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Die Erfindung betrifft einen Vergaser, insbesondere einen Wirbelschichtvergaser, dessen Reaktionsraum von einer Ausmauerung umgeben ist und in dessen Reaktionsraum kohlenstoffhaltige Medien mit Hilfe von Vergasungsmedien, wie Sauerstoff, Luft, Dampf, Kohlendioxid, Stickstoff oder Recyclegas, in einer Wirbelschicht, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 500°–1200°C, zu Synthesegas umgesetzt werden.
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Vergaser der eingangs genannten Art sind seit längerem aus dem Stand der Technik bekannt. Im Rahmen des Hochtemperatur-Winkler-Verfahrens, das eine Weiterentwicklung der ursprünglich betriebenen Winklerwirbelschichtvergasung darstellt, werden in einem ausgemauerten Reaktionsraum feste kohlenstoffhaltige Medien mit Hilfe von Vergasungsmedien und hier insbesondere von Sauerstoff, Dampf und Kohlendioxid, in einer Wirbelschicht zu Synthesegas umgesetzt. Die Zugabe von Sauerstoff erfolgt mit Hilfe von Düsen, die auf verschiedenen Ebenen in dem Vergaser angeordnet sind, wobei mehrere Sauerstoffdüsen auf einer Düsenebene entlang des Umfanges des Vergasers angeordnet sein können.
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Um eine gleichbleibende Synthesequalität zu gewährleisten, ist die Vergasertemperatur unter anderem über diese Sauerstoffdüsen einzustellen. Bei einer Störung einer Sauerstoffdüsenebene, z.B. durch eine ungleichmäßige Verteilung von Sauerstoff, kann es zu lokalen Hot-Spots an der Ausmauerung des Vergasers kommen. Durch diese Hot-Spots kann die Ausmauerung wiederum beschädigt und zerstört werden. Zudem begünstigen die damit verbundenen hohen Temperaturen ein Aufschmelzen von Feststoffpartikeln in dem Vergaser, die an der Ausmauerung Anbackungen bilden und so den Vergaser blockieren können.
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Um die Temperatur an den verschiedenen Düsenebenen zu erfassen, wird eine on-line-Temperaturmessung und -überwachung mit Hilfe von konventionellen lokalen Thermoelementen durchgeführt. Bisher wird dabei die Temperatur über lokale Thermoelemente erfasst. Die Thermoelemente sind dabei bevorzugt als PtRh-Pt-Elemente mit einer keramischen Schutzhülle ausgeführt, wobei im Bereich einer Düsenebene zwei bis drei Thermoelemente bevorzugt in einem Winkel von 180° bzw. 120° entlang des Umfanges des Vergasers eingebaut werden. Hierdurch wird jedoch nur der lokale Messwert im Bereich der Thermoelemente gemessen. Der größte Teil der Ausmauerungsfläche wird dagegen nicht überwacht. Dies bedeutet, dass bezogen auf einen Vergaserinnendurchmesser von beispielsweise 3 m und dem daraus resultierenden inneren Umfang von 9,4 m nur in einem Abstand von 4,7 bzw. 3,1 m eine punktuelle Aussage über die Temperatur getroffen werden kann. Eine detaillierte Überwachung der Temperaturverteilung kann lediglich durch den Einbau von zusätzlichen Thermoelementen erreicht werden, was allerdings sehr kostenintensiv ist, da die Anschaffung derartiger Thermoelemente und die damit verbundene Peripherie sowie der aufwändige Einbau der Thermoelemente in den Vergaser mit hohen Kosten verbunden sind. Zudem ist man häufiger mit der Problematik konfrontiert, die Thermoelemente bei einem Versagen der keramischen Schutzhülle des Vergasers, beispielsweise durch Temperaturspitzen oder durch Alterung in der Vergaseratmosphäre, regelmäßig auszutauschen.
