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Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung unverbrannter Bestandteile
in staubförmigen Schüttgütern Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
kontinuierlichen Bestimmung unverbrannter Bestandteile in staubförmigen Schüttgütern.
- Bei der Bestimmung von unverbrannten Bestandteilen in staubförmigen Schüttgütern,
wie z. B. Flugstaub in den Abgasen von Verbrennungsanlagen, geht man regelmäßig
so vor, daß im Labor eine trockene Probe des Staubes gewogen wird und 0 anschließend
in einem Glühofen einer Temperatur von etwa 850 C ausgesetzt wird, während Frischluft
über die Probe geleitet wird.
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Dabei oxydieren die unverbrannten Bestandteile und der in der Probe
enthaltene Kohlenstoff oxydiert zu flüchtigem CO2. Nachdem die Probe aus dem Glühofen
entnommen worden ist, wird sie
wiederum gewogen. Die Gewichtsdifferenz
zu der vorangegangenen Wägung ist dann ein Maß für den in der nicht behandelten
Probe enthaltenen Kohlenstoff. Eine derartige Bestimmung unverbrannter Bestandteile
in staubförmigen Schüttgütern ist zwar verhältnismäßig genau, jedoch aufwendig und
zeitraubend, denn frühestens drei Stunden nach der Probeentnahme liegt das erste
Ergebnis vor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Bestimmung unverbrannter Bestandteile in staubförmigen Schüttgütern anzugeben, mit
der sich der Gehalt an unverbrannten Bestandteilen unmittelbar und ohne Zeitverzug
ermitteln läßt.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung
unverbrannter Bestandteile in staubförmigen Schüttgütern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist gekennzeichnet durch eine Mischkammer mit Frischluftzulauf und Staubinjektor
zur Herstellung eines Staub-Luft-Gemisches, einen dem Staubinjektor vorgeschalteten
Staubdosierer, eine der Mischkammer nachgeschaltete Reaktionskammer zur Verbrennung
des Gemisches und im Bereich der Mischkammer angeordnete Maßstellen zur Messung
der Temperaturen von Frischluft, Staub und Gemisch sowie einer an der Reaktionskammer
angeordneten Meßstelle zur Messung der Temperatur des verbrannten Gemisches, wobei
die Temperatur des verbrannten Gemisches als Steuergröße für den Staubdosierer eingesetzt
ist - und die Temperaturdifferenz der Temperaturen von Frisch luft und Gemisch das
Maß für die Menge unverbrannter Bestandteile ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Oxydation der
unverbrannten Bestandteile im Staub mit einer erheblichen Wärmetönung verbunden
ist. Gibt man beispielsweise auf 1 kg Luft 1 kg Staub mit 5% C, so beträgt die Reaktionswärme
QR = 1 0,05 7800 = 390 kcal. Die mittlere spezifische Wärme im Temperaturbereich
von 200 - 9000C beträgt für Luft 0,26 koal/kg grd. und für Flugstaub üblicher Zusammensetzung
ebenfalls etwa 0,26 kcal/kg grd. Folglich beträgt der Wärmewert des verbrannten
Staub-Luft-Gemisches 0,52 kcal/grd.
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Damit beträgt die Temperaturerhöhung tt des Staub-Luft-Gemisches nach
der Oxydation des Kohlenstoffes At = 390/ 0,52 = 7500C. Bei einem C-Gehalt von 4%
sind es 6000C und 0 bei einem C-Gehalt von 6% 900 C. Folglich führt bereits die
Erhöhung der unverbrannten Bestandteile um 1% zu einer Temperaturerhöhung von 1500C.
Das ist eine Meßgröße, die zur genauen Bestimmung der unverbrannten Bestandteile
im Flugstaub ausgenutzt werden kann.
