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Dokumentenidentifikation DE69132254T2 26.10.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0521059
Titel BESTIMMUNG VON KOHLENSTOFF IN FLUGASCHE
Anmelder The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Campbell, AU
Erfinder CUTMORE, George, Nicholas, Croydon Park, AU
Vertreter Andrae Flach Haug, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69132254
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.03.1991
EP-Aktenzeichen 919065235
WO-Anmeldetag 20.03.1991
PCT-Aktenzeichen AU9100108
WO-Veröffentlichungsnummer 9114936
WO-Veröffentlichungsdatum 03.10.1991
EP-Offenlegungsdatum 07.01.1993
EP date of grant 14.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse G01N 22/00

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft die Messung des Gehalts unverbrannten Kohlenstoffs von Flugasche, die von einem mit Kohle gefeuerten Boiler erzeugt wird.

HINTERGRUND

Bei der Verbrennung pulverisierter Kohle zur Dampferzeugung bei kohlegefeuerten Kraftwerken gibt es bestimmte feste Verluste, die zum Beispiel durch die Anlagenkonstruktion festgelegt sind, und bestimmte einstellbare Verluste, die durch den Betrieb unter nicht idealen Bedingungen verursacht werden. Die einstellbaren Verluste umfassen:

(a) Verluste infolge der nicht vollständigen Verbrennung von sowohl Festkörpern als auch brennbaren Gasen;

(b) Verluste infolge des Erfordernisses für einen Luftüberschuß.

In der Praxis zeigen die einstellbaren Verluste ein Minimum als eine Funktion des Sauerstoffs in dem Abgas, und es ist vorzuziehen, in der Nähe dieses Minimums zu arbeiten. Ein Weg, um das zu erreichen, ist es, die Einstellung des Boilers auf die Messung von Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid in dem Abgas zu stützen. Die meisten großen Boiler sind heute mit Sauerstoffanalysegeräten ausgestattet, die O&sub2; an einem Punkt in einer Leitung messen. Ein Problem bei diesen Analysengeräten ist es, daß das Auslesen durch Luftinfiltration in dem Ofen und in die Konvektionsdurchgänge stromab der Brenner drastisch gestört wird. Auch sind, weil die Messungen an einem Punkt gemacht werden, die Probeentnahmefehler groß.

Kohlenmonoxid bleibt bei hohen Luftüberschuß im Abgas bei sehr niedrigen Werten und steigt, wenn der Luftüberschuß vermindert wird. Infrarot-CO-Analysegeräte sind erhältlich, die den IR- Strahl durch den Schacht lenken und somit Probeentnahmefehler auf das Mindestmaß zurückführen. Jedoch erzeugt das Optimieren von dem Luftüberschuß unter Verwendung von CO-Monitoren im allgemeinen eine große Menge unverbrannten Kohlenstoffs in der Asche, weil die CO-Werte bei optimalem Luftüberschuß sehr niedrig sind.

Eine alternative Technik ist es, das Einstellen des Boilers auf die Bestimmung unverbrannten Kohlenstoffs in der Flugasche zu stützen. Ein 500 MW-Kraftwerk, das schwarze Kohle mit 20% Asche verbrennt, wird ungefähr 2500 Tonnen/h Abgas und 37 Tonnen/h Flugasche erzeugen. Der Kohlenstoffgehalt von dieser Flugasche wird normalerweise in dem Bereich von 2-5 Gew.-% liegen, obwohl sie bis zu 15 Gew.-% Kohlenstoff enthalten kann. Üblicherweise liegt die Flugaschenkonzentration im Abgas bei ungefähr 20 g/m³. Gegenwärtige Instrumente zur Bestimmung des Kohlenstoffgehalts von der Flugasche beruhen auf dem Abziehen einer Probe aus der Leitung, üblicherweise weniger als 1 Gramm, und dem Analysieren davon auf Basis der abgeteilten Masse, üblicherweise in Zeitabständen von 10-20 Minuten.

Ein bekanntes Kohlenstoffkonzentrationsüberwachungsgerät [Rupprecht and Patashnick Co., Inc. NYSERDA Report 86-2, Januar 1986] beruht auf einer Mikrowaage und einem kleinen Ofen. Das Instrument sammelt eine Flugaschenprobe von 10-50 mg aus der Auslaßleitung von einem Boiler und bestimmt den unverbrannten Kohlenstoff in dieser Probe aus dem Massenverlust nach Erhitzung auf 750ºC, wobei dieser Meßzyklus in Zeitabständen von ungefähr 15 Minuten wiederholt wird. Ein Nachteil von dieser Analysetechnik liegt darin, daß es sehr schwierig ist, eine repräsentative Probe von einer derartig kleinen Größe zu sammeln, und daß daher die Probeentnahmeunsicherheit die Genauigkeit der Bestimmung des nicht verbrannten Kohlenstoffs erheblich einschränkt.

Die Analysegenauigkeit für einzelne Probenentnahmen in Labortests lag ungefähr bei ± 0,5 Gew.-% bei 2,3 Gew.-% Kohlenstoff.

