DE1673222C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Reaktionsgleichgewichtszuständen in Verbrennungsräumen unter hohen Temperaturen, vorzugsweise in Ofenanlagen - Google Patents

Description

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3ie Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Voritung zur Erfassung von Meßdaten über Reaktionsichgewichtszustände in Verbrennungsräumen unter ien Temperaturen, vorzugsweise in Ofenanlagen. Ah den bisher bekanntgewordenen Mitteln und Einitungen war es nicht möglich, Meßdaten von Reakisgleichgewichtszuständen innerhalb des Ofenrau

mes 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 ursprünglichen, 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 Analysenmeßtechnik oft 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 Reaktionsgleichgewichte in den einzelnen Verbrennungsraumabschnjtten sind Voraussetzung für eine systematische Verbesserung der Feuerführung. Da die eingesetzte Brennstoffmenge bei Großkesselanlagen und Industrieöfen erheblich sein kann, ergibt jede Verbesserung des Wirkungsgrades des Verbrennungspro zesses einen überraschenden ökonomischen Nutzen. Bisher ist es üblich, an Stelle einer Messung komplexer Reaktions-Gleichgewichtszustände, wie z. B. der Luftverhältnis^ahl im Ofenabgas, spezielle Gasanalysenmessungen an Abgasproben vorzunehmen.

So wird beispielsweise eine Analyse auf CO2, CO oder O2 im Abgas vorgenommen.

Die Analyse des CO2 im Abgas allein liefert doppeldeutige Angaben, weil sowohl Mangel als auch Überschuß an O2 gleiche CO2 Konzentrationen ergeben können.

Die Analyse des O2 sagt nichts über die gleichzeitige Anwesenheit von Unverbranntem, z. B. CO im Abgas aus. Auch die Analyse von CO ist von geringem Wert für eine optimale Ofenführung, weil bei ungleichmäßiger Feuerung nicht nur geringe Mengen CO entstehen können, sondern gleichzeitig O2 im Überschuß vorhanden sein kann. Zur Durchführung solcher Gasanalysen sind neben einer Reihe anderer Geräte und Verfahren Meßfühler für gaspotentiometrische Zwecke bekanntgeworden, die ein elektrisches Signal in Form einer Gleichspannung liefern, deren Sparnung ein Maß für die Konzentrationsdifferenz des freien Sauerstoffes an zwei Elektroden eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolytelements ist.

Für eine optimale Ofenführung ist von entscheidender Bedeutung, Verfahren und Vorrichtungen anzuwenden, mit denen man chemische Eigenschaften der Ofengase unter Betriebstemperaturen messen kann.

Es sind weiterhin in der Analysenmeßtechnik Verfahren bekanntgeworden, nach denen chemische Zustandsgrößen gemessen werden, indem direkt oder indirekt elektrochemische Reaktionen hervorgerufen werden, der Zustand des Reaktionsproduktes gemessen und als Regelgröße einem selbsttätigen Regler zugeführt wird, wobei die Stellgröße die Erzeugung des Reagenses oder die direkte elektrochemische Reaktion steuert. '

Der vorliegenden. Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, chemische Reaktionen und Zustandsänderungen der in Flammen- bzw. Verbrennungsräumen von Ofenanlagen primär vorhandenen Gaszusammensetzungen sowie Abweichungen vom stöchiometrischen Gleichgewicht meßtechnisch zu erfassen, ohne aus diesen Reaktionsbereichen Gasproben zu entnehmen. Ferner umfaßt die technische Aufgabenstellung der Erfindung die Ausbildung eines Meßfühlersystems, das bei

großer Ansprechempfindlichkeit, auch bei Konzentrationen im Spurenbereich, mittels der gewonnenen Meßimpulse eine selbständige Regelung der optimalen Prozeßführung ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe wiri in einem Verfahren zur Messung von Reaktionsgleichgewichtszuständen in Verbrennungsräumen unter hohen Temperaturen, vorzugsweise direkt in Ofenanlagen, wobei die Sauerstoffkonzentration eines im Ofen vorhandenen Meßgases mit der iiauerstoffkonzentration eines in den Ofenraum eingeleiteten Vergleichsgases mittels eines unmittelbar im Ofenraum angeordneten Meßfühlers verglichen wird, gesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Beseitigung temperaturbedingter Meßfehler bei Sauerstoffkonzentrationsunterschieden zwischen Meß- und Vergleichsgas wahlweise dem Meßgas oder dem Vergleichsgas so viel Hilfsgas zum Ausgleich dieser Konzentrationsdifferenzen zudosiert wird, daß der Konzentrationsunterschied oder die absolute Sauerstoffkonzentration des Meßgases gegenüber dem zugeleiteten Vergleichsgas gegen Null konvergiert und die hierzu jeweils benötigte Hilfsgasmenge direkt oder indirekt gemessen wird.

