DE10007761C2 - Anordnung zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes von Asche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes von Asche, insbesondere von Fil­ ter- oder Flugasche, die in fester Schüttung, vorzugsweise in Sammelbehältern, vorliegt. Ein bevorzugtes Anwendungs­ gebiet der Erfindung sind Feuerungsanlagen in Kohlekraft­ werken. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf dieses Anwendungsgebiet eingeschränkt. Sie kann mit Vorteil überall dort eingesetzt werden, wo der Kohlenstoffgehalt von Asche, die in fester Schüttung vorliegt, bestimmt wer­ den soll. Dies können neben Kraftwerksfeuerungsanlagen beispielsweise auch Müllverbrennungsanlagen oder Anla­ gen, in denen Asche als Zuschlagstoff verwendet wird, sein.

Die Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes von Asche, ins­ besondere von Filter- oder Flugasche, ist zum einen unter dem Gesichtspunkt der Führung und Optimierung eines Ver­ brennungsprozesses, das heißt, für eine möglichst vollstän­ dige Nutzung der im Brennstoff enthaltenen Energie not­ wendig, zum anderen aber auch zur Qualitätskontrolle der Asche, bei deren Verwendung als Zuschlagstoff, beispiels­ weise in der Baustoff- und Zementindustrie. Zielstellung ist unter beiden Gesichtspunkten ein möglichst geringer Rest­ kohlenstoffgehalt bzw ein möglichst kleiner Anteil unver­ brannter Bestandteile. Wechselnde Lastbedingungen in ei­ ner Feuerungsanlage und unterschiedliche Brennstoffzu­ sammensetzungen erfordern eine kontinuierliche Überwa­ chung des Verbrennungsprozesses, was eine möglichst kon­ tinuierliche oder in kurzen Zeitabständen periodische und zeitlich nicht oder nur gering verzögerte Bestimmung des Restkohlenstoffgehaltes in den Verbrennungsrückständen erforderlich macht.

Die derzeit überwiegend in Kraftwerksfeuerungsanlagen von Kohlekraftwerken noch anzutreffende Methode der Entnahme von Ascheproben und anschließender analyti­ scher Untersuchung der Proben im Labor ist zum einen sehr kostenaufwendig und führt zum anderen auch zu einem so erheblichen Zeitversatz, daß eine optimierte Führung des Verbrennungsprozesses praktisch nicht möglich ist.

Es werden daher schon seit längerem Anstrengungen un­ ternommen, um Verfahren und Vorrichtungen zu entwic­ keln, die eine Bestimmung des Restkohlenstoffgehaltes auf einfache Weise und kontinuierlich oder periodisch ohne Zeilversatz ermöglichen. Dabei haben sich Verfahren, die eine Änderung elektrischer Größen von die Asche aufneh­ menden Einrichtungen mit verteilten elektrischen Parame­ tern auswerten, als besonders geeignet erwiesen. Problema­ tisch ist allerdings die Handhabung, d. h. Zuführung der Asche zu den Einrichtungen. Dies rührt daher, daß Filter- oder Flugasche ein extrem schwieriges Schüttverhalten auf­ weist.

So werden in der DE-OS 33 03 177 ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung des Kohlenstoffgehaltes von Flugasche beschrieben, bei denen die Veränderung der Ka­ pazität eines Kondensators, in den Flugasche als Dielektri­ kum eingebracht wird, ausgewertet wird. Mittels einer spe­ ziellen Einrichtung wird Flugasche aus einem Silo in eine das Dielektrikum eines Kondensators bildende Meßkammer überführt und mittels Vibrationen verdichtet. Nach der Be­ stimmung der Kondensatorkapazität wird die Flugasche aus der Meßkammer entfernt und in das Silo zurückgeführt. Aus der elektrisch gemessenen Kondensatorkapazität wird auf den Kohlenstoffgehalt der Flugasche geschlossen. Das Ver­ fahren kann kontinuierlich oder periodisch durchgeführt werden, wobei zur Erzielung brauchbarer Meßwerte sicher­ gestellt werden muß, daß die in der Meßkammer enthaltene Menge an Flugasche im Mittel im wesentlichen konstant ist.

