DE4025808A1

DE4025808A1 - Verfahren zur ueberwachung von reaktoren zur partialoxidation

Info

Publication number: DE4025808A1
Application number: DE4025808A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Goehler; Roland Dipl Ing Bianchin; Werner Dipl Ing Franke; Guenter Dipl Ing Zobel; Juergen Dipl Ing Hoffmann; Guenther Dipl Phys Berndt; Lutz Barchmann
Original assignee: Deutsches Brennstoffinstitut Ig O-9200 Freiberg De GmbH; Deutsches Brennstoffinstitut GmbH
Current assignee: Noell-Dbi Energie- und Entsorgungstechnik O- GmbH
Priority date: 1989-12-27
Filing date: 1990-08-16
Publication date: 1991-01-31
Also published as: DD300200A7

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Reakto ren zur Partialoxidation von Brennstoffen in Form einer Flammen reaktion. Das Verfahren ist insbesondere bestimmt für die Über wachung von Reaktoren zur Erzeugung eines CO- und H₂-haltigen Gases durch Partialoxidation von staubförmigen Brennstoffen mit technischem Sauerstoff bei erhöhtem Druck.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der Gaserzeugungstechnik ist die Partialoxidation von Kohlenwasserstoffen oder staubförmigen festen Brennstoffen mit technischem Sauerstoff eingeführt. Bei Verfahren dieser Art wird der Brennstoff in Form einer Flammenreaktion zu einem H₂- und CO- reichem Gas umgesetzt, das als Synthesegas, Reduktionsgas oder Brenngas Verwendung findet. Häufig wird die Partialoxidation unter hohem Druck ausgeführt. Für die Steuerung und die Gewähr leistung der technischen Sicherheit solcher Anlagen ist die Über wachung der sich im Reaktionsraum ausbildenden Flamme notwendig.

Es ist bekannt, diese Überwachung auf optischem Wege vorzunehmen. Dazu sind von der Flamme ausgehende optische Signale in der Form elektromagnetischer Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichtes und in den angrenzenden Bereichen des Spektrums durch die den Reaktionsraum begrenzende Wand hindurchzuführen und mittels opto elektronischer Wandler in elektrische Signale umzuwandeln, die für die Überwachung und Steuerung des Prozesses genutzt werden.

DD-WP 2 19 059 beschreibt ein Periskop für die Übertragung der optischen Signale aus einem unter Druck stehenden Reaktionsraum. Bei diesem Periskop, das durch die Wand des Reaktors geführt und mit dieser druckdicht verbunden ist, wird das von der Flamme aus gehende optische Signal mit Hilfe eines Linsensystems durch ein druckfestes Fenster hindurch auf einen Sensor geworfen, der in Verbindung einer geeigneten elektronischen Schaltungsanordnung ein entsprechendes elektrisches Signal abgibt. Als Beispiel für eine solche Verfahrensweis und die zugehörige Schaltungsanord nung kann DD-WP 2 28 032 herangezogen werden.

Wie DD-WP 2 53 073 oder auch DD-WP 2 19 059 zeigen, ist es möglich, für die Übertragung des optischen Signals der Flamme nach außen anstelle eines Linsensystems ein Lichtleitkabel zu verwenden. Es ist weiter bekannt, das Periskop oder eine andere geeignete opti sche Anordnung zur Übertragung der optischen Flammensignale in einem der Zuführung von gasförmigen Medien in den Reaktionsraum dienenden Kanal anzuordnen, nach DD-WP 2 41 457 beispielsweise in dem zentralen Brenngaskanal eines zur Inbetriebnahme, gegebenen falls auch zur Aufrechterhaltung einer ständigen Pilotflamme im Reaktionsraum dienenden Pilotbrenners.

Mit den bekannten Lösungen gelingt es, im Normalbetrieb einer solchen Anlage ein für die Existenz der Flamme im Reaktionsraum charakteristisches, einer automatischen Steuerungseinrichtung aufschaltbares Signal zu erzeugen, dessen Ausfall oder dessen ab weichen aus einem vorgegebenen für die Existenz der Flamme typi schen Bereich zur Notabschaltung führt.

