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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung,
die zur Bestimmung einer Temperatur eines Reaktors unter erhöhten Druck- und
Temperaturbedingungen zweckmäßig ist.
Speziell ermöglicht
die vorliegende Erfindung die Verwendung eines optischen Pyrometers
zum Messen der Temperatur einer Vergasungseinheit, wobei das optische
Pyrometer an einem von dem Reaktor entfernten Ort angeordnet ist.
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Hintergrund
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Bei
der Vergasung eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs, wie bspw. Kohle
oder Koks, wird der Brennstoff in Partikelform zusammen mit einem
oxidierenden Gas in die Reaktionskammer des Vergasungsapparates
eingespeist. Die Reaktion des partikelförmigen Brennstoffs mit dem
oxidierenden Gas führt
zur Erzeugung eines rohen Synthesegases, das von dem Vergasungsapparat
zur weiteren Behandlung abgeleitet wird. Die Vorgänge in der
Reaktionskammer erzeugen nicht nur verwendbares Gas, sondern auch
Schlacke, deren Zusammensetzung im großen Maße von dem gerade verbrannten
Brennstoff abhängt.
Da der Vergasungsapparat zu diesem Zwecke, wie in der Industrie
bekannt, mit verhältnismäßig hoher
Temperatur und Druck betrieben werden muss, müssen die Bedingungen in der
Verbrennungskammer dauernd überwacht
werden.
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Normalerweise
sind Vergasungsapparate mit einer oder mehreren Temperaturüberwachungsvorrichtungen
ausgerüstet.
Eine solche Vorrichtung ist das Thermoelement von dem eine Anzahl über die mit
wärmebeständigem Material
ausgekleideten Wände
der Reaktionskammer de Vergasungsapparates verteilt angeordnet sein
können.
Die Thermoelemente sind in dem Vergasungsapparat derart angeordnet,
dass sie jeweils durch eine dünne
Schicht hitzebeständigen
Materials von den Flammen in der Reaktionskammer getrennt sind.
Dies geschieht um die verhältnismäßig empfindlichen
Thermoelementanschlusseinführungen
aus der Umgebung in die Reaktionskammer zu schützen. Demgemäß fühlen die Thermoelemente
nicht direkt die Reaktionstemperatur, sondern anstelle dessen sprechen
sie auf die durch die hitzebeständige
Schicht der Reaktionskammer durchgeleitete Wärme an. Zu bedenken ist, dass
zufolge der einer konduktiven Wärmeleitung
eigenen Verzögerungszeit
eine beträchtliche
Verzögerung
des Ansprechens des Thermoelements auf Temperaturveränderungen
in dem Reaktor auftreten kann. Dies gilt insbesondere während des
Hochfahrens des Vergasungsapparats, wenn die Reaktionsauslösung zu
einem schnellen Temperaturanstieg führt, der erfasst werden muss,
um sicherzustellen, dass die Reaktionen eingesetzt haben. Außerdem beeinträchtigen
Wärmeleitungsnachlaufzeiten
das Ansprechen des Thermoelements auf Veränderungen der Betriebsbedingungen
während
des normalen Vergasungsapparatbetriebs.
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Als
Alternative zu Thermoelementen werden gelegentlich Pyrometer zum
Messen der Reaktionstemperatur verwendet. Das Pyrometer ist physikalisch
außen
an dem Reaktor montiert und betrachtet die Reaktionskammer durch
ein gasgespültes Schaurohr,
das sich normalerweise von dem Pyrometer in die Reaktionskammer
erstreckt.
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Eine
wesentliche Schwäche
der Temperaturüberwachung
mit dem Pyrometer rührt
von der Schwierigkeit her das Schaurohr frei von Sichtbehinderungen
zu halten. Die Möglichkeiten
einer Sichtbehinderung sind wegen der Atmosphäre in der Reaktionskammer groß, die durch
eine schnelle Wirbelbewegung von Feststoffteilchen mitführendem
Gas gekennzeichnet ist. Außerdem
wirbelt in entsprechender Weise Schlacke, die von unvergasbarem
Material in dem Brennstoff herrührt,
in der Reaktionskammer herum, wobei sie mit deren Wänden in
Kontakt kommt. Im Verlauf einer Gravitationsbewegung zu dem unteren
Ende des Vergasungsapparats hin, zeigt Schlacke normalerweise die
Neigung an den Reaktionskammerwänden
fest zu haften. Die fest haftende Schlacke und die wirbelnden Partikel
beeinträchtigen
die Wirkungsweise der Pyrometer-Schaurohre, die in den Reaktionskammerwänden angeordnet
sind. Außerdem
wird während
der Anfahrschrittfolge des Vergasungsapparats Brennstoff vor dem Oxidationsmittel
in die Reaktionskammer eingebracht. Abhängig von den Umständen und
von dem Brennstoff, bspw. eines Kohlenwasser-Schlamms, besteht eine
zunehmende Neigung zum Verstopfen der Pyrometer-Schaurohre mit unreagiertem
Brennstoff.
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Andererseits
wird, wenn ein Nichtprozessgas (z.B. ein Inertgas wie Stickstoff)
als Spülgas
verwendet wird, das Produkt aus der Reaktionskammer durch das Pyrometer-Spülgas leicht
verdünnt.
Wenn der Vergasungsapparat ein Synthesegas für einen chemischen Prozess
erzeugt, kann die Gegenwart eines verdünnenden Gases nicht zulässig sein.
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Um
eine unbehinderte Visierlinie in den Hochdruckreaktor und auch die
Druckfestigkeit des Reaktorgefäßes aufrecht
zu erhalten, sind optische Zugangsöffnungen, die hochwertige Hochdruckschaugläser bedingen,
erforderlich. Beispielsweise im Falle der Kohlevergasung wird eine
gasgespülte Schauglasanordnung
(vgl. z.B.
US-Patentschrift Nr. 5,000,580 )
verwendet, um das Schauglas frei von geschmolzener Schlacke und
Feststoffteilchen zu halten, die in dem Vergasungsapparat umherwirbeln. Aus
Sicherheitsgründen
wird außerdem
ein mit einem Notabschaltsystem verbundenes Absperrventil verwendet,
um zu verhindern, dass der Vergasungsapparat durch die optische
Zugangsöffnung
in dem Fall drucklos wird, dass ein Schauglas bricht.
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Gebräuchliche
optische Zugangsöffnungen sind
wirkungsvoll und zuverlässig.
Sie sind aber teuer und bringen ein zusätzliches Sicherheitsanliegen
in den Prozess hinein (wegen des geringen Schauglassicherheitsrisikos).
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GB-A-2,093,588 (Ruhrchemie
AG) beschreibt ein System zur Temperaturmessung in einem Reaktor,
etwa einem, der unter hohem Druck und/oder hoher Temperatur betrieben
wird. Die Temperatur wird unter Benutzung eines Pyrometers gemessen,
das in optischer Verbindung mit einem Messkanal steht, der in der
Wand des Reaktors angeordnet sein kann und in optischer Verbindung
mit dem Reaktorinneren steht. Der Messkanal weist zwei konzentrische
Röhren
auf, von denen die äußere Röhre über die
innere Röhre
in Richtung des Reaktorinneren vorsteht. Die konzentrischen Röhren haben
einen gemeinsamen Endabschnitt.
