DE69103654T2

DE69103654T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Feucht- und Trockenkugeltemperaturen und Wassergehalt von Gasströmen.

Info

Publication number: DE69103654T2
Application number: DE69103654T
Authority: DE
Inventors: Gerald Thomas Amrhein; Paul Stephen Nolan
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1991-02-25
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2011-02-26
Also published as: EP0447052A1; DE69103654D1; JPH07104303B2; JPH05240814A; ATE110849T1; EP0447052B1; US5016472A; ES2059051T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Messung der Naß- und Trockenfühlertemperaturen (bzw. der Naß- und Trocken-Kolbentemperaturen) sowie des Wassergehaltes von Gasströmen und ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf die Messung der Feuchtigkeit eines Gasstromes aus einem Verbrennungsvorgang eines fossilen Brennstoffes gerichtet, wobei dieser Gasstrom Flugasche und andere Teilchen enthält.
Ein Psychrometer bzw. Feuchtigkeitsmesser ist eine Einrichtung zum Messen des Wassergehaltes von Luft durch gleichzeitige Messung der Naß- und Trockenfühlertemperaturen bzw. -Kolbentemperaturen. Diese Werte werden mit einer Feuchtigkeitsmesstafel verwendet um die relative Feuchtigkeit zu bestimmen. Es gibt zahlreiche bekannte Arten von Feuchtigkeitsmessgeräten, wie sie zum Bespiel offenbart sind in den US Patenten Nr. US-A-4 175 436, 4 461 167, 4 222 261, 4 559 823, 4 625 550 und 4 409 834. Es gibt auch mehrere kommerzielle Vorrichtungen, welche derzeit zum Messen der Naß- und Trockenfühlertemperaturen von Luft verfügbar sind. Eine derartige kommerzielle Vorrichtung ist das Assman Psychrometer bzw. der Assman Feuchtigkeitsmesser. Diese Vorrichtung verwendet ein kleines Gebläse, um Luft durch ein Paar von miteinander gekoppelten Thermoelementen zu ziehen, von welchem eines mit einem gesättigtem Docht umwickelt ist.
Bei dem Standard-Schleuderfeuchtigkeitsmesser gibt es zwei Thermometer, eines für die Naßfühler bzw. Naßkolbenmessung und eines für die Trockenfühlermessung. Das Naßfühlerthermometer ist mit einem porösen Material oder Docht umwickelt und mit Wasser vollgesogen. Wenn es in der Luft herumgewirbelt wird, verursacht die Verdampfung von dem Docht, daß sich das Naßfühlerthermometer abkühlt. Im Gleichgewichtszustand bezeichnet man die Temperatur des Naßfühlerthermometers als die Naßfühlertemperatur. Für Luft/Wassersysteme ist die Naßfühlertemperatur gleich adiabatischen Sättigungstemperatur. Für Verbennungsgase weichen diese Parameter um wenige Grade ab.
Während die vorstehenden Vorrichtungen für Luft/Wassersysteme gut funktionieren, sind sie für einen Gasstrom aus einem Verbrennungsvorgang von fossilen Brennstoffen, wie zum Beispiel bei einem Kohleverbrennungsvorgang, nicht geeignet. Das Abgas enthält Flugasche und andere Teilchen, die sich auf dem durchnäßten Docht niederschlagen und diesen verunreinigen würden und damit ungenaue Messungen verursachen würden.