Mit DD-WP C10J/30 60 744 wird ein Verfahren zur Inbetriebnahme von Anlagen zur Partialoxidation insbesondere von Kohlenstaub be schrieben. Nach dieser Schrift wird der kalte Reaktor zunächst mit einem Inertgas gespült. Mittels eines Pilotbrenners wird ein gasförmiger Hilfsbrennstoff und technischer Sauerstoff in unter stöchiometrischen Verhältnis von Sauerstoff zu Gas zugeführt und gezündet. Gas- und Sauerstoffzufluß werden in etwa gleichbleiben den Verhältnis erhöht und der Reaktionsraum aufgeheizt. Gleich zeitig wird der im Reaktionsraum herrschende Druck angehoben. Ist der vorgegebene Druck erreicht, wird der Zufluß von Kohlenstaub freigegeben und die Sauerstoffmenge entsprechend der Kohlenstaub zufuhr erhöht. Dabei entzündet sich die Staubflamme an der Flamme des Pilotbrenners. Nach stabiler Zündung des Kohlenstabes werden durch weitere Anhebung von Kohlenstaub- und Sauerstoffstrom die gewünschten Betriebsbedingungen eingestellt und die Hilfsgaszufuhr zum Pilotbrenner auf einen Minimalwert reduziert. Allen durchlau fenen Betriebsphasen gemeinsam ist die Existenz einer Flamme im Reaktionsraum, doch sind die Strahlungseigenschaften der Flamme und die Geometrie in den einzelnen Phasen extrem unterschiedlich. Hinzu kommt, daß an dem besonders kritischen Punkt der Zuschal tung von Kohlenstaub die in dem Reaktionsraum eintretende Staub wolke zunächst den Reaktionsraum "verdunkelt" also die Strahlung der Hilfsgasflamme teilweise absorbiert, bevor volle Durchzün dung erreicht und die reguläre Staubflamme ausgebildet ist.

Der Zwang, aus sicherheitstechnischen Gründen die Existenz einer Flamme in jeden der möglichen Betriebsphasen sicher zu indizieren, führte bisher zum Einsatz mehrerer, jeweils für eine bestimmte Betriebsphase geeignete Flammenüberwachungseinrich tung unterschiedlicher Wirkungsweise und unterschiedlicher geo metrischer Anordnung. Das ist mit hohem Aufwand verbunden. Insbe sondere in Übergangsphasen ist auch die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Erkennung der Flamme relativ hoch, wobei auftretende Feh ler jeweils zur Notabschaltung durch die Sicherheitsautomatik, also zu Produktionsaufällen führen.