Es wird also je nach Programm entweder das Meßgas oder das Vergleichsgas durch Zudosierung von Hilfsgas in der Zusammensetzung verändert Mittels eines Vergleiches können dann die Konzentration von freiem Sauerstoff im Ofenraum oder die davon ableitbaren Meßgrößen bestimmt werden.

Es ist möglich, die Meßgasprobe in der Menge konstant zu halten und durch eine vom Meßfühler geregelte Menge elektrisch erzeugten Wasserstoffes eine Reaktion des freien Sauerstoffes im Meßgas zu erzwingen, wobei die erforderliche Strommenge ein Maß für die Konzentration des freien Sauerstoffes ist.

1st die Vergleichsgaszusammensetzung so gewählt, daß deren O2-Konzentration sehr klein ist, z. B. zwischen 0,01 und 0,0001 Volumprozent O2 liegt, dann ergibt sich bei ausgeführter »Titration« eine sehr kleine Konzentrationsdifferenz zwischen Meß- und Vergleichsgas, die dem Wert Null zustrebt. Die EMK des Festelektrolytelementes wird dabei ebenfalls gegen Null gehen. Damit entfällt z. B. jeder Temperaturfehler für die Messung.

Es kann üatürlich auch Luft mit einer Konzentration von 21 Volumprozent O2 als Vergleichsgas verwendet werden.

Der Meßfühler kann nicht nur in einem Ofenraum, sondern auch in einem Flammraum über einer Stahlschmelze angeordnet sein. Dabei überwacht der Meßfühler den sogenannten Frischvorgang, wobei die Stahlschmelze in einer Birne durch Unterwind oder mit Hilfe sogenannter Rohrlanzen im Sauerstoff-Einblasverfahren von störenden Beimengungen befreit wird.

Der Flammraum kann sich auch innerhalb einer Gasturbine oder eines Strahltriebwerkes befinden. In diesem Fall wird die im Meßgas fehlende O2-Konzentration durch elektrolytische O2-Erzeugung und Zudosierung zum definierten Meßgasstrom aufgefüllt, und die O2-Differenz bildet ein Maß für die Ofengaszusammensetzung.

Es ist auch möglich, die Vergleichsluft genau zu dosieren und deren 02-K.onzentration der freien O2-Konzentration des Meßgases anzugleichen. Ist das Vergleichsgas z. B. frei von Sauerstoff, dann wird die entsprechende O2-Menge dem Vergleichsgas durch elektrolytische O2- Erzeugung zudosiert. 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 O2 die Konzentrationsgleichhelt hergestellt

Es gibt in der Praxis viele Fälle, in denen eine vorgegebene Zusammensetzung der Ofenatmosphäre mit einer genau konstanten Konzentration freien Sauerstoffes eingehalten werden soli. In diesen Fällen wird die Konzentration des Vergleirhsgases entsprechend der geforderten Meßgaszusammensetzung gewählt und das elektrische Signal des Meßfühlers steuert einen Regler bzw. ein Stellorgan in der Art, daß eine konstante gleiche Konzentration von Meß- und Vergleichsgas unter allen Betriebsbedingungen aufrecht erhalten bleibt

Das Verfahren ermöglicht dabei, verschiedene Meß- und Regelbedingungen nach vorgegebenem Programm einzuhalten. Dabei lösen aile Meßimpulse, die von Null oder einem vorgegebenen Wert abweichen, einen Befehl für die Regeleinrichtung der kontrollierten Anlage aus. Der Befehl führt zur Korrektur der Fahrweise der Ofenanlage.

Die Lösung der Aufgabe wird weiterhin in einer Vorrichtung zur Messung von Reaktionsgleichgewichtszuständen in Verbrennungsräumen unter hohen Temperaturen, vorzugsweise in Ofenanlagen, bestehend aus einem Meßfühler in Form eines Festelektrolytelementes, welches mit Zu- und Ableitungen für Meß- und Vergleichsgas versehen ist, sowie einem Meßverstärker und einer Auswerteinrichtung, gesehen, die gekennzeichnet ist durch einen Hilfsgaserzeuger, eine Dosiervorrichtung. Zu- und Ableitungen für das Hilfsgas und einen selbsttätigen Regelkreis, bestehend aus Hilfsgaserzeuger und Meßfühler.

