DE4438229C2 - Einrichtung zur Videodiagnostik von Druckvergasungsreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die optische Überwachung des Reaktionsraumes von Druckvergasungsrekatoren während des Betriebes.

Neben den Vergasungsreaktoren kommen auch die Reaktoren von Pyrolyse-, Schwel-, Brenn-, Verbrennungs- und Kombinationsanlagen in Betracht, weiter Industrieöfen, Reaktoren metallurgischer Anlagen u. a.
In der Gaserzeugungstechnik ist die Partialoxidation von Kohlenwasserstoffen oder festen Brennstoffen mit technischem Sauerstoff eingeführt. Bei Verfahren dieser Art wird der Brennstoff in Form einer Flammenreaktion zu einem H₂- und CO-reichen Gas umgesetzt, das als Synthesegas, Reduktionsgas oder Brenngas Verwendung findet.

Moderne Verfahren zur Verwertung von Reststoffen verlaufen nach gleichen oder ähnlichen Technologien. Häufig werden die Vergasungsprozesse unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen ausgeführt.

Für die Betriebsführung und die Gewährleistung der technischen Sicherheit solcher Anlagen ist die Überwachung des Reaktionsraumes erforderlich. Besonders im Hinblick auf den Verschleißzustand der jeweils unterschiedlichen Innenauskleidungen der hochtemperaturbelasteten Reaktionsräume sind Überwachungseinrichtungen notwendig, die möglichst ohne völlige Außerbetriebnahme der Anlage eine geeignete Kontrolle gestatten. Dies gilt in gleicher Weise für die Überwachung von im Brennraum befindlichen Einbauten wie z. B. Brennern, Schlackeablaufkörpern u. ä.

Grundsätzlich gleiche Forderungen bestehen für Brennkammern, die unter hohem Druck betrieben werden und beispielsweise für Gasturbinen, aufgeladene, d. h. unter hohem Rauchgasdruck betriebene Dampferzeuger oder unter hohem Druck betriebene Vorbrennkammern, die für metallurgische Öfen eingesetzt sind.

Vielfach ist neben dem Nachweis der Existenz einer Flamme im Reaktionsraum die Erfassung der charakteristischen Temperatur oder auch die Flammengeometrie interessant.

Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Temperaturmessung, z. B. mittels Strahlungspyrometer vereinzelt in modifizierter Form auch in Brennräumen mit hohen Drücken.

Bekannt sind weiterhin verschiedene Verfahren zur Flammenüberwachung.

Es ist weiterhin bekannt, durch die Anwendung von Periskopen auf optischem Wege Informationen zur Flammenintensität zu gewinnen. 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 optoelektronischer Wandler in elektrische Signale umzuwandeln, die für die Überwachung des Prozesses genutzt werden können.

Beispielsweise beschreibt DE 33 16 167 ein Periskop zur Übertragung optischer Signale aus dem Reaktionsraum von Hochtemperatur-Reaktoren, insbesondere von Hochtemperatur-Reaktoren, die unter erhöhtem Druck betrieben werden. Dabei ist das Periskop auf vorgegebene Weise mit dem Druckmantel des Reaktionsraumes starr verbunden. Große Bedeutung wird hier der Spülung des Periskopes geschenkt. Das Periskop gemäß DE 33 16 167 ist aber weder in axialer noch in radialer Richtung veränderbar.

DE-AS 1031992 beschreibt ein gekühltes Endoskop zur Beobachtung der Feuerräume und der Rauchgaszüge von Dampferzeugern während des Betriebes. Das ummantelte Endoskop ist jedoch nicht drehbar und axial verschiebbar ausgeführt. Es ist für weitgehend drucklose Feuerräume und Rauchgaszüge von Dampferzeugern ausgelegt, wobei die visuelle Bewertung direkt durch das Endoskop- Okular erfolgt.

DD 219095 beschreibt ebenfalls ein Periskop für die Übertragung optischer 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 ausgehende optische Signal mit Hilfe eines Linsensystemes durch ein druckdichtes Fenster hindurch auf einen Sensor geworfen, der in Verbindung mit einer geeigneten elektronischen Schaltungsanordnung ein entsprechendes elektrisches Signal abgibt.