Im Interesse einer optimalen Betriebsführung sind über die Indi zierung der Existenz einer Flamme im Reaktionsraum hinaus auch quantitative Aussagen zum Betriebszustand erforderlich. Die Tem peraturbedingungen, der Druck, die Gasatmosphäre und die Anwesen heit von schmelzflüssigen Schlackepartikeln im heißen Rohgas ver hindern die Installation von Sonden und Thermoelementen unmittel bar im Reaktionsraum. Beispielsweise sind Aussagen zur Gasanalyse und zum Umsatzgrad erst aus Gasproben gewinnbar, die nach Abküh lung des Rohgases weit unter die Erstarrungstemperatur der Schlacke entnommen werden. Damit sind erhebliche Totzeiten verbunden. Eine indirekte Messung des herrschenden Betriebszu standes ist, wie DD-WP 1 45 024 zeigt, durch Messung der Wärmeauf nahme der den Reaktionsraum umhüllenden wassergekühlten Rohrwand möglich, aber ebenfalls mit relativ langen Totzeiten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Überwachung von Reaktoren zur Partialoxidation, welches in allen auftretenden Betriebsphasen wirksam ist, ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit und - in Verbindung mit einem automatischen Sicherheitssystem - an technischer Sicherheit ermöglicht und den jeweils im Reaktionsraum herrschenden Zustand erfaßt, um damit ein Signal für die Einstel lung der optimalen Betriebsbedingungen zu gewinnen. Das Verfahren soll insbesondere für die Überwachung von Reaktoren zur Partial oxidation von staubförmigen Brennstoffen unter hohem Druck geeig net sein. Über die bloße Indizierung einer Flamme im Reaktions raum hinaus besteht im Interesse einer optimalen Betriebsführung die Forderung, die einzelnen Betriebsphasen voneinander zu un terscheiden und den momentanen Betriebszustand im Reaktionsraum verzögerungsarm auch quantitativ zu charakterisieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Überwachungsver fahren für Reaktoren zur Partialoxidation von staubförmigen Brenn stoffen zu schaffen, das von der Erfassung und Auswertung der von den Flammen im Reaktionsraum ausgehenden elektromagnetischen Strahlung ausgeht, wobei die aus dem Reaktionsraum emittierte Strahlung mittels einer im Zuführungsstrom eines gasförmigen Me diums angeordneten optischen Übertragungseinrichtung erfaßt wird. Die Erfindung ist bestimmt für Reaktoren, in dessen Reaktions raum zusätzlich durch Zuführung eines gasförmigen Hilfsbrenn stoffes und eines gasförmigen sauerstoffhaltigen Mediums eine Pilotflamme erzeugt wird. Das Verfahren soll insbesondere die Existenz einer Flamme im Reaktionsraum überwachen, unterschied liche Betriebsphasen erkennen, die momentan herrschenden Reak tionsbedingungen erfassen und über ein Prozeßführungs- und Sicher heitssystem erforderliche Steueroperationen auslösen.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der gestellten Aufgabe ein aus dem Reaktionsraum emittiertes Primärsignal über die genannte op tische Übertragungseinrichtung gewonnen, in mindestens zwei Teil signale gleichen Informationsgehaltes aufgeteilt, aus jedem der Teilsignale mittels an sich bekannter Filter- und Sensorkombina tionen definierte, für die einzelnen Teilsignale unterschiedliche Wellenlängeninterevalle herausgeschnitten und in korrespondierende elektrische Signale umgewandelt und diese elektrischen Signale als Eingangsgrößen für ein Prozeßführungs- und Sicherheitssystem verwendet.

In der Regel wird das Primärsignal in Form elektromagnetischer Strahlung des Wellenlängenbereiches zwischen 200 und 2100 nm ge wonnen, also in einem Bereich, der ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht und den Infrarotbereich erfaßt.

Vorzugsweise ist die optische Übertragungseinrichtung zur Gewin nung des Primärsignales im Zuführungsstrom des gasförmigen Hilfs brennstoffes angeordnet. Die Gewinnung des Primärsignales kann jedoch auch im Zuführungsstrom für das gasförmige, sauerstoffhal tige Medium zur Erzeugung der Pilotflamme, im Zuführungsstrom für das sauerstoffhaltige Oxidationsmittel der Hauptreaktoren oder in einem Zuführungsstrom für ein inertes Spülgas erfolgen.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn aus einem ersten der gewonnenen Teilsignale ein Wellenlängenband innerhalb des Wellenlängenbereiches zwischen 650 und 750 nm in ein korres pondierendes erstes elektrisches Signal und ein Wellenlängenband im Bereich von 610 bis 630 nm eines zweiten Teilsignals in ein damit korrespondierenden zweites elektrisches Signal umgewandelt werden.

Es wurde nämlich gefunden, daß unabhängig von Betriebsparametern wie Leistung der Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff, die Strahlungsintensität, bezogen auf gleiche Wellenlängenbandbrei te, im Wellenlängenbereich von 650 bis 750 nm immer größer ist als im Wellenlängenbereich 610 bis 630 nm, solange ausschließ lich eine Gasflamme im Reaktionsraum steht.

Wird nun die Zufuhr von staubförmigen Brennstoff aufgenommen, so erhöht sich schlagartig die Strahlungsintensität im Wellenlängen bereich zwischen 610 und 630 nm um ein Mehrfaches und übertrifft die Strahlungsintensität im Wellenlängenbereich 650 bis 750 nm. Von diesem Effekt ausgehend, wird erfindungsgemäß die Intensität der Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 650 und 750 nm, ausgedrückt durch die Intensität des genannten ersten elektri schen Signals, mit der Strahlungsintensität im Wellenlängenbe reich von 610 bis 630 nm, ausgedrückt durch die Intensität des zweiten elektrischen Signals verglichen. Dominiert das zweite elektrische Signal, so wird die Existenz einer Staubflamme im Reaktionsraum indiziert, unabhängig davon, ob zusätzlich eine Gas-Pilotflamme brennt oder nicht.