Die einzelnen Bauteile der Vorrichtung sind in Form eines Regelkreises miteinander verknüpft und liefern entweder das Meßsignal über den Ist-Zustand des Reaktionsgleichgewichtes oder das Steuersignal zur Einhaltung einer vorgegebenen Konzentration im Reaktionsraum. Der Meßfühler kann in Abhängigkeit von der Meßaufgabe unterschiedlich ausgebildet sein. Er kann beispielsweise aus einem Festelektrolytelement, das Rohrform oder Plattenform aufweist, bestehen. Das Festelektrolytelement steht mit einer Elektrode mit dem Meßgas in Verbindung, während die andere Elektrode mit dem Vergleichsgas in Verbindung steht. Durch ein feines Filter ist das Festelektrolytelement gegen Verunreinigungen durch das Meßgas geschützt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

An Hand von Ausführungsbeispielen soll der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 Meßfühler mit schematischer Darstellung de: vollständigen Regelkreises innerhalb der Meßanlage,

F i g. 2 Meßfühler mit schematischer Darstellung de< Regelkreises unter Einbeziehung der Ofenanlage, F i g. 3 Meßfühler mit plattenförmigen! Detektor, F i g. 4 Meßfühler mit Meßgasdosierpumpe. F i g. I zeigt eine mögliche Ausführungsform de Meßanlage. Sie besteht aus einem Meßfühler 11 mi einem Festelektrolytelement 12 als Detektor, einer Schutzfilter 13, einem Zuleitungsrohr 14 für Hilfs- un Vergleichsgas und einem Anschlußverteiler 15. Übe elektrische Leitungen ist das Festelektrolytelement 1 mit dem Steuereingang eines Meßstromverstärkers 1 verbunden. Im Stromkreis des Verstärker-Ausgange liegt ein Hilfsgaserzeuger 17 und über entsprechend Widerstände im Nebenschluß ein Strommesser als Ar

zeige- und Auswertegerät 18. Die Sauerstoffseite des Hilfsgaserzeugers 17 ist über eine entsprechende Rohrleitung mit dem Anschlußverteiier 15 derartig verbunden, daß die im Elektrolyseur entwickelte Sauerstoffmenge als Hilfsgas zwischen dem rohrförmigen Detektor und dem Zuleitungsrohr 14 bis zur Vereinigungsstelle für Hilfs- und Vergleichsgas strömt. Dort bildet sich nach einer Reaktion der Sauerstoffüberschuß an der Meßstelle des Detektors heraus, der einer gegebenen Sauerstoff-Überschußkonzentration im Meßgas entspricht. Nähert sich die Spannung im Festelektrolytelement dem Wert Null, dann entsprechen die Sauerstoff- Partiaidrücke auf der Meßgas- und auf der Vergleichsgasseite einander. 1st die Sauerstoffkonzentration auf der Vergleichsgasseite geringer als auf der Meßgasseite, dann entsteht eine der Konzentrationsdifferenz entsprechende EM K, die außerdem von der absoluten Konzentration des Sauerstoffes abhängig ist. Der Meßstromverstärker 16 ist nun so geschaltet, daß jede Konzentrationsdifferenz, bei der die Sauerstoffkonzentration auf der Vergleichsseite geringer ist als auf der Meßgasseite, zu einer Erhöhung der Sauerstoff-Hilfsgasentwicklung und jeder Überschuß von Sauerstoff auf der Vergleichsgasseite zu einer Senkung der Sauerstoff-Hilfsgasentwicklung führt.

Je nach Höhe der absoluten Sauerstoffüberschuß-Konzentration im Meßgas stellt sich eine der absoluten Sauerstoffüberschuß-Konzentration proportionale kleine Differenz der Sauerstoff-Partiaidrücke als bleibende Abweichung am Detektor des Meßfühlers 11 ein. Diese proportionale Weine Differenz wird bei der Eichung der Anlage entsprechend berücksichtigt

Die F i g. 2 zeigt nun eine Anlage, die nur aus dem Meßfühler 11 mit dem Festelektrolytelement 12 als Detektor, dem Schutzfilter 13, einem Zuleitungsrohr 20 nur für Vergleichsgas, einer Vergleichs-Speiseeinrichtung 21, dem Meßstromverstärker 16 und einer Servo-Steuereinrichtung 22 besteht.

Die Vergleichsgas-Speise-Einrichtung liefert in kleinen Mengen ein in der Zusammensetzung genau definiertes Gas, welches auf der inneren Seite des Detektors im Meßfühler anliegt. Sobald die Meßgaskonzentration unzulässige Abweichungen des freien Sauerstoffes aufweist, steuert der Meßfühler 11 über den Meßstromverstärker 16 die Servo-Steucreinrichtung 22, die z. B. die Regulierklappe der Frischluftzuführung steuert. Eine Abweichung der freien Sauerstoffkonzentration auf zu große Konzentrationen steuert die Regulierklappe so, daß der Sauerstoffüberschuß im Brennraum sinkt.

