DE29715633U1 - Device for flameless measurement of the Wobbe index of gases - Google Patents
Device for flameless measurement of the Wobbe index of gasesInfo
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Description
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14. August 199714 August 1997
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Vorrichtung zum flammenlosen Messen des Wobbe-Index von GasenDevice for flameless measurement of the Wobbe index of gases
Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in EssenAndrejewski, Honke & Sozien, patent attorneys in Essen
Beschreibung:Description:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wobbe-Indizes von Gasen, insbesondere niederkalorischen Gasen, mit einer Mischeinrichtung zum Vermischen des zu untersuchenden Gases mit einem Oxidations-Gas, z.B. Luft, zu einer Gasluftmischung, mit einer an die Mischeinrichtung angeschlossenen Reaktionskammer zur Oxidation der Gasluftmischung zu einem Verbrennungsgas, und mit einer an die Reaktionskammer angeschlossenen Meßeinrichtung zur Ermittlung der Verbrennungswärme oder des Restsauerstoffgehaltes im Verbrennungsgas und damit des Wobbe-Indizes des zu untersuchenden Gases. - Selbstverständlich kann es sich bei den zu untersuchenden Gasen auch um Gasgemische handeln, was regelmäßig der Fall ist.The invention relates to a device for determining the Wobbe index of gases, in particular low-calorific gases, with a mixing device for mixing the gas to be examined with an oxidizing gas, e.g. air, to form a gas-air mixture, with a reaction chamber connected to the mixing device for oxidizing the gas-air mixture to form a combustion gas, and with a measuring device connected to the reaction chamber for determining the heat of combustion or the residual oxygen content in the combustion gas and thus the Wobbe index of the gas to be examined. - Of course, the gases to be examined can also be gas mixtures, which is regularly the case.
Unter dem Wobbe-Index bzw. der Wobbe-Zahl (WI) versteht man eine wichtige Kenngröße eines Gases bzw. Gasgemisches, 0 welche sich aus dem Quotienten aus Verbrennungswärme H und Wurzel aus dem Dichteverhältnis d berechnet:The Wobbe index or Wobbe number (WI) is an important parameter of a gas or gas mixture, 0 which is calculated from the quotient of the heat of combustion H and the root of the density ratio d:
WI = H/ r-rWI = H / rr
Wird der Wobbe-Index gleichgehalten, so ist die Wärmelieferung des Gases bzw. Gasgemisches an einen Brenner auch gleich und unabhängig von Schwankungen der einzelnen Werte der Gase. In gewissen Grenzen bleibt auch die Form einer Flamme bei der Verbrennung erhalten, was bei Brennern, die in Maschinen mit einer Stichflamme arbeiten, wesentlichIf the Wobbe index is kept constant, the heat delivered by the gas or gas mixture to a burner is also constant and independent of fluctuations in the individual values of the gases. Within certain limits, the shape of a flame is also retained during combustion, which is significantly more important for burners that work in machines with a jet flame.
ist. Dabei besteht die Möglichkeit, an Ort und Stelle anhand eines Wobbe-Index-Meßgerätes durch Zusatz von Luft den Wobbe-Index konstant zu halten. Dies ist besonders für die Erhöhung der Effektivität eines Einsatzes verschiedener Energieträger in der Gas- und Energiewirtschaft von Bedeutung. Folglich dienen Wobbe-Index-Meßgeräte letztlich zur Optimierung von Verbrennungsprozessen und zur Verringerung der Emissionen. Gleichzeitig werden gasförmige Brennstoffe besser ausgenutzt und energetische Prozesse in verschiedenen Industriezweigen stabilisiert.It is possible to keep the Wobbe index constant on site using a Wobbe index measuring device by adding air. This is particularly important for increasing the effectiveness of using different energy sources in the gas and energy industry. Consequently, Wobbe index measuring devices ultimately serve to optimize combustion processes and reduce emissions. At the same time, gaseous fuels are better utilized and energy processes in various industries are stabilized.
Ein Wobbe-Index-Meßgerät funktioniert prinzipiell in der Weise, daß Brennstoff (d.h. ein Gas bzw. Gasgemisch, in der Regel Erdgas) mit einer ausreichenden Menge Luft vermischt und dann verbrannt wird, und zwar so, daß eine vollständige Verbrennung stattfindet. Nach der Verbrennung wird entweder der Temperaturanstieg oder der Restsauerstoffgehalt im Verbrennungsgas bestimmt.A Wobbe index measuring device basically works in the following way: fuel (i.e. a gas or gas mixture, usually natural gas) is mixed with a sufficient amount of air and then burned in such a way that complete combustion takes place. After combustion, either the temperature increase or the residual oxygen content in the combustion gas is determined.
Bei der erstgenannten Alternative wird die Temperaturerhöhung (und damit die Verbrennungswärme H) an einer geeigneten Stelle über der Flamme in der Reaktionskammer gemessen. - Im letztgenannten Fall wird der Verbrauch an Luftsauerstoff für die vollständige Verbrennung mittels 5 einer Lambda-Sonde ermittelt (vergleiche insgesamt die EP-A 445 861, EP-A 405 693 und EP-A 323 658). Dieses Meßprinzip macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß der Restsauerstoffgehalt zum korrigierten stöchiometrischen Sauerstoffbedarf korrespondiert. Zwischen dem Wobbe-Index 0 und dem korrigierten stöchiometrischen Luft- bzw. Sauerstoffbedarf {Restsauerstoffgehalt) von Alkanen und Alkange-In the first alternative, the temperature increase (and thus the heat of combustion H) is measured at a suitable point above the flame in the reaction chamber. - In the latter case, the consumption of atmospheric oxygen for complete combustion is determined using a lambda probe (compare EP-A 445 861, EP-A 405 693 and EP-A 323 658). This measuring principle makes use of the knowledge that the residual oxygen content corresponds to the corrected stoichiometric oxygen requirement. There is a difference between the Wobbe index 0 and the corrected stoichiometric air or oxygen requirement (residual oxygen content) of alkanes and alkanes.