Eine andere kommerziell erhältliche Vorrichtung [Energy and Environmental Research Corporation, 18 Mason, Irvine, CA, USA; Dezember 1987] für die Bestimmung unverbrannten Kohlenstoffs in Flugaschen sammelt eine Probe von ungefähr 1 g aus der Leitung unter Einsatz eines isokinetischen Probenehmers und analysiert diese auf den Gehalt unverbrannten Kohlenstoffs über das gemessene Oberflächenreflektionsvermögen der Probe. Das Sammeln der Probe und der Meßzyklus wird in Zeitabständen von ungefähr 5 Minuten wiederholt. Bei einem Fabriktest des Instruments an dem Nefo-Kraftwerk, Dänemark, lag die Analysengenauigkeit bei ungefähr 1 Gew.-% bei weniger als 3 Gew.-% Kohlenstoff und ± 0,5 Gew.-% bei mehr als 3 Gew.-% Kohlenstoff. Die Analysengenauigkeit ist durch die Ungenauigkeit beim Probeentnehmen infolge der Probengröße und das verwendete Meßverfahren (d. h. Oberflächenreflexionsvermögen) und die Empfindlichkeit der Messung des Reflexionsvermögens für die Kohlenart beschränkt.

Eine Vorrichtung basierend auf eine Messung der Kapazität eines mit Flugasche gefüllten Kondensators wurde für die Bestimmung von Kohlenstoff in Flugasche in dem australischen Patent 562 440 vorgeschlagen. Bei dieser Anordnung wird Asche aus einem Aschefülltrichter unter Verwendung einer Förderschnecke entnommen, in eine Meßkammer in das elektrische Feld eingeführt, das durch die Elektroden von einem Kondensator gebildet ist und die Änderung in der Kapazität des Kondensators bestimmt, und schließlich zu dem Aschefülltrichter der Verwendung einer zweiten Förderschnecke zurückgeführt. Die Massendichte der Asche in der Meßkammer wird als ungefähr konstant angenommen, obwohl eine Normierung für die Veränderung in der Massendichte der Verwendung einer Wiegevorrichtung möglich ist.

Eine Mikrowellentechnik wurde zur simultanen Reduzierung und Messung des Kohlenstoffgehalts in Flugasche in dem US-Patent 4 705 409 vorgeschlagen. Bei dieser Technik wird Asche aus einem Aschefülltrichter entnommen und durch einen Metallwellenleiter geführt. Mikrowellenstrahlung, die durch den Leiter geführt wird, wird vorzugsweise von dem Kohlenstoff in der Flugasche absorbiert, und die Konzentration von Kohlenstoff wird aus der Messung des Temperaturanstiegs von einer Wasserwand bestimmt, die den Leiter umgibt. Hinreichende Mikrowellenleistung wird in den Leiter eingeführt, um Kohlenstoffüberschuß in der Asche zu verbrennen und ein reduziertes Kohlenstoffprodukt zu erzeugen. Ein Nachteil von dieser Technik liegt darin, daß die Wärmeleitung aus dem Leiter und der damit verbundene Temperaturanstieg in der Wasserwand eine Funktion nicht nur von dem Kohlenstoffgehalt von der Asche sondern auch den chemischen Eigenschaften, der Temperatur und den Wärmeleiteigenschaften der Asche ist. Diese Faktoren müssen bei der Kalibrierung und dem Betrieb der Vorrichtung in Betracht gezogen werden.

Kernmessungen von Flugasche wurden auch untersucht [Steward, R. F., ISA Transactions, (3), 1967, 200-207]. Bei dieser Technik wird die Kohlenstoffkonzentration mit Zählraten von 4,43 MeV-Gammastrahlen korreliert, die von Kohlenstoffatomen bei der inelastischen Streuung von Neutronen erzeugt werden. Die Analysegenauigkeit unter Verwendung dieser Technik in Labormessungen bei Flugascheproben von 10 kg wird als 0,5 Gew.-% in dem Bereich von 2-16 Gew.-% Kohlenstoff berichtet.

Das US-Patent 4 580 441 offenbart die Verwendung von Mikrowellen, um die Menge von schwarzen Rauch in Fahrzeugabgasen zu messen. Man geht davon aus, daß der schwarze Rauch Kohlenstoffteilchen aufweist, die in den Abgasen enthalten sind. Bei der Offenbarung von diesem Patent wird die Messung unmittelbar an dem strömenden Abgas gemacht, so daß man glaubt, daß die gemachte Messung die Menge von Kohlenstoffteilchen repräsentiert, die in einem Volumen von Abgas enthalten ist, das an einem Sensor vorbeiströmt.

Die Offenbarung von der veröffentlichten Beschreibung und den Zeichnungen der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 097 416 betrifft auch das Wahrnehmen und Messen von Teilchen, die von Fahrzeugmotorabgasen gesammelt werden, vor allem diejenigen von Dieselmotoren. Diese Anmeldung offenbart ein Verfahren, bei dem Teilchen in einer Kammer gesammelt werden, die als ein Mikrowellenresonanzraum wirkt, und sie werden einer Mikrowellenstrahlung unterworfen, um die dielektrische Konstante von dem Material in dem Raum zu bestimmen und somit einen Meßwert der Menge von leitfähigen Teilchen bereitzustellen, die in einem Sammelmedium enthalten sind, das von dielektrischen Materialien gebildet ist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff in Flugasche anzugeben.