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DE 40 25 909 (Deutsches
Brennstoff Inst.) beschreibt ein faseroptisches Bündel zur
Verwendung bei der Messung der Temperatur in einem Kohlenwasserstoffrektor.
Das System verwendet ein Verhältnis-Pyrometer.
Das Verhältnis-Pyrometer besteht aus
zwei Detektoren, die die Intensität ankommender Strahlung auf
zwei verschiedenen aber sehr nahe beieinander liegenden Wellenlängen messen.
Das Pyrometer kann demgemäß die Temperatur
des Ziels berechnen, ohne dass es die Emissivität des Zieles zu kennen braucht.
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Die
FR-A 2,666,892 (Smiths Industries)
beschreibt einen Temperatursensor mit einer äußeren Sonde mit einem Saphirelement
an deren vorderem Ende, mit einer Staukammer durch die heißes Gas strömt und eine
thermisch emissive Beschichtung auf dem Element erhitzt. Eine Linse
fokussiert von der Beschichtung emittierte Strahlung auf ein Ende
des faseroptischen Kabels, das sich im hinteren Teil der Sonde erstreckt.
Ein Gaskanal längs
der Sonde ermöglicht
es, dass Kühlgas
von einem Einlass am hinteren Ende, rings um das Faseroptikkabel,
die Linse und durch einen Einlass hinter einer transparenten thermischen
Barriere strömt,
die das Saphirelement gegen das Kühlgas schützt.
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Unter
bestimmten Bedingungen ist es möglich,
das komplizierte Hochdruckschauglas und das Spülsystem für den optischen Pfad dadurch
zu vermeiden, dass Elemente des Vergasungsprozesses selbst benutzt
werden. Beispielsweise liefert bei der Erdgasvergasung, bei der
ein Doppelstromprozessinjektor verwendet wird, das Sauerstofflanzen-Einspeiserohr einen
vollkommen unbehinderten Sichtpfad kreisförmiger Querschnittsgestalt
in die Reaktionskammer. Der strömende
Sauerstoff selbst dient als Spülgas
und da die Re aktionszone am Ausgang des Prozessinjektors vollständig gasförmig ist,
gibt es nichts (keine festen oder flüssigen Partikel), das den optischen
Sichtpfad in das Innere der Reaktionskammer behindern könnte.
US-Patentschrift Nr. 5,281,243 zeigt
ein solches Schema zum Messen der Vergasungsapparaturtemperatur
durch die Sauerstofflanze des Prozesseinspeisungsinjektors.
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Wenngleich
die Erfindungen nach den
US-Patentschriften Nr.
5,000,580 und
5,281,243 erfolgreich
sind, so verbessert die vorliegende Erfindung doch die Möglichkeit
der Messung einer Vergasungsapparattemperatur beträchtlich,
indem sie den optischen Zugang durch Entfall der Notwendigkeit eines
optischen Fensters an Ort und Stelle vereinfacht. Außerdem macht
die vorliegende Erfindung bei den gegebenen rauen Bedingungen des
Reaktors das Messsystem robuster und widerstandsfähiger, während sie
außerdem
es ermöglicht,
dreifach redundante Temperaturmessungen zu erzielen, was früher nicht
möglich
gewesen ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Messen
der Temperatur eines Reaktors unter Verwendung eines laserbasierten
Pyrometers gemäß Anspruch
1. Eine erläuternde
Ausführungsform
einer solchen Vorrichtung kann aufweisen: Einen Einspeisungsinjektor,
eine Blindflansch, einen Lichtleiter, eine druckdichtende Stopfbuchse, einen
optischen Koppler und ein Pyrometer. Der Einspeisungsinjektor weist
eine Einspeisungsinjektorspitze mit einer Öffnung auf, wobei die Einspeisungsinjektorspitze
in Fluidverbindung mit einem Einspeisungseinlass und einem Flanschverbinder
steht (und) der Flanschverbinder mit der Öffnung der Einspeisungsinjektorspitze
optisch fluchtet. Der Blind flansch soll so bemessen sein, dass er
auf den Flanschverbinder des Einspeisungsinjektors passt und dabei
eine gasdruckfeste Abdichtung ausbildet. Die Druckdichtungsstopfbüchse ist
in den Blindflansch so eingepasst, dass der Lichtleiter durch den Blindflansch
durchgegehen kann und das empfangende Ende des Lichtleiters sich
in den Einspeisungsinjektor derart erstreckt, dass das lichtempfangende
Ende des Lichtleiters mit der Öffnung
der Einspeiseinjektorspitze optisch fluchtet. Der optische Koppler
wirkt als optische Verbindung zwischen dem Licht übertragenden
Ende des Lichtleiters und einem faseroptischen Kabel und damit dem
Pyrometer.
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Die
Vorrichtung beinhaltet außerdem:
Einen zweiten Lichtleiter, wobei der zweite Lichtleiter ein lichtempfangendes
Ende und ein lichtübertragendes Ende
aufweist; eine zweite Druckdichtungs-Stopfbuchse, die so in den
Blindflansch des Einspeisungsinjektors eingepasst ist, dass der
zweite Lichtleiter durch den Blindflansch verlaufen kann und dass
das lichtempfangende Ende des ersten Lichtleiters sich so in den
Einspeisungsinjektor erstreckt, dass das lichtempfangende Ende des
Lichtleiters mit der Öffnung
der Einspeisungsinjektorspitze optisch fluchtet. Der optische Koppler
wirkt als optische Verbindung zwischen dem lichtübertragenden Ende des Lichtleiters
und einem faseroptischen Kabel und damit dem Pyrometer.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist
die Vorrichtung auf:
Einen zweiten Lichtleiter, wobei der zweite
Lichtleiter ein lichtempfangendes Ende und ein lichtübertragendes
Ende aufweist; eine zweite Druckdichtungs-Stopfbuchse, die in den Blindflansch
so eingepasst ist, dass der zweite Lichtleiter durch den Blindflansch
sich erstrecken kann und dass lichtübertragende Ende des Lichtleiters
mit der Öffnung
der Einspeisungsinjektorspitze optisch fluchtet; und einen zweiten
Optokoppler, wobei der Optokoppler das lichtempfangende Ende des
zweiten Lichtleiters mit einem zweiten faseroptischen Kabel verbindet.
Eine kohärente
Lichtquelle in dem Pyrometer muss mit dem Lichtleiter so gekoppelt
sein, dass Licht aus der Quelle durch das zweite faseroptische Kabel
zu dem lichtempfangenden Ende des zweiten Lichtleiters, durch den
zweiten Lichtleiter und aus dem lichtübertragenden Ende des Lichtleiters
heraus und aus der Öffnung
in der Injektorspitze herausgelangt. Das empfangende Ende des ersten
Lichtleiters muss optisch so ausgerichtet sein, dass es die Reflektionen des
von dem zweiten Lichtleiter aus der Öffnung in der Injektorspitze
heraus übertragenen
kohärenten Lichts
empfängt.
