-
Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Laufzeitmessung von Gasen
in einem Behälter,
insbesondere einem Schachtofen, zum Beispiel einem Hochofen, eine
Vorrichtung zu seiner Anwendung und eine Methode zur Kalibrierung
der betreffenden Vorrichtung.
-
Es
gibt verschiedene industrielle Prozesse, bei denen die Kenntnis
der Zeit gewünscht
ist, die ein Gas benötigt,
um eine bestimmte Strecke zurückzulegen,
normalerweise spricht man von Laufzeit in einem Behälter. Im
allgemeinen ist dieser Behälter
undurchsichtig und schwer, wenn nicht unmöglich mit physikalischen Mitteln
wie Sonden oder Sichtfenstern zu prüfen, ohne dass übermäßige Herstellungs- und Betriebskosten
verursacht werden.
-
Die
Laufzeitmessung basiert oft auf folgender Rechenoperation: Tm = Tt – Tmpwobei
Tm die Laufzeit der Gase in einem Prozess zwischen zwei bestimmten
Punkten ist
Tt die gemessene Gesamtzeit zwischen dem Beginn und
dem Ende der Messung ist
Tmp die Verlustzeit bei der Probenahme
ist.
-
Es
ist klar, dass bei einem kleinen Tmp-Wert im Vergleich zu Tm und
Tt – zum
Beispiel Tmp = 10 s bei Tm = 600 s und Tt = 610 s – ein Messfehler
von Tmp vernachlässigt
werden kann, was seinen Einfluss auf die Messung von Tm angeht.
Wenn man dagegen den Fall hat, dass Tmp sich in der gleichen Größenordnung
bewegt wie Tm – zum
Beispiel Tmp = 15 s bei Tm = 10 s und Tt = 25 s, wirkt sich eine Fehlschätzung von
Tmp ausgesprochen negativ auf die Messung von Tm aus.
-
Das
Messverfahren gemäß dieser
Erfindung ist besonders für
die Fälle
der Messung der Laufzeit Tm geeignet, bei denen die Schätzung der
Verlustzeit bei der Probenahme Tmp präzise sein muss, damit die Messung
der Laufzeit Tm nicht aufgrund des möglichen Messfehlers bei der
Operation Tm = Tt – Tmp
völlig
sinnlos wird.
-
Zusammenfassend
stellen wir fest, dass das Messverfahren gemäß dieser Erfindung für die Verfahren
anwendbar ist, bei denen der. Wert von Tmp im Vergleich zu Tm nicht
vernachlässigt
werden kann.
-
Um
die Darstellung zu vereinfachen und Klarheit zu gewährleisten,
bezieht sich die folgende Beschreibung insbesondere auf einen Hochofen
zur Herstellung von Roheisen; bei diesem Prozess herrschen die vorstehend
beschriebenen Bedingungen in Bezug auf die erforderliche Anwendung
der Methode gemäß der Erfindung.
Jedoch versteht es sich natürlich,
dass diese Beschreibung keine Einschränkung darstellen soll und insbesondere,
dass die Erfindung für
jede Einheit anwendbar ist, bei der man bestimmte Messungen im gleichen
Rahmen wie beim Hochofen durchführen
will, was die durch die Konstruktion dieser Einheit bedingten Betriebsbedingungen,
wie zum Beispiel schwierige Zugänglichkeit,
anbelangt.
-
Es
ist bekannt, dass die Beschickung des Hochofens in abwechselnden
Schichten aus Erz und Brennstoff erfolgt. Unter Erz versteht man
das eisenhaltige Material, das normalerweise aufbereitet und gesintert
oder pelletisiert ist und verschiedene Stoffe, insbesondere Zuschlagsstoffe
enthalten kann. Unter Brennstoff versteht man die kohlenstoffhaltigen
Stoffe, die insbesondere aus Koks bestehen.
-
Der
Hochofen wird abwechselnd mit Erz und Brennstoff beschickt, so dass über seine
Höhe abwechselnde
Schichten aus eisenhaltigen Stoffen und Brennstoff gebildet werden.
-
Nach
der Zündung
der Charge im Hochofen führt
die Reduktion der Erze durch Einblasen von Heißluft zur Herstellung des Roheisens,
das in den unteren Bereich des Schachts abläuft und unten am Hochofen abgestochen
wird.
-
Während des
Prozesses der Reduktion der Erze im Hochofen ist es erforderlich, über Messmittel zur
Kontrolle und Überwachung
des Prozessablaufs zu verfügen.
-
In
diesem Rahmen ist die – vorzugsweise kontinuierliche – Erfassung
des Geschwindigkeitsbereichs der Gase im Inneren der Charge des
Hochofens ein wichtiger Parameter, da man daraus Informationen ableiten
kann, um den thermischen und chemischen Wirkungsgrad des betreffenden
Hochofens zu optimieren.
-
Insbesondere
kann diese Art von Informationen von Experten- oder anderen Systemen zur Regelung
des Betriebs von Anlagen genutzt werden, bei denen Schachtöfen eingesetzt
werden.
-
Da
die direkte und fortlaufende Erfassung des Geschwindigkeitsbereichs
an vielen Stellen des Hochofens in der Praxis nicht durchführbar ist,
weil die direkte Zugänglichkeit
dieser Stellen nicht gegeben ist, wurden verschiedene Methoden entwickelt, um
diesen Nachteil auszugleichen.
