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Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Reaktionszuständen in Verbrennungsräumen,
vorzugsweise von Ofenanlagen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung
von Meusdaten Uber den Zustand chemischer Reaktionen in Verbrennungsräumen von Ofenanlagen,
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. lvlit den bisher bekannt
gewordenen Mittel und Einrichtungen war es nicht möglich, Me#daten von Reaktionen
innerhalb des Ofenraumes unmittelbar zu gewinnen. aus dem Verbrennungsraum des Ofens
war es bisher nur möglich, Gasproben periodisch oder fortlaufend zu entnehmen. Die
entnommene Gasprobe ist aber mit der ursprunglichen, im Ofenraum vorhandenen Gaszusammensetzung
nicht identisch, weil beispielsweise eine unbekannte Konzentration Wasserdampf auskondensiert.
Außerdem treten weitere Konzentrationsveränderungen durch chemische Nachreaktionen
ein. Die Gasprobenentnahme ist in der Analysenmeßbechnik of-t die Quelle von Funktionsstörungen,
weil Verunreinigungen die Entnahmeeinrichtungen zusetzen. Die laufende Kontrolle
der Ofengaszusammensetzung ist in allen Anlagen mit Verbrennungsreaktionen von technischer
und ökonomischer Bedeutung. Meßdaten über die iteaktionsgleichgewichte in den einzelnen
Verbrennungsraumabschnitten sind Voraussetzung für eine systematische Verbesserung
der Feuerführung. Da die eingesetzte Brennstoffmenge bei Großkesselanlagen und Industrieöfen
erheblich gro# sein kann, ergibt jede Verbesserung des Wirkungsgrades des Verbrennungsprozesses
einen überraschenden ökonomischen Nutzen. Bisher ist es üblich, anstelle einer Messung
komplexer Reaktions-Gleichgewichtszustände wie z. B. der Luftverhältniszahl im Ofenabgas
spezielle Gasanalysenmessungen an Abgasproben vorzunehmen. So wird beispielsweise
eine Analyse auf CO2 ; CO oder-02 im Abgas vorgenommen, Die Analyse des CO-imAbgasalleineliefertdoppeldeutigeAngaben,
weil sowohl Mangel als auch Überschuß an °2 gleiche CO2 Konzentrationen ergeben
können,
Die Analyse des-02 sagt nichts über die gleichzeitige Anwesenheit
von Univerbrannten z.B. CO im Abgas aus. auch die. Analyse von CU ist von geringem
Wert für eine optimale Ofenfuhrung, weil bei ungleichmäßiger Feuerung nicht nur
gerin6e Mengen CO entstehen können, sondern gleichzeitig O2 im Überschu# vorhanden
sein kann.
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Zur Durchführung solcher Gasanalysen sind neben einer Reihe anderer
Geräte und Verfahren Meßfühler far gaspotentiometrische Zwecke bekanntgeworden,
die ein elektrisches Signal in iPorm einer Gleichspannung liefern, dereil Spannung
ein Haß für die Konzer.-trationsdifferenz des freien Sauerstoffes an 2 Elektroden
eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolytelementes ist.
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Für eine optimale Ofenfuhrung ist von entscheidender Bedeutung, Verfahren
und Vorrichtungen anzuwenden, mit denen man chemische Eigenschaften der Ofengase
unter Betriebstemperaturen messen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, chemische
Reaktionen und Zustandsänderungen der in Flammen-bzw. Verbrennungsräumen von Ofenanlagen
primeur vorhandenen Gaszusanmensetzungen sowie Abweichungen vom stochiorimetischen
Gleichgewicht meßtechnisch zu erfassen, ohne aus diesen Reaktionsbereichen Gasproben
zu entnehmen. Ferner umfaßt die technische Aufgabenstellung der Erfindung die Ausbildung
eines Me#fühlersystems, das bei großer Ansprechempfindlichkeit, auch bei Konzentrationen
im Spurenbereich, mittels der gewonnenen Meßimpulse eine selbstundige Regelung der
optimalen ProzeBführung ermöglicht.