Es ist vorteilhaft, den Vergleich zwischen der Intensität des ersten und des zweiten elektrischen Signals durch Bildung des Verhältnisses von zweiten zu ersten elektrischen Signal zu führen und dieses Verhältnis einem vorgegebenen Festwert, in der Regel dem Wert 1, gegenüberzustellen. Die Überschreitung dieses Fest wertes indiziert die Existenz der Staubflamme.

Es entspricht natürlich auch der Erfindung, wenn der Vergleich durch Nutzung anderer mathematischer Beziehungen wie Differenz bildung, Bildung des Kehrwertes des obengenannten Verhältnisses oder Bildung der Differenz der Logarithmen herbeigeführt wird.

Es ist bemerkenswert, daß das für die Bildung des zweiten elek trischen Signals herausgeschnittene Wellenlängenband eine Spek trallinie des Calciums enthält, während im Wellenlängenbereich für das erste elektrische Signal unter den Bedingungen der Par tialoxidation das kontinuierliche Spektrum eines schwarzen Strah lers emittiert wird. Die Zufuhr von Kohlenstaub in die Flamme führt zur Anregung der in den aschebildenden Mineralien des Kohl enstaubes enthaltenen Ca-Atome und damit zur hohen Strahlungsin tensität auf der Wellenlänge der Ca-Linie. Dagegen verändert sich im kontinuierlichen Teil des Spektrums die Strahlungsintensität vergleichsweise wenig, wobei diese Änderungen mit der bei Zufuhr des Kohlenstaubes veränderten Temperatur der Flamme korrespondie ren.

Man hätte erwarten können, daß die Indizierung einer Staubflamme auch bei Heranziehung anderer, für Aschemineralien charakteri stischer Spektrallinien zur Bildung des zweiten elektrischen Signals möglich ist. Überraschend wurde aber gefunden, daß nur das obengenannteWellenlängenbereich von etwa 610 bis 630 nm mit der Ca-Linie eine eindeutige Aussage liefert. Geht man beispiels weise von der Na-Linie im gelben Bereich des Spektrums aus, so kommt eine starke Emission schon bei einer reinen Gasflamme durch Anregung der in der feuerfesten Auskleidung der Wand des Reak tionsraumes enthaltenen Na-Atome zustande, während die Emission auf der Ca-Linie die Anwesenheit von Ca-haltigen Mineralien di rekt in der Flamme fordert.

Die Erfindung bietet in einer bevorzugten Ausführungsform zusätz lich die Möglichkeit, ein Signal für die optimale Einstellung der Betriebsbedingungen für die Partialoxidation, insbesondere für die Korrektur des Verhältnisses von staubförmigem Hauptbrennstoff zu sauerstoffhaltigem Oxidationsmittel (in der Regel technischer Sauerstoff) zu gewinnen. Dazu wird ein drittes Teilsignal in ei nem Wellenlängenbereich der Strahlung von etwa 900 bis 1050 nm in ein korrespondierendes drittes elektrisches Signal umgewandelt, das laufend mit für den angestrebten Betriebszustand der Anlage charakteristischen unteren und oberen Grenzwerten verglichen wird. Jede Überschreitung des oberen Grenzwertes, also jeder über das gegebene Maß hinausgehender Intensitätsanstieg des aus dem Reaktionsraum im genannten Wellenlängenbereich emittierten Strah lungsanteils, ist ein Zeichen für einen gestörten, zumindest ver änderten Betriebszustand im Reaktor. Durch Erhöhung des Verhält nisses von staubförmigem bzw. flüssigem Brennstoff zu Oxidationsmittel kann diese Störung kompensiert werden. Umgekehrt ist jede durch Unterschreitung des unteren Grenzwertes angezeigte Störung des Betriebszustandes durch eine Reduzierung des genannten Mengenverhältnisses von Brennstoff zu Oxidationsmittel zu kompensieren. Ursache einer Überschreitung des oberen Grenz wertes kann beispielsweise eine sonst unbemerkte Senkung des Brennstoffheizwertes sein, Ursache einer Unterschreitung des unteren Grenzwertes beispielsweise eine Erhöhung des Brennstoff heizwertes (durch verringerten Wasser- oder Aschegehalt) oder eine unbeabsichtigte Erhöhung eines in den Reaktor strömenden Spüldampfstromes.