mischen besteht eine lineare Beziehung. Da Erdgase (und damit ein Großteil der zu untersuchenden Gase bzw. Gasgemische) überwiegend Alkane als Verbrennungskomponenten enthalten, dient der Restsauerstoffgehalt zur Bestimmung des (hiervon linear abhängigen) Wobbe-Indizes. Jedenfalls kann prinzipiell mittels beider vorgenannten Methoden der jeweilige Wobbe-Index des zu untersuchenden Gases bzw. Gasgemisches ermittelt werden.There is a linear relationship. Since natural gases (and thus a large proportion of the gases or gas mixtures to be examined) mainly contain alkanes as combustion components, the residual oxygen content is used to determine the Wobbe index (which is linearly dependent on this). In any case, in principle, the respective Wobbe index of the gas or gas mixture to be examined can be determined using both of the aforementioned methods.
Die bekannte Vorgehensweise setzt jedoch voraus, daß das zu untersuchende Gas obligatorisch in der Reaktionskammer mittels einer Flamme verbrannt wird. - Soll der Wobbe-Index von insbesondere niederkalorischen Gasen ermittelt werden, ergibt sich das Problem, daß aufgrund deren niedrigem Brennwert eine kontinuierliche Verbrennung in einer Flamme nicht mehr gewährleistet ist. Folglich hat man in der Vergangenheit vorgeschlagen, das zu untersuchende niederkalorische Gas in einem definierten Verhältnis mit einem hochkalorischen Gas, d.h. einem Gas mit hohem Brennwert, zu mischen. Anschließend wird der Wobbe-Index dieses Mischgases bestimmt.However, the known procedure requires that the gas to be examined is burned in the reaction chamber using a flame. - If the Wobbe index of low-calorific gases in particular is to be determined, the problem arises that continuous combustion in a flame is no longer guaranteed due to their low calorific value. Consequently, in the past it has been proposed to mix the low-calorific gas to be examined in a defined ratio with a high-calorific gas, i.e. a gas with a high calorific value. The Wobbe index of this mixed gas is then determined.
Eine solche Vorgehensweise ist jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet, da nicht zu vermeidende Meßfehler eine überproportionale Auswirkung auf den (geringen) Anteil des niederkalorischen Gases in dem Mischgas haben. So führt bereits ein relativer Fehler von lediglich 0,5 % des Meßbereichsendwertes bei einer Mischung aus gleichen Teilen von Methan (Wobbe-Index = WI = 39,8 MJ/m3) mit niederkalorischem Hochofengas (WI =4,5 MJ/m3) zu einem Mischgas mit einem Wobbe-Index von WI = 22,5 MJ/m3 und zu einem abso-However, such a procedure is subject to great uncertainty, as unavoidable measurement errors have a disproportionate effect on the (small) proportion of low-calorific gas in the mixed gas. For example, a relative error of just 0.5% of the measuring range end value in a mixture of equal parts of methane (Wobbe index = WI = 39.8 MJ/m 3 ) with low-calorific blast furnace gas (WI = 4.5 MJ/m 3 ) leads to a mixed gas with a Wobbe index of WI = 22.5 MJ/m 3 and an absolute
luten Fehler für den Wobbe-Index in der Größenordnung von
ca. 12 0 kJ/m3. Dieser absolute Fehler korrespondiert nun zu
einem relativen Fehler von ca. 3 % für das eigentlich zu messende Gas (Hochofengas).
5The error for the Wobbe index is in the order of about 12 0 kJ/m 3 . This absolute error corresponds to a relative error of about 3 % for the gas actually to be measured (blast furnace gas).
