DD232763A1

DD232763A1 - METHOD FOR DETERMINING OUTBREAKING IN FLAME HEATED INDUSTRIAL OVEN

Info

Publication number: DD232763A1
Application number: DD27154784A
Authority: DD
Inventors: Helmut Rau; Walter Schwartz; Paul Georg
Original assignee: Univ Magdeburg Tech
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-02-05

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.The invention relates to a method for determining the burnout in flame-heated industrial furnaces for the optimal design of burners and furnaces for the rational use of energy carriers. With a broader range of application, increased measuring accuracy, longer stability of the measuring devices and reduced expenditure of time, a more rational use of fuel is to be achieved. For this purpose, regardless of the reaction equilibrium of a combustion, the burnout in the flame is to be determined independently of the temperature using gas potentiometry. According to the invention, a fuel-specific Ueq-a characteristic field is recorded in the temperature range of the flame to be examined via the gaspotentiometric titration of the fuel used for firing with air or oxygen with the aid of a flame-external solid electrolyte cell and via an equilibrium cell voltage determined by gaspotentiometric measurement of the burnout of the particular burnout Ueq-a characteristic field with the temperature-corresponding Ueq-a characteristic determined. The Gaspotentiometrische measurement can be made flame outside with sampling of the flame gases from the furnace at a fixed cell temperature of the solid electrolyte cell or inside the flame at adjusting cell temperature of the solid electrolyte cell in the flame.

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.Flame gases from the firing at a defined le \ ! Temperature of the solid electrolyte cell were sampled and the resulting equilibrium cell voltage resulted from the gaspotentiometric titration of the fuel at the same temperature resulting temperature equivalent U _eq -a- (éline from the Ueq-a- Characteristic field of burnout is determined.

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.Furthermore, the determination of the burnout according to the invention is also to be realized so that the gaspotentiometrische / ermessung of the burnout flame to be examined flame inside with adjusting cell temperature of the ^: estelektrolytzelle made in the flame and on the equilibrium cell voltage thus obtained and by means of the J _eq -a characteristic field and from the determined from the cell temperature corresponding U _eq -a characteristic of the burnout at the flame location is determined.

^: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. ^: For the two above-mentioned variants of the method according to the invention results in a principle advantage over the Dekannten modern gaspotentiometric method according to WP 142390, characterized in that the burnout can be determined independently of the viessort prevailing chemical redox equilibria, ie in all zones of the flames, also in those in which, according to recent findings, the water gas equilibrium for the formation of the redox potential is not true. Thus, the method can be applied to all liquid, solid and gaseous fuels with suitable design.

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.In addition, there is the advantage, even at extremely high and extremely low temperatures (> 1 500 ° C and <600 ° C) to be able to determine the <\ usbrand in the firing space economically.

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.According to the method of the invention, the most favorable operating temperature can be selected for the external gas-potentiometric measuring cell. Also accounts for loads due to the flow conditions in the combustion chamber. The advantages inherent in flame measurements, e.g. As the elimination of sampling, can still be used if the conditions in the furnace allow this. Then it is possible to read off the burnout exactly for each temperature with the electrical signal of the flame-internal measurement from the U _eq -a characteristic curve field determined for the particular fuel, regardless of which fuel is used and which redox equilibria at the measuring location for the combustion process in the Flame are determining.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an je einem Ausführungsbeispiel für eine flammenexterne und eine flammeninterne Ermittlung des Ausbrandes näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below in each case an embodiment for a flame-external and an internal flame determination of the burn-out.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigenIn the accompanying drawings show

Fig. 1 eine Meßanordnung zur Aufnahme eines brennstoffspezifischen Gleichgewichtszellspannungs-Ausbrand-Kennlinienfeldes durch Titration des eingesetzten Brennstoffes mit Hilfe einer flammenextern angeordneten gaspoteniometrischen Meßzelle,1 shows a measuring arrangement for receiving a fuel-specific equilibrium cell voltage burnout characteristic field by titration of the fuel used with the aid of a flame-except gaspoteniometric measuring cell,

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.FIG. 2 shows a titration curve of the fuel at the drive temperature of the measuring cell according to FIG. 1, FIG. 3 shows an equilibrium cell voltage burnout characteristic, and FIG. 4 shows a fuel-specific equilibrium cell voltage burnout characteristic field.