Bei einer Ausführungsform
kann der Lichtleiter ein Saphirstab oder eine Saphirlichtleitfaser
sein. Alternativ kann der Lichtleiter eine metallbeschichtete Silika-Lichtleitfaser sein.
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Diese
und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung von erläuternden
Ausführungsbeispielen
der Erfindung mehr im Einzelnen dargelegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
nachfolgende Beschreibung nimmt auf die beigefügte Zeichnung Bezug, in der:
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1 ein
schematisches Schnittbild einer Einspeisungsinjektor-Sauerstofflanze
ist, die eine erläuternde
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet,
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2 eine
vergrößerte Ansicht
der reaktorseitigen Enden der bei der Ausführungsform nach 1 verwendeten
Lichtleiter ist,
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3 ein
schematisches Schnittbild einer zweiten erläuternden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist,
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4 eine
Draufsicht auf die Anordnung der Positionen der sechs Druckdichtungsfittings
in dem in 3 dargestellten Blindflansch 36 ist,
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5 ein
schematisches Schnittbild einer dritten erläuternden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, in der eine Stickstoffpufferkammer enthalten
ist,
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6 eine
schematische Schnittdarstellung einer vierten erläuternden
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Einsatz durch die Seitenwand eines
Reaktorsystems ist,
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7 eine
schematische Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist, bei der eine Wärmequelle
in Kontakt mit der Reaktorumgebung steht,
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8 ein
schematisches Schnittbild einer sechsten erläuternden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist,
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9 eine
vergrößerte Ansicht
einer Lichtleitfaser ist, die durch die Stickstoffspülkammer
der in 9 dargestellten erläuternden Ausführungsform verläuft.
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Erläuterung der Erfindung
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Bezugnehmend
nun auf die Figuren veranschaulicht 1 eine schematische
Schnittdarstellung der Sauerstofflanze 2 eines Prozesseinspeisungsinjektors,
die eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Der Prozesseinspeisungsinjektor
ist aus Inconel 600 oder einem anderen geeigneten Material hergestellt.
Ein Anschweißhalsflansch 4 ist
mit der Oberseite der Lanze verbunden und mit der Unterseite ist
eine Injektorspitze 6 verbunden. Durch eine Oxidationsmitteleinlassleitung 8, die
in Fluidverbindung mit der Injektorspitze steht, wird Sauerstoff
oder ein anderes geeignetes Oxidationsmittel eingeführt. Ungeachtet
der Darstellung als T-Stück,
liegen für
den Fachmann auch andere Ausführungsformen
auf der Hand. Ein Blindflansch 10 ist mit dem Anschweißhalsflansch
verbunden und dichtet diesen in gebräuchlicher Weise ab.
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Der
Blindflansch ist mit einem Druckdichtungsfitting 12 gekuppelt,
das bei anmontiertem Blindflansch auf die Mittelachse der Prozesseinspeisungsinjektor-Sauerstofflanze
ausgerichtet ist. Die Verbindung kann, wie dargestellt eine Schraubkupplung
oder irgendein anderes geeignetes Mittel zur Kupplung des Druckdichtungsfittings
mit dem Blindflansch sein, derart, dass die Kupplung dauerhaft und druck-
und temperaturfest ist. Das Druckdichtungsfitting weist einen Druckdichtungskörper 14,
einen Druckdichtungssitz 16, ein Druck dichtungsmittel 17, ein
Druckdichtungsdruckstück 18 und
eine Druckdichtungskappe 20 auf. Das Druckdichtungsfitting
ist so ausgelegt, dass es mittels der Einfügung einer oder mehrere Lichtleiter 22 einen
optischen Pfad herstellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform
sind sechs Lichtleiter, nämlich
zwei für
jedes Pyrometer, dazu verwendet einen Lichtpfad auszubilden, der
zu dem Inneren des Einspeisungsinjektors hin freiliegt und der dazu
dient, das Licht das von dem jeweiligen Pyrometer zur Bestimmung
der Temperatur des Reaktors benutzt wird zu sammeln und zu fokussieren. Falls
möglich,
soll das fokussierende Ende des Lichtleiters so ausgebildet sein,
dass es die numerische Apertur ohne Verwendung einer getrennten
Linse verändert,
wenngleich die Benutzung einer getrennten Linse im Rahmen der vorliegenden
Erfindung liegt. Das lichtleitfaserseitige Kupplungsende des Lichtleiters
ist so ausgelegt, dass es mit einem flexiblen Lichtleitfaserkabel 28 optisch
gekoppelt werden kann. Das flexible faseroptische Kabel ist seinerseits an
ein (nicht dargestelltes) Pyrometer optisch angekoppelt. Bei der
vorliegenden Erfindung wird ein laser-basiertes Pyrometer verwendet,
so dass ein Lichtleiter, der übertragende
Lichtleiter 22a, optisch mit der Laserquelle gekoppelt
ist und ein zweiter Lichtleiter, der Erfassungslichtleiter 22b,
optisch an den Pyrometerdetektor angekoppelt ist. Bei der Erfindung
wird ein Pulslaserlicht von der Laserquelle in dem Pyrometer durch
das faseroptische Kabel 28a, durch und aus dem Lichtleiter 22a heraus
und in den Reaktor gesandt. Das Laserlicht wird von den Reaktorwänden reflektiert
und kommt zu dem Erfassungslichtleiter 22b zurück, von
wo aus es durch den Lichtleiter und das flexible faseroptische Kabel 28b zu dem
Pyrometerdetektor zurückläuft. Zusätzlich wird von
der heißen
Reaktorwand emittierte Infrarotstrahlung von dem Pyrometer über den
Erfassungslichtleiter 22b und das flexible faseroptische
Kabel 28b detektiert. Das laserbasierte Pyrometer verwendet
die Messung des reflektierten Laserpulses zur Bestimmung der Emissionsstärke der
Reaktorwand. Bei bekanntem Emissionsvermögen der Reaktorwand kann das
Pyrometer sodann die Temperatur des Reaktors aus dem Emissionsvermögen und
der Messung der von der heißen
Reaktorwand emittierten erfassten Infrarotstrahlung berechnen.
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Bei
der in 1 dargestellten illustrativen Ausführungsform
sind drei Lichtleiterpaare, insgesamt also sechs, verwendet um eine
dreifache Redundanz zu erzielen. Wegen der Klarheit sind von den sechs
Lichtleitern in 1 vier nicht dargestellt.
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Eine
alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 veranschaulicht.
Bei der dargestellten Ausführungsform
hat jeder Lichtleiter sein eigenes Druckdichtungsfitting 30 im
Gegensatz zu einem Druckdichtungsfitting für mehrere Lichtleiter wie bei
der vorstehenden Ausführungsform.