Andere Patentschriften beschreiben die Übertragung des optischen Signales mittels Lichtleitkabel. Es ist weiter bekannt, Einrichtungen zur Überwachung von Flammen in einem der Zuführung von gasförmigen Medien in den Reaktionsraum dienenden Kanal anzuordnen. Bekannt ist weiterhin gemäß Patenschrift DE 28 15 545 ein Verfahren zur Überwachung einer ausgewählten Flamme in Öfen mit mehreren Brennern. Hierbei werden zwei Gruppen fotoelektrischer Sensoren derart aufgebaut, daß für die Sensoren einer jeden Gruppe ein Strahlengang hergestellt wird, daß die Sichtlinie eines Sensors der einen Gruppe die Sichtlinie eines Sensors der anderen Gruppe schneidet. Beide Gruppen werden elektronisch abgetastet, um diejenigen Sensoren zu bestimmen, bei denen die größte Korrelation ihrer Ausgangssignale vorhanden ist. Zur eigentlichen Überwachung der Flamme werden beide Sensoren elektronisch miteinander verriegelt.

Weiterhin werden mit Patentschrift DE 31 51 527 und DE 27 58 110 Aufnahmevorrichtungen für Endoskope bzw. Betrachtungseinrichtungen für die Behälter beschrieben, die hohen Drücken ausgesetzt sind. Die Problematik sehr hoher Temperaturen (1600°C) bleibt aber unberücksichtigt.

Die kontinuierliche Kontrolle von unter hohem Druck von z. B. 26 bar und hohen Temperaturen ablaufenden Prozessen unter Einsatz staub- bzw. aschehaltiger Vergasungsstoffe erfordert Beobachtungsfenster und -kanäle mit relativ großem Querschnitt, aufwendiger Konstruktion, sowie große Spülgasmengen zur Freihaltung von Beobachtungskanal und druckdichtem optischem Fenster. Laut DD 33 63 001 haben sich dennoch solche Lösungen durch Verschmutzung von Fenstern und durch Ansatzbildung im bzw. vor dem Beobachtungskanal auf Dauer als nicht betriebstüchtig erwiesen.

Herkömmliche Feuerraumsonden (Ofenperiskop z. T. auf Basis von Sehrohren), wie sie beispielsweise in Glasschmelzöfen und Wärmebehandlungsanlagen der Metallurgie Anwendung finden und den Stand der Technik darstellen, ermöglichen nur eine mehr oder weniger eingeschränkte optische Bewertung im drucklosen Zustand bei geringer Gasgeschwindigkeit, wobei die Ofengase weitgehend frei sind von erosiv und korrosiv wirkenden Bestandteilen. Nachteilig sind dabei jedoch die sehr beschränkte Bildqualität wegen des geringen Auflösungsvermögens und der zu geringen Lichtstärke des Periskopes sowie die großen Schwierigkeiten, die Bilder fotografisch zu fixieren, um eine Dokumentation zu schaffen. Weiterhin benötigt diese Technik auch relativ große Ofenöffnungen (< 100 mm) und der vom Objektiv erfaßbare Raumwinkel ist für viele Einsatzfälle zu klein.

Für die Sondenkühlung und das Freihalten der Objektivöffnungen sind meist 2 Medien notwendig (Luft- und Wasserkühlung).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Innere von Druckvergasungsreaktoren unter vollen Betriebsbedingungen zu überwachen, um den Prozeßablauf optimieren zu können (Betriebsführung, technische Sicherheit). Dabei soll der kontinuierliche Prozeß selbst nicht beeinflußt oder gestört werden. Die Überwachung soll auch unter ständig wechselnden Einsatzstoffen möglich sein, wie beispielsweise unter den Bedingungen der Reststoffverwertung, wo auf Grund der ständig wechselnden komplexen und teilweise unbekannten Beanspruchungsbedingungen innerhalb des Reaktors nicht voraus berechenbare und kaum abzuschätzende Größen von Verschleiß und Korrosion auftreten können. Weiter soll mit der Erfindung die Flammengeometrie überwacht werden können und eine optische Temperaturmessung möglich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein handelsübliches Endoskop mittels eines druckfesten Endoskopschutzrohres gekapselt wird. Dieses Schutzrohr weist in Höhe des Objektives des Endoskopes, ein druckfestes Fenster aus Quarzglas auf. Das Schutzrohr ist mit einem Kühl- und Spülmedium beaufschlagten definierten Strömungsrohr umgeben.