-
Unter
den bekannten Methoden sind Druckmessungen an der Hochofenwand und
Temperaturmessungen an der Oberfläche der Charge anzuführen.
-
In
der japanischen Druckschrift JP-A-60 049 267 wird ein Verfahren
beschrieben, um die Geschwindigkeit von Gasen in einem Schachtofen
präzise
zu messen; dieses besteht darin, ein Prüfgas mit Vorrichtungen zum
Einspritzen des Gases in den Ofen zu leiten, wobei diese Vorrichtungen
jeweils mit einem ersten, sogenannten Gaseinspritzrohr und einem
zweiten, sogenannten Detektorrohr verbunden sind. Die beiden Rohre
sind mit einem festen Höhenabstand
(L) im Gasstrom im Ofen angebracht. Das erste am Einspritzrohr eingespritzte
Prüfgas
durchströmt
diese Entfernung in diesem Strom, bevor es vom Detektorrohr, das
mit einem Detektor verbunden ist, erfasst wird. Das zweite Prüfgas wird
durch ein Rohr eingespritzt, die sich im Detektorrohr befindet und
direkt von diesem erfasst, sobald es das Rohr verlässt, so
dass die Messung der Zeit, die dieses zweite Prüfgas im Detektorrohr verbringt,
die Kalibrierung der Vorrichtung ermöglicht.
-
Sobald
die Prüfgase
nach Erreichen eines Gleichgewichtszustandes erfasst wurden, werden ihre
Einlassventile geschlossen und am Detektor die Zeitpunkte t1 und
t2 erfasst, an denen die Abnahme der Konzentration der beiden Gase
gemessen wird. Daraus schließt
man auf die Geschwindigkeit, mit der das Gas den Ofen durchströmt: L/(t2 – t1).
-
In
der japanischen Druckschrift JP-A-59 009 116 wird ebenfalls ein
Verfahren zur Bestimmung der Verteilung der Gasströme in einem
Hochofen beschrieben, bei dem die Geschwindigkeit eines Prüfgases gemessen
wird, das sich zwischen einem tiefer gelegenen Einspritzpunkt und
einem höher
gelegenen Erfassungspunkt bewegt. Diese beiden Punkte können in
der Höhe
variiert werden, so dass eine Messung in der Nähe einer Schmelzzone oder einer Schicht
der Charge mit maximaler Gaskonzentration durchgeführt werden
kann. So erhält
man die Verteilung der Gasströme,
indem mehrere Messungen in radialer Richtung durchgeführt werden.
-
Die
vorliegende Erfindung besteht aus einem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1,
3 und 5 und einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 8, 9 und 13, bei der einige
Nachteile, die mit den vorstehend beschriebenen Methoden verbunden
sind, durch einen anderen Ansatz gelöst werden, der auf der Bestimmung
der durchschnittlichen Laufzeit der innerhalb des Hochofens vorhandenen
Gase zwischen zwei verschiedenen Punkten dieses Innenraums basiert.
-
Das
Verfahren zur Laufzeitmessung von Gasen in einem Behälter, insbesondere
in einem Schachtofen, z. B. einem Hochofen, ist im wesentlichen
dadurch gekennzeichnet, dass man wenigstens einmal einen Vorgang
durchführt,
bei dem ein sogenanntes Prüfgas
an einem Punkt A oder A' des
Behälters
eingespritzt wird, dadurch, dass man wenigstens einen Vorgang durchführt, bei
dem das an einem Punkt B dieses Behälters vorhandene Gas entnommen
wird, wobei Punkt B nicht identisch mit Punkt A oder A' ist, dadurch, dass
man wenigstens einmal einen Vorgang durchführt, bei dem man prüft, ob die
in B entnommene Gasprobe Prüfgas
enthält,
dadurch, dass man aus den über
ein Detektorsystem erhaltenen Informationen über das Vorhandensein von Prüfgas die
Zeit ableitet, die das Prüfgas
von Punkt A oder A' bis
Punkt B benötigt
und dadurch, dass man eine Messung der Reaktionszeit der Einrichtung,
die die Probenahme in B durchführt,
in situ durchführt, die
sogenannte Prozesskalibrierung.
-
Bei
einer Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der Erfindung wird das Prüfgas an
einem Punkt der Behälterwand
eingespritzt, vorzugsweise bei einer Windform im Falle der Anwendung
in einem Behälter,
der durch einen Schachtofen, insbesondere einen Hochofen gebildet
wird.
-
Bei
einer anderen Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der Erfindung
kommt es zu keiner chemischen Reaktion des Prüfgases mit den im Behälter vorhandenen
Substanzen und auch nicht mit den daraus erzeugten Produkten.
-
Bei
einer bevorzugten Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der Erfindung
wird das Prüfgas
in einer hinreichend geringen Menge eingeleitet, um den Ablauf der
Reaktionen im Inneren des betreffenden Behälters nicht zu stören.
-
Bei
einer weiteren Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der Erfindung
erfolgt die Gasprobenahme im Behälter
an mehreren Punkten.
-
Bei
einer bevorzugten Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der Erfindung
erfolgt die Gasprobenahme mittels eines Trägers, der sich über oder
unter der obersten Schicht der Charge im Behälter befindet und mit mehreren
Probenahmepunkten ausgestattet ist.
