DE4107902C2 - Vorrichtung zur In-Line-Analyse der Partikelgrößenverteilung in Abgasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur In-Line-Ana­ lyse der Partikelgrößenverteilung von Partikel enthalten­ dem Abgas oder Entlüftungsgas, insbesondere eine Vorrich­ tung zur In-Line-Analyse von Abgas oder Entlüftungsgas mit festen und/oder flüssigen Teilchen, so daß die Analyse der Partikelgrößenverteilung getrennt für feste und flüssige Bestandteile durchgeführt werden kann.

Jedes Abgas eines Verbrennungsofens und Entlüftungsgase von Gasförderleitungen einer feinkörniges Material verar­ beitenden Fabrik enthalten z. B. beträchtliche Mengen an Staub, der aus durch die Kraftstoffverbrennung gebil­ detem Ruß oder aus feinverteiltem Pulver bestehen kann. Zusätzlich zu den Staubpartikeln, d. h. den im Gas sus­ pendierten Partikeln, enthalten diese Gase manchmal auch einen "feinen Nebel", d. h. sehr kleine flüssige Partikel oder im Gas suspendierte Tröpfchen. Ferner werden in ver­ schiedenen chemischen Fabriken Verfahren zur Gaswäsche mit wäßriger alkalischer Lösung angewandt, die Prozeßentlüf­ tungsgase mit gelöstem Alkali oder Salz aufweisen; das gleiche gilt für Sprühverfahren mit Kochsalzlösungen. Ein solches Staub und/oder Tröpfchen enthaltendes Gas wird im allgemeinen als Aerosol bezeichnet.

Es sind derzeit verschiedene und mit verschiedenen Prin­ zipien arbeitende Instrumente zur Bestimmung der Konzen­ tration und der Größenverteilung von Partikeln in Aero­ solen bekannt.

Ein Gerät für die In-line-Analyse ist in JP-1-267 439 A be­ schrieben. Bei diesem Stand der Technik wird zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung in einen Gasströmungskanal eine Saugdüse, mehrere Einheiten zur Partikelgrößenklassifizierung und mehrere Partikelkonzentrationssensoren eingebaut. Die Einheiten zur Partikelgrößenklassifizierung bestehen dabei aus stationär eingebauten Gittern bzw. Folgen von Gittern. Nachteilig ist hierbei, daß der Aufbau relativ aufwendig ist, sowie daß sich die Durchlässigkeit der Gitter bzw. Folgen von Gittern im Lauf der Zeit verändert.

Die sog. Mehrstufenabscheider bilden hier jedoch die einzigste Klasse derartiger Instrumente, mit denen die Größenverteilung von Staubpartikeln in Entlüf­ tungsgasen in der Außenarbeit bestimmt werden kann, ein solcher Abscheider ist beschrieben durch A. A. Andersen, in Journal of Bacteriology, Band 76, S. 471-484 (1958), von V. A. Marple et al., Journal of Aerosol Science, Band 7, S. 425-433 (1976) und von M. J. Pilat et al., Journal of Atmospheric Environment, Band 4, S. 671- 679 (1970). Die grundlegende Ausbildung eines solchen In­ struments enthält verschiedene Partikelgrößen-Klassifi­ ziereinheiten, die mehrstufig angeordnet sind, wobei jede Einheit eine konische Gasausströmdüse und eine Prallschei­ be aufweist, die direkt unterhalb der Gasausströmdüse an­ geordnet ist, so daß sie der Düsenöffnung gegenüberliegt.