5
Hinzu kommen Fehler beim Mischen, die sich einerseits auf Temperatur - anderseits auf Druckschwankungen zurückführen lassen. Jedenfalls besteht bei der vorgenannten bekannten Vorgehensweise das Problem, daß der solchermaßen ermittelte Wobbe-Index mit einem großen Fehler behaftet ist, folglich sich weder für Regelungsaufgaben (in einem nachgeschalteten Verbrennungsprozeß des zuvor untersuchten Gases bzw. Gasgemisches) , noch für eine etwaige Abrechnung des Heizwertes eignet. - Hier setzt die Erfindung ein.In addition, there are errors during mixing, which can be attributed to temperature on the one hand and pressure fluctuations on the other. In any case, the problem with the above-mentioned known procedure is that the Wobbe index determined in this way is subject to a large error, and is therefore neither suitable for control tasks (in a downstream combustion process of the previously examined gas or gas mixture) nor for any calculation of the calorific value. This is where the invention comes in.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen und aus der Praxis bekannten Ausführungsform so weiterzubilden, daß der Wobbe-Index einwandfrei gemessen wird - auch bei niederkalorischen Gasen 0 bzw. Gasgemischen.The invention is based on the object of developing a device of the embodiment described at the outset and known from practice in such a way that the Wobbe index is measured correctly - even with low-calorific gases 0 or gas mixtures.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Wobbe-Indizes von Gasen, insbesondere niederkalorischen Gasen, vor, daß die Reaktionskammer einen Katalysator für die katalytische Verbrennung der Gasluftmischung zum Verbrennungsgas aufweist. Nach bevorzugter Ausführungsform ist der Katalysator als Edelmetall-Katalysator mit einem Trägermaterial und einer aktiven Edelmetall-Beschichtung aus z.B. Platin (Pt), Rhodium (Rh) oder Palladium (Pd) ausgebildet. Bei dem Trägermaterial handelt es sich im allgemeinen um ein fein-To solve this problem, the invention proposes that the reaction chamber has a catalyst for the catalytic combustion of the gas-air mixture to form the combustion gas. According to a preferred embodiment, the catalyst is designed as a noble metal catalyst with a carrier material and an active noble metal coating made of, for example, platinum (Pt), rhodium (Rh) or palladium (Pd). The carrier material is generally a fine-
körniges poröses Pulver - oder Feststoffmaterial, z.B. Granulat oder aus Keramik (Al2O3) gesinterte Monolithe. - Unter der aktiven Edelmetall-Beschichtung ist der die eigentliche Katalyse, d.h. den chemischen Verbrennungsvorgang ohne dauernde Veränderung beschleunigende Stoff, zu verstehen. Im übrigen ist der Katalysator im allgemeinen an die Zusammensetzung des zu untersuchenden Gases anpaßbar. Diese Anpassung erfolgt in der Regel durch gezielte Auswahl der aktiven Edelmetall-Beschichtung. Selbstverständlich kann auch das Trägermaterial entsprechend variiert werden. Jedenfalls wird im Rahmen der Erfindung insgesamt eine Vorrichtung zum flammenlosen Messen des Wobbe-Indizes zur Verfügung gestellt.granular porous powder or solid material, eg granules or monoliths sintered from ceramic (Al 2 O 3 ). - The active precious metal coating is the substance that accelerates the actual catalysis, ie the chemical combustion process without permanent change. Furthermore, the catalyst can generally be adapted to the composition of the gas to be examined. This adaptation is usually carried out by targeted selection of the active precious metal coating. Of course, the carrier material can also be varied accordingly. In any case, within the scope of the invention, a device for flameless measurement of the Wobbe index is provided.
Eine derartige Vorgehensweise ist mit mehreren Vorteilen verbunden. So besteht nach Lehre der Erfindung die Möglichkeit auch niederkalorische Gase hinsichtlich des Wobbe-Indizes einwandfrei vermessen zu können. Denn auf eine Mischung mit einem Gas hohen Brennwertes wird bewußt verziehtet. Folglich können die eingangs beschriebenen Fehler nicht - jedenfalls nicht in dem angeführten Ausmaß - auftreten. Dementsprechend lassen sich die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermessenen insbesondere niederkalorischen Gase bzw. Gasgemische problemlos in nachgeschalteten Industrieprozessen als Energieträger einsetzen. Ein Abfackeln derartiger Gase oder sogar deren unverbrannte Abgabe an die Umwelt ist nicht mehr erforderlich. Vielmehr läßt sich der Energieinhalt auch solcher Gase einwandfrei nutzen, wobei zugleich verschärfte Umweltauflagen 0 berücksichtigt werden. Hinzu kommt, daß selbst geringste Qualitätsschwankungen des anschließend zu verbrennendenSuch a procedure has several advantages. According to the teaching of the invention, it is possible to measure even low-calorie gases with regard to the Wobbe index without any problems. This is because a mixture with a gas with a high calorific value is deliberately avoided. Consequently, the errors described at the beginning cannot occur - at least not to the extent mentioned. Accordingly, the low-calorie gases or gas mixtures measured with the device according to the invention can be used as energy sources in downstream industrial processes without any problems. Flaring of such gases or even their unburned release into the environment is no longer necessary. Rather, the energy content of such gases can also be used without any problems, while at the same time taking into account stricter environmental regulations. In addition, even the smallest fluctuations in the quality of the gas to be burned afterwards
(Erd-)Gases einwandfrei und zuverlässig erfaßt werden. Praktisch wird mit der Erfindung die Verbrennung und damit die Energieerzeugung aus vorher ungenutzten Gasen ermöglicht. Dabei ist darauf zu achten, daß die Reaktionskammer so dimensoniert ist, daß die Verweilzeit des zu untersuchenden Gases bzw. Gasgemisches für eine vollständige Oxidation ausreicht. Auch ist der Katalysator hinsichtlich des Trägermaterials und der eingesetzten aktiven Edelmetall-Beschichtung entsprechend anzupassen, so daß mit jeweils großer aktiver Oberfläche gearbeitet werden kann, um die Verbrennung möglichst effektiv zu gestalten. Hierin sind die wesentlichen Vorteile der Erfindung zu sehen.(Natural) gas can be detected perfectly and reliably. In practice, the invention enables combustion and thus the generation of energy from previously unused gases. It is important to ensure that the reaction chamber is dimensioned so that the residence time of the gas or gas mixture to be examined is sufficient for complete oxidation. The catalyst must also be adapted accordingly in terms of the carrier material and the active precious metal coating used, so that a large active surface can be used in order to make combustion as effective as possible. This is where the main advantages of the invention can be seen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im folgenden beschrieben. So ist nach einem Vorschlag der Erfindung, dem selbständige Bedeutung zukommt, beabsichtigt, daß der Katalysator eine ihn umschließende Heizung sowie eine im Katalysator angebrachte Temperaturmeßeinrichtung und eine Regeleinrichtung für die Heizung aufweist. Dabei wird die der Heizung zugeführte (in der Regel elektrische) Leistung in Abhängigkeit von einem mittels der Temperaturmeßeinrichtung erfaßten Temperaturistwert im Vergleich zu einem zur Arbeitstemperatur des Katalysators korrespondierenden TemperaturSollwert geregelt. Unter der Arbeitstemperatur des Katalysators ist die für eine effektive Katalyse, d.h. Oxidation des Gases bzw. Gasgemisches, optimale Temperatur zu verstehen. Diese liegt in der Regel bei mehreren 1000C bis zu maximal 10000C. Jedenfalls ist für die Einstellung der Arbeitstemperatur des Katalysators die vorbeschriebene (elektrische) Heizung erforderlich.Further advantageous embodiments are described below. According to a proposal of the invention, which is of independent importance, the catalyst is intended to have a heater enclosing it, as well as a temperature measuring device installed in the catalyst and a control device for the heater. The power supplied to the heater (usually electrical) is controlled as a function of an actual temperature value recorded by the temperature measuring device in comparison to a temperature setpoint corresponding to the working temperature of the catalyst. The working temperature of the catalyst is to be understood as the optimum temperature for effective catalysis, i.e. oxidation of the gas or gas mixture. This is usually several 100 °C up to a maximum of 1000 ° C. In any case, the (electrical) heater described above is required to set the working temperature of the catalyst.