Alle Rohrleitungs- und Flanschkomponenten sind gebräuchlicher
Art und bestehen aus Materialien, die mit der Anlage kompatibel
sind. Außerdem wurde
ein Doppelflanschstück 32 eingefügt, um so
im Inneren der Sauerstofflanze des Einspeisungsinjektors zusätzlichen
Platz für
weitere optische Komponenten zu schaffen. Zu den zusätzlichen
optischen Komponenten gehören
ein optisches Isolierrohr 34, das mit der Unterseite des
Blindflansches 36 verbunden ist. Die Aufgabe des optischen
Isolierrohrs besteht darin, den für die Bestimmung der Reaktortemperatur
verwendeten Laserlichtstrahl zu fokussieren.
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Bei
der in 1 dargestellten illustrativen Ausführungsform
sind drei Lichtleiterpaare, insgesamt also sechs verwendet, um eine
dreifache Redundanz zu erzielen. Der Klarheit wegen sind in 1 von
den sechs Lichtleitern vier nicht dargestellt.
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Eine
alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt.
Bei der dargestellten Ausführungsform
hat jeder Lichtleiter sein eigenes Druckdichtungsfitting 30 im
Gegensatz zu einem Druckdichtungsfitting für mehrere Lichtleiter wie bei
der vorstehenden Ausführungsform.
Alle Rohrleitungs- und Flanschkomponenten sind gebräuchlicher Art
und bestehen aus Materialien, die mit der Anlage kompatibel sind.
Außerdem
wurde ein Doppelflanschstück 32 eingefügt, um so
im Inneren der Sauerstofflanze des Einspeisungsinjektors zusätzlichen Platz
für weitere
optische Komponenten zu schaffen. Zu den zusätzlichen optischen Komponenten
gehören
ein optisches Isolierrohr 34, das mit der Unterseite des
Blindflansches 36 verbunden ist. Die Aufgabe des optischen
Isolierrohrs besteht darin, den für die Bestimmung der Reaktortemperatur
verwendeten Laserlichtstrahl zu fokussieren. Das dargestellte optische
Isolierrohr ist ein aus einem sauerstoffverträglichen Material hergestelltes
Rohr in das eine kleine Abbildungslinse 38 eingefügt ist.
Die Aufgabe der Abbildungslinsen besteht darin, die Laserlichtstrahlen auf
die Enden der Lichtleiter zu fokussieren. Die Linse kann aus Saphir
bestehen oder aus einem anderen geeigneten Material, wie Quarz oder
aus einem anderen hochtemperaturfesten optisch klaren Material hergestellt
sein. Halterungsmittel, wie etwa Halteringe, Haltehülsen oder
dergleichen, können
zum Montieren der Linse im optischen Isolierohr oder auf dessen nicht
mit dem Blindflansch verbundener Stirnseite benutzt werden.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf die Anordnung der Positionen der sechs Druckdichtungsfittings in
dem Blindflansch. Druckdichtungsfittings mit gleicher Nummer sind
jeweils miteinander und mit dem gleichen Pyrometer optisch gekoppelt.
Das Druckdichtungsfitting, das für
den übertragenden
Lichtleiter verwendet ist, ist mit dem Buchstaben „a" nach der Zahl versehen,
während
das Druckfitting für
den entsprechenden empfangenden Lichtleiter mit dem Buchstaben „b" gekennzeichnet ist.
Die dargestellte Anordnung ist lediglich ein mögliches Anordnungsschema und
der Fachmann kann in einfacher Weise alternative Anordnungen vornehmen,
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
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5 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich
zu dem in 3 dargestellten Doppelflanschstück ist eine
Sicherheitspufferkammer 50 vorgesehen. Die Sicherheitspufferkammer
ist mit einer Quelle von unter Druck stehendem Stickstoffgas 51 verbunden,
so dass in dem unwahrscheinlichen Fall eines Versagens des die Lichtleiter
haltenden Druckfittings kein Sauerstoff austritt. Der Stickstoffdruck
in der Sicherheitspufferkammer ist nämlich höher als der Sauerstoffdruck,
und ein Leck bewirkt, dass eine kleine Menge Stickstoff in den Reaktor
eintritt. Ein Sicherheitsalarmsystem 52 überwacht
den Druck in der Sicherheitspufferkammer und den Nullströmungszustand
in der Stickstoffzuleitung zu der Pufferkammer. Wenn der Druck in
der Kammer abfällt
oder eine Stickstoffströmung
festgestellt wird, wird ein Alarm ausgelöst, um die Reaktorbediener
zu warnen. Wie dargestellt kann die Sicherheitspuf ferkammer ein T-Fitting
sein, bei dem ein Schenkel des „T" mit einem Blindflansch verbunden ist,
der seinerseits mit der Hochdruckstickstoffquelle bzw. dem Alarmsystem
verbunden ist, das, wie oben beschrieben, Lecks detektiert. Der
gegenüber
liegende Schenkel des „T" ist mit einem Blindflansch
gekuppelt, der mehrere (dargestellt sind sechs) Hochdruckdichtungs-Stopfbüchsen 54 aufnehmen
kann, von denen jede den Durchgang eines flexiblen faseroptischen
Kabels 56 von der Außenseite
der Sicherheitspufferkammer zur Innenseite der Sicherheitspufferkammer
ermöglicht. Faseroptische
Verbindungselemente 59 verbinden die außen liegenden faseroptischen
Kabel 56 mit den Schleifen des faseroptischen Kabels 58 auf
der Innenseite der Sicherheitspufferkammer. Diese innen liegenden
Schleifen faseroptischer Kabel sind zur Erleichterung der Montage
und Demontage vorhanden. Wie ebenfalls in 5 veranschaulicht,
sind drei äußere Pyrometereinheiten 60 vorhanden,
die dem Reaktorkontrollraum drei Temperaturausgangswerte liefern,
womit sie das System dreifach redundant machen.
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An
dieser Stelle ist zu bemerken, dass wesentliche Elemente der vorbeschriebenen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind: 1) Die Benutzung der Sauerstofflanze
des Prozesseinspeisungsinjektors als gespülter Sichtpfad in das heiße feindliche
Hochdruckumfeld des Vergasungsapparats, 2) die Verwendung einer
Lichtleiterfaserkomponente zur Schaffung eines optischen Zutritts
durch eine Hochdruckdichtung oder eine Reihe von Dichtungen, die
auf dem oberen Flansch eines Prozessinjektors angeordnet sind und
3) die Erkenntnis, dass einmal im Inneren der Sauerstofflanze des
Einspeisungsinjektors angekommen, irgendein optisches Abschlusselement
erforderlich ist, um das optische Pyrometersystem durch die kleine Öffnung am
Auslass der Sauerstofflanze des Einspeisungsinjektors zu fokussieren.
Das optische Abschlusselement kann unmittelbar an dem Ende der Lichtleitfaser
ausgebildet sein, oder alternativ können zusätzliche Linsen in dem Prozessinjektor
angeordnet werden. Der Fachmann für den Entwurf optischer Systeme
ist in der Lage die zur Erzielung des jeweils gewünschten Ergebnisses
erforderlichen ingenieurmäßigen Details
auszuarbeiten, d.h. eines starren, gut abgestützten, selbständigen optischen
Fokussiersystems. Ein solches System schafft nicht nur einen brauchbaren, gespülten optischen
Weg für
das Pyrometer, sondern es liefert weiterhin eine in hohem Maße zuverlässige Druckabdichtung.
