DE102012217596A1

DE102012217596A1 - Feuerungsanlage

Info

Publication number: DE102012217596A1
Application number: DE201210217596
Authority: DE
Inventors: Maximilian Fleischer; Holger Hackstein; Erhard Magori; Leif Wiebking; Kerstin Wiesner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-03-27
Also published as: WO2014048829A1

Abstract

Feuerungsanlage zur Verbrennung eines Brennstoffs, aufweisend eine einen Feuerraum umschließende Feuerraumwand, wobei die Feuerraumwand durchdringend wenigstens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist, wobei – die Sensoreinrichtung eine rohrartig aufgebaute Gasdurchführung mit einer Öffnung zum Inneren des Feuerraums und eine Sensorkammer außerhalb des Feuerraums umfasst, – in der Sensorkammer ein Sensorelement zur Detektion der Stöchiometrie einer im Feuerraum stattfindenden Verbrennung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gasdurchführung im Bereich der Feuerraumwand durchgängig eine Innenquerschnittsfläche von wenigstens 5 cm2 aufweist und – die Gasdurchführung zur Sensorkammer hin ansteigend in der Feuerraumwand angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Feuerungsanlage zur Verbrennung eines insbesondere fossilen Brennstoffs, insbesondere für ein Kraftwerk, aufweisend eine einen Feuerraum umschließende Feuerraumwand, wobei die Feuerraumwand durchdringend wenigstens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist, wobei die Sensoreinrichtung eine rohrartig aufgebaute Gasdurchführung mit einer Öffnung zum Inneren des Feuerraums und eine Sensorkammer außerhalb des Feuerraums umfasst, in der Sensorkammer ein Sensorelement zur Detektion der Stöchiometrie einer im Feuerraum stattfindenden Verbrennung angeordnet ist.
Aus Gründen der Energieeffizienz und zur Begrenzung der Emissionen bzw. des Aufwandes zur Abgasreinigung werden Kohlekraftwerke mit einem möglichst geringen Luftüberschuss betrieben. Je näher die Verbrennung am stöchiometrischen Punkt liegt, desto besser ist die Effizienz. Aufgrund von Inhomogenitäten der Befeuerung und Instabilitäten des Mischungsverhältnisses Brennstoff zu Luft kann es lokal zu dem Problem kommen, dass die Verbrennung am stöchiometrischen Punkt oder sogar im mageren Bereich passiert. Hier treten dann signifikante Anteile unverbrannter bzw. nicht vollständig zu CO2 umgesetzter Brennstoffreste auf. Bei Kohlefeuerung ist dies im wesentlichen CO, bei allgemeiner Befeuerung mit organischen Stoffen zusätzlich H2 und Kohlenwasserstoffe. In der Kraftwerkspraxis hat sich gezeigt, dass diese Situation zu einem Materialabtrag im Feuerraum ("Feuerraumkorrosion") führt.
Vorteilhaft ist es daher, wenn die lokale Gaszusammensetzung an der Feuerraumwand überwacht wird, um frühzeitig feuerungstechnische Gegenmaßnahmen einleiten zu können, wenn eine ungeeignete Verbrennung erfasst und detektiert wird. Diese Überwachung kann beispielsweise durch eine lokale Extraktion der Gase durch geeignete Bohrungen an der Kesselwand und Analyse mit Gasanalysatoren stattfinden. Diese Möglichkeit ist sehr präzise, kann aus Kostengründen jedoch nur zur einmaligen Bestandsaufnahme und nicht zur kontinuierlichen Überwachung eingesetzt werden, da eine große Anzahl lokaler Messstellen erforderlich ist. Bekannt sind ebenfalls gassensorbasierte Monitoringsysteme. Diese erfordern verschiedene Extraktions- und Gasspulzyklen und sind aufgrund komplizierter Systemarchitektur problematisch.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Feuerungsanlage anzugeben, bei der die eingangs genannten Nachteile verringert oder vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Feuerungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Feuerungsanlage.
Die erfindungsgemäße Feuerungsanlage zur Verbrennung eines Brennstoffs weist eine einen Feuerraum umschließende Feuerraumwand auf, wobei die Feuerraumwand durchdringend wenigstens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist. Dabei umfasst die Sensoreinrichtung eine rohrartig aufgebaute Gasdurchführung mit einer Öffnung zum Inneren des Feuerraums und eine Sensorkammer außerhalb des Feuerraums. Weiterhin ist in der Sensorkammer ein Sensorelement zur Detektion der Stöchiometrie einer im Feuerraum stattfindenden Verbrennung angeordnet.
Dabei weist die Gasdurchführung im Bereich der Feuerraumwand durchgängig eine Innenquerschnittsfläche von wenigstens 5 cm² auf. Schließlich ist die Gasdurchführung zur Sensorkammer hin ansteigend in der Feuerraumwand angeordnet.
Folgende Vorteile ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Feuerungsanlage:

– Die Innenquerschnittsfläche erlaubt einen ausreichend starken und ausreichend schnellen Gasaustausch zur Überwachung der Verbrennung im Feuerraum.
– Die ansteigende Anordnung der Gasdurchführung fördert den konvektiven Gasaustausch.
– Die ansteigende Anordnung der Gasdurchführung lässt evtl. entstehendes Kondenswasser in den Feuerraum zurückfließen.
– Die Sensoreinrichtung ist einfach aufgebaut und daher auch kostengünstig und einfach realisierbar.
– Die Sensoreinrichtung kann ohne Pump- oder Extraktionsmittel für Feuerraumgas arbeiten.

