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Rauchgasuntersuchung [1]

[359] Rauchgasuntersuchung hat den Zweck, die Wärmeverluste zu bestimmen, welche dadurch entstehen, daß die Verbrennungsgase aus einer Feuerung mit höherer Temperatur durch den Schornstein abziehen als jener, mit welcher die frische Luft in die Feuerung eingetreten ist (vgl. a. Feuerungsanlagen). Zu einer solchen Bestimmung ist erforderlich, festzustellen: 1. die Menge der Verbrennungsgase aus 1 kg Brennstoff; 2. die spezifische Wärme der Rauchgase; 3. die Temperatur derselben über die der frischen Luft; das Produkt dieser drei Zahlenwerte stellt dann die Wärmeeinheiten dar, welche die aus 1 kg Brennstoff entstandenen Verbrennungsgase unausgenutzt enthalten; 4. einen weiteren Verlust bilden die in den Rauchgasen etwa noch enthaltenen brennbaren Gase (Kohlenoxydgas und Kohlenwasserstoffgase), deren Heizwert auch hätte ausgenutzt werden müssen.

1. Bestimmung der Gasmenge. Die Rauchgasmenge ist naturgemäß um so größer, je mehr unter anderm reiner Kohlenstoff (C) in dem Brennstoff enthalten war. Deshalb muß die chemische Analyse des letzteren bekannt sein. Enthält 1 kg Brennstoff C Gewichtsprozente Kohlenstoff und enthält 1 cbm Rauchgas k Volumprozente Kohlensäure, so liefert 1 kg Brennstoff = C : 0,536 k cbm trockenes Rauchgas (bei 0° und 760 mm Barometerstand), folglich läuft die Mengenbestimmung der Rauchgase auf eine chemische Analyse des Brennstoffes und der Rauchgase hinaus. Wegen der chemischen Analyse s. Brennstoffe. Zur Bestimmung des Kohlensäuregehaltes in Rauchgasen sind zwei prinzipiell verschiedene, technisch brauchbare Verfahren bekannt und zwar A. die chemische und B. die physikalische Methode; erstere ist die maßgebendere, letztere die einfachere, bequemere.

A. Die chemische (Absorptions-)Methode wird mit verschiedenen Spezialapparaten ausgeführt. Der bekannteste davon ist der Orsatapparat (s. Bd. 6, S. 778). Damit pflegt man in Zwischenzeiten von 10–15 Minuten aus den abströmenden Rauchgasen je eine Probe zu entnehmen. Der Durchschnittsgehalt für alle Proben aus der Untersuchungszeit gilt als maßgebender Wert. Um einen beständigen Beobachter für diese einfache Arbeit zu ersparen, verwendet man selbsttätige Aspiratoren, die mit gleichmäßiger Geschwindigkeit ununterbrochen Proben anfangen und am Schluß der Versuchszeit eine Durchschnittsprobe enthalten, von welcher nur eine einzige Bestimmung mit dem Orsatapparat ausgeführt zu werden braucht. – Die beste Konstruktion eines solchen Aspirators ist in Fig. 1 dargestellt. Er besteht aus der Glocke G, welche feststeht und an die Leitung L angeschlossen ist, die von der Rauchgasquelle Q direkt nach dem Schornstein führt. Ein mit Oel gefüllter Doppelzylinder C hängt an einem Uhrwerk U und füllt in der höchsten Stellung die Glocke G ebenfalls mit Oel an, so daß alle Gase aus G verdrängt sind. In dem Maße, in welchem das Uhrwerk den Doppelzylinder C niedersinken läßt, tritt aus L Probegas in die Glocke ein, so daß bei abgelaufenem Uhrwerk die Gasglocke mit Probegas gefüllt ist, das die erforderliche Durchschnittszusammensetzung aus der Untersuchungsperiode, z.B. einer Arbeitsschicht, bildet.

