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Verfahren zur Überwachung und Regelung von Verbrennungs- und Vergasungsvorgängen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das sowohl zur Überwachung als
auch zur Regelung von Verbrennungsvorgängen aller Art, also auch von Vergasungsvorgängen
(unvollständigen Verbrennungsvorgängen), geeignet ist. Das Verfahren beruht im allgemeinen
auf der Feststellung des Sauerstoffüberschusses oder Sauerstoffmangels in den Verbrennungsgasen.
Derartige Verfahren sind bekannt. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sie über die
Luftmengenzahl (Verhältnis der zugeführten Luftmenge zu der theoretisch zur Verbrennung
erforderlichen Luftmenge) des Verbrennungsvorganges, auf deren Bestimmung es ankommt,
nur sehr unzuverlässige Auskunft geben. Insbesondere bei den technisch wichtigsten
Verbrennungsvorgängen, z. B. in Dampfkessel- und Ofenfeuerungen, treten bei geringen
Luftüberschüssen stets Sauerstoff und unverbrannte Gase nebeneinander in den Verbrennungsgasen
auf. Dann ergibt die Bestimmung der Luftmengenaahl durch Feststellung des Sauerstoffüberschusses
oder -mangels in den Verbrennungsgasen völlig irreführende Werte. Nur bei vollständiger
Verbrennung mit entsprechend großem Luftüberschuß, wo in den Verbrennungsgasen nebenfreiem
Sauerstoff keine brennbaren Bestandteile enthalten sind, ist der Sauerstoffgehalt
ohne weiteres ein Maß der Luftüberschußzahl; dieser Fall -ist jedoch bei den geringen
Luftüberschüssen der neuzeitlichen FeuerLingspraxis nur selten gegeben.
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Zur technisch brauchbaren Ermittelung der Luftmengenzahl wird erfindungsgemäß
eine Probe, z. B. ein Teilstrom, der Verbrennungsgase einer so vollständigen Nachverbrennung
ohne Zufuhr von Sauerstoff oder Brennstoff unterworfen, daß danach Sauerstoff und
Unverbranntes nicht mehr nebeneinander vorhanden sind, und anschließend an diese
Verbrennungsvollendung wird der in der Gasprobe verbliebene restliche Saüerstoffüberschuß
oder Sauerstoffmangel (Sauerstoffbedarf zur Verbrennung der restlichen uriverbrannten
Bestandteile) als Maß der Luftüber- oder -unterschußzahl der ursprünglichen Verbrennungsgasprobe
bzw. des Verbrennungsvorganges gemessen. Die beschriebene Verbrennungsvollendung
hat, trotzdem die Verbrennungsgase in ihrer chemischen Zusammensetzung wesentlich
verändert werden und der Gehalt an unverbrannten Gasen oder an Sauerstoff völlig
verschwindet, keine Änderung der sich aus der Zusammensetzung der Verbrennungsgase
ergebenden Luftmengenzahl zur Folge. Andererseits wird aber die Zusammensetzung
der Verbrennungsgase so vereinfacht, daß nun durch eine Bestimmung des Sauerstoffüberschusses
oder -mangels die Luftmengenzahl einwandfrei ermittelt werden kann. Die Verbrennungsvollendung
der Verbrennungsgasprobe kann beispielsweise -in einer Verbrennungseinrichtung durch
entsprechende Temperaturerhöhung oder durch Überleiten über einen erhitzten Katalysator
erfolgen. .