-
Bei
einer anderen bevorzugten Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der Erfindung
werden die Probenahmen durch Sonden durchgeführt, die die Charge im Behälter bei
ihrer Bewegung nach unten begleiten.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der Erfindung
in Bezug auf den Vorgang der Analyse der Gasprobe aus dem Behälter wird
die Konzentration bestimmter Bestandteile dieses Gases mit einem
Massenspektrometer bestimmt.
-
1 zeigt
die Anwendung des Messprinzips gemäß der Erfindung schematisch
für den
Fall eines Hochofens. Abgebildet sind der Hochofen (1), die
Windformen (2), der Messträger (3) mit mehreren Probenahmesonden
(4), wobei der Träger
(3) mit einer Analysevorrichtung (5) verbunden
ist.
-
Bei
diesem besonderen Anwendungsfall ist man davon ausgegangen, dass
die Einleitung des Prüfgases
an zwei Punkten A und A' erfolgen
könnte, nämlich bei
(6), einer Zugangsöffnung
in der Hochofenwand und bei (7), einem Zugang in der Windform zur
Einleitung des Prüfgases
mit geeigneten Mitteln (8).
-
Der
Kalibriervorgang für
das Messverfahren gemäß der Erfindung
ist dann erforderlich, wenn man fortlaufende Messungen bei unterschiedlichen
Drücken
und Temperaturen an der Probenahmesonde durchführen möchte. Er ist ebenfalls erforderlich, wenn
der Druckverlust im Probenahmekreislauf sich zeitabhängig entwickelt,
zum Beispiel infolge eines allmählichen
Zusetzens der Gasfilterelemente, die zu der Gasprobenahmeeinheit
gehören.
-
Ein
wesentlicher Vorteil der Methode gemäß der Erfindung liegt darin,
dass die Kalibrierung in situ durchgeführt wird, im Gegensatz zu einer
Kalibrierung im Labor oder außerhalb
des Behälters.
Es ist klar, dass bei dieser Art Kalibrierung direkt am Messort
der Ist-Zustand der Probenahmevorrichtung berücksichtigt werden kann.
-
Bei
einer Anwendungsform des Messverfahrens gemäß dieser Erfindung besteht
der Kalibriervorgang darin, am Entnahmepunkt der zu kalibrierenden
Vorrichtung eine bestimmte Gasmenge einzuspritzen und die Zeit zu
messen, die zwischen dem Einspritzen und der Erfassung dieses Gases
in der Probenahme- und Detektorvorrichtung verstreicht.
-
Bei
einer Anwendungsform der vorstehend genannten Kalibriermethode wird
eine Probenahmesonde oder ein Probenahmerohr verwendet, das aus mindestens
zwei Rohren besteht, wobei mindestens eines dieser Rohre dazu dient,
das im Behälter
an der Probenahmestelle vorhandene Gas zu entnehmen und mit einer
Analysevorrichtung verbunden ist, die auf mindestens einen Bestandteil
der Gasprobe aus dem Behälter
reagiert und das andere oder eines der anderen vorhandenen Rohre
der Einleitung des vorstehend erwähnten bestimmten Gases dient
und mit einer Vorrichtung verbunden ist, das es mit dem vorstehend
genannten Gas speist.
-
Bei
einer Anwendungsform der vorstehend genannten Kalibriermethode,
bei der eine Probenahmesonde oder ein Probenahmerohr verwendet wird, das
aus mindestens zwei Rohren besteht, die so angeordnet sind, dass
mindestens eines dieser Rohre für
die Probenahme verwendet wird und wenigstens eines der anderen Rohre,
die nicht der Probenahme dienen, zum Einspritzen des Prüfgases am
Ende des Probenahmerohres verwendet wird, werden die folgenden Vorgänge durchgeführt:
- 1) ein Gasgemisch, das aus einem Gas, vorzugsweise
Neutralgas, und einem Prüfgas
besteht, wird in geringer Menge in das oder die vorstehend genannten
Rohre eingespritzt, die zum Einleiten des Prüfgases verwendet werden, so
dass ein Spülvorgang
durchgeführt
wird, mit dem Ziel, das Volumen der besagten Rohre mit dem besagten Gasgemisch
zu füllen,
wobei dieses Gemisch am Ende des Probenahmerohrs zum Behälter hin entweicht,
- 2) über
das oder die besagten Rohre für
die Probenahme wird das Gas des Behälters, das sich mit dem Prüfgas vermischt
hat, entnommen, wobei das oder die besagten Rohre für die Probenahme
mit dem Detektorsystem verbunden sind,
- 3) zu einem Zeitpunkt t0 wird ein plötzlicher Druckanstieg des vorstehend
genannten Gemischs herbeigeführt,
wobei sich der Druckanstieg in dem oder den vorstehend genannten
Rohren, die zum Einspritzen des Prüfgases verwendet werden, bis
zum offenen Ende dieses oder dieser Rohre ausbreitet und dort zu
einem Zeitpunkt t1 eine Erhöhung
der Durchflussmenge hervorruft, was eine Erhöhung des Gehalts an Prüfgas in
der Gasprobe zur Folge hat, die mit dem oder den vorstehend genannten,
für die
Probenahme verwendeten Rohren entnommen wurde,
- 4) es wird der Zeitpunkt t2 bestimmt, zu dem die Änderung
der Prüfgaskonzentration
in der Gasprobe durch die Analysevorrichtung, mit der das oder die
besagten Rohre für
die Probenahme verbunden sind, erfasst wird,
- 5) es wird die Laufzeit in der Probenahmevorrichtung durch die
Operation t2 – t0
ermittelt.