Es gibt aber auch Apparate, die in regelmäßigen Zeitabschnitten, z.B. fünfminutlich, Gasproben selbsttätig nehmen und diese ohne äußeres Zutun analysieren und registrieren, so daß nicht nur der Durchschnitt, sondern auch die Art der Veränderlichkeit des CO₂-Gehaltes während des ganzen Verlaufs des Versuchs dokumentiert wird. Ein solcher Apparat ist der »Oekonograph« von der Allgemeinen Feuerungstechnischen Gesellschaft m. b. H. in Berlin W., Wilhelmsstr. 49. Dieser Apparat ist in Fig. 2 schematisch, in Fig. 3 bildlich dargestellt. Verbindet man mittels einer einfachen, genügend weiten Gasrohrleitung den Stutzen 1 des Doppelhahnes 3–4–5 am Apparat mit einer beliebigen Rauchgasentnahmestelle in den Kesselzügen und den Stutzen 2 durch eine ebensolche Rohrleitung mit dem Fuchs oder dem Kamin, so erhält man infolge des natürlichen Druckgefälles zwischen diesen beiden Stellen in der Rohrleitung gewissermaßen einen Nebenstrom zu den Kesselzügen, der die Rauchgase in analoger Zusammensetzung wie in den Zügen selbst ununterbrochen auf dem Wege 1–5–4–2 durch den Apparat führt. Aus diesem kontinuierlichen Rauchgasstrom wird durch die ⊤-förmige Abzweigung 14 über den Verschluß 27 in regelmäßigen Zwischenräumen eine Probe in das Pumpengefäß 25–19 gesaugt zufolge Fallens eines Flüssigkeitsspiegels in demselben. Steigt der Flüssigkeitsspiegel nach Erreichung eines tiefsten Punktes dann wieder an, so wird zunächst ein Teil dieser Gasprobe durch das umgekehrt U-förmig gebogene Rohr 13 verdrängt. Dieses Rohr 13 ist an seinem unteren Ende durch einen Flüssigkeitsverschluß 26 in der Art von der Atmosphäre abgesperrt, daß daselbst wohl Gas nach Ueberwindung der geringen Flüssigkeitshöhe austreten, aber keine Luft eingesaugt werden kann. Sobald der Hals 25 des Gefäßes 19 von[359] der darin ansteigenden Flüssigkeit bedeckt wird, muß der weitere Gasinhalt aus 19 vermitteln des Rohrweges 18 in das Absorptionsgefäß 34 durch die Absorptionsflüssigkeit gedrückt werden. Die unabsorbierten Gasreste sammeln sich in dem freien Raum über der Absorptionsflüssigkeit und pressen zufolge der Verbindung 23 unter die Tauchglocke 21, die sich in dem Gefäß 22 – durch eine Sperrflüssigkeit abgedichtet – bewegt. Je nach der Größe des redlichen Volums wird sich die Tauchglocke mehr oder weniger heben und vermittelst der Rolle 8 und des Fadens 11 die Feder 10 in Bewegung setzen, wodurch diese eine Linie auf dem rotierenden Diagrammstreifen 12 zieht. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Länge dieser Linie abhängt von der Menge des absorbierten Gasbestandteils. So erfolgt in einfachster Weise und auch für jeden Arbeiter verständlich die Aufzeichnung des Analysenresultates durch die im Diagramm erkennbare Länge eines vom Registrierwerk gezogenen Striches. Der als Band ohne Ende ausgebildete Diagrammstreifen wird durch ein Uhrwerk bewegt. Nachdem der Flüssigkeitsspiegel in 19 seinen höchsten Stand erreicht hat, sinkt er wieder und saugt durch 27–14 eine neue Gasprobe an, während 18 durch die Absorptionsflüssigkeit selbst verschlossen bleibt. Der nach der Analyse unter dem Schwimmer und im Absorptionsgefäß verbleibende Gasrest entweicht durch die Rohrleitung 20, das Gefäß 24 und das Rohr 7 in die Atmosphäre, sobald der Flüssigkeitsspiegel in dem Gefäß 24 sich genügend gesenkt hat, um diesen Weg freizugeben. Die Sperrflüssigkeit in dem Gefäß 24 steigt und fällt analog derjenigen in 19–25, so daß vor Beginn der Analyse die Verbindung der Tauchglocke mit der Atmosphäre unterbrochen und nach ihrer Beendigung wiederhergestellt wird. – Das Steigen und Fallen des Flüssigkeitsspiegels in den Gefäßen 19–25 und 24 wird hervorgerufen durch einen ständigen Wasserzufluß aus der Düse 6 in das Rohr 17 nach dem Gefäß 28 und vermittelst der in Zwischenräumen eintretenden Tätigkeit des Hebers 29–15–16–15. Das Gefäß 28 steht in seinem oberen Teil durch das Rohr 30 in Verbindung mit dem Flüssigkeitsbehälter 31, in den die Rohre 32 und 33 bis zum Boden hineinragen. Diese letzteren führen zu den Gefäßen 25–19 und 24. Steigt nun durch den kontinuierlichen Flüssigkeitszufluß der Flüssigkeitsspiegel in 28, so wird diese Bewegung durch den Luftdruck und das Rohr 30 übertragen auf den Flüssigkeitsspiegel in 31, der infolgedessen fällt, wobei die Flüssigkeit durch die Rohre 32 und 33 nach den Gefäßen 25–19 und 24 verdrängt wird. Hat der Flüssigkeitsspiegel in 28 und somit der Ueberdruck daselbst eine gewisse Höhe erreicht, so hat sich der Heber 29–15–16–15 ebenfalls nach und nach angefüllt, bis er beim Ueberfließen zu arbeiten beginnt. Da der Heber infolge größeren Querschnittes mehr Flüssigkeit fortschafft, als durch die Düse 6 zufließt, so wird der Wasserspiegel in 28 wieder fallen, wodurch die Flüssigkeit nach 31 zurückströmt und in den kommunizierenden Gefäßen der Flüssigkeitsspiegel demgemäß sinkt. – Das die beiden Hähne verbindende Rohr 3 dient als Umlaufleitung beim Ausblasen der Rohrleitung nach entsprechender Umschaltung der Hähne 4 und 5.

