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DE2400246A1 - Sonde zum messen des sauerstoffgehaltes in rauchgasen sowie zur regelung von feuerungen - Google Patents

Sonde zum messen des sauerstoffgehaltes in rauchgasen sowie zur regelung von feuerungen

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DE2400246A1
DE2400246A1 DE19742400246 DE2400246A DE2400246A1 DE 2400246 A1 DE2400246 A1 DE 2400246A1 DE 19742400246 DE19742400246 DE 19742400246 DE 2400246 A DE2400246 A DE 2400246A DE 2400246 A1 DE2400246 A1 DE 2400246A1
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DE
Germany
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oxygen
probe
oxygen content
flue gas
measuring
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DE19742400246
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English (en)
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DE2400246B2 (de
DE2400246C3 (de
Inventor
Theodor Dipl Ing Burkhard
Guenther Dipl Phys Dr Heimke
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Friatec AG
Original Assignee
Friedrichsfeld GmbH Steinzeug und Kunststoffwerke
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Publication date
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Priority to IT3084474A priority patent/IT1027899B/it
Priority to CH1719774A priority patent/CH578177A5/xx
Priority to GB12875A priority patent/GB1475441A/en
Priority to FR7500140A priority patent/FR2257086B1/fr
Publication of DE2400246A1 publication Critical patent/DE2400246A1/de
Publication of DE2400246B2 publication Critical patent/DE2400246B2/de
Application granted granted Critical
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Expired legal-status Critical Current

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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
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    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • F23N5/003Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
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Description

