CH720178B1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Verkohlungsgrades von Brennstoffen in einer Verkohlungsanlage. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verkohlungsanlage (3) sowie eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Verkohlungsgrads von Brennstoff in einer Verkohlungsanlage, wie bspw. ein Vergaser oder eine Pyrolyse-Anlage, welche den elektrischen Widerstand des Materials misst, der proportional zu dessen Verkohlungsgrad ist.

Description

[0001] Nachfolgend wird eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Verkohlungsgrads von Brennstoff vorgestellt. Diese Messvorrichtung macht sich zunutze, dass der elektrische Widerstand eines zu verkohlenden Brennstoffs proportional zu seinem Verkohlungsgrad ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere für eine Anwendungen in Vergasern oder Verkohlungsanlagen.

Stand der Technik

[0002] In EP1717294A1 wird ein Vergaser vorgestellt, in dem eine „Dichtung“ angewendet wird, die zwischen dem Vergaserteil und der Wärmequelle zum Einsatz kommt. Die Dichtung besteht dabei aus einem mit Schlacke gefüllten vertikalen Rohr. Da die Schlacke zu 88% aus Kohlenstoff bestehe, habe sie einen elektrischen Widerstand von ca. 5'000 Ohm und damit eine relevante elektrische Leitfähigkeit. Der Füllstand des Schlacke-Rohrs wird über einen Sensor überwacht. Dieser Sensor besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus drei Elektroden, die durch eine elektrisch isolierende Durchführung in das Innere des Reaktorraums geführt werden und in die Schlacke eindringen. Eine Elektrode wird dabei im oberen Teil des Schlacke-Rohres eingeführt, die beiden anderen Elektroden befinden sich im unteren Teil. Sinkt der Schlacke-Füllstand zu weit ab und legt dadurch die obere Elektrode von Schlacke frei, steigt der elektrische Widerstand zwischen der oberen Elektrode und einer der beiden unteren Elektroden sprunghaft an.

[0003] In WO2011057040A2 wird ein stehender Vergaser vorgestellt, an dessen Reaktor-Gehäuse ein Array aus Temperatursensoren angebracht ist. Dieses Array dient der Messung des Temperatur-Profils im Inneren des Reaktorraums, wonach die Rate der Brennstoff-Einbringung in den Reaktorraum gesteuert wird.

Aufgabe der Erfindung

[0004] Verkohlungsanlagen sind Bestandteil klassischer und regenerativer Heizsysteme sowie anderer Anlagen der chemischen Industrie, bspw. Abfall-Entsorgungsanlagen. Besonders in Verkohlungsanlagen fehlt bisher eine robuste und einfache Methode zur Messung des Verkohlungsgrads in Echtzeit und im Prozess. Bei sogenannten Wanderschicht-Reaktoren, in denen die Reaktionszone innerhalb eines oft zylindrischen Behälters bspw. von oben nach unten wandert, ist es für die Prozesssteuerung ausserdem von Interesse, den Ort der Reaktionszone zu bestimmen. Dies kann durch Temperaturfühler und Modellannahmen, bspw. durch Messung der Verweilzeit in der Reaktionszone, zwar abgeschätzt werden, jedoch kann dieser Messwert durch andere Faktoren wie Volumenstrom und Temperatur der Gase oder Transport thermischer Energie durch das Material beeinflusst sein.

[0005] Die vorliegende Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, einen einfachen Sensor aufzuzeigen, mit dem der Verkohlungsgrad und, bei geeigneter Kombination, auch der Ort und die Lage der Reaktionszone in einer Verkohlungsanlage gemessen werden kann.

[0006] Unter Verkohlung wird das Verschwelen von flüchtigen Bestandteilen aus einem Material, insbesondere einem Brennstoff, verstanden. Ein Beispiel: Bei der Herstellung von Pflanzenkohle werden die leicht flüchtigen Bestandteile des Ausgangsmaterials, meist Holz, verschwelt, um neben einem brennbaren Gas auch ein festes Produkt - die Pflanzenkohle - zu erhalten. Diese Kohle hat einen deutlich tieferen elektrischen Widerstand als das Ausgangsmaterial Holz, weil sie zu einem sehr hohen Anteil (i.d.R. > 80 %) aus Kohlenstoff besteht.