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Zu
bemerken ist, dass wenngleich die Zeichnung eine Hochdruck-Lichtleitfaserabdichtung
mit lediglich einer durchgehenden Lichtleitfaser zeigt, es sich
versteht, dass das gleiche grundsätzliche Konzept auch in einfacher
Weise auf eine einzige Druckdichtungs-Stopfbuchse mit mehreren Durchlässen zur
Aufnahme mehrerer Sensoren ausgeweitet werden kann.
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Tatsächlich sind
auf dem Markt Hochdruckdichtungen für Lichtleitfasern erhältlich,
die mit drei, vier oder mehr Durchlasspaaren ausgeführt sind.
Auf diese Weise kann ohne Weiteres ein Pyrometer eingesetzt werden,
bei dem ein Lichtleitfaserkanal dazu verwendet wird, einen gepulsten
Laserstrahl in den Reaktor zu senden, währen ein zweiter Kanal dazu verwendet
wird, den reflektierten Laserpuls und die von dem heißen Reaktor
erzeugte Infrarotstrahlung zu messen. Drei Durchlasspaare für Lichtleitfasern ergeben
auf diese Weise einen Zugang für
eine dreifach redundante Temperaturmessung unter Verwendung von
laserbasierten Pyrometern, die durch die Sauerstofflanze des Einspeisungsinjektors
eines Prozessinjektors eines Vergasungsapparats zielen.
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6 beinhaltet
eine Darstellung wie die vorliegende Erfindung zur Verwendung bei
einem Reaktorgefäß angepasst
werden kann, bei dem ein Gaseinspeisungsprozessinjektor vorhanden
ist, der gasförmiges
Beschickungsmittel enthält,
das zum Spülen
des Schaurohrs zur Verfügung
steht, wie dies bei der Sauerstofflanze eines Prozesseinspeisungsinjektors
einer Erdgasvergasungseinheit der Fall ist. Wie in der Figur veranschaulicht,
trägt die
Wand eines mit Hitze beständigem
Material ausgekleideten Hochtemperatur-Hochdruckreaktors
402 eine
geschmolzene Schlackenschicht
403, die auf der Reaktorwand
nach unten läuft.
Die hitzebeständige
Auskleidung
404 trägt
dazu bei, die Wärme
in dem Reaktor zurückzuhalten,
und eine Metallwand
405 sorgt für die strukturelle Festigkeit
des Reaktors. An der äußeren Metallwand
405 des
Reaktors ist eine Flanschverbindung
406 befestigt, an die
ein Sicherheitskühlventil
408 angeschlossen
ist. Die Verwendung und Funktion des Sicherheitsabsperrventils
408 ist
in der
US-Patentschrift Nr. 5,000,580 beschreiben, die
hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen ist.
Dieses Sicherheitskugelventil kann als optional betrachtet werden,
doch liefert seine Anordnung ein zusätzliches Maß an Sicherheit und ermöglicht die
Wartung der optischen Pyrometereinheit der Erfindung, ohne dass
der Reaktor stillgesetzt werden muss. Ein Doppelflanschstück
410 wird dazu
verwendet, ausreichend Platz für
einen Lichtleiter
414 und ein Fokussierelement
412 auf
dem fokussierenden Ende des Lichtleiters zu schaffen. Mit dem Doppelflanschstück
410 ist
außerdem
ein Hochdruckstickstoffgaseinlass
411 verbunden, der es
ermöglicht,
dass optisch reines Spülgas
in den optischen Pfad
417 eintritt. Der Gasstrom dient
dazu, den optischen Pfad rein von Schlacke und anderen Materialien,
die sich ansammeln können,
zu halten. Die Hauptdruckdichtungs-Stopfbuchse
413 für den Lichtleiter
414 erstreckt
sich durch eine Einlageplatte
415, die ein Teil eines Druckflansch-Fittings
ist, welches das Doppelflanschstück
410 mit
der Stickstoff-Pufferkammer
420 verbindet. Hochdruckstickstoff
wird der Stickstoffpufferkammer über
die Hochdruckstickstoffleitung
424 zugeleitet, die durch
den Blindflansch
426 verläuft. Durch Überwachung des Drucks und der
Einströmung
von Stickstoff in der Stickstoffpufferkammer kann das Auftreten
eines Lecks ermittelt werden. An dem Lichtleitfaserkupplungsende
des Lichtleiters
414 verbindet ein faseroptisches Verbindungsglied
416 das
faseroptische Kabel
418 mit dem Lichtleiter. Das flexible
faseroptische Kabel verläuft
durch die Stickstoffpufferkammer und tritt durch eine zweite Druckdichtungsstopfbuchse
422 in
dem Blindflansch
428 aus. Die (nicht dargestellte) Pyrometereinheit
ist an das faseroptische Kabel angeschlossen und bestimmt die Temperatur
des Reaktors.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
wird als Spülmedium
durch den Gaseinlass 411 eine Stickstoffspülung eingeleitet,
deren Strömung
den Sichtpfad klar hält.
In dem Fall, dass die optische Zugangsöffnung des Pyrometers in einen
Vergasungsapparat blickt, der mit einem aschehaltigen (verschlackenden)
Beschickungsmaterial, wie Kohle oder Petrolkoks, läuft, könnte ein
Verhältnis-(zwei Wellenlängen-)Pyrometer
im Hinblick auf die Auswirkung der von sich ansammelnder Schlacke
bewirkten zunehmenden Verstopfung der Schaurohröffnung verwendet werden. Der
Fachmann sieht, dass 6 über das oben erläuterte grundsätzliche
drei Elementenkonzept hinaus reicht, und veranschaulicht wie einige
der Ideen zur Schaffung eines optischen Zutritts selbst in solchen
Situationen verwendet werden können,
in denen ein Blick durch den mittigen Kanal eines Prozessinjektors
nicht möglich
oder nicht tunlich ist.
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7 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie in der Figur dargestellt, trägt die Wand
eines mit hitzebeständigem
Material ausgekleideten Hochtemperaturhochdruckreaktors 502 eine
Schicht geschmolzener Schlacke 503, die an der Reaktorwand
herunterläuft. Die
hitzebeständige
Auskleidung 504 hilft die Wärme in dem Reaktor zu halten,
und die Wand 501 ergibt die Strukturfestigkeit des Reaktors.
An der metallischen Außenwand 501 des
Reaktors ist ein Druckflansch-Fitting 506 angebracht, das
einen Hauptspülring 505 aufweist.