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Es ist bereits bekannt, zwecks Feststellung der unvollkommenen Verbrennung
von Feuergasen, also ihres Gehalts an unverbrannten
Bestandteilen,
diese Feuergase über einen erhitzten Katalysator zu leiten und die durch die katalytische
Nachverbrennung entstehende Temperaturerhöhung als Maß des Gehalts an urverbrannten
Bestandteilen zu benutzen. -Voraussetzung ist hierbei jedoch eine vorherige Luftzumischung
zu den Feuergasen, damit bei Luftmangel eine Nachverbrennung an dem Katalysator
überhaupt stattfinden kann. Ferner wird bei diesen bekannten Einrichtungen nur eine
mit dem Gehalt an brennbaren Bestandteilen steigende Temperaturerhöhung durch katalytische
Verbrennung eines Teils der urverbrannten Bestandteile angestrebt und er= reicht,
nicht aber eine so vollständige Nachverbrennung, daß danach Sauerstoff und Urverbranntes
nicht mehr nebeneinander vorhanden sind. Um eine so vollständige Nachverbrennung,
noch dazu ohne vorherige Zufuhr von zusätzlichem Sauerstoff oder Brennstoff, zu
erreichen, müssen im Gegensatz zu den obergenannten Einrichtungen die Verbrennungsgase
bekanntlich auf einem genügend langen Wege durch einen genügend erhitzten Katalysator
von genügend großer Oberfläche geleitet werden.
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Die Messung des Sauerstoffüberschusses und damit der Luftüberschußzahl
ist mit erhöhter Genauigkeit möglich im Bereich der kleinen Sauerstoffüberschüsse,
die einer Luftmengenzahl von wenig über i entsprechen. Um diese erhöhte Genauigkeit
auch für die Überwachung und Regelung von Verbrennungsvorgängen, die mit großem
Luftüberschuß (Luftmengenzahlen wesentlich größer als i) vor sich gehen, oder von
Vergasungs- oder sonstigen unvollständigen (reduzierenden) Verbrennungsvorgängen
(Luftmengenzahlenkleiner als i) nutzbar zu machen, wird erfindungsgemäß der Probe
der Verbrennungsgase nach der Verbrennungsvollendung und vor der Sauerstoffbestimmung
eine bestimmte, d. h. zu der Verbrennungsgasmenge in bestimmtem, an sich jedoch
beliebig wählbarem Verhältnis stehende Brennstoff- oder Luft- bzw. Sauerstoffmenge
zugemischt und die Probe mit diesem Zusatz einer nochmaligen Verbrennung unterworfen.
Die Zumischung des Brennstoffes, z. B. eines brennbaren Gases, erfolgt bei den großen
Luftüberschüssen, diejenige von Luft bzw. Sauerstoff bei Verbrennungsvorgängen,
bei denen Luftmengenzahlen kleiner als i einzuhalten sind. Der Bereich erhöhter
Meßgenauigkeit kann auf diese Weise an eine beliebige Stelle des Gesamtmeßbereichs
für die Luftmengenzahl verlegt werden. Es kann auch, z. B. mittels eines Umschalthahnes,
die Zumischung verschiedener bestimmter Mengen von brennbarem Gas oder von Luft
bzw. Sauerstoff wahlweise herbeigeführt werden, was insbesondere für die Überwachung
solcher Verbrennungsvorgänge von großem Wert ist, die im Laufe des Fabrikationsganges
auf mehrere erlieblich verschiedene Luftüberschußzahlen eingeregelt werden müssen.
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Infolge der Verbrennungsvollendung vor der Bestimmung des Sauerstoffüberschusses
wird für diese Bestimmung das an sich bekannte Verfahren, den Sauerstoff durch Verbrennung
mit einem brennbaren Gase o. dgl. festzustellen, anwendbar, ohne daß durch die gleichzeitige
Mitverbrennung von urverbrannten Gasen, die in der ursprünglichen Verbrennungsgasprobe
neben dem Sauerstoffüberschuß vorhanden waren, unzulässige Meßfehler entstehen.
