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Vorrichtung zum Regeln der Standhöhe von Ruß Wenn Ruß hergestellt,
aus Gasen abgeschieden, gefördert oder verarbeitet wird, besteht häufig die Aufgabe,
den Ruß in Behälter aller Art einzutragen oder ihn aus Behältern auszutragen. Meistens
müssen bei dieser Förderung die einzelnen Behälter oder Apparate möglichst gasdicht
abgeschlossen sein. Als Dosier- und Fördermittel werden üblicherweise rotierende
Zellenschleusen verwendet, welche alle genannten Anforderungen erfüllen sollen.
Um einen einigermaßen ausreichenden Gasabschluß zu erhalten, benötigt man enge Passungen
der Drehzellenschleusen sowie oft mehrere Schleusen hintereinander, ohne damit in
der Regel mehr als nur geringe Gasdruckdifferenzen zu beherrschen.
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Derartige Schleusen sind auch nicht imstande, den Rußdurchgang zu
regeln; hinzu kommt der hohe apparative Aufwand sowie die große Störanfälligkeit
der Drehzellenschleusen infolge des starken Verschleißes und der Verschmutzung durch
den geförderten Ruß. Ein stetiges Ein- und bzw. oder Austragen von Ruß setzt eine
einwandfreie Regelung oder Steuerung über die Standhöhe im Behälter voraus.
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Die Erfassung der Standhöhe lockeren Rußes stößt indessen auf erhebliche
technische Schwierigkeiten.
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Die sehr geringe Dichte des Rußes verbietet die Anwendung von Messungen
nach dem Auftriebprinzip.
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Auch Druckmessungen sind aus dem gleichen Grund nicht brauchbar. Die
bei anderen Stückgütern benutzten, mit rotierenden Körpern oder mit radioaktiver
Strahlung arbeitenden Geräte versagen bei Ruß. Allenfalls die bei leitfähigen Substanzen
angewandten Leitfähigkeitsmessungen zur Anzeige von Standhöhen lassen sich auch
für den schwachleitenden Ruß anwenden. Die hierbei benutzten Anordnungen, die auf
der Messung des Leitfähigkeitsunterschiedes zwischen zwei Stoffen, üblicherweise
zwischen einem Gas und dem Stoff, dessen Standhöhe geregelt werden soll, beruhen,
haben indessen für die Regelung oder Steuerung der Standhöhe des Rußes erhebliche
Nachteile.
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Für eine stetige Regelung oder Steuerung, die ein kontinuierliches
Austragen des Rußes gestattet, wobei auch die Möglichkeit von Hoch- und Tief-Signalen
gegeben sein muß, ist in der herkömmlichen Ausführung eine größere Zahl von übereinander
angeordneten Messungen notwendig mit einer entsprechenden Menge von Meßgeräten und
Reglern. Ein Teil der Meßelektroden befindet sich dann stets im Gasraum. Bei der
in der Technik häufig vorkommenden Austragung von Ruß bei hohen Temperaturen sowie
aus Gasen, die im Gasraum zu Ansätzen und
Verkrustungen neigen - z. B. Krackgase
- führt eine solche Anordnung zu Störungen durch Verkrustungen der Elektroden und
Isolierstrecken. Auch ist eine solche Ausführung bei der Vielzahl der benötigten
Apparate aufwendig in der Herstellung und unwirtschaftlich in der Wartung.
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Eine stetige Regelung oder Steuerung mit nur einer Elektrode ist
an sich bekannt; dabei muß die Elektrode sich über den gesamten Regelbereich, etwa
gleich der Höhe des Behälters, erstrecken und ist hierbei in ihrem oberen Teil besonders
starken Verschmutzungen und Verkrustungen ausgesetzt, die sie funktionsunfähig machen
können.
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Man kann die Standhöhe von Ruß in einem Behälter mittels der Leitfähigkeit
des Rußes regeln, indem man erfindungsgemäß im Behälter unterhalb der Rußoberfläche
eine Leitfähigkeits-Meßelektrode anordnet, die in an sich bekannter Weise elektrisch
mit einem Regler verbunden ist, der mechanisch mit einem Stellglied und einer oder
mehreren Rußzulauf- und bzw. oder Rußaustragsvorrichtungen verbunden ist.