Mit dem Hauptspülring
ist ein Einlass 507 für
Hochdruckstickstoff verbunden, der seinerseits aus dem Hauptspülringauslass 508 austritt, den
Hauptspülringraum 509 durchströmt, der
von den Wänden
eines Temperaturmessstutzens (thermowell) 530 und dem Flansch-Fitting
begrenzt ist, um so Schlacke zu entfernen, die sich auf dem Ende des
Temperaturmessstutzens ansammeln kann. An das Druckflansch-Fitting
ist ein Doppelflanschstück 510 angeschlossen,
in dem das fokussierende Ende des Lichtleiters 514 und
das fokussierende Element 512 liegen. An das Doppelflanschstück ist außerdem eine
Stickstoffgasleitung 511 angeschlossen, die unter Druck
stehendes Stickstoffgas liefert und damit eine erste Stickstoffgaspufferzone
bildet. Der Druck und das Einströmen
des Stickstoffgases in diese erste Stickstoffpufferzone können überwacht
werden, so dass wenn ein Leck auftritt dieses erkannt und eine korrigierende
Abhilfe geschaffen werden kann. Auf dem dem Hauptstickstoffspülring 505 gegenüber liegenden
Ende des Doppelflanschstücks ist
ein zweites Druckflansch-Fitting 519 angeordnet, bei dem eine
Einlageplatte 515 eine Hauptdruckdichtungs-Stopfbuchse 513 für den Lichtleiter
aufweist. An den zweiten Druckflansch ist außerdem eine Stickstoffpufferkammer 520 angeschlossen,
die ähnlich
der zuvor beschriebenen ist. In der Stickstoffpufferkammer ist der
Lichtleiter 514 mittels eines faseroptischen Verbindungsgliedes 516 mit
einem flexiblen faseroptischen Kabel optisch gekoppelt. Das flexible
faseroptische Kabel 518 ist nach dem Durchgang durch eine
zweite Druckdichtungs-Stopfbuchse 522 für das flexible faseroptische
Kabel 518 an ein (nicht dargestelltes ) Pyrometer optisch
angeschlossen, so dass die Temperatur des Temperaturmessstutzens
gemessen werden kann. Wie bei der früher beschriebenen Stickstoffpufferkammer,
liefert die Hochdruckstickstoffleitung 524 Stickstoff und
gestattet außerdem
die Überwachung
auf gegebenenfalls auftretende Lecks.
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Bei
der vorliegenden illustrativen Ausführungsform wird kein klarer
optischer Sichtpfad in das Innere des Vergasungsapparats benutzt.
Stattdessen sind die Lichtleitfasern auf die Innenoberfläche eines
Temperaturmessstutzens 530 blickend ausgerichtet. Ein Temperaturmessstutzen
ist eine Schutzhülse,
die normalerweise verwendet wird, wenn Thermoelemente in ein feindliches
Umfeld eingebracht werden. In diesem Falle wird ein sehr gut leitendes
und sehr robustes Temperaturmessstutzenmaterial verwendet, bspw.
TZM-Molybdän-Legierung, wenngleich
auch andere geeignete Materialien Verwendung finden können. Wegen
der hohen Wärmeleitfähigkeit
des Temperaturmessstutzens erreicht dessen Spitze eine Temperatur,
die nahe bei der Temperatur im Inneren des Vergasungsapparats liegt.
Da die Lichtleitfasern des Pyrometers auf die Innenseite der heißen Spitze
fokussiert sind, die sogar in die Form des Hohlraums eines schwarzen
Körpers ausgeführt sein
kann, fühlt
das Pyrometer eine Temperatur, die sehr nahe bei der in dem Reaktorinneren herrschenden
Temperatur liegt.
-
Mehrere
Merkmale dieses Konzepts bedürfen
der Erläuterung.
Der Temperaturmessstutzen und die verschiedenen Flanschteile sind
mechanisch so zusammengebaut, dass die gesamte Anordnung zu einem
kleinen druckdichten Gefäß wird,
das auf ein höheres
Niveau mit Druck beaufschlagt werden kann als es in dem Vergasungsapparat
vorliegt. Dies geschieht über
die Stickstoffeinlassleitung 511 und bewirkt zwei Dinge,
nämlich
erstens isoliert und schützt
es die Optik gegen das schmutzige Umfeld im Inneren des Vergasungsapparats.
Zweitens beginnt im Falle eines Lecks oder eines größeren Bruchs
in dem Temperaturmessstutzen dieser „sekundäre" Stickstoff in den Vergasungsapparat
einzuströmen, anstatt
dass heißes,
schmutziges Synthesegas zu der Optik hin ausströmt. Dies ist aus zwei Gründen günstig. Erstens
muss die Optik rein gehalten werden. Zweitens und das ist noch wichtiger,
muss verhindert werden, dass heißes Gas durch eine Gefäßdüse entspannt
wird, ein Vorgang der zu einem Feuerausbruch und schweren Behälterbeschädigungen führen kann.
Der Hauptgrund für
die Einführung
des „primären" Stickstoffs über die
Leitung 507 besteht darin, den Molybdän-Temperaturmessstutzen vor Oxidation
während
des Vorwärmens
des Vergasungsapparats zu schützen.
Dieser Zustrom wird gleich nach dem Anfahren abgeschaltet und gleich nach
dem Stillsetzen wieder eingeschaltet.
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Mehrere
Merkmale dieses Konzepts bedürfen
der Erläuterung.
Der Temperaturmessstutzen und die verschiedenen Flanschteile sind
mechanisch so zusammengebaut, dass die gesamte Anordnung zu einem
kleinen druckdichten Gefäß wird,
das auf ein höheres
Niveau mit Druck beaufschlagt werden kann als es in dem Vergasungsapparat
vorliegt. Dies geschieht über
die Stickstoffeinlassleitung 511 und bewirkt zwei Dinge,
nämlich
erstens isoliert und schützt
es die Optik gegen das schmutzige Umfeld im Inneren des Vergasungsapparats.
Zweitens beginnt im Falle eines Lecks oder eines größeren Bruchs
in dem Temperaturmessstutzen dieser „sekundäre" Stickstoff in den Vergasungsapparat
einzuströmen, anstatt
dass heißes,
schmutziges Synthesegas zu der Optik hin ausströmt. Dies ist aus zwei Gründen günstig. Erstens
muss die Optik rein gehalten werden. Zweitens und das ist noch wichtiger,
muss verhindert werden, dass heißes Gas durch eine Gefäßdüse entspannt
wird, ein Vorgang der zu einem Feuerausbruch und schweren Behälterbeschädigungen führen kann.
Der Hauptgrund für
die Einführung
des „primären" Stickstoffs über die
Leitung 507 besteht darin, den Molybdän-Temperaturmessstutzen vor Oxidation
während
des Vorwärmens
des Vergasungsapparats zu schützen.
Dieser Strom wird gleich nach dem Anfahren abgeschaltet und gleich
nach dem Stillsetzen wieder eingeschaltet. Während dieser Perioden wird
eine geringe Strömungsgeschwindigkeit
verwendet, um die Kühlwirkung
auf den Temperaturmessstutzen zu minimieren. Die primäre Stickstoffspülung kann
auch periodisch gepulst werden, um sich ansammelnde Schlacke von
der Spitze des Temperaturmessstutzens wegzublasen, wodurch die Messung
schneller ansprechend gemacht werden kann. Schließlich wird
der über
die Leitung 524, die auf einen höheren Druck eingestellt ist,
als sowohl der sekundäre
Stickstoff als auch der Vergasungsapparat, eingeführte „Pufferstickstoff" als ein Reservedrucksicherheitsmerkmal
benutzt. In dem unwahrscheinlichen Fall, dass sowohl der Temperaturmessstutzen
als auch der druckfeste Hauptdurchlass an dem Lichtleiter lecken,
strömt
Pufferstickstoff in den Vergasungsapparat ein, wodurch er eine Beschädi gung der
Optik und ein Druckloswerden des Vergasungsapparats durch die optische
Zugangsöffnung
verhindert.
