DE3337476C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungsanlage - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

c)

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getrennt von der Feuerungsanlage ein Bypass-Reaktor betrieben wird, der. mit dem gleichen Brennstoff wie die Feuerungsanlage und mit Luft beschickt wird, und daß

d) die physikalisch/chemische Größe in oder an dem Bypass-Reaktor erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Restsauerstoff-Gehalt im Abgas des Bypass-Reaktors erfaßt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß dem Bypass-Reaktor ■Brennstoff und Luft entweder getrennt oder in vorgemischtem Zustand zugeführt, durch einen geeigneten Brenner geleitet und im Reaktorraum des Bypass-Reaktors verbrannt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Restsauerstoffgehalt des Abgases des Bypass-Reaktors mittels einer Festkörperelektrolyt-Sonde erfaßt wird.

5. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungs-Anlage

a) mit einer Meßeinrichtung für eine die Verbrennung charakterisierende, physikalisch/chemische Größe, und

b) mit einem Regler für das Brennstoff/Luft-Verhältnis in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Größe,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

c) ein mit dem gleichen Brennstoff und mit Luft beschickter Bypass-Reaktor weist einen elektrisch beheizten, aus einem gasundurchlässigen Material hergestellten und gegen Falschlufteintritt abgeschirmten Reaktorraum (2) auf, der auf einem Temperaturniveau oberhalb der Zündtemperatur des Brennstoff/Luft-Gemisches gehalten wird; und

d) in dem Reaktorraum (2) des Bypass-Reaktors ist eine Sauerstoff-Meßsonde (8), insbesondere eine Festkörperelektrolyt-Sonde (8) vorgesehen.

Die IMiiKlung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungsanlage der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5 ange

gebenen Gattung.

Die Regelung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses auf einen optimalen Wert ist aus vielen Gründen von großer technischer Bedeutung. Dabei sind in erster Linie die Möglichkeiten der Energieeinsparung und der Minimierung der Schadstoffemissionen beim Verbrennungsvorgang zu nennen, und zwar unter der Voraussetzung, daß dem Abgas kein Fremdsauerstoff zugeführt wird.

Die optimale Brennstoff/Luft-Mischung für die jeweils erforderliche, thermische Brennraumleistung, also den jeweiligen Brennstoff-Mengenstrom ist nicht konstant sondern ändert sich innerhalb eines gewissen Bereiches. Aufgrund unterschiedlicher Mischungsgüte von Brennstoff und Luft im Brenner infolge der jeweiligen Impulsstromdichten ist es üblich, den Brenner beim Schwachlastbetrieb im Vergleich mit dem Starklastbetrieb mit höherem Luftüberschuß zu fahren (siehe »Die Energiekostenstruktur öl- und gasgeheizter Industrie-Kesselaniagen« in Erdgas-Information-Industrie 4 (1978), S. 2-27, insbesondere Tabelle 4, Seite 22).

Als Stellgröße für die Gemischregelung dient der Luftfaktor, der eine quantitative Aussage über die Gemisch-Zusammensetzung erhält. Als Regelgröße wird dabei der im Abgas gemessene Sauerstoffgehalt herangezogen, der wiederum ein Maß für die Verbrennung darstellt Um die Messung des Sauerstoffgehaltes nicht zu verfälschen, ist also wesentlich, daß dem Abgas kein Fremdsauerstoff zugeführt wird.

Die Einstellung des Mischungsverhältnisses und damit des sich ergebenden Luftfaktors dieser Feuerungsanlage wird über Drosselorgane in den Versorgungsleitungen vorgenommen, die der Feuerungsanlage den Brennstoff und die Luft zuführen. Dabei wird zunächst die erforderliche thermische Leistung in der Weise eingestellt, daß der Brennstoff-Strom reguliert und dann der zugehörige Luftstrom nachgezogen wird. Dieses Nachziehen des Luftstroms geschieht heute üblicherweise durch eine Verbundsteuerung der Drosselorgane, die durch ein mechanisches Getriebe realisiert wird, dessen kinematische Auslegung (beispielsweise durch Kurvensrheiben) die Abhängigkeit des optimalen Luftfaktors von der Brennerlast einbezieht (siehe »Einstellung des Gas/Luft-Gemisches bei gasbeheizten Industrieöfen durch Steuerung der Vordrücke oder mit Hilfe von gekoppelten Drosselklappen« in Gaswärme 1956, S. 100-107).