Es wurde überraschend gefunden, daß die obengenannten Aussagen nur durch die Erfassung der Strahlung im genau dem angegebenen Spektralbereich von 900 bis 1050 nm gewonnen werden können. Strahlungsintensitätsmessungen in anderen Spektralbereichen lie fern keine eindeutige Aussage zum Betriebszustand. Es entspricht daher der Erfindung, wenn durch Verwendung des gewonnenen dritten elektrischen Signals als Eingangsgröße des Prozeßführungssystems eine Überschreitung des durch den unteren und oberen Grenzwert gesetzten Soll-Bereiches für das genannte dritte elektrische Signal automatisch die Korrektur der dem Reaktor zugeführten Be triebsmedienströme, vorzugsweise des Verhältnisses des staubför migen oder flüssigen Brennstoffes zu dem sauerstoffhaltigen Oxi dationsmittel, auslöst.

Für die technische Sicherheit der Anlage, insbesondere zur Vermei dung eines gefährlichen Durchbruches von sauerstoffhaltigen Oxi dationsmitteln in nachgeschaltete, gasführende Teile der Par tialoxidationsanlage bei Verlöschen der Flamme im Reaktionsraum, ist es notwendig, die Existenz einer Flamme unabhängig von der jeweiligen Betriebsphase sicher zu indidzieren.

Nach der Erfindung wird deshalb in der Regel ein weiteres Wellen längenband eines Teilsignals mittels einer geeigneten Kombination von optischem Filter und optoelektronischem Sensor in ein korres pondierendes elektrisches Signal umgewandelt, welches nach wei terer, an sich bekannter Umformung unter Bildung einer Differen tialfunktion des zeitlichen Verlaufs der Intensität der Strahlung mit Grenzwerten verglichen wird, die als Kriterium für die Existenz einer Flamme innerhalb des Reaktionsraumes gesetzt sind. Der Reaktor wird über das Prozeßführungs- und Sicherheitssystem abgeschaltet und in einen sicheren Zustand überführt, sobald der durch die genannten Grenzwerte gegebene Bereich überschritten wird.

Es hat sich gezeigt, daß für diese Flammenüberwachung das bereits genannte erste elektrische Signal, das mit der Emission in einem Wellenlängenband innerhalb des Wellenlängenbereiches zwischen 650 und 750 nm korrespondiert, herangezogen werden kann, was zur Ver einfachung des Verfahrens und der zu dessen Durchführung notwen digen Vorrichtung führt. Es wurde überraschend gefunden, daß ge rade in dem genannten Wellenlängenband eine Intensitätsschwankung ("Flackern") sowohl der von der Pilotflamme als auch der Haupt flamme emittierten Strahlung mit einem charakteristischen Frequenzgang auftritt, der unabhängig von dem Druck im Reaktions raum und unabhängig von den übrigen, im Reaktionsraum herrschen den Zustandsgrößen und ablaufenden Vorgängen ist.

Auf diese Weise kann also die Flammenüberwachung über einen sehr breiten Bereich von Betriebszuständen, insbesondere während des Aufheiz- und Inbetriebnahmevorganges gewährleistet werden.

Es entspricht auch der Erfindung, wenn mit Rücksicht auf die hohe sicherheitstechnische Bedeutung die beschriebene Indizierung der Existenz einer Flamme gedoppelt wird. Dabei kann bei den beiden, für diesen Zweck herangezogenen Teilsignalen vom gleichen Wellen längenband ausgegangen werden. Es ist jedoch auch möglich, für die Dopplung der Flammenüberwachung von unterschiedlichen Wellen längenbändern der Flammenstrahlung auszugehen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung sei nachstehend durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Figur zeigt die schematische Darstellung des Reak tionsraumes und des zugehörigen Brenners eines Reaktors zur Er zeugung von CO- und H₂-reichem Gas durch Partialoxidation von Kohlenstaub mit den zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Einrichtungen.

