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Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung von Feue- rungsanlagen, insbesondere Müllverbrennungsanlagen, für Brennstoffe, bevorzugt rezent-biogener Herkunft, durch Ermitteln der Messgrössen der oxidierbaren Bestandteile der Verbrennungsabgase aus dem jeweils aktuellen Kohlenmonoxidgehalt ("CO-Gehalt"), welcher durch mindestens eine CO-Sonde für die diesen Abgasen entsprechenden CO-Messgrössen, bevorzugt sequentiell, ermit- telt wird, welche einer Steuerungs-Einheit zugeführt werden, von welcher aus mittels mindestens eines Luft- und/oder Brennstoffzufuhr-Regelorgans die der Brennkammer der Feuerungsanlage pro Zeiteinheit zugeführte (n) an Verbrennungsluft und/oder Brennstoff (en) und/oder "Brennstoff-Zufuhrrate") geregelt wird (werden),
bis im wesentlichen ein Minimum der CO-Messgrössen in den Verbrennungs-Abgasen bzw. zumindest Werte der Messgrössen im Nahbe- reich des genannten CO-Messgrössen-Minimums erreicht und gehalten wird bzw. werden.
Sie betrifft weiters eine neue, nach dem erfindungsgemässen Verfahren steuerbare Feuerungs- anlage.
Es ist bekannt, dass die Qualität und Effektivität der Verbrennung in einer Feuerungsanlage in hohem Masse von einer richtigen Dosierung der Verbrennungsluft abhängig ist. Wenn die Zufuhr von Verbrennungsluft zu gering ist, kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung der vom Brennstoff in der Hitze abgegebenen Schwel- und Rauchgase als Folge des Sauerstoffunterschus- ses bzw. -mangels, also infolge sogenannter unterstöchiometrischer Bedingungen. Unter diesen ungünstigen Bedingungen wird sehr viel Kohlenmonoxid (CO) gebildet, das infolge des Sauer- stoffmangels nicht zu Kohlendioxid (C02) aufoxidiert werden kann. Diese Regel gilt im Grunde für Feuerungsanlagen aller Grössenordnungen.
Verfolgt man anhand einer gegebenen Feuerungsanlage die funktionelle Abhängigkeit zwi- schen dem Gehalt der Verbrennungsabgase an umweltschädlichem Kohlenmonoxid und der für den Verbrennungsvorgang zur Verfügung gestellten Verbrennungsluft, so weist eine diese Abhän- gigkeit wiedergebende Kurve in einem Diagramm, entlang von dessen Abszisse die pro Zeiteinheit dem Verbrennungsprozess zugeführten Luftmengen und entlang von dessen Ordinate die CO- Gehalte der Verbrennungsabgase, also die CO-Emissionen, eingetragen sind, im wesentlichen folgenden charakteristischen Verlauf auf:
Ist die pro Zeiteinheit zu verfeuernde Brennstoffmenge in Relation zur pro Zeiteinheit verfügba- ren Menge an Verbrennungsluft zu hoch, bzw. vice versa, ist die zur Verfügung stehende bzw. gestellte Menge an Verbrennungsluft relativ zur Brennstoffmenge zu gering, so steigt bei steigen- dem Brennstoff/Luft-Verhältnis, also bei sinkendem Luftangebot der CO-Gehalt der Verbrennungs- abgase von einem - jeweils optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnissen entsprechenden - etwa mul- denartigen Kurven-Minimum aus, in Form eines einen starken Anstieg nach links aufwärts aufwei- senden linken Kurvenastes an.
Dieser, vice versa in seinem Verlauf bei Verringerung des Brenn- stoff-/Luftmengen-Verhältnisses - also bei von einem zu geringen Luftangebot aus ansteigendem Luftangebot - nach rechts hin steil abfallende, linke Kurvenast bzw. - abschnitt geht nach rechts hin in das - in einem Bereich der optimalen Verbrennungsbedingungen entsprechende - eben genann- te etwa muldenartige Kurven-Minimum über, von wo aus bei Verlassen der optimalen Relation zwischen Brennstoff- und Luftmenge infolge immer weiter absinkender Brennstoff-/Luftmengen- Verhältnisse, also bei einem vom Optimum weg ansteigenden Angebot bzw.
