DE19502069C2 - Anordnung für die optische Bestimmung der Konzentration von Alkalien in einem Heißgasstrom - Google Patents

Anordnung für die optische Bestimmung der Konzentration von Alkalien in einem Heißgasstrom

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für die optische Bestimmung der Konzentration von Alkalien in einem Heißgasstrom.
Bei der Erzeugung von Heißgas durch Verbrennen oder Verga­ sen von Kohle in einer druckaufgeladenen Wirbelschichtfeue­ rung für den Betrieb einer Gasturbine sind die freigeworde­ nen dampfförmigen Alkaliverbindungen für die Korrosion an den Turbinenschaufeln verantwortlich. Es ist deshalb uner­ läßlich, Alkalien im Heißgas zu bestimmen, um erforderliche Maßnahmen zur Vermeidung von Korrosionen einzuleiten. Die Bestimmung von Gaskomponenten im Heißgasstrom erfolgt direkt durch einen Teilstrom in einer Meßstrecke (z. B. DD 57 220, DD 291 399 A5) oder direkt durch einen Teilstrom über eine Absorptionslösung nach verschiedenen Analysenverfahren (z. B. DD 269 448 A1).
Bei Heißgas-Temperaturen größer 1100°C werden die Alkalia­ tome thermisch angeregt, so daß ein Licht definierter Wel­ lenlänge emittiert wird (DE 42 32 771 A1). Diese Emissionen werden über Faseroptiken oder Fenster nach ihrer Intensität ausgewertet.
Bekannt ist es, nach EP 0 192 919 A1 bei einer Temperatur des Heißgasstromes von über 1000°C mit einer thermischen Anregestrecke (Funkenstrecke) und einer optischen Erfas­ sungseinrichtung Bestandteile des Heißgasstromes zu bestim­ men. Hierfür ist es notwendig, ein Probengas aus dem Heiß­ gasstrom zu entnehmen und die Untersuchung außerhalb des Heißgasstromes durchzuführen, was als Nachteil angesehen wird.
Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, die ebenfalls außer­ halb des Heißgasstromes angeordnet sind und verschiedene weitere Anregungsarten aufweisen (DE-OS 15 98 303, GB 900 423).
Bei Heißgas-Temperaturen kleiner 1000°C ist eine solche op­ tische Erfassung nicht möglich, da keine Emission der Al­ kaliatome aufgrund der geringen thermischen Anregungen ein­ tritt.
Es ist daher bekannt, mit einem leistungsstarken Laser im UV-Bereich die dampfförmigen Alkaliverbindungen aufzuspal­ ten und anzuregen. Durch ein Fenster wird der Laserstrahl eingespeist und am gegenüberliegenden Fenster ein Sekundär­ elektronenvervielfacher zur Erfassung der Laserenergie an­ geordnet. Im Winkel von 90° ist ein zweiter Sekundärelek­ tronenvervielfacher zur Erfassung des emittierten Lichts angeordnet.
Es wurde jedoch festgestellt, daß zwar Alkaliverbindungen Na2O, NaCl, K2O und KCl aufgespalten und angeregt werden, nicht jedoch die im Heißgas ebenfalls vorhandenen Alkali­ verbindungen Na2SO4 und K2SO4. Dadurch sind nicht alle die Korrosionen auslösenden Alkalien erfaßbar.
Aufgrund der weiteren Inhaltsstoffe des Heißgases wird durch Absorption die Leistung des UV-Lasers stark redu­ ziert, so daß reale Meßergebnisse nur über komplizierte Be­ rechnungsverfahren erreichbar sind. Um die genannten Alka­ liverbindungen trotzdem zu erfassen, sind erhebliche Auf­ wendungen für die Einkopplung einer großen Anregungsenergie durch einen UV-Laser erforderlich. Darüber hinaus ist die Regelbarkeit nur mit erheblichen weiteren Aufwendungen mög­ lich, um eine Anpassung an spezifische Analysenaufgaben zu erreichen.
Außerdem ist es bekannt, aus dem Heißgasstrom kleiner 1000°C einen Probengasstrom zu entnehmen, mittels einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme, einen Plasmabrenner (DD 284 528 A5) oder einen Gleichstrom-Lichtbogen (DD 200 351) die Al­ kaliverbindungen aufzuspalten und die Alkaliatome zur Licht­ emission anzuregen. Das emittierte Licht spezieller Wel­ lenlänge wird mit optischen Mitteln erfaßt und ausgewertet.
Diese Methoden weisen jedoch folgende Nachteile auf:
  • - Es sind geeignete Probeentnahmeeinrichtungen und Probe­ leitungen erforderlich.
  • - Es treten Ablagerungen bzw. Kondensation der zu bestim­ menden Bestandteile auf.
Weiterhin ist bekannt, innerhalb des Heißgasstromes einen mit einem gasförmigen Brennstoff betriebenen Brenner anzu­ ordnen und durch die erzeugte Flamme die Alkaliverbindun­ gen zur Lichtemission anzuregen.
Obwohl eine Reihe von Vorteilen erreichbar sind, weist die­ se Lösung noch folgende Nachteile auf:
  • - Eintrag zusätzlicher Brenngase
  • - Erzeugung einer offenen Flamme
  • - Bei Laständerungen werden Flammenstörungen erzeugt, die zu Schwankungen des Meßsignals und damit zu Auswertefeh­ lern führen.
  • - Besonderer Aufwand an Brenngas und Anlagentechnik