In Anbetracht des Interesses in jüngster Zeit an einer sauberen Kohletechnologie ist es wichtig, die Abgasfeuchtigkeit genau zu steuern und zu überwachen. Die meisten derzeitigen Emissionskontrolltechniken beinhalten die Trockenwäsche oder ein in die Leitung Einspritzen eines Absorbtionsmittels auf Alkalibasis, woraufhin die Abgasbefeuchtung erfolgt. Die Befeuchtung erhöht die gesamte Schwefeloxidbeseitigung und erhöht weiterhin die Beseitigung der Teilchen mit einem elektrostatischen Abscheider. Dementsprechend ist es notwendig, einen Befeuchter mit einer sehr langsamen bzw. vorsichtigen Annäherung an die adiabatische Sättigungstemperatur (Tas) zu betreiben. Im Ergebnis nimmt die Warscheinlichkeit eines Systemfehlers wegen unvollständiger Verdampfung in der Leitung zu.
Um diese Art von Fehlfunktion zu vermeiden, ist es erforderlich, die Menge an Fluideinspritzung innerhalb enger Grenzen zu steuern und zu überwachen. Die Fluideinspritzung kann durch eine Messung des Ausmaßes der Befeuchtung des behandelten Gases gesteuert werden. Die derzeit verfügbaren Onstrumente für die Überwachung der Feuchtigkeit eines Abgases verwenden teure, empfindliche optische und elektronische Sensoren. Diese Geräte sind kompliziert und erfordern eine regelmäßige Wartung und Eichung durch erfahrene Techniker.
Es besteht daher ein Bedarf an einer preiswerten, einfachen und wartungsarmen Vorrichtung für die Messung der Feuchtigkeit eines Gasstromes, wie zum Beispiel eines staubigen Abgasstromes. Die Vorrichtung muß aus Materialien aufgebaut sein, die Temperaturen bis hinauf zu 200º C (400º F) widerstehen können, und sie sollten unempfindlich gegen Vibrationen, Wetterbedingungen oder Korrosion sein. Die Vorrichtung muß Messungen machen, die direkte bzw. Primärmessungen sind, so daß sie keine Eichung erfordern. Vorzugsweise sollte die Vorrichtung aus einfach verfügbaren und preiswerten, kommerziellen Ausrüstungsgegenständen aufgebaut sein, um Reparaturen und Konstruktion bzw. Aufbau zu erleichtern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen der Naß- und Trockenfühlertemperaturen eines in einer Leitung strömenden Gasstromes vorgesehen, wobei die Vorrichtung aufweist:
einen ersten Sensor zum Messen der Trockenfühlertemperatur des Gasstromes,
einen zweiten Sensor zum Messen der Naßfühlertemperatur des Gasstromes,
einen Docht, welcher den zweiten Sensor umgibt, wobei der Docht so angeordnet ist, daß er ein verdampfendes bzw. eine verdampfungsfähiges Kühlmittelfluid für den zweiten Sensor absorbiert,
Einrichtungen für die Zufuhr des verdampfungsfähigen Kühlmittelfluids zu dem Docht, Einrichtungen zum Einstellen der Menge des verdampfungsfähigen Kühlmittelfiuids in der Zufuhreinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Probenhülse sich in die Gasleitung erstreckt, die Probenhülse an einem Ende, und zwar in der Gasleitung, einen Filter hat, die ersten und zweiten Sensoren und der Docht in der Probenhülse angeordnet sind,
Einrichtungen vorgesehen sind, um das Gas in die Probenhülse hineinzuziehen, die Zufuhreinrichtung einen Vorrat bzw. ein Vorratsgefäß in der Probenhülse aufweist, wobei das Vorratsgefäß mit einer Fluidzufuhrleitung verbunden ist, und die Einstelleinrichtungen einen Niveauschalter aufweisen, um ein Ventil in der Zufuhrleitung für das verdampfungsfähige Kühlmittelfluid zu betätigen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Messen der Naß- und Trockenfühlertempereturen eines Gasstromes in einer Gasleitung vorgesehen, wobei das Verfahren aufweist:
Bereitstellen erster und zweiter Sensoren für die Messung der Naß- bzw. Trockenfühlertemperaturen,
Umgeben des zweiten Sensors mit einem Docht, der so betreibbar ist, daß er ein verdampfungsfähiges Kühlmittelfluid absorbiert,