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Es ist also überraschenderweise möglich, daß man die genannten Schwierigkeiten
überwinden und mit einer einzigen Leitfähigkeitsmessung eine einwandfreie stetige
Regelung und bzw. oder Steuerung einer Rußaustragung aus einem Behälter bzw. Rußeintragung
in einen Behälter erreichen kann, wenn man diese einzige Leitfähigkeitsmessung unter
der Rußoberfläche durchführt. Es zeigte sich nämlich unvorhergesehen, daß die unter
der Rußoberfläche gemessene Leitfähigkeit des Rußes von der Höhe des Rußstandes
über der Meßelektrode abhängig ist, indem sie mit der Höhe der Rußschicht zunimmt.
Man erhält so eine für eine Regelung oder Steuerung brauchbare Abhängigkeit zwischen
der Leitfähigkeit des Rußes und seiner Schichthöhe, die es ermöglicht, eine den
üblichen Standregelungen gleichwertige
stetige Auslauf- bzw. Zulaufregelung
und -steuerung zu konstruieren.
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Um einen möglichst großen Meßbereich zu erfassen, wird die Leitfähigkeits-Meßelektrode
zweckmäßig im unteren Teil des Behälters, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 m unter der zu
regelnden Rußoberfläche, angebracht. Als Leitfähigkeits-Meßelektrode eignet sich
beispielsweise ein isoliert eingeführter, vertikal angeordneter Blechstreifen, der
dem Rußfluß ein Minimum an Stirnfläche als Fließwiderstand bietet.
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Die Elektrode ist durch die Anordnung unter der Rußoberfläche auch
gegen Verunreinigungen und Verkrustungen, die aus dem Gasraum kommen können, geschützt.
Dieses ist ein großer Vorteil des beanspruchten Verfahrens bei der Rußabscheidung
aus Spalt- und Krackgasen sowie bei der Rußherstellung aus Kohlenwasserstoffen.
Da man mit einer einzigen Messung die gesamte Regelung und/oder Steuerung bei Ausnutzung
des vollen Regelbereiches, wahlweise also im Bereich des gesamten Bunkervolumens,
durchführen kann, arbeitet die Vorrichtung besonders wirtschaftlich. Ein bedeutender
Vorteil besteht feuer darin, daß man über die gleiche Messung auch Hoch- und Tiefstand-Alarmsignale
auslösen lassen kann, ohne daß damit ein zusätzlicher nennenswerter Aufwand verbunden
ist.
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Da die Rußstandmessung von einer einzigen Leitfähigkeits-Meßelektrode
bewirkt wird, kann man den Rußzulauf und bzw. oder den Rußaustrag in besonders einfacher
Weise über einen Regler und ein Stellglied steuern und regeln. Das Ein- und Austragen
des fließfähigen Rußes erfolgt durch in ihrem Querschnitt veränderliche Öffnungen.
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Vorzugsweise wird man eine oder mehrere solcher über Regler und Stellglied
betätigten öffnungen am Boden des Rußbehälters anbringen. Es ist jedoch auch möglich,
eine konstante Öffnung für den Rußaustrag vorzusehen und den Rußzulauf aus einer
Leitung oder einem anderen Behälter oder Apparat durch Querschnittsänderung der
Eintragsöffnung mittels des Rußstandes im Behälter zu regeln oder zu steuern.
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Es hat sich weiter gezeigt, daß man den Querschnitt der Zulauf- bzw.
Auslauföffnung in besonders günstiger Weise stetig ändern kann, indem man die Leitfähigkeits-Meßelektrode
über einen Regler und einen Stellantrieb auf einen zylindrischen Drehschieber mit
waagerecht angeordneter Drehachse als Rußzulauf- bzw. Rußaustragsvorrichtung wirken
läßt. Die Drehachse liegt unterhalb der Austrittsöffnung. Der Drehschieber wird
beispielsweise von einem pneumatischen Stellzylinder gesteuert. Eine solche Ausführung
erlaubt eine stetige Änderung des Querschnittes, wobei die Öffnung des Drehschiebers
praktisch mit der Wand bzw. mit dem Boden des Ruß enthaltenden Behälters abschließt
und dieser damit keine toten Ecken mit den damit verbundenen Störstellen (Brückenbildung)
aufweist. Der Drehschieber ist bei einem Luftspalt von 0,1 mm zwischen den stellitierten
Dichtflächen absolut rußdicht und erfordert sehr geringe undn konstant bleibende
Stellkräfte, da die Dichtfiächen bei allen Rußarten nicht verklemmen.