Der Reaktor 1 mit dem Reaktionsraum 2 ist mit einem Brenner 3 zur Zuführung von Kohlenstaub und technischem Sauerstoff als Oxida tionsmittel bestückt. Der Brenner 3 ist als sogenannter Kombina tionsbrenner ausgebildet, der in seiner Achse einen Pilotbrenner 4 in Form eines zylindrischen Einsatzes aufweist. Der Pilotbren ner 4 besteht aus einem rohrförmigen Kanal 5 zur Zuführung eines gasförmigen Hilfsbrennstoffes, hier Erdgas, der von einem ring förmigen Kanal 6 zur Zuführung von technischem Sauerstoff sowie von einem weiteren Kanal 7 mit ringförmiger Mündung zur Zuführung von Kohlenstaub umgeben ist. In der Achse des rohrförmigen Kanals 5 ist eine optische Übertragungseinrichtung 8 für die aus dem Reaktionsraum 2 emittierte elektromagnetische Strahlung im Wel lenlängenbereich zwischen 200 und 2100 nm angeordnet. Die aus Lichtleitfasern aufgebaute optische Übertragungseinrichtung ist so beschaffen, daß das von seiner Stirnfläche 9 aufgenommene und aus dem Reaktionsraum 2 emittierte optische Primärsignal in vier optische Teilsignale gleichen Informationsgehaltes und gleicher Intensität aufgeteilt und jeweils einer für das betreffende Teil signal spezifischen Kombination von optischem Filter 10 und Sensor 11 zur Umwandlung in korrespondierende elektrische Signale zugeführt wird.

Für den Betrieb des Reaktors werden zunächst über den rohrförmi gen Kanal 5 Erdgas und über den Kanal 6 technischer Sauerstoff in den Reaktionsraum 2 eingeleitet und mit einer geeigneten, in der Figur nicht dargestellten Zündvorrichtung entzündet. Sauerstoff und Erdgas stehen dabei in einem solchen Verhältnis, daß ein O₂- freies, CO- und H₂-haltiges Partialoxidationsgas entsteht. Durch die Erdgas-Pilotflamme wird der Reaktionsraum 2 aufgeheizt und - wie nachfolgende Teile der Anlage auch - mit dem Partialoxidations gas gespült und unter Druck gesetzt.

Nach Erreichung eines vorgegebenen Druckes im Reaktionsraum wird die Kohlenstaubzufuhr über den Kanal 7 freigegeben und gleich zeitig die Zufuhr von technischem Sauerstoff über Kanal 6 ent sprechend erhöht. Durch die bestehende Pilotflamme wird das Koh lenstaub-Sauerstoff-Gemisch gezündet und es bildet sich eine Koh lenstaubflamme im Reaktionsraum 2 aus. Nach Ausbildung der stabi len Staubflamme, der Einstellung der Mengenströme von Kohlenstaub und technischem Sauerstoff und des Druckes auf die für den Partialoxidationsprozeß vorgegebenen Werte kann die Erdgaszufuhr kleinerer Leistung im Dauerbetrieb aufrechterhalten werden. Die Erdgaszufuhr kann jedoch in dieser Phase auch auf Null zurückge fahren und im Kanal 5 durch ein inertes Spülgas ersetzt werden. Aus den einzelnen Teilsignalen gleichen Informationsgehaltes wird durch die jeweilige Kombination von Filter 10 und Sensor 11 je weils die Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenband heraus geschnitten und in ein korrespondierendes elektrisches Signal 12.1 bis 12.4 umgewandelt. Herangezogen werden die Wellenlängen bänder 690 bis 710 nm für die Erzeugung des elektrischen Signals 12.1, 610 bis 630 nm für das Signal 12.2, 900 bis 1050 nm für das Signal 12.3 und 800 bis 2000 nm für das elektrische Signal 12.4.