Da gleichzeitig durch die Verbrennung bzw. Oxidation des Gases bzw. Gasgemisches dem Katalysator Wärmeenergie zugeführt wird, besteht die Gefahr einer Überhitzung. Im übrigen wird auf diese Weise der optimale Arbeitstemperaturbereich verlassen. Schlimmstenfalls besteht durch Überhitzung die Gefahr, daß das feinkörnige Trägermaterial des Katalysators oder das Feststoffmaterial verbacken oder sich gar die aktive Edelmetall-Beschichtung ablöst. Dies will man auf jeden Fall verhindern, wozu die vorerwähnte Regeleinrichtung dient. Diese wird so eingestellt, daß die gesamte zugeführte (elektrische und thermische) Energie gerade ausreicht, um die Arbeitstemperatur des Katalysators sicher beizubehalten. Hierzu dient ein Vergleich der Temperatur des Katalysators (Temperaturistwert) mit dem zur Arbeitstemperatur gehörigen Temperatursollwert. Je nach dem, wie dieser Vergleich ausfällt, wird die der Heizung zugeführte (elektrische) Leistung geregelt.Since thermal energy is simultaneously supplied to the catalyst through the combustion or oxidation of the gas or gas mixture, there is a risk of overheating. Moreover, the optimal working temperature range is exceeded in this way. In the worst case, overheating poses the risk that the fine-grained carrier material of the catalyst or the solid material will cake or even that the active precious metal coating will come off. This is something that we want to prevent at all costs, which is what the aforementioned control device is used for. This is set so that the total (electrical and thermal) energy supplied is just enough to safely maintain the working temperature of the catalyst. This is done by comparing the temperature of the catalyst (actual temperature value) with the temperature setpoint corresponding to the working temperature. The (electrical) power supplied to the heater is regulated depending on the result of this comparison.
Dabei kann die Regeleinrichtung zusätzlich noch den Durch-0 fluß des zu messenden Gases drosseln, und zwar dadurch, daß eine an die Regeleinrichtung angeschlossene und von dieser beaufschlagbare Drossel in der Zuleitung vorgesehen ist. Eine solche Drosselung empfiehlt sich insbesondere bei stark schwankenden Heizwerten bzw. schwankender Verbrennungswärme des zu messenden Gases. Selbstverständlich korrespondiert eine derartige Schwankung (aufgrund der linearen Abhängigkeit des Wobbe-Indizes von der Verbrennungswärme) auch zu entsprechenden Schwankungen beim Wobbe-Index. Jedenfalls besteht die Möglichkeit, mittels 0 der Regeleinrichtung die Zufuhr an zu messendem Gas bzw.The control device can also throttle the flow of the gas to be measured by installing a throttle in the supply line that is connected to the control device and can be acted upon by it. Such throttling is particularly recommended in the case of strongly fluctuating calorific values or fluctuating heat of combustion of the gas to be measured. Of course, such a fluctuation (due to the linear dependence of the Wobbe index on the heat of combustion) also corresponds to corresponding fluctuations in the Wobbe index. In any case, it is possible to use the control device to regulate the supply of gas to be measured or the heat of combustion.
Gasgemisch entsprechend zu drosseln, falls dies die ermittelten Meßwerte (des Wobbe-Indizes) erfordern.Gas mixture must be throttled accordingly if the measured values (of the Wobbe index) require this.
In diesem Zusammenhang ist weiter vorgesehen, eine Übertemperaturmeßeinrichtung - zusätzlich zu der bereits vorhandenen Temperaturmeßeinrichtung - im Katalysator zu verwirklichen, welche in der Art eines Grenzwertschalters die Zuleitung bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur im Katalysator mittels eines Sperrventils absperrt.In this context, it is also planned to implement an excess temperature measuring device - in addition to the already existing temperature measuring device - in the catalytic converter, which, in the manner of a limit switch, shuts off the supply line by means of a shut-off valve when a predetermined limit temperature in the catalytic converter is exceeded.