Es wird nach der Verbrennungsvollendung und gegebenenfalls nach der Zumischung der
bestimmten Brennstoff- oder Luft- bzw. Sauerstoffmenge und Nachverbrennung mit derselben,
die. zum Zweck der Meßbereicheinstellung erfolgt, der Verbrennungsgasprobe eine
bestimmte Menge eines brennbaren Gases oder ähnlichen Brennstoffs zugemischt und
dieses Gemisch einer nochmaligen Verbrennung, z. B. durch Überleiten über einen
erhitzten Katalysator, unterworfen. Die Wärmeentwicklung oder Kontraktion bei dieser
Verbrennung dient in an sich bekannter Weise als Maß des Sauerstoffgehalts und infolge
des durch die voraufgegangene Verbrennungsvollendung herbeigeführten eindeutigen
Zusammenhanges zwischen dem Sauerstoffgehalt und der Luftmengenzahl auch als Maß
der Luftmengenzahl. Die Menge des zugemischten Brenngases oder ähnlichen Brennstoffs
wird so groß gewählt, daß auch der größte in der Verbrennungsgasprobe noch enthaltene
Sauerstoffüberschuß in einem Überschuß von Brennstoff mit Sicherheit vollständig
verbrannt wird. Da dieses Verfahren der Bestimmung des Sauerstoffgehalts durch Verbrennung
sich einfacher durchführen läßt als die Sauerstoffbestimmung durch Absorption und
auch eine kontinuierliche Sauerstoffbestimmung gestattet, ist die Ermöglichung der
Anwendung dieses Verfahrens von wesentlicher Bedeutung für die wirtschaftliche Durchführung
der Erfindung.
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Falls bei den erwähnten Nachverbrennungen zwecks Einstellung des Meßbereichs
oder zwecks Sauerstoffbestimmung größere Gehalte an Sauerstoff oder urverbrannten
Gasen zu verbrennen sind, kann an der Verbrennungsstelle eine die Meßeinrichtung
gefährdende zu hohe Temperatur entstehen. Um dieser Gefahr vorzubeugen, wird erfindungsgemäß
die Verbrennungsga.sprobe mit der zuzusetzenden Brenngas- oder Luft- bzw. Sauerstoffmenge
nicht an einer einzigen Stelle vermischt und zur Verbrennung gebracht, sondern die
Vermischung und Verbrennung findet, z. B. durch Unterteilung des zugemischten Gases
in mehrere Teilströme, an mehreren Stellen statt, während gleichzeitig oder zwischendurch
Wärmeentziehung stattfindet.
Eine erhöhte Genauigkeit und Sicherheit
der Messung an der wichtigen Grenze des Meßbereichs, an der der Sauerstoffüberschuß
verschwindet, wird erfindungsgemäß durch folgende Maßnahme erreicht. Vor der Sauerstoffbestimmung
wird von dem Prüfgasstrom ein Teilstrom abgezweigt, der mit einer. bestimmten Luft-
oder Sauerstoffmenge vermischt und durch eine Verbrennungseinrichtung geleitet wird,
wo in an sich bekannter Weise, -z. B. durch die Temperaturerhöhung eines erhitzten
Platindrahtes, ein etwaiger Gehalt des Teilstromes an unverbrannten Gasen bzw. unmittelbar
der durch Verbrennung dieser unverbrannten Gase freiwerdende Heizwert des Verbrennungsgasteilstromes
festgestellt wird. Auch diese Zumischung und Verbrennung kann in der oben beschriebenen
Weise unterteilt erfolgen. Durch die Abzweigung des Teilstromes und Messung seines
etwaigen Gehalts an unverbrannten Gasen bzw. Heizwertes wird, auch mit weniger empfindlichen
Meßeinrichtungen, eine sehr genaue Messung der Grenze erreicht, bei welcher der
Sauerstoffüberschuß verschwindet und in einen Gehalt an unverbrannten Gasen übergeht.