Einen andern auf demselben Prinzip beruhenden Apparat baut die Adosgesellschaft m. b. H. in Aachen, welchem sie die Bezeichnung Heizeffektmesser »Ados« gegeben hat; er ist in Fig. 4 abgebildet und bedarf einer nochmaligen Beschreibung nicht. Ferner fertigt ganz aus Metall einen selbstregistrierenden Gasprüfer Julius Pintsch in Berlin O., u.a.

Die Nachteile der chemisch arbeitenden selbsttätigen Apparate bestehen in der Notwendigkeit der Verwendung[360] von Lauge, die Unsauberkeit im Gefolge hat, ihr Volum und den Nullpunkt ändert. Ferner ist die Wirkung nicht kontinuierlich, und ein Analysenresultat erscheint erst eine Zeitlang nach der Probenahme, so daß der Zustand des Feuers in einem gegebenen Augenblicke nicht mit der Anzeige des Apparates verglichen werden kann.

B. Die physikalische Methode der Kohlensäurebestimmung stützt sich auf die Veränderlichkeit des spezifischen Gewichts der Rauchgase durch wechselnden Kohlensäuregehalt. Zu dieser Bestimmung des spezifischen Gewichts können verwendet werden das Dasymeter (s. Bd. 2, S. 666), die Gaswage (s. Bd. 4, S. 307). Diese Apparate haben bei Rauchgas aber den Uebelstand, daß die Schwimmerkugeln mit kondensiertem Rauch beschlagen schwerer werden und den Nullpunkt verändern. Auch sind die schwingenden Massen verhältnismäßig groß; wegen der notwendig hohen Empfindlichkeit müssen die Schwingungen lästig langsam vor sich gehen, alle blanken Teile, Schneiden u.s.w. werden in den Rauchgasen schadhaft.