Eine ebenfalls die Änderung elektrischer Größen auswer­ tende Lösung wird in der DE-OS 198 56 870 beschrieben. Asche, die in einem pneumatischen Fördersystem transpor­ tiert wird, wird einem Mikrowellenresonator zugeführt, wo­ bei mittels Abluftfilter und Lichtschranke der Partikelgehalt der Probe erfaßt und mit Hilfe eines Rüttlers auf vorgege­ bene Werte gebracht wird. Außerdem wird eine ebenfalls vorgegebene Probentemperatur eingestellt. Die Bestim­ mung des Kohlenstoffgehaltes erfolgt in bekannter Weise nach der Mikrowellenresonanztechnik. Nach der Untersu­ chung wird die Probe dem pneumatischen Fördersystem wieder zugeführt.

Die beschriebenen, den Stand der Technik charakterisie­ renden Lösungen weisen einen hohen apparativen Aufwand für Entnahme, Aufbereitung und Rückführung der Probe auf. Dieser Aufwand ist letztlich dem extrem schlechten Schüttverhalten der zu untersuchenden Filter- oder Flug­ asche geschuldet.

Ziel der Erfindung ist eine Anordnung zur Messung des Kohlenstoffgehaltes von Filter- oder Flugasche durch Aus­ wertung der Veränderung elektrischer Größen einer die Asche aufnehmenden elektrisch schwingungsfähigen Ein­ richtung, die ohne hohen apparativen Aufwand auskommt. Dazu besteht die Aufgabe, eine aufwendige Probennahme und -aufbereitung zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine dem 1. Patentanspruch gemäße Anordnung gelöst. In den auf den 1. Patentanspruch bezogenen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, einen durch min­ destens zwei Öffnungen in seiner äußeren Begrenzungs­ wand modifizierten Topfkreis so innerhalb einer festen Ascheschüttung anzuordnen, daß ein repräsentativer Teil der Asche, deren Kohlenstoffgehalt bestimmt werden soll, das Innere des Topfkreis passiert. Der modifizierte Topfkreis ist dabei elektrisch mit Mitteln zur Erzeugung einer fre­ quenzveränderlichen elektrischen Schwingung sowie mit Mitteln zur Auswertung elektrischer Resonanzen verbun­ den. Bevorzugt ist die äußere Begrenzungswand des modifi­ zierten Topfkreises als geschlossener Metallbügel ausge­ führt, innerhalb dessen ein stabförmiger Innenleiter ange­ ordnet ist. Dieser bildet mit seiner freien Stirnwand gegen­ über der äußeren Begrenzung oder einem an der äußeren Be­ grenzung angeordneten Element eine Kapazität aus, deren Dielektrikum von der im modifizierten Topfkreis befindli­ chen Flugasche gebildet wird. Der modifizierte Topfkreis zeichnet sich bei dieser Gestaltung durch bezogen auf seine geometrischen Abmessungen sehr große Öffnungen für das Ein- und Austreten der Asche aus. Dadurch wird beispiels­ weise bei Anordnung des modifizierten Topfkreises in fester Schüttung der Asche in einem Aschesammelbehälter ein ausreichend gutes Hindurchrutschen der Asche ohne Brüc­ kenbildung bei teilweiser oder vollständiger Entleerung des Behälters erreicht.

Es wurde gefunden, daß bei Anordnung des modifizierten Topfkreises in einer festen Ascheschüttung die Dichte der Asche weitgehend unabhängig von der Schütthöhe, d. h. an­ nähernd konstant ist, so daß die Meßergebnisse eine hinrei­ chende Genauigkeit und Reproduzierbarkeit aufweisen.

Zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes der Flugasche wird die Veränderung der elektrischen Resonanz des mit Asche gefüllten modifizierten Topfkreises bezogen auf Ka­ librierungsmessungen untersucht. Dabei ist es von besonde­ rer Bedeutung, daß, wie überraschender Weise gefunden wurde, die Güte des durch große Öffnungen in seiner äuße­ ren Begrenzungswand modifizierten Topfkreises so gut ist, daß selbst Änderungen des Kohlenstoffgehaltes der Asche unterhalb von 0,1% mit vertretbarem Aufwand sicher meß­ technisch bestimmt werden können.

