JPS61500806A

JPS61500806A - 定温発熱量測定装置

Info

Publication number: JPS61500806A
Application number: JP60500178A
Authority: JP
Inventors: シエニイ，エム．チヤールズ
Original assignee: ザ　フオツクスボロ　カンパニ−
Priority date: 1983-12-23
Filing date: 1984-12-24
Publication date: 1986-04-24
Also published as: NO853294L; AU565376B2; EP0166776A1; AU3783685A; FI853244L; WO1985002908A1; US4613482A; FI853244A0

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】温発熱潰測定装置ｉ！ｌ。

本発明は一般的には燃料ガスの発熱１（例えばＢＴＵ＞を測定する装置分野に関し、特定的には燃料ガス反応室内の熱源に供給されるエネルギーの、変化が発熱量を示）装はに関する。

ますます増加しているエネルギーコストのために、多くの精製、精鉱および化学プロセスによって発生される粗ガス流中に含まれているエネルギーを用いることが経汎的に重要になってき゛ている。燃焼される物質の発熱量の制御されない変動は燃焼プロセス゛に大きな非効率をもたらし、極端な場合には製品の特性に危険な条件や許容し得ない変位をもたらすこともあり得よう。

これらの非効率や廃棄物を最小限にする・ため燃焼室内に導入される燃料ガスの発熱量の゛変動をモニターし、そしてフィードバック機構によって燃料が導入される速度を調節し単位時間当り均一な発熱量を苗への供給を・維持することを試みる多くの制御法が導入されて来ている。

これは多くの燃料ガスを同時に燃焼する火熱炉またはボイラーの場合に特に重要である。与えられた容積内の燃料ガスの混合物は時間毎に非常に巾広く変り得るからである。このような既往技術の制御力”弐ｔよ米国特許第４．３２９．８７３８に記載の装置である。この特許は資料ガスと燃焼ガスとが反応室内で一緒に合わされ触媒加熱要素の働きで酸化される装置を開示している。この加熱要素は燃焼ガスの発熱によって惹起される抵抗の変化に対してモニターされ、そしてこの抵抗変化に基づくフィードバック信号が試料ガスの室へのｆｆ１ｆｆｉを制御づる。米国特許第４．ａ２９．８７４ｑに開示されている類似の系は反応室内に位置している触媒被覆加熱要素の一端と室外に位置している他端との間の温度差をモニターする。反応室内の加熱体の端は燃料ガスの酸化によって加熱されるが、制−装置が加熱体への電流を変化させ、二つの端の間で前もって決められた温度差を維持する。

加熱体へ供給される電流の差の測定値は燃料ガスの発熱量に相関させることができる。

米国特許第４．１７０．４５５号には入ってくる燃料ガスの温度が測定される系が示されている。ガスは多孔金属熱遮断板を経て粒子状触媒床と接触させられ、燃焼させられる。燃焼ガスの温度が測定され、温度差が当該ガスの濃度に相関ずけられる。粒子状触媒およびその周囲の金属メツシュ網より成る組立物は容積対表面積の比を最大になるように配置され、その結果系の流れ容量対熱損失の比が最大になるようにしである。

そのように多くの既往技術の系の大きな欠点は接触反応と局所的温度測定に棋ずいているので系の応答は本質的に燃料ガスの組成に支配されているということである。

触媒は普遍的な適用性を一般には有せず、触媒反応の速度は反応物質ごとに極めて大巾に変化する。従って燃焼プロセスが巾広く変る性状の燃料ガスを用いるならば別別の触Ｉｓ、および／または較正を用いる別々の測定系が必要となろう。

燃料の組成が不明な時には、測定装置の設計は、水素（極めて反応性に富む）からメタンや他のアルカン類にまでの範囲にある各成分のガスの非常に変化する酸化速度を考慮しなければな、らない。試料ガスの一部のみの燃焼によって放出される熱に基づいて得られる発熱量測定はおそらく組成によって支配される。反応する割合は存在する化学種および混合物の化学ＦＡ論に支配されるからである。