Besonders für Rauchgase ausgearbeitet ist die hydrostatische Gaswage von Krell (Verfertiger G.A. Schultze, Berlin-Charlottenburg, Charlottenburger Ufer 53/54). Dieses Instrument wird zwar Gasanalysator genannt, in Wirklichkeit analysiert es aber nicht, sondern es wirkt lediglich durch das wechselnde spezifische Gewicht des Rauchgases. Der in Fig. 5 schematisch dargestellte Apparat besteht aus zwei Hauptteilen: dem Rohrsystem und dem Manometer. Ersteres besteht aus zwei in einem Blechmantel liegenden Standrohren a und b von etwa 30 mm lichtem Durchmesser und 1,75 m Höhe. Diese vereinigen sich am oberen Ende bei x, woselbst ein halbzölliges Gasrohr g ansetzt, das zunächst nach unten und dann zum Saugeapparat, einem kleinen Luftejektor führt. Das Rohr g trägt ein kleines Reguliermanometer j und den Absperrhahn h; ersteres dient zur Einregulierung des Saugeapparates, letzterer zum Absperren der Saugeleitung. Die Standrohren a und b sind an ihrem unteren Ende mit den Hähnen e, k, w und f, l, v versehen. Die Hähne e, w und f, v sind nach hinten gerichtet, während die Dreiweghähne l und k seitwärts in a und b einmünden und zwecks gleichzeitigen Umstellens durch eine Hahnstange gekuppelt sind. Wird der mit dem Rohr g verbundene Saugeapparat in Tätigkeit gesetzt, so treten durch die Gaszuleitung d und den Hahn f die Rauchgase in das Standrohr a ein, während durch Hahn e in das Standrohr b Luft einzieht. Beide Gasarten gehen nach oben und ziehen bei x durch g ab. Auf diese Weise entstehen zwei Gassäulen von gleichem Durchmesser und gleicher Höhe, deren Gewichtsunterschied, welcher von der Höhe des Kohlensäuregehaltes abhängt, durch das empfindliche Manometer angezeigt und festgestellt wird. Zu diesem Zweck sind die beiden Standrohren a und b bei l und k durch dickwandige Schlauchleitungen m und n mit dem Manometer verbunden. Dieses besteht aus einer gußeisernen Platte mit der angegossenen Dose q, in deren Wandung, festgelagert und in einen bestimmten Neigungswinkel gebracht, das starkwandige Glasmeßrohr r liegt. Durch zwei Wasserwagen s und t ist genaues Einstellen leicht ausführbar. In die Dose q wird bei i nach Herausnahme des Konusverschlusses die Meßflüssigkeit, intensiv gefärbter Alkohol, eingegossen, und zwar bis etwa zur Mitte des Meßrohres. Alsdann rückt man den Nullpunkt der schmalen Schieberskala auf denjenigen Teilstrich der oberen festen Teilung, bei welchem an der unteren die Flüssigkeit steht. Werden nun durch Rechtsstellen der Hahnstange die beiden Gassäulen mit den beiden Schenkeln des Manometers (Dose und Glasrohr) in Verbindung gebracht, so bildet das Ansteigen der Flüssigkeit im Meßröhre unmittelbar einen Maßstab für die Beurteilung der Menge an Kohlensäure, die an der Schieberskala abgelesen werden kann. Der Wasserverschluß z dient zur dauernden Ableitung von Kondenswasser, das sich aus den Gasen abscheidet. Die Verbindungsleitungen m und n haben in u und u₁ eingeschaltet kleine Gefäße, welche reinen Alkohol enthalten; durch sein Verdunsten wird dasjenige der Sperrflüssigkeit verhindert.

Dasselbe Instrument mit Registriervorrichtung versehen ist in perspektivischer Ansicht als Fig. 6 zur Anschauung gebracht. Die Skala bei 1 wird durch eine Lichtquelle 2 hell beleuchtet und in der Camera obscura 3 auf ein lichtempfindliches Papier projiziert, das um die Trommel 4 (mit Zeitring) herumgelegt ist, die durch ein Uhrwerk in 24 Stunden einmal herumgedreht wird. Auf diese Weise entstehen Diagramme, wie z.B. in Fig. 7 ein solches von früh 6 Uhr bis mittags[361] 11 Uhr 45 Min. (in einem Viertel natürlicher Größe) angegeben ist. Die Ordinaten innerhalb der weißen Zone Hellen den Kohlensäuregehalt in Prozenten dar. – Endlich wird dieser Apparat auch noch mit Fernablesung eingerichtet, indem mittels eines Projektionsapparats ein genügend vergrößertes Bild der Skala auf eine Wand geworfen wird.

