Einfluß des Gasschwefels auf den Taupunkt von Verbrennungsgasen im Hinblick auf die Abgas-Korrosionswirkung PDF
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DK 662.613.54 FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Herausgegeben durch das Kultusministerium Nr.906 Dipl.-Ing. Felix Tiemann Gaswörme-Institut e. V, Essen-Steele ' Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.-Ing. Fritz Schuster Einfluß des Gasschwefels auf den Taupunkt von Verbrennungsgasen im Hinblick auf die Abgas-Korrosionswirkung Als Manuskript gedruckt WESTDEUTSCHER VERLAG / KCLN UND OPLADEN 1960 ISBN 978-3-663-03595-4 ISBN 978-3-663-04784-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04784-1 G 1 i e der u n g 1. Einleitung und AufgabensteIlung · • S. 5 2. Methoden der Taupunktbestimmung • • S. 6 3. Taupunktmessungen an Luft-Schwefelsäure- Wasser-Dampf-Gemischen • . · . . s. 6 Versuchsaufbau . . • • S. 6 Versuchsdurchführung • • • S. 10 Diskussion der Meßfehler • S. 12 3.4 Versuchsergebnisse · • S. 14 4. Taupunktmessungen an einem Ferngasverbrennungsgas mit verschiedenem Schwefelgehalt bei konstanter Luftüberschußzahl und mit verschiedenen Lüftüber · schußzahlen bei konstantem Schwefelgehalt S. 22 4.1 Versuchsaufbau •... · · · S. 22 4.2 Versuchsdurchführung • · · · S. 22 4.3 Diskussion der Meßfehler · · S. 26 4.4 Versuchsergebnisse · · · S. 26 5. Ermittlung des S03-Anteiles an den gesamten Schwefeloxyden ...•• S. 32 5.1 S03-Gehalt im Verbrennungsgas bei verschiedenem Schwefelgehalt des Ferngases •••••••••.••••• S. 32 5.2 S03-Gehalt im Verbrennungsgas von Ferngas bei verschiedenen Luftzahlen · • S. 33 6. Zusammenfassung · • S. 36 7. Literaturverzeichnis •. • • • • S. 38 Sei te 3 1. Einleitung und Aufgabensteilung Fast alle technischen Brennstoffe enthalten in ihrem brennbaren Anteil Schwefel verbindungen , die chemisch sehr verschieden zusammengesetzt sein können. Bei Brenngasen pflegt man von diesen Verbindungen nur den Schwefelwasserstoff unmittelbar für sich zu erfassen. Sonst wird in der Regel die Menge der Schwefelverbindungen eines Brennstoffes dadurch ge kennzeichnet, daß man allein die Menge Schwefel dieser Verbindungen an gibt, wenn der Schwefel auch keineswegs elementar vorliegt. Brennstoffschwefel des brennbaren Anteils geht bei der Verbrennung üte~ wiegend in Schwefeldioxyd (S02)' zum Teil in Schwefeltrioxyd (S03) über. Das Trioxyd geht mit flüssigem Wasser in Schwefelsäure (H S0 ) über. 2 4 Schwefeloxyde in der Atmosphäre sind als Pflanzenschädlinge bekannt. Schwefelsäure wirkt schon in geringen Mengen stark korrodierend auf alle Stoffe, die von ihr chemisch angegriffen werden. Verbrennungsgase technischer Brennstoffe enthalten Wasserdampf, dessen Anteil durch den (Wasserdampf-) Taupunkt gekennzeichnet werden kann. Niedrige Taupunkte, die niedrigen Wasserdampfgehalten entsprechen, sind praktisch erwünscht, weil es bei Abkühlung der Verbrennungsgase dann schwieriger zu der störenden oder sogar schädlichen Kondensatbil dung kommt. Schwefeldioxyd in Verbrenmmgsgases beeinflußt den Taupunkt nicht, Schwefeltrioxyd dagegen erhöht ihn (Säure-Taupunkt). Das sich leichter bildende Kondensat ist dann schwefelsäurehaltig. In der Forschungsarbeit, über die hier berichtet wird, wurde der Einfluß verschiedener Schwefelkonzentrationen auf den Taupunkt der Verbrennungs gase von Ferngas bei konstanter Luftzahl (~1,2) gemessen und der Ein fluß des Luftüberschusses (Luftzahlen .