Das Endoskop mit dem druckfesten Schutzrohr, dem Strömungsrohr und der in diesem integrierten Anpaßscheibe ist drehbar und über eine Hydraulikeinrichtung in Richtung seiner Längsachse verschiebbar durch einen ersten, ebenfalls druckfesten und außerhalb des Reaktors befindlichen Gehäuseteil in den Reaktor (Hohlraum) verfahrbar. Dieser außerhalb des Reaktors befindliche druckfeste erste Gehäuseteil ist mit der Reaktorwand fest (aber lösbar) verbunden. Weiterhin ist das gekapselte Endoskop mit einem zweiten druckfest ausgeführten Gehäuseteil verbunden, der den Okularbereich und die Videokamera umgibt. An die gekapselte Videokamera werden über eine druckfest ausgeführte Aderleitungsdurchführung die Bewertungs-, Speicher- und Auswerteeinheit angeschlossen.

Vorliegende Erfindung stellt in jeder Hinsicht eine Entwicklung dar, welche eine optische Reaktionsraumbegutachtung unter vollen Betriebsbedingungen ermöglicht. Die Entwicklung liefert unter vollen Produktionsbedingungen und ohne Prozeßunterbrechung und Beeinflussung qualitativ hochwertige Farbbilder (Farbmonitor) von Reaktorbauteilen, die auch für nachträgliche Analysen und für Dokumentationen speicherbar sind (Videorecorder). Eine digitale Bildverarbeitung ist möglich (z. B. über Grafik/TV-Karte mit PC-Monitor). Die Erfindung ermöglicht die Begutachtung und Bewertung von ca. 70% des Reaktionsraumes, wobei nur eine kleine Öffnung im Reaktordruckbehälter (ca. 50 mm Durchmesser) für das gesamte Optiksystem notwendig ist.

Das Herzstück des entwickelten Optiksystems ist ein entsprechend modifiziertes Endoskop (starres Endoskop mit HOPKINS-Stablinsen-Optik, fokussierbar), welches in Verbindung mit einer Endoskop-Farbkamera (Farb-Fernsehkamera mit CCD- Aufnehmer für hohe Lichtempfindlichkeit) lichtstarke und scharfe Bilder auf einem Farbmonitor liefert. Dieses Endoskop ist für die Funktionsfähigkeit und für höchste Sicherheit mehrfach gekapselt und kann im Reaktionsraum drehbar und über eine Hydraulikeinrichtung in Richtung der Endoskop-Längsachse verschiebbar bewegt werden. Trotz der eingesetzten empfindlichen Optik (empfindliches, sehr präzises Endoskop, wie es auch für medizinische Zwecke Verwendung findet) ist es gelungen, ein robustes Optiksystem für die rauhen und hinsichtlich der Beanspruchungsbedingungen auch extremen Produktionsbedingungen und für einen dauerhaften Einsatz in solchen Hochtemperatur-Reaktoren zu entwickeln.

Die Erfindung bietet folgende Vorteile:

• 1. Es werden vor Ort und unter vollen Betriebsbedingungen ohne Prozeßstörung und Beeinflussung qualitativ hochwertige Farbbilder aus dem Inneren des Reaktors auf einem Farbmonitor erhalten, die auch für Dokumentationen und nachfolgende Analysen (z. B. Bildauswertung und Bearbeitung über PC) auf Videokassette gespeichert werden können.
• 2. Die Sondentechnik für eine Erzeugung von Farbbildern aus dem Inneren des Reaktors wurde für extremste Beanspruchungsbedingungen entwickelt. Das gekapselte Sondenobjektiv kann durch ein entwickeltes Kühlungs- und Strömungssystem voll in den Reaktionsraum ohne Prozeßunterbrechung eingefahren werden und wurde für Reaktionsraumtemperaturen bis 1400°C bei Drücken bis 40 bar ausgelegt. Unter diesen Bedingungen ist die Optik bewegbar (dreh- und schiebbar), wodurch ein Großteil des Reaktionsraumes begutachtet werden kann.
• 3. Das für die Sondentechnik und insbesondere das Sondenobjektiv entwickelte Kühlungs- und Strömungssystem auf Basis von gereinigtem Stickstoff gewährleistet auch bei den im Vergasungsprozeß vorhandenen hohen Gasgeschwindigkeiten mit enthaltenen korrosiv, erosiv und beschlackend wirkenden Bestandteilen eine stets saubere Optik (Objektivöffnung).
• 4. Die Erfindung basiert auf einem starren Endoskop mit HOPKINS-Stablinsen- Optik (fokussierbar), wie es im medizinischen Bereich vielfältig Anwendung findet und den Stand der Technik darstellt. Zum Einsatz gelangen Winkel- Endoskope mit einer Blickrichtung von 70° bzw. 90° und einem Gesichtsfeldwinkel von 670. Das Endoskop wird über ein Spezial-Endoskop­ objektiv und einen Endoskopadapter an eine hochempfindliche und speziell für Endoskope entwickelte Farbfernsehkamera angekoppelt. Alles ist druckfest gekapselt. Der Einsatz solcher Endoskope in Hochtemperatur- Vergasungsreaktoren unter vollen Betriebsbedingungen bedeutet ein völlig neues Einsatzfeld für diese optischen Präzisionssysteme.
  Möglich wurde dies durch eine dreh- und schiebbare Mehrfachkapselung (druckfestes Sondenschutzrohr mit Quarzglas, erstes druckfestes Gehäuseteil mit Flansch für druckfeste Verbindung mit dem Reaktor, zweites druckfestes Gehäuseteil für Okular, Adapter und Kamera mit Objektiv) des Endoskopes mit wirkungsvollem und störungssicherem Kühl- und Spülsystem.
• 5. Das Prinzip der Mehrfachkapselung des Endoskopes bietet höchste Sicherheit, auch für den Fall, daß die Endoskop-Kapselung im Reaktor z. B. infolge zu starker mechanischer oder thermischer Belastung versagt. Ein notwendiges Abfahren des Reaktors infolge einer Störung im entwickelten Sondensystem ist damit ausgeschlossen.
• 6. Die Konzeption der Erfindung ermöglicht auch eine Reaktionsraum- Fernüberwachung, z. B. von einer Meßwarte aus. Auch die Sondenbedienung wäre ferngesteuert möglich. Die Sonde kann über ein Hydrauliksystem horizontal bewegt werden und eine Sondendrehung um 360° ist möglich. Wogegen durch die Sondendrehung nahezu der gesamte Reaktorinnenraum bewertet werden kann, dient die horizontale Sondenbewegung mit dem unter vollen Betriebsbedingungen möglichen Herausziehen des Endoskopes aus dem Reaktionsraum dem Sondenschutz und einer wesentlichen Verringerung der benötigten Menge an Kühl- und Spülmedium.
• 7. Die vorgestellte Erfindung ist für Reaktorbehälter geeignet, die eine Wandstärke im Durchführungsbereich bis 1,20 m aufweisen. Das Prinzip der Erfindung würde auch bei kleineren konstruktiven Änderungen für Wandstärken bzw. Durchführungen bis ca. 10 m geeignet sein.
• 8. Das Prinzip der Erfindung läßt weitere Optionen zu, wie z. B. den Einsatz anderer Kamerasysteme mit veränderlichen, fernsteuerbaren Brennweiten und Belichtungszeiten, den Einsatz von Farbfiltern oder die Möglichkeit einer optischen Temperaturmessung.
• 9. Die entwickelte Sonde ist trotz des eingesetzten empfindlichen und hoch präzisen Optiksystems robust und servicefreundlich ausgeführt. Ein evtl. notwendiger Endoskop- oder Kamerawechsel kann in kurzer Zeit im angebauten Zustand der Drucksonde bei heißem Reaktor, allerdings bei Betriebsüberdrücken < 5 bar, erfolgen.
• 10. Neben einem Anschluß für das gasförmige Kühl- und Spülmedium wird nur ein Stromanschluß (220 V) für Farbmonitor, Videorecorder und das Netzteil der Farbkamera benötigt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Bild 1 näher erläutert. Die Darstellung in Bild 1 zeigt einen Schnitt durch die Drucksonde, wobei die peripheren Einrichtungen (Temperaturmeßgerät, Farbmonitor, Videorecorder) angedeutet werden. Die Beschreibung erfolgt ausgehend vom Sondenobjektiv (Rekationsraumseite, Sondenspitze).