Besonders zweckmäßig ist es, den modifizierten Topf­ kreis im unteren Bereich eines Aschesammelbehälters so anzuordnen, daß bei der Befüllung des Behälters mit Asche ein repräsentativer Teil der Asche selbständig in das Innere des Topfkreises, speziell in den als Kondensator ausgebilde­ ten Bereich des Innenleiters gelangt. Sobald der modifizierte Topfkreis vollständig mit Asche bedeckt ist und die Asche im Bereich des Topfkreises zur Ruhe gekommen ist, liegen ausreichend konstante Bedingungen hinsichtlich der Dichte der Asche im Topfkreis (feste Schüttung) vor und die Be­ stimmung des Kohlenstoffgehaltes kann unter Ausnutzung der dielektrischen Eigenschaften des Kohlenstoffes über die Bestimmung der Resonanzfrequenz des modifizierten Topf­ kreises erfolgen. Zweckmäßig kann es sein, im Aschesam­ melbehälter einen Füllstandssensor anzuordnen um zu prü­ fen, ob der Topfkreis vollständig mit Asche überschüttet ist.

In üblichen Kraftwerksfeuerungsanlagen weist Filter- oder Flugasche in den Aschesammelbehältern Temperatu­ ren zwischen 60 und 90 Grad Celsius auf. Sie befindet sich damit über dem Taupunkt, so daß Verfälschungen der Meß­ ergebnisse durch Feuchtigkeit nahezu ausgeschlossen sind.

Vorteilhaft ist es, die Messungen zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes im Vergleich mit der Zuführung bzw. Entnahme von Asche in bzw aus dem Aschesammelbehälter in kurzen Zeitabständen durchzuführen und die Meßergeb­ nisse mehrerer aufeinanderfolgender Messungen miteinan­ der zu vergleichen. Größere Schwankungen unmittelbar aufeinanderfolgender Meßergebnisse zeigen an, daß sich die Asche im modifizierten Topfkreis noch in Bewegung befin­ det und damit keine konstante Dichte aufweist. Nahezu gleichbleibende aufeinanderfolgende Meßergebnisse zei­ gen, daß die Asche im Topfkreis zur Ruhe gekommen ist. Die Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes ist nur anhand letzterer Messungen sinnvoll. Im praktischen Betrieb, das heißt bei realen Intervallen der Zuführung bzw. Entnahme von Asche in bzw. aus dem Aschesammelbehälter, wurden bei 2 bis 5 Messungen je Minute hinreichend genaue Meßer­ gebnisse erzielt.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung wird in ihrem einfachen und robusten Aufbau, insbesondere der Möglichkeit der Anordnung des modifizierten Topfkrei­ ses direkt innerhalb eines die Flugasche aufnehmenden Be­ hälters, gesehen. Es wird damit das bei den bekannten tech­ nischen Lösungen notwendige aufwendige Handhaben der Asche (Austragen von Ascheproben aus einem Behälter oder Fördersystem; Erzeugung von Meßproben definierter Menge und Dichte; Schaffung definierter Temperaturver­ hältnisse; Rückführung der Probe) vermieden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 die Draufsicht auf einen modifizierten Topfkreis und in

Fig. 2 die Anordnung eines modifizierten Topfkreises in einem Aschesammelbhälter.