Überangebot an Verbrennungsluft, sich ein - in den meisten Fällen im Vergleich zum vorher beschriebenen linken, nach links oben sich erstreckenden Kurvenast weniger steil nach rechts ansteigender, einem Wieder-Ansteigen des CO-Gehaltes im Verbrennungsabgas entsprechender, rechter Kurvenast anschliesst.
Dieser als rechts vom CO-Emissions-Minimum nach rechts hin an sich schon flacher als der linke Ast ansteigende Kurvenast verliert mit steigendem Brennstoff-/Luftmengen-Verhältnis, also je weiter er sich vom genannten Minimum nach rechts entfernt, umso mehr seine Anstiegs-Steilheit, er wird also nach rechts hin praktisch immer "flacher".
Der Betrieb einer Feuerungsanlage bei Brennstoff-/Luftmengen-Verhältnissen im Bereich des rechten Kurvenastes, d. h. bei Verbrennungsluft-Überschuss, also bei Bedingungen, bei denen die Verbrennungsluft nicht mehr im vollen Ausmass mit dem zur Verfügung stehenden Kohlenstoff reagiert, bewirkt in jedem Fall eine unnötige Vergrösserung des Rauchgas-Volumenstroms. Dies wiederum führt zu erhöhten thermischen Abgasverlusten mit den durch die Verbrennungsgas- Abführung, wie Kamin, Schornstein od. dgl., abgeführten Abgasen und somit zu einer Verringerung
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der Temperatur in der Brennkammer bzw. in den sich dort befindlichen Verbrennungsabgasen bzw. Rauchgasen, was dann jedenfalls unerwünscht erhöhte CO-Emissionen der Feuerungsanlage zur Folge hat.
Jeder Verbrennungsluft-Regelung bzw.-Steuerung kommt die Aufgabe zu, die unter jeweils gegebenen Randbedingungen, also je nach Brennstoffart bzw.-beschaffenheit, Wassergehalt des Brennstoffs, Lastzustand der Feuerungsanlage, dynamischen Vorgängen bei der Verbrennung u. dgl., eine optimale Verbrennungsluftmenge, leicht zu erkennen durch minimale CO-Emissionswerte, einzustellen. Eine solche Einstellung im Bereich des Optimums gelingt - vorerst einmal noch ohne Berücksichtigung des dafür nötigen Aufwands - an sich dann am besten, wenn die COBildung bzw.-Emission, also der tatsächliche CO-Gehalt der Verbrennungsabgase als die zu minimierende Grösse während des Verbrennungsprozesses laufend chemisch-analytisch ermittelt wird.
Für den praktischen Betrieb von Feuerungsanlagen kommt eine solche fortgesetzte, chemischanalytische Bestimmung des CO-Gehaltes der Verbrennungsabgase wegen der damit verbundenen, keineswegs vernachlässigbaren Kosten und des dafür nötigen Bedienungs- und Wartungsaufwandes nur in wenigen Fällen infrage. Aus diesem Grund werden bereits seit längerem einfache und einfach zu handhabende, kostengünstige Kohlenmonoxid-Sensoren für diesen Zweck eingesetzt. Diese Sensoren sind nicht für eine direkte Ermittlung des Kohlenmonoxid-Gehalts im Abgas vorgesehen, sondern beruhen im wesentlichen auf einer Reaktion mit den im Verbrennungsabgas noch vorhandenen Mengen an oxidierbaren Substanzen, deren Hauptkontingent selbstverständlich vom Kohlenmonoxid gebildet ist.