Das heißt, diese Übertemperaturmeßeinrichtung spricht spätestens dann an, wenn im Katalysator Temperaturen erreicht werden, die diesen zerstören können, d.h. sobald Temperaturen von ca. 10000C erreicht werden. In der Art eines Grenzwertschalters sorgt die Übertemperaturmeßeinrichtung in einem solchen Fall des Überschreitens einer vorgegebenen Grenztemperatur mittels eines Sperrventiles dafür, daß die Zuleitung vollständig geschlossen wird, folglich kein weiteres Gas in die Reaktionskammer gelangen kann und dort zu einer weiteren Erhitzung führt. Sinn-0 vollerweise wird man diese Übertemperaturmeßeinrichtung gleichzeitig mit einem Abschalter oder Unterbrecher für die (elektrische) Heizung verbinden.This means that this overtemperature measuring device responds at the latest when temperatures are reached in the catalyst that can destroy it, ie as soon as temperatures of approx. 1000 0 C are reached. In the manner of a limit switch, the overtemperature measuring device ensures that in such a case of a predetermined limit temperature being exceeded by means of a shut-off valve that the supply line is completely closed, thus preventing any further gas from entering the reaction chamber and causing further heating there. It makes sense to connect this overtemperature measuring device at the same time to a switch or interrupter for the (electrical) heating.
Bei der Reaktionskammer handelt es sich im allgemeinen um ein Isoliergehäuse, z.B. einen Hohlquader oder Hohlzylinder, mit einer Füllung aus im wesentlichen dem Katalysator. Hauptsächlich ist das Isoliergehäuse aus Stahl, insbesondere Edelstahl, mit einer Isolierbeschichtung aus z.B. Glaswolle gefertigt. Auf diese Weise lassen sich nicht nur 0 die im Inneren auftretenden Temperaturen problemlos aufnehmen, sondern es kann gleichzeitig mit geringen elektrischenThe reaction chamber is generally an insulating housing, e.g. a hollow cuboid or hollow cylinder, with a filling consisting essentially of the catalyst. The insulating housing is mainly made of steel, in particular stainless steel, with an insulating coating made of e.g. glass wool. In this way, not only 0 the temperatures occurring inside can be easily absorbed, but at the same time it can be operated with low electrical
Heizleistungen gearbeitet werden, da die Glaswolle für die nötige thermische Isolation sorgt. Darüber hinaus kann das Isoliergehäuse zumindest eine Zuleitung für die Zufuhr der Gasluftmischung und zumindest eine Ableitung für die Abfuhr des Verbrennungsgases aufweisen. Dabei ist die Auslegung im allgemein so getroffen, daß das Isoliergehäuse, der Katalysator und die ihn umschließende Heizung jeweils symmetrisch in Bezug auf eine gemeinsame Spiegelebene oder Spiegelachse angeordnet sind. Die Zu- und Ableitung können sich entlang dieser Spiegelebene oder Spiegelachse erstrecken oder auf dieser angeordnet sein. Sofern das Isoliergehäuse insgesamt als Hohlzylinder ausgeführt ist, sind in der Regel Zu- und Ableitung, Katalysator, Heizung und Isoliergehäuse konzentrisch im Vergleich zu der Spiegelachse angeordnet bzw. ausgeführt.Heating outputs can be used because the glass wool provides the necessary thermal insulation. In addition, the insulating housing can have at least one supply line for the supply of the gas-air mixture and at least one discharge line for the discharge of the combustion gas. The design is generally such that the insulating housing, the catalyst and the heater enclosing it are each arranged symmetrically in relation to a common mirror plane or mirror axis. The supply and discharge lines can extend along this mirror plane or mirror axis or be arranged on it. If the insulating housing is designed as a hollow cylinder, the supply and discharge lines, catalyst, heater and insulating housing are usually arranged or designed concentrically in relation to the mirror axis.
Die Bestimmung des Wobbe-Indizes kann i. d. Regel an Hand der in der Reaktionskammer im Zuge der Verbrennung bzw. Oxidation des zu untersuchenden Gases entstehenden Verbrennungswärme oder über den Restsauerstoffgehalt im Verbrennungsgas ermittelt werden. Beide diesbezüglichen Vorgehensweisen sind in der Einleitung bereits ausführlich erläutert worden. Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt so vorgegangen, daß die Meßeinrichtung zur Ermittlung des Restsauerstoffgehaltes im Verbrennungsgas als Lambda-Sonde mit einem Keramikkörper aus z.B. Zirkondioxid (ZrO2) ausgebildet ist. Das heißt, es kann praktisch eine Lambda-Sonde eingesetzt werden, wie sie im Automobilbereich millionenfach bewährt ist, dementsprechend zuverlässig funktioniert und preisgünstig zur Verfügung steht.The Wobbe index can generally be determined using the heat of combustion generated in the reaction chamber during the combustion or oxidation of the gas to be examined or using the residual oxygen content in the combustion gas. Both of these procedures have already been explained in detail in the introduction. Within the scope of the invention, the preferred procedure is that the measuring device for determining the residual oxygen content in the combustion gas is designed as a lambda probe with a ceramic body made of zirconium dioxide (ZrO 2 ), for example. This means that a lambda probe can be used, as has been tried and tested millions of times in the automotive sector, works reliably and is available at a reasonable price.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Meßeinrichtung an einen Rechner anzuschließen, wobei mittels des Rechners Schwankungen des Restsauerstoffgehaltes durch beispielsweise Differenzieren des Restsauerstoffgehaltes über die Zeit ausgewertet werden, und wobei in Abhängigkeit von ermittelten Schwankungswerten und/oder einer Schwankungsbreite die Drossel in der Zuleitung angesteuert wird, um die Zufuhr der Gasluftmischung optional zu reduzieren. In diesen Rechner kann darüber hinaus die Regeleinrichtung für die Heizung integriert sein. Folglich übernimmt der Rechner insgesamt die Steuerung bzw. Regelung der Heizung sowie die Steuerung der Drossel in der Zuleitung, und zwar in Abhängigkeit von Schwankungen des Restsauerstoffgehaltes. Das heißt, die vorerwähnte Lambda-Sonde ist ebenso wie die Drossel an den Rechner angeschlossen. Selbstverständlich kann auch die vorbeschriebene Übertemperaturmeßeinrichtung mittels des Rechners realisiert werden, indem eine Temperatursonde an den Rechner angeschlossen und hinsichtlich des Überschreitens eines gewissen Grenzwertes überwacht wird.It is also possible to connect the measuring device to a computer, whereby fluctuations in the residual oxygen content are evaluated by means of the computer, for example by differentiating the residual oxygen content over time, and whereby the throttle in the supply line is controlled depending on the fluctuation values determined and/or a fluctuation range in order to optionally reduce the supply of the gas-air mixture. The control device for the heating can also be integrated into this computer. Consequently, the computer takes over the overall control or regulation of the heating as well as the control of the throttle in the supply line, depending on fluctuations in the residual oxygen content. This means that the aforementioned lambda sensor is connected to the computer as well as the throttle. Of course, the above-described excess temperature measuring device can also be implemented using the computer by connecting a temperature probe to the computer and monitoring it for exceeding a certain limit value.