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Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, den Ruß über der Austragsöffnung
durch übliche mechanische Vorrichtungen, wie rotierende Paddel, Vibratoren usw.
in Bewegung zu halten, um Brückenbildungen und Verstopfungen zu vermeiden. Solche
Maßnahmen
sind indessen keine Voraussetzung für die Wirksamkeit der beanspruchten
Vorrichtung.
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Das Problem der Gasabdichtung zwischen zwei Behältern, Apparaten
od. dgl., zwischen denen ein Rußtransport erfolgen soll, ist ebenfalls durch die
neue Vorrichtung gelöst. Es wurde nämlich überraschenderweise gefunden, daß der
locker geschüttete Ruß, bei dem nur zwischen 2 und 10 O/o des Rauminhaltes aus Festsubstanz
besteht, bis zu hohen Druckdifferenzen zwischen dem Gasraum über dem Ruß und dem
Raum unterhalb der Austragsöffnung eine praktisch ideale Gasabdichtung herstellt.
Nur die dem Schüttvolumen entsprechende, zwischen den Rußteilchen befindliche Gasmenge
wird vom Ruß beim Durchgang durch die Austrittsöffnung mitgeführt.
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Für eine sichere Abdichtung wird eine Rußschicht von mindestens 100
cm Höhe vorgezogen, wobei der Bereich der bevorzugten Druckdifferenz zwischen dem
Gasraum über dem Ruß und dem Raum unterhalb der Austragsöffnung zwischen 0,025 und
0,30 at liegt.
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Die neue Vorrichtung löst sämtliche Probleme der Ausschleusung, Dosierung,
Förderung und Abdichtung bei der Behandlung von Ruß in industriellen Anlagen auf
die einfachste Weise, wobei selbst komplizierte gekoppelte Förder- und Austragsysteme
durch Wahl geeigneter Druckniveaus für die einzelnen Systeme störungsfrei miteinander
betrieben werden können.
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Beispiel 1 In einem rußgefüllten Bunker 1 in A b b. 1 ist eine Elektrode
2 zur Messung der Leitfähigkeit eingebaut.
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Die Gegenelektrode ist der Elektrodenhalter, ein Rohr mit Nennweite
50 mm aus Edelstahl. Die Bunkerhöhe oberhalb der Elektrode beträgt 5 m. Die Elektrode
besteht aus 1 mm starkem Edelstahlblech von 60 mm Breite und 230 mm Höhe. Bei verschiedenen
Rußhöhen über der Elektrode werden die folgenden Leitfähigkeitswerte gemessen. Die
Gasdruckbelastung beträgt 0,025 at.
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0,2 m über dem Elektrodenpaar . . 0,50 10-Z -1 0,5 m über dem Elektrodenpaar
. . . 0,87 10-28-' 1,0 m über dem Elektrodenpaar . . . 1,47 10-2 Q-t 1,5 m über
dem Elektrodenpaar . . 2,27 10-2 Q-t 2,0 m über dem Elektrodenpaar .... 3,13 10-2
Q-t 4,0 m über dem Elektrodenpaar . . 5,90 10-2 Q-t In Abt.2 ist die gemessene Abhängigkeit
der Leitfähigkeit von der Rußhöhe über der Elektrode aufgezeichnet.
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Der Punkt A der Kurve mit 1,47.10-2 Q-l bzw.
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1 m Rußhöhe kann als Sollwert für eine Standregelung gewählt werden.
Ein Hoch-Signal kann im Punkt B bei 3,13 10-2 Q-t, entsprechend 2 m Rußhöhe ausgelöst
werden, während für das Tief-Signal der Punkt C mit 0,5-10-2Q-t bei 0,2 m Rußhöhe
gewählt werden kann.
