DE102008027336B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Partikelumwandlungsintensität - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung einer Partikelumwandlungsintensität in einem Vergaser, umfassend
a) eine Kamera (7) zur Aufnahme eines sichtbaren Wellenlängenbereichs in einem Aufnahmebereich (8), der einen Vergasungsvolumenstrom (6) des Vergasers kreuzt,
b) eine gekühlte Referenzfläche (9) im Aufnahmebereich, wobei der Vergasungsvolumenstrom zwischen Kamera und Referenzfläche verläuft und die Schnittfläche von Aufnahmebereich und Referenzfläche einen Messbereich bildet, wobei der Messbereich einen Partikelumwandlungsbereich umfasst sowie
c) eine Auswerteinheit zur Ermittlung mindestens eines Partikelumwandlungsintensitätswertes im Messbereich.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Partikelumwandlungsintensität in Vergasern, vorzugsweise Flugstromvergasern, grundsätzlich aber auch in Verbrennungs-, Sublimations- und Verdampfungsvorgängen gemäß des ersten und des sechsten Patentanspruchs.
• Bei einer Flugstromvergasung erfolgt eine druckgestütze Überführung von flüssigen und suspendierten festen, insbesondere partikelförmigen Brennstoffen wie z. B. sog. Slurries aus Biomasse gewonnenen Pyrolyseprodukte (Kokse, Kondensate, Öle) als Ausgangsstoffe zu Rohsynthesegase (wie z. B. Stadtgas). Die Überführung der Partikel (Feststoff oder Aerosol) erfolgt im Rahmen einer endothermen Reaktion, bei der die genannten Brennstoffe mit Sauerstoff in unterstöchiometrischem Verhältnis zu Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden. Die Bereiche, in denen diese Überführung stattfindet, werden im Folgenden Partikelumwandlungsbereiche genannt.
• Vorzugsweise erfolgt eine Flugstromvergasung kontinuierlich in einem Flugstromvergaser, in dem die vorgenannten Ausgangstoffe in eine Druckzerstäuberträgerluft sowie ein separater Sauerstoffhaltiger Gasstrom gemeinsam in einen Reaktionsraum eingedüst werden und als Vergasungsvolumenstrom durch diesen geleitet werden. Die Umwandlung erfolgt in einem Partikelumwandlungsbereich im Reaktionsraum, der für die Aufrechterhaltung der endothermen Reaktion – sofern erforderlich – Heizmittel wie Brenner oder andere Heizelemente, die entweder direkt in den Reaktionsraum oder indirekt auf die Reaktionsraumwandung wirken, aufweist.
• In der DE 10 2005 006 305 A1 wird beispielhaft ein Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegasen aus Biomasse durch Vergasungsprozesse in einem Flugstromvergaser bei Temperaturen unter 1200°C offenbart. Auch die DE 197 47 324 C2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus fossilen Einsatzstoffen unter Verwendung eines Flugstromvergasers.
• Für eine optimale Vergasung z. B. von Koks/Öl-Slurries in einem Flugstromvergaser ist die Kenntnis über die aktuelle Intensität des Partikelumsatzes sowie deren räumliche Verteilung im Vergaser von entscheidender Bedeutung. Insbesondere nicht homogene Ausgangsprodukte und/oder sich ändernde Vergasungsvolumenströme erfordern für eine effektive Umwandlung eine ständige Anpassung der Energiezufuhr für die Aufrechterhaltung der endothermen Reaktion.
• US 4.193.692 offenbart beispielhaft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Messung der Trübung und der Streuung einer aktiven Strahlung in einem Fluid. Ebenso bedient sich das in der WO 82/03273 A1 beschriebene optische Messverfahren für die Erfassung von Schüttdichten sowie Fließraten von Partikeln in Luft einer auf die Messstrecke gerichteten separaten Strahlungsquelle. Auch das in der EP 0 308 027 A2 offenbarte optische Messverfahren für die Erfassung von Suspensionsströme basiert auf einer externen Strahlungsquelle. Alle drei genannten Verfahren eigenen sich folglich nicht für die Erfassung der aktuellen Intensität der Partikel an sich und damit des Partikelumsatzes sowie deren räumliche Verteilung in einem Vergaser.
• Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, die eine laufende Bestimmung der Partikelumwandlungsintensität inkl. deren Verteilung in einem Vergaser oder sonstigen Prozess für eine Partikelvergasung ermöglicht und als Regelgröße für eine Prozessregelung, z. B. der Energiezufuhrregelung heranziehbar ist.
• Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung und einem Verfahren mit den Merkmalen gem. des ersten bzw. des sechsten Patentanspruchs gelöst. Auf diese rückbezogene Unteransprüche umfassen vorteilhafte Ausgestaltungen.
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Partikelumwandlungsintensitätsverteilung bei einer Überführung der Partikel in einen gasförmigen Zustand. Dies erfolgt vorzugsweise durch Vergasung der fest oder flüssig in einem Vergasungsvolumenstrom befindlichen Partikel in einem Vergaser, vorzugsweise in einem eingangs genannten Flugstromvergaser. Andere Umwandlungsvorgänge wie z. B. Verbrennungen, Sublimationen oder Verdampfungen, bei denen die genannten Partikel vorzugsweise in einem kontinuierlichen Volumenstrom in den gasförmigen Zustand überführt werden, sind grundsätzlich als im Äquivalenzbereich der Erfindung befindlich anzusehen.
• Das Wesentliche an der Erfindung ist der Einsatz einer oder mehreren im sichtbaren Wellenlängenbereich messenden Kamera, die die Partikel in einem kontinuierlichen Volumenstrom, vorzugsweise des Vergasungsvolumenstrom vor einer gegenüber der Kamera angeordneten Referenzfläche aufnehmen. Der Aufnahmebereich der Kamera kreuzt dabei den Volumenstrom, z. B. den Vergasungsvolumenstrom des Vergasers. Die Referenzfläche liegt im Aufnahmebereich, wobei der Vergasungsvolumenstrom zwischen Kamera und Referenzfläche verläuft und die Schnittfläche von Aufnahmebereich und Referenzfläche einen Messbereich bildet. Die erfassten Intensitäten (z. B. Strahlungsintensität) werden einer nachgeschalteten Auswerteeinheit einem bestimmten Zustand insbesondere der Partikelumwandlungsintensität, Partikelkonzentration, Verteilung, Abstrahlung und/oder Dynamik der Vergasung, Verbrennung, Verdampfung oder Sublimation zugeordnet.
• Die Referenzfläche weist eine Gestaltung oder Konditionierung auf, die die vorgenannten erfassten Intensitäten der Partikel durch die Kameras nicht oder in korrigierbarer Weise beeinflusst. Wesentlich ist dabei die Oberflächentemperatur der Referenzfläche, die – wenn überhaupt – eine vorzugsweise geringere oder andere Strahlungsintensität als die aufgenommenen Partikel emittiert. Vorzugsweise ist die Oberflächentemperatur der Referenzwerte durch die vorgenannte Gestaltung oder Konditionierung geringer als die Partikeltemperatur.
• Die genannte Gestaltung umfasst konstruktive Maßnahmen, z. B. eine Anordnung an einer kühleren Stelle im Vergasungsvolumen, Brennraum, Verdampfungsvolumen oder Sublimationsvolumen oder an Wärmeableitenden Komponenten (Kühlrippen, Wärmebrücken aus den vorgenannten Volumina).
• Die wegen der besseren Regelbarkeit der Kühlung bevorzugte Konditionierung umfasst den Einsatz aktiver Kühlelemente für die Referenzfläche, z. B. den Einsatz von flüssigen oder gasförmigen Kühlmedien, die durch einen Wärmetauscher geleitet durch diesen Wärme abführen. Vorzugsweise wird die Referenzfläche durch eine Oberfläche eines Wärmetauscher, beispielsweise eines Mikrowärmetauschers gebildet.
• Die Auswerteinheit und die in dieser stattfindenden Auswertung dient Erfassung mindestens eines Intensitätswertes im Messbereich. Die Ausgabe erfolgt entweder als visuelle Information via Bildschirm oder Messsignal, alternativ als Regelgröße für eine Prozesssteuerung für die Vergasungs- Verbrennungs-, Verdampfungs- oder Sublimationsregelung. Vorzugsweise umfasst die Aus wertung vorgenannte Separierung der Intensitätswerte von Partikel und Referenzfläche, sofern der Intensitätsanteil von der Referenzfläche nicht vernachlässigbar klein ist oder die weitere Auswertung der aufgenommenen Intensität nicht unzulässig verfälscht, d. h. tolerierbar ist.