Folgende Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Feuerungsanlage sind möglich:

– Die Gasdurchführung ist vorteilhaft in einem Winkel von wenigstens 5° und höchstens 20° zur Horizontalen angeordnet. Dabei ist mit der Horizontalen die Bodenflächenrichtung bezeichnet. Mit anderen Worten steigt die Gasdurchführung vom Inneren des Feuerraums nach außen hin leicht an. Bei diesen Winkeln ist eine ideale Konvektion erreicht, bei der das heiße Prozessgas zur Sensorkammer hin aufsteigt und das abgekühlte, bereits vermessene Gas wieder in den Feuerraum zurückfließt.
– Die Innenquerschnittsfläche kann wenigstens 10 cm² betragen. Ein vergrößerter Querschnitt sorgt für einen beschleunigten Gasaustausch.
– Das Sensorelement ist bevorzugt ein Hochtemperatur-Gassensor, insbesondere ein Gallium-Oxid-basierter Halbleitergassensor. Diese Sensoren arbeiten bei besonders hohen Temperaturen von mehr als 800°C, sind also unempfindlich gegen sehr heiße Prozessgase aus dem Feuerraum.
– Das Sensorelement kann beheizbar ausgestaltet sein.
– In der Öffnung zum Inneren des Feuerraums ist bevorzugt ein Edelstahlnetz angeordnet. Dieses schützt die Sensoreinrichtung vor großen Partikeln im Feuerraum. Bevorzugt ist ein poröser Filter, insbesondere umfassend ein Sintermetall oder eine gasdurchlässige Keramik an der Verbindung zwischen der Gasdurchführung und der Sensorkammer angeordnet. Dieser hält Ruß und Flugasche vom Sensorelement ab und erhöht dadurch dessen Lebensdauer.
– Bevorzugt weist die Gasdurchführung entlang ihrer Länge eine innen liegende Trennwand zur Trennung eines aufwärts und eines abwärts gerichteten Gasstroms auf. Dadurch wird eine Vermischung der ein- und ausfließenden Gasströme verhindert und somit das Konvektionsverhalten verbessert. Alternativ kann die Gasdurchführung auch als Verbund aus zwei separaten Rohren realisiert sein.
– Die Gasdurchführung kann als Teleskoprohr ausgestaltet sein. Hierdurch ist eine vereinfachte Anpassung an die Bauform der Feuerungsanlage möglich.
– Vorteilhaft ist es, wenn die Feuerungsanlage eine Einrichtung zur Erzeugung eines Druckluftstoßes umfasst, die mit der Gasdurchführung verbunden ist. Damit können die Filter gereinigt werden.
– Die Feuerungsanlage kann eine Einrichtung zur Beheizung der Sensorkammer und außerhalb der Feuerraums und der Feuerraumwand gelegener Teile der Gasdurchführung auf wenigstens 100°C aufweisen. Beispielsweise können Teile der Gasdurchführung und die Sensorkammer mit Heizwendeln ausgestattet sein. Damit wird erreicht, dass die Bildung von Kondenswasser im Inneren der Sensoreinrichtung verhindert wird.