Die äußere Begrenzung des in Fig. 1 gezeigten modifi­ zierten Topfkreises 1 wird von einen langgestreckten Stahl­ bügel 2 gebildet. Innerhalb dieses Stahlbügels 2 sind der In­ nenleiter 3 des Topfkreises 1 und zwei Induktionsschleifen 4 und 5 angeordnet. Der Innenleiter 3 ist an seinem freien Ende plattenförmig ausgeführt und bildet mit einer am Stahlbügel 2 angeordneten Platte einen Kondensator 6. Der Stahlbügel 2 ist mit einem Montageflansch 7 versehen, in dem zwei Buchsen 8 und 9 für die Einleitung bzw Auskopp­ lung elektrischer Signale angeordnet sind. Die Induktions­ schleifen 4 und 5 sind eingangsseitig gegenüber dem Stahl­ bügel 2 elektrisch isoliert und elektrisch mit den Buchsen 8 und 9 verbunden. Der modifizierte Topfkreis 1 ist, wie in Fig. 2 dargestellt, im unteren Bereich eines Aschesammel­ behälters 10 so angeordnet, daß ein repräsentativer Teil der durch den Einfüllstutzen 11 in den Behälter 10 gelangten Asche 12 in das Innere des modifizierten Topfkreises 1 und damit zwischen die Platten des Kondensators 6 gelangt. Die Induktionsschleife 4 ist mit einem Schwingungsgenerator 13, die Induktionsschleife 5 mit einer Empfangs- und Aus­ werteeinrichtung 14 elektrisch verbunden.

Der Schwingungsgenerator 13 generiert im 5-Sekunden­ takt eine frequenzveränderliches elektrische Schwingung im Resonanzbereich des modifizierten Topfkreises 1, die über die Induktionsschleife 4 in den modifizierten Topfkreis 1 eingekoppelt wird. Die Induktionsschleife 5 empfängt die elektrische Schwingung des modifizierten Topfkreises 1. Sie wird einer Empfangs- und Auswerteeinheit 14 zugeleitet, die unter Bezug auf die vom Schwingungsgenerator 13 ge­ nerierte frequenzveränderliche elektrische Schwingung den Dämpfungsverlauf des modifizierten Topfkreises 1 sowie die Resonanzfrequenz bestimmt. Bleibt die Resonanzfre­ quenz aufeinanderfolgender Messungen nahezu konstant, kann davon ausgegangen werden, daß die Asche 12 im Aschesammelbehälter 10 zur Ruhe gekommen ist und hin­ reichend verdichtet (ähnlich einer festen Schüttung) ist. An­ hand der Resonanzfrequenz kann dann unter Bezugnahme auf Kalibrierungsmessungen der Kohlenstoffgehalt der Asche 12 bestimmt werden. Aufgrund der großen Öffnung des modifizierten Topfkreises 1 bei vergleichsweise gerin­ ger Höhe des Stahlbügels 2 rutscht die im modifizierten Topfkreis 1 befindliche Asche 12 bei Ascheentnahme aus dem Aschesammelbehälter 10 selbständig aus dem modifi­ zierten Topfkreis 1 heraus, während neue Asche nach­ rutscht. Damit ist gewährleistet, daß stets ein repräsentativer Teil der im Aschesammelbehälter 10 befindlichen Asche 12 in das Innere des modifizierten Topfkreises 1 gelangt.

Claims (4)

1. Anordnung für die Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes von Asche durch Auswertung der Veränderung elektrischer Größen einer die Asche aufnehmenden elektrisch schwingungsfähigen Einrichtung mit verteilten elektrischen Impedanzen, Mittel zur Erzeugung einer frequenzveränderlichen elektrischen Schwingung und Mittel zur Auswertung einer elektrischen Resonanz aufweisend, dadurch gekennzeichnet, daß die die Asche 12 aufnehmende elektrisch schwingungsfähige Einrichtung ein durch mindestens je eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung für Asche in seiner äuße­ ren Begrenzungswand modifizierter Topfkreis 1 ist, der in fester Ascheschüttung so angeordnet ist, daß ein repräsentativer Teil der Asche das Innere des modifizierten Topfkreises passiert und daß der modifizierte Topfkreis 1 elektrisch mit den Mitteln zur Erzeugung einer frequenzveränderlichen elektrischen Schwingung 13 sowie den Mitteln zur Auswertung einer elektrischen Resonanz 14 verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der modifizierte Topfkreis 1 innerhalb eines Aschesammelbehälters 10 angeord­ net ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Begrenzungswand des modifizierten Topfkreises 1 in Form eines geschlossenen Metallbügels 2 ausgeführt ist und daß mittig innerhalb dieses geschlos­ senen Metallbügels 2 der Innenleiter des Topfkreises 3 angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Aschesammelbehälters ein Füllstandssensor angeordnet ist.