DD232763A1 - Verfahren zur ermittlung des ausbrandes in flammenbeheizten industrieoefen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ausbrandes in flammenbeheizten Industrieoefen zur optimalen Gestaltung von Brennern und Feuerungsraeumen zwecks rationellerem Einsatz von Energietraegern. Bei erweitertem Anwendungsbereich, erhoehter Messgenauigkeit, laengerer Standfestigkeit der Messeinrichtungen und verringertem Zeitaufwand soll ein rationellerer Brennstoffeinsatz erreicht werden. Hierzu soll unter Nutzung der Gaspotentiometrie unabhaengig von Reaktionsgleichgewichten einer Verbrennung der Ausbrand in der Flamme unabhaengig von der Temperatur bestimmt werden. Erfindungsgemaess wird ueber die gaspotentiometrische Titration des zur Feuerung eingesetzten Brennstoffes mit Luft oder Sauerstoff mit Hilfe einer flammenexternen Festelektrolytzelle ein brennstoffspezifisches Ueq-a-Kennlinienfeld im Temperaturbereich der zu untersuchenden Flamme aufgenommen und ueber eine durch gaspotentiometrische Vermessung des Ausbrandes erhaltene Gleichgewichtszellspannung bestimmter Zelltemperatur der Ausbrand aus dem Ueq-a-Kennlinienfeld mit der temperaturentsprechenden Ueq-a-Kennlinie bestimmt. Die gaspotentiometrische Vermessung kann flammenextern mit Probenahme der Flammengase aus der Feuerung bei festgelegter Zelltemperatur der Festelektrolytzelle oder flammenintern bei sich einstellender Zelltemperatur der Festelektrolytzelle in der Flamme vorgenommen werden.

Description

Versuchenden Flammenortes flammenextern mit Probenahme der Flammengase aus der Feuerung bei festgelegter le\ !temperatur der Festelektrolytzelle vorgenommen und mit der so erhaltenen Gleichgewichtszellspannung aus der bei gleicher Temperatur ausgeführten gaspotentiometrischen Titration des Brennstoffs resultierenden temperaturentsprechenden U_eq-a-(ennlinie aus dem Ueq-a-Kennlinienfeld der Ausbrand bestimmt wird.

Weiterhin ist die Ermittlung des Ausbrandes erfindungsgemäß auch so zu realisieren, daß die gaspotentiometrische /ermessung des ausbrandmäßig zu untersuchenden Flammenortes flammenintern bei sich einstellender Zelltemperatur der ^:estelektrolytzelle in der Flamme vorgenommen und über die so erhaltene Gleichgewichtszellspannung sowie mittels des J_eq-a-Kennlinienfeldes und aus der daraus zu bestimmenden, der Zelltemperatur entsprechenden U_eq-a-Kennlinie der Ausbrand am Flammenorte bestimmt wird.

^:ür die beiden vorgenannten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich ein prinzipieller Vorteil gegenüber dem Dekannten modernen gaspotentiometrischen Verfahren gemäß WP 142390 dadurch, daß der Ausbrand unabhängig von den am vießort herrschenden chemischen Redox-Gleichgewichten ermittelt werden kann, also in allen Zonen der Flammen, auch in solchen, in denen nach neueren Erkenntnissen nicht das Wassergasgleichgewicht für die Ausbildung des Redoxpotentials Destimmend ist. Damit läßt sich das Verfahren bei geeigneter Ausführungsweise auf alle flüssigen, festen und gasförmigen Brennstoffe anwenden.