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8 ist
eine Schnittdarstellung einer weiteren illustrativen Ausführungsform
der Erfindung zur Befestigung an einer Sauerstofflanze eines Einspeiseinjektors
wie er gegenwärtig
bei einer Vergasungseinheit verwendet wird. Wie gezeigt, ist ein
geschweißtes
Doppelflanschverbindungsstück 600 mittels
einer gebräuchlichen
Gewindebolzen 604 – oder 602 und
Druckring 607-Anordnung mit einem Blindflanschstück 608 verbunden,
das gemäß der vorliegenden
Erfindung abgewandelt ist. Auf der dem geschweißten Verbindungsdoppelflanschstück zugewandten
Seite des Blindflansches ist eine fokussierenden Linsentrommel 610 mittels
Stellschrauben 611 befestigt. In der fokussierenden Linsentrommel befindet
sich die jeweilige fokussierende Linsenkammer 612, in der
eine fokussierende Stickstoffdruckkappe, ohne die Druckfestigkeit
des Systems zu beeinträchtigen
vorgesehen ist. Nach dem Durchgang durch die sekundäre Druckdichtungsstopfbuchse
ist der Lichtleiter mittels eines faseroptischen Verbindungsgliedes 623 mit
einem flexiblen faseroptischen Kabel 624 optisch verbunden.
Das faseroptische Kabel selbst ist seinerseits mit einem (nicht
dargestellten) optischen Pyrometer optisch verbunden, das entfernt
angebracht sein kann. Diese optische Verbindung ist gegen eine unbeabsichtigte
Verletzung oder einen Bruch durch eine innere Schutzhülse 625 geschützt, die
lösbar
mit dem Abdichtungsflansch der Stickstoffdruckabdeckung gekuppelt
ist. Ein zusätzliches
Maß an
Sicherheit gegen unbeabsichtigten Bruch der Stickstoffdruckabdeckung
ist durch eine äußere Schutzhülse 626 gegeben,
die mit der Stirnfläche
des Blindflanschstückes
lösbar
verbunden ist.
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Eine
detaillierte Ansicht eines Teils der Druckstickstoffkammer 700,
durch welche ein Lichtleiter verläuft, ist in 9 veranschaulicht.
Wie dargestellt, ist der Blindflansch 702 mit einer primären Druckdichtungs-Stopfbuchse 704 ausgestattet,
so dass ein Lichtleiter 706 (in diesem Fall eine Lichtleitfaser)
durch den Blindflansch durchgehen kann. Die primäre Druckdichtungs-Stopfbuchse
weist einen Stopfbuchsenkörper 710,
ein Lichtleitfaser T-Ferrule 712, eine T-Ferrulenbeilagscheibe 714 und
eine Spannmutter 713 auf. Die Stopfbuchse verwendet außerdem ein
quetschbares Dichtmittel 711, wie eine Lavadichtung oder
irgendein anderes hochtemperaturfestes Dichtmittel, um eine temperaturfeste
und druckfeste Abdichtung zu gewährleisten.
Der Lichtleiter verläuft
durch die Stickstoffpufferklammer und geht sodann über die
zweite Druckdichtungs-Stopfbuchse 718 durch die Stickstoffdruckabdeckung 716 durch.
Die sekundäre
Druckdichtungs-Stopfbuchse ist ähnlich der
primären
Druckdichtungs-Stopfbuchse,
sie weist einen Stopfbuchsenkörper 712,
ein Lichtleitfaser T-Ferrule 722, eine T-Ferrulenbeilagscheibe 724,
eine Spannmutter 723 und ein quetschbares Dichtmittel 721 auf,
um die Druckfestigkeit des Systems aufrecht zu erhalten. Wie bereits
vermerkt hat die primäre
Druckdichtungs-Stopfbuchse
eine solche Größe und Gestalt,
dass sie in die fokussierende Linsenkammer in der fokussierenden
Linsentrommel eingesetzt werden kann. Außerdem soll die primäre Druckdichtungs-Stopfbuchse
eine solche Länge
haben, dass die fokussierende Linse die ankommenden oder ausgesandten
Laserpulse auf das Ende der Lichtleitfaser fokussiert. Die sekundäre Druckdichtungs-Stopfbuchse
soll so ausgelegt sein, dass ein Lichtleitfaserverbindungsglied 729 das Lichtleiterkupplungsende
der Lichtleitfaser mit einem flexiblen faseroptischen Kabel 728 verbinden
kann.
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Bei
dieser speziellen Ausführungsform
hat sich herausgestellt, dass eine Metallumhüllung der Lichtleitfaser bevorzugt
ist. Es wird vermutet, dass die Metallumkleidung dazu beiträgt, ein
Brechen der Lichtleitfaser durch eine Beanspruchung zu verhindern,
die durch thermomechanische Kräfte
verursacht ist, die in den Hochdruckdichtungs-Stopfbuchsen erzeugt
werden. Die Metallumhüllung
kann aus irgendeinem geeigneten Material zur Ummantelung der Lichtleitfaser
bestehen, das mit den Bedingungen und Anforderungen des in dem Reaktor
ablaufenden Prozesses kompatibel ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Metallumhüllung
aus Aluminium, Gold, Platin, Silber, Kupfer und Kombinationen und
Legierungen dieser Metalle ausgewählt, besonders bevorzugt ist
eine Goldumhüllung.