Die höher angeordneten Düsen besitzen einen größeren Durchmesser als die, die niedriger angeordnet sind. Wenn ein Staub enthaltendes Gas aus der obersten Düse mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf die Prallscheibe strömt, wird die Gasströmung durch die Prallscheibe abgelenkt, während die Staubpartikel, deren Durchmesser einen be­ stimmten Wert überschreiten, oder die die sog. Abtrenn­ größe besitzen, aus der Gasströmung durch ein Aufprallen auf die Prallscheibe abgetrennt werden. Aufgrund der Träg­ heitskraft der Partikel, die proportional zum Quadrat des Partikeldurchmessers und der Geschwindigkeit ist, werden diese von der Prallscheibe eingefangen. Die von den Staubpartikeln der Fraktion mit den größeren Durch­ messern befreite Gasströmung strömt dann durch die zweite Düse und wird auf eine höhere Geschwindigkeit be­ schleunigt, so daß sie auf die zweite Prallscheibe auf­ prallt, usw. Derart fängt jede der Prallscheiben im zuge­ führten Entlüftungsgas enthaltene Partikel ein, wobei die Staubpartikeldurchmesser auf den Prallscheiben in höherer Position größer sind als auf den Scheiben in einer niedrigeren Position. Dadurch kann die Partikelgrößenver­ teilung oder die Menge der Partikel der entsprechenden Fraktionen durch ein Demontieren und ein genaues Wiegen jeder der Prallscheiben bestimmt werden, d. h. es wird die Menge der auf den Prallscheiben befindlichen Partikel bestimmt.

Ein Instrument zum Messen von Staubpartikeln gemäß der oben beschriebenen Vorrichtung enthält mehrere Einheiten, wobei jede eine Gasausströmdüse und eine Prallscheibe enthält. Diese Prallscheibe ist in den Abgas- oder Gas­ kanal eingesetzt und das Staub enthaltende Gas wird mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit wie das Abgas durch eine Saugdüse für eine bestimmte Zeitdauer gesaugt. An­ schließend sind die Staubpartikel auf den Prallscheiben abgelagert, und die Prallscheiben können aus dem Instru­ ment ausgebaut und in ein Labor gebracht werden, wo jede dieser Scheiben gewogen wird und die Menge der entspre­ chenden Fraktion mit innerhalb eines bestimmten Bereichs liegenden Partikeldurchmessern bestimmt wird; vor der end­ gültigen Berechnung der Partikelgrößenverteilung und -kon­ zentration im Abgas.

In US-4 590 792 wird ein nach diesem Prinzip arbeitendes Par­ tikelauffanggerät für die Mikroanalyse beschrieben. Dieses Partikelauffanggerät ist aus mehreren Partikelgrößenklassifi­ zierungseinheiten aufgebaut. Jede Partikelgrößenklassifizie­ rungseinheit besteht aus Gasausströmungsdüse und Prallplatte. Nach Durchtritt durch die Gasauströmdüse treffen die Partikel auf die Prallplatte auf und werden dort festgehalten. Zur weiteren Untersuchung wird diese Prallplatte aus dem Auf­ fanggerät entfernt und zu einem weiteren Gerät (SEM) trans­ portiert.

Der oben beschriebene Mehrstufenabscheider ist für tägli­ che Routinearbeiten aufgrund des hohen Arbeits- und Zeit­ aufwands zum Erhalten von Verteilungsergebnissen nicht ge­ eignet. Darüber hinaus ist dieses Instrument nicht zur In- Line-Messung zum schnellen und kontinuierlichen Erfassen von Änderungen der Partikelgrößenverteilung und -konzen­ tration von in Abgas enthaltenen Staubpartikeln geeignet. Wenn das Abgas, wie z. B. von Abgasentschwefelungsanlagen darüber hinaus feine Tröpfchen enthält, lagern sich diese auf den Prallscheiben in Form einer flüssigen Schicht ab. Diese flüssige Schicht kann eventuell über den Rand der Scheibe hinausfließen, so daß keine genaue Bestimmung der feinen Tröpfchen mit einem solchen bekannten Mehrstufen­ abscheider möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung in Aero­ solen zu schaffen, wobei die Aerosole feste und flüs­ sige Partikel enthalten und die Vorrichtung für den täglichen Gebrauch geeignet ist und in eine gasbeför­ dernde Prozeßleitung eingebaut werden kann.