Die Meßeinrichtung zur Feststellung eines etwaigen Heizwertes kontrolliert die Meßeinrichtung
für den Sauerstoffüberschuß bzw. die Luftüberschußzahl, da stets nur eine von beiden
oder keine einen Ausschlag geben darf. Beide Meßeinrichtungen zusammen kontrollieren
außerdem die Einrichtung zur Verbrennungsvollendung, da bei deren Versagen beide
einen Ausschlag geben. Da der bei der Verbrennung der unverbrannten Gase freiwerdende
Heizwert des Verbrennungsgasteilstroms fast genau dem Sauerstoffmangel proportional
ist, kann die den freiwerdenden Heizwert feststellende Einrichtung auch dazu benutzt
werden, die Luftmengenzahlen im Meßbereiche des Sauerstoff-bzw. Luftmangels; in
diesem Falle also die Luftunterschußzahlen, anzuzeigen. Ohne die vorherige Verbrennungsvollendung
wäre weder die erwähnte Kontrolle noch diese Erweiterung des Meßbereichs möglich.
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Bei der Verbrennungsvollendung wird, je nach dem dabei verschwindenden
Gehalt an Sauerstoff und unverbrannten Gasen, ein entsprechender Heizwert der Verbrennungsgase
frei. Da er bei Luftmangel nur einen Teil des gesamten Heizwerts der Verbrennungsgase
darstellt, soll er als Teilheizwert bezeichnet werden. Da die unvollendete Verbrennung,
d. h. das Nebeneinander von Sauerstoff und Unver-.branntem in den Verbrennungsgasen,
feuerungstechnisch einen bedeutenden Verlust darstellt, der zudem zweckmäßig durch
andere Maßnahmen als bloße Veränderung des Luftüberschusses bekämpft werden muß,
ist es für die Feuerungsüberwachung von großem Wert; diesen Verlust besonders festzustellen.
Bei der vorliegenden Erfindung läßt sich dies mit einfachen Mitteln dadurch erreichen,
daß durch die bei der Verbrennungsvollendung entwickelte Wärmemenge, z. B. durch
Messung der Temperaturerhöhung, der freiwerdende Teilheizwert als Maß der unvollendeten
Verbrennung gemessen wird.
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Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung t ermöglicht also im Gegensatz
zu den bekannten Verfahren zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen eine unmittelbare
sichere Messung der Luftüberschußzahl und außerdem des von der Luftüberschußzahl
unabhängigen Verlustes durch unvollendete Verbrennung. Es ist daher in erhöhtem
Maße geeignet zur Regelung von Verbrennungsvorgängen. Es kann ausgeführt werden
mittels selbsttätiger Einrichtungen oder auch mittels handbedienter, dem Orsatapparat
ähnlicher Apparate.
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Auf der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer selbsttätigen
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt.
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Durch eine Saugvorrichtung i wird ein Prüfgasstrom der Verbrennungsgase
durch eine Leitung 2 und ein Filter 3 angesaugt und durch die Meßeinrichtung hindurchgesaugt.