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Die unmittelbare Bestimmung der in staubförmigen Schüttgrößen enthaltenen
unverbrannten Bestandteile aufgrund einer einfachen Temperaturmessung stößt jedoch
auf Schwierigkeiten, weil bei unterschiedlichem C-Gehalt die Endtemperaturen stark
variieren und auch die spezifischen Wärmen des Staub-Luft-Gemisches eine Änderung
erfahren. In technologischer Hinsicht ist zu beachten, daß die Reaktionstemperaturen
bei der Oxydation der unverbrannten Bestandteile zwar über 8000C liegen soll, 11000C
jedoch nicht überschreiten darf, weil sich dann die physikalischen und chemischen
Eigenschaften des Staubes ändern, dh.
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der Staub eacht und setzt sich an den Wandungen des Meßgerätes fest.
Arbeitet man jedoch mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der Mischkammer,
Reaktionskammer und Staubdosierer
über die Temperaturkontrolle
gleichsam zu einem Regelkreis zusammengeschlossen sind, dann steuert das Meßgerät
zur Messung der Temperatur des verbrannten Gemisches in der Reaktionskammer den
Staubdosierer so, daß die Temperatur in der Reaktionskammer konstant bleibt. Die
Meßgröße zur Bestimmung der unverbrannten Bestandteile besteht dann in der Temperaturdifferenz
der Temperaturen von Frischluft und Gemisch.
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Im einzelnen bestehen verschiedene Möglichkeiten zur weiteren Ausgestaltung
der Erfindung. Nach bevorzugter Ausführungsform soll die Anordnung so getroffen
sein, daß die Temperaturdifferenz der Temperaturen des verbrannten und des unverbrannten
Gemisches als Steuergröße für den Staubdosierer eingesetzt ist. Damit wird eine
beachtliche Stabilisierung des eingangs beschriebenen Regelkreises erreicht, denn
die Steuerung des Staubdosierers erfolgt lediglich aufgrund der relativen Temperaturerhöhung.
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Die Zustandsgrößen von Frischluft und Staub brauchen dann bei der
Auslegung des Regelkreises nicht mehr berücksichtigt zu werden. Nichtsdestoweniger
empfiehlt es sich, die Frischluft in definierter Menge und mit definierter Temperatur
sowie den Staub mit definierter Temperatur in die Mischkammer einzuführen.
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Dazu schlägt die Erfindung vor, daß dem Frischluftzulauf ein Luftvorwärmer
und dem Staubdosierer ein Staubvorwärmer vorgeschaltet ist.
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Die Gestaltung der Reaktionskammer ist an sich beliebig, Eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer
aus einem senkrecht angeordneten Rohr mit zentrisch darin angebrachtem, bis in den
Bereich des unteren Endes der Reaktionskammer geführtem Gemischzuführungsrohr
besteht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann dann die Anordnung so getroffen werden,
daß im oberen Bereich der Reaktionskammer ein Abgasstutzen sowie die Meßteile zur
Messung der Temperatur des verbrannten Gemisches angeordnet sind. Mit diesen Maßnahmen
wird erreicht, daß das durch das-Gemischzuführungsrohr in die Reaktionskammer transportierte
Gemisch bereits während des Transportes auf eine Temperatur von etwa 5000C aufgeheizt
wird, so daß beim Austritt aus dem Gemischzuführungsrohr die Verbrennungsgaktion
eingesetzt hat. Mit der Anordnung der Meßstelle im oberen Bereich der Reaktionskammer
wird darüber hinaus sichergestellt, daß die Reaktionen abgeschlossen sind, wenn
das Gemisch an der Temperaturmeßstelle vorbeiströmt.
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Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind zusammengefaßt darin
zu sehen, daß eine Vorrichtung geschaffen wurde, die es erlaubt, den Gehalt an unverbrannten
Bestandteilen in staubförmigen Schüttgütern unmittelbar und ohne Zeitverzug zu bestimmen.