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Im
Hinblick auf die vorstehenden Erläuterungen versteht es sich
für den
Fachmann, dass die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Messen
der Temperatur eines Reaktors beinhaltet. Eine solche Vorrichtung
sollte aufweisen: Einen Einspeisungsinjektor, einen Blindflansch,
einen Lichtleiter, eine Druckdichtungs-Stopfbuchse in einem optischen
Verbinder, ein optisches Fokussiermittel und ein Pyrometer. Der
Einspeisungsinjektor weist eine Einspeisungsinjektorspitze mit einer Öffnung auf,
wobei die Spitze des Einspeisungsinjektors in Fluidverbindung mit
einem Einspeisungseinlass und einem Flanschverbinder steht, wobei
der Flanschverbinder mit der Öffnung
der Einspeisungsinjektorspitze optisch fluchtet. Der Blindflansch
soll so bemessen sein, dass er auf den Flanschverbinder des Einspeisungsinjektors passt
und damit eine gasdruckfeste Abdichtung bildet. Die Druckdichtungs-Stopfbuchse ist in
dem Blindflansch so eingesetzt, dass der Lichtleiter durch den Blindflansch
durchgehen kann und dass das empfangende Ende des Lichtleiters sich
so in den Einspeisungsinjektor erstreckt, dass das lichtempfangende
Ende des Lichtleiters auf die Öffnung
der Einspeisungsinjektorspitze optisch ausgerichtet ist. Der optische
Koppler wirkt als optische Verbindung zwischen dem lichtübertragenden
Ende des Lichtleiters und so dem Pyrometer.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist
die Vorrichtung außerdem
auf: Einen zweiten Lichtleiter, wobei der zweite Lichtleiter ein
lichtempfangendes Ende und ein lichtübertragendes Ende aufweist;
eine zweite Druckdichtungs-Stopfbuchse, die
so in dem Blindflansch eingepasst ist, dass der zweite Lichtleiter
durch den Blindflansch verlaufen kann und dass das lichtübertragende
Ende des Lichtleiters in optischer Ausrichtung mit der Öffnung der Einspeisungsinjektorspitze
ist; und einen zweiten optischen Koppler wobei der optische Koppler
das lichtempfangende Ende des zweiten Lichtleiters mit einem zweiten
faseroptischen Kabel verbindet. Eine kohärente Lichtquelle in dem Pyrometer
kann mit dem Lichtleiter so gekoppelt sein, dass Licht aus der Quelle
durch das zweite faseroptische Kabel zu dem lichtempfangenden Ende
des zweiten Lichtleiters, durch den zweiten Lichteleiter hindurch
und aus dem Licht übertragenden
Ende des Lichtleiters und aus der Öffnung in der Injektorspitze
heraus gelangt. Das empfangende Ende des ersten Lichtleiters ist
optisch so ausgerichtet, dass es die Reflexionen des von dem zweiten
Lichtleiter aus der Öffnung
in der Injektorspitze heraus geleiteten kohärenten Lichts empfängt. Bei
einer Ausführungsform
kann der Lichtleiter ein Saphirstab oder eine Saphirlichtleitfaser
sein. Alternativ kann der Lichtleiter eine metallbeschichtete Silika-Lichtleitfaser
sein.
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Eine
andere illustrative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zur Verwendung
eines optischen Pyrometers zum Messen der Temperatur eines Reaktors
unter Druck und Temperatur. Eine solche illustrative Ausführungsform
kann aufweisen: Ein geschweißtes
Verbindungsdoppelflansch(-spulen)stück mit einem Reaktoranschlussende
und einem Pyrometeranschlussende; und einen Blindflansch, wobei
der Blindflansch eine Reaktorseite und eine Pyrometerseite aufweist,
von denen die Reaktorseite des Blindflansches so bemessen ist, dass
sie auf das Pyrometeranschlussende des geschweißten Verbindungsspulenstücks passt.
Auf der Reaktorseite des Blindflansches kann dann wenigstens eine
primäre
Druckdichtungs-Stopfbuchse eingepasst sein. Die Aufgabe der primären Druckdichtungs-Stopfbuchse
besteht darin, den Durchgang eines Lichtleiters durch den Blindflansch
zu gestatten ohne die Druckfestigkeit der Blindflanschverbindung
zu beeinträchtigen.
Der Lichtleiter selbst weist ein lichtempfangendes Ende und ein
lichtübertragendes
Ende auf und der Lichtleiter verläuft durch den Blindflansch über die
primäre Druckdichtungs-Stopfbuchse.
Dabei ist das lichtempfangende Ende des Lichtleiters so positioniert,
dass es von dem Inneren des Reaktors ausgehendes Licht empfängt. Mit
der Reaktorseite des Blindflansches kann eine fokussierende Linsentrommel
verbunden sein und die fokussierende Linsentrommel sollte eine solche
Größe haben,
dass sie in das geschweißte Verbindungsspulenstück eingefügt werden
kann. Die fokussierende Linsentrommel weist wenigstens eine fokussierende
Linsenkammer mit einer solchen Größe und Lage auf, dass die primäre Druckdichtungs-Stopfbuchse
auf der Reaktorseite des Blindflansches in die fokussierende Linsenkammer
ragt. In der fokussierenden Linsenkammer ist außerdem eine fokussie rende Linse
so angeordnet, dass der Brennpunkt ungefähr das lichtempfangende Ende des
Lichtleiters ist. Eine Druckabdeckung, die eine Reaktorseite mit
einer Ausnehmung aufweist, bildet eine Druckgaskammer auf der Pyrometerseite
des Blindflansches aus. Auf der Pyrometerseite der Druckabdeckung
ist wenigstens eine sekundäre Druckabdichtungs-Stopfbuchse
eingepasst, die so angeordnet ist, dass der Lichtleiter von der
primären Druckdichtungs-Stopfbuchse
durch die druckbeaufschlagte Gaskammer und durch die zweite Druckdichtungs-Stopfbuchse verläuft. Die
Druckabdeckung weist außerdem
wenigstens einen Gaseinlass auf, der in Fluidverbindung mit einer
Gasquelle und der Druckgaskammer steht, so dass er Druckgas zu der
Druckgaskammer liefern kann. Ein Dichtungsflansch weist eine Reaktorseite
auf, die gegen die Pyrometerseite der Druckabdichtung so fixiert
ist, dass sie eine Basis zum Anschluss eines Schutzhülse bildet,
die die Verbindung zwischen dem Lichtleiter und dem flexiblen faseroptischen
Kabel gegen Beschädigung
während
der Benutzung der ganzen Vorrichtung schützt. Der Dichtflansch weist
eine Öffnung auf,
die so gestaltet ist, dass die sekundäre Druckdichtungs-Stopfbuchse
durch den Dichtflansch durchgehen kann. Mit dem lichtübertragenden
Ende des Lichtleiters ist ein flexibles faseroptisches Kabel, das
ein Reaktor- und ein Pyrometerende aufweist, optisch gekoppelt,
wobei das lichtübertragende
Ende des Lichtleiters durch die sekundäre Druckdichtungs-Stopfbuchse
durchgeführt
ist. Das pyrometerseitige Ende des faseroptischen Kabels ist an
ein Pyrometer optisch angekoppelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
werden wenigstens zwei Lichtleiter verwendet. Der erste Lichtleiter
wird dazu benutzt, kohärentes
Licht in den Reaktor einzuleiten und der zweite Lichtleiter wird
dazu verwendet, die Reflexion des in den Reaktor eingeleiteten kohärenten Lichtes ebenso
wie die von der Wärme der
Reaktorwände
erzeugte Infrarotstrahlung aufzunehmen, um so die Temperatur des
Reaktors zu bestimmen. Bei jeder der erwähnten Ausführungsformen kann der Lichtleiter
ein Saphirstab oder eine Saphirlichtleitfaser sein, oder der Lichtleiter
kann mit Vorzug eine metallbeschichtete Silika-Lichtleitfaser sein.
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Wenngleich
die Strukturen und Verfahren der vorliegenden Erfindung anhand bevorzugter
Ausführungsformen
beschrieben wurden, so versteht sich für den Fachmann doch, dass an
dem Beschriebenen Abänderungen
vorgenommen werden können, ohne
das Konzept und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen wie
er in den nachfolgenden Patentansprüchen angegeben ist.