DE2400246A1

DE2400246A1 - PROBE FOR MEASURING THE OXYGEN CONTENT IN SMOKE GASES AND FOR CONTROLLING FIRES

Info

Publication number: DE2400246A1
Application number: DE19742400246
Authority: DE
Inventors: Theodor Dipl Ing Burkhard; Guenther Dipl Phys Dr Heimke
Original assignee: Friedrichsfeld GmbH Steinzeug und Kunststoffwerke
Current assignee: Friatec AG
Priority date: 1974-01-04
Filing date: 1974-01-04
Publication date: 1975-07-17
Also published as: IT1027899B; CH578177A5; DE2400246B2; FR2257086B1; GB1475441A; FR2257086A1

Description

FRIEDRICHSFELD GMBH Steinzeug- und Kunststoff werke 68 Mannheim - FriedrichsfeldFRIEDRICHSFELD GMBH stoneware and plastic works 68 Mannheim - Friedrichsfeld

P a t e η t a η m e 1 d u η gP a t e η t a η m e 1 d u η g

"Sonde zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen sowie zur Regelung von Feuerungen""Probe for measuring the oxygen content in flue gases as well as for controlling furnaces "

Die Erfindung betrifft Sonden zum Messen des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen sowie zum Regeln von Feuerungen, bei denen die sauerstoffsensiblen Teile aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten bestehen und von einer sie umgebenden Heizung, die mit elektrischem Strom bespeist wird, auf der Arbeitstemperatur gehalten werden. The invention relates to probes for measuring the oxygen content in flue gases and for regulating Furnaces in which the oxygen-sensitive parts are made from a solid electrolyte that conducts oxygen ions and are kept at the working temperature by a heating system that surrounds them and is fed with electricity.

Die überwachung des Sauerstoffgehaltes von Rauchgasen erfolgt heute, wenn überhaupt, mit Geräten, in denen die Sauerstoffmessung entweder auf den magnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs beruht oder bei denen der Sauerstoff durch chemische Reaktionen zu Polarisationseffekten oder Leitfähxgkeitsanderungen in flüssigen Elektrolyten führt. Die magnetischen Sauerstoff meßgeräte sind recht aufwendig. Ihre Verwendung kommt daher nur für Großfeuerungsanlagen, wie z.3. in Großkraftwerken, infrage. Die auf chemischen Reaktionen in wässrigen Elektrolyten beruhenden MeßgeräteThe monitoring of the oxygen content of flue gases takes place today, if at all, with devices in which the oxygen measurement is based either on the magnetic properties of the oxygen or on them the oxygen through chemical reactions to polarization effects or changes in conductivity liquid electrolyte leads. The magnetic oxygen meters are quite expensive. Your use therefore only applies to large combustion systems, such as e.g. 3. in large power plants. Those based on chemical reactions measuring instruments based on aqueous electrolytes

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sind sehr verunreinigungsempfindlich und erfordern daher einen hohen Reinigungsaufwand für das auf seinen Sauerstoffgehalt zu analysierende Rauchgas. Den Geräten, die nach beiden genannten Meßprinzipien arbeiten, ist gemeinsam, daß das auf seinen Sauerstoffgehalt zu untersuchende Rauchgas dem eigentlichen Rauchgaskanal entnommen und dem jeweils gesondert stehenden Meßsystem zugeführt werden muß. Die Ansprechgeschwindigkeit auf eine Änderung des Sauerstoffgehaltes des untersuchten Rauchgases ist daher durch die Länge der Strömungsdauer des Rauchgases aus dem Rauchgaskanal in das jeweilige Gerät nach unten begrenzt. Für schnelle Steuerungen und zur Vermeidung von kurzzeitigen Abweichungen des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas sind derartige Geräte daher nur sehr begrenzt verwendbar. Die Messung von Sauerstoffgehalten in Rauchgasen mit Hilfe sauerstoffionenleitender Festelektrolyte ist an sich bekannt und auch, z.B. für die Messung von Sauerstoffgehalten in Autoabgasen, bereits vorgeschlagen worden. Die für diesen Zweck vorgeschlagenen Sonden können jedoch nicht unmittelbar auf die Messung von Sauerstoffgehalten in Rauchgasen übertragen werden, da aus Sicherheitsgründen in Rauchgaskanälen von Feuerungen auch die Möglichkeit berücksichtigt werden muß, daß sich am Ort der Meßsonde zündfähige Gemische ansammeln können. Dies würde bei der für die Messung mit derartigen Sonden notwendigen Sondentemperatur von etwa 55O°C - 1OOO°C die Gefahr einer Explosion im Rauchgaskanal nicht ausschließen.are very sensitive to contamination and therefore require a lot of cleaning effort for the Flue gas to be analyzed for its oxygen content. The devices named after both Working measurement principles, has in common that the flue gas to be examined for its oxygen content taken from the actual flue gas duct and fed to the respective separate measuring system must become. The speed of response to a change in the oxygen content of the examined Flue gas is therefore due to the length of the flow time of the flue gas from the flue gas duct into the respective device limited downwards. For quick controls and to avoid short-term deviations Due to the oxygen content in the flue gas, such devices can only be used to a very limited extent. The measurement of oxygen levels in flue gases with The aid of solid electrolytes that conduct oxygen ions is known per se and also, e.g. for the measurement of Oxygen levels in automobile exhaust have already been proposed. The ones proposed for this purpose However, probes cannot directly transfer the measurement of oxygen content in flue gases because for safety reasons the possibility in flue gas ducts of furnaces is also taken into account must be that ignitable mixtures can accumulate at the location of the measuring probe. This would at the probe temperature of about 550 ° C - 1000 ° C necessary for the measurement with such probes do not exclude the risk of an explosion in the flue gas duct.