Da diese Bestimmung auf eine einfache Messung von Temperaturen zurückgeführt ist
und besondere meßtechnische Probleme bei der Messung von Temperaturen nicht auftreten,
hängt auch die Genauigkeit der Bestimmung lediglich von der Genauigkeit der eingesetzten
Meßgeräte ab. Selbstverständlich können die Meßwerte über schreibende oder direkt
anzeigende Geräte sichtbar gemacht werden oder auch einer weiteren automatischen
Verarbeitung zugeführt werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigen:
Fig.
1 in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 2 in graphischer
Darstellung die Beziehung zwischen der Menge der unverbrannten Bestandteile im Staub
und der Temperaturdifferenz der Temperaturen von Luft und Gemisch bei einer Frischlufttemperatur
von 3000C und einer Staubtemperatur von 1000C.
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Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dient der kontinuierlichen
Bestimmung unverbrannter Bestandteile in staubförmigen Schüttgütern. Sie besteht
in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einer Mischkammer 1 mit Frischluftzulauf 2 und
Staubinjektor 3 zur Herstellung eines Staub-Luft-Gemisches, einem dem Staubinjektor
3 vorgeschalteten Staubdosierer 4 und einer der Mischkammer 1 nachgeschalteten Reaktionskammer
5 zur Verbrennung des Gemisches. Dem Frischluftzulauf 2 ist ein Luftvorwärmer 6
dem Staubdosierer 4 ein Staubvorwärmer 7 vorgeschaltet. Mischkammer 1 und Reaktionskammer
5 sind durch ein Gemischzuführungsrohr 8 miteinander verbunden, welches zentrisch
in der Reaktionskammer 5 geführt ist und sich bis in den unteren Bereich der Reaktionskammer
5 erstreckt. Im unteren Bereich ist die im übrigen als Rohr mit konisch sich nach
oben erweiterndem Durchmesser ausgebildete Reaktionskammer 5 als Sammler 9 ausgebildet,
an den ein Ablauf 10 angeschlossen ist. Durch den Ablauf 10 können grobkörnige Bestandteile
des Gemisches, die im Sammler 9 angefallen sind, aus der Reaktionskammer 5 entfernt
werden. Die Reaktionskammer 5 besitzt einen Abgasstutzen 11, an den ein Nachkühler
12 mit nachgeschalteter Filteranlage 13 angeschlossen ist.
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Im Bereich der Mischkammer 1 sind Meßstellen 14, 15off 16 angeordnet,
und zwar eine Meßstelle 14 am Frischluftzulauf 2 zur Messung der Temperatur der
zugeführten Frischluft, eine Meßstelle 15 am Staubinjektor 3 zur Messung der Temperatur
des zugeführten-Staubes und eine Meßstelle 16 am Gemischzuführungsrohr 8 hinter
der Mischkammer 1 zur Messung der Temperatur des aus der Mischkammer 1 austretenden
Gemisches.
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Weiterhin ist im oberen Bereich der Reaktionskammer 5 eine Meßstelle
17 zur Messung der Temperatur des verbrannten Gemisches angeordnet. In der Fig.
1 ist angedeutet, daß die Temperaturdifferenz der Temperaturen des verbrannten und
des unverbrannten Gemisches als Steuergröße für den Staubdosierer 4 eingesetzt ist.
Als Stellglied für den Staubdosierer 4 ist ein Antrieb 18 vorgesehen. Im übrigen
ist angedeutet, daß de Meßstellen 14, 15 für die Messung der Staubtemperatur bzw.
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der Frischlufttemperatur zugleich Stellglieder für Staubvorwärmer
7 bzw. Luftvorwärmer 6 sind, so daß eine konstante Temperatur von Frischluft und
Staub eingehalten werden kann.
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Die Temperaturdifferenz der Temperaturen von Frischluft und Gemisch
geben ein Maß für die Menge der unverbrannten Bestandteile in dem der Mischkammer
1 zugeführten Staub ab.
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Die oben erläuterte Vorrichtung arbeitet wie folgt: Eine pro Zeiteinheit
konstante Luftmenge wird über den Frischluftzulauf der Mischkammer zugeführt und
dabei durch den Luftvorwärmer 6 auf eine Temperatur von t, L = 3000C aufgeheizt.