0 In Abhängigkeit hiervon kann das gleichfalls an den Rechner angeschlossene Sperrventil zur Absperrung angesteuert werden. Außerdem besteht die Möglichkeit einen mit dem Rechner verbundenen Abschalter bzw. Unterbrecher für die Heizung bei Überschreiten der Grenztemperatur auszulösen.0 Depending on this, the shut-off valve, which is also connected to the computer, can be controlled to shut it off. It is also possible to trigger a switch or interrupter for the heating, which is connected to the computer, if the limit temperature is exceeded.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:The invention is explained in more detail below using a drawing which merely represents an exemplary embodiment; showing:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Blockschaltbild undFig. 1 shows a device according to the invention as a block diagram and
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Fig. 2 einen Schnitt durch die verwendete Reaktionskammer.Fig. 2 shows a section through the reaction chamber used.
In den Figuren ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wobbe-Indizes von Gasen, insbesondere niederkalorischen Gasen, gezeigt. Bei diesen Gasen handelt es sich im allgemeinen um Erdgas oder auch Hochofengas, dessen Brennwert zur weiteren Energieerzeugung möglichst konstant gehalten werden soll. Dies geschieht durch Zugabe eines Oxidations-Gases, im Ausführungsbeispiel Luft, und Bestimmung des Wobbe-Indi zes.The figures show a device for determining the Wobbe index of gases, in particular low-calorific gases. These gases are generally natural gas or blast furnace gas, the calorific value of which should be kept as constant as possible for further energy production. This is done by adding an oxidizing gas, in the example air, and determining the Wobbe index.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einer (nicht gezeigten) Mischeinrichtung zum Vermischen des zu untersuchenden Gases mit einem Oxidationsgas bzw. Luft zu einer Gasluftmischung. An die Mischeinrichtung ist eine Reaktionskammer 1 angeschlossen, um die Gasluftmischung zu einem Verbrennungsgas zu oxidieren. Zu diesem Zweck sind eine Zuleitung 2 für die 0 Zufuhr der Gasluftmischung und eine Ableitung 3 für die Abfuhr des Verbrennungsgases vorgesehen. Ferner findet sich eine an die Reaktionskammer 1 angeschlossene Meßeinrichtung 4 zur Ermittlung der Verbrennungswärme oder des Restsauerstoff gehalt es im Verbrennungsgas und damit des Wobbe-Indizes. Nach dem Ausführungsbeispiel wird der Restsauerstoffgehalt mittels einer Lambda-Sonde 4 erfaßt. Diese Lambda-Sonde 4 weist einen im wesentlichen zweiteiligen Keramikkörper auf. Der eine Teil des Keramikkörpers befindet sich im Strom des Verbrennungsgases, während der andere Teil mit 0 der Außenluft in Verbindung steht. Die Oberflächen des Keramikkörpers aus Zirkondioxid (ZrO2) sind mit ElektrodenThe device shown in Fig. 1 and 2 consists in its basic structure of a mixing device (not shown) for mixing the gas to be examined with an oxidizing gas or air to form a gas-air mixture. A reaction chamber 1 is connected to the mixing device in order to oxidize the gas-air mixture to form a combustion gas. For this purpose, a feed line 2 for the supply of the gas-air mixture and a discharge line 3 for the discharge of the combustion gas are provided. Furthermore, there is a measuring device 4 connected to the reaction chamber 1 for determining the heat of combustion or the residual oxygen content in the combustion gas and thus the Wobbe index. According to the exemplary embodiment, the residual oxygen content is detected by means of a lambda probe 4. This lambda probe 4 has a ceramic body essentially made up of two parts. One part of the ceramic body is in the flow of the combustion gas, while the other part is in contact with the outside air. The surfaces of the ceramic body made of zirconium dioxide (ZrO 2 ) are coated with electrodes
Mt* M ·· **t ,*% **&phgr;&Igr; Mt* M ·· ** t ,*% ** ϕ &Igr;
aus einer gasdurchlässigen dünnen Platinschicht versehen. Das verwendete Keramikmaterial der Lambda-Sonde 4 wird bei Temperaturen ab etwa 3 00 0C für Sauerstoffionen leitend. Ist der Sauerstoffanteil auf beiden Seiten der Lambda-Sonde 4 verschieden groß, so entsteht aufgrund der besonderen Eigenschaften des verwendeten Werkstoffes zwischen den beiden Grenzflächen eine elektrische Spannung, welche ein MaS für den Unterschied des Sauerstoffanteils auf beiden Seiten der Lambda-Sonde 4 ist. Jedenfalls läßt sich mit dieser Meßeinrichtung bzw. Lambda-Sonde 4 der Restsauerstoff gehalt im Verbrennungsgas ermitteln. Da der Wobbe-Index im allgemeinen linear von dem Restsauerstoffgehalt abhängt, kann er direkt aus der Messung abgeleitet werden. Regelmäßig dient hierzu der an die Lambda-Sonde 4 angeschlossene Rechner 5.made of a gas-permeable thin platinum layer. The ceramic material used for the lambda probe 4 becomes conductive for oxygen ions at temperatures above about 3 00 0 C. If the oxygen content on both sides of the lambda probe 4 is different, an electrical voltage is generated between the two interfaces due to the special properties of the material used, which is a measure of the difference in the oxygen content on both sides of the lambda probe 4. In any case, the residual oxygen content in the combustion gas can be determined using this measuring device or lambda probe 4. Since the Wobbe index is generally linearly dependent on the residual oxygen content, it can be derived directly from the measurement. The computer 5 connected to the lambda probe 4 is usually used for this purpose.