Außerdem ergibt sich der Vorteil, auch bei extrem hohen und extrem niedrigen Temperaturen (>1 500°Cbzw. <600°C) den <\usbrand im Feuerungsraum ökonomisch ermitteln zu können.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann für die externe gaspotentiometrische Meßzelle die jeweils günstigste Betriebstemperatur gewählt werden. Auch entfallen Belastungen durch die Strömungsverhältnisse im Brennraum. Die für Flammeninterne Messungen bestehenden Vorteile, z. B. der Wegfall einer Probenahme, kann dann trotzdem genutzt werden, wenn die Bedingungen im Feuerraum dies zulassen. Dann läßt sich exakt mit dem elektrischen Signal der flammeninternen Messung aus dem für den jeweiligen Brennstoff ermittelten U_eq-a-Kennlinienfeld für verschiedene Temperaturen der Ausbrand ablesen, unabhängig davon, welcher Brennstoff verwendet wird und welche Redoxgleichgewichte am Meßort für den ^/erbrennungsverlauf in der Flamme bestimmend sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an je einem Ausführungsbeispiel für eine flammenexterne und eine flammeninterne Ermittlung des Ausbrandes näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Meßanordnung zur Aufnahme eines brennstoffspezifischen Gleichgewichtszellspannungs-Ausbrand-Kennlinienfeldes durch Titration des eingesetzten Brennstoffes mit Hilfe einer flammenextern angeordneten gaspoteniometrischen Meßzelle,

Fig. 2 eine Titrationskurve des Brennstoffes bei der Antriebstemperatur der Meßzelle gemäß Fig.1, Fig.3 eine Gleichgewichtszellspannungs-Ausbrand-Kennlinie, und Fig.4 ein brennstoffspezifisches Gleichgewichtszellspannungs-Ausbrand-Kennlinienfeld.

Bei einer flammenexternen Ausbrandbestimmung an Meßorten in einer Stadtgasflamme wird gemäß Fig. 1 ein konstanter Brenngasstrom durch eine gaspotentiometrische Meßzelle 1 geleitet. Sein Volumenstrom wird mittels eines Strömungsmessers 2 gemessen. Mittels einer Förderpumpe 3 wird dem Brenngasstrom ein ebenfalls gemessener Verbrennungsluftstrom 4 vor Eintritt in die Meßzelle schrittweise in steigendem Verhältnis der Mengenströme zugemischt. In der Meßzelle stellt sich dem Mischungsverhältnis entsprechend das Verbrennungsgleichgewicht zwischen Verbrennungsluft und Brenngas ein. Daraus resultiert eine Gleichgewichtszellspannung, die mit einem hochohmigen elektronischen Voltmeter 5 gemessen wird. Mit zunehmendem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis ergibt sich die in Fig. 2 dargestellte Titrationskurve des Brennstoffes bei der Betriebstemperatur der Meßzelle

Entsprechend der Ausbranddefinition in der Form

ν ^{+ 0}U L,st.

erfolgt eine Zuordnung der für jedes Mischungsverhältnis ermittelten Zellspannung zu einem Ausbrandgrad.

Hierin bedeuten

b_v = AnteildesBrennstoffes,deramMeßortverbranntist,

b_u = Anteil des Brennstoffes, der am Meßort in unverbrannter Form vorliegt,

V_L = Luftvolumenstrom

V_L/St = zur stöchiometrischen Verbrennung nötiger Luftvolumenstrom.

Es ergibt sich so die Gleichgewichtszellspannung-Ausbrand-Kennlinie, kurz L_eq-a-Kennlinie genannt, entsprechend Fig. 3.

Um nun an einem beliebigen Meßort in der Flamme den Ausbrand zu bestimmen, wird dort durch Absaugung eine Gasprobe entnommen und der Meßzelle direkt zugeführt. Hier stellt sich eine dem Redoxverhältnis in der Probe entsprechende Zellspannung ein, aus der mit Hilfe der Ueq-a-Kennlinie der örtliche Ausbrand ermittelt werden kann.

Zur Durchführung einer flammeninternen Ausbrandmessung wird der konstante gemessene Brenngasstrom bei verschiedenen Temperaturen in zweckmäßiger Abstufung mit Verbrennungsluft in der externen Meßzelle titriert. Es ergibt sich so ein U_eq-a:- Kennlinienfeld entsprechend Fig.4 mit steigenden Temperaturen Τ_Ί bis^, wobei zweckmäßigerweise T₄ 813°C beträgt.