FRIEDRICHSFELD GMBH Steinzeug- und Kunststoff werke 68 Mannheim - Friedrichsfeld
P a t e η t a η m e 1 d u η g
"Sonde zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen sowie zur Regelung von Feuerungen"
Die Erfindung betrifft Sonden zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen sowie zum Regeln von Feuerungen, bei denen die sauerstoffsensiblen Teile aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten bestehen und von einer sie umgebenden Heizung, die mit elektrischem Strom bespeist wird, auf der Arbeitstemperatur gehalten werden.
Die überwachung des Sauerstoffgehaltes von Rauchgasen erfolgt heute, wenn überhaupt, mit Geräten, in denen die Sauerstoffmessung entweder auf den magnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs beruht oder bei denen der Sauerstoff durch chemische Reaktionen zu Polarisationseffekten oder Leitfähxgkeitsanderungen in flüssigen Elektrolyten führt. Die magnetischen Sauerstoff meßgeräte sind recht aufwendig. Ihre Verwendung kommt daher nur für Großfeuerungsanlagen, wie z.3. in Großkraftwerken, infrage. Die auf chemischen Reaktionen in wässrigen Elektrolyten beruhenden Meßgeräte
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sind sehr verunreinigungsempfindlich und erfordern daher einen hohen Reinigungsaufwand für das auf seinen Sauerstoffgehalt zu analysierende Rauchgas. Den Geräten, die nach beiden genannten Meßprinzipien arbeiten, ist gemeinsam, daß das auf seinen Sauerstoffgehalt zu untersuchende Rauchgas dem eigentlichen Rauchgaskanal entnommen und dem jeweils gesondert stehenden Meßsystem zugeführt werden muß. Die Ansprechgeschwindigkeit auf eine Änderung des Sauerstoffgehaltes des untersuchten Rauchgases ist daher durch die Länge der Strömungsdauer des Rauchgases aus dem Rauchgaskanal in das jeweilige Gerät nach unten begrenzt. Für schnelle Steuerungen und zur Vermeidung von kurzzeitigen Abweichungen des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas sind derartige Geräte daher nur sehr begrenzt verwendbar. Die Messung von Sauerstoffgehalten in Rauchgasen mit Hilfe sauerstoffionenleitender Festelektrolyte ist an sich bekannt und auch, z.B. für die Messung von Sauerstoffgehalten in Autoabgasen, bereits vorgeschlagen worden. Die für diesen Zweck vorgeschlagenen Sonden können jedoch nicht unmittelbar auf die Messung von Sauerstoffgehalten in Rauchgasen übertragen werden, da aus Sicherheitsgründen in Rauchgaskanälen von Feuerungen auch die Möglichkeit berücksichtigt werden muß, daß sich am Ort der Meßsonde zündfähige Gemische ansammeln können. Dies würde bei der für die Messung mit derartigen Sonden notwendigen Sondentemperatur von etwa 55O°C - 1OOO°C die Gefahr einer Explosion im Rauchgaskanal nicht ausschließen.
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Die Verwendung des genannten Meßprinzips zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen mit Hilfe sauerstoffionenleitender Festelektrolyte bietet jedoch einige entscheidende Vorteile:
Der Sauerstoffgehalt des Rauchgases kann unmittelbar im Rauchgaskanal gemessen werden, wodurch alle Verzögerungen, die durch Ableitungen von Teilen des Rauchgases entstehen, vermieden werden. Eine gemäß dieser Messung gesteuerte Feuerungsanlage kann also mit erheblich höherer Präzision innerhalb des gewünschten Bereiches des Sauerstoffgehaltes eingestellt und konstant über lange Zeit gehalten werden. Da außerdem die Messung mit sauerstoffxonenlextenden Festelektrolyten hochgratig selektiv für Sauerstoff ist, bleibt die Messung über lange Zeit unabhängig von Verunreinigungen im Rauchgas, wodurch die Notwendigkeit einer Reinigung des Rauchgases vor der Messung entfällt. Außerdem liefert ein entsprechender Fühler aus sauerstoffleitenden Festelektrolyten eine elektrische Spannung, die bei den zu erwartenden änderungen des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas so groß ist, daß sie direkt entsprechenden Regelorganen zugeführt werden kann, d. h. ohne weitere größere elektronische Verstärkung.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, eine Sonde mit Fühlern für den Sauerstoffgehalt des Rauchgases aus sauerstoffxonenlextenden Festkörperelektrolyten herzustellen, bei der die Gefahr einer Explosion eines evtl. im Rauchgaskanal anweaenden zündfähigen Gemisches mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann und die darüberhinaus auch andere, sicherheitstechnische Gesichtspunkte berücksichtigt.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Sonde dadurch erfüllt, daß der eigentliche Fühler für den Sauerstoffgehalt in den Rauchgasen aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, der von einer elektrischen Heizung umgeben ist, mit einem Drahtnetz abgedeckt wird. Die Explosionsschutzwirkung derartiger Drahtnetze ist an sich von den alten, mit offenen Flammen arbeitenden Grubenlampen her bekannt.
Die Arbeitsweise mit einer erfindungsgemäßen Sonde zum Messen des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas" wird zunächst anhand der Figur 1 erläutert. In Figur 2 wird sodann der Aufbau der Sonde im einzelnen erklärt.
In Figur 1 bedeuten
1 die Feuerung, z.B. einen Ölbrenner,
2 den eigentlichen Feuerungsraum und
3 den Rauchgaskanal.