  • - Aufgrund von Laständerungen ist eine Regelbarkeit nicht gewährleistet, so daß spezifische Analysenaufgaben nicht ohne weiteres durchführbar sind.
Aus den genannten Gründen wird die Bestimmung der Alkali­ verbindungen immer wieder über Probenahmesysteme realisiert und die bekannten Nachteile in Kauf genommen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Emissi­ on der Alkaliverbindungen direkt im Heißgas kleiner 1000°C zu erreichen, ohne daß Laständerungen zu Verfälschungen führen. Außerdem soll eine Regelbarkeit entsprechend der Analysenaufgaben gewährleistet sein.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Anordnung für die opti­ sche Bestimmung der Konzentration von Alkalien in einem Heißgasstrom mit einer Temperatur unter, 1000°C in einem Heißgaskanal vor einer Gasturbine, bei der als thermische Anregungs­ strecke zur Erzeugung einer Lichtemission der Alkalien eine Hochfrequenz-Induktionsspule oder eine Lichtbogen- Elektrodenstrecke direkt in den Heißgaskanal eingesetzt und eine optische Erfassungsanordnung für die Auskopplung der emittierten Lichtstrahlen vorgesehen ist.
Dadurch wird erreicht, daß die Alkaliverbindungen aufge­ spalten, die Alkaliatome direkt emittieren und diese Emis­ sionen optisch erfaßt werden.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher er­ läutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1: Die Einkopplung einer Hochfrequenz-Induktionsspule in den Heißgaskanal.
Fig. 2: Die Einkopplung einer Lichtbogen-Elektroden-Strecke in den Heißgaskanal.
In den Heißgaskanal 1 vor der, Gasturbine ist als thermische Anregungsstrecke die Hochfrequenz-Induktionsspule 2 einge­ setzt und mit dem regelbaren Hochfrequenz-Generator 3 ver­ bunden (Fig. 1). An den Heißgaskanal 1 ist über das Quarz­ fenster 6 als optische Erfassungs-Anordnung der Quarzlicht­ leiter 4 angeordnet und mit der Auswerteeinrichtung 5 ver­ bunden.
In den Heißgaskanal 1 sind als thermische Anregungsstrecke ebenso die Lichtbogen-Elektroden 7, 8 eingesetzt und mit dem regelbaren Gleichstrom-Generator 9 verbunden (Fig. 2). In den Heißgaskanal 1 ist als optische Erfassungs-Anordnung die Lichtfaseroptik 10 eingebunden.
Es ist ohne weiteres möglich, die thermische Anregungsstrecke (2; 7, 8) zusammen mit der optischen Erfassungs-Anordnung (4; 10) als ein Bauteil in den Heißgaskanal 1 einzusetzen.
Im Heißgaskanal 1 wird das von der druckaufgeladenen Wir­ belschichtfeuerung erzeugte Heißgas zur Gasturbine trans­ portiert.
Durch die Verbrennung von Braunkohle enthält das Heißgas u. a. folgende Inhaltsstoffe:
Na2SO4; Na2O; NaCl
K2SO4; K2O; KCl
In den Heißgasstrom 11 des Heißgaskanals 1 wird die vom Hochfrequenz-Generator 3 erzeugte Hochfrequenzenergie über die Hochfrequenz-Induktionsspule 2 eingekoppelt (Fig. 1). Die dadurch erzeugte thermische Energie spaltet die o. g. Alkaliverbin­ dungen, so daß die Alkaliatome Licht mit ihrer spezifischen Wellenlänge emittieren. Dieses Licht wird über die optische Erfassungs-Anordnung (Quarzlichtleiter 4) erfaßt und zur Auswerteeinrichtung 5 gegeben und die Konzentration der o. g. Inhaltsstoffe fest­ gestellt.
Die Emission von Alkaliverbindungen im Heißgasstrom 11 wird ebenso mit den Lichtbogen-Elektroden 7, 8 (Fig. 2) realisiert, über die Lichtfaseroptik 10 erfaßt und in der Auswerteeinrichtung 5 die Konzentration der o. g. Inhalts­ stoffe festgestellt.
Es werden folgende Vorteile erreicht:
  • 1. Alle im Heißgasstrom enthaltenen Inhaltsstoffe, die zu Korrosionen an den Gasturbinenschaufeln führen, sind direkt erfaßbar.
  • 2. Durch die ausgezeichnete Regelbarkeit der einzukoppeln­ den Energie sind unterschiedliche Analysenaufgaben hin­ sichtlich der Inhaltsstoffe durchführbar.
Bezugszeichenliste
1
Heißgaskanal
2
Hochfrequenz-Induktionsspule
3
Hochfrequenz-Generator
4
Quarzlichtleiter
5
Auswerteeinrichtung
6
Quarzfenster
7
Lichtbogen-Elektrode
8
Lichtbogen-Elektrode
9
Gleichstrom-Generator
10
Lichtfaseroptik
11
Heißgasstrom

Claims (1)

  1. Anordnung für die optische Bestimmung der Konzentration von Alkalien in einem Heißgasstrom (11) mit einer Temperatur unter 1000°C in einem Heißgaskanal (1) vor einer Gasturbi­ ne, bei der als thermische Anregungsstrecke zur Erzeugung einer Lichtemission der Alkalien eine Hochfrequenz- Induktionsspule (2) oder eine Lichtbogen-Elektrodenstrecke direkt in den Heißgaskanal (1) eingesetzt und eine optische Erfassungsanordnung für die Auskopplung der emittierten Lichtstrahlung vorgesehen ist.
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