Mittels einer gaspotentiometrischen Festelektrolyt-Flammensonde werden zur internen Ausbrandbestimmung die Gleichgewichtszellspannung und die am Meßort herrschende Temperatur gemessen. Aus der der Temperatur in der Flamme am nächsten liegenden U_eq-a-Kennliniedes Kennlinienfeldes der Fig.4. wird dann entsprechend dem Beispiel derflammenexternen Messung der Ausbrand am Meßort abgelesen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zur Ermittlung des Ausbrandes in flammbeheizten Industrieöfen unter Nutzung der Gaspotentiometrie, gekennzeichnet dadurch, daß über die gaspotentiometrische Titration des zur Feuerung eingesetzten Brennstoffes mit Luft oder Sauerstoff mit Hilfe einerflammenextemenFestelektrolytzelle ein brennstoffspezifisches Gleichgewichtszellspannungs-Ausbrand-Kennlinien-Feld, kurz U_eq-a:-Kennlinienfeld genannt, im Temperaturbereich der zu untersuchenden Flamme der Feuerung aufgenommen und über eine durch gaspotentiometrische Vermessung des ausbrandmäßig zu untersuchenden Flammenortes erhaltene Gleichgewichtszellspannung bestimmter Zelltemperatur der Ausbrand aus dem U_eq-a-Kennlinienfeld mit der temperaturentsprechenden U_eq-a-Kennlinie bestimmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gaspotentiometrische Vermessung des ausbrandmäßig zu untersuchenden Flammenortes flammenextern mit Probenahme der Flammengase aus der Feuerung bei festgelegter Zelltemperatur der Festelektrolytzelle vorgenommen und mit der so erhaltenen Gleichgewichtszellspannung aus der bei gleicher Temperatur ausgeführten gaspotentiometrischen Titration des Brennstoffs resultierenden temperaturentsprechenden U_eq-a-Kennlinie aus dem U_eq-a-Kennlinienfeld der Ausbrand bestimmt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gaspotentiometrische Vermessung des ausbrandmäßig zu untersuchenden Flammenortes flammenintern bei sich einstellender Zelltemperatur der Festelektrolytzelle in der Flamme vorgenommen und über die so erhaltene Gleichgewichtszellspannung sowie mittels des U_eq-a-Kennlinienfeldes und aus der daraus zu bestimmenden, der Zelltemperatur entsprechenden U_eq-a:-Kennlinie der Ausbrand am Flammenorte bestimmt wird.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Ausbrandes in flammenbeheizten Industrieöfen unter Nutzung der Gaspotentiometrie, wobei die Kenngröße Ausbrand zur Bestimmung der Flammengeometrie und des Brennstoffumsatzes und damit der optimalen Gestaltung von Brennern und Feuerungsräumen sowie dem rationellen Einsatz von Energieträgern dient.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Es ist bekannt, den Ausbrand in Flammen durch Analyse der einzelnen stabilen Bestandteile in Gasproben, die aus dem Feuerraum entnommen werden, zu ermitteln. Die Durchführung dieser Verfahren zur Ausbrandermittlung erfordert einen hohen zeitlichen und apparativen Aufwand. Zur Anwendung gelangen klassische und instrumenteile Methoden der Bestimmung der einzelnen Komponenten, z. B. Gasanalyse nach Orsat, Gaschromatographie, paramagnetische Susseptibilitätsmessungen, nichtdispersive Infrarotspektroskopie. Es ist notwendig, eine große Zahl von Meßwerten zu erlangen, um näherungsweise einen langfristig stationär zu erhaltenen Zustand in einer Feuerung ausbrandmäßig zu beurteilen.