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Beispiel 2 Aus einem Spaltgas wird bei einer Temperatur von etwa
2000 C in einem Zyklon 9 in Abb. 3 Ruß abgeschieden, der sich in einem unterhalb
des Zyklons angeordneten Behälter 1 von 2 m Höhe sammelt und hierbei einen Gas abschluß
gegenüber der unter diesem Behälter 1 angeordneten pneumatischen Rußförderung
8
sicherstellt. In der Mitte des Behälters, 1 m vom Boden entfernt, befindet sich
seitlich eine isoliert eingeführte Edelstahlblech-Elektrode 3. Die Leitfähigkeit
des Rußes wird zwischen der 3 dm2 großen Elektrode 3 und der Außenwand des Behälters
1- als Gegenelektrode - gemessen. Im unteren Teil des zylindrischen Behälters befindet
sich ein pneumatisch betätigter zylindrischer Drehschieber 4 mit stellitierten Dichtflächen,
der von einem stetigen Stellantrieb 5 gestellt wird. Der Stellantrieb 5 erhält seinen
Stellbefehl von einem stetigen Regler, dessen Ist-Wert die Leitfähigkeit des Rußes
zwischen den unterhalb der Rußoberfläche angeordneten Elektroden ist. Der Sollwert
ist so vorgegeben, daß die Meßelektrode(3) stets unter der Rußoberfläche bleibt.
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Bei einer Standhöhe von 1 m über der Elektrode wird ein Hoch-Signal
ausgelöst, während bei einer Standhöhe von 0,2 m über der Elektrode 3 ein Tief-Signal
anspricht, dessen Auslösungsimpuls einen Elektroschieber 7 unter dem Drehschieber
4 zusätzlich schließt. Dazwischen liegt bei 0,5 m Rußstandhöhe über der Elektrode
3 das geregelte Rußniveau.
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Somit wird durch eine 1,5 m hohe Rußschicht über dem Drehschieber
4 der Gasabschluß gegenüber der Förderleitung 8 erreicht. Oberhalb des Drehschiebers
4 ist eine rotierende Welle mit schräg angeordneten Rührpaddeln 6 angeordnet, welche
den Rußtransport zur Schieberöffnung unterstützen. Die stellitierten Dichtflächen
des Drehschiebers4 sind bei einem Luftspalt von 0,10 mm absolut rußdicht. Der Drehschieber
4 erfordert sehr geringe und konstant bleibende Stellkräfte und gestattet zudem
konstruktiv die Heranführung der Schieberöffnung zum Rührpaddel 6, so daß Brückenbildungen
im Schieberzugang auch nach längeren Stillstandzeiten ausgeschlossen sind. Die Druckdifferenz
zwischen dem Gasraum oberhalb der Rußoberfläche und dem Gasdruck der pneumatischen
Förderleitung 8 an der Austrittsstelle des Rußes beträgt 0,05 at.
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Nach einer Laufzeit von 1000 Stunden sind die Wände des Behälters
1 im oberen Teil bereits mit einer mehrere Millimeter starken Ruß-Polymerisatschicht
bedeckt. Die unterhalb der Rußoberfläche
angeordnete Elektrode zeigt dagegen keinen
Ansatz und ist metallisch blank.
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Beispiel 3 Aus einer Anordnung, ähnlich der vom Beispiel 1, wird
Ruß aus einem 50 m3 fassenden Bunker 1 in A b b. 1, dessen Gasraum aus Kohlenwasserstoffen
besteht, über einen Drehschieber 4 in eine mit Luft betriebene Förderung 8 eingetragen.
Die Rußstandhöhe beträgt 3 m über der Austragsöffnung. Die Druckdifferenz zwischen
dem Gasraum des Bunkers 1 und der Förderleitung 8 beträgt 0,04 at. Bei einem Schüttgewicht
des Rußes von 40 g/l trägt 1 kg Ruß etwa 24Normalliter an gasförmigen Kohlenwasserstoffen
mit sich. Durch Gasanalysen der Förderluft ergibt sich, daß mit dem Ruß zusammen
nur 2,2Normalliter je Kilogramm Ruß an gasförmigen Kohlenwasserstoffen in diese
Förderluft gelangen.
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Der Vergleich der gemessenen Kohlenwasserstoffmenge in der Förderluft
mit der berechneten zeigt, daß ein Gasabschluß des Bunkerraumes 1 gegenüber der
Förderleitung 8 vorhanden ist und nur ein Bruchteil der vom Ruß festgehaltenen Menge
an gasförmigen Kohlenwasserstoffen an die Förderluft abgegeben wird.