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Das wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren erreicht, bei dem die
Sauerstoffkonzentration eines im Ofenraum vorhandenen meusgases mit der Sauerstoffkonzantration
eines in dem Ofenraum eingeleiteten Yergleichsgases mittels eines unmittelbar im
Ofenraum angeordneten Meßfühlers verglichen wird und bei Sauerstoffkonzentrationsunterschieden
beispielsweise über einen elektrisch gesteuerten Gaserzeuger dem Meßgas oder dem
Vergleichsgas soviel
Hilfsgaszudosiertwird,daß der Konzentrationsuntersehied
oder die abs@lute Sauerstoffkonzentration des Me#gases gegen Hüll divergiert, und
die benötigte Hilfsgasmenge das Maß für die jeweilige Hesgröge, beispielsweise der
Luftverhältniszahl oder der positiven o er negativen Sauerstoffkonzentration ist,
@emä# der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gek@@nzeich@et
durch einen Me#fühler, bestehend aus ei @@@, darcn Schutzfilter abgeschirmten Detektor,
beispiel@veise ein@@ Festelektrolytelement, Zuleitungen und @bl@itun@@n Für M@#-,
Vergleichs- und Hilfsgas und einer Misch- @@d @@@k@ionskammer, der mit einem Me#stromverstärker,
einer @@fsg@serreager, einer Desiervorrichtung und einer @e@date@a@zeige- bzw. Auswerteinrichtung
einen selbsttätigen @@ elk@@is b@ldet.
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Erfindangsgemä# ird der @@fühler @nmittelbar im Ofenraum angeordnet
und @e nach Programm entweder das Me@gas oder das Vergleichsgas durch Zudosierung
von Hilfsgas so in der Z@sammensetzung ve@@ndert, da# mittels eines @ergleiches
die Konzcntration von freiem Sauerstoff im Ofenrau@ ouc@ die davon ableitvaren Me#grö#en
be@@immt werden. c. s ist möglich, die Me#gasprobe in der Menge kontinuierlich k@nstant
ru haltes und durch eine von Meßfühler geregelte Menge elektrisch erzeugten Wasserstoffes
eine @eaktion des freien Sauerstoffes im Me#gas @u erzwingen, @bei die erf@rderliche
Strommenge ein Ma# für die Konzentration des freien Sauerstoffes ist, Ist die Vergleic@sgaszusammensetzung
so ge@ählt, da# deren O2-Konzentration sehr klein ist, z.B. zwischen 0,01 und 0,0001
Vol. @ 02 liegt, dann ergibt sich bei ausgeführter"Titration"eine sehr kleine Kon@cntrationsdifferenz
zwischen Me#- und Vergleichsgas, die den Xert Null zustrebt. Die des Festelektrolytelementes
wird dabei ebenralls gegen Null gehen. Damit entfällt z.B. Jeder Temperaturefhler
für die Messung, : : ach den Erfindungsgedanken kann natürlich auch Luft mit einer
Konzentration von 21 Vol. % 0 als Vergleichsgas verwendet werden.
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In diesem Fall wird die im MeBgas fehlende 02-Konzentration durch
elektrolytische 02-Erzeugung und Zudosierung zum definierten eßgasstrom aufgefüllt
und die O2-Differenz bildet ein Ma# fur 'die Ofengaszusammensetzung, Nach dem Erfindungsgedanken
ist es auch möglich, die Vergleichsluft genau zu dosieren und deren Op-Konzentration
der freien 02-Konzentration des MeBgases anzugleichen. Ist das Vergleichsgas z.
B. frei ton Sauerstoff, dann wird die entsprechende O2-Menge dem Vergleichsgas durch
elektolytische Op-Erzeugung zudosiert.
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Der Elektrolysestrom ist dabei proportional der verglichenen freien
02-Meßgaskonzentration. Wird Luft als Vergleichsgas verwendet, dann wird durch zudosierten
Wasserstoff und entsprechende teilweise Verbrennung des Op die Konzentrationsgleichheit
hergestellt.