Wie erwähnt, bedingt der optimale Luftfaktor üblicherweise eine leicht überstöchiometrische Verbrennung, d.h., eine Verbrennung mit leichtem Luftüberschuß. Erfahrungsgemäß schwankt der reale Luftfaktor aufgrund von Störeinflüssen um den optimalen Wert, was entweder zu einer wenig effektiven Verbrennung (und damit zu einer Energieverschwendung) oder zu einer starken Schadstoffemission (und damit einer Belastung der Umwelt) führt. Zu diesen Störeinflüssen, die sich mit zunehmender Betriebszeit stärker auswirken, zählen herstellungs- und verschleißbedingtes Spiel des Verbundgetriebes sowie die mechanische Verstellung der Koppelglieder.

Weitere Abweichungen vom optimalen Luftfaktor, die von der Verbundsteuerung prinzipiell nicht erfaßt werden können, ergeben sich unter anderem aus Schwankungen von Druck und Temperatur in den Versorgungsleitungen sowie durch Heizwertänderungen des Brennstoffs. Die Störungen des Brennstoff- und Luftdurchsatzes lassen sich durch kontinuierliche Messungen und eine aufgeschaltete Mengenstromregelung ausgleichen. Heizwertschwankungen des Brennstoffes

und die damit verbundenen Änderungen im stöchiometrischen Luftbedarf müssen kalorimetrisch erfaßt werden, um eine Korrektur des Luftfaktors zu ermöglichen. Beide Maßnahmen sind mit einem erheblichen apparativen und damit finanziellen Aufwand verbunden. Außerdem erhöht der Einbau von Durchflußmessern die Störeinflüsse auf die Verbundsteuerung, z. B. durch Reibungsverluste oder aufgrund von Heistellungstoleranzen.

Eine wesentliche Verbesserung und Vereinfachung der Gemischregelung läßt sich dadurch erreichen, daß der Restsauerstoff im Abgas der Feuerungsanlage gemessen und daraus der Luftfaktor bestimmt wird. Die Messung des Restsauerstoffs in der für Regelungszwekke erforderlichen, kurzen Zeitspanne wird durch den Einsatz einer Festkörperelektrolyt-Sonde, beispielsweise einer ZrC>2-Sonde, möglich, da sich dieser Sondentyp durch eine sehr kurze Ansprechzeit auszeichnet (siehe die folgenden Veröffentlichungen der Zeitschrift GAS WÄRME INTERNATIONAL »Neue We^e der Verbrennungsregelung«, Band 28 (1979), Heft 8, S. 453—460; »Sauerstoffregelung in Gas- und Ölfeuerungsanlagen durch Beeinflussung des Brennstoffdrukkes«. Band 31 (1982), Heft 2/3, S. 64—68; »Optimierung von Gas- und Ölfeuerungen durch Aufschalten des Restsauerstoffgehaltes der Abgase auf Verbundstellglieder«, Band 26 (1977), Heft 6/7, S. 126-128; »Energieeinsparung durch Aufschalten des Sauerstoffgehaltes der Abgase auf die Brennerregelung von Industriekesseln«, Band 31 (1982), Heft 12, S. 559-562; »Neue Technologien zur Energieeinsparung und Regelung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses an Feuerstätten«, Band 29 (1980), Heft 11, S. 604-608 und »Ersparnisse durch Luftüberschußregelung an Kesselfeuerungen«, Band 31 (1982), Heft 12, S. 565-570).