Dementsprechend gibt diese Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff von einer Flugaschenprobe mit Mitteln zum Erzeugen eines Mikrowellensignals; einer Meßkammer, um die Flugaschenprobe aufzunehmen, wobei die Meßkammer einen Mikrowellenhohlraumresonator umfaßt; Sendemitteln, um das Mikrowellensignal zur Übertragung auf die Flugaschenprobe in dem Hohlraumresonator anzukoppeln; Empfangsmitteln, um ein Signal aus dem Hohlraumresonator zu empfangen; Verarbeitungsmitteln, die angeordnet sind, um die Änderungen in der Resonanzfrequenz und dem Q-Faktor des Hohlraumresonators zu bestimmen, die durch die Flugaschenprobe induziert sind, und um daraus einen Meßwert des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff bereitzustellen.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden die Änderungen in der Resonanzfrequenz und dem Q-Faktor durch Vergleichen der aus dem Hohlraumresonator, der die Flugaschenprobe enthält, empfangenen Signale mit Referenzsignalen bestimmt, die von einer Referenzmessung bei einem Mikrowellenhohlraumresonator erhalten wurden, der die Probe nicht enthält. Zwei Mikrowellenhohlraumresonatoren können vorgesehen werden, einer zum Aufnehmen der Flugaschenprobe und der andere zum Bereitstellen der Referenzmes sung. Alternativ wird die Referenzmessung gemacht, wenn der Hohlraum die Probe nicht enthält.

Der oder jeder Hohlraumresonator kann in einem TE-Modus oder einem TM-Modus betrieben werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Flugasche um die Achse des Hohlraums angeordnet.

Die vorliegende Erfindung gibt überdies ein Verfahren zum Messen des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff einer Flugaschenprobe an, das die Schritte des Ankoppelns eines Mikrowellensignals in eine Meßkammer mit einem Mikrowellenhohlraumresonator, der die Flugaschenprobe enthält; des Empfangens eines Signals von dem Hohlraumresonator; des Bestimmens der Änderungen in der Resonanzfrequenz und dem Q-Faktor des Hohlraumresonators, die durch die Flugaschenprobe induziert sind; und des Erzeugens eines Meßwerts des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff aus den bestimmten Änderungen umfaßt.

Getrennte Mikrowellensender und -empfänger können zum Ankoppeln des Mikrowellensignals und Empfangen des Signals aus dem Hohlraumresonator verwendet werden. Diese werden mit geeigneten Antennen ausgestattet, zum Beispiel kapazitive oder induktive Sonden. Alternativ kann ein einziger Sender-Empfänger zum Senden und Empfangen verwendet werden, wenn ein reflektiertes Signal gemessen wird.

Das Mikrowellensignal kann unter Verwendung irgendeines geeigneten Mikrowellenoszillators erzeugt werden. Vorzugsweise liegt die Frequenz des Mikrowellensignals in dem Bereich von 1 bis 20 GHz.

Änderungen in der Resonanzfrequenz und dem Q-Faktor können durch Vergleichen der empfangenen Signale von dem Hohlraumresonator, der die Flugaschenprobe enthält, mit Referenzsignalen bestimmt werden, die von einer Referenzmessung an einem Mikrowellenhohlraumresonator erhalten wurden, der die Probe nicht enthält.

Die Hohlraumresonator-Eigenschaften, die aus der Abschwächung oder Phasenverschiebung bestimmt werden, sind vorzugsweise die Resonanzfrequenz, die gesendete oder reflektierte Leistung bei der Resonanzfrequenz und der Q-Faktor. Diese werden vorzugsweise aus einer Frequenz-Wobbel-Messung bestimmt. Die gegenwärtig bevorzugte Technik verwendet eine Frequenz-Wobbel-Messung der Abschwächung.

Bei einem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung, werden zwei Mikrowellenhohlraumresonatoren eingesetzt. Die Flugaschenprobe wird dann in einem Mikrowellenhohlraumresonator angeordnet oder dadurch geleitet, während der andere eine Referenzmessung zur Verfügung stellt. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird ein einzelner Mikrowellenhohlraumresonator eingesetzt, um sowohl eine Referenzmessung, die gemacht wird, wenn der Hohlraum die Probe nicht enthält, als auch anschließende Messungen zur Verfügung zu stellen, wenn der Hohlraum die Probe enthält.

Der Zeitraum zwischen aufeinanderfolgenden Referenzmessungen ist wesentlich kürzer als die Veränderungen der Oszillatorelektronik und der Temperatur.

Die Verfahren und Vorrichtungen dieser Erfindung können eingesetzt werden, um den Gehalt an unverbrannten Kohlenstoff gesammelter Flugaschenproben oder von einer Flugaschenprobe zu messen, die in dem Abgas von einem mit Kohle befeuerten Boiler enthalten ist.