Weiterhin soll die Partikelgrößenverteilung in Aerosolen be­ stimmt werden, wobei der Betrag der festen und flüssigen Partikel getrennt betrachtet werden kann. Ferner soll die Partikelgrößenverteilung in Aerosolen, die flüssige Parti­ kel enthalten, bestimmt werden, wenn Feststoffe in gelö­ ster Form in den flüssigen Tröpfchen enthalten sind, wobei die Partikelgrößenverteilung der Feststoffe für sich allein bestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Unteranspruch 2 enthält eine Weiter­ bildung dieser Vorrichtung, mit der weiterhin auch die zu­ sätzliche Aufgabenstellung hinsichtlich der Unterscheidung fester und flüssiger Partikelanteile gelöst wird, wobei mit dem dabei vorgesehenen Heizsystem flüssige Bestandteile der Partikel verdampft werden können.

Wie oben beschrieben ist eine charakteristische Eigenschaft des erfindungsgemäßen Partikelgrößenanalysators für Staub­ partikel und/oder Tröpfchen enthaltendes Gas, die kombi­ nierte Verwendung von einer Serie von Partikelgrößen­ klassifiziereinheiten die an einem drehbaren Revolver­ kopf montiert sind, und der Partikelkonzentrationssensor­ einheit, die mittels Lichtstreuung arbeitet, und die strom­ abwärts zu den Partikelgrößenklassifiziereinheiten ange­ ordnet ist. Obwohl die Struktur einer einzelnen Partikel­ größenklassifiziereinheit aus der JP 59-151036 A und JP 60-15542 A (bezüglich des Mehrstufenabscheiders) bekannt ist und das Prinzip der Partikelkonzentrationssensor­ einheit in der JP 56-76032 A vorbeschrie­ ben ist, sind obige Merkmale nicht verwirklicht. Durch die Erfindung kann der Partikelgrößenanalysator in einen Strömungskanal eines Staub und/oder Tröpfchen enthalten­ den Gases eingesetzt werden, wobei dieser eine Einrichtung zum kontinuierlichen Messen und Anzeigen der Partikel­ größenverteilung von Auslaßgas in Staub und/oder Tröpfchen erzeugenden Verfahren aufweist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt des erfindungs­ gemäßen Partikelgrößenanalysators mit einer ein­ zelnen Partikelkonzentrationssensoreinheit, und