Eine die Meßeinrichtung umgehende Leitung q. mit einer zwischengeschalteten Wasservorlage
5, in die noch eine zweite, tiefer tauchende und mit der Außenluft in Verbindung
stehende Leitung 6 mündet, bewirkt die Aufrechterhaltung eines gleichbleibenden
Unterdrucks und einer gleichbleibenden Geschwindigkeit des Prüfgasstroms in der
Meßeinrichtung. Dieser Prüfgasstrom wird zunächst durch ein mit einer katalytischen
Substanz gefülltes Rohr 7 geführt, das sich in einem Heizofen 8 befindet. In dem
Rohr 7 findet die Verbrennungsvollendung statt. Der umgewandelte Prüfgasstrom, in
welchem nun freier Sauerstoff und brennbare Gase und Dämpfe nicht mehr nebeneinander
vorhanden sind, verläßt das Rohr 7 durch die Leitung g. Innerhalb des Rohres 7 ist
ein Temperaturmesser, z. B. ein Widerstandsthermometer io, untergebracht, der in
bekannter Weise durch Vergleich mit einem von Luft umströmten Temperaturmesser die
durch die Verbrennungsvollendung hervorgerufene Temperaturerhöhung mißt und auf
einem Anzeigeinstrument ii zur Anzeige bringt. Diese Anzeige ist ein Maß für die
Unvollendetheit der Verbrennung, also für denjenigen Teil der unverbrannten Gase,
der durch den freien Sauerstoff aufgezehrt zu werden vermag. Die Leitung g mündet
in ein ebenfalls mit einer katalytischen Substanz gefülltes Rohr 12, dem Luft zur
Nachverbrennung an drei Stellen nacheinander durch Leitungen 13 zugesetzt werden
kann. Diese Luft wird den Leitungen- 13 durch eine Leitung 1q. zugeführt, die mittels
eines Umschalthahnes 15 mit einer Leitung 16 oder einer Leitung 17 verbunden
oder
völlig abgesperrt werden kann. Die -Leitungen 16 und 17 stehen mit der Außenluft
in Verbindung und haben verschieden große Einströmöffnungen 18 und ig. Infolge des
gleichbleibenden Unterdruckes in der Meßeinrichtung strömt durch jede der Leitungen
16 und 17 im Falle ihrer Einschaltung ein bestimmter zum Prüfgasstrom in festem
Verhältnis stehender Luftstrom ein. Das Rohr 12 ist hinter den Einmündungsstellen
der Leitungen 13 von je einer Heizeinrichtung 2o umgeben. Durch die unterteilte
Zuführung der Nachverbrennungsluft wird eine zu starke örtliche Erhitzung innerhalb
des Rohreg 12 vermieden. Die dargestellte Einrichtung kommt für die Überwachung
von Ofenfeuerungen in Frage, die zeitweise mit Luftüberschuß, zeitweise mit schwach
reduzierender und zeitweise mit stark reduzierender Flamme arbeiten sollen. In der
Periode mit Luftüberschuß wird keine Nachverbrennungsluft, in der Periode mit schwach
reduzierender Flamme wird durch die Leitung 16 ein schwacher Luftstrom, und in der
Periode mit stark reduzierender Flamme wird durch die Leitung i7.ein stärkerer Luftstrom
zur Nachverbrennung zugesetzt. Der gegebenenfalls nachverbrannte Prüfgasstrom verläßt
das Rohr i2 durch eine Leitung 21, wird in einem Kühler 22 gekühlt und strömt durch
eine Leitung 23 zu der Einrichtung zur Messung des Sauerstoffüberschusses. Diese
Einrichtung besteht aus einem mit katalytischer Substanz gefüllten Rohr 2q., das
sich in einem Heizofen 25 befindet. Dem Rohr 24 wird an zwei Stellen durch eine
entsprechend verzweigte Leitung 26 Wasserstoff aus einer elektrolytischen Zelle
27 (oder ein sonstiger gas- oder dampfförmiger Brennstoff) in ausreichendem Verhältnis
zum Prüfgasstrom zugeführt. Die durch die Verbrennung des Sauerstoffüberschusses
mit dem zugeführten Brennstoff entstehendeTemperatursteigerung wird durch ein in
dem Rohr 24 befindliches Widerstandsthermometer 28 gemessen und durch das Anzeigeinstrument
29 als Maß der Luftmengenzahl angezeigt. Entsprechend den drei Stellungen des Umschalthahns
15 erhält das Anzeigeinstrument 29 zur Ablesung der jeweiligen Luftmengenzahl drei
Meßbereiche. Von der Leitung 23 zweigt eine Leitung 3o ab, durch die ein Teilstrom
des Verbrennungsgasstroms einer Einrichtung zur Messung eines etwaigen Überschusses
an unverbrannten Gasen zugeführt wird. Diesem Teilstrom wird zunächst durch eine
Leitung 31 ein Luftstrom zugemischt. Das Gemisch wird durch ein Rohr 32 geleitet,
worin sich eine elektrisch erhitzte Platindrahtspirale 33 befindet, deren Temperatur
sich durch katalytische Verbrennung erhöht, falls der abgezweigte Teilstrom an Stelle
eines Sauerstoffüberschusses einen Überschuß an brennbaren Gasen enthält. Die Temperaturteigerung
wird auf elektrischem Wege gemessen und durch ein Anzeigeinstrument 34 als Maß des
Überschusses an brennbaren Gasen bzw. der entsprechenden Luftmengenzahl (Luftunterschußzahl)
angezeigt. Auch das Anzeigeinstrument 34 besitzt drei den drei Stellungen des Umschalthahnes
15 entsprechende Meßbereiche. Der Prüfgasstrom und der Prüfgasteilstrom werden gemeinsam
aus den Rohren 24 und 3z durch eine Leitung 35 mittels der Saugvorrichtung i abgesaugt.