Das Herzstück der entwickelten Einrichtung zur endoskopischen Videodiagnostik für Hochtemperatur-Vergasungsreaktoren bildet ein handelsübliches Endoskop 1. Es ist ein starres Endoskop mit HOPKINS-Stablinsen-Optik, Blickrichtung 70°, Gesichtsfeldwinkel 67°, Außendurchmesser im Objektivbereich 8 mm. Die notwendige druckfeste Endoskopkapselung besteht aus einem Endoskop-Schutzrohr 2 aus Edelstahl mit Quarzglas (druckfest bis 40 bar, Außendurchmesser 20 mm). Im Objektivbereich des Endoskopes weist das Schutzrohr ein druckfestes Fenster aus Quarzglas auf.

Für die Sondenkühlung, die Spülung des Sondenkanals und das ständige Freihalten des Quarzglases im Endoskop-Schutzrohr befindet sich auf dem Endoskop- Schutzrohr 2 das Strömungsrohr 3. Durch dieses Strömungsrohr 3 wird in Verbindung mit der Anpaßscheibe 4 die Anpassung an die geometrischen Verhältnisse im Sondenkanal bzw. in der Durchführung durch das Reaktordruckgefäß (Außendurchmesser < 50 mm) gewährleistet, so daß im eingefahrenen Zustand (Reaktionsraumbegutachtung) ca. 90% des Kühl- und Spülmediums (Stickstoff) direkt auf den Bereich Quarzglas/Endoskop-Schutzrohr auftreffen. Etwa 10% des Kühl- und Spülmediums müssen für die Kühlung und Spülung des Bereiches zwischen Strömungsrohr und der Durchführung durch das Reaktordruckgefäß bereitstehen.

Der erste druckfeste Gehäuseteil 5 der Erfindung dient zur Aufnahme der gekapselten, gespülten und gekühlten dreh- und schiebbaren Optik 1, 2, 3, 4 und stellt für sich einen Druckbehälter dar (Auslegung: max. Überdruck 40 bar, max. Temperatur 250°C), welcher direkt an den Reaktor angeflanscht wird und somit den unbeweglichen Teil der Einrichtung bildet. Dieser Gehäuseteil dient weiterhin zur Aufnahme der zwei Hydraulikzylinder 6 für die notwendige horizontale Sondenbewegung. Das Hydrauliksystem ist geeignet, um einen Reaktionsraumüberdruck bis 60 bar zu überwinden und ist mit Rückschlagventilen ausgerüstet (Sicherheit im Falle des Platzens eines Hydraulikschlauches).

Das Kühl- und Spülmedium (gereinigter, trockener Stickstoff) wird über ein Ventil mit Rückschlagsicherung 7, welches sich im ersten druckfesten Gehäuseteil 5 befindet, der entwickelten Einrichtung zur endoskopischen Videodiagnostik zugeführt.

Der zweite druckfeste Gehäuseteil 8 (Auslegung: max. Überdruck 40 bar, max. Temperatur 250°C) stellt das äußere bewegliche Bauteil der Einrichtung dar und besitzt ein Handrad für die beidseitige Sondendrehung um 360°. Es bildet zugleich das 2. Sicherheitssystem im Falle einer evtl. Beschädigung des Quarzglases vom Endoskop-Schutzrohr 2. Dieser zweite druckfeste Gehäuseteil ist gemeinsam mit den Positionen 1-4 horizontal verschiebbar und drehbar.

Der zweite druckfeste Gehäuseteil 8 besitzt für Kontrollzwecke ein Manometer 9 zur Drucküberwachung in der Kamerakapselung. Bei unbeschädigtem Quarzglas herrscht in der Kamerakapselung Normaldruck (normaler Betriebszustand).