Die von derartigen - oft auch als "Oxi-Sonden" bezeichneten - CO-Sonden abgegebenen Messgrössensignale entsprechen demnach zwar nicht exakt ausschliesslich dem CO-Gehalt der Verbrennungsabgase, sie entsprechen demselben jedoch in wesentlichen Zügen. Die von einer derartigen CO-Sonde abgegebenen Messgrössensignale sind also, insbesondere aufgrund von Störeinflüssen, zwar für eine direkte exakte quantitative Ermittlung der CO-Gehaltswerte in den Verbrennungsabgasen nicht geeignet, jedoch liegt in jedem Fall das Minimum der von einer solchen Sonde abgegebenen Messgrössensignale auf einer in einem, wie oben schon erwähnten CO-Gehalts-Nerbrennungsluftmengen-Diagramm eingetragenen Kurve in Bezug auf das Verhältnis von Brennstoffmenge zu Verbrennungsluftmenge, in Ordinatenrichtung, also in X-Achsenrichtung, praktisch etwa an der gleichen Stelle,
wo auch das vorher beschriebene Minimum der "tatsächlichen" CO-Gehalte bzw.-Emissionen liegt. Ansonsten weist die genannte Kurve auch eine zur tatsächlich analytisch erfassten CO-Gehaltskurve analoge Charakteristik mit steilem linken und flacherem und immer flacher werdenden Kurvenast auf.
Mit Hilfe derartiger einfacher und kostengünstiger CO-Sonden (Oxi-Sonden) ist es daher möglich, die Regelung der einer Feuerung zugeführten Verbrennungsluft praktisch in gleicher Weise, wie bei exakter CO-Gehalts-Bestimmung vorzunehmen, wobei durch ständiges Variieren der Verbrennungsluftmenge laufend das Minimum der CO-Bildung bzw. des CO-Gehaltes der Verbrennungsabgase gesucht wird und auf diese Weise unter veränderlichen bzw. wechselnden Randbedingungen ständig die optimale Verbrennungsluftmenge, also das Minimum der (CO-Sonden-)CO- GehaltsNerbrennungsluftmengen-Kurve eingestellt wird.
Die bisher unter Einsatz der beschriebenen CO-Sonden bzw. Oxi-Sonden angewendete, prinzipielle Regelungsstrategie für einen im wesentlichen optimalen Betrieb einer Feuerungsanlage lautet folgendermassen : a) Wenn die Verbrennungsluftmenge gerade erhöht wird und das CO-Sonden-Messgrössensignal gleichzeitig ansteigt bzw. zunimmt oder gleichbleibt, dann ist das Angebot an Verbrennungsluft zu verringern; andernfalls ist die Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit weiter zu erhöhen.
Bei Nichterfüllung der soeben genannten Bedingung a) ist automatisch die folgende Umkehrbedingung a') erfüllt: Wenn die Menge der pro Zeiteinheit zur Verfügung gestellten Verbrennungsluft gerade verringert wird oder gleichbleibend gehalten wird und die CO-Messgrössensignale gleichzeitig ansteigen bzw. zunehmen, dann ist das Verbrennungsluft-Angebot zu erhöhen, andernfalls ist dasselbe zu verringern.
Wenn die soeben erläuterte Bedingung a) im rechten, flacheren Ast der oben beschriebenen (CO-Sonden-)CO-GehaltsNerbrennungsluftmengen-Kurve im konkreten Betrieb einer Feuerungsanlage statistisch häufiger auftritt, als die Bedingung a') dann führt dies allmählich zur Verringerung des Verbrennungsluft-Angebots, also die CO-Gehalts-Kurve sinkt nach links in Richtung zum
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optimalen Betriebspunkt, also zum Minimum der CO-GehaltsNerbrennungsluftmengen-Kurve, hin ab.
Wenn obige Bedingung a') im linken, nach links hin stark ansteigenden Ast der CO-Kurve statistisch häufiger auftritt als die Bedingung a), führt dies allmählich zu einer stetigen Erhöhung des Verbrennungsluft-Angebotes, also die CO-Kurve sinkt nach rechts hin in Richtung zum optimalen Betriebspunkt, also zum oben erwähnten Kurvenminimum hin ab.
Um eine wie oben beschriebene Regelungsstrategie in der Praxis ohne Störungen anwenden zu können, muss durch die Regelung bzw. Steuerung der optimale Betriebspunkt der Feuerung zufriedenstellend rasch erreicht werden können bzw. es muss die Anlage bzw. deren Steuerung auch einer momentanen Veränderung bzw. Verschiebung der Lage des optimalen Betriebspunktes, die sich aufgrund einer entsprechenden Änderung der Verbrennungsbedingungen ergeben kann, wozu auf die oben angeführten, wechselnden Parameter, wie z. B. Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffes, Qualität desselben usw., hingewiesen sei, zufriedenstellend rasch folgen können.