触媒は、入ってくる燃料流のしばしば不可避的な部分である異物によって汚染されている時には「被毒」されやすいものであるということが指摘されるべきである。

また触媒は老いていくもので、その性能特性は時ｉコとともに変化していき、従って比較プロセスの、正確さ、精密さに悪彰響を及ぼす。

従って、燃料ガスのＢＴＬＩＲ熱聞またはカロリー含有おを測定するより普遍的なａｌｌ定ＩＡＭ、しかも巾広く変化する試料ガスをそのま〉個別的にかあるい、は混合物の形でさらに再較正なしに測定することができるものを提供する必要性は依然として産業界に存在する。

燃料ガス中の不純物によって被毒または劣化されやすくなく、しかも供給される燃料ガスの形の・広い範囲の変動を許容するような系を提供することが本発明のより以上の目的である。

既存の火熱炉、ボイラーおよびその他の同＋Ｘな燃焼装置に適用可能な形で上記は能を果し、しかも経済的にその機能を果す装置を提供することが本発明のより以上の目的である。

本発明に従う燃料ガス発熱線測定装置は高い熱転導性を有する外部胴を含み、内部燃焼室を形成づる燃焼装置より成る。燃料ガスおよび酸化ガスの入口はこの燃焼室の内部に連なる。燃焼室内に位置している加熱体は、燃料ガスのどの成分の燃焼温度より高い温度に加・熱体へ供給されるエネルギーをもって室内を維持する。この装置は燃焼室内の燃料ガスの完全燃焼を達成し、一方さらに燃焼の発熱効果を外部の胴に均一に伝達する機構を包含する。外部の胴に取付けられた温度センサーは検出温度に相当する外部信号を発生し、外部信号に対応して加熱体へエネルギー源によって供給されるエネルギーの僅を変える機構にこの信号を与え、その結果外部胴の温度が一定に維持される。最後に、エネルギー源によって供給されるエネルギーの変化を測定し、この変化を、１！！焼された燃料の発熱量に対して相関させる機構が備えられている。

本発明のある特定的な態様においては燃料ガスの完全燃焼を達成する機構はアルミナ、ベリリアまたは銀のような高い熱伝導度を有する粒子のぎっしり詰った床または集合体である。これらの粒子は比較的小さな内部容積を有する燃焼室内にぎっしりと詰められている。燃料ガスは酸化ガスの上流の、室の一端に吹込まれる。こうすることにより最初は燃料ガスと酸化用ガスの層状化、すなわち非均質混合（いわゆる「リッチ」混合物）をもたらし、これは燃料ガスの点火を容易にする。粒子床の中での燃料および酸化用ガスの引続いて起る拡散によってガスの完全混合が行なわれることになり燃料ガスの完全燃焼、つまり燃料中の化学エネルＶ−含有社の完全放出が行なわれる。床中の粒子の中での緊密な接触およびそれらの高熱伝導度故に、室内のどの点における燃焼によっても惹き起こされる熱効果は外側の高い熱伝導度の熱量へたたらに伝導され、胴の表面まで均一に分配される。

つまり、加熱体の周囲をとりまく粒子床は加熱体の延長として働き、いわば、広い範囲に分配された加熱体を作ることになる。

外部胴への全発熱効果の準即時的伝達および胴表面への均一温度分布故に、表面のすべての点は理論的には燃料ガスの燃焼による熱効果の指示である。従って表面上の任意の点における温度は検出温度をもたらしたガスの発熱量に相関させることができる。

本発明の多くの操作上の特徴および利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明によれば明白となるであろう。

第１図は本発明に従って作られた測定装置を示すブロック図形式の系統図である。

第２図は、第１図に示される燃料ガス燃焼装置の部分的立面図である。

第３図は、多くの燃料ガスに対して燃料熱量対加熱器供給電力の相関を示すグラフである。

第１図を参照すれば、本発明に従う燃料ガス発熱量測定装置は、数字記号１１で一般に示されるものであるが、燃料ガス燃焼装置１３を包含し、これをより詳細に本明細書にて説明するものとする。こめ燃焼装置の機能は可燃成分（例えば水素、メタン、−酸化炭素〉を含む試料ガスと酸化ガス（例えば空気または酸素）を−緒にして燃料ガスの完全燃焼を達成することである。燃焼装置内に位置しており、当該燃料ガスの通常燃焼点以上の温度に加熱されている加熱器１５が酸化反応を開始する。加熱器の出力は勿論燃焼によって達成された全熱効果は燃焼装置の外表面へ伝達され、その表面の温度は一定の設定された水準に維持されるはずである。

