenseitig austauschbar sind und Durchgänge mit unterschiedlichen Größen nach Bedarf für unterschiedliche Teilchengrößen verwendet werden können, die in einem speziellen Schornstein oder Rauchkanal vorliegen könnten. Die Teilchen über der Trenngrenze der virtuellen Impaktoren können aufgefangen werden, und mit der zweidüsigen ersten Stufe, d. h. zwei Einlaßdurchgänge oder -düsen und zwei Aufnahmeröhren oder -düsen, wird der Druckabfall sehr gering gehalten.

Wie 7 schematisch zeigt, läßt sich eine unterschiedliche Reinigungsform einfach dadurch erhalten, daß Ventile in den Durchgängen 54 und 90 planiert werden, die magnetgesteuert sind. Diese Ventile könnten außen liegen und sind in 7 in der Abdeckplatte 28 gezeigt. Ein erstes Ventil 130 ist in einem Abschnitt des Durchgangs 90 in der Abdeckplatte 28 angeordnet, und ein zweites Ventil 132 ist im Abschnitt des Durchgangs 54 in der Abdeckplatte angeordnet. Eine bei 134 gezeigte Steuerung kann verwendet werden, die Ventile zu aktivieren und sie vorübergehend oder für eine ausgewählte Zeit zu schließen, wonach die durch die Verengungen 100 und 105 eintretende Druckluft eine Rück- oder Rückwärtsströmung durch die Aufnahmeröhren bewirkt und dann auch für eine Luftströmung über die Einlaßröhren sorgt, was vom Strömungsvolumen aus der Druckluftquelle abhängt.

Dies hilft beim Reinigen des Systems und Gewährleisten, daß die Teilchen nicht an den Oberflächen des Probenehmers haften.

Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.