Beim Einsatz einer solchen Sonde im Abgas einer Feuerungsanlage treten jedoch die folgenden Schwierigkeiten auf:

a) Viele Feuerungsanlagen sind gegenüber Falschlufteintritt nicht abgedichtet, wodurch sich eine Verfälschung der Messung des Restsauerstoffs ergibt;

b) viele Feuerungsanlagen sind mit mehreren Brennern bestückt und erzeugen deshalb ein Abgasgemisch, das bei unterschiedlichem Brennbetrieb eine inhomogene Sauerstoffverteilung hat. Hierdurch wird jedoch eine eindeutige Zuordnung des gemessenen Restsauerstoff-Gehaltes zur Gemischzusammensetzung eines bestimmten Brenners 'inmöglich;

c) Nutzgut mit oxidierender oder reduzierender Wirkung auf das Heizgas beeinflußt den Restsauerstoff-Gehalt;

d) enthält die Ofenatmosphäre kontaminierende Bestandteile oder Schlackenpartikel, so kann der empfindliche Werkstoff der Sonde, im allgemeinen ein keramischer Werkstoff, zerstört oder verstopft werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungsanlage der angegebenen Gattung zu schaffen, bei denen eine sehr exakte Erfassung der die Verbrennung kennzeichnenden physikalisch/chemischen Größe möglich ist.

Dies wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 bis 5 angegebenen Merkmale erreicht.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Ansprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß getrennt von der eigentlichen Verbrennungskammer die Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches und die zugehörige Messung der physikalisch/chemischen Größe, beispielsweise des Restsauerstoff-Gehaltes, in einem kleinen Bypass-Reaktor durchgeführt werden. Dieser Bypass-Resktor kann bis auf die Brenneröffnung und eine kleine Kaminöffnung vollständig gasdicht ausgeführt werden, so daß im Bypass-Reaktor die vollkommene Verbrennung von Brennstoff und Luft abläuft Außerdem herrscht im Reaktorraum dieses Bypass-Reaktors ein

leichter Überdruck, so daß keine Falschluft eintreten kann.

Durch diese bei einem Bypass-Reaktor möglichen, konstruktiven Maßnahmen wird die sehr exakte Erfassung der physikalisch/chemischen Größe gewährleistet, beispielsweise des Restsauerstoff-Gehaltes mittels einer Sauerstoffmeßsonde, die direkt im Reaktorraum angeordnet wird. Es ergibt sich eine entsprechend genaue Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses. Bei Feuerungsanlagen wird zwischen Anlagen, denen Brennstoff und Luft getrennt zugeleitet und erst im Brenner gemischt werden, und solchen Anlagen unterschieden, denen ein vorgemischter Brennstoff/Luft-Strom zuflieDt. Entsprechend diesen beiden Typen muß auch der zugehörige Bypass-Reaktor ausgeführt werden.

Bei der getrennten Brennstoff- und Luftzuführung zu der Feuerungsanlage (eine solche wird auch als »Feuerungsanlage mit Diffusionsflamme« bezeichnet) werden für den Bypass-Reaktor Brennstoff und Luft den zentralen Versorgungsleitungen entnommen und dem Brenner des Bypass-Reaktors über Mengenstrommeßeinrichtungen zugeführt.

Bei Feuerungsanlagen mit vorgemischtem Brennstoff/Luft-Strom (eine solche wird auch als »Feuerungsanlage mit Vormischflamme« bezeichnet) können die Megenstrommeßeinrichtungen am Bypass-Reaktor entfallen, d. h., das Gemisch wird dem Brenner des Bypass-Reaktors direkt zugeführt.
Der irn Bypass-Reaktor kontinuierlich gemessene Wert für den Restsauerstoff-Gehalt, im folgenden auch als »02-Signal« bezeichnet, wird einem Kleinrechner zugeführt und dient bei Vormischanlagen unmittelbar als Regelgröße für die Mischanlage.