2. Die spezifische Wärme der Rauchgase wird nicht experimentell bestimmt, denn die betreffenden Zahlenwerte liegen für alle Verhältnisse in bestehenden Tabellen fertig vor. Besonders geeignet hierzu sind die »Formeln und Tabellen der Wärmetechnik« von Paul Fuchs, Berlin 1907.1

Bei präzisem Verfahren wird für jeden einzelnen Bestandteil der Rauchgase die spezifische Wärme aufgeschlagen und aus den Einzelwerten das Mittel berechnet, wobei auch die Verschiedenheiten der Temperaturen berücksichtigt werden. Kommt es nicht auf volle Genauigkeit an, sondern – wie gewöhnlich – nur auf praktisch ausreichende Annäherung, so setzt man für die spezifische Wärme aller Rauchgase einen konstanten Durchschnittswert ein. Für die Rauchgase von Dampfkesseln ist das ohne weiteres zulässig, weil deren Temperaturen nicht in weiten Grenzen schwanken. In den »Normen für Leistungsversuche der Dampfkessel und Dampfmaschinen«, Hamburg 1900, ist als Durchschnittswert für die spezifische Wärme trockener Gase c_p = 0,32 gesetzt.

3. Mit der Temperaturbestimmung befassen wir uns hier nicht speziell, sondern verweisen auf die betreffenden Artikel. Hier sei dazu nur bemerkt, daß das brauchbare Pyrometer (s.d.) bei Temperaturen, die, wie bei Dampfkesselrauchgasen, nicht über 500° hinauszugehen pflegen, dasjenige ist, welches aus Quecksilber und Hartglas besteht, gefüllt mit einem komprimierten Gase, das nicht oxydierend wirkt, z.B. N, H, CO₂ u. dergl. – Pyrometer mit verkapselter Kugel sind, weil zu träge anzeigend, nicht zu empfehlen. – Beim Einsetzen des Instruments ist sehr darauf zu achten, daß die Kugel sich mitten im Gasströme befindet und daß neben oder vor der Meßstelle keine Luft von außen her einströmt.

Ist nun T die gemessene Temperatur und t die der frischen Verbrennungsluft, so ist unter Berücksichtigung der unter 1, 2 und 3 gefundenen Werte der Wärmeverlust auf 1 kg wasser- und wasserstofffreien Brennstoff bezogen V = 0,32 (C : 0,536k) (T – t) in Wärmeeinheiten.

Enthält ein Brennstoff H Gew.-Proz. Wasserstoff und W Gew.-Proz. Wasser, so ist das Gewicht des aus 1 kg Brennstoff entstandenen Wasserdampfs (9H + W) : 100. Die spezifische Wärme des Dampfes pro Gewichtseinheit ist in den »Normen« gleich 0,48 gesetzt, so daß der hierauf entfallende Teil des Wärmeverlustes = 0,0048 (9H + W)(T – t) W.E. ist; also ist der Gesamtverlust durch Abgase aus 1 kg Brennstoff V = (0,32 C : 0,536k) + 0,0048 (9H + W) (T – t) in Wärmeeinheiten. Wird der Ausdruck mit 100 : W E (d.i. der Heizwert der verbrannten Kohlen) multipliziert, so erhält man V in Prozenten des Heizwerts.