Ausweislich der Fig. 2 weist die Re ak ti ons kammer 1 einen Katalysator 6 für die katalytische Verbrennung der Gasluftmischung zum Verbrennungsgas auf. Bei dem Katalysator 6 0 handelt es sich nach dem Ausführungsbeispiel um einen Edelmetall-Katalysator mit einem Trägermaterial und einer aktiven Edelmetall-Beschichtung. Diese Edelmetall-Beschichtung kann z.B. aus Platin (Pt), Rhodium (Rh) oder Palladium (Pd) bestehen. Als Trägermaterial kommt im allgemeinen feinkörniges poröses Pulver oder Feststoffmaterial zum Einsatz, z.B. Granulat oder aus Keramik (Al2O3) gesinterte Monolithe. Dabei ist der Katalysator 6 an die Zusammensetzung des zu untersuchenden Gases oder Gasgemisches anpaßbar.As shown in Fig. 2, the reaction chamber 1 has a catalyst 6 for the catalytic combustion of the gas-air mixture to form the combustion gas. The catalyst 60 according to the embodiment is a noble metal catalyst with a carrier material and an active noble metal coating. This noble metal coating can consist of platinum (Pt), rhodium (Rh) or palladium (Pd), for example. Fine-grained porous powder or solid material is generally used as the carrier material, e.g. granulate or monoliths sintered from ceramic (Al 2 O 3 ). The catalyst 6 can be adapted to the composition of the gas or gas mixture to be examined.
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Nach Fig. 2 ist eine den Katalysator 6 umschließende Heizung 7 vorgesehen. Bei dieser Heizung 7 handelt es sich um eine elektrische Heizung, die durch eine Spule in Fig. 1 angedeutet ist. Ferner finden sich eine im Katalysator 6 angebrachte Temperaturmeßeinrichtung 8 und eine Regeleinrichtung 9 für die Heizung 7. Dabei wird die der Heizung 7 zugeführte elektrische Leistung in Abhängigkeit von einem mittels der Temperaturmeßeinrichtung 8 erfaßten Temperaturistwert im Vergleich zu einem zur Arbeitstemperatur des Katalysators 6 korrespondierenden Temperatursollwert geregelt . Diese Regelung wird von dem Rechner 5 vorgenommen, in welchen die Regeleinrichtung 9 integriert ist. Zusätzlich findet sich eine an die Regeleinrichtung 9 angeschlossene und von dieser beaufschlagbare Drossel 10 in der Zuleitung 2 (vgl. Fig. 1). Mit Hilfe dieser Drossel 10 kann die Zufuhr der Gasluftmischung reguliert bzw. gedrosselt werden, sofern im Katalysator 6 zu hohe Temperaturen herrschen. Diese Maßnahme kann alternativ oder zusätzlich zur Regelung der Heizung 7 erfolgen. Auch ist eine 0 Drosselung für den Fall vorgesehen, daß der mittels der Lambda-Sonde 4 gemessene Restsauerstoffgehalt zu sehr schwankt. Zu diesem Zweck werden mittels des Rechners 5 Schwankungen des Restsauerstoffgehaltes durch Differenzieren des Restsauerstoffgehaltes über die Zeit ausgewertet. In Abhängigkeit von den ermittelten Schwankungswerten und/oder einer Schwankungsbreite wird die Drossel 10 in der Zuleitung 2 angesteuert, um die Zufuhr der Gasmischung optional zu reduzieren.According to Fig. 2, a heater 7 is provided that surrounds the catalyst 6. This heater 7 is an electric heater, which is indicated by a coil in Fig. 1. There is also a temperature measuring device 8 installed in the catalyst 6 and a control device 9 for the heater 7. The electrical power supplied to the heater 7 is regulated as a function of an actual temperature value recorded by the temperature measuring device 8 in comparison to a temperature setpoint corresponding to the working temperature of the catalyst 6. This regulation is carried out by the computer 5, in which the control device 9 is integrated. In addition, there is a throttle 10 connected to the control device 9 and acted upon by it in the supply line 2 (see Fig. 1). With the help of this throttle 10, the supply of the gas-air mixture can be regulated or throttled if the temperatures in the catalyst 6 are too high. This measure can be carried out as an alternative or in addition to the regulation of the heater 7. A 0 throttling is also provided in the event that the residual oxygen content measured by the lambda sensor 4 fluctuates too much. For this purpose, the computer 5 evaluates fluctuations in the residual oxygen content by differentiating the residual oxygen content over time. Depending on the determined fluctuation values and/or a fluctuation range, the throttle 10 in the supply line 2 is controlled in order to optionally reduce the supply of the gas mixture.