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Die Verwendung des genannten Meßprinzips zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Rauchgasen mit Hilfe sauerstoffionenleitender Festelektrolyte bietet jedoch einige entscheidende Vorteile:The use of the mentioned measuring principle for determination the oxygen content in flue gases with the help of solid electrolytes that conduct oxygen ions however, offers some key advantages:

Der Sauerstoffgehalt des Rauchgases kann unmittelbar im Rauchgaskanal gemessen werden, wodurch alle Verzögerungen, die durch Ableitungen von Teilen des Rauchgases entstehen, vermieden werden. Eine gemäß dieser Messung gesteuerte Feuerungsanlage kann also mit erheblich höherer Präzision innerhalb des gewünschten Bereiches des Sauerstoffgehaltes eingestellt und konstant über lange Zeit gehalten werden. Da außerdem die Messung mit sauerstoffxonenlextenden Festelektrolyten hochgratig selektiv für Sauerstoff ist, bleibt die Messung über lange Zeit unabhängig von Verunreinigungen im Rauchgas, wodurch die Notwendigkeit einer Reinigung des Rauchgases vor der Messung entfällt. Außerdem liefert ein entsprechender Fühler aus sauerstoffleitenden Festelektrolyten eine elektrische Spannung, die bei den zu erwartenden änderungen des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas so groß ist, daß sie direkt entsprechenden Regelorganen zugeführt werden kann, d. h. ohne weitere größere elektronische Verstärkung.The oxygen content of the flue gas can be measured directly in the flue gas duct, whereby all Delays caused by the discharge of parts of the flue gas can be avoided. One according to This measurement-controlled combustion system can thus with significantly higher precision within the desired The range of oxygen content can be set and kept constant over a long period of time. Since, in addition, the measurement with oxygenxonenlextenden Solid electrolyte is highly selective for oxygen, the measurement remains independent for a long time of impurities in the flue gas, eliminating the need for cleaning the flue gas before Measurement is not required. In addition, a corresponding sensor made of oxygen-conducting solid electrolytes delivers an electrical voltage, which with the expected changes in the oxygen content in the flue gas so is large that it can be fed directly to corresponding regulating organs, d. H. without any other major ones electronic amplification.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, eine Sonde mit Fühlern für den Sauerstoffgehalt des Rauchgases aus sauerstoffxonenlextenden Festkörperelektrolyten herzustellen, bei der die Gefahr einer Explosion eines evtl. im Rauchgaskanal anweaenden zündfähigen Gemisches mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann und die darüberhinaus auch andere, sicherheitstechnische Gesichtspunkte berücksichtigt.The invention was therefore based on the object of providing a probe with sensors for the oxygen content of the flue gas from oxygen-xon-extinguishing solid-state electrolytes, in which there is a risk of explosion any ignitable mixture that might be used in the flue gas duct can be excluded with certainty and which also takes other safety-related aspects into account.