この表面温度は加熱器１５自身によってζ生された熱量ばかりでなく、燃料ガスと酸素との燃焼によって発生された熱の関数でもある。当然のことであるがＩＷ料ガスの発熱量またはカロリー含有通が変われば、この燃料ガスの燃焼によって発生される熱効果の吊も同様に変化する。従って、表面温度を一定に維持する為には、加熱器によって供給される熱量はガスの発熱量の変化と反比例しなければならない。つまり、ガスの発熱量が減少す札ばより多くの熱が加熱器から必要とされるし、発熱量が増加するに従ってより少ない熱量が加熱器から必要とされるわけである。

加熱器１５の運転は、外部エネルギー源１９がら加熱器へ供給されるエネルギーの船によってｔ（１１１１される。つまり加熱器へ適当なように任意のエネルギーが供給される。外表面の温度は、それにしつかり固定された熱電体または抵抗温度計（ＲＴＤ）のような従来的温度センサー２１でモニターされる。この温度センサーからの外部信号は線２３から出るものであるが、従来的フィードバック υ制御器２５へ供給される。このような従来的制６０２ｉの代表例は、本発明の譲受人であるマサチューセッツ州フォックスボローのフォックスボローコンパニー装造の５ＰＥＣ２００電子アナログ制御器である。温度センサーによって検出された実際の温度がＩＩＩＩ　ｔ［Ｉ　！ｉにプログラムされた温度設定点から変位すると、ｌＩＩｊｗＪ器は周知の従来的方法で誤りを示す信号を発生する。

この信号が線２７を通じて加熱器エネルギー源１９ヘフイード゛バツクされ、加熱器１５へ供給されるエネルギーの是を適当に修正し、燃料ガスの内部燃焼によって起こされた表面温度の増加または減少を相殺する。示されている態様においては、加熱器は抵抗線であり、（第２図も参照のこと）、そこに供給されるエネルギーは電流の形である。代表的な抵抗線は商標ニクロムなる名で、売られている６０％ニッケル、２４％鉄および１６％クロムの合′金から成るものである。

しかし、本発明は電気または非電気によるエネルギー源による、従来から周知の多くの加熱器で効果的に運転することができる。燃焼装置加熱器と加熱器エネルギー供給源との間に置かれているモニター装置ｆｆ、２９は加熱器へ供給されるエネルギーの変位を測定する。燃料ガスを供給した時に必要とされる電力とそうでない時との電力との４は燃料によって供給される発熱ｔｒｉに等しい。

指示計３１は、その人力＜、ｔモニター装置から来るものであるが、当該燃料ガスの発熱聞の゛直接的指示を与えるものであり、その目盛りは適当な測定単位（例えば容積当たりのＢＴＵ）にうまく較正されているものである。

今、第２図を参照すると、燃料ガスの効率的な燃焼を達成するための特定的燃焼装置１３がより詳細に示されている。燃焼装置全体が完全に密封された金属ジャケット３３内におさめられている。金属ジャケットは真空にされており、その周囲から燃焼装置を熱的に絶縁しており、そのためにそれを所望の運転湿度に維持するのに必要な全電力を制限し得ている。そのような絶縁は、例えば所望の運転温度以下のある高温に保たれた保護加熱器にこの燃焼ＭＡ置をおさめることによっても達成することができ・る。燃焼ｉ！置の外部１１１３５は、内部燃焼つまり反応苗を定義するものであるが、例えば銀のように高熱伝導度を有する物質でできている。光輝あるプラチナ箔（ｌＸ温でさびない）３７が放射による熱損失を減少させるために外部胴の囲りにしっかりと巻かれている。この型の構造は全体として等温の装置を作ることになり、一定のしかも制御し得る、周囲への熱損失速度を有する。