Ist die Konzentration des freien Sauerstoffes niedriger als die im Vergleichsgas, dann kehrt die Signalspannung ihre Vorzeichen um, und die Steuereinrichtung ist in an sich bekannter Form so geschaltet, daß auch die Stellrichtung der Regulierklappe umgekehrt wird. Damit die Stelloperationen in den für den Ofenbetrieb notwendigen Intervallen erfolgen, ist eine entsprechende Begrenzung der einzelnen Stellintervalle vorgesehen, die z. B. von dem Grad der Konzentrationsabweichung und damit von der Signalspannung in bekannter Form beeinflußt wird.

Die F i g. 3 zeigt Einzelheiten eines Meßfühlers. Ein Detektor 30 ist plattenförmig ausgebildet, und die Elektroden sind in Form eines Metallnetzes aufgedampft oder elektrogalvanisch aufgetragen. Über ein Zuleitungsrohr 31 mit Fuß wird der Detektor gasdicht an einen Dichtring 32 und an Filterplatten 33 angepreßt Der Anpreßdruck wird durch eine Feder 34 in engen Grenzen konstant gehalten. Ein hochwarmfester Metallmantel 35 verleiht dem Meßfühler nach Fig.3 Schutz.

F i g. 4 zeigt die Anordnung einer Dosiereinrichtung 41 innerhalb eines Meßfühlers 42 in schematischer Darstellung.

Diese Form der Anordnung bietet die Gewähr, daß die Meßgaszusammensetzung auf dem Weg des Meß-

gases durch den Meßfühler nicht durch Kondensation verfälscht wird, wenn die Kondensationsgrenze an Linie 43 nicht in Richtung Dosiereinrichtung 41 überschritten wird.
Die Dosiervorrichtung kann natürlich auch anders ausgebildet sein. Es ist lediglich erforderlich, daß innerhalb des Meßgasweges der Taupunkt nicht unterschritten wird

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung von Reaktionsgleichgewichtszuständen in Verbrennungsräumen unter hohen Temperaturen, vorzugsweise direkt in Ofenanlagen, wobei die Sauerstoffkonzentration eines im Ofen vorhandenen Meßgases mit der Sauerstoffkonzentration eines in den Ofenraum eingeleiteten Vergleichsgases mittels eines unmittelbar im Ofenraum angeordneten Meßfühlers verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung temperaturbedingter Meßfehler bei Sauerstoffkonzentrationsunterschieden zwischen Meß- und Vergleichsgas wahlweise dem Meßgas oder dem Vergleichsgas so viel Hilfsgas zum Ausgleich dieser Konzentrationsdifferenzen zudosiert wird, daß der Konzentrationsunterschied oder die absolute Sauerstoffkonzentration des Meßgases gegenüber dem zugeleiteten Vergleichsgas gegen Null konvergiert und die hierzu jeweils benötigte Hilfsgasmenge direkt oder indirekt gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsgas vorzugsweise Luft, Wasserdampf oder gemischte Gase verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Konzentrationsdifferenz zwischen dem Vergleichsgas und dem Meßgas ein Signal zur Veränderung des Betriebszustandes der Ofenanlage derart auslöst, daß die Meßgaszusammensetzung auf die vom Vergleichsgas vorgegebene Konzentration geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Jas Hilfsgas durch einen elektrisch gesteuerten Gaserzeuger gewonnen und die benötigte Hilfsgasmenge indirekt über den benötigten Erzeugungsstrom gemessen wird.

5. Vorrichtung zur Messung von Reaktionsgleichgewichtszuständen in Verbrennungsräumen unter hohen Temperaturen, vorzugsweise direkt in Ofenanlagen, bestehend aus einem Meßfühler in Form eines Festelektrolytelementes, welches mit Zu- und Ableitungen für Meß- und Vergleichsgas versehen ist, sowie einem Meßverstärker und einer Auswerteinrichtung, gekennzeichnet durch einen Hilfsgaserzeuger (17), eine Dosiervorrichtung (19), Zu- und Ableitungen für das Hilfsgas und einen selbsttätigen Regelkreis, bestehend aus Hilfsgaserzeuger und Meßfühler.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsgaserzeuger (17) und die Dosiervorrichtung (19) für Vergleiichsgas eine Funktion^ ·; lheit bilden und der Hilfsgaserzeuger für die Sauerstoffentwicklung eine gemeinsame Gaszelle, für die Wasserstoffentwicklung jedoch getrennte Gaszellen aufweist.