• Eine bevorzugte Auswertung, umfassend mindestens eine Tiefpass- oder Mittelwertfilterung der Partikelumwandlungsintensitätswerte bei ansonsten stationären Prozessbedingungen dient der selektiven Erfassung von Änderungen in der Partikelkonzentration.
• So lässt sich mit Kenntnis der Partikelumwandlungsintensitätswerte der Prozess beispielhaft für eine Flugstromvergasung beschrieben optimal regeln, indem die Primärluft, die Slurry-Zufuhr sowie die Temperatur im Flugstromvergaser entsprechend zeitnah anpassbar sind. Des Weiteren lässt sich über die Partikelumwandlungsintensität bei sonst konstanten Prozessbedingungen der Partikelgehalt (Koksgehalt) des Slurry abschätzen. Diese Information bietet weitere Möglichkeiten zur optimalen Führung des Prozesses.
• Der Messbereich umfasst vorzugsweise einen Partikelumwandlungsbereich vorzugsweise der flüssigen oder festen Partikel in den gasförmigen Zustand.
• In einer bevorzugten Ausführung erfolgt eine segementweise Erfassung des Messbereichs. Der Messbereich wird in mindestens zwei Messbereichssegmente unterteilt, wobei die Intensitätswerte jedes dieser Messbereichssegmente in der Aufnahme der Kamera durch die Auswerteeinheit separat erfasst und ausgewertet werden. Dies ist auch mit mehreren Kameras und/oder Referenzflächen an unterschiedlichen Orten realisierbar, wobei die Aufnahmebereiche der Kameras an unterschiedlichen Stellen den Vergasungsvolumenstrom kreuzen. All diese Maßnahmen schließen eine mögliche Korrelationen der Intensitätswerte untereinander aus verschiedenen, vorzugsweise benachbarten Messbereichssegmenten z. B. für eine Verifikation der einzelnen Werte oder zur Verfolgung von dynamischen Effekten nicht aus.
• Die Kamera ist vorzugsweise eine Videokamera mit einem hohen Dynamikbereich (z. B. CMOS-Kamera mit logarithmischer Kennlinie) für eine laufende Aufnahme der Messbereiche vorzugsweise für eine Prozesssteuerung. Sie wird hierbei vorzugsweise mit einer laufenden Erfassung der Intensitätswerte in der Auswerteeinheit kombiniert.
• Die Erfindung schließt ein Verfahren zur Bestimmung der Partikelumwandlungsintensität und/oder -verteilung unter Verwendung einer Vorrichtung mit vorgenannten Merkmalen ein. Insbesondere schließt das Verfahren eine Aufnahme des Vergasungsvolumenstroms im Messbereich mit der Kamera sowie eine Weiterleitung der Aufnahmen zu einer Auswerteinheit zur Erfassung mindestens eines Intensitätswertes im Messbereich ein.
• Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
• 1 eine Ausführungsform an einem oberer Teil eines Flugstromvergasers mit drei Kameras und einer Referenzfläche sowie
• 2 die experimentell erfasste Abhängigkeit des zeitlichen Mittelwerts der mittleren Strahlungsintensität vom Partikelgehalt von Slurries.
• 1 zeigt eine prinzipielle Schnittdarstellung des oberen Teils eines Flugstromvergasers 1 mit einer Mehrstofflanze 2 mit einer Luftzuführung 3 (Sauerstoffzufuhr), einer Zuführung für einen eingangs genannten Slurry 4 (Slurry = heterogenes pastöses Stoffgemisch mit soliden und fluiden Bestandteilen) sowie einer Primärluftzuführung 5 (Primär-/Zerstäuberluft). Derartige Flugstromvergaser dienen der Vergasung von Pyrolyseprodukten im Rahmen einer Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen. Der Slurry besteht dabei vorzugsweise aus soliden Kokspartikel und flüssigen Pyrolysekondensaten.