外Ｗ４３５には二つの入口管３８．３９が貫通しており、第１のものは測定されるべき燃料ガス試料を通すもので他の管はｌＩ！素を通すものである。これら入口管と外胴との境界はガスが洩れないｖＡ造にするために厳重にＯつ付け、溶接あるいは接合されている。また、外胴に同様に取付けられ、燃焼生成物を排出するため燃焼室とつながっている排気管４１がある。入口導管４３は加熱体１５への通路となるもので、アルミナ（Ａ１２０３）支持部材４５とそのアルミナ部材の上端の外周に巻かれている抵抗１１４７より成っている。抵抗線に接続している二本の電気リード線４９はアルミナ支持体の中を通り、その−舌下のところで、エポキシ又はセラミック材のガス密封剤を経て外へ出ている。ガス封止剤は室内のガスが排気管４１以外に空から出るのを防止するためである。

燃焼室の残りの全容積を充填しているのは高熱伝導度を有する粒子５３で詰められている床である。これらの粒子は加熱体１５のまわりをとり巻き、加熱体及びそれ自身と緊密な接触状態にある。本発明に用いられる典型的な物質は銀、アルミナ、またはべりリア（Ｂｅ２０３）の玉である。図示の特定的Ｂ様では、これらの粒子は８〜２０メツシユの寸法分布を有するアルミナである。これらの粒子がそれ自身とは勿論のこと加熱体１５とも外胴３５とも緊密に接触しているということは、燃焼室内のどこでも局所的加熱が仮りに起こっても、それは銀の胴の外表面を含む燃焼装置のすべての部分へ即時にして伝えられるということを保証するものである。この急速な伝達は、代表的には２．５０３という比較的小さな燃焼部内容積にも助けられている。つまり本質上この燃焼ｉ置の高度に熱伝導性であるという構造が、外部胴の温度は燃焼室内の加熱効果の全総和の関数であるという点において、積分効果を達成しているのである。温度センサーは箔３７の孔を通じて銀の胴にしっかりと接合されている。温度は全外表面３５にわたって均一であるから、センサーの位置は臨界的でない。これは全体として燃焼装置が最適な熱伝導度にあるといへことの直接的な結果である。

作動にあたって、燃料ガスは燃焼部１３の下端から導入され、一方酸化ガスは少し高いところ、つまり燃料ガスの下流側から導入される。こういう条骨にすると、最初に形成されたガス混合物は燃料リッチになり、周知のように燃料ガスの点火性能が増強される。二つの気体の通路は、アルミナ粒子床５３の中で極めて迂回した路となっているので、乱流的な相互作用が起こり、燃料ガスとＭ素との完全混合が達成され、燃料ガスの完全燃焼がもたらされる。また、高度に熱伝導のよい粒子の床はより広く分布された加熱表面を達成することによって、低炉を容易にする。燃料ガス−酸化剤試料混合物のほんの一部の燃焼に基づく先行技術の装置では、燃焼熱によって作られる温度分イ６が燃焼ガス種の反応性によるので、異った試料組成物に対しては別々の較正が必要である。

しかし、前述の積分効果によって、本発明ではそのような較正は不要である。さらに言えば完全燃焼と全体的な高熱伝導性構造とが合わさって、ガスの反応性によらずして被験ガスの発熱量の正確なキャラクタリゼーションここで指摘しておきたいのは、「完全燃焼」や「全量燃焼」なる用語が試料採取技法のみを用いる先行技術装置から本発明の作動型式を区別するために水明ＩＢｓ中で用いられているけれども、これは本発明が燃料ガスの１００パーセントだ焼以下では機能しないということを言わんとするものではないということである。１００パーセント燃焼以下の結果になればそれに対応して正確度になるだけである。例えば、全燃料ガス試料のうち９９％だけしか燃焼しないならば、発熱ｆｆｉ測定の精度は１バーセン１−より良くはならないであろう。