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Es gibt in der Praxis viele Fälle, in denen eine vorgegebene Zusammensetzung
der Ofenatmosphare mit einer genau konstanten Konzentration freien Sauerstoffes
eingehalten werden soll In diesen Fällen t'ird nach dem Erfindungsgedanken die Konzentration
des Vergleichsgases entsprechend der geforderten MeBgaszusammensetaung gewählt und
das elektrische Signal des Meßfühlers steuert einen Regler, hzw. ein Stellorgan,
in der Art, da# eine konstante gleiche Konzentration von Me#- und Vorgleichsgas
unter allen Betriebsbedingungen aufrecht erhalten bleibt.
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Das Verfahren ermöglicht dabei verschieden Me@- und Regelbedingungen
nach vorgegebenem Programm einzuhalten.
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Dabei losen alle Meßimpulse, die von Null oder einem vorgegebenen
Wert abweichen, einen Befehl für die. Regeleinrichtung der kontrollierten Anlage
aus. Der Befehl fuhrt zur Korrektur der Fahrweise der Ofenanlage.
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Die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Vorrichtungen
bestehen aus einem MeBfühlery einem Me3signal-Verstärker einem Hilfsgaserzeuger
(Elektrolyseur), Dosiervorrichtungen für Me#-oder Vergleichsgas und einer der Auswertung
angepa#ten Anzeige-Registrier-und Regeleinrichtung, Die einzelnen Bauteile der Vorrichtung
sind in. Form eines Regelkreises miteinander verknüpft und liefern entweder das
Meßsignal über den Ist-Zustand der Reaktion
oder das Steuersignal
zur Einhaltung einer vorgegebenen Konzentration in Reaktionsraum. Der MeßfUhler
kann in Abhäagigkeit vonher Meßaufgabe unterschiedlich ausgebildet sein. Er kann
beispielsweise aus einen Festelektrolytelement, das Rohrform oder Plattenform aufweist,
bestehan. Das Festelektrolytelement steht mit einer Elektrode mit des Meßgas in
Verbindung, wihresd die andere Elektrode mit des Vergleichsgas in Verbindung stehts
Durch ein feines Filter ist das Festelektrolytelement gegen Verunreinigungen durch
das Meßgas geschützt.
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Anhand von Ausführungsbeispielen soll der Gegenstand der Erfindung
näher erläutert werden.
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Es zeigen : Figur 1 : Meßfühler mit schematischer Darstellung des
vollständigen Regelkreises innerhalb der Meßanlage Figur 2: Me#fühler mit schematischer
Darstellung des Regelkreises unter Einbeziehung der Ofenanlage Figur 3 : Me#fühler
mit plattenförmigen Detektor Figur 4 : Me#fühler mit Meßgasdosierpumpe Die Figur
1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Meßanlage.
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Sie besteht aus des Me#fühler 11 mit dem Festelektrolytelement 12
als Detektor, den Schutzfilter 13, dem Zuleitungsrohr 14 für Hilfs-und Vergleichsgas
und dem Anschlußverteiler 15. Über elektrische Leitungen ist das Festelektrolyt-Element
12 mit dem Steuereingang des Meßstromverstärkers 16 verbunden. la Stromkreis des
Verstärker-Ausganges liegt der Hilfagaserzeuger 1? und Uber entsprechende Widerstände
im Nebenschlu# der Strommesser als Anzeige-und Auswertegerät 18. Die Sauerstoffseite
des Hilfsgaserzeugers 17 ist über eine entsprechende Rohrleitung mit dem Anschlu#verteiler
15 derartig verbuaden, da# die im Elektrolyseur entwickelte Sauerstoffmenge als
Hilfsgas zwischen dem rohrförmigen Detektorvund dem Zuleitungsrohr 14 bis zur Vereinigungsstelle
für Hilfs- und Vergleichsgas strömt und sich dort nach einer Reaktion der Sauerstoffüberschu#
an der Me#stelle des Detektors herausbildet, der einer gegebeaen Sauerstoff-Uberschu#konzentration
in
Meßgas entspricht. Nähert sich die Spannung im Festelektrolyt-,
element dem Wert Null, dann entsprechen die Sauerstoff-Partialdrucke auf der Me#gas-
und auf der Vergleichsgasseite einander.