Diese Forderung nach einem raschen Reagieren der Regelung bei Veränderungen der Verbrennungsbedingungen lässt sich bei Gross-Feuerungsanlagen, also bei Feuerungen mit Leistungswerten von insbesondere über 500 kW, im allgemeinen ohne besondere Probleme erfüllen, weil sich bei derartigen grossen Anlagen die Verbrennungsbedingungen üblicherweise nur langsam ändern. Es ist daher durchaus möglich, und auch übiich, diese Art der Regelung in Grossanlagen im praktischen Betrieb einzusetzen, wo also praktisch allein mit den, wie oben beschriebenen COSonden bzw. Oxi-Sonden durchaus zufriedenstellend gearbeitet werden kann.
Bei Klein-Feuerungsanlagen, also insbesondere bei derartigen Anlagen mit Leistungen von unter 500 kW, wie z. B. insbesondere bei Biomasse-Feuerungsanlagen od.dgl., können sich die genannten Verbrennungsbedingungen bzw.-parameter oft wesentlich rascher ändern als bei Grossanlagen.
Die bisher beschriebene, für Grossanlagen durchaus ausreichende und effektive Regelungsstrategie allein auf Basis von CO-Sonden hat sich bei einem Einsatz in Klein-Feuerungsanlagen als zu träge bzw. zu langsam erwiesen. Es hat sich gezeigt, dass die Regelung oft lange im oben beschriebenen, "flachen" Bereich des rechten Astes der CO-Gehalts/Luftmengen-Kurve, also relativ weit vom optimalen Betriebspunkt, bzw. Kurvenminimum entfernt, "verweilt" bzw. "hängen bleibt". Weiters tritt häufig der Fall ein, dass die Verbrennungsluftmengen-Zufuhr einer Erhöhung der Leistung, bzw. einer, wie auch immer zu begründenden Erhöhung der Intensität der Verbrennung, nicht rasch genug zu folgen imstande ist und dann für längere Zeit in den linken steilen Ast der Kurven-Charakteristik gerät und dort viel zu hohe CO-Emissionen verursacht.
Eine gewisse Abhilfe für das soeben beschriebene Problem bei der CO-Emissions-Regelung und Steuerung von Klein-Feuerungsanlagen mit CO-Sonden, insbesondere von solchen, welche mit rezent-biogenen Stoffen beschickt werden, könnte grundsätzlich in einer ergänzenden Ermittlung der Sauerstoffkonzentration in den Verbrennungsabgasen gelegen sein. Eine solche Messung ist in der Praxis z. B. mit Lambda-Sonden durchaus möglich. Die Signale einer Lambda-Sonde bzw. die von ihr abgegebenen Messgrössen werden in diesem Fall dazu verwendet, eine bestimmte, jeweils optimale Sauerstoff-Konzentration im Verbrennungsabgas einzustellen. Die Regelung von Verbrennungsprozessen mittels Lambda-Sonde wird an sich sowohl bei Verbrennungsmotoren, als auch unter Umständen in Feuerungsanlagen eingesetzt.
Ihr Einsatz bei Feuerungsanlagen ist jedoch mit folgenden, nicht zu vernachlässigenden Schwierigkeiten bzw. Nachteilen verbunden :
Die für eine optimale Verbrennung optimale Sauerstoffkonzentration ist keine konstante Grösse, sondern hängt von mehreren Randbedingungen ab, wie z. B. von Brennstoffart und-beschaffenheit, momentaner Leistung der Feuerungsanlage, instationären Vorgängen in derselben od.dgl..