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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Sonde dadurch erfüllt, daß der eigentliche Fühler für den Sauerstoffgehalt in den Rauchgasen aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, der von einer elektrischen Heizung umgeben ist, mit einem Drahtnetz abgedeckt wird. Die Explosionsschutzwirkung derartiger Drahtnetze ist an sich von den alten, mit offenen Flammen arbeitenden Grubenlampen her bekannt.This object is achieved by the probe according to the invention in that the actual sensor for the Oxygen content in the flue gases from solid electrolytes that conduct oxygen ions and are generated by an electrical Heater is surrounded, is covered with a wire mesh. The explosion protection effect of such Wire netting is known from the old mine lamps that worked with open flames.

Die Arbeitsweise mit einer erfindungsgemäßen Sonde zum Messen des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas" wird zunächst anhand der Figur 1 erläutert. In Figur 2 wird sodann der Aufbau der Sonde im einzelnen erklärt.The method of working with a probe according to the invention for measuring the oxygen content in the flue gas "is initially explained with reference to FIG. The structure of the probe is then explained in detail in FIG.

In Figur 1 bedeutenIn Figure 1 mean

1 die Feuerung, z.B. einen Ölbrenner,1 the furnace, e.g. an oil burner,

2 den eigentlichen Feuerungsraum und2 the actual combustion chamber and

3 den Rauchgaskanal.3 the flue gas duct.

Es ist vorteilhaft, die Sonde 4 im Rauchgaskanal anzubringen und nicht im Feuerungsraum unmittelbar in Flammennähe, damit das Rauchgas beim Vorbeistreichen an der Sonde bereits hinreichend durchmischt ist. Die Sonde 4 liefert eine dem Sauerstoffgehalt des Rauchgases eindeutig zuordenbare elektrische Spannung, die bei dem in Rauchgasen in Frage kommenden und interessierenden Gehalt an Sauerstoffkonzentrationen um etwa 30 Millivolt unterschiedlich sein kann. Diese Spannung wird durch die Leitungen 5 einem Regelglied 6 zugeführt, durch welches das Brennstoffluftgemisch, das durch die Leitungen 7 zugeführt wird, in dem Dosiergerät 3 so eingestellt wird, daß stets die günstigsten Verbrennungszustände eingehalten werden.It is advantageous to mount the probe 4 in the flue gas duct and not in the combustion chamber in the immediate vicinity of the flame, so that the flue gas is sufficiently mixed when it passes the probe. The probe 4 supplies an electrical voltage that can be clearly assigned to the oxygen content of the flue gas, which in the case of the in Flue gases in question and interesting content of oxygen concentrations around 30 millivolts can be different. This voltage is fed through the lines 5 to a control element 6, through which the fuel-air mixture, which is supplied through the lines 7, is set in the metering device 3 in this way is that always the most favorable combustion conditions be respected.

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In der. Leitung 5 ist auch eine Luftzuführleitung enthalten, die über die Seitenleitung 9 aus der Luftzuleitung oder aus dem Dosiergerät Luft entnimmt und der Sonde 4 zuführt, wie im einzelnen im folgenden Abschnitt erläutert v/erden wird.In the. Line 5 is also an air supply line included, which takes air via the side line 9 from the air supply line or from the metering device and feeds the probe 4, as will be explained in detail in the following section.