Fig 2 einen schematischen Querschnitt des erfindungs­ gemäßen Partikelgrößenanalysators mit zwei Par­ tikelkonzentrationssensoreinheiten und dem da­ zwischen befindlichen Heizsystem.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt des Partikel­ größenanalysators, der in einen gasführenden Kanal, z. B. in einem Abgaskanal, eingebaut ist. Das strömende Aerosol (durch die links befindlichen Pfeile angedeutet) wird durch die Saug­ düse 2 in den Gasströmungskanal 1 mit einer konstanten Geschwindigkeit eingeführt, und zwar ausgehend von der links befindlichen Öffnung. Das Aerosol wird durch die rechts befindliche Öffnung 1a durch Absaugung mittels der Saugpumpe 3 abgeführt, die am Ende des Gasströmungs­ kanals 1 angeordnet ist, so daß das Aerosol in eine der Partikelgrößenklassifiziereinheiten 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, . . . ., 5 _n nahe der Gasaufnahmeöffnung einströmt. Jede der Einheiten besteht aus einer konischen oder trichterartigen Gasaus­ strömdüse 5a und einer Prallplatte 5b, die der Ausstrom­ öffnung der Gasausströmdüse 5a gegenüber beabstandet angeord­ net ist und durch die Stützteile 5c gehalten wird. Durch ei­ ne Drehung des Revolverkopfes 7 kommen die Düsen 5a in Verbin­ dung mit dem Ausgang der Saugdüse 2, wobei am Revolverkopf 7 die Partikelgrößenklassifiziereinheiten 5 ₁-5 _n mit jeweils gleichen Abständen von der Achse des Revolverkopfes 7 mon­ tiert sind. Wenn das Partikel enthaltende Gas aus der Gasausströmöffnung der Düse 5a auf die Prallplatte 5b strömt, wird die Gasströmung durch die Prallplatte 5b abgelenkt, während die im Gasstrom enthaltenen Par­ tikel, die einen größeren Durchmesser als die Abtrenn­ größe aufweisen, nicht von der abgelenkten Gasströmung getragen werden und auf der Prallplatte 5b aufprallen, so daß sie aus der Gasströmung ausfallen; die Abtrenn­ größe wird u. a. durch den Durchmesser der Gasausströmöffnung der Düse 5a bestimmt. Dadurch enthält die von der Prall­ platte 5b abgelenkte Gasströmung Partikel mit einer klei­ neren Größe als die Abtrenngröße, die durch die erste Partikelkonzentrationssensoreinheit 11, die mittels Licht­ streuung arbeitet, ermittelt wird. Mehrere dieser Klassi­ fiziereinheiten 5 ₁-5 _n sind auf dem drehbaren Revolver­ kopf 7 mit gleichen Abständen von der Drehachse des dreh­ baren Revolverkopfes 7 derart montiert, daß bei einer Drehung des drehbaren Revolverkopfes 7 um die Achse, mehrere der Partikelgrößenklassifiziereinheiten 5 ₁-5 _n nacheinander in Verbindung mit dem Ausgangsende der Saugdüse 2 gebracht werden. Die Gasausströmöffnungen jeder der Gasausström­ düsen 5a besitzen verschiedene Durchmesser. Eine sinnvolle, aber jedoch nicht limitierende, Anordnung der Partikel­ größenklassifiziereinheiten 5 ₁-5 _n ist das Montieren dieser in einer ansteigenden oder abfallenden Ordnung um die Drehachse des drehbaren Revolverkopfes 7, bezüglich der Durchmesser der Gasausströmöffnungen der Düsen 5a. Dadurch kann die Partikelkonzentrationssensoreinheit 11, die mittels Lichtstreuung arbeitet, Signale zur Parti­ kelgrößenklassifikation entsprechend der Partikelkon­ zentration des strömenden Gases erzeugen, und zwar in ansteigender Ordnung bezüglich der Abtrenngrößen. Neben mehreren Partikelgrößenklassifiziereinheiten 5 ₁-5 _n kann der drehbare Revolverkopf 7 auch einen Abschnitt ohne Partikelgrößenklassifiziereinheit aufweisen. Durch diesen Abschnitt kann das Partikel enthaltende Gas zu der Par­ tikelkonzentrationssensoreinheit 11, die mittels Licht­ streuung arbeitet, ohne Partikelgrößenklassifikation strömen.

Das aus einer der Partikelgrößenklassifiziereinheiten 5 ₁-5 _n kommende Gas wird anschließend in die Konzentrati­ onserfassungszone 10 zwischen den lichtabstrahlenden und den lichtaufnehmenden Fenstern der Partikelkonzentrations­ sensoreinheit 11 geleitet, die einen Anschluß zu einem optischen Faserkabel aufweist, das durch ein Schutzrohr 12 geschützt ist, wobei das optische Faserkabel zu einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor 14 führt. Das in dem Lichtdetektor 14 erzeugte Signal wird von einem Signal­ prozessor 15 in die Partikelkonzentration des durch die Konzentrationserfassungszone 10 strömenden Gases umge­ wandelt. Die Ergebnisdaten werden im Speicher der Steu­ ereinheit 17 gespeichert, die daraufhin ein Signal zum Ansteuern der Drehbewegungssteuereinheit 16 erzeugt, so daß sich der drehbare Revolverkopf 7 eine Indexstellung weiterdreht, so daß die nächste Partikelgrößenklassifizier­ einheit 5 in Verbindung mit dem Ausgangsende der Saugdüse 2 in dem Gasströmungskanal 1 gebracht wird.