In 8 befindet sich das Endoskop-Okular 1 mit dem Endoskop-Adapter 10 sowie die spezielle Endoskop-Kamera 11. In 8 wird auch eine für den Einsatzfall entwickelte druckfeste Leitungsdurchführung 12 für die benötigten Aderleitungsdurchführungen (Videokabel, Stromversorgung Kamera, Ausgleichsleitung Thermoelement) eingeschraubt.

Die Ausgleichsleitung des Thermoelementes 14 wird an ein digitales Temperaturanzeigegerät 15 geführt. Damit wird die Temperatur am Endoskop- Objektiv 1 während der Reaktionsraumbegutachtung überwacht und über die zugeführte Menge an Stickstoff 7 einreguliert. Zum Schutz des Endoskopes darf die Temperatur am Endoskop-Objektiv dauerhaft 80°C nicht überschreiten.

Das über 12 ebenfalls aus der Kamera/Okularkapselung 8 herausgeführte Videokabel 13 wird an einen Videorecorder 16 und einen Farbmonitor 17 angeschlossen.

Bezugszeichenliste

1 Endoskop mit Thermoelement (dreh- und schiebbar), an 5 und 8 befestigt
2 Druckfestes Endoskop-Schutzrohr mit Quarzglas, an 1, 5 und 8 befestigt (40 bar, 250°C)
3 Strömungsrohr für Kühl- und Spülmedium, auf 2 befestigt
4 Anpaßscheibe Strömungsrohr, auf 3 befestigt
5 Erster druckfester Gehäuseteil (unbeweglich) mit Flansch (40 bar, 250°C)
6 Hydraulikzylinder für horizontale Sondenbewegung, an 5 befestigt
7 Ventil mit Rückschlagsicherung, eingeschraubt in 5, Zufuhr Kühl- und Spülmedium
8 Zweiter druckfester Gehäuseteil (beweglich) mit Handrad für Sondendrehung (40 bar, 250°C)
9 Manometer zur Drucküberwachung der Endoskop-Okular-und Kamerakapselung (zweiter druckfester Gehäuseteil), in 8 eingeschraubt
10 Endoskop-Okular mit Kamera-Adapter
11 Endoskop-Kamera mit Objektiv, auf 10 befestigt
12 Druckfeste Leitungsdurchführung für 13 und 14, in 8 eingeschraubt
13 Videokabel
14 Ausgleichsleitung Thermoelement
15 Digitales Temperaturanzeigegerät
16 Videorecorder
17 Farbmonitor

Claims (2)

1. Einrichtung zur endoskopischen Videodiagnostik von unter Druck und/oder hoher Temperatur stehenden Hohlräumen, wie Druckvergasungsreaktoren während des Betriebes, mit einem Endoskop (1) mit seitlichem Ausblick, an dessen okularseitigem Ende eine Videokamera (11) angeordnet ist, die an eine Bildspeicher- und Auswerteeinrichtung (16,17) angeschlossen ist,

   • - mit einem ersten druckfesten Gehäuseteil (5), das über einer Wandöffnung des Hohlraumes starr mit dessen Wandung verbindbar ist, und
   • - mit einer druckfesten Kapselung des Endoskopes bestehend aus einem Schutzrohr (2) das das Endoskoprohr (1) umgibt und das in Höhe des Objektives des Endoskops ein druckfestes Fenster aus Quarzglas aufweist und das von einem Kühl- und Spülmedium beaufschlagbarem Strömungsrohr (3) umgeben ist, und aus einem mit dem Schutzrohr (2) druckfest verbundenen zweiten Gehäuseteil (8), der den Okularbereich (10) des Endoskopes und die Videokamera (11) umgibt,
2. wobei das Endoskop (1) mit dem Schutzrohr (2), dem Strömungsrohr (3) und der in diesem integrierten Anpaßscheibe (4) drehbar und über eine Hydraulikeinrichtung (6) in Richtung seiner Längsachse verschiebbar durch den ersten Gehäuseteil (5) in den Hohlraum verfahrbar ist.