燃焼ガスと酸素との実際の燃焼は熱せられた抵抗線４７でｌｉ’＋ｌ始される。

被験ガスの正常な燃焼点以下の温度で操作される、前記の先行技術接触ｓｉ装置と迫って、本発明では抵抗線は燃焼ガス中のどんな構成々分の燃焼点以上に室の温度があがるまで加熱される。上述のように抵抗線に供給された電流は燃焼される燃料ガスの発熱値に従って変化する。測定の時間の間既知の一定の儲の燃料ガス流があると仮定づれば、消費電力のワット数の変化の大きさが燃料ガス試料の熱量（たとえばＢＴｔＪ）に相当する１゜この電力変化はモニター装置２９として従来的ワット枢−ターを用いて検出される。

上に記Ｍ″ｉ）態様のような装置で、Ｈ２、ＣＯおよびＣＨ４のよ−うな鈍粋燃料ガスを用いて実験を行ったところ、９７乃・至１００パーセントの効率、応答時間約２０秒なる結果１．カ得られた。第３図はこれら三つのガスについて電力の渡化対相当する熱量を示しているが、本発明の広い適用弔を明らかに示している。これら実際の測定は被測定種壬変化ざｉた後も再較正の必要なしになされたものであＳ。

燃料ガス℃発熱徂測定値を指示装置３１上へ単に表示させておく功１わりに、単位時間当り一定の発熱はを連続的に示すよる。に発熱量に関する情報を炉または同様な燃焼装置への′１！料ガスの流漬を支配する供給弁（図示されていす）へフィードバックすることができる。発熱層入力を一定に−ａ持すれば炉の出力も同様に一定にＩ！持するとかできる。。

加熱線４″７への電流を変化させることによってよりはむしろ、外６１３５において一定温度を維持すように燃焼部１３への薬科ガス供給量を直接変化させることによって同様な結果が達成される。この場合は燃焼部へのガス供給を制御オる同じ信号が主バーナーまたは炉へのガス供給を１ｉｌｌ　ｔｉｔ　するのに用いられるから、本発明は単なる発熱量指示計ｔしてよりもむしろ設定値制御器として機能する。

粒子５３は主としてその高熱伝導度の観点から選ばれるけれども、ある種の燃料ガスの場合は付随的には触媒的作用があることがある。しかし、すでに議論したように、本発明は接触反応が必要とされるとは意図されていない。この粒子物質が融媒でないという事実のおかげで、本発明は多様な燃料ガスに適用することができ、硫化物、鉛化合物などによる触媒被毒という共通な問題を回避できるのである。

上記の態様は極めて特定的な言葉で記載されたが、当業者にはある程度の改変が明らかになるということが理解される。例えば、銀以外の物質が燃焼部の外胴に用いることができるということ、高い熱伝導度を有するが銀よりははるかに高い融点を持つパラジウムがその例である。またより高い操作温度では酸化剤として酸素を用いるのは不要であり、通常の常圧空気で十分かも知れない。

しかし、これらおよび他の同様な改変も本発明の請求の範囲に含まれるということが意図されている。

丈旅１＝ＥＩ　ＦＪ熱ｌ　り・・、トＦＩＧ、　３ＦＩ６．２１羽　６２　増　審　飼　牛一四一−＾−−Ｎ＠−ＰＣ〒／ｌ’ｓ　８４１０２１４３Ａ）ＩＮＥＸ　ＴＯＴ１１＝　ｉＮτＥＤＩＡ丁！ＯＭＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯλτ　ｏｈｆｋＴＥＲ，’＋Ａ７！ＯＭＡＬＡ：’？ｆＪＣＡＴＩＯＮＮｏ、Ｘ’ｃ’ニア’ＪＳ６４０２１４３（ＳＡ’８４Ｇｌｏ）Ｄｌｉｌミニ−２３６３６０５０７／（Ｊ／７５　Ｎｏｎｅ