Bei Feuerungsanlagen mit Diffusionsflamme wird der

so Bypass-Reaktor so ausgeführt, daß er neben der Mengenstrommessung von Brennstoff und Luft eine Regelung des Sauerstoffgehaltes in seinem Abgas vornimmt. Zu diesem Zweck sollte der Brennstoffstrom über einen Druckregler möglichst konstant gehalten und der Luftstrom über ein Stellorgan so verändert werden, daß sich der entsprechend der Leistungsanforderung der Feuerungsanlage erforderliche Sauerstoffgehalt im Abgas des Reaktors einstellt. Aus den dabei gemessenen Mengenströmen ermittelt der Kleinrechner das benötigte Mischungsverhältnis für die Feuerungsanlage und gibt dieses als Soll-Wert an eine dort installierte Gemischregelung ab.

Brennstoffe mit stark schwankenden Heizwerten, wie sie beispielsweise bei Brenngasmischungen unterschiedlicher Zusammensetzung auftreten, können durch die Sollwert-Vorgabe aus dem Bypass-Reaktor so verbrannt werden, daß die gewünschte Restsauerstoff-Konzentration im Abeas immer eeeeben ist.

Zweckmäßigerweise werden der Bypass-Reaktor, die Sauerstoff-Meßsonde und der Kleinrechner zentral so zusammengefaßt, daß eine Installation der entsprechenden Einheit außerhalb des Einflußbereichs der Feuerungsanlage und damit der entsprechende Schutz vor Hitze, Staub, Erschütterungen usw. möglich sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur einen Schnitt durch einen Bypass-Reaktor zeigt.

Dieser Bypass-Reaktor weist einen elektrisch beheizten Rundofen 1 auf, in den eine Reaktorkammer 2 eingesetzt ist. Diese Reaktorkammer 2 besteht aus hochhitzebeständigem Stahl und enthält an ihrem Boden einen Brenner 3, der als Vormischbrenner oder mischender Brenner ausgeführt sein kann.

im oberen Rohrofendeckel 4 befindet sich eine Kaminöffnung 5, durch die das Abgas aus der Reaktorkammer 2 entweichen kann. Ein Auffangtrichter 6, in den zum Zwecke der Abgaskühlung und der Zugunterbrechung Umgebungsluft eintreten kann, nimmt die Abgase auf und führt sie durch eine Abgasleitung 7 zu einer Stelle, an der der Austritt des Abgases Ma das Bedienungspersonal der Feuerungsanlage nicht mehr belästigen kann.

In die Reaktorkammer 2 ragt eine Sauerstoffmeßsonde 8 so herein, daß sich die Meßstelle 9 der Sonde 8 in einem Bereich der Reaktorkammer 2 befindet, der nicht durch Falschluft beeinflußt werden kann und doch genügend weit vom Brenner entfernt liegt, so daß ein vollständiger Ausbrand der Flamme gegeben ist. Die Sauerstoff-Meßsonde 8 kann durch im Handel erhältliche Festkörperelektrolyt-Sonden, beispielsweise eine ZrO2-Sonde, gebildet werden. Dieser Sondentyp zeichnet sich durch eine sehr kurze Ansprechzeit aus.

In der Reaktorkammer 2 sollte ein leichter Überdruck herrschen, um Falschmessungen durch das Eindringen von Umgebungsluft und die entsprechende Beeinflussung der Sauerstoffmessung zu vermeiden. Aus diesem Grund wird der Reaktorraum 2 mit einem Deckel 4 verschlossen, der eine relativ kleine Durchlaßöffnung 5 für das Abgas besitzt

Ein solcher Bypass-Reaktor muß bestimmte Sicherheitskriterien erfüllen. So muß insbesondere gewährleistet sein, daß die Flamme des Brenners 3 immer zündet Dies ist dann sicher der Fall, wenn im Inneren der Reaktorkammer 2 mindestens eine Temperatur von ca. 800⁰C herrscht Diese Temperatur kann von der Sauerstoffmeßsonde 8 erfaßt werden, die im allgemeinen ein entsprechendes Thermoelement enthält