Zusätzlich zu der bereits beschriebenen Temperaturmeßeinrichtung 8 ist eine Übertemperaturmeßeinrichtung 11 im Ka-In addition to the temperature measuring device 8 already described, an overtemperature measuring device 11 is provided in the
talysator 6 vorgesehen, welche in der Art eines Grenzwertschalters die Zuleitung 2 bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur im Katalysator 6 mittels eines Sperrventils 10 absperrt. Bei diesem Sperrventil 10 handelt es sich nach dem Ausführungsbeispiel um die bereits beschriebene Drossel 10. Selbstverständlich kann auch ein separates Sperrventil 10 verwirklicht sein. Jedenfalls ist die Übertemperaturmeßeinrichtung 11 an den Rechner 5 angeschlossen, welcher bei Überschreiten der Grenztemperatur (regelmäßig ca. 1000 0C) die Drossel 10 sperrt. Gleichzeitig kann auch die Heizung 7 von dem Rechner 5 abgeschaltet werden. Zu diesem Zweck findet sich ein Unterbrecher 12 in der Zuleitung für die Heizung 7.catalytic converter 6 is provided, which, in the manner of a limit switch, shuts off the supply line 2 by means of a shut-off valve 10 when a predetermined limit temperature in the catalytic converter 6 is exceeded. According to the exemplary embodiment, this shut-off valve 10 is the throttle 10 already described. Of course, a separate shut-off valve 10 can also be implemented. In any case, the excess temperature measuring device 11 is connected to the computer 5, which shuts off the throttle 10 when the limit temperature is exceeded (normally around 1000 0 C). At the same time, the heater 7 can also be switched off by the computer 5. For this purpose, there is an interrupter 12 in the supply line for the heater 7.
Ausweislich der Fig. 2 ist die Reaktionskammer 1 als Isoliergehäuse 1 mit einer Füllung aus im wesentlichen dem Katalysator 6 ausgebildet. Dieses Isoliergehäuse 1 kann als Hohlquader oder Hohlzylinder ausgeführt sein. Es besteht nach dem Ausführungsbeispiel aus Edelstahl und weist eine Isolierbeschxchtung aus Glaswolle auf. Zusätzlich findet sich eine Schicht 13 aus Glaswolle fußseitig des Katalysators 6. Diese Schicht 13 dient dazu, zu verhindern, daß Katalysatormaterial in die Zuleitung 2 gelangt. Das Isoliergehäuse 1, der Katalysator 6 und die ihn umschließende Heizung 7 sind jeweils symmetrisch in Bezug auf eine gemeinsame Spiegelebene S angeordnet. Im Falle der Ausführung des Isoliergehäuses 1 als Hohlzylinder kann es sich auch um eine Spiegelachse S handeln. Jedenfalls erstrecken sich die Zuleitung 2 und die Ableitung 3 entlang dieser Spiegelebene 0 bzw. Spiegelachse S. Für den Fall, daß das Isoliergehäuse 1 ein Hohlzylinder ist, liegen die Zuleitung 2 und dieAccording to Fig. 2, the reaction chamber 1 is designed as an insulating housing 1 with a filling consisting essentially of the catalyst 6. This insulating housing 1 can be designed as a hollow cuboid or hollow cylinder. According to the embodiment, it is made of stainless steel and has an insulating coating of glass wool. In addition, there is a layer 13 of glass wool on the base side of the catalyst 6. This layer 13 serves to prevent catalyst material from getting into the feed line 2. The insulating housing 1, the catalyst 6 and the heater 7 surrounding it are each arranged symmetrically with respect to a common mirror plane S. If the insulating housing 1 is designed as a hollow cylinder, this can also be a mirror axis S. In any case, the feed line 2 and the discharge line 3 extend along this mirror plane 0 or mirror axis S. In the event that the insulating housing 1 is a hollow cylinder, the feed line 2 and the
Ableitung 3 auf dieser Spiegelachse und das Isoliergehause 1, der Katalysator 6 und die ihn umschließende Heizung 7 sind hierzu jeweils konzentrisch angeordnet.The discharge line 3 is arranged on this mirror axis and the insulating housing 1, the catalyst 6 and the heater 7 surrounding it are each arranged concentrically.
Claims (15)
25characterized in that the measuring device (4) for determining the residual oxygen content in the combustion gas is designed as a lambda probe (4) with a ceramic body made of e.g. zirconium dioxide.
25
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|---|---|
| DE (1) | DE29715633U1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10158077C1 (en) * | 2001-11-27 | 2003-01-23 | Ams Analysen Mess Und Systemte | Determining density of measuring gas, especially fuel gas, involves passing measuring gas and reference gas through apertures and mixing together |
| EP2015058A1 (en) * | 2007-07-13 | 2009-01-14 | General Electric Company | Wobbe index sensor system |
| DE102015107751A1 (en) | 2015-05-18 | 2016-11-24 | Uwe Lawrenz | Method and device for continuous calorific value measurement in process gases |
| DE102015118728A1 (en) * | 2015-11-02 | 2017-05-04 | Hochschule Bonn-Rhein-Sieg | Qualitative analysis system for energetic materials |
| US9851317B2 (en) | 2013-02-19 | 2017-12-26 | Continental Automotive Gmbh | Device for ascertaining a measure of a caloric value of a gas |
-
1997
- 1997-08-30 DE DE29715633U patent/DE29715633U1/en not_active Expired - Lifetime
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| DE102015107751B4 (en) | 2015-05-18 | 2018-05-17 | Uwe Lawrenz | Method and device for continuous calorific value measurement in process gases |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19980108 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20001106 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20030801 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20050804 |
|
| R071 | Expiry of right |