-
Die
Dauer t2 – t0
kann leicht gemessen werden und stellt eine gute Annäherung an
t2 – t1
dar. Die Differenz t1 – t0
kann tatsächlich
vernachlässigt werden,
die sich der Druckanstieg im Rohr mit einer Geschwindigkeit in der
Größenordnung
der Schallgeschwindigkeit ausbreitet und somit deutlich schneller als
die üblichen
Strömungsgeschwindigkeiten
von Gasen.
-
Bei
dieser speziellen Anwendungsform der vorstehend genannten Kalibriermethode,
bei der das Gas im Behälter
Prüfgas
in einer messbaren Konzentration enthält, verwendet man bei dem Vorgang
ein Gasgemisch, das kein Prüfgas
enthält
und führt
die gleichen Vorgänge
wie zuvor durch.
-
Ein
anderes Kalibrierverfahren kann auch angewandt werden, falls die
Probenahmekreisläufe kurz
sind, d. h. wenn die Zeit Tmp zum Beispiel 3–4 Mal geringer als die Zeit
Tm ist.
-
Bei
dieser Anwendungsform der vorstehend genannten Kalibriermethode,
bei der eine Probenahmesonde oder ein Probenahmerohr verwendet wird, das
aus mindestens zwei Rohren besteht, die so angeordnet sind, dass
mindestens eines dieser Rohre für
die Probenahme verwendet wird und wenigstens eines der anderen Rohre,
die nicht der Probenahme dienen, zum Einspritzen des Prüfgases am
Ende des Probenahmerohres verwendet wird, werden die folgenden Vorgänge durchgeführt:
- 1) ein sogenanntes Kalibriergas, das kein Prüfgas enthält oder
nur einen geringen Anteil, wird mit einer Leistung eingespritzt,
bei der die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases in dem oder den für das
Einspritzen verwendeten Rohren viel höher ist als die des Gases in
dem oder den für
die Probenahme verwendeten Rohren, vorzugsweise 3–4 Mal so
hoch,
- 2) zu einem Zeitpunkt t0 wird ein Impuls oder eine zusätzliche
Menge des Prüfgases
in das oder die für
das Einspritzen verwendeten Rohre eingeleitet, welches zu einem
Zeitpunkt t1 an den Eingang des Probenahmerohrs gelangt, wo es teilweise
von diesem Probenahmerohr angesaugt wird,
- 3) zu einem Zeitpunkt t2 wird die Änderung der Prüfgaskonzentration
mittels der mit dem Probenahmerohr verbundenen Analysevorrichtung
festgestellt,
- 4) es wird die Laufzeit in der Probenahmevorrichtung durch die
Operation t2 – t0
ermittelt, denn die Differenz t1 – t0 kann vernachlässigt werden, wenn
die vorstehend beschriebenen Betriebsbedingungen eingehalten werden,
d. h. wenn die Geschwindigkeit in dem oder den für das Einspritzen verwendeten
Rohren so hoch ist, dass t1 – t0 als
vernachlässigbar
angesehen werden kann oder wenn diese mit einer hinreichenden Genauigkeit
berechnet werden kann.
-
Bei
einer bevorzugten Anwendungsform der vorstehend genannten Kalibriermethode
wird eine Probenahmesonde oder ein Probenahmerohr verwendet, das
aus zwei koaxialen Rohren besteht, wobei das eine so angeschlossen
ist, dass das Einspritzen des Prüfgases
durchgeführt
werden kann und das andere so, dass das im Behälter vorhandene Gas entnommen
werden kann.
-
Zur
bildlichen Darstellung der vorstehend genannten Anwendungsformen
des Kalibriervorgangs wurden diese Vorgänge schematisch dargestellt,
d. h. alles, was nicht zum guten Verständnis der Kalibriervorgänge im Falle
von Sonden oder Rohren aus zwei koaxialen Rohren erforderlich ist,
wurde nicht dargestellt, so dass
-
3a für den Fall
gilt, dass ein Gasgemisch, bestehend aus einem Gas – vorzugsweise Neutralgas – und einem
Prüfgas
mit geringer Durchflussleistung in das für das Einspritzen des Prüfgases verwendete
Rohr geleitet wird und zu einem Zeitpunkt t0 ein plötzlicher
Druckanstieg des vorstehend genannten Gemischs herbeigeführt wird,
und
-
3b für den Fall
gilt, dass die Probenahmekreisläufe
kurz sind und ein sogenanntes Kalibriergas, das kein Prüfgas enthält oder
nur einen geringen Anteil, mit einer Leistung eingespritzt wird,
bei der die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases in dem für
das Einspritzen verwendeten Rohr viel höher ist als die des Gases in
dem für
die Probenahme verwendeten Rohr, und zu einem Zeitpunkt t2 die Änderung
der Prüfgaskonzentration
mittels der mit dem Probenahmerohr verbundenen Analysevorrichtung festgestellt
wird.