Es ist vorteilhaft, die Sonde 4 im Rauchgaskanal anzubringen und nicht im Feuerungsraum unmittelbar in Flammennähe, damit das Rauchgas beim Vorbeistreichen an der Sonde bereits hinreichend durchmischt ist. Die Sonde 4 liefert eine dem Sauerstoffgehalt des Rauchgases eindeutig zuordenbare elektrische Spannung, die bei dem in Rauchgasen in Frage kommenden und interessierenden Gehalt an Sauerstoffkonzentrationen um etwa 30 Millivolt unterschiedlich sein kann. Diese Spannung wird durch die Leitungen 5 einem Regelglied 6 zugeführt, durch welches das Brennstoffluftgemisch, das durch die Leitungen 7 zugeführt wird, in dem Dosiergerät 3 so eingestellt wird, daß stets die günstigsten Verbrennungszustände eingehalten werden.
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In der. Leitung 5 ist auch eine Luftzuführleitung enthalten, die über die Seitenleitung 9 aus der Luftzuleitung oder aus dem Dosiergerät Luft entnimmt und der Sonde 4 zuführt, wie im einzelnen im folgenden Abschnitt erläutert v/erden wird.
Die eigentliche, erfindungsgemäße Sonde sitzt auf dem Abstandshalterchr 10, das dazu dient, die Sonde in den Bereich des Rauchgaskanals zu bringen, in dem eine gute Durchmischung des Rauchgases bereits stattgefunden hat. Dieses Teil 10 besteht sowohl als auch der Flansch 11 aus hitzebeständigem Material. Mit 12 wird ein hitzebeständiger Kitt bezeichnet, der die einzelnen Bauteile der Sonde in ihrer Position hält. Mit 13 sind die eigentlichen sauerstoffsensiblen Fühler bezeichnet, die aus einseitig geschlossenen Rohren bestehen. In der Ausführung der Sonde, die in Figur 2 gezeigt ist, sind 2 derartige sauerstoffsensible Fühler nebeneinander angeordnet. Sie bilden zusammen einen Doppelfühler. Diese sauerstoffsensiblen Teile bestehen aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, z.B. aus stabilisiertem Zirkondioxid. In diesem Material erfolgt die elektrische Stromleitung praktisch vollständig durch Sauerstoffionen. Dieses keramische Material wird daher als Festelektrolyt bezeichnet. Im Innern der Rohre 13 befinden sich dünne Rohre 14 aus feuerfestem Material, z.3. aus Aluininiumo::id-Keramik. In diesen Rohren 14 werden die Platindrähte geführt, die den Kontakt zur Innenelektrode oder der sogenannten Referenzelektrode 16 herstellen. Durch das Innere der Rohre 14 erfolgt gleichzeitig die Zufuhr von Luft, angedeutet durch die Pfeile 14a, die im Räume der Referenzelektroden 16 den Bezugssauerstoffpartialdruck konstant aufrecht erhalten, nämlich den Sauer-
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stoffpartialdruck der Luft, etwa 0,21 Atmosphären. Die Rohre 13 tragen auf ihrer Kuppe, d. h. gegenüber den Referenzelektroden 15, die eigentlichen Meßelektroden 17, die über die Platindrähte 18, die zusammen mit den Verlängerungen der Platindrähte 15 über die Meßleitung 5 aus Figur 1 mit dem Steuergerät 6 verbunden sind. Mit 19 wird ein Thermoelementschutzrohr bezeichnet, das die Thermoelementdrähte enthält. Auch diese Thermoelementdrähte werden über die Leitung 5 in Pig. 1 dem Steuerungsgerät 6 zugeführt. Mit 21 wird ein Heizmantel bezeichnet, der eine elektrische Heizung enthält. Diese elektrische Heizung wird über das Thermoelement 20 so eingeregelt, daß die sauerstoffsensiblen Teile bzw. Fühler sich stets auf ihrer Arbeitstemperatur, z. B. 7000C, befinden. Mit 22 sind die Zuleitungsdrähte für die elektrische Heizung bezeichnet. Der elektrische Heizmantel kann in seinem unteren Teil Löcher enthalten, wie sie in Fig. 2 angedeutet und mit 23 bezeichnet sind. Von diesen Löchern können mehrere über den Umfang verteilt sein. Sie dienen der besseren Zirkulation des Rauchgases im Bereich der sauerstoffsensiblen Teile bzw. Fühler. Mit 24 wird das Drahtnetz bezeichnet:, das den Heizmantel und die übrigen Teile der Sonde, die auf der Meßtemperatur gehalten werden, umgibt. Dies sind insbesondere die sauerstoffsensiblen Teile bzw. Fühler 13 und auch das Thermoelement 19. Dieses Drahtnetz 24 kann aus einem Metallgeflecht z. B. aus hitze-Zoeständigem Stahl bestehen. Es dient dazu, Sxplosionen im Rauchgaskanal zu vermeiden, falls sich dort z. B. bei Versagen eines Teiles der Brennersteuerung bzw. der Brennerzündung, ein explosionsfähiges Gemisch ansammeln sollte.
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Versuche haben gezeigt, daß es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sonde möglich ist, Sauerstoffgehalte in Rauchgasen praktisch verzögerungsfrei kontinuierlich über lange Zeiten zu messen mit Genauigkeiten von besser als 0,03 %. Mit Hilfe der von der Sonde gelieferten Spannung ließ sich eine Regelung des Luft-Brennstoff gemisches einstellen, die zu einer Konstanz des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas von besser als 0,1 % führte* trotz stark schwankender Luftfeuchte und stark veränderter Brennstoffzufuhr. Es gelang auf diese Weise den Sauerstoffgehalt des Rauchgases über einen großen Bereich der Energieabgabe des Brenners konstant zu halten. Die erfindungsgemäße Sonde gestattet es daher optimale Verbrennungszustände in Feuerungen genauer als bisher einzustellen und kontinuierlich aufrecht zu erhalten über längere Zeiten. Dies ist einaml für die Einsparung von Brennstoffen von außerordentlicher Bedeutung, ergibt jedoch auch für eine Vermeidung der Umweltverschmutzung durch ungenügend gesteuerte Verbrennungsprozesse beträchtliche Vorteile. Die erfindungsgemäße Sonde gestattet, den günstigsten Kompromiß zwischen der Schwefelsäure-und der Stickstoffoxidimmision erheblich genauer einzuhalten.
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Claims (4)

