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HVG-DGG Forschung

 
Publication Nr GFOR181ZN
Author Fleischmann, Bernhard
 
Title
Echtzeit-Lasersensoren zur Optimierung industrieller Verbrennungsprozesse - AiF-Forschungsvorhaben 181ZN
 
Keywords
Glasschmelzwanne; Verbrennung; Sensorsystem; CO; CO2; NOx
 
Journal
Publication Year 2008
Volume
ISS
Page 48
 
Abstract
Die Produktion von Glas und Glaswaren, die nach Angaben des BV Glas im Jahr 2006 allein in Deutschland über 7,1 Millionen Tonnen betrug, erfolgt thermisch über den Schmelzzustand, wobei die zum Einsatz kommenden Schmelzaggregate vorwiegend mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Die im Verbrennungsraum erzielten Temperaturen bewegen sich im heißesten Teil der Läuterzone zwischen 1550 bis 1650 °C je nach zu erschmelzendem Glassystem. Die Steuerung der mit fossilen Brennstoffen beheizten Ofenanlagen erfolgt derzeit nach wie vor konventionell durch volumetrische Messung des Brennstoffes (Erdgas und/oder Öl) sowie des Sauerstoffträgers bzw. durch Kontrolle des Sauerstoffgehaltes im Abgas mit entsprechenden Sensoren. Zur Optimierung der Verbrennungsprozesse in ökonomischer und ökologischer Hinsicht ist es jedoch unerlässlich, die bei der Verbrennung entstehenden Reaktionsgase möglichst in situ zu messen, da die konventionellen Methoden mit erheblichen Nachteilen verbunden sind. Bei letzteren Verfahren wird zum einen die Abgasmessung hinter der Wärmerückgewinnung durch möglichen Falschlufteinbruch beeinflusst, zum anderen ist eine Regelung des Brennstoff/Luftgemisches in Abhängigkeit von der Temperatur im Ofen praktisch nicht möglich, woraus resultiert, dass eine aktive und automatisierte Regelung des Brennstoff/Luftgemisches in der Ofenanlage in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen nach dem Stand der Technik zur Zeit nur schwer und unvollständig durchführbar ist. Die Gasanalytik thermischer Verbrennungsprozesse soll nicht über extraktive Verfahren erfolgen, sondern es soll ein Sensorsystem auf Basis optischer Analysemethoden entwickelt werden, welches im Brennerraum bzw. im Kammerkopf der Regeneratorkammern online und in situ die Gaszusammensetzung der Abgasatmosphäre überwacht. Im vorliegenden Vorhaben wird daher ein Hochtemperatur-Lasersensor-System zur Bestimmung der Gaskonzentrationen, der beim Verbrennungsprozess entstehenden Gase CO, CO2 und NOx, aufgebaut. Das Lasersystem basiert auf der Methode der Absorptionsspektroskopie bei Wellenlängen von 1,57, 2,33 und 5,3 µm. Durch Verwendung von Distributed Feedback(DFB)-Laserdioden ist es möglich, die Komponenten zu einer zugleich kompakten und robusten Einheit zusammenzufügen, welche sich für den Einsatz in industriellen Umgebungen eignet. Alle Komponenten des Lasersensors, eine kompakte Einheit aus Steuer- und Auswerteelektronik, die Software und ein auf Hochtemperaturumgebungen ausgelegtes Sensorelement werden im Rahmen dieses Projektes entwickelt und realisiert. Das Sensorsystem weist mittels Anwendung der 2f-Methode bei der Datenauswertung eine deutlich erhöhte Empfindlichkeit auf. Nach umfangreichen Untersuchungen hinsichtlich einsetzbarer, hochtemperaturbeständiger Materialien erweist sich das Material Saphir als am besten geeignet. Die Sensoreinheit besteht aus einer Kombination der Werkstoffe Edelstahl, Platin und Al2O3-Keramik. Durch eine spezielle Sensorgeometrie und die Auswahl aufeinander abgestimmter Materialkombinationen kann der Sensor uneingeschränkt bei Temperaturen bis ungefähr 1500°C eingesetzt werden, was durch Messkampagnen u.a. am Hochtemperaturversuchsofen des Gaswärme-Instituts (GWI) bestätigt werden soll. Die Funktionsfähigkeit des Sensorsystems in der heißen Ofenatmosphäre wird durch Messungen der Gase CO und CO2 demonstriert. Damit werden die ersten Ziele der Projektphase erreicht. Messungen, die im Regeneratorkopf einer Glaswanne der Ardagh Glass Group, Werk Nienburg/Weser, durchgeführt wurden, zeichneten sich durch eine deutliche Verschmutzung der optischen Bauteile des Sensors durch ein Kondensat auf den Oberflächen aus, was durch einen recht hohen Glasfeinstaubanteil in der Atmosphäre hervorgerufen wurde. Aus den verschiedenen Erfahrungen der Messkampagnen, auch bei Weck Glas, Bonn, resultierten eine Reihe von Modifikationen des Sensorkopfes, u.a. wird mittels einer Luftspülung der optischen Bauteile ein Beschlagen verhindert. Andererseits wird dabei aber aufgrund des Eintrags von Fremdluft in das Messvolumen das Messergebnis geringfügig beeinflusst. Daher eignet sich der Sensor zunächst nur für Messungen in heißen und gering mit Staub belasteten Atmosphären. Für den uneingeschränkten Einsatz muss das Sensordesign weiter verfeinert werden und auch andere geeignete Materialkombinationen sollten in Betracht gezogen werden, so dass eine Kontamination der Optiken vermieden wird. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde teilweise erreicht. Das Forschungsvorhaben (AiF-Nr. 181 ZN) der Hüttentechnischen Vereinigung der Deutschen Glasindustrie (HVG) zusammen mit dem Gaswärme-Institut (GWI), Essen, sowie dem Institut für Physik und Physikalische Technologien (IPPT) und dem Institut für Nichtmetallische Werkstoffe (INW) der TU Clausthal wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung“ (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) finanziert. Laufzeit: 01.04.2005 – 01.03.2008
Forschungsstellen: Institut der Hüttentechnischen Vereinigung der Deutschen Glasindustrie Offenbach
Gaswärme-Institut (GWI), Essen
Institut für Physik und Physikalische Technologien (IPPT) der TU Clausthal
Institut für Nichtmetallische Werkstoffe (INW) der TU Clausthal
Gaswärme-Institut (GWI), Essen
Veröffentlichungen:
Kurzveröff. in dgg Journal 7 (2008) Nr. 4 S. 12
 
Members 30 €
Non Members 30 €
Students 30 €
 
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