-
Wenn
man auf 3a Bezug nimmt, in der die Vorrichtung
zur Anwendung des Messverfahrens gemäß der Erfindung bei einem Hochofen
schematisch dargestellt ist, wobei eine doppelwandige Probenahmesonde
(4) verwendet wird, kann das vorstehend genannte Kalibrierverfahren
beschrieben werden wie folgt:
- – Während die
Probenahme mit dem Innenrohr (17) erfolgt, wird ein Spülvorgang
durchgeführt, indem
ein Prüfgas
enthaltendes Gasgemisch, das sich im Behälter (20) befindet,
der in Bezug auf das Innere des Hochofens unter Überdruck steht, über ein
ferngesteuertes Ventil (18) mit geringer Durchflussmenge
in das Außenrohr
(16) eingeleitet wird;
- – Die
Spülung
wird genügend
lange durchgeführt, damit
das Volumen zwischen dem Innenrohr (17) und dem Außenrohr
(16) vollständig
gefüllt
werden kann, wobei das Gemisch dann am Ende der Sonde ausströmt und sich
mit dem Hochofengas vermischt, das an dieser Stelle vorbeiströmt;
- – Über das
Rohr (17) wird ein Teil des Gases entnommen und mit dem
Detektor (15) analysiert, der eine schwache Prüfgaskonzentration
meldet;
- – zu
einem Zeitpunkt t0 wird das ferngesteuerte Ventil (19)
kurzzeitig geöffnet,
was einen Druckimpuls verursacht, da der Kreislauf des Ventils (19) so
konstruiert ist, dass dort ein wesentlich geringerer Druckverlust
als im Kreislauf des Ventils (18) auftritt; infolge dieses
Vorgangs breitet sich der Druckanstieg schnell mit Schallgeschwindigkeit
im Gas bis an das Ende des Rohres (16) aus, wo er einen
Anstieg der Durchflussmenge am Ende der Sonde (4) herbeiführt, und
folglich eine Erhöhung
der Prüfgaskonzentration
im Gichtgas, das nahe am Ende des Innenrohres (17) vorbeiströmt, zum
Zeitpunkt t1 stattfindet;
- – zu
einem Zeitpunkt t2 wird mit dem Detektor (15) ein Anstieg
des Prüfgasgehalts
festgestellt;
- – die
Laufzeit im Hochofen wird durch die Operation t2 – t0 ermittelt,
da t1 – t0
angesichts der Betriebsbedingungen vernachlässigbar ist, da die Schallgeschwindigkeit
in einem Rohr ein Vielfaches der Strömungsgeschwindigkeit des Gases beträgt.
-
Wenn
man auf 3b Bezug nimmt, kann das vorstehend
genannte Kalibrierverfahren durchgeführt werden wie folgt:
- – man
verwendet eine doppelwandige Probenahmesonde (4) oder ein
doppelwandiges Probenahmerohr, das aus zwei konzentrischen Rohren
besteht, die so angeordnet sind, dass das Innenrohr (17)
für die
Probenahme verwendet wird und das Außenrohr (16) dazu
dient, Gas an das Ende des Probenahmerohres zu leiten; und während die Probenahme
mit dem Innenrohr (17) erfolgt, werden folgende Vorgänge durchgeführt:
- – man
lässt ein
sogenanntes Kalibriergas, das kein Prüfgas enthält oder nur einen geringen
Anteil, aus dem Behälter
(22) mittels eines ferngesteuerten Ventils (21)
mit einer Durchflussleistung einströmen, bei der die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases im Außenrohr
(16) viel höher
ist als die des Gases im Probenahmerohr oder Innenrohr (17),
vorzugsweise 3–4
Mal so hoch,
- – zu
einem Zeitpunkt t0 wird durch kurzzeitiges Öffnen des Ventils (18),
das mit dem Prüfgasbehälter (20)
verbunden ist, ein Impuls oder eine zusätzliche Menge des Prüfgases in
das Kalibriergas gesandt, das in das Außenrohr (16) eingeströmt ist,
welches zu einem Zeitpunkt t1 an den Eingang des Probenahmerohrs
(4) gelangt, wo es teilweise vom Probenahmerohr (4)
angesaugt wird und in das Innenrohr (17) gelangt,
- – zu
einem Zeitpunkt t2 wird eine höhere
Prüfgaskonzentration
mittels der mit dem Probenahmerohr (4) verbundenen Analysevorrichtung
(15) festgestellt,
- – es
wird die Laufzeit in der Probenahmevorrichtung durch die Operation
t2 – t0
ermittelt, denn die Differenz t1 – t0 kann vernachlässigt werden, wenn
die vorstehend beschriebenen Betriebsbedingungen eingehalten werden,
d. h. wenn die Geschwindigkeit im Außenrohr so hoch ist, dass t1 – t0 als
vernachlässigbar
angesehen werden kann oder wenn diese mit einer hinreichenden Genauigkeit
berechnet werden kann.