Claims

【特許請求の範囲】

１．高熱伝導度を有し、その中に内部燃焼室を形成する外胴、上記燃焼室へ通する燃料ガス入口、上記燃焼室へ通ずる酸化剤入口、上記燃料ガスの燃焼温度以上に上記燃焼室の温度を上げるための上記燃焼室内加熱体、燃焼室内で上記燃料ガスと上記酸化剤との実質的完全燃焼を達成し、さらに上記外胴へ上記燃焼の全熱効果を伝達する手段、および上記加熱体へのエネルギー供給源を包含する燃焼装置、検出温度に対応する出力信号を出すために上記外胴に取付けられた温度検出手段、上記温度出力信号に応答して上記外胴の温度を一定に維持する手段、および上記温度維持手段に連なり、前記燃料ガスの発熱量へ上記温度維持手段の応答度合を相関させる手段より成る燃料ガス発熱量測定装置。
２．上記温度維持手段が上記加熱体へ上記エネルギー源によつて供給されるエネルギーの量を変化させる手段より成る請求の範囲第１項に記載の装置。
３．上記温度維持手段が、前記燃料ガスを前記燃焼室へ導入する時の流量を変化させる手段より成る請求の範囲第１項に記載の装置。
４．実質的完全燃焼達成の上記手段が前記燃焼室内を充填し、しかも前記加熱体の囲りを埋めている高熱伝導度の粒子集合物より成る請求の範国策１項に記載の装置。
５．上記粒子がアルミナである請求の範囲第４項に記載の装置。
６．上記粒子がベリリアである請求の範囲第４項に記載の装置。
７．上記粒子が銀である請求の範囲第４項に記載の装置。
８．上記粒子が８〜２０メツシユの範囲の寸法分布を有する請求の範囲第５項に記載の装置。
９．さらに前記燃焼装置からの熱損失速度を制御する手段より成る請求の範囲第１項に記載の装置。
１０．上記熱損失速度制御手段が前記外胴をかこむプラチナ箔包板である請求の範囲第９項に記載の装置。
１１．上記熱損失速度制御手段がさらに前記燃焼装置のまわりをつつむ完全密封真空室を包含する請求の範囲第１０項に記載の装置。
１２．前記加熱体が電気抵抗加熱器より成り、しかも前記エネルギー源が電気エネルギー源より成る請求の範囲第２項に記載の装置。
１３．上記電気抵抗加熱器がニツケル、鉄およびクロムの合金でできた線より成る請求の範囲第１２項に記載の置。
１４．前記変化手段が前記電気エネルギー源に結ばれたフイードバツク制御器である請求の範囲第２項に記載の装置。
１５．前記流量変化手段が、前記燃料ガス入口手段と流体的に連なつている弁、および前記温度出力信号に応答し、上記弁に結ばれているフイードバツク制御器より成る訴求の範囲第３項に記載の装置。
１６．前記酸化剤ガス入口が前記燃料ガス入口の下流側に位置されて、前記燃料ガスと前記酸化剤との層状化混合物を得る請求の範囲第１項に記載の装置。
１７．前記相関手段が前記電気抵抗線加熱器と前記電気エネルギー源との間に置かれた電力計、及び当該電力の変化を前記燃料ガスの発熱量に相等させる手段より成る請求の範囲第１２項に記載の装置。
１８．高熱伝導度を有し、その中に内部燃焼室を形成する外胴、上記外胴の囲りを包むプラチナ箔包板、上記燃焼室へ通ずる燃料ガス入口、上記燃焼室へ通ずる酸化剤ガス入口、上記燃焼ガスの燃焼温度以上に上記燃焼室の温度を上げるための上記燃焼室内抵抗線加熱記、および上記燃焼室内を充填し、しかも上記抵抗線加熱器の囲りを埋めている高熱伝導度の粒子集合物であつて、しかも当該粒子が上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとを拡散させ、その完全混合を容易ならしめ上記外胴へ上記燃焼の熱効果を伝達させることを特徴とする粒子集合物を包含する燃焼装置、前記抵抗線加熱器への電力供給源、検出温度に対応する出力信号を出すために上記外用に取付けられた温度検出手段、上記出力信号に応答して、上記供給源によつて上記抵抗線加熱器へ供給する電力の量を変化させ、前記外胴温度を一定に維持する制御器、及び上記電力の変化を測定し、前記燃料ガスの発熱量へ上記測定値を相関させる手段、より成る燃料ガス発熱量の測定装置。