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 MeßzelleIn a flame-out determination of burnout at measurement locations in a city gas flame, a constant fuel gas stream is passed through a gas-potentiometric measuring cell 1 according to FIG. Its volume flow is measured by means of a flow meter 2. By means of a feed pump 3, a combustion air flow 4, which is also measured, is gradually added to the fuel gas flow in an increasing ratio of the flow rates before it enters the measuring cell. In the measuring cell, the combustion ratio is adjusted in accordance with the mixing ratio between combustion air and fuel gas. This results in an equilibrium cell voltage, which is measured with a high-impedance electronic voltmeter 5. With increasing combustion air-fuel ratio results in the titration curve of the fuel shown in Fig. 2 at the operating temperature of the measuring cell

Entsprechend der Ausbranddefinition in der Form According to the burnout definition in the mold

ν ^{+ 0}U L,st.ν ^{+ 0} UL, st.

erfolgt eine Zuordnung der für jedes Mischungsverhältnis ermittelten Zellspannung zu einem Ausbrandgrad.An assignment of the determined for each mixing ratio cell voltage to a degree of burnout.

Hierin bedeutenHerein mean

b_v = AnteildesBrennstoffes,deramMeßortverbranntist,b _v = fraction of the fuel burned at the site,

b_u = Anteil des Brennstoffes, der am Meßort in unverbrannter Form vorliegt,b _u = proportion of the fuel which is present in unburnt form at the measuring location,

V_L = LuftvolumenstromV _L = air volume flow

V_L/St = zur stöchiometrischen Verbrennung nötiger Luftvolumenstrom.V _{L / St} = air volume flow necessary for stoichiometric combustion.

Es ergibt sich so die Gleichgewichtszellspannung-Ausbrand-Kennlinie, kurz L_eq-a-Kennlinie genannt, entsprechend Fig. 3.This results in the equilibrium cell voltage burnout characteristic curve, called L _eq -a characteristic for short, corresponding to 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.In order to determine the burnout at any measuring location in the flame, a gas sample is taken there by suction and fed directly to the measuring cell. Here, a cell voltage corresponding to the redox ratio in the sample sets in, from which the local burnout can be determined with the aid of the Ueq-a characteristic curve.

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.To carry out an internal combustion measurement, the constant measured fuel gas flow is titrated at different temperatures in appropriate graduation with combustion air in the external measuring cell. The result is thus a U _eq -a: characteristic curve field according to _FIG . ₄ with rising temperatures Τ _Ί to _,, wherein expediently T _{4 is} 813 ° C.

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.By means of a gaspotentiometric solid electrolyte flame probe, the equilibrium cell voltage and the temperature prevailing at the measuring point are measured for internal determination of the burnout. From the closest to the temperature in the flame U _eq -a characteristic of the characteristic field of Figure 4. is then read according to the example of the flame-external measurement of the burn-out at the measuring location.

Claims

claims:

1. A method for determining the burn-out in flame-heated industrial ovens using gas potentiometry, characterized in that the gas potentiometric titration of the fuel used for firing with air or oxygen by means of a flame-retardant solid electrolyte cell, a fuel-specific equilibrium cell voltage burnout characteristics field, short U _eq -a is called -Kennlinienfeld was added in the temperature range of the test flame of the furnace, and determined via a through gaspotentiometrische measurement of the equilibrium cell voltage of a certain cell temperature of the burn-out from the U _eq -a characteristic field ausbrandmäßig obtained to be examined flame place with the temperature corresponding U _eq -a characteristic: ,

2. The method according to claim 1, characterized in that the gas-potentiometric measurement of the burnout flame to be examined flames externally made with sampling of the flame gases from the furnace at a fixed cell temperature of the solid electrolyte cell and resulting with the equilibrium cell voltage thus obtained from running at the same temperature gaspotentiometric titration of the fuel temperature corresponding U _eq -a characteristic is determined from the U _eq -a characteristic field of the combustion.