-
Bei
einer anderen Anwendungsform des Kalibrierverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei der man eine Probenahmesonde mit einem einzigen Rohr
verwendet, wobei dies dann angewandt wird, wenn der Gehalt des analysierten
Bestandteils des Behältergases
ausreichend verschieden vom Gehalt dieses Bestandteils in einem
sogenannten Spülgas
ist, damit der Übergang
vom einen zum anderen durch das Analysesystem erkennbar ist, wobei ein
Absperrventil im Probenahmekreis angebracht ist, werden die folgenden
Vorgänge
durchgeführt:
- 1) man öffnet
ein Absperrventil, das sich im Probenahmekreislauf befindet, so
dass dieser dann mit der Analysevorrichtung in Verbindung ist,
- 2) man öffnet
ein Spülventil,
so dass in den besagten Probenahmekreislauf ein sogenanntes Spülgas strömen kann,
das sich vom Gas im Behälter durch
einen seiner Bestandteile unterscheidet, der von der Analysevorrichtung
selektiv erkannt werden kann, wobei dieser Vorgang für eine ausreichend
lange Zeit durchgeführt
wird, um den gesamten Rohrleitungsabschnitt vom Spülventil
bis zum Detektor einschließlich
der Analysevorrichtung für
die Gasprobe zu spülen,
- 3) anschließend
schließt
man das Absperrventil im Probenahmekreislauf und wartet, bis sich
der Spülvorgang
zum Behälter
hin fortsetzt, und zwar für
eine genügend
lange Zeit, damit die Leitungen und Geräte zwischen dem Absperrventil
und der Probenahmesonde vollständig
mit Spülgas
gefüllt sind,
so dass sowohl im Probenahme- wie auch im Aufbereitungskreislauf
für die
Gasprobe jede Spur des Behältergases
entfernt wird,
- 4) anschließend
schließt
man das Spülventil
und wartet, bis der Druck im Probenahmekreislauf beim Spülventil
dem Druck im Behälter
entspricht,
- 5) man öffnet
das Absperrventil im Probenahmekreislauf zum Zeitpunkt t0 und erfasst
den Zeitpunkt t1, an dem die Analysevorrichtung für die Zusammensetzung
der Gasprobe den Bestandteil des Behältergases meldet, auf den sie
reagiert,
- 6) man bestimmt die Laufzeit in der Probenahmevorrichtung durch
die Operation t1 – t0,
wodurch die Kalibrierung ermöglicht
wird.
-
4 zeigt
eine Vorgehensweise zur Kalibrierung, die in der vorstehend genannten
Anwendungsform beschrieben wird, bei der man eine Probenahmesonde
(4) mit einem einzigen Rohr verwendet und das Behältergas
Prüfgas
in einer messbaren Menge enthält
oder einer der Bestandteile des Behältergases selektiv von der
Vorrichtung (15) für
die Gasprobenanalyse erkannt werden kann, wobei ein Absperrventil
(23) im Probenahmekreis angebracht ist; dabei werden die
folgenden Vorgänge
durchgeführt:
- 1) man öffnet
ein Absperrventil (23), das sich im Probenahmekreislauf
befindet, so dass die Probenahme in diesem durchgeführt wird,
- 2) man öffnet
ein Spülventil
(21), so dass aus dem Behälter (22) in den besagten
Probenahmekreislauf ein sogenanntes Spülgas strömen kann, das sich vom Prozessgas
durch seinen Gehalt an Prüfgas
oder durch einen seiner Bestandteile unterscheidet, der von der
Analysevorrichtung (15) für die Gasprobe selektiv erkannt
werden kann, wobei dieser Vorgang für eine ausreichend lange Zeit
durchgeführt
wird, um das Prozessgas aus dem gesamten Rohrleitungsabschnitt vom
Spülventil
(21) bis zum Detektor einschließlich der Analysevorrichtung
(15) für
die Zusammensetzung der Gasprobe zu spülen,
- 3) anschließend
schließt
man das Absperrventil (23) im Probenahmekreislauf und wartet,
bis sich der Spülvorgang
zum Behälter
hin fortsetzt, und zwar für
eine genügend
lange Zeit, damit die Leitungen und Geräte zwischen dem Absperrventil (23)
und der Probenahmesonde (4) auch vollständig mit Spülgas gefüllt sind, so dass sowohl im Probenahme-
wie auch im Aufbereitungskreislauf für die Gasprobe jede von den
Messgeräten messbare
Spur des Gases entfernt wird,
- 4) anschließend
schließt
man das Spülventil
(21) und wartet, bis der Druck im Probenahmekreislauf beim
Spülventil
dem Druck im Behälter
entspricht,
- 5) man öffnet
das Absperrventil (23) im Probenahmekreislauf, der mit
der Sonde (4) verbunden ist, zum Zeitpunkt t0 und erfasst
den Zeitpunkt t1, an dem die Analysevorrichtung (15) für die Zusammensetzung
der Gasprobe den Bestandteil des Behältergases registriert, auf
den sie reagiert.
-
Die
Dauer t1 – t0
ergibt die Laufzeit im Probenahmekreislauf und ermöglicht die
Kalibrierung.
-
Bei
einer weiteren Anwendungsform des Kalibrierverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung, wird die Dauerspülung
aus Phase 3 der vorstehenden Anwendungsform durch eine diskontinuierliche Spülung ersetzt,
indem das Spülventil
(21) nacheinander geöffnet
und geschlossen wird, so dass der Druck im Kreislauf zwischen dem
Druck des Spülkreislaufs
und dem Behälterdruck
schwankt.