Es ist klar, daß das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik haben. Die Messungen gemäß dieser Erfindung sind nicht zerstörend und erfordern keine spezielle Probenvorbereitung. Die Mikrowellenmessung kann nahezu verzögerungsfrei abgeschlossen werden, und daher kann eine ununterbrochene Messung des Gehalts an unver brannten Kohlenstoff zur Verfügung gestellt werden. Überdies sind das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung nicht durch die Probengröße beschränkt und können mit Proben verwendet werden, die von ein paar Gramm bis zu zehnfachen Kilogramm variieren können. Die Fähigkeit, Großproben zu analysieren, erlaubt es, die Probeentnahmeunsicherheit zu reduzieren, und ermöglicht eine verbesserte Meßgenauigkeit. Das Verfahren und die Vorrichtung sind sowohl für gesammelte Proben als auch für in situ Messungen anwendbar.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird jetzt beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild von einer Vorrichtung zum Messen unverbrannten Kohlenstoffs in Flugasche gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine schematische Abbildung der Antennen- und der Probenmeßkammer von Fig. 1 zur Messung im freien Raum zeigt; diese Anordnung macht jedoch nicht einen Teil der Erfindung aus;

Fig. 3 eine schematische Abbildung der Antennen- und der Probenmeßkammer von Fig. 1 zur Messung in einem Wellenleiter zeigt; diese Anordnung macht jedoch nicht einen Teil der Erfindung aus;

Fig. 4 eine schematische Abbildung der Antennen- und der Probenmeßkammer von Fig. 1 zur Messung in einem Mikrowellenhohlraumresonator zeigt;

Fig. 5 eine schematische Abbildung einer weiteren Vorrichtung zum Messen des Gehalts an unverbranntem Kohlenstoff von Flugasche gemäß dieser Erfindung zeigt;

Fig. 6 ein Schaubild zeigt, das den Zusammenhang von (A/W) gegenüber Gew.-% Kohlenstoff für eine Messung in einem Wellenleiter darstellt;

Fig. 7 ein Schaubild zeigt, das den Zusammenhang von (φ/W) gegenüber Gew.-% Kohlenstoff für eine Messung in einem Wellenleiter darstellt;

Fig. 8 ein Schaubild zeigt, das den Zusammenhang von (A/W) gegenüber Gew.-% Kohlenstoff für eine Messung im freien Raum darstellt;

Fig. 9 ein Schaubild zeigt, das den Zusammenhang von (φ/W) gegenüber Gew.-% Kohlenstoff für eine Messung im freien Raum darstellt; und

Fig. 10 ein Schaubild zeigt, das den Zusammenhang der Änderung der Resonanzfrequenz gegenüber Gew.-% Kohlenstoff für Messungen in einem Hohlraumresonator darstellt; und

Fig. 11 ein Schaubild zeigt, das den Zusammenhang von (Änderung in 1/Q) · fr gegenüber Gew.-% Kohlenstoff für Messungen in einem Hohlraumresonator darstellt.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle (EM) in einem dielektrischen Medium wird durch Maxwellgleichungen beschrieben, und die komplexe Amplitude ist durch

E(1) = Eo exp (-γl) (1)

gegeben, wobei 1 der Abstand ist, den die EM-Welle in dem dielektrischen Medium von irgendeinem Referenzpunkt zurückgelegt hat, wo ihre Amplitude Eo war, und γ die Ausbreitungskonstante der Welle ist, die durch

γ = α + jβ (2)

gegeben ist, wobei α und β die Abschwächungs- bzw. Phasenkonstante ist. Für ein nichtmagnetisches dielektrisches Medium sind α und β durch

α = 2π/λ&sub0;[ε'/2ε&sub0;[(1 + ε"/ε')²)1/2 - 1]]1/2 (3)

β = 2π/λ&sub0;[ε'/2ε&sub0;[(1 + ε"/ε')²)1/2 - 1]]1/2 (4)

gegeben, wobei &sub0; die Dielektrizitätskonstante von freiem Raum, λ&sub0; die Wellenlänge im freien Raum, ' die Dielektrizitätskonstante des Mediums und " der Verlustfaktor des Mediums ist. Die Abschwächungskonstante α repräsentiert die Abschwächung der EM- Welle (in Neper pro Meter), und die Phasenkonstante β repräsentiert die Phasenverschiebung der EM-Welle (in Radian pro Meter).

Aus den Gleichungen (3) und (4) kann man sehen, daß die Abschwächung und die Phasenverschiebung von einer EM-Welle in einer Dielektrizität eine Funktion der komplexen Dielektrizitätskonstante des Mediums

* = ' - j " (5)

ist.

Für ein dielektrisches Medium aus mehreren Komponenten kann die komplexe Dielektrizitätskonstante durch

ε medium = (Σi vi ε · i)² (6)

angenähert werden, wobei vi und · i der Volumenteil bzw. das komplexe Dielektrizitätskonstante der i-ten Komponente sind.

Wenn eine ebene EM-Welle auf eine dielektrische Fläche trifft, wird ein Teil von ihr reflektiert und ein Teil durchgelassen. Für eine nichtmagnetische Dielektrizität in Luft sind der Reflektionskoeffizient R und der Transmissionskoeffizient T durch

T = ET/E&sub0; = 1 + R (8)

gegeben, wobei E&sub0;, ER und ET der auftreffende, der reflektierte und der durchgelassene elektrische Feldvektor sind. Aus den Gleichungen (3) und (4) kann man sehen, daß die Phasenverschiebung und Abschwächung eines übertragenen Mikrowellensignals Funktionen der effektiven komplexen Dielektrizitätskonstante der Probe sind, die durch die Gleichung (6) gegeben ist. Für Flugasche ist die komplexe Dielektrizitätskonstante des unverbrannten Kohlenstoffs deutlich anders als die verbleibende Matrix, die prinzipiell Oxide von Silizium, Aluminium und Eisen umfaßt. Daher sind die gemessene Abschwächung und Phasenverschiebung für Flugasche starke Funktionen des unverbrannten Kohlenstoffs, und die Verschiebungen des reflektierten Signals sind daher auch Funktionen des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff von den Proben.