-.; 1, Obis 1,8) bei konstantem Schwefelgehalt. Da der Schwefelgehalt von gereinigtem Ferngas im Ver gleich zu anderen technischen Brennstoffen sehr niedrig liegt, mußte der Schwefelgehalt durch Zusatz einer gasförmig im Ferngas auftretenden Schwefelverbindung eingestellt werden, wozu Schwefelkohlenstoff (CS ) 2 benutzt wurde. Seite 5 2. Methoden der Taupunktbestimmung Unterschreitet die Temperatur eines Dampfes oder Dampfgemisches die ihrem Sättigungsdruck zugeordnete Temperatur, so scheidet sich Konden sat ab. Die Temreratur, bei der das erste Kondensat ausfällt, ist der Taupunkt des D~mpfes oder Dampfgemisches. Die Bestimmung des Taupunktes durch Trübungsmessung an einer spiegeln den Oberfläche ist vielfach verwandt worden. Sie gibt einen mehr oder minder genauen Wert für den Taupunkt aus der Oberflächentemperatur des Spiegels. Nun ist aber im Hinblick auf die Korrosionswirkung des anfallenden Kondensates nicht nur der Beginn, sondern auch die Menge des Nieder schlages von Bedeutung. Aus einem Schwefelsäure-Wasserdampf-Gemisch kondensieren nach Taupunktunterschreitung zuerst geringe Niederschlags mengen höherer Säurekonzentrationen, bei fallender Temperatur bis zum reinen Wasserdampf taupunkt größer werdende Niederschlagsmengen gerin gerer Säurekonzentration. Die Messung des Taupunktes durch elektrische Leitfähigkeitsmessung des entstehenden Kondensatfilmes gibt hier eine quantitative Aussage über die Menge des Niederschlages und damit seine Korrosionsgefäh~lichkeit. In der Praxis werden heute überwiegend Geräte verwandt, die nach dem Prinzip der elektrischen Leitfähigkeitsmessung arbeiten. Bei den fol genden Versuchen ist ein derartiges Taupunktmeßgerät der AEG verwandt worden. 3. Taupunktmessungen an Luft-Schwefelsäure-Wasserdampf-Gemischen 3.1 Versuchsaufbau (Abb. 1 und 2, siehe Seite 7 und 8) Angesäuertes Wasser lief aus einem 3-1-Behälter in ein oben und unten geschlossenes Glasrohr. In dem Glasrohr befand sich ein verschiebbares offenes Rohr, dessen unteres Ende in ein Überlaufgefäß getaucht war. Aus einem seitlichen Anschluß des geschlossenen Glasrohres lief das angesäuerte Wasser durch eine Dise, die in das Ende einer Quarzschlange hineinragte. Der Ablauf aus dem Behälter wurde größer eingestellt als der Düsendurchsatz betrug. Die überschüssige Menge lief durch das innere Rohr in das Überlaufgefäß ab. So war eine konstante Ortshöhe des Was serspiegels über der Düsenöffnung gewährleistet. Seite 6 ]t et rri pt ms u ea t Tt f f u u hll hll ü ü K K t ~ r e s s a W s e t r e u ä s e ng se ge a ü n D a L s h e c u s 1 a z b ar uf u g a O s n h 3] mit u uc m s [ n d er er fe 1 V L O äh i es z b d as b a m G A e h c S S] er W s s m e] mh m 3/ an p[ ot[r R m ß ä ef -------us derge ---azi ~---ft bi ..uu --LK - - A b b i 1d un g 2 Versuchsaufbau zur Taupunktmessung an einem Luft-Schwefelsäure Wasserdampf-Gemisch Die Luft strömte aus einem Kubiziergefäß durch einen geeichten trocke nen Gaszähler in ein Glasgefäß, welches die Düse und das Ende der Quarz schlange umgab. Der Vordruck wurde durch einen Wasserschenkel, die Tem peratur durch ein Quecksilberthermometer, die relative Feuchtigkeit durch ein Psychrometer gemessen, vor dem Gaszähler war ein Rota-Durch flußmengenmesser geschaltet, um die Durchflußmenge ständig kontrollie ren zu können. Seite 8 In dem elektrisch beheizten Quarzrohr verdampfte das angesäuerte Wasser und strömte vermischt mit der Luft durch ein Metallrohr, in dem sich der Meßkopf des Taupunktfühlers befand. Der