Wenn das Partikel enthaltende Gas in die Konzentrations­ erfassungszone 10 strömt, nachdem es durch den Freifluß­ abschnitt des drehbaren Revolverkopfes 7 geströmt ist, repräsentieren die in der Steuereinheit 17 gespeicherten Konzentrationsdaten C₀ die Gesamtkonzentration der Par­ tikel in dem strömenden Gas. Beginnend mit dem Freifluß­ abschnitt werden die Partikelgrößenklassifiziereinheiten 5 ₁-5 _n aufeinanderfolgend in ansteigender Ordnung der Abtrenngrößen d₁, d₂, d₃, d₄, . . . , d_n derart durch Drehung des drehbaren Revolverkopfes 7 positioniert, daß die Kon­ zentrationsdaten C₁, C₂, C₃, C₄, . . . , C_n, die in dem Speicher der Steuereinheit 17 gespeichert sind, die Par­ tikelkonzentrationen der betreffenden Gasströmungen re­ präsentieren, die jeweils kleinere Größen besitzen als d₁, d₂, d₃, d₄, . . . , d_n. Nachdem eine Umdrehung des dreh­ baren Revolverkopfes 7 vollendet ist, enthalten die im Speicher der Steuereinheit 17 gespeicherten Daten C₀, C₁, C₂, C₃, C₄, . . . , C_n, die von dem Signalprozessor 15 in die gewünschte Information weiterverarbeitet werden, z. B. Teilchenfraktionen mit Teilchengrößen in bestimmten Bereichen und dergleichen bezüglich der Konzentration, relativ zur kumulativen Partikelgrößenverteilung.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Partikelgrößenanaly­ sators entsprechend der Weiterbildung nach Anspruch 2 in einem schematischen Querschnitt. In dieser Ausführungsform ist ein Heizsystem 19, z. B. mit einem elektrischen Heiz­ element, stromabwärts zur Partikelkonzentrationssensoreinheit 11, die mittels Lichtstreuung arbeitet (wie in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform) vorgesehen, wobei der Gasströmungskanal 1 von dem Heizsystem 19 umgeben ist. Eine zweite Partikel­ konzentrationssensoreinheit 21, die mittels Lichtstreuung arbeitet, ist stromabwärts zu dem Heizsystem 19 vorgese­ hen. Das Prinzip und der Aufbau des zweiten Konzentrati­ onserfassungssystems mit der zweiten Partikelkonzentrati­ onssensoreinheit 21, die mittels Lichtstreuung arbeitet, ist im wesentlichen gleich dem des oben beschriebenen er­ sten Konzentrationserfassungssystems, mit einer weiteren Lichtquelle und einem Lichtdetektor zum Erfassen der in der Gasströmung enthaltenen Partikelkonzentration in der zweiten Konzentrationserfassungszone 20, die stromabwärts zu dem Heizsystem 19 angeordnet ist.

Wenn die von der ersten Konzentrationserfassungszone 10 kommende Gasströmung Staubteilchen, d. h. feste Partikel, und Nebelteilchen, d. h. flüssige Partikel, enthält und das Heizsystem 19 derart in Betrieb ist, daß das Gas in der Verdampfungszone 19a eine ausreichend hohe Temperatur besitzt, so werden die flüssigen Teilchen verdampft, so daß die Gasströmung, die in die zweite Konzentrations­ erfassungszone 20 einfließt, nur noch Staubpartikel ent­ hält. Die durch Staubpartikel im zweiten Lichtdetektor 14′ erzeugten Signale werden nur im zweiten Signalprozessor 15′ verarbeitet und in der Steuereinheit 17 gespeichert. Diese Steuereinheit 17 steuert die Heizsteuereinheit 22 durch einen Vergleicher 18 an. Daher enthalten die in der Steuereinheit 17 gespeicherten Daten die Konzen­ trationsdaten C₀′, C₁′, C₂′, . . . , C_n′, die durch das zweiten Konzentrationserfassungssystem während einer Umdrehung des drehbaren Revolverkopfes 7 erhalten wurden, gemäß den Konzentrationsdaten C₀, C₁, C₂, . . . , C_n, die von dem ersten Konzentrationserfassungssystem erhalten wurden. Der Datensatz von C₀-C_n repräsentiert die Gesamtkonzen­ tration an Staub- und Nebelpartikeln (Tröpfchen), während der Datensatz von C₀′-C_n′ die Konzentration der Staub­ partikel (feste Partikel) darstellt. Folglich können kon­ tinuierlich Informationen über die Partikelgrößenvertei­ lung von festen und flüssigen Partikeln im Gas separat erhalten werden.