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Ist die Sauerstoffkonzentration aufder Vergleichsgasseite geringer
als auf der Meßgasseite, dann entsteht eine der Konzentrationsdifferenz entsprechende
JLMK, die außerdem von der absoluten Konzentration des Sauerstoffes abhängig ist.
uer Me#stromvers Wrker 16 ist nun so geschaltet, daß jede Konzentrationsdifferenz,
bei der die Sauerstoffkonzentration auf der Vergleichsseite geringer ist als auf
der Heßgasseite, zu einer ErhUhung der Sauerstoff-Hilfsgasentwicklung und jeder
Überschuß von Sauerstoff auf der Vergleichsgasweite zu einer Senkung der Sauerstoff-Hilfsgasentwicklung
führt.
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Je nach Hohe der absoluten Sauerstoffuberschuß-Konzentration im Meßgas
stellt sich eine der absoluten Sauerstoffüberschuß-Konzentratiqn proportionale-kleine
Differenz der Sauerstoff-Partialdrücke als bleibende Abweichung am Detektor des
Meßfühlers 11 ein, Diese proportionale kleine Differenz wird bei der Eichung der
Anlage entsprechend berücksichtigt.
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Die Figur 2 zeigt nun eine Anlage, die nur aus dem Meßfühler 11 mit
dem Festelektrolyt-Element 12 als Detektor, dem Schutzfilter 13, dem Zuleitungsrohr
2o nur für Vergleichsgas, der Vergleichs-Speiseeinrichtung 21, dem Meßstromverstarker
16 und einer Servo-Steuerainrichtung 22 besteht, Die Vergleich@gas-Speise-Einrichtung
liefert in kleinen Mengen ein in der Zusammensetzung genau definiertes Gas, welehes
aut der inneren Seite des Detektors im Me#fühler anliegt.
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Sobald die Meßgaskonzentration unzulässige Abweichungen des freien
Sauerstoffes aufweist, steuert der Me#fühler 11 über den HeBstromverstärkör 16 die
Servo-Steuereinrichtung 22, die z. B. die Regulierklappe der Frischluftzuführung
steuert. Eine Abweichung der freien Sauerstoff konzehtration auf zu gro#e Konzentrationen
steuert die Regulierklappe so, da# der Sauerstoffüberschu# im Brennraum sinkt.
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Ist die Konzentration des freien Sauerstoffes miedriger als die im
Vergleichsgas, dann kehrt die Signalspannung ihre Vorzeichen un und die Steuereinrichtung
ist in an sich bekannter Fern so geschaltet, daß auch die Stellrichtung der Regulierklappe
ungskohrt wird. Datait die Stelloperationen in dex für dem Ofenbetrieb notwendigen
Intervallen erfolgen, ist eine entsprechende Begrenzung der einzelnen Stellntervalle
vorgesein, die z. B. von don Grad der Konzentrationsabweichuag und damait von der
Signalspannung in bekannter Form beeinflu#t wird.
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Die Figur 3 zeigt Einzelheiten eines Me#fühlers. Der Detektor 3o ist
plattenformig ausgebildet uad die Elektroden sind in Form eines Metallnetzes aufgedämpft
oder elektrogalvanisch aufgetragen. Ubsr das Zuleitungsrohr 31 sit FuD wird der
Detektor gasdicht as den Dichtring 32 und an die Filterplatten 33 angepa#t.
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Der Anpreßdruck wird durch dis Feder 34 in sagen Grenzen konstaat
gehalten. Der hoch-warmfeste Metallmantel35verleihtdem Me#fühler nach Figur 3 Chuta,
Figur 4 zeigt die Anordnung der Dosiereinrichtung 41 innerhalb des Me#fühlers 42
in schematisoher Darstellung Diese From der Anordaung bietot die Gewahr, dan die
Me#gaszusammeasetzung au f dem Weg des Me#gases durch den Me#fühler nicht durch
Kondensation verfälscht wird, wenn die Kondensationsgrenze an Linie 43 nicht is
Richtuag Dosiereinrichtung 41 überschritten wird, Die Dosiervorrichtung ka natürlich
auch anders ausgebildet sein. Es ist lediglich erforderlich, da# innerhalb des Me#gasweges
der Taupunkt nicht unterschritten wird,