Zuführen des verdampfungsfähigen Kühlmittelfluids zu dem Docht, und
Einstellen der Menge des verdampfungsfähigen Kühlmittelfluids, welches dem Docht zugeführt wird, gekennzeichnet durch die Schritte:
Anordnen einer Probenhülse in der Gasleitung, wobei die Probenhülse im Inneren der Gasleitung einen Filter aufweist und die ersten und zweiten Sensoren sowie der Docht in der Probenhülse angeordnet sind, und Einziehen des Gases in die Probenhülse durch den Filter, um dadurch eine Probe des Gasstromes zu nehmen,
wobei das verdampfungsfähige Kühlmittelfluid dem Docht von einem Vorrat in der Probenhülse zugeführt wird, wobei der Vorrat bzw. das Vorratsgefäß mit einer strömungsgeregelten Fluidzufuhrleitung verbunden ist, und wobei die Regelung bzw. Einstellung durch einen Niveauschalter ausgeführt wird, der ein Ventil in der Zufuhrleitung für das verdampfungsfähige Kühlmittel aktiviert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die unten noch genauer beschrieben wird, werden die Naß- und Trockenfühlertemperaturen eines Gasstromes, der in einer Leitung fließt, unter Verwendung einer Probenhülse gemessen, die sich in die Leitung hineinerstreckt, wobei ein Filter an dem der Leitung zugewandten Ende der Probenhülse vorgesehen ist. Erste und zweite Thermoelemente in der Probenhülse messen die Trocken- und Naßfühlertemperaturen des Probengases, wobei für diesen Zweck das zweite Thermoelement von einem Docht umgeben ist. Der Docht absorbiert das kühlende Wasser aus einem Vorratsbehälter, welches durch einen Niveauschalter und ein gesteuertes Ventil auf einem gewünschten Niveau gehalten wird. Ein Gebläse zieht Gas aus der Leitung ab und in die Probenhülse hinein.
Der Wassergehalt des Gases kann aus den gemessenen Naß- und Trockenfühlertemperaturen abgeleitet werden und die Wassergahaltsmessung kann bei der Entgiftung bzw. Reinigung des Abgases verwendet werden.
In der bevorzugten Ausführungsform hat die Probenhülse ein selbstreinigenden Filter für die Abtrennung von Teilchen bzw. Schwebstoffen aus dem probeweise entnommenen Abgas. Die bevorzugte Ausführungsform ist in der Lage, die Feuchtigkeit eines Abgasstromes, der Flugasche und (andere) Teilchen enthält, genau zu messen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine preiswerte, einfache und wartungsarme Vorrichtung vorgesehen, die in der Lage ist, Temperaturen bis hinauf zu etwa 200º C (400º C) auszuhalten und die nicht auf Erschütterungen, das Wetter bzw. Wetterbedingungen oder für Korrosion empfindlich ist.
Die Erfindung wird jetzt anhand eines veranschaulichenden und nicht beschränkenden Beispiels weiter beschrieben und zwar unter Bezug auf die beiliegende einzige Figur, welche eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in ihrer Einbaulage in einer Abgsleitung zeigt.
Gemäß der Figur strömt das aus einem Verbrennungsvorgang von fossilem Brennstoff hervorgehende Abgas in einer durch Pfeile angedeuteten Richtung in einer Abgasleitung 10, von der nur eine Seite bzw. Wand dargestellt ist. In der Leitung 10 ist eine Probenhülse 12 angeordnet, die sich in die Leitung 10 hineinerstreckt. Vorzugsweise ist die Probenhülse 12 zylindrisch und besteht aus Stahl in Form eines Rohres, jedoch sind auch andere Formen einer Probenhülse in gleicher Weise geeignet. Die Probenhülse 12 hat an der Öffnung ihres Endes 