3. The method according to claim 1, characterized in that the gaspotentiometric measurement of the burnout flame to be examined flame inside with self-adjusting cell temperature of the solid electrolyte cell made in the flame and on the equilibrium cell voltage thus obtained and by means of the U _eq -a characteristic field and out of it determining, corresponding to the cell temperature U _eq -a: characteristic curve of the burnout at the flame location is determined.

For this 2 pages drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a method for determining the burnout in flame-heated industrial ovens using gas potentiometry, the parameter burnout used to determine the flame geometry and fuel turnover and thus the optimal design of burners and firing rooms and the rational use of energy sources.

Characteristic of the known technical solutions

It is known to determine the burnout in flames by analyzing the individual stable constituents in gas samples taken from the furnace. The implementation of these methods for Ausbrandermittlung requires a lot of time and equipment. Conventional and instrumental methods of determining the individual components, eg. B. Orsat gas analysis, gas chromatography, paramagnetic susceptibility measurements, non-dispersive infrared spectroscopy. It is necessary to obtain a large number of measured values to approximately burn-out an approximately long-term stationary condition in a furnace.

In order to reduce the time and equipment expense compared to the previous classical methods, a gas potentiometric burn-out method has already been developed, in which a probe with a solid electrolyte gas sensor is brought to the measuring location in the flame (WP 142390). Due to the oxygen partial pressure prevailing at the measuring location, an electrical signal is generated at the sensor. Assuming the validity of the water gas equilibrium and knowing the composition of the fuel gas, the burn-out can be calculated from the measured values, if at the same time the temperature at the measuring location is known.
This method also has significant disadvantages. They insist in

- the limitation of the application to gas flames, to certain areas of the flame body and thus to a limitation of the measuring accuracy,

a relatively high cost of materials due to the limited stability of the measuring probes required for carrying out the method, due to frequent temperature changes and fluid mechanical loads,

- The limitation of the temperature at the measuring location to a maximum of 1 500 ° C. Above this temperature, the process is due to the properties of the material of the probe, z. B. platinum, zirconia ceramic hardly feasible,

a high expenditure of time by carrying out an additional Frischgasanaiyse,

- The need to maintain a minimum temperature of 600 ° C, since below this temperature, the underlying chemical and electrochemical equilibria do not adjust quickly enough.

In addition, at temperatures below 600 ⁰ C results in a too low electrical conductivity of the solid electrolyte, so that the measured values in the sense of burnout are not interpretable.

Object of the invention

The aim of the invention is a method for determining the burnout in flame-heated industrial furnaces, which contributes to a rational use of fuel in combustion technology with extended, not limited in principle to gas flame application area, increased accuracy, longer stability of the required measuring devices and reduced expenditure of time.

Explanation of the essence of the invention

The invention is based on the object, ühter use of GaspotentiometrieeinVerfahren ^ to Errnfttluhg the burnout in flame-heated industrial furnaces regardless of the type of prevailing at the measurement reaction equilibrium and thus in the entire flame body is applicable. The method should be feasible regardless of the temperature, ie even at extremely high and extremely low temperatures at the measurement site and require no additional gas analysis. According to the invention, this object is achieved in that the gaspotentiometric titration of the fuel used for firing with air or oxygen with the help of a flame external solid electrolyte cell, a fuel-specific equilibrium cell voltage burnout characteristics field, short U _eq -aKennlinienfeld called in the temperature range of the flame to be examined was added and firing a by gaspotentiometrische measurement of the equilibrium cell voltage of a certain cell temperature of the burn-out from the U _eq -a characteristic field with the temperature corresponding U ausbrandmäßig obtained to be examined flame map _eq -a characteristic is determined. One possible embodiment of the method is that the gas-potentiometric measurement of the burn-out to