Der Partikelgrößenanalysator besitzt zwei Konzentrations­ erfassungssysteme, wie in Fig. 2 gezeigt, und ist auch einsetzbar, wenn die flüssigen Partikel gelöste feste Bestandteile in den flüssigen Tröpfchen enthalten, wie z. B. in Gas, das aus einem Gaswäscher strömt, der eine wäßrige alkalische Lösung zur Gaswäsche verwendet, oder ein Entlüftungsgas einer Entschwefelungsanlage. Das erste Konzentrationserfassungssystem dient daher zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung der flüssigen Partikel, während das zweite Konzentrationserfassungssystem zur Er­ fassung der Konzentration der gelösten Bestandteile im Gas nach der Verdampfung der flüssigen Bestandteile in der Verdampfungszone 19a dient. Dadurch kann eine kontinuier­ liche Information über die Partikelgrößenverteilung der flüssigen Partikel erhalten werden, in Verbindung mit einer Gelöststoffkonzentration. Insbesondere bei Problem­ lösungen bezüglich der Luftverschmutzung, die durch gelö­ ste Stoffe enthaltende flüssige Partikel, die von Entlüf­ tungsgasen getragen werden, verursacht werden, können er­ findungsgemäße Ausführungsformen eingesetzt werden.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Analyse von Partikelgrößenverteilungen in Gasen, umfassend:

• a) einen Gasströmungskanal (1) mit einer Saugdüse (2),
• b) einen Revolverkopf (7), der drehbar ausgeführt und in den Gasströmungskanal (1) eingesetzt ist, und mehrere Ein­ heiten (5 ₁-5 _n) zur Partikelgrößenklassifizierung ent­ hält, wobei jede Einheit (5 ₁-5 _n) eine Gasausströmdüse (5a) und eine Prallplatte (5b) enthält, die der Gasaus­ strömdüse (5a) gegenüber beabstandet angeordnet ist, wo­ bei jede Einheit (5 ₁-5 _n) jeweils den gleichen Abstand von der Drehachse des Revolverkopfes (7) aufweist, und deren Anordnung derart ist, daß jede der Gasausströmdüsen (5a) nacheinander mit dem Auslaß der Saugdüse (2) des Gasströmungskanals (1) in Verbindung bringbar ist, wobei die Gasausströmöffnungen jeder Gasausströmdüse (5a) un­ terschiedliche Durchmesser aufweisen; und
• c) eine erste Partikelkonzentrationssensoreinheit (11), die mittels Lichtstreuung arbeitet und stromabwärts zum dreh­ baren Revolverkopf (7) angeordnet ist, mit
  • - einer ersten Lichtquelle zur Abstrahlung von Licht auf das im Gasströmungskanal (1) strömende Gas, und
  • - einem ersten Lichtdetektor zur Erfassung des von der ersten Lichtquelle erzeugten, durch die im strömenden Gas enthaltenen Partikel gestreuten Lichts.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• - ein Heizsystem (19), das stromabwärts zur Partikelkonzen­ trationssensoreinheit (11) angeordnet ist, zum Heizen des im Gasströmungskanal (1) strömenden Gases, und
• - eine zweite Partikelkonzentrationssensoreinheit (21), die stromabwärts zu dem Heizsystem (19) angeordnet ist, mit
  • - einer zweiten Lichtquelle zur Abstrahlung von Licht auf das in dem Gasströmungskanal (1) strömende Gas und
  • - einem zweiten Lichtdetektor zur Erfassung des von der zweiten Lichtquelle erzeugten, durch die im strömenden Gas enthaltenen Partikel gestreuten Lichts.