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Da in dem Prüfgasstrom nach der Verbrennungsvollendung in dem Rohr
7 und der gegebenenfalls in dem Rohr i2 stattfindenden Nachverbrennung entweder
nur ein Sauerstoffüberschuß oder nur ein Überschuß an brennbaren Gasen oder keines
von beiden enthalten sein kann, zeigt auch nur entweder das Instrument 29 oder das
Instrument 34 oder keines von beiden eine Temperaturerhöhung an. Die Anzeige des
Instruments 34 bildet die Fortsetzung der Anzeige des Instruments 29 in der Richtung
abnehmender Luftmengenzahl. Mittels beider Instrumente zusammen, die auch räumlich
entsprechend vereinigt sein können, kann ein sehr großer Bereich der Luftmengenzahl
angezeigt werden. Wenn beide Instrumente 29 und 34 keinen Ausschlag zeigen, ist
je nach der Stellung des Umschalthahnes 15 entweder neutrale Verbrennung
(Luftmengenzahl = i) oder eine bestimmte schwach reduzierende Flamme (Luftmengenzahl
z. B. = 0,95) oder eine bestimmte stark reduzierende Flamme (Luftmengenzahl
z. B. = o,8o) vorhanden; die je drei Skalen der beiden Anzeigeinstrumente würden
bei dem einen, 29, in ansteigender Richtung, bei dem anderen, 3q., in absteigender
Richtung mit den entsprechenden drei Werten der Luftmengenzahl beginnen. Falls in
einer bestimmten Stellung des Umschalthahnes 15
an Stelle von Luft ein Brenngasstrom
zur Nachverbrennung zugesetzt wird, zeigen die Instrumente 9,9 und 34 bei einem
bestimmten Luftüberschuß (Luftmengenzahl z. B. = 1,3) beide keinen Ausschlag, und
mit dem Wert dieser Luftmengenzahl würden die dieser Hahnstellung entsprechenden
Skalen der beiden Anzeigeinstrumente beginnen. Durch Umschaltung des Hahnes 15 kann
also der Gesamtmeßbereich der beiden Anzeigeinstrumente und der Bereich genauester
Anzeige nach der einen oder anderen Richtung verschoben werden. Ferner kann auf
diese Weise die Überwachungseinrichtung auf die Einregelung verschiedener beim Betrieb
der Feuerung einzuhaltender Luftmengenzahlen eingestellt werden; hierbei brauchen
die Instrumente 2g und -3q., wenn sie nur dazu dienen sollen,. dem Heizer die erforderliche
Anweisung für die Einregelung der Luftzufuhr zur ' Feuerung zu geben, an Stelle
vollständiger _ Skalen nur eine Nullpunktsmarke zu erhalten, da bei richtiger Einregelung
der Feuerung auf
die vorgeschriebene Luftmengenzahl beide Instrumente
keinen Ausschlag zeigen, während bei unrichtiger Einregelung Richtung und ungefähre
Größe des Fehlers durch einen entsprechenden Ausschlag des einen oderanderen Instruments
angezeigt wird.