• Das durch die Zuführungen 3 bis 5 in das Innere des Flugstromvergasers geleitete Stoffgemisch wird in diesem als gemeinsamer Vergasungsvolumenstrom 6 weitergeleitet, wobei in diesem die eingangs genannte endotherme Vergasungsreaktion spontan eingeleitet wird. An drei aufeinander folgenden Positionen kreuzen die Aufnahmebereiche 8 dreier in Wandungsöffnungen des Flugstromvergaser 1 eingesetzte Kameras 7 den Vergasungsvolumenstrom 6. Im Innern des Flugstromvergasers auf der den Kameras gegenüberliegenden Seite erstrecken sich die drei Aufnahmebereiche 8 auf eine gemeinsame zwangsgekühlte Referenzfläche 9.
• Ein wesentlicher Vorgang bei der Vergasung von Koks-/Öl-Slurries ist die Umwandlung (Abbrand) fester Kokspartikel. Die Erfindung nutzt die bei der Umwandlung von den Partikeln emittierte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich. Diese ist im Rahmen der beschriebenen Ausführungsform mit drei handelsüblichen Kamerasystemen 7 (z. B. CMOS-Kameras) in der dargestellten räumlichen Verteilung erfassbar. Die Referenzfläche erleichtert die Unterscheidung der Partikelstrahlung von der Hintergrundstrahlung. Diese weist konstruktiv bedingt oder aktiv gekühlt eine deutlich niedrigere Temperatur und damit Emission elektromagnetischer Strahlung als die Partikel auf.
• Als kühle Referenzfläche und damit als Messbereich dient beispielsweise ein bereits vorhandener Deckel eines den Kameras gegenüberliegenden Schauglases, das ursprünglich zur visuellen Vergasungskontrolle konzipiert ist und z. B. durch Gaskonvektion auf der nach außen weisenden Fläche kühlbar ist.
• Durch die in der Erfindung enthaltene Auswerteeinheit wird die mittlere Strahlungsintensität im Bereich der Referenzfläche durch eine digitale Bildverarbeitung berechnet. Dieser Wert stellt ein Maß für die Intensität des Partikelumsatzes für den durch die Kamera erfassten Bereich dar.
• Weiterhin wird der erfasste Bereich (Messbereich) in Segmente unterteilt. Für jedes Segment lässt sich die mittlere Strahlungsintensität separat berechnen, wodurch die Verteilung der Intensität des Partikelumsatzes ermittelt wird.
• Durch den Einsatz mehrerer Kameras 7 mit entsprechenden Optiken (vgl. 1) lässt sich der gesamte für den Partikelumsatz relevante Bereich des Vergasungsvolumenstroms 6 im Flugstromvergaser erfassen und überwachen. Somit ist durch einen Vergleich der Aufnahmen in der Auswerteeinheit die Verteilung der Intensität des Partikelumsatzes für den gesamten relevanten Bereich im Flugstromvergaser ermittelbar.
• Auf Basis einer segmentweise ermittelten mittleren Strahlungsintensität ist ferner durch Berechnung deren Variation über ein vorgebbares Zeitfenster ein Maß für die zeitliche Variation des Partikelumsatzes berechenbar.
• Im kontinuierlichen stationären Betrieb eines Flugstromvergasers ändert sich für ein betrachtetes Segment die über ein vorgegebenes Zeitfenster Tiefpass gefilterte mittlere Strahlungsintensität wenig. Kommt es jedoch im stationären Betrieb zu einer Veränderung des Partikelgehalts des Slurries, so ändert sich die mittlere Strahlungsintensität spürbar, so dass auch ein Tiefpass oder Mittelwert gefilterter Wert für die mittlere Strahlungsintensität eine deutliche Änderung erfährt. 2 zeigt hierzu beispielhaft den zeitlichen gefilterten Wert einer mittleren Strahlungsintensität 10 (digitales Kameraausgangssignal, 8 Bit Kameraauflösung) in Abhängigkeit zu dem Partikelgehalt 11 in [Gew.%] eines in den Flugstromvergaser eingespeisten Slurrys als Ergebnis eines beispielhaften Experiments. Die sonstigen Betriebsgrößen wurden dabei nahezu unverändert belassen. Die Strahlungsintensität zeigt eine signifikante und in weiteren nicht dargestellten Versuchen verifizierte reproduzierbare Abhängigkeit vom Partikelgehalt und ist damit grundsätzlich für Vergleichsversuche sowie für Temperaturüberwachung bei einer Vergasung als zuverlässige Überwachungs- und/oder Regelgröße einsetzbar.