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Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe darin besteht, eine wirtschaftliche und konstruktiv einfache Lösung zur Erfassung der Temperatur, insbesondere an verschiedenen Düsenebenen zu gewährleisten.
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Mit einem Vergaser der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Ausmauerung mit mindestens zwei voneinander getrennten Thermodrähten ausgestattet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es wird somit ein Vergaser zur Verfügung gestellt, in dem Hot-Spots entlang des gesamten Umfanges des Vergasers in gefährdeten Bereichen detektiert werden können, d.h. in dem eine flächendeckende Temperaturüberwachung erfolgt. Grundlegende Idee der Erfindung ist es, den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand der Ausmauerung des Vergasers durch die in der Ausmauerung eingebauten getrennt voneinander verlaufenden Thermodrähte zu nutzen, und zwar vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 500° und 1200°C. Vorteilhafterweise kann hierdurch direkt der elektrische Widerstand und somit die Temperatur der Ausmauerung im Strahlungsbereich des Reaktionsraumes gemessen werden. Im Falle beispielsweise einer keramischen Ausmauerung wird durch den Wärmeübergang aus der Vergaserathmosphäre in das Ausmauerungsmaterial die Temperatur der keramischen Ausmauerung und somit auch deren elektrischer Widerstand verändert. Somit kann die entsprechende Temperatur der keramischen Ausmauerung ermittelt werden. Die Thermodrähte haben dabei einen näherungsweise konstanten elektrischen Widerstand über den Temperaturbereich. Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere daran zu sehen, dass Hot-Spots entlang des gesamten Umfanges des Vergasers in den gefährdeten Bereichen detektiert werden können.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Thermodrähte innerhalb der Ausmauerung verlaufen. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass die Thermodrähte entlang der dem Reaktionsraum zugewandten oder abgewandten Seite der Ausmauerung verlaufen.
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Um festzustellen, in welchen Bereichen entlang des Umfanges des Reaktorraumes Hot Spots auftreten, sieht eine praktikable Variante der Erfindung vor, die Thermodrähte segmentweise anzuordnen. Die Thermodrähte können dabei durch eine spezielle Wicklung Flächen ober- und unterhalb von exponierten Bereichen, insbesondere von Düsenebenen, überwachen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen daher vor, dass die Thermodrähte, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander, in Gestalt einer Umwicklung um den Reaktionsraum, d.h. entlang des Umfanges des Reaktionsraumes, besonders bevorzugt in Gestalt einer spiralförmigen Umwicklung, verlaufen. Als besonders bevorzugte Ausführungsform hat sich dabei die mäanderförmige Wicklung um den Reaktionsraum erwiesen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:
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1 in einer seitlichen Schnittansicht einen Teilausschnitt eines Vergasers gemäß der Erfindung,
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2 ein verwendetes Thermoelement und
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3a bis 3c in perspektivischer Ansicht verschiedene Anordnungen der Thermodrähte innerhalb der Ausmauerung des Vergasers aus 1.
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1 zeigt einen nur ausschnittsweise dargestellten Vergaser, der mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Angedeutet in 1 ist der Reaktionsraum 2, in dem, beispielsweise im Rahmen einer Hochtemperatur-Winkler-Vergasung feste kohlenstoffhaltige Medien mit Hilfe von Vergasungsmedien in einer Wirbelschicht zu Synthesegas umgesetzt werden. Der Reaktionsraum 2 ist unmittelbar von einer keramischen Ausmauerung 3, die in der in 1 dargestellten Ausführungsform aus Hochbrandstein gebildet ist, umgeben. Der Ausmauerung 3 schließt sich eine Isolierung 4 aus Feuerleichtstein an, die wiederum von der Behälterwand 5 umgeben ist. Der Vergaser 1 ist zudem mit einem äußeren Wassermantel 6 ausgestattet.