Anspruch[de]
Probenehmer (10) zum Erhalten einer Probe eines Rauchgases (14) und Entfernen von Teilchen aus der Probe mit einem Gehäuse (16), das in einem Rauchkanal (12) anordnungsfähig ist, der Rauchgas (14) mit Teilchen darin führt, einer Kammer (32, 60) im Gehäuse (16), einer Einlaßdüse (34, 62) vom Äußeren des Gehäuses (16) zur Kammer (32, 60), wobei die Einlaßdüse (34, 62) einen Einlaßdurchgang (36, 64) hat, durch den Rauchgas (14) strömt, einer Aufnahme (44, 68), die von der Einlaßdüse (34, 62) beabstandet ist und einen Aufnahmedurchgang (48, 70) hat, der zum Einlaßdurchgang (36, 64) ausgerichtet ist, einem Abgabedurchgang (54), der zu einem Auslaßende des Aufnahmedurchgangs (48, 70) offen ist und sich seitlich vom Aufnahmedurchgang (48, 70) zum Äußeren des Gehäuses (16) erstreckt, gekennzeichnet durch eine Öffnung, die im Gehäuse (16) zwischen einem Druckgasdurchgang (98, 100) und dem Abgabedurchgang (54) gebildet ist, wobei eine Druckgasquelle (94) mit dem Druckgasdurchgang (98) verbunden ist, um einen Gasstrahl zu bilden, der aus der Öffnung (100) in den Abgabedurchgang (54) austritt und seitlich über den Aufnahmedurchgang (48, 70) am Auslaßende des Aufnahmedurchgangs (48, 70) vorbei strömt, um aus dem Auslaßende des Aufnahmedurchgangs austretende Teilchen in den Abgabedurchgang (54) zu führen. Probenehmer nach Anspruch 1, wobei die Kammer aufweist: eine erste Kammer (32), wobei sich die Einlaßdüse (34) und die Aufnahme (44) in der ersten Kammer (32) befinden, und eine Strömungserzeugungspumpe (20) zum Erzeugen einer Gasströmung durch die erste Kammer (32), die wesentlich größer als die Gasströmung durch den Aufnahmedurchgang (44) ist. Probenehmer nach Anspruch 2, wobei die Einlaßdüse (34) und der Aufnahmedurchgang (48) aufweisen: eine erste Einlaßdüse (34) mit einem ersten Einlaßdurchgang (36) und eine erste Aufnahmedüse (44) mit dem ersten Aufnahmedurchgang (48), eine zweite Kammer (60), die im Gehäuse (16) gebildet ist, einen Übertragungsdurchgang (58) zwischen der ersten Kammer (32) mit der ersten Einlaßdüse (34) und ersten Aufnahmedüse (48) und der zweiten Kammer (60), eine zweite Einlaßdüse (62), die für eine Gasströmung in die zweite Kammer (60) sorgt, eine zweite Aufnahmedüse (68) mit einem zweiten Aufnahmedurchgang (70), der zu einem zweiten Einlaßdurchgang (64) ausgerichtet ist, wobei der zweite Aufnahmedurchgang (70) eine zweite Auslaßendöffnung zum Abgabedurchgang (54) hat und so positioniert ist, daß der Gasstrahl am zweiten Auslaßende vorbei strömt. Probenehmer nach Anspruch 3, wobei die zweite Kammer (60) Strömung aus der ersten Kammer (32) und Einlaßströmung aus der zweiten Einlaßdüse (62) zu einer Öffnung führt, um einen Durchgang (30) zu bilden, um die Strömungen abzugeben. Probenehmer nach Anspruch 3, wobei das Gehäuse (16) folgendes hat: eine dritte Kammer (74), eine dritte Einlaßdüse (76), die sich zur zweiten Kammer (60) öffnet und einen dritten Einlaßdurchgang (78) aus der zweiten Kammer (60) in die dritte Kammer (74) bildet, eine dritte Aufnahmedüse (84), die in der dritten Kammer (74) angeordnet ist und einen dritten Aufnahmedurchgang (86) hat, der mit einem zweiten Abgabedurchgang verbunden ist, wobei die dritte Kammer (74) zu einem Auslaßdurchgang (30) offen ist. Probenehmer nach Anspruch 5 und Analyseninstrument (24), das so verbunden ist, daß es die Strömung vom Auslaßdurchgang aufnimmt. Probenehmer nach Anspruch 6, wobei das Analyseninstrument (24) ein Quecksilber-Umweltüberwachungsgerät ist, um Quecksilber im Gas zu analysieren, das durch den Auslaßdurchgang geführt wird. Probenehmer nach Anspruch 5, wobei die dritte Einlaßdüse (76) und die dritte Aufnahmedüse (84) auf einer im wesentlichen gemeinsamen dritten Mittelachse (82) liegen, wobei die zweite Einlaßdüse (62) und zweite Aufnahmedüse (68) auf einer zweiten gemeinsamen Achse (66) liegen, wobei die zweite und dritte gemeinsame Achse (66, 82) im wesentlichen senkrecht zueinander sind. Probenehmer nach Anspruch 5, wobei die erste (34) und zweite (62) Einlaßdüse und die erste (48) und zweite Aufnahmedüse (68) im wesentlichen den gleichen Durchmesser haben und wobei die dritte Einlaßdüse (76) und dritte Aufnahmedüse (84) einen kleineren Durchmesser als die erste und zweite Einlaßdüse (34, 62) haben. Probenehmer nach Anspruch 5, wobei die erste (34) und zweite (62) Einlaßdüse und die erste (48) und zweite Aufnahmedüse lösbar angeordnet sind, um ihren Austausch gegen andere Düsen mit unterschiedlich bemessenen Durchgängen zu ermöglichen. Probenehmer nach Anspruch 1 mit einer Pumpe (20) zum Erzeugen einer Druckdifferenz, um Strömung in die Einlaßdüse (34, 62) und aus der Kammer (32, 60) zu bewirken und um zu veranlassen, daß die Strömung aus der Einlaßdüse (34, 62) seitlich vom Einlaßdurchgang abgelenkt wird, wenn sich die Strömung aus der Kammer (32, 60) bewegt. Probenehmer nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (100) eine Achse hat, die im wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse (46, 66) des Aufnahmedurchgangs (48, 70) ist. Verfahren zur Teilchenentfernung aus einem Rauchgas (14) in einem Rauchkanal (12) zur Analyse der Gaszusammensetzung mit Hilfe eines virtuellen Impaktors (10), das die folgenden Schritte aufweist: Platzieren des virtuellen Impaktors (10) in einem Rauchkanal (12), der Rauchgas (14) mit Teilchen darin führt, Herstellen einer Hauptströmung (30) und einer Nebenströmung (54, 90) im virtuellen Impaktor (10), um im Rauchgas mitgeführte Teilchen aus der Hauptströmung (30) abzutrennen, um eine teilchenfreie Rauchgasprobe bereitzustellen, wobei die entfernten Teilchen mit der Nebenströmung (54, 90) mitgeführt werden, Entnehmen der im Hauptstrom strömenden teilchenfreien Rauchgasprobe (30) aus dem virtuellen Impaktor (10) und Verwenden der entnommenen teilchenfreien Rauchgasprobe zur Gasanalyse (24, 25). Verfahren nach Anspruch 13 mit dem Schritt des Rückführens der Nebenströmung (54, 90) zum Rauchkanal (12). Verfahren nach Anspruch 14 mit dem Schritt des Durchleitens von Druckgas aus einer Quelle (94) durch eine Strömungsbegrenzung (100), um einen Strahl zu einem Nebenströmungsauslaß (54) des virtuellen Impaktors (10) zu bilden, um für eine Nebenströmung zu sorgen.






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