1

Flugstromvergaser

2

Mehrstoffzerstäuberlanze

3

Luftzuführung

4

Zuführung für einen Slurry

5

Primärluftzuführung

6

Vergasungsvolumenstrom

7

Kamera

8

Aufnahmebereich

9

Referenzfläche

10

Mittelwert einer mittleren Strahlungsintensität (digitales Kameraausgangssignal 8 Bit)

11

Partikelgehalt in [Gew.%]

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Partikelumwandlungsintensität in einem Vergaser, umfassend a) eine Kamera (7) zur Aufnahme eines sichtbaren Wellenlängenbereichs in einem Aufnahmebereich (8), der einen Vergasungsvolumenstrom (6) des Vergasers kreuzt, b) eine gekühlte Referenzfläche (9) im Aufnahmebereich, wobei der Vergasungsvolumenstrom zwischen Kamera und Referenzfläche verläuft und die Schnittfläche von Aufnahmebereich und Referenzfläche einen Messbereich bildet, wobei der Messbereich einen Partikelumwandlungsbereich umfasst sowie c) eine Auswerteinheit zur Ermittlung mindestens eines Partikelumwandlungsintensitätswertes im Messbereich.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich in mindestens zwei Messbereichssegmente unterteilt ist und die Auswerteeinheit die Partikelumwandlungsintensitätswerte jedes dieser Messbereichssegmente separat erfasst.
3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine Videokamera für eine laufende Aufnahme sowie die Erfassung eine laufende Erfassung ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung in der Auswerteeinheit mindestens eine Tiefpass- oder Mittelwertfilterung der Partikelumwandlungsintensitätswerte umfasst.
5. System, umfassend mindestens zwei der Vorrichtungen nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmebereiche der Kameras an unterschiedlichen Stellen den Vergasungsvolumenstrom kreuzen.
6. Verfahren zur Bestimmung einer Partikelumwandlungsintensität in einem Vergaser, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellung einer Kamera (7) zur Erfassung eines sichtbaren Wellenlängenbereichs in einem Aufnahmebereich (8), der einen Vergasungsvolumenstrom (6) des Vergasers oder der Brennkammer kreuzt, b) Bereitstellung einer gekühlten Referenzfläche (9) im Aufnahmebereich, wobei der Vergasungsvolumenstrom zwischen Kamera und Referenzfläche verläuft und die Schnittfläche von Aufnahmebereich und Referenzfläche einen Messbereich bildet, c) Aufnahme des Vergasungsvolumenstroms im Messbereich mit der Kamera, wobei die Aufnahme einen Partikelumwandlungsbereich umfasst, d) Weiterleitung der Aufnahmen zu einer Auswerteinheit zur Erfassung mindestens eines Partikelumwandlungsintensitätswertes im Messbereich.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme und die Erfassung der Partikelumwandlungsintensitätswerte für mindestens zwei Messbereichssegmente im Messbereich separat erfolgen.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Aufnahme und die Erfassung laufend erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung mindestens eine Tiefpass- oder Mittelwertfilterung der Partikelumwandlungsintensitätswerte umfasst.