-
Bei
dem letztgenannten Verfahren kann Gas, das sich in möglichen
Toträumen
der Probenahme- und Aufbereitungskreisläufe befindet, durch Erzeugung
von Druckänderungen
leichter ausgeleitet werden.
-
Bei
einer bevorzugten Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet man eine Durchflussmessvorrichtung, um die Durchflussmenge
in einem oder mehreren bei der Messung verwendeten Teilen, zum Beispiel
dem Probenahmekreislauf, dem Gasaufbereitungskreislauf und der Leitung
zum Prüfgasdetektor,
fortlaufend oder sequenziell zu messen, vergleicht die zeitabhängig erfassten
Werte in den einzelnen Kreisläufen miteinander
und führt
entweder eine neue Kalibrierung durch, sobald die Messwerte um mehr
als 10% vom zuletzt an derselben Stelle gemessenen Wert abweichen
oder eine mathematische Interpolationsoperation zur Korrektur der
durchgeführten
Laufzeitmessungen in Abhängigkeit
von den zuvor in der gleichen Vorrichtung gemessenen Werten.
-
Bei
der vorstehend genannten Alternative kann die Zahl der Kalibriervorgänge begrenzt
werden, indem ein Überwachungskriterium
für die
Vorrichtung, die der Anwendung des Messverfahrens gemäß der Erfindung
dient, geliefert wird.
-
Bei
einer bevorzugten Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung wird als Prüfgas
ein Edelgas, insbesondere Helium, verwendet.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Anwendungsform des Messverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Helium-Stickstoff-Gemisch als Kalibriergas und
Stickstoff als Spülgas
verwendet.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend beschriebene Methode zur Laufzeitmessung
gemäß der Erfindung
für den
Fall einer Probenahmesonde auch anwendbar ist, wenn man mehrere
Probenahmesonden verwendet, wobei dann sowohl die Messung als auch
die Kalibrierung entweder bei jeder Vorrichtung, mit der jede Sonde
verbunden ist, durchgeführt
werden, oder sequenziell durchgeführt werden, wenn die Messungen erfolgen,
indem die einzelnen Sonden in Reihe an die Messvorrichtung angeschlossen
sind.
-
Außerdem können die
in der obenstehenden Erklärung
dargestellten Vorgänge
ebenso gut unter manueller Überwachung
von Bedienpersonal durchgeführt
werden, wie auch von automatischen Vorrichtungen wie Informatiksystemen
gesteuert werden, die auch der Archivierung und Auswertung der Messergebnisse
mit oder ohne Rückmelderegelkreis
zur Steuerung des industriellen Prozesses dienen, in dem das Messverfahren
gemäß der Erfindung
verwendet wird.
-
Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens
gemäß den Patentansprüchen 8,
9 und 13.
-
Die
Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens der Laufzeitmessung gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst mindestens die folgenden Teile:
- a)
Mittel, um ein Prüfgas
in die Charge des Hochofens einzuspritzen
- b) Mittel, um eine Probe des im Hochofen vorhandenen Gases zu
entnehmen,
- c) Mittel, um die Gasprobe zu analysieren und
- d) Mittel, um die einzelnen Vorgänge, die zur Durchführung des
Verfahrens gemäß der Erfindung
notwendig sind, zu steuern.
-
Bei
einer Gestaltungsform der Vorrichtung zur Anwendung des Messverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung im Falle eines Hochofens, wie in 2 schematisch
dargestellt, umfassen die Mittel zum Einspritzen des Prüfgases in
das Innere des Ofens mindestens einen Behälter (8) mit Prüfgas, in welchem
ein höherer
Druck als im Hochofen herrscht, ein schnellschaltendes, ferngesteuertes Ventil
(9) und ein Element (10), das einen Druckverlust
zur Kontrolle der Einspritzmenge herbeiführt, wobei das Element (10)
vorzugsweise ein Regulierventil oder eine kalibrierte Öffnung ist,
eventuell in Verbindung mit einem Rückschlagventil (11),
das den Rückfluss
des an der Einspritzstelle vorhandenen Gases verhindern soll, das
heißt
des Heißwindes,
wenn der Einspritzvorgang in einer Windform stattfindet, oder des
Gichtgases, wenn der Einspritzvorgang in den Hochofen an einer Stelle
in der Hochofenwand stattfindet, vorzugsweise über eine Prüfgaseinspritzsonde oder -rohr
(12).
-
Bei
einer Gestaltungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung umfassen die
Mittel zur Entnahme des im Hochofen vorhandenen Gases eine oder mehrere
Probenahmesonden oder -rohre.
-
Bei
einer Gestaltungsform der Vorrichtung zur Anwendung des Messverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen die Mittel zur Steuerung der einzelnen Vorgänge, die
zur Durchführung des
Verfahrens gemäß der Erfindung
notwendig sind, mindestens einen Rechner oder eine vergleichbare Vorrichtung,
die den Ablauf der einzelnen Sequenzen wie das Öffnen oder Schließen der
Ventile, die Erfassung der von dem oder den Detektoren gelieferten Messergebnisse überwacht
und die Operationen zur Berechnung des Intervalls zwischen dem Öffnen des Prüfgaseinspritzventils
und der Registrierung des Prüfgases
in Abhängigkeit
vom Probenahmepunkt sowie die Archivierungs- und Kalibriervorgänge durchführt.