Die elektrischen Signale 12.1 und 12.4 werden je einer Flammen überwachungsschaltung 13.1 und 13.4 zugeleitet. Diese Schaltung erfaßt durch Bildung einer Differentialfunktion des zeitlichen Verlaufes der Intensität den Wechselanteil des betreffenden elek trischen Signals und vergleicht diesen mit Grenzwerten, deren Überschreitung sicher die Existenz einer Flamme innerhalb des Reaktionsraumes 2 indiziert. Dabei ist die Flammenüberwachungs schaltung 13.4, die mit dem Wellenlängenband von 800-2000 nm im infraroten Bereich der Strahlung arbeitet, vor allem während des Zündvorgangs und während der ersten Minuten des Betriebs der Pi lotflamme bedeutsam, während alle übrigen Betriebszustände durch die Flammenüberwachungsschaltung 13.1 erfaßt werden. Die Arbeits bereiche beider Schaltungen überlappen sich. Zu einem festgeleg ten Zeitpunkt nach Zündung der Pilotflamme kann die Flammenüber wachungsschaltung 13.4 abgeschaltet werden.

Die Flammenüberwachungsschaltungen 13.1 und 13.4 sind mit dem Prozeßführungs- und Sicherheitssystem 16 verbunden, das mit Hilfe eines Schnellschlußventiles 17 in der Sauerstoffzuleitung 18 zum Brenner 3 die Sauerstoffzufuhr völlig sperrt, wenn weder von der Schaltung 13.4 noch von der Schaltung 13.1 die Existenz einer Flamme indiziert wird.

Die elektrischen Signale 12.1 und 12.2 werden weiter einer Schal tungsanordnung 14 zur Erkennung unterschiedlicher Betriebsphasen aufgegeben. Diese Schaltungsanordnung bildet das Verhältnis der Intensität der Signale 12.1 und 12.2 und vergleicht dieses Ver hältnis mit einem vorgegebenen Festwert von 1,0. In Verbindung mit dem Ergebnis der Flammenüberwachungsschaltungen 13.1 und 13.4 wird die ausschließliche Existenz einer Gasflamme, nämlich der mit Erdgas betriebenen Pilotflamme indiziert, wenn das Verhältnis kleiner ist, als der vorgegebene Festwert. Sobald dem Brenner 3 Kohlenstaub zugeführt wird und die Zündung des Kohlenstaubes an der Pilotflamme erfolgt ist, schlägt das genannte Verhältnis spontan auf Werte oberhalb des vorgegebenen Festwertes um und es wird die Existenz einer Staubflamme indiziert. Mit der Indizierung wird der erfolgreiche Start des Kohlenstaubbetriebes erkannt. Das wiederum ist die Voraussetzung für den weiteren planmäßigen Ablauf des über das Prozeßführungs- und Sicherheits system 16 automatisch gesteuerten Inbetriebnahmeprogramms für die Anlage.

Schließlich wird das elektrische Signal 12.3 dem Schaltungsbau stein 15 zugeführt, der einen Vergleich der Intensität des Sig nals mit für den angestrebten Betriebszustand charakteristischen Grenzwerten vornimmt. Eine Überschreitung des oberen Grenzwertes indiziert eine zu "heiße" Betriebsweise des Reaktors. Über das Prozeßführungs- und Sicherheitssystem wird in diesem Falle über das Sauerstoff-Regelventil 19 in der Sauerstoffzuleitung 18 und die - hier als Ventil dargestellte - Kohlenstaubregelung 20 in der Kohlenstaubzuleitung 21 das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstaub reduziert. Wird dagegen der untere Grenzwert unter schritten, wird das Kohlenstaub-Sauerstoff-Verhältnis erhöht.