Durch-den Staubinjektor 3 wird der auf eine Temperatur von t = 1000C aufgeheizte
Staub angesaugt. Die Staubzuteilung erfolgt über den Staubdosierer 4, der in Abhängigkeit
von
der TemperaturdifferenzatE der Temperaturen von verbranntem und unverbranntem Gemisch
die zugeführte Staubmenge regelt.
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Bei einer vorgegebenem Temperaturdifferenz d tE = 3: tE ~ tM = 7000C
und einem Kohlenstoffgehalt von 5% in der zugeführten Staubmenge werden dabei 0,87
kg Staub pro Zeiteinheit in die Mischkammer 1 gegeben. Im eingeregelten Zustand
beträgt folglich die Temperatur in der Reaktionskammer 5 nach Ab-0 schluß der Reaktion
tE = 916 C.
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Nach der Mischung in der Mischkammer 1 strömt das Staub-Luft-Gemisch
über das Gemischzuführungsrohr 8, das zweckmäßigerweise aus zunderbeständigem Edelstahl
besteht, in die Reaktionskammer 5 und wird dabei auf etwa 5000C erwärmt. Da bereits
bei Tem-0 peraturen über 400 c die Reaktion C + 02 = CO2 + 94.000 kcal beginnt,
hat beim Austritt aus dem Gemischzuführungsrohr 8 die Reaktion bereits begonnen
und die Verbrennung eingesetzt.
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Die vollständige Verbrennung erfolgt dann in der sich konisch nach
oben erweiternden Reaktionskammer 5. Die Hauptmenge des Staubes strömt mit dem Gemisch
durch die Reaktionskammer 5 zum Abgasstutzen 11. Die größeren Partikel schweben
so lange innerhalb der Reaktionskammer 5, bis sich durch Verbrennung ihr Gewicht
verringert hat, dann werden sie von der Strömung mitgenommen. Das verbrannte Gemisch
wird dann an der Meßstelle 17 vorbei über den Abgasstutzen 11 in den Nachkühler
12 und von dort in die Filteranlage 13 geführt, wo der Staub von den Gasen abgeschieden
wird. Im Prinzip besteht auch die Möglichkeit, durch eine Messung des C02-Gehaltes
des verbrannten Gemisches eine Kontrolle des ursprünglichen Kohlenstoffgehaltes
des Staubes durchzuführen.
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Vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung muß die Reaktionskammer 5 auf
eine Temperatur von ca. 9000C gebracht werden. Dazuist im Bereich des Gemischzuführungsrohres
8 ein zusätzliches Heizelement 19 vorgesehen, das bei Inbetriebnahme der Vorrichtung
eingeschaltet wird und die ohne Aufgabe von Staub über die Mischkammer 1 herantransportierte
Frischluft soweit erforderlich aufheizt. Nach Erreichen der Betriebstemperatur wird
über den Staubinjektor 3 Staub in die Mischkammer 1 gegeben und die Reaktion läuft
selbständig weiter.
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Die eigentliche Bestimmung der unverbrannten Bestandteile in den staubförmigen
Schüttgütern erfolgt aufgrund der gemessenen Frischluft- bzw. Gemischtemperaturen.
In der Fig 2 ist der Kohlenstoffgehalt im Steinkohlenflugstab in Abhängigkeit von
der Temperaturdifferenz t tL = tL - tM aufgetragen. Im Bereich um 5% C ist bei einer
Genauigkeit von 20C des Anzeigegerätes die Bestimmung der Menge der unverbrannten
Bestandteile mit einem Fehler von 0,2% zu erwarten. Bei 3% Kohlenstoffgehalt beträgt
sie sogar 0,1%. Dagegen nehmen die Fehler bei höheren Kohlenstoffgehalten merklich
zu. Das ist aber für die praktische Ausnutzung unbedeutend, denn Staub mit mehr
als 5% Kohlenstoffgehalt wird in der Regel kaum verwendet