12a, das in der Leitung 10 liegt, einen Filter 14. Die Probenhülse 12 erstreckt sich bis zu einer vorbestimmten Tiefe in die Leitung 10 hinein, um eine repräsentative Probennahme des Abgasstromes sicherzustellen. Vorzugsweise erstreckt sich die Probenhülse 12 in einer Richtung senkrecht zu der Leitung 10. Die Ausrichtung des Filters 14 bezüglich der Richtung des Abgasstromes ist nicht kritisch bzw. nicht entscheidend. Der Filter 14 kann unter einem Winkel zu der Strömung angeordnet sein, so daß die Probenhülse 12 bei der Abtrennung der Flugasche und anderer Teilchen im Abgas mithilft. Das andere Ende 12b der Probenhülse 12 ist mit Hilfe von Flanschen 12c, 12d oder irgendwelchen anderen geeigneten Befestigungsmitteln, wie zum Beispiel einem Gewindeanschluß, befestigt, um die Probenhülse 12 in ihrer Lage in der Leitung 10 zu halten.
Im Inneren der Probenhülse 12 befinden sich zwei Sensoren, zum Beispiel erste und zweite Thermoelemente 16, 18. Das erste Thermoelement 16 mißt die Trockenfühlertempereatur und kann mit einer Anzeige 20 und einem Aufzeichnungsgerät 22 über eine Leitung 17 verbunden sein. Das zweite Thermoelement 18 hat einen dieses im wesentlichen umgebenden bzw. einhüllenden Docht 24. Der Docht 24 ist so angeordnet, daß er Wasser mit einer konstanten Zufuhrrate bzw. Nachschub bereitstellt um zu bewirken, daß das zweite Thermoelement 18 die Naßfühlertemperatur registriert. Das zweite Thermoelement 18 kann ebenfalls mit der Anzeige 20 und dem Aufzeichnungsgerät 22 über eine Leitung 19 verbunden sein. Ein Teil des Dochtes 24 ist in ein Vorratsgefäß 26 eingetaucht, welches Wasser zuführt bzw. bereitstellt.
Der Docht 24 zieht Wasser aus dem Reservoir 26 heraus, um das zweite Thermoelement 18 zu kühlen. Das Reservoir 26 ist innerhalb der Probenhülse 12 angeordnet und hat einen Niveauschalter 28, der das Wasserniveau einstellt, um für den Docht 24 eine kontinuierliche Quelle bereitzustellen. Eine Zufuhrleitung 30 stellt Wasser für das Vorratsgegäß bzw. Reservoir 26 bereits. Eine Spulenventil (Magnetventil) 32 ist in der Zufuhrleitung 30 angeordnet und spricht auf den Niveauschalter 28 an und steuert damit die zugeführte Wassermenge. Zusätzliche Venile 34, 36 können, wie dargestellt, der Zufuhrleitung 30 zugefügt werden, um den Strom und Druck des Wassers in optimaler Weise zu steuern. Ein Filter 38 in der Zufuhrleitung 30 reinigt das Wasser, um eine Verunreinigung des Dochtes 24 zu verhindern.
Ein Gebläse 40 oder eine Vakuumpumpe stellt eine Einrichtung bereit, um das Abgas in die Probenhülse 12 hineinzuziehen, und ist mit der Probenhülse 12 über ein Rohr oder eine Leitung 42 verbunden. Das Gebläse 40 zieht das als Probe genommene Abgas durch den Filter 14 in die Probenhülse 12 für die Probennahme bzw. Untersuchung. Eine T-Verbindung 44 in dem Rohr 42 regelt zusammen mit einem Ventil 46 die Geschwindigkeit bzw., Menge der Probennahme, indem es Luft aus der Umgebung von einer Quelle 48 in das Rohr 42 hineinläßt.