Mit der dargestellten Überwachung des Reaktors mit optoelektroni schen Mitteln wurde eine sehr betriebssichere und einfache Prozeßsteuerung erreicht, wobei die praktisch trägheitslos eingehenden optischen Signale kurze Anfahrzeiten, Einstellung op timaler Betriebsbedingungen und äußerst kurzfristige Überführung des Reaktors in einen sicheren Zustand bei Störungsfällen ge währleisten.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Reaktor
2 Reaktionsraum
3 Brenner
4 Pilotbrenner
5 rohrförmiger Kanal
6 ringförmiger Kanal
7 Kanal zur Zuführung von Kohlenstaub
8 optische Übertragungseinrichtung
9 Stirnfläche der Übertragungseinrichtung
10 optisches Filter
11 Sensor
12.1 bis 12.4 elektrisches Signal
13.1; 13.4 Flammenüberwachungsschaltung
14 Schaltungsanordnung
15 Schaltunsbaustein
16 Prozeßführungs- und Sicherheitssystem
17 Schnellschlußventil
18 Sauerstoffzuleitung
19 Sauerstoff-Regelventil
20 Kohlenstaub-Regelung
21 Kohlenstaubzuleitung

Claims

1. Verfahren zur Überwachung von Reaktoren zur Partialoxidation von staubförmigen Brennstoffen mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel in Form einer Flammenreaktion, die in einem Reaktionsraum abläuft, in welchem zusätzlich durch gesonderte Zuführung von vergleichsweise geringen Strömen eines gasförmigen Hilfsbrennstoffen und eines gasförmigen sauerstoff haltigen Mediums eine Pilotflamme erzeugt wird, wobei durch einen der Zuführungsströme für ein gasförmiges Medium hindurch mittels einer in dem genannten Zuführungsstrom angeordneten optischen Übertragungseinrichtung ein von der im Reaktionsraum herrschenden Strahlung ausgehendes Primärsignal gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Primärsignal in min destens zwei Teilsignale gleichen Informationsgehaltes aufge teilt wird, aus jedem der Teilsignale, mittels an sich bekann ter Filter- und Sensorkombinationen definierte, für die einzel nen Teilsignale unterschiedliche Wellenlängenbänder herausge schnitten und in korrespondierende elektrische Signale umge wandelt und diese elektrischen Signale als Eingangsgrößen für ein Prozeßführungs- und Sicherheitssystem verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärsignal in Form elektromagnetischer Strahlung des Wellen längenbereiches zwischen 200 und 2100 nm gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenlängenband innerhalb des Wellenlängenbereiches zwi schen 650 und 750 nm eines ersten der genannten Teilsignale in ein korrespondierendes erstes elektrisches Signal und ein Wellenlängenband zwischen 610 und 630 nm eines zweiten Teil signales in ein korrespondierendes zweites elektrisches Signal umgewandelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitäten des ersten elektrischen Signals und des zwei ten elektrischen Signals verglichen werden, wobei eine Domi nanz des genannten zweiten elektrischen Signals die Existenz einer Staubflamme im Reaktionsraum indiziert.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis der Intensität des zweiten elektrischen Signals zur Intensität des ersten elektrischen Signals gebildet und mit einem Festwert verglichen wird, wobei die Überschreitung dieses Festwertes die Existenz einer Staubflamme im Reaktions raum indiziert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Wellenlängenband innerhalb eines Wellenlän genbereiches zwischen 900 und 1050 nm eines dritten Teilsigna les in ein korrespondierendes drittes elektrisches Signal um gewandelt und dessen Intensität als Eingangsgröße für das Prozeßführungssystem zur Einstellung bzw. Korrektur der dem Reaktor zugeführten Betriebsmedienströme herangezogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Wellenlängenband eines Teilsignals laufend in ein korrespondierendes elektrisches Signal umgewandelt wird, welches nach weiterer, an sich bekannter Umformung unter Bildung einer Differentialfunktion des zeitlichen Verlaufes der Intensität mit Grenzwerten verglichen wird, die als Kri terium für die Existenz einer Flamme innerhalb des Reaktions raumes gesetzt sind, und der Reaktor über das Prozeßführungs- und Sicherheitssystem abgeschaltet wird, sobald der durch die genannten Grenzwerte gegebene Bereich überschritten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste elektrische Signal nach weiterer, an sich bekannter Umformung mit Grenzwerten verglichen wird, die als Kriterium für die Existenz einer Flamme innerhalb des Reaktionsraumes gesetzt wird.