Beschreibung der Erfindung

[0007] Die Erfindung ist ein Sensor, welcher den elektrischen Widerstand des Brennstoffes an mindestens einer Stelle misst. Dabei wird in einem Anwendungsbeispiel von einer Verkohlungsanlage (3) ausgegangen, welche im Betrieb zu einem Teil mit Brennstoff (5), zum anderen Teil mit verkohltem Brennstoff (7), also mehr oder weniger reinem Kohlenstoff, befüllt ist. Das Messverfahren kann jedoch allgemein und auch ausserhalb von Verkohlungsanlagen zur Bestimmung des Verkohlungsgrads eingesetzt werden. In einer Verkohlungsanlage kann sich - je nach Verfahren - zwischen Brennstoff und Kohle die Reaktionszone (6) befinden, in welcher beispielsweise durch Zugabe eines Oxidationsmittel der Brennstoff zu einem mehr oder weniger reinen Kohlenstoff vergast wird. Die Behälterwand (8) der Verkohlungsanlage (3) kann in einer vorteilhaften Ausführung Teil der Messvorrichtung sein, wenn sie elektrisch leitend ausgeführt ist; dann stellt sie selbst einen Fühler dar. Des Weiteren besteht der Sensor aus einem Fühler (1), der aus einem leitenden, bevorzugt temperaturbeständigen Material, beispielsweise Messing, Kupfer oder Stahl hergestellt ist, und der durch eine elektrisch isolierende und idealerweise gasdichte Durchführung (2) in den Behälter gestossen wird. Es wird der elektrische Widerstand zwischen zwei Fühlern (1) oder zwischen einem Fühler (1) und der Behälterwand (8) oder zwischen zwei elektrisch isolierten Teilen der Behälterwand gemessen.

[0008] Mit zunehmendem Verkohlungsgrad des Brennstoffs steigt dessen elektrische Leitfähigkeit bzw. sink dessen elektrischer Widerstand, da reiner Kohlenstoff ein elektrischer Leiter ist. Damit sinkt auch der elektrische Widerstand zwischen bspw. Fühler (1) und Behälterwand (8) und gibt ein dem Verkohlungsgrad proportionales Mass an. Messungen haben gezeigt, dass der elektrische Widerstand während eines Verkohlungsprozesses von mehreren Megaohm auf wenige Ohm absinkt.

Anwendungsbeispiel

[0009] Werden wir in Fig. 1 beispielhaft dargestellt mehr als ein Fühler an verschiedenen Stellen übereinander durch die Behälterwand eingeführt, kann das elektrische Signal durch eine Parallelschaltung der Widerstände zusammengefasst werden und gibt damit einen Wert proportional zur Position der Reaktionszone (6) an. Es ist ein Messvorrichtung entstanden, welches zwar mehrere Fühler benötigt, jedoch ein der Position der Reaktionszone proportionales elektrisches Signal ausgibt. Das hat gegenüber dem Einsatz von mehreren Temperaturfühlern ökonomische Vorteile und stellt eine technisch robuste Lösung dar, welche mit einer Methode in das gewünschte Positionssignal umgerechnet werden kann, die im Vergleich zur Bestimmung der Reaktionszone über Temperatursensoren einfacher in den gesuchten Messwert umgerechnet werden kann.

[0010] Es ist in einer weiteren Ausführung denkbar, das Schutzrohr bzw. das Gehäuse eines Temperaursensors als Fühlerkopf zu nutzen, wodurch mit nur einer Durchdringung durch die Behälterwand sowohl Temperatur als auch der Verkohlungsgrad gemessen werden können. Voraussetzung hierfür ist, dass die Temperaturfühler über ein elektrisch leitfähiges Mantelrohr verfügen. Dies ist für eine Vielzahl gängiger Thermoelemente, Widerstandstemperatursensoren, usw. der Fall.

[0011] Um den elektrischen Kontakt zwischen Fühler und Brennstoff (5) bzw. verkohltem Material (7) zu erhöhen, ist es des Weiteren vorteilhaft, an den Fühlern im inneren der Verkohlungsanlagen elektrisch leitende Gegenstände, wie beispielsweise Bleche, zur Vergrösserung der Kontaktfläche anzubringen.