Das probeweise genommene Gas kann stromabwärts von der Messtelle nach der Probennahme durch ein Rohr 50 in die Leitung 10 zurückgeführt werden. In periodschen Abständen werden die Feststoffe, die sich auf dem Filter 14 niederschlagen, durch Impulse eines unter Hochdruck stehenden Fluids, wie zum Beispiel Luft, entfernt. Eine Leitung 42, die eine Druckluftversorgung von einer Quelle 54 hat, erstreckt sich in die Probenhülse 12 hinein und richtet die Luft auf den Filter 14, um Flugasche und andere Teilchen zu entfernen. Ein einstellbarer Zeitgeber 56 steuert ein Magnetventil bzw. Spulenventil 58 in der Luftleitung 52, um die Impulshäufigkeit und -dauer einzustellen. Die Impulsfrequenz bzw. Häufigkeit kann im Bereich von 0 bis 3 Stunden liegen, wobei die Impulsdauer zwischen 0 und 15 Sekunden liegt. Ein zusätzliches Absperrventil 57 kann stromaufwärts von dem Spulenventil 58 eingefügt sein.
In der oben beschriebenen Weise wird der Filter 14 periodisch unter vorbestimmten Zeitabständen gereinigt, um Flugasche und andere Teilchen, die sich aus dem Abgasstrom niedergeschlagen haben, zu entfernen. Alle Leitungen und Verbindungen zu der Probenhülse 12 treten an dem, dem in der Leitung 10 angeordneten Ende gegenüberliegenden, Ende 12b ein. Eine isolierte Hülle 60 dichtet dieses gegenüberliegende Ende 12b ab und verhindert das Eindringen von Umgebungsluft.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise aus rostfreien Stahlmaterialien und Beschlägen bzw. Bauteien aufgebaut um Korrosion zu verhindern, während gleichzeitig Reparaturen erleichtert werden. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung können auch andere Materialien geeignet sein.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung hat besondere Anwendungsmöglichkeiten aufgrund des Interesses in jüngerer Zeit an der Emissionskontrolltechnik. Wie bereits erwähnt, spritzen die meisten Abgasentschwefelungssysteme ein Absorbtionsmittel auf Alkalibasis in die Leitung ein mit einer gewissen Befeuchtung, um das Entfernen aller Schwefeloxide zu verbessern bzw. zu steigern, während auch die Funktionsfähigkeit der Teilchenaufsammler bzw. Abscheider verbessert wird. Um bei der Verwendung von Alkali eine maximale Schwefeloxidentfernung zu erhalten, ist es notwendig, den Befeuchter in einer sehr engen Annäherung an die Sättigungstemperatur zu betreiben. Dies erhöht jedoch die Warscheinlichkeit eines Fehlers bzw. eines Ausfalls des Systems aufgrund einer unvollständigen Verdampfung in der Leitung. Im Ergebnis ist erforderlich, die Menge der Fluideinspritzung genau zu kontrollieren und zu überwachen, was durch eine Messung des Ausmaßes der Befeuchtung des behandelten Abgases kontrollierbar ist.
In vorteilhafter Weise kann ein (nicht dargestellter) Computer mit den ersten und zweiten Thermoelementen 16, 18 verbunden sein, der bzw. die dann für die Steuerung der Abgasbefeuchtung oder des Aufschlämmungseinspritzsystems verwendet werden können.
Die Vorrichtung kann auch Verwendung finden auf dem Gebiet, wo Sprühtrocknung angewendet wird, um ein Produkt zu konzentrieren oder zu erzeugen, wie zum Beispiel bei der Lebensmittelverarbeitung oder bei Haushaltsprodukten. Verschiedene Veränderungen der vorstehend beschriebenen Vorrichtung sind möglich. Beispiele derartiger Modifikationen wären das Vorsehen verschiedener Niveauschalter, aufwendigerer Filtersysteme, eines Reservoirs oder Vorratsbehälters, der eine horizontale Montage erlaubt und/oder das Vorsehen eines Mikroprozessors zum Berechnen und Anzeigen der Feuchtigkeit.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der nassen und trockenen Fühlertemperaturen eines Gasstromes der durch eine Leitung (10) strömt, wobei die Vorrichtung aufweist:

einen ersten Sensor (16) zum Messen der Trockenfühlertemperatur des Gasstromes,

einen zweiten Sensor (18) zum Messen der Naßfühlertemperatur des Gasstromes,

einen Docht (24), welcher den zweiten Sensor (18) umgibt, wobei der Docht (24) so angeordnet ist, daß er ein verdampfungsfähiges Kühlfluid für den zweiten Sensor (18) absorbiert,

Einrichtung (26) für die Zufuhr des verdampfungsfähigen Kühlfluids zu dem Docht (24),

Einrichtungen (28, 32) zum Einstellen der Menge des verdampfungsfähigen Kühlfluids in der Zufuhreinrichtung (26),

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Probenhülse (12) sich in die Gasleitung (10) erstreckt, wobei die Probenhülse (12) einen Filter (14) an einem Ende (12a) in der Gasleitung (10) hat, die ersten und zweiten Sensoren (16, 18) und der Docht (24) in der Probenhülse (12) angeordnet sind,

eine Einrichtung (40) vorgesehen ist, um das Gas in die Probenhülse (12) hineinzuziehen,

die Zufuhreinrichtungen ein Vorratsgefäß (26) innerhalb der Probenhülse (12) aufweisen, wobei das Vorratsgefäß (26) mit einer Fluidzufuhrleitung (30) verbunden ist, und

daß die Einstelleinrichtungen einen Niveauschalter (28) aufweisen, um ein Ventil (32) in der Zufuhrleitung (30) für das verdampfungsfähige Kühlfluid zu aktivieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einzugeinrichtung ein Gebläse (40) mit einer Ventilanordnung (46) aufweist, um eine Gasprobe zu nehmen und die Probe nach der Probennahme in die Leitung (10) zurückzuführen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (52, 54) zum Reinigen des Filters (14) der Probenhülse (12) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Reinigungseinrichtungen eine unter hohem Druck stehende Quelle (52, 54) eines Fluids aufweisen, welche auf den Filter (14) gerichtet ist, wobei die Fluidquelle (52, 54) mit einem Zeitgeber (56) in Verbindung steht, um die Häufigkeit und Dauer für das Hochdruckfluid einzustellen.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter (38) in der Fluidzufuhrleitung (30) liegt, für die Reinigung des Fluids stromaufwärts von dem Vorratsgefäß (26).

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Einrichtung (20) für die Anzeige von Signalen von den ersten und zweiten Sensoren (16, 18).

7. Verfahren zum Messen der Naß- und Trockenfühlertemperaturen eines Gasstromes in einer Gasleitung (10), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Bereitstellen erster und zweiter Sensoren (16, 18) für die Messung der Naß- bzw. Trockenfühlertemperaturen,

Umgeben des zweiten Sensors (18) mit einem Docht (24), der so betreibbar ist, daß er ein verdampfendes Kühlfluid absorbiert,

Zuführen des verdampfenden Kühlmittelfluids zu dem Docht (24) und

Einstellen der Menge des verdampfenden Kühlmittelfluids, welches dem Docht (24) zugeführt wird,

gekennzeichnet durch die Schritte:

Anordnen einer Probenhülse (12) in der Gasleitung (10), wobei die Probenhülse (12) einen Filter (14) in der Gasleitung (10) hat, die ersten und zweiten Sensoren (16, 18) und der Docht (24) innerhalb der Probenhülse (12) angeordnet sind, und

Einziehen des Gases in die Probenhülse (12) durch den Filter (14), um so eine Probe aus dem Gasstrom zu entnehmen,

wobei das verdampfende Kühlfluid dem Docht (24) von einem Vorratsgefäß (26) in der Probenhülse (12) zugeführt wird und wobei das Vorratsgefäß mit einer strömungsgeregelten Fluidzufuhrleitung (30) verbunden ist, und wobei die Regelung durch einen Niveauschalter erfolgt, welcher ein Ventil in der Zufuhrleitung für das verdampfende Kühlmittel aktiviert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (14) in der Probenhülse (12) in vorbestimmten Zeitabständen mit einem Hochdruckfluid gereinigt wird.