-
Bei
einer Gestaltungsform der Vorrichtung zur Anwendung des Messverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in 3a dargestellt ist, bei der
insbesondere die Kalibrierung durch Verwendung einer doppelwandigen
Probenahmesonde ermöglicht wird,
umfasst die besagte Vorrichtung:
- – eine doppelwandige
Probenahmesonde oder ein Probenahmerohr (4), bestehend
aus einem Innenrohr (17), das für die Probenahme verwendet wird,
und einem Außenrohr
(16), das dazu dient, eine bestimmte Menge Kalibriergas
an das Ende des Probenahmerohrs (4) zu leiten,
- – einen
Behälter
(20), der in Bezug auf das Innere des Hochofens unter Überdruck
steht und ein Spülgas
enthält,
wobei dieser Behälter
mit dem Außenrohr
(16) einerseits über
ein ferngesteuertes Ventil (18) und andererseits über ein
ferngesteuertes Ventil (19) verbunden ist, das sich in
einem Kreislauf befindet, der so konzipiert ist, dass er einen wesentlich
geringeren Druckverlust aufweist, als der Kreislauf des ersten Ventils
(18),
- – das
Innenrohr (17) der Sonde (4), das über eine Gasprobenaufbereitungseinheit
(13) mit dem Detektor (15) verbunden ist.
-
Bei
einer besonderen Gestaltungsform der Vorrichtung zur Anwendung des
Messverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei der insbesondere die Kalibrierung durch Verwendung
einer doppelwandigen Probenahmesonde ermöglicht wird, wird die doppelwandige
Probenahmesonde oder das Probenahmerohr (4), dessen Innenrohr
(17) für
die Probenahme verwendet wird und dessen Außenrohr (16) dazu
dient, eine bestimmte Menge Kalibriergas an das Ende des Probenahmerohrs
(4) zu leiten, durch eine doppelwandige Probenahmesonde
oder Probenahmerohr ersetzt, dessen Außenrohr für die Probenahme verwendet
wird und dessen Innenrohr dazu dient, eine bestimmte Menge Kalibriergas
an das Ende des Probenahmerohrs zu leiten.
-
Bei
einer anderen Gestaltungsform der Vorrichtung zur Anwendung des
Messverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in 3b dargestellt ist, bei der
insbesondere die Kalibrierung durch Verwendung einer doppelwandigen
Probenahmesonde ermöglicht
wird, umfasst diese Vorrichtung:
- – eine doppelwandige
Probenahmesonde oder ein Probenahmerohr (4), bestehend
aus zwei konzentrischen Rohren, die so angeordnet sind, dass das
Innenrohr (17) für
die Probenahme verwendet wird und das Außenrohr (16) dazu
dient, eine bestimmte Menge Kalibriergas an das Ende des Probenahmerohrs
zu leiten,
- – das
Außenrohr
(16), das einerseits über
ein ferngesteuertes Ventil (21) mit einem Behälter (22)
verbunden ist, der Kalibriergas enthält und andererseits über ein
Ventil (18) mit einem Behälter (20) verbunden
ist, der Prüfgas
enthält,
- – das
Innenrohr (17) des Probenahmerohrs (4) ist mit
einer Gasprobenaufbereitungsvorrichtung (13) verbunden,
deren Ausgang einerseits mit einer Analysevorrichtung (15)
und andererseits einem Abzug (14) verbunden ist.
-
Bei
einer besonderen Gestaltungsform der besagten Vorrichtung zur Anwendung
des Messverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei der insbesondere die Kalibrierung durch Verwendung
einer doppelwandigen Probenahmesonde ermöglicht wird, wird die doppelwandige Probenahmesonde oder
das Probenahmerohr (4), dessen Innenrohr (17) für die Probenahme
verwendet wird und dessen Außenrohr
(16) dazu dient, eine bestimmte Menge Kalibriergas an das
Ende des Probenahmerohrs (4) zu leiten, durch eine doppelwandige
Probenahmesonde oder Probenahmerohr ersetzt, dessen Außenrohr
für die
Probenahme verwendet wird und dessen Innenrohr dazu dient, eine
bestimmte Menge Kalibriergas an das Ende des Probenahmerohrs zu
leiten.
-
Bei
einer bevorzugten Gestaltungsform der besagten Vorrichtung zur Anwendung
des Messverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung, wird eine doppelwandige Probenahmesonde verwendet, die ein
Innenrohr enthält,
bei dem die Öffnung
zur Gasprobenahme im Vergleich zum Außenrohr weiter innen liegt.
-
Bei
einer weiteren Gestaltungsform der besagten Vorrichtung zur Anwendung
des Messverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in 4 dargestellt ist und die insbesondere
die Kalibrierung durch Verwendung einer Probenahmesonde mit einem
einzigen Rohr ermöglicht,
umfasst die besagte Vorrichtung eine Sonde (4), die mit
einer Vorrichtung (13) zur Aufbereitung der Gasprobe verbunden
ist; diese Sonde ist auch einerseits über ein Ventil (21) mit
einem Behälter
(22), der Spülgas
enthält,
verbunden und andererseits über
ein Ventil (23) mit einer Gasprobenanalysevorrichtung (15)
und einem Abzug (14), wobei ein Manometer (24)
am gemeinsamen Punkt dieser Ventile (21) und (23)
angeschlossen ist.