Für einen zylindrischen Mikrowellenhohlraumresonator kann die Resonanzfrequenz f des Mikrowellenhohlraums durch

berechnet werden, wobei 'n, m, l' die besonderen Resonanzmoden bezeichnen (und der Anzahl der elektrischen Feldmaxima in den φ-, r- und z- Richtungen der stehenden Wellenmuster entsprechen), wobei 'a' und 'd' der Hohlraumradius bzw. die Hohlraumlänge sind, und ρ eine Konstante ist, die für jeden Resonanzmodus bestimmt wird. Für einen TM&sub0;&sub1;&sub0;-Hohlraumresonator reduziert sich die Gleichung (9) auf:

f&sub0;&sub1;&sub0; = (2,405)c/2 a (10)

Wenn eine Probe mit einer Dielektrizitätskonstanten * = ' - j " bei der Achse von einem TM&sub0;&sub1;&sub0;-Hohlraum angeordnet wird, und der Probenradius r< < a ist, hat man herausgefunden, daß die Änderungen in der Resonanzfrequenz Δf und dem Q-Faktor Δ1/Q mit den dielektrischen Eigenschaften der Probe über

Δf/f = ε' - 1/2 · Vs (11)

Δ(1/Q) = ε" · Vs (12)

in Verbindung stehen, wobei Vs der Volumenanteil des Hohlraums ist, der mit der Probe gefüllt ist. Daher ist für eine Probe kon stanten Volumens Δf/f proportional zu ' und Δ 1/Q proportional zu ". Daraus folgt, daß bei Messungen an Flugasche in einem derartigen Hohlraum Δf/f und Δ 1/Q beide starken Funktionen des Gewichtsprozentanteils verbrannten Kohlenstoffs in der Flugasche sind.

Es ist auch möglich, den Gehalt unverbrannten Kohlenstoffs von Flugasche durch Leiten eines Mikrowellensignals durch eine Flugaschenprobe unter Verwendung einer geeigneten Sende- und Empfangsantenne und Messen der Abschwächung und der Phasenverschiebung des Signals infolge der Flugaschenprobe zu bestimmen. Diese werden normalerweise als der Unterschied zwischen der Abschwächung und der Phasenverschiebung berechnet, die mit der Probe und Luft bestimmt werden. Um die Änderungen in der Dichte und Dicke der Flugaschenprobe auszugleichen, können die Phasenverschiebung und die Abschwächung auf Probenmasseneinheit pro Flächeneinheit normiert werden. Das ist nicht notwendig, wenn die Veränderung in der Probendichte und -dicke durch ein geeignetes Probenpräsentationssystem in annehmbaren Grenzen gehalten werden können.

Um einen Meßwert des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff in Werten von Gewichtsprozent (Gew.-%) zu erhalten, werden die Daten der Abschwächung oder Phasenverschiebung mit Gew.-% an unverbrannten Kohlenstoff korreliert, die mit einer Standardlaboranalyse bestimmt werden, wobei Regression kleinster Quadrate und Gleichungen in der Form von

Gew.-% unverbrannter Kohlenstoff = a&sub0; + α&sub1; (φc) (13)

Gew.-% unverbrannter Kohlenstoff = b&sub0; + b&sub1; (Ac) (14)

verwendet werden, wobei φ und AC die korrigierte (für Veränderungen in Probendichte und -dicke abgeglichen) Phasenveränderung bzw. Abschwächung sind, und a&sub0;, ..., b&sub1; Anpaßkonstanten sind. Der Gehalt an unverbrannten Kohlenstoff kann auch aus einer kombinierten Messung von Abschwächung und Phasenverschiebung un abhängig von Veränderungen in der Probendichte und dicke unter Verwendung einer Gleichung in der Form von

Gew.-% unverbrannten Kohlenstoff = C&sub0; + C&sub1;(φm) + C&sub2;/Am), (15)

bestimmt werden, wobei φm und Am die gemessene Phasenverschiebung bzw. Abschwächung sind, und Co, ..., C&sub2; Anpaßkonstanten sind.