Taupunktfühler des Meßgerätes (Abb. 3) besteht aus einem rohrförmi gen Aluminiumoxydkörper, der an einem Schutzrohr für die Zuleitungen befestigt ist. Auf dem A1203-Körper befinden sich drei isoliert ange ordnete Pt-Elektroden. Zwischen zwei Platinelektroden ist je ein Meß widerstand unter der Oberfläche des Aluminiumoxydkörpers eingeschmolzen. Für die Messungen genügten zwei Elektroden mit dem dazwischen liegenden Meßwiderstand. Der zweite Me3widerstand kann zum gleichzeitigen Anschluß an ein Registriergerät verwandt werden. Der Meßwiderstand ist geeicht und wird an ein Temperaturanzeigegerät angeschlossen, die Platinelek troden werden an einen Universalstrommesser angeschlossen. Den Strom für den Meßwiderstand und die Spannung für die Pt-Elektroden lieferte eine 4-Volt-Batterie. Durch einen seitlichen Anschluß an dem Schutzrohr kann Kühlluft durch den A1203-Körper geblasen werden. A b b i 1 dun g 3 Taupunktmeßfühler und Meßkoffer mit Temperaturanzeigegerät und Vielfachstrommesser Seite 9 Der mit einer perforierten Schutzhülse versehene Meßkopf ist zum Einfüh ren in Verbrennungskanäle gedacht. Für die folgenden Versuche wurde statt des perforierten Schutzrohres ein Metallrohr mit einem Eingangs stutzen und zwei Austrittsschlitzen verwandt. In den Eingangsstutzen wurde das Ende der Quarzschlange eingeführt und mit Asbest abgedichtet, ebenso wurde das offene Rührende abgedichtet. ZWRi Prallbleche waren in den Eingangsstutzen eingebaut, um eine Durchwirbelung des Luft Schwefelsäure-Wasserdampf-Gemisches zu erreichen und damit ein gleich mäß iges Umspülen des gesamten All1miniumoxydkörpers. 3.2 Versuchsdurchfiilirung (Abb. 4, siehe Seite 13) Eine Glasdüse wurde so gewählt, daß für den jeweiligen Wasserdampf teil 3 druck der Gemischdurchsatz etwa 1 m /h betrug. Diese Düse wurde unter Versuchsbedingungen geeicht. Die Luft im Kubiziergefäß wurde mittels Pumpe umgewälzt, um eine möglichst hohe relative Feuchtigkeit zu er reichen, etwa 95 bis 98 %, dadurch blieb die relative Feuchtigkeit der Luft während des Versuches nahezu konstant. Der Durchsatz an feuchter Luft richtete sich nach dem konstanten Wasser- durchsatz der Düse und den jeweiligen Betriebsbedingungen. Dampf gesamt pt setzt sich zusammen aus der konstanten Wassermenge der Düse und H20 der veränderlichen Wassermenge der feuchten Luft. • NI NILuft f. H20 Dampf ges. + f • PtH20 • NILuft f. ° - ptH 2 NILuft f. • (NI H20 Dampf + f • pt • NILuft f.) + f • pt • NILuft f. Seite 10 Das ergibt: 1 - ptH 0 2 1 - ptH 0 • NIH2 0 Dampf/h 1 - f . pt ( __- ---"2_ + 1) ptH 0 2 Hierin bedeuten: NI Luft Durchsatz an Luft OOC, 160 Torr NILuft Durchsatz an feuchter Luft OOC, f. NIH 0 Dampf ges. Gesamtdurchsatz an Wasserdampf 0 °C , 160 Torr 2 NIH 0 Dampf/h Düsendurchsatz umgereehnet in NI 2 Wasserdampf/h (geeicht) ptH 0 Teildruck des gesamten Wasserdampfes im Gemisch 2 (konstanter Versuchsfaktor) pt Teildruck des Wasserdampfes der gesättigten Luft bei Betriebstemperatur (Literatur) f relative Feuchtigkeit (Psychrometer) Umgerechnet auf Betriebsliter: T • 160 1 • NI BILuft f./h 213 (B + p) Luft f./h [OK] T Betriebstemperatur 1 B Barometerstand [Torr] p Betriebsdruck [Torr] Der geringe Teildruck der Schwefelsäure wurde bei den Rechnungen nicht berücksichtigt. Der hierdurch entstandene Fehler liegt weit unter dem Gesamtfehler der Messung. Das Schwefelsäure-Wassergemisch wurde durch weiteres Verdünnen von Seite 11
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