Für Steinkohlen und überhaupt für Brennstoffe mit wenig Wassergehalt hat Dürr eine bequemere Formel angegeben, nämlich V% = 0,65(T – t) : k, die vollauf zuverlässige Resultate für die Praxis ergibt, ohne daß eine Kohlenanalyse erforderlich ist. Mit Hilfe der letzten Formel können die Verluste in sehr übersichtlicher Weise graphisch dargestellt werden. Für einen bestimmten Kohlensäuregehalt (also k% = konstant) stellt der Ausdruck die Gleichung einer geraden Linie dar, die durch den Nullpunkt geht, die also leicht zu zeichnen ist. Zeichnet man sie für eine größere Anzahl von k-Werten, so erhält man, wie in Fig. 8, ein Schema, aus dem man direkt für die verschiedensten Werte von T und k die Beträge von V abgreifen kann. Zum Beispiel ist bei T – t = 400° und k = 10% der Verlust V = 26%. – Ist ferner z.B. bei einer Steinkohle C = 80; H = 5; O = 7; S = 1; W = 3, so berechnet sich W E = 7700 und der Verlust nach der genaueren Formel:

V% = 100/7700 (0,32 · 80 : 0,536 · 10 + 0,0048 [9 · 5 + 3]) 400 = 26,13%.

Die Annäherung des einfachen Verfahrens ist also praktisch vollauf ausreichend.

Bemerkenswert ist auch der aus der Figur sich ergebende Umstand, daß von k = 14% an aufwärts die Verluste nur noch wenig abnehmen (bei 300° von 14 auf 11%). Da aber bei so hohem Kohlensäuregehalt von über 14% schon die Gefahr einer unvollkommenen Gasverbrennung eintritt, die weit größere Nachteile im Gefolge haben würde als der kleine Luftüberschuß, so soll man höhere Luftausnutzung als bis 14% nicht anstreben.

4. Die Menge der in den Rauchgasen noch enthaltenen brennbaren Gase zu bestimmen, gibt es noch kein direktes, präzises Verfahren, das sich für den praktischen Betrieb eignete [1]. Man hilft sich daher durch indirekte Mittel, und zwar durch Bestimmung von O und CO₂ mit Hilfe des Orsatapparates. Es hat nämlich Dosch rechnerisch und Cario praktisch nachgewiesen [2]–[4], daß, wenn die Summe von O + CO₂ durchschnittlich kleiner ist als 19 (die genaueren Zahlen sind in der Quelle angegeben), der fehlende Betrag als unverbranntes Gas angesehen werden muß und daß 1% desselben als ein Verlust von durchschnittlich 5% des Brennstoffheizwertes erachtet werden kann.[362]

In vielen Fällen handelt es sich darum, auf einfache Weise den Luftüberschuß der Rauchgase annähernd zu erkennen, um über letztere eine allgemeine Kontrolle auszuüben. Der Luftüberschuß drückt sich aus durch 21 : (21–79 o/n), vgl. Brennstoffe. Es muß also hierzu nicht k sondern o (der Sauerstoffgehalt) bekannt sein. Dieser ist aber mit einem dem Orsat ähnlichen Apparate bequem zu erhalten, ohne vorerst CO₂ aus der Probe ermitteln zu müssen, was auch schon Fuchs vorgeschlagen hat. Einen entsprechenden Apparat dazu liefert A. Primavesi in Magdeburg nach Gebhardt (Fig. 9). In diesem Apparat wird der Sauerstoff direkt durch Phosphor absorbiert.

Diese Bestimmung neben der Temperaturmessung genügt nun für laufende Betriebskontrollen vollauf, um ein praktisch brauchbares Urteil zu gewinnen. Da unter normalen Verhältnissen unvollkommene Gasverbrennung nicht vorkommt und der Ausstrahlungsverlust ein für allemal (durch Verdampfungsversuch) bestimmt oder zu 10% angenommen werden kann, da ferner k = 19 – o ist, so kann V aus Fig. 8 abgegriffen werden, z.B. zu 16%, und da noch der Verlust von Unverbranntem in der Schlacke zu 2% angenommen werden kann, so folgt für den Nutzeffekt der Anlage η = 100 – 16 – 10 – 2 = 72%, ohne Bestimmung des Brennstoffheizwertes.

Literatur: [1] Fuchs, P., Generatorkraftgas- und Dampfkesselbetrieb, Berlin 1905. – [2] Zeitschr. für Dampfkessel- und Maschinenbetrieb 1907, S. 393. – [3] Ebend., S. 469. – [4] Ebend. 1908, S. 1.

Cario.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7.

Fig. 8.

Fig. 9.