Vorteilhaft ist es, wenn die Verbindung zwischen der Gasdurchführung und der Sensorkammer steck- oder schraubbar ausgeführt ist. Damit ist ein einfacher Wechsel des Sensorelements ermöglicht. Dies kann sogar im laufenden Betrieb passieren, wenn im Feuerraum ein Unterdruck herrscht.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
1 einen Ausschnitt aus der Feuerraumwand einer Feuerungsanlage mit Stöchiometriesensor
1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Feuerungsanlage 10. Die Feuerungsanlage 10 weist einen Feuerraum 11 auf, der von einer Feuerraumwand 12 umschlossen ist. Im Feuerraum 11 findet beispielsweise eine Kohleverbrennung statt. Zur Prüfung, ob die Verbrennung in geeigneter Weise abläuft, ist eine Sensoreinrichtung 13 in die Feuerraumwand 12 eingelassen.
Die Sensoreinrichtung 13 umfasst ein Röhrchen 14 als Gasdurchführung durch die Feuerraumwand 12. Das Röhrchen 14 ist in diesem Beispiel zylindrisch und hat einen Durchmesser von 2,5 cm. Es ist gegenüber der Horizontalen in diesem Ausführungsbeispiel um 15° geneigt in die Feuerraumwand 12 eingebracht, wobei es nach außen hin ansteigt. Das Röhrchen 14 ist zum Feuerraum 11 hin für Gase offen, aber gegen Eindringen größerer Störkörper mit einem Edelstahlnetz geschützt.
Auf der vom Feuerraum 11 abgewandten Seite des Röhrchens 14 mündet dieses in eine Sensorkammer 21, die das Röhrchen 14 gasdicht abschließt. Zur Sensorkammer 21 hin ist im Röhrchen 14 ein Sintermetallfilter 17 zur Russfilterung angebracht. In der Sensorkammer 21 ist ein Gassensor, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Galliumoxidsensor 16 angebracht. Der Galliumoxidsensor 16 umfasst eine Heiz- und Regeleinrichtung, die die Temperatur des Galliumoxidsensors 16 auf 850°C regelt.
Außerhalb der Feuerraumwand 12 sind das Röhrchen 14 und die Sensorkammer 21 von einer Heizwendel 18 umhüllt. Diese wird so betrieben, dass die betroffenen Komponenten auf einer Temperatur von wenigstens 100°C gehalten werden. Dadurch wird eine Kondensation von Wasser im Inneren der Sensorkammer 21 verhindert.
Der Galliumoxidsensor 16 ist mit einer Sensorelektronik 19 zur Steuerung und Auslesung verbunden. Die Sensorelektronik 19 ist ggfs. mehrfach vorhanden, um eine Mehrzahl an Sensoreinrichtungen 13 anzusteuern. Die Signale der Sensorelektronik 19 werden in einem Auswertesystem 20 gesammelt und ausgewertet und fließen in die Steuerung der Feuerungsanlage 10 ein. Wird anhand des Signals einer der Sensorelektroniken 19 festgestellt, dass lokal die Verbrennung nahe oder in den mageren Bereich geht, regelt die Steuerung der Feuerungsanlage beispielsweise die Zuführung der Edukte der Verbrennung, um gegenzusteuern und so eine Feuerraumkorrosion zu verhindern.

Claims

Feuerungsanlage (10) zur Verbrennung eines Brennstoffs, aufweisend eine einen Feuerraum (11) umschließende Feuerraumwand (12), wobei die Feuerraumwand (12) durchdringend wenigstens eine Sensoreinrichtung (13) angeordnet ist, wobei – die Sensoreinrichtung (13) eine rohrartig aufgebaute Gasdurchführung (14) mit einer Öffnung zum Inneren des Feuerraums (11) und eine Sensorkammer (21) außerhalb des Feuerraums (11) umfasst, – in der Sensorkammer (21) ein Sensorelement (16) zur Detektion der Stöchiometrie einer im Feuerraum (11) stattfindenden Verbrennung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gasdurchführung (14) im Bereich der Feuerraumwand (12) durchgängig eine Innenquerschnittsfläche von wenigstens 5 cm² aufweist und – die Gasdurchführung (14) zur Sensorkammer (21) hin ansteigend in der Feuerraumwand (12) angeordnet ist.
Feuerungsanlage (10) gemäß Anspruch 1, bei der die Gasdurchführung (14) in einem Winkel von wenigstens 5° und höchstens 20° zur Horizontalen angeordnet ist.
Feuerungsanlage (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Innenquerschnittsfläche wenigstens 10 cm² beträgt.
Feuerungsanlage (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Sensorelement (16) ein Hochtemperatur-Gassensor, insbesondere ein Gallium-Oxid-basierter Halbleitergassensor (16) ist.
Feuerungsanlage (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in der Öffnung der Gasdurchführung (14) zum Inneren des Feuerraums (11) ein Edelstahlnetz (15) angeordnet ist.
Feuerungsanlage (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem porösen Filter (17), insbesondere umfassend ein Sintermetall (17) oder eine gasdurchlässige Keramik an der Verbindung zwischen der Gasdurchführung (14) und der Sensorkammer (21).
Feuerungsanlage (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer entlang der Länge der Gasdurchführung (14) angeordneten Trennwand in der Gasdurchführung (14) zur Trennung eines aufwärts und eines abwärts gerichteten Gasstroms.
Feuerungsanlage (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gasdurchführung (14) als Teleskoprohr ausgestaltet ist.
Feuerungsanlage (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Druckluftstoßes, die mit der Gasdurchführung (14) verbunden ist.
Feuerungsanlage (10) gemäß Anspruch 4 mit einer Einrichtung zur Beheizung des Gassensors (16).
Feuerungsanlage (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Einrichtung (18) zur Beheizung der Sensorkammer (21) und außerhalb der Feuerraums (11) und der Feuerraumwand (12) gelegener Teile der Gasdurchführung (14) auf wenigstens 100°C.
Feuerungsanlage (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Verbindung zwischen der Gasdurchführung (14) und der Sensorkammer (21) steck- oder schraubbar ausgeführt ist.