Außerdem kann der Gehalt an unverbrannten Kohlenstoff von Flugasche durch Richten eines Mikrowellensignals auf eine Flugaschenprobe und Aufnehmen des reflektierten Signals bestimmt werden. Entweder können ein Sender-Empfänger oder getrennte Sende- und Empfangsantennen zum Senden und Empfangen des Mikrowellensignals verwendet werden. Wie bei dem Übertragungsverfahren werden die Abschwächung und die Phasenverschiebung des reflektierten Signals gemessen und vorzugsweise mit Gew.-% unverbrannten Kohlenstoffs unter Verwendung einer Regression kleinster Quadrate und Gleichungen in der gleichen Form wie (13), (14) und (15) korreliert.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung der Vorrichtung zum Messen des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff von Flugasche gemäß dieser Erfindung. Wie dargestellt, weist die Vorrichtung eine Mikrowellenquelle auf, die die Form eines Yttrium-Eisen-Garnet Oszillators 1 einnimmt, der in dem Bereich von 2 bis 4 GHz einstellbar und über einen Datenaufzeichnungscomputer 2 steuerbar ist. Der Ausgang des Oszillators 1 wird durch einen PIN-Diodenmodulator 3 moduliert und durch einen Tiefpaßfilter zu einem Leistungsteiler 5 geleitet. Der Leistungsteiler 5 zweigt in einen kleinen Teil des Mikrowellensignals zu einer 8-Ausgangsverbindung 6 als ein Referenzsignal ab. Der Rest des Mikrowellensignals wird über einen Zirkulator 7 zu einer Sendeantenne 8 geleitet. Der Zirkulator 7 ist vorgesehen, um irgendein reflektiertes Signal zu einem passenden Meßverstärker 9 zu leiten, um ein Meßsignal für den Computer 2 zur Verfügung zu stellen. Die Sendeantenne 8 leitet das Mikrowellensignal durch eine Probenmeßkammer 10 zu einer Empfangsantenne 11, von der das empfangene Signal zu einer 8-Ausgangsverbindung 6 und den Meßverstärker 9 geleitet wird, um einen Meßwert der Abschwächung und der Phasenverschiebung des empfangenen Signals auf die bekannte Weise zur Verfügung zu stellen. Diese Daten werden zur Verarbeitung auf die hier beschriebene Weise übertragen.

Die Mikrowellenantennen können von jeder für die ausgewählte Probendarstellungstechnik geeigneten Art sein. Die Fig. 2 bis 4 zeigen drei bevorzugte Anordnungen der Antennen und der Probenmeßkammer.

In Fig. 2 wird eine Anordnung zur Messung einer Aschenprobe im freien Raum gezeigt. Die Antennen sind Hornstrahler 12, 13 und die Aschenprobe 14 ist in einem Behälter 15 aufgenommen, der aus einem Material, wie z. B. Holz oder Kunststoff gebildet ist, das die Übertragung von Mikrowellen zuläßt. Bei dieser Anordnung ist die Aschenprobe 14 in dem Behälter 15 untergebracht und geeignet zwischen den Hörnern 12, 13 angeordnet. Die Phasenverschiebung und Abschwächung werden wie oben bestimmt und verwendet, um das Gew.-% unverbrannten Kohlenstoffs wie oben beschrieben zu berechnen.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung für eine Messung einer Probe in einem Wellenleiter. Bei dieser Anordnung sind die Antennen kapazitive Pfeiler oder induktive Schleifen 16, 17. Die zu messende Probe 14 ist in einem Abschnitt des Wellenleiters 18 mit kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt untergebracht, der zu dem Frequenzbereich des Mikrowellensignals paßt. Für die Messung in dem 2,6 bis 3,95 GHz-Frequenzbereich kann ein rechteckiger RG-48-Wellenleiter verwendet werden. Die Probe ist in dem ausgewählten Bereich des Wellenleiters durch Kunststoffolien 19 eingesperrt, die die Übertragung des Mikrowellensignals erlauben. Die Phasenverschiebung und Abschwächung werden wie oben beschrieben bestimmt und verwendet, um den Gew.-% unverbrannten Kohlenstoffs wie oben beschrieben zu berechnen.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung zur Messung einer Probe in einem Mikrowellenhohlraumresonator. Bei dieser Anordnung ist die Aschenprobe in einem nicht-leitfähigen Rohr 20, das zum Beispiel aus Keramik- oder Kunststoff ist, untergebracht, das entlang der Achse von einem Hohlraumresonator 21 mit TE- oder TM-Modus angeordnet ist. Das Mikrowellensignal wird in den Hohlraumresonator unter Verwendung von H-Feld-Sonden 22, 23 (induktive Schleife) eingekoppelt und daraus ausgekoppelt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Anordnung für die Messung des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff von einer Flugaschenprobe. Ein veränderlicher Mikrowellenfrequenzoszillator 30 stellt ein Mikrowellensignal für einen Mikrowellenleistungsteiler 31 zur Verfügung. Der Leistungsteiler 31 erzeugt zwei Ausgangssignale, die jeweils zu einem Referenzmikrowellenhohlraumresonator 32 und einem Meßmikrowellenhohlraumresonator 33 geleitet werden. Die Flugaschenprobe (nicht gezeigt) ist in den Meßhohlraum 33 angeordnet oder wird geeignet dadurch geleitet. Detektoren 34 bzw. 35 messen die Abschwächung des Mikrowellensignals, das sich jeweils in dem Referenzhohlraum und dem Meßhohlraum ausbreitet. Die Detektoren 34 und 35 können von jeder geeigneten bekannten Art sein, wie zum Beispiel Diodendetektoren. Die Ausgänge der Detektoren 34, 35 werden zu einem Prozessor 36 geleitet, der verwendet wird, um einen Meßwert der Resonanzfrequenz, der bei der Resonanzfrequenz übertragenen Leistung und des Q-Faktors von beiden Hohlräumen aus der Frequenzwobbelantwort (d. h. Abschwächung) des empfangenen Signals zu bestimmen. Eine Messung des Gewichtsprozents unverbrannten Kohlenstoffs kann dann durch den Prozessor, wie im folgenden beschrieben, zur Verfügung gestellt werden.