   Um den zeitlichen und apparativen Aufwand gegenüber den bisherigen klassischen Verfahren zu senken, wurde bereits ein gaspotentiometrisches Ausbrandverfahren entwickelt, bei dem eine Sonde mit einem Festelektrolyt-Gassensor an den Meßort in der Flamme gebracht wird (WP 142390). Aufgrund des am Meßort herrschenden Sauerstoffpartialdruckes entsteht am Sensor ein elektrisches Signal. Unter Voraussetzung der Gültigkeit des Wassergasgleichgewichtes und unter Kenntnis der Zusammensetzung des Brenngases läßt sich der Ausbrand aus den Meßwerten berechnen, wenn gleichzeitig die Temperatur am Meßort bekannt ist.
   Auch dieses Verfahren weist erhebliche Nachteile auf. Sie bestehen in

   - der Beschränkung der Anwendung auf Gasflammen, auf bestimmte Bereiche des Flammenkörpers und damit in einer Beschränkung der Meßgenauigkeit,

   - einem relativ hohen Materialaufwand infolge der begrenzten Standfestigkeit der zur Verfahrensdurchführung erforderlichen Meßsonden, bedingt durch häufige Temperaturwechsel und strömungsmechanische Belastungen,

   - der Beschränkung der Temperatur am Meßort auf maximal 1 500°C. Oberhalb dieser Temperatur ist das Verfahren aufgrund der Eigenschaften des Materials der Sonden, z. B. Platin, Zirkondioxid-Keramik kaum durchführbar,

   - einem hohen Zeitaufwand durch Ausführung einer zusätzlichen Frischgasanaiyse,

   - der Notwendigkeit der Einhaltung einer Mindesttemperatur von 600°C, da sich unterhalb dieser Temperatur die zugrundeliegenden chemischen und elektrochemischen Gleichgewichte nicht schnell genug einstellen.

   Außerdem ergibt sich bei Temperaturen unter 600⁰C eine zu geringe elektrische Leitfähigkeit des Festelektrolyten, so daß die Meßwerte in Sinne des Ausbrandes nicht interpretierbar sind.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung des Ausbrandes in flammenbeheizten Industrieöfen, das bei erweitertem, nicht prinzipiell auf Gasflamme beschränktem Anwendungsbereich, erhöhter Meßgenauigkeit, längerer Standfestigkeit der zur Durchführung erforderlichen Meßeinrichtungen und verringertem zeitlichem Aufwand zu einem rationellen Brennstoffeinsatz in der Feuerungstechnik beiträgt.

   Darlegung des Wesens der Erfindung

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ühter Nutzung der GaspotentiometrieeinVerfahren^zurErrnfttluhg des Ausbrandes in flammenbeheizten Industrieöfen unabhängig von der Art des am Meßort herrschenden Reaktionsgleichgewichtes und damit im gesamten Flammenkörper anwendbar ist. Das Verfahren soll unabhängig von der Temperatur, d.h. auch bei extrem hohen und extrem niedrigen Temperaturen am Meßort durchführbar sein und keine zusätzlichen Gasanalysen erfordern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß über die gaspotentiometrische Titration des zur Feuerung eingesetzten Brennstoffes mit Luft oder Sauerstoff mit Hilfe einer flammenexternen Festelektrolytzelle ein brennstoffspezifisches Gleichgewichtszellspannungs-Ausbrand-Kennlinien-Feld, kurz U_eq-aKennlinienfeld genannt, im Temperaturbereich der zu untersuchenden Flamme der Feuerung aufgenommen und über eine durch gaspotentiometrische Vermessung des ausbrandmäßig zu untersuchenden Flammenortes erhaltene Gleichgewichtszellspannung bestimmter Zelltemperatur der Ausbrand aus dem U_eq-a-Kennlinienfeld mit der temperaturentsprechenden U_eq-a-Kennlinie bestimmt wird. Eine Ausführungsmöglichkeit des Verfahrens besteht darin, daß die gaspotentiometrische Vermessung des ausbrandmäßig zu