Die eigentliche, erfindungsgemäße Sonde sitzt auf dem Abstandshalterchr 10, das dazu dient, die Sonde in den Bereich des Rauchgaskanals zu bringen, in dem eine gute Durchmischung des Rauchgases bereits stattgefunden hat. Dieses Teil 10 besteht sowohl als auch der Flansch 11 aus hitzebeständigem Material. Mit 12 wird ein hitzebeständiger Kitt bezeichnet, der die einzelnen Bauteile der Sonde in ihrer Position hält. Mit 13 sind die eigentlichen sauerstoffsensiblen Fühler bezeichnet, die aus einseitig geschlossenen Rohren bestehen. In der Ausführung der Sonde, die in Figur 2 gezeigt ist, sind 2 derartige sauerstoffsensible Fühler nebeneinander angeordnet. Sie bilden zusammen einen Doppelfühler. Diese sauerstoffsensiblen Teile bestehen aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, z.B. aus stabilisiertem Zirkondioxid. In diesem Material erfolgt die elektrische Stromleitung praktisch vollständig durch Sauerstoffionen. Dieses keramische Material wird daher als Festelektrolyt bezeichnet. Im Innern der Rohre 13 befinden sich dünne Rohre 14 aus feuerfestem Material, z.3. aus Aluininiumo::id-Keramik. In diesen Rohren 14 werden die Platindrähte geführt, die den Kontakt zur Innenelektrode oder der sogenannten Referenzelektrode 16 herstellen. Durch das Innere der Rohre 14 erfolgt gleichzeitig die Zufuhr von Luft, angedeutet durch die Pfeile 14a, die im Räume der Referenzelektroden 16 den Bezugssauerstoffpartialdruck konstant aufrecht erhalten, nämlich den Sauer-The actual probe according to the invention sits on the spacer screw 10, which serves to hold the probe to be brought into the area of the flue gas duct in which the flue gas has already been thoroughly mixed Has. This part 10 consists both of the flange 11 and of heat-resistant material. At 12 is the name of a heat-resistant cement that holds the individual components of the probe in place. The actual oxygen-sensitive sensors are designated by 13, which are made up of tubes closed on one side exist. In the embodiment of the probe shown in FIG. 2, 2 of this type are oxygen-sensitive Sensors arranged next to each other. Together they form a double sensor. These oxygen-sensitive parts consist of solid electrolytes that conduct oxygen ions, e.g. stabilized zirconium dioxide. In this Material, the electrical current conduction is carried out almost entirely by oxygen ions. This ceramic Material is therefore called a solid electrolyte. Inside the tubes 13 there are thin tubes 14 made of refractory material, e.g. 3. made of Aluininiumo :: id ceramic. In these tubes 14, the platinum wires that make contact with the inner electrode or the Produce so-called reference electrode 16. At the same time, the supply takes place through the interior of the tubes 14 of air, indicated by the arrows 14a, in the room of the reference electrodes 16 maintain the reference oxygen partial pressure constant, namely the oxygen

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stoffpartialdruck der Luft, etwa 0,21 Atmosphären. Die Rohre 13 tragen auf ihrer Kuppe, d. h. gegenüber den Referenzelektroden 15, die eigentlichen Meßelektroden 17, die über die Platindrähte 18, die zusammen mit den Verlängerungen der Platindrähte 15 über die Meßleitung 5 aus Figur 1 mit dem Steuergerät 6 verbunden sind. Mit 19 wird ein Thermoelementschutzrohr bezeichnet, das die Thermoelementdrähte enthält. Auch diese Thermoelementdrähte werden über die Leitung 5 in Pig. 1 dem Steuerungsgerät 6 zugeführt. Mit 21 wird ein Heizmantel bezeichnet, der eine elektrische Heizung enthält. Diese elektrische Heizung wird über das Thermoelement 20 so eingeregelt, daß die sauerstoffsensiblen Teile bzw. Fühler sich stets auf ihrer Arbeitstemperatur, z. B. 700⁰C, befinden. Mit 22 sind die Zuleitungsdrähte für die elektrische Heizung bezeichnet. Der elektrische Heizmantel kann in seinem unteren Teil Löcher enthalten, wie sie in Fig. 2 angedeutet und mit 23 bezeichnet sind. Von diesen Löchern können mehrere über den Umfang verteilt sein. Sie dienen der besseren Zirkulation des Rauchgases im Bereich der sauerstoffsensiblen Teile bzw. Fühler. Mit 24 wird das Drahtnetz bezeichnet:, das den Heizmantel und die übrigen Teile der Sonde, die auf der Meßtemperatur gehalten werden, umgibt. Dies sind insbesondere die sauerstoffsensiblen Teile bzw. Fühler 13 und auch das Thermoelement 19. Dieses Drahtnetz 24 kann aus einem Metallgeflecht z. B. aus hitze-Zoeständigem Stahl bestehen. Es dient dazu, Sxplosionen im Rauchgaskanal zu vermeiden, falls sich dort z. B. bei Versagen eines Teiles der Brennersteuerung bzw. der Brennerzündung, ein explosionsfähiges Gemisch ansammeln sollte.partial pressure of air, about 0.21 atmospheres. The tubes 13 have the actual measuring electrodes 17 on their top, ie opposite the reference electrodes 15, which are connected to the control unit 6 via the platinum wires 18 which, together with the extensions of the platinum wires 15, are connected via the measuring line 5 from FIG. With 19 a thermocouple protection tube is referred to, which contains the thermocouple wires. These thermocouple wires are also connected to Pig. 1 supplied to the control device 6. With 21 a heating jacket is referred to, which contains an electric heater. This electrical heating is regulated via the thermocouple 20 so that the oxygen-sensitive parts or sensors are always at their working temperature, e.g. B. 700 ⁰ C are located. With 22 the lead wires for the electric heater are designated. The electrical heating jacket can contain holes in its lower part, as indicated in FIG. 2 and denoted by 23. Several of these holes can be distributed over the circumference. They serve to improve the circulation of the flue gas in the area of the oxygen-sensitive parts or sensors. The wire mesh is denoted by 24: which surrounds the heating jacket and the remaining parts of the probe, which are kept at the measuring temperature. These are in particular the oxygen-sensitive parts or sensors 13 and also the thermocouple 19. This wire mesh 24 can be made of a metal mesh z. B. consist of heat-resistant steel. It is used to avoid explosions in the flue gas duct if there is z. B. If a part of the burner control or the burner ignition fails, an explosive mixture should accumulate.