Wenn die Resonanzfrequenzen der Q-Faktor des Referenzhohlraums fr bzw. Qr sind, und die Resonanzfrequenz und der Q-Faktor des Meßhohlraums fm bzw. Qm sind, dann wird das Gewichtsprozent unverbrannten Kohlenstoffs in der Flugasche aus der Probenmassendichte über eine Funktion in der Form

Gewichtsprozent unverbrannten Kohlenstoffs

= F(Δf, Δ(1/Q)) (16)

wobei Δf = fr - fm (17)

Δ(1/Q) = 1/Qr - 1/Qm (18)

ist, bestimmt.

Typischerweise ist

F(Δf, Δ(1/Q)))

eine Korrelationsfunktion von der Form

Gewichtsprozent unverbrannten Kohlenstoffs

= a&sub0; + a&sub1;(Δf) + a&sub2;(Δ(1/Q)) (19)

wobei a&sub0;, a&sub1;, a&sub2; ... Anpaßkonstanten sind, oder von der Form von

Gewichtsprozent unverbrannten Kohlenstoffs

= b&sub0; + b&sub1;(Δf/Δ(1/Q))

wobei b&sub0;, b&sub1;, b&sub2; ... Anpaßkonstanten sind.

Die entscheidenden Vorteile dieser Anordnung im Vergleich zu der, die eine einzige Messung in einem Mikrowellenresonator verwendet, sind die, daß die gemessenen Δf- und Δ(1/Q)-Werte von Veränderungen in der Mikrowelleausgangsfrequenz infolge von Umgebungstemperaturveränderungen oder Abweichungen in der Oszillatorsteuerspannung effektiv unabhängig sind. Das ist eine Folge davon, daß die Meßzeitdauer der Frequenzabtastung viel kürzer als die Zeitdauer ist, in der derartige Änderungen normalerweise geschehen. Daher kann unter Verwendung dieser Technik eine hohe Meßgenauigkeit ohne die Notwendigkeit für eine extrem stabilisierte Mikrowellenquelle oder Elektroniken erreicht werden. Dadurch kann Δf aus der Messung von ΔV, die Differenz in der Steuerspannung des Mikrowellenoszillators bei fm und fr, bestimmt werden, und nicht aus der schwierigeren und teureren Technik des Verwendens eines Mikrowellenfrequenzzählers.

Die gemessenen Δf- und Δ(1/Q)-Werte sind von Temperaturveränderungen in den Mikrowellendetektoren unabhängig, wobei eine derartige Veränderung nur die Amplitude des detektierten Mikrowellensignals beeinflußt. Wenn der Referenzhohlraum und der Meßhohlraum im Aufbau und der Abmessung im wesentlichen ähnlich sind, sind die gemessenen Δf- und Δ(1/Q)-Werte auch unabhängig von Veränderungen in der Resonanzfrequenz der Hohlräume infolge der Metallausdehnung bei Veränderungen der Umgebungstemperatur. Bei dieser Anordnung ist es wünschenswert, ein Standardabsorptionsmittel in dem Referenzhohlraum anzuordnen, derart, daß fr gerade größer als der maximale Wert von fm ist, der in der besonderen Meßanwendung auftritt. In diesem Fall ist der Frequenzwobbelbereich Δf auf das Mindestmaß zurückgeführt.

Wenn das oben beschriebene Verfahren unter Verwendung eines einzigen Mikrowellenhohlraums durchgeführt wird, wird eine Referenzmessung gemacht, wenn der Hohlraum nicht die Probe enthält. Vorzugsweise ist der Zeitraum zwischen den Referenzmessungen wesentlich kürzer als die Veränderungen des Oszillators, der Elektronik und der Temperatur.

Die mit Bezug auf die Fig. 1 und 2, Fig. 1 und 3 bzw. Fig. 1 und 4 beschriebenen Vorrichtungen wurden eingesetzt, um Messungen für einen Bereich von Flugaschenproben von Kraftwerken in New South Wales und Queensland durchzuführen. Der Gehalt an unverbrannten Kohlenstoff von diesen Proben wurde durch herkömmliche chemikalische Analysen unter Verwendung von LECO- Analysegeräten bestimmt und lag in dem Bereich von 0,5 bis 13 Gew.-%. Zur Messung im freien Raum und in Wellenleitern wurden die Proben in einen offenen Behälter auf einer Tiefe von ungefähr 100 mm bzw. auf einer Länge von 200 mm eines RG-48 Wellenleiterabschnitts eingepackt, und die Phasenverschiebung und die Abschwächung von einem 3,3 GHz Mikrowellensignal wurde bestimmt. Die Daten wurden auf Gew.-% Kohlenstoff unter Verwendung der Gleichungen

Gew.-% Kohlenstoff = a&sub0; + a&sub1; (φFlugasche/w) (21)

Gew.-% Kohlenstoff = b&sub0; + b&sub1; (AFlugasche/w) (22)

abgeglichen, wobei a&sub0;, ..., b&sub1; Anpaßkonstanten sind, w die Probenmasse pro Einheitsfläche (in g cm&supmin;²) und φFlugasche und AFlugasche die Phasenverschiebung (in Grad) bzw. die Abschwächung (in dB) der Flugaschenprobe sind.