Um die geforderte Temperatur in der Reaktorkammer 2 zu erreichen und sicher zu halten, ist in dem die Reaktorkammer 2 umgebenden Öfen eine elektrische Widerstandsheizung 10 angebracht Der zugehörige, elektrische Heizkreis wird über ein Thermoelement It geregelt und überwacht das zwischen Ofeninnenwand und Reaktorwand angebracht ist wie man in der Zeichnung erkennt

Die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner 3 wird durch ein Magnetventil 12 freigegeben. Dieses Magnetventil 12 kann sich erst dann öffnen, wenn die Temperatur der Sauerstoffmeßsonde 8 und damit die Temperatur im Inneren des Reaktorraumes 2 über der Zündtemperatur des Brennstoff/Luft-Gemisches liegt Eine zusätzliche Zündeinrichtung und Flammenüberwachung wird dadurch überflüssig.

Sobald der Bypass-Reaktor die erforderliche Mindesttemperatur im Inneren des Reaktorraumes 2 erreicht hat, wird über die zentrale, in der Zeichnung schematisch angedeutete Steuerung das Magnetventil 12 geöffnet, so daß dem Brenner 3 Brennstoff und Luft zugeführt werden. Nach dem Zünden dieses Brennstoff/Luft-Gemisches wird der Bypass-Reaktor sowohl elektrisch als auch durch die Flamme beheizt. Durch entsprechende Regelung der Elektroheizung läßt sich die Leistung der Elektroheizung um die abgegebene thermische Leistung der Flamme reduzieren.

Die Konstruktion des Rohrofens und die thermische Leistung des Brennstoffstromes sollten so aufeinander abgestimmt sein, daß sich bei stationärem Betrieb dieses Bypass-Reaktors in der Reaktorkammer 2 eine Betriebstemperatur einstellt, die zwischen 850°C und 1050⁰C liegt.

Zur Sicherheit des Bypass-Reaktors dient eine obere Grenziemperatür, die sowohl von dem Thermoelement in der Sauerstoffmeßsonde 8 als auch von dem Temperaturregelelement 11 des Rohrofens überwacht wird. Sollte an einem der beiden Thermoelemente die obere Temperaturgrenze überschritten werden, so werden sowohl die Brennstoffzufuhr unterbrochen als auch die Elektroheizung abgeschaltet, wenn diese nicht bereits durch die Regelung abgeschaltet worden ist. Auch diese Funktionen werden durch die zentrale Steuerung des Bypass-Reaktors übernommen.

In der Reaktorkammer 2 läuft also eine vollkommene, durch äußere Störungen weitgehend unbeeinflußte Verbrennung ab, deren Restsauerstoff-Geh.alt ein sehr exaktes Maß für diese Verbrennung darstellt und von der Sauerstoffmeßsonde 8 erfaßt wird. Das Ausgangssignal dieser Sauerstoffmeßsonde wird dann in der üblichen Weise zur Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses der nicht näher dargestellten Feuerungsanlage benutzt

Wenn es die Strömungsverhältnisse in der Reaktorkammer 2 zulassen, sollte die thermische Leistung des Brennstoffstromes so niedrig eingestellt werden, daß sie nicht ausreicht um den Reaktorraum 2 ohne Elektroheizung auf der Betriebstemperatur des Bypass-Reaktors zu halten. Auf diese Weise wird sicher vermieden, daß die obere Grenztemperatur erreicht wird. Dieser Betriebszustand muß angestrebt werden, da die Abschaltung der Brennstoffzufuhr zu dem Bypass-Reaktor die Messung des Restsauerstoffgehaltes unmöglich macht und damit der Bypass-Reaktor seine Aufgabe nicht mehr erfüllen kann.

Die zugeführten Luft- und Brennstoffströme sind in der Figur durch Ml und Mb angedeutet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung und Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungsanlage,

a) bei dem eine die Verbrennung charakterisierende, physikalisch/chemische Größe erfaßt und

b) das Brennstcff/Luft-Verhältnis in Abhängigkeit von dem erfaßten Wert der Größe geregelt wird,