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Im Rahmen der Erfindung ist es nun wesentlich, dass die Ausmauerung 3 aus Keramik mit mindestens zwei voneinander getrennten, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Thermodrähten 7, 8 ausgestattet ist. In der in 1 gezeigten Ausführungsform des Vergasers 1 verlaufen die Thermodrähte 7, 8 hinter der keramischen Ausmauerung 3, d.h. entlang der dem Reaktionsraum 2 abgewandten Seite der keramischen Ausmauerung 3. Die keramische Ausmauerung 3 stellt den Strahlungsbereich im Vergaser 1 dar, d.h. der temperaturabhängige elektrische Widerstand der keramischen Ausmauerung 3 in einem Temperaturbereich zwischen 500° und 1200°C und somit die Temperatur der keramischen Ausmauerung 3 im Strahlungsbereich des Reaktorraumes 2 kann direkt mit Hilfe der Thermodrähte 7, 8 gemessen werden. Mit dem Wärmeübergang aus der Atmosphäre des Reaktionsraumes 2 geht eine Änderung der Temperatur der keramischen Ausmauerung 3 und somit auch des elektrischen Widerstandes einher.
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Die Erfassung der Temperatur an der keramischen Ausmauerung 3 basiert auf einem schon bekannten Messprinzip, das 2 veranschaulicht und auf einem Thermoelement basiert, das sich aus Thermodrähten und einer Isoliermasse zusammensetzt.
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Die beiden Thermodrähte 7, 8 sind durch einen Teil der keramischen Ausmauerung 3, d.h. durch eine Isoliermasse, getrennt voneinander. Diese Isoliermasse in Gestalt der keramischen Ausmauerung 3 besitzt einen stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand. Bei Raumtemperatur wirkt die keramische Ausmauerung 3 als Isolator, bei steigender Temperatur nimmt der elektrische Widerstand der keramischen Ausmauerung 3 logarithmisch ab. Tritt nun im Bereich der keramischen Ausmauerung 3 eine Temperatur T1 an einer beliebigen Stelle auf, so wird der elektrische Widerstand R1 der keramischen Ausmauerung 3 zwischen den Thermodrähten 7, 8 an dieser Stelle verringert. Tritt an einer anderen Stelle der keramischen Ausmauerung 3 eine höhere Temperatur T2 auf, so wird der elektrische Widerstand R2 an dieser Stelle entsprechend der Temperaturabhängigkeit reduziert. An dieser Stelle ist der Widerstand R2 wiederum geringer und eine Thermospannung wird generiert. Hierdurch wird die jeweils höchste Temperatur entlang des Thermoelementes angezeigt.
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In den 3a bis 3c sind verschiedene Anordnungen der Thermodrähte 7, 8 innerhalb der ausschnittsweise gezeigten keramischen Ausmauerung 3 des in 1 dargestellten Vergasers 1 gezeigt. Die Thermodrähte 7, 8 können dabei in Gestalt einer einfachen Umwicklung (3a) oder einer spiralförmigen Umwicklung (3b) an oder innerhalb der keramischen Ausmauerung 3 um den in 1 gezeigten Reaktionsraum 2 verlaufen. Im Unterschied zu den Ausführungsformen nach den 3a, 3b verlaufen die Thermodrähte 7, 8 in der in 3c gezeigten Ausführungsform segmentweise und/oder in Gestalt einer mäanderförmigen Wicklung an bzw. innerhalb der keramischen Ausmauerung 3 und beabstandet voneinander um den in 1 gezeigten Reaktionsraum 2.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne dass dadurch der Kern der Erfindung berührt wird. So können beispielsweise die Thermodrähte 7, 8 einen anderen als den in den 3a bis 3c gezeigten Verlauf nehmen. Auch kann die Isoliermasse, welche einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand besitzt, zwischen den Thermodrähten aus einem anderen Material als aus der keramischen Ausmauerung bestehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vergaser
- 2
- Reaktionsraum
- 3
- Ausmauerung
- 4
- Isolierung
- 5
- Behälterwand
- 6
- Wassermantel
- 7, 8
- Thermodrähte