[0012] Um ein Versotten der Fühler mit elektrisch isolierenden Verunreinigungen zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, die Fühler periodisch auf 400°C bis 1000°C oder mehr aufzuheizen. Dadurch werden eventuell auftretende Verunreinigungen gelöst.

[0013] Die Messvorrichtung kann analog angewendet werden, wenn der Verkohlungsgrad oder die Position der Reaktionszone ohne eine elektrisch leitfähige Behälterwand festgestellt werden soll. In diesem Fall kann der elektrische Widerstand des fraglichen Materials zwischen zwei oder mehreren Fühlern gemessen werden. Dies wäre z.B. für abgekühltes, verkohltes Material wie Pflanzenkohle denkbar und kann Aufschluss über deren Qualität liefern.

[0014] „Elektrisch leitfähig“ meint im Kontext dieser Erfindung einen relativen Wert, welcher um mindestens den Faktor 10 grösser als die elektrische Leitfähigkeit des nicht verkohlten Brennstoffs sein muss.

[0015] In Fig. 1 ist ein Querschnitt der Erfindung in einer bevorzugten Ausführung skizziert, welche die Erfindung jedoch nicht auf die gezeigte Ausführung limitieren soll.

Claims (8)

1. Messvorrichtung zur Messung des Verkohlungsgrads in einer Verkohlungsanlage (3), bestehend aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Fuhlern (1), wovon zwei durch zwei elektrisch isolierte Teile der Behälterwand der Verkohlungsanlage gebildet sein konnen, oder wovon mindestens einer mit einer elektrisch isolierenden Durchführung (2) in das Innere einer Verkohlungsanlage (3) einsetzbar ist und wovon einer durch die Behälterwand der Verkohlungsanlage gebildet sein kann, wobei die Fühler dazu vorgesehen sind, im Inneren einer Verkohlungsanlage (3) den elektrischen Widerstand des Brennstoffs zu messen, dessen Wert proportional zu seinem Verkohlungsgrad ist.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Fühler (1) aus dem Schutzrohr eines Temperatursensors besteht, das elektrisch leitfähig ist.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil von mindestens einem Fühler (1), welcher Kontakt zum Brennstoff bzw. zum verkohlten Material hat, mit einem elektrisch leitfähigen Gegenstand derart verbunden ist, dass die Kontaktfläche zum Brennstoff bzw. zum verkohlten Material zunimmt.

4. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühlerkopf zumindest einer der Fühler (1) bei Verschmutzung dazu vorgesehen ist, auf 400°C bis 1000°C oder mehr aufgeheizt zu werden, um eventuell auftretende Verunreinigungen des Fühlers (1) zu lösen oder diesen vorzubeugen.

5. Verkohlungsanlage (3) mit einer Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Behälterwand (8), welche zumindest in Teilen elektrisch leitfähig ist.

6. Verkohlungsanlage (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung dazu vorgesehen ist, den elektrischen Widerstand des Brennstoffs und damit dessen Verkohlungsgrad zwischen der Behälterwand (8) und einem Fühler (1) der mit einer elektrisch isolierenden Durchführung (2) in das Innere der Verkohlungsanlage (3) geführt ist zu messen, wobei die Behälterwand den zweiten Fühler darstellt.

7. Verkohlungsanlage (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor, insbesondere ein Thermoelement oder ein Widerstandstemperatursensor, wobei zumindest ein Fühler (1) der elektrisch leitfähigen Fühler (1) der Messvorrichtung einteilig mit einem Schutzrohr des Temperatursensors ausgebildet ist, wobei das Schutzrohr elektrisch leitfähig ist.

8. Verfahren zur Messung eines Verkohlungsgrads in einer Verkohlungsanlage (3) mittels einer Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Widerstand des Brennstoffs und damit dessen Verkohlungsgrad zwischen zwei elektrisch leitfähigen Fühlern (1) der Messvorrichtung gemessen wird, wobei der Wert des elektrischen Widerstands des Brennstoffs proportional zum Verkohlungsgrad des Brennstoffs ist.