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Versuche haben gezeigt, daß es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sonde möglich ist, Sauerstoffgehalte in Rauchgasen praktisch verzögerungsfrei kontinuierlich über lange Zeiten zu messen mit Genauigkeiten von besser als 0,03 %. Mit Hilfe der von der Sonde gelieferten Spannung ließ sich eine Regelung des Luft-Brennstoff gemisches einstellen, die zu einer Konstanz des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas von besser als 0,1 % führte* trotz stark schwankender Luftfeuchte und stark veränderter Brennstoffzufuhr. Es gelang auf diese Weise den Sauerstoffgehalt des Rauchgases über einen großen Bereich der Energieabgabe des Brenners konstant zu halten. Die erfindungsgemäße Sonde gestattet es daher optimale Verbrennungszustände in Feuerungen genauer als bisher einzustellen und kontinuierlich aufrecht zu erhalten über längere Zeiten. Dies ist einaml für die Einsparung von Brennstoffen von außerordentlicher Bedeutung, ergibt jedoch auch für eine Vermeidung der Umweltverschmutzung durch ungenügend gesteuerte Verbrennungsprozesse beträchtliche Vorteile. Die erfindungsgemäße Sonde gestattet, den günstigsten Kompromiß zwischen der Schwefelsäure-und der Stickstoffoxidimmision erheblich genauer einzuhalten.Tests have shown that with the aid of the probe according to the invention it is possible to measure oxygen contents in flue gases continuously over long periods with practically no delay and with accuracies of better than 0.03 %. With the help of the voltage supplied by the probe, a regulation of the air-fuel mixture could be set, which led to a constancy of the oxygen content in the flue gas of better than 0.1% * despite strongly fluctuating air humidity and strongly changed fuel supply. In this way it was possible to keep the oxygen content of the flue gas constant over a large range of the energy output of the burner. The probe according to the invention therefore makes it possible to set optimal combustion conditions in furnaces more precisely than before and to maintain them continuously over longer periods of time. This is extremely important for saving fuel, but it also has considerable advantages when it comes to avoiding environmental pollution due to inadequately controlled combustion processes. The probe according to the invention allows the most favorable compromise between the sulfuric acid and nitrogen oxide immissions to be observed much more precisely.

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Claims

FRIEDRICHSFELD GMBH Steinzeug- und Kunststoffwerke 68 Mannheim - Friedrichsfeld Claims

1) _; i Probe for measuring the oxygen content in flue gases

as well as to regulate the amount of fire in which the oxygen-sensitive Parts consist of a solid electrolyte that conducts oxygen ions and an electrical one Heating are surrounded, characterized in that these parts and the heater are surrounded by a wire mesh.

2) Probe according to claim 1, characterized in that the oxygen-sensitive parts are designed as double sensors (14) are.

3) Probe according to claim 1, characterized in that the two sensors (14), the thermocouple tube (19) and the furnace (21) are surrounded by the wire mesh (? A) .

4) Probe according to one of claims 1 to 3, characterized in that the air required for the reference electrodes (16) is withdrawn via the side line (9) of the metering device (8) delivering the fuel-air mixture.

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