FRIEDRICHSFELD GMBH Steinzeug- und Kunststoffwerke 68 Mannheim - Friedrichsfeld Ansprüche
1) ;i Sonde zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen
sowie zum Regeln von Feuermengen, bei denen die sauerstoffsensiblen Teile aus einem sauerstoffionenleitendem Festelektrolyten bestehen und von einer elektrischen Heizung umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Teile und die Heizung von einem Drahtnetz umgeben sind.
2) Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die säuerstoffsensiblen Teile als Doppelfühler (14) ausgebildet sind.
3) Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Fühler (14), das Termoelementrohr (19) und der Ofen (21) von dem Drahtnetz (?A) umgeben sind.
4) Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Referenzelektroden (16) benötigte Luft über die Seitenleitung (9) des das Brennstoffluftgemisch lieferndem Dosiergerätes (8) entnommen wird.
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Leerseife
DE19742400246 1974-01-04 1974-01-04 Anordnung zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Rauchgaskanälen Expired DE2400246C3 (de)

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DE19742400246 DE2400246C3 (de) 1974-01-04 Anordnung zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Rauchgaskanälen
IT3084474A IT1027899B (it) 1974-01-04 1974-12-20 Disposizione per misurare il con tenuto di ossigeno in canali dei gas di combustione
CH1719774A CH578177A5 (de) 1974-01-04 1974-12-23
GB12875A GB1475441A (en) 1974-01-04 1975-01-02 Device for sensing the oxygen content of a gaseous stream
FR7500140A FR2257086B1 (de) 1974-01-04 1975-01-03

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Publication Number Publication Date
DE2400246A1 true DE2400246A1 (de) 1975-07-17
DE2400246B2 DE2400246B2 (de) 1976-12-02
DE2400246C3 DE2400246C3 (de) 1977-07-28

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2611671A1 (de) * 1976-03-19 1977-09-29 Hoechst Ag Verfahren zur gemeinsamen verbrennung chlorkohlenwasserstoffhaltiger abgase und fluessiger rueckstaende an chlorkohlenwasserstoffen
DE2821367A1 (de) * 1978-05-16 1979-11-22 Pyrolyse & Prozessanlagentech Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen verbrennen eines brennstoffes
DE102020135065A1 (de) 2020-12-29 2022-06-30 Chemin Gmbh Sondenträger, Sondenanordnung, rauchgasführendes System, Verwendung und Verfahren

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CH578177A5 (de) 1976-07-30
FR2257086A1 (de) 1975-08-01
FR2257086B1 (de) 1981-05-22
GB1475441A (en) 1977-06-01
DE2400246B2 (de) 1976-12-02
IT1027899B (it) 1978-12-20

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Legal Events

Date Code Title Description
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
E77 Valid patent as to the heymanns-index 1977
8320 Willingness to grant licences declared (paragraph 23)
AG Has addition no.

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