Die mit Bezug auf Fig. 5 beschriebene Anordnung wurde auch eingesetzt, um Messungen bei einer der Flugaschenproben durchzuführen. In diesem Fall wurden die Daten auf Gew.-% Kohlenstoff unter Verwendung von Gleichung (19) korreliert.

R. m. s.-Fehler aus den Korrelierungen der Daten unter Verwendung der Gleichungen (12) und (13) sind unten in der Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Graphische Auswertungen der Daten für die Swanbank Flugaschenprobe sind in den Fig. 6 und 7 für Messungen in einem Wellenleiter und in den Fig. 8 und 9 für Messungen im freien Raum und in den Fig. 10 und 11 für Messungen in einem Resonator dargestellt. Die R. m. s.-Fehler in Tabelle 1 repräsentieren den gesamten Analysefehler infolge von Meßungenauigkeit, Probeentnahme und chemische Analyse. Diese Ergebnisse zeigen an, daß eine Messung der Phasenverschiebung oder der Resonatoreigenschaften das genaueste für die Bestimmung des Gehalts an Kohlenstoff ist, und die Genauigkeit der Analyse vergleichbar oder besser als die mit früheren Verfahren erhaltene ist.

Die oben beschriebene Vorrichtung ist insbesondere zur On-line- Analyse des Gehalts an unverbrannten Kohlenstoff von Flugasche geeignet, die aus der Auslaßleitung eines Boilers entnommen wird. Flugasche wird aus der Auslaßleitung des Boilers durch herkömmliche Probeentnahmemittel (nicht gezeigt) entfernt, zum Beispiel unter Verwendung eines Cegrit-Probeentnahme- und Cyclongeräts, und durch die Probenmeßkammer der Vorrichtung geleitet. Die Flugasche kann andauernd oder in Paketen eingeführt werden und in oder aus der Meßkammer durch irgendwelche geeignete Mittel gebracht werden, zum Beispiel durch eine Förderschnecke.

Das Vorangegangene beschreibt die Erfindung mit Bezug auf einige spezielle Ausführungsbeispiele, und es ist für die Fachleute klar, daß Veränderungen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zum Messen des Gehalts unverbrannten Kohlenstoffs einer Flugaschenprobe mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Mikrowellensignals;

einer Meßkammer zum Aufnehmen der Flugaschenprobe, wobei die Meßkammer einen Mikrowellenhohlraumresonator umfaßt;

einem Sender zum Aussenden des Mikrowellensignals, um es durch die Flugaschenprobe in dem Hohlraumresonator zu leiten;

einem Empfänger zum Empfangen eines Signals aus dem Hohlraumresonator; und

einer Verarbeitungsvorrichtung, die ausgelegt ist, um die Änderungen in der Resonanzfrequenz und dem Q-Faktor des Hohlraumresonators zu bestimmen, die durch die Flugaschenprobe induziert werden, und um daraus einen Meßwert des Gehalts unverbrannten Kohlenstoffs zur Verfügung zu stellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Änderungen in der Resonanzfrequenz und dem Q-Faktor durch Vergleichen der aus dem Hohlraumresonator, der die Flugaschenprobe enthält, empfangenen Signale mit von einer Referenzmessung an einem Mikrowellenhohlraumresonator, der die Probe nicht enthält, erhaltenen Referenzsignalen bestimmt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei dem zwei Mikrowellenhohlraumrensonatoren zur Verfügung gestellt werden, einer zum Aufnehmen der Flugaschenprobe und der andere zum Bereitstellen der Referenzmessung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der ein einziger Mikrowellenhohlraumresonator eingesetzt wird, wobei die Referenzmessung gemacht wird, wenn der Hohlraum die Probe nicht enthält.

5. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Hohlraumresonator in einem TE-Modus betrieben wird.

6. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Hohlraumresonator in einem TM-Modus betrieben wird.

7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem eine Flugaschenprobe um die Achse des jeweiligen Hohlraums herum angeordnet ist.

8. Verfahren zum Messen des Gehalts unverbrannten Kohlenstoffs von einer Flugaschenprobe mit folgenden Schritten:

Aussenden eines Mikrowellensignals in eine Meßkammer, die einen Mikrowellenhohlraumresonator aufweist, der die Flugaschenprobe enthält;

Empfangen eines Signals aus dem Hohlraumresonator;

Feststellen der Änderungen in der Resonanzfrequenz und dem Q-Faktor des Hohlraumresonators, die durch die Flugaschenprobe induziert werden; und

Erzeugen eines Meßwerts des Gehalts unverbrannten Kohlenstoffs aus den festgestellten Änderungen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Änderungen in der Resonanzfrequenz und dem Q-Faktor durch Vergleichen aus dem Hohlraumresonator, der die Flugaschenprobe enthält, empfangener Signale mit von einer Referenzmessung an einen Mikrowellenresonator, der die Probe nicht enthält, erhaltenen Referenzsignalen bestimmt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, das einen einzigen Mikrowellenresonator verwendet, wobei die Referenzmessung gemacht wird, wenn der Hohlraum die Probe nicht enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden Referenzmessungen wesentlich kürzer ist als Drifts der Oszillatorelektronik und der Temperatur.







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