Lambda-Sonden wurden an sich für einen Einsatz in Verbrennungsmotoren entwickelt, also für einen Verbrennungsbetrieb bei sehr geringen Luftüberschuss-Zahlenwerten, d. h. bei für einen Betrieb bei Lambda-Werten in der Nähe des Wertes "Eins". Sie zeigen in diesem Bereich relativ nahe um "Eins" herum eine tatsächlich starke Abhängigkeit der von ihnen abgegebenen Messgrö- #ensignale von der Luftüberschuss-Zahl. Biomasse-Feuerungsanlagen müssen jedoch bei wesentlich höheren Luftüberschuss-Zahlenwerten betrieben werden, also im wesentlichen bei LambdaWerten im Bereich von etwa 2 bis 3, bei welchen die Kurve der von einer Lambda-Sonde gelieferten Messgrössensignale fast keine Steigung mehr aufweist.
Es lassen sich daher bei einem Einsatz von Lambda-Sonden in Feuerungsanlagen Probleme bei der Ermittlung des CO-Emissions-
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Minimums oder bei der Annäherung an dasselbe, nicht vermeiden, was einen Einsatz von LambdaSonden in Klein-Feuerungsanlagen massiv in Frage stellt.
Lambda-Sonden haben jedoch noch den zusätzlichen Nachteil, dass sie im Gegensatz zu den oben erwähnten CO- bzw. Oxi-Sonden in ihrer Lebensdauer ziemlich begrenzt sind und ihre Kosten im Vergleich zu den Kosten einer Klein-Biomasse-Feuerungsanlage durchaus nicht vernachlässigbar sind.
Was den Stand der Technik auf dem Gebiet der Regelung von Feuerungsanlagen und deren Brenner betrifft, ist dazu Folgendes näher auszuführen:
In der EP 209 771 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Feinregulierung des Brennstoffmengenstromes in brennerbetriebenen Feuerungsanlagen beschrieben, welches bzw. welche sich, wie aus dem dortigen Anspruch 1 hervorgeht, ausdrücklich auf eine "Lernphase" bei der ersten Inbetriebnahme bezieht. Es wird gemäss dieser EP-A1 der Mikroprozessor bei der ersten Inbetriebnahme des Brenners einer Lernphase unterzogen, indem mittels eines CO-Messgerätes der CO-Wert und mittels einer 02-Messsonde der 02-Wert laufend gemessen werden, was solange geschieht, bis eine brennertypische Ausbrandkennlinie aufgenommen und gespeichert ist.
Über die Regelung im normalen Betrieb, also über die Reglerroutine, wird im Hauptanspruch explizit nichts ausgesagt. Es ist jedoch im Anspruch davon die Rede, dass mittels einer 02-Messsonde der 02-Wert laufend gemessen wird, was eindeutig darauf hinweist, dass der reguläre Betrieb der dortigen Feuerung gemäss einer bekannten Lambda-Regelung erfolgt, wobei jener Lambda-Wert als Sollwert herangezogen wird, bei dem gemäss dem Ergebnis der genannten "Lernphase" ein günstiger CO-Wert resultiert. Der dortige Anspruch 2 bezieht sich auf einen Luftsicherheitzuschlag, damit bei Ausregelvorgängen der Lambdawert innerhalb der optimalen Hysterese bleibt. Der Anspruch 3 bezieht sich auf eine Regelung, deren Eingänge im Wesentlichen mit einer 02-Sonde verbunden sind.
In Anspruch 4 ist ausdrücklich von einem während des Lernvorganges angeschlossenen CO-Messgerät und einer fest angeschlossenen 02-Sondenelektronik die Rede, während sich der Anspruch 5 wieder unmittelbar auf den Anspruch 1 bezieht.
Eine Einbeziehung der in der Brennkammer aktuell herrschenden Temperatur für die Steuerung ist in dieser EP-A1 nicht in Erwägung gezogen.
Die US 4 423 487 A betrifft ein Messgerät zur Bestimmung des Wirkungsgrades einer Verbrennung, und es ist gemäss dieser Schrift kein Steuerungs- und Regelgerät für die Minimierung der CO-Emissionen vorgesehen. Auch alle weiteren Ansprüche dieser US-A beziehen sich auf nähere Einzelheiten zur Ermittlung des Wirkungsgrades auf Basis einer Kombination von Gaskomponente und herrschender Temperatur. Ein Einsatz des dort beschriebenen Gerätes bzw. der von ihm gelieferten Daten für eine Regelung einer Feuerung im Normalbetrieb ist dort weder beschrieben noch angedacht.
Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass man eine Feuerung auf Basis des mit einem Gerät gemäss dieser US-A ermittelten Wirkungsgrads theoretisch regeln könnte, wobei aber deutlich darauf hinzuweisen ist, dass der höchstmögliche Wirkungsgrad einer Feuerung nicht mit dem Minimum von deren CO-Emissionen zusammenfällt, sondern durchaus im Bereich eines Verbrennungsluft-Mangels mit daraus resultierenden, unerwünscht hohen CO-Emissionen liegen kann. So ist es z.
B. so, dass bei zunehmendem Verbrennungsluft-Mangel zunächst der Einfluss der aufgrund des geringeren Luftüberschusses ansteigenden Rauchgas-Temperatur gegenüber den Verlusten durch unverbranntes CO überwiegt und der Wirkungsgrad der Feuerungsanlage trotz CO-Bildung zunächst ansteigt und dass erst bei relativ hohen CO-Emissionen schliesslich die Verluste durch entweichendes, unverbranntes CO überwiegen und der Wirkungsgrad der Feuerungsanlage wieder absinkt.
Die US 4 778 113 A betrifft eine Sicherheitsvorrichtung, die auf Basis einer Messung der NettoSauerstoff- und der CO-Äquivalent-Konzentration in einer Kohlemühle die Konzentration von zu unerwünschten Bränden führenden brennbaren Gasen detektiert und diese ggf. mit Hilfe eines inerten Stoffes löscht. Gemäss dieser Schrift sind keine Temperaturmessungen und somit auch nicht deren Einbeziehung für die Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Feuerungsanlage vorgesehen.
Gegenstand und Ziel der in der JP 06257729 beschriebenen Erfindung ist die Regelung einer Trockendestillationsanlage. Hiezu ist auszuführen, dass eine Feuerungsanlage die möglichst vollständige Verbrennung eines Brennstoffes gewährleisten soll, während eine Trockendestillation
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auf die Gewinnung bzw. thermochemische Erzeugung eines erwünschten Stoffes abzielt. Die für eine solche Trockendestillation vorgesehene Regelungstechnik ist durchaus verschieden von jener einer Feuerungsanlage. Gemäss dieser JP-A wird eine CO-Sonde eingesetzt, und es erfolgt dort eine Temperaturmessung. Diese wird jedoch nicht zur Steuerung des dortigen Trockendestillationsprozesses herangezogen.
Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, ein Regelungs- und Steuerungssystem für Klein-Feuerungsanlagen zu entwickeln, das ohne den weiter oben näher beschriebenen, die Verwendung einer CO-Sonde ergänzenden Einsatz einer Lambda-Sonde auskommt und bei dem die dort beschriebenen Nachteile für eine effektive Regelung vermieden sind.
Im Zuge umfangreicher Untersuchungen an technisch- gewerblichen und an Pilot-Feuerungsanlagen wurde gefunden, dass eine durchaus effektive Regelung bzw. Steuerung derartiger Anlagen erreichbar ist, wenn - anstelle der weiter oben als Möglichkeit erwähnten Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas zusätzlich zu einer CO-Sondenmessung - die Temperatur der Verbrennungsabgase als zusätzliche Messgrösse ermittelt wird und zusätzlich zu den von der CO-Sonde gelieferten Messgrössenwerten in einen Regelungs- bzw. SteuerungsAlgorithmus für die Regelung einer Feuerungsanlage mit einbezogen wird.
Demgemäss ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein, wie eingangs beschriebenes, Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung von Feuerungsaniagen, insbesondere Müllverbrennungsanlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass - für ein rasches Einstellen der Anlage auf das genannte CO-Messgrössen-Minimum der Verbren- nungs-Abgase bei, gegebenenfalls rasch, sich ändernden Verbrennungsbedingungen, wie sie bei Beschickung der Feuerungs-Anlage mit in ihrer Qualität und ihrem Feuchtegehalt, sich än- dernden Brennstoffen, bei Änderungen des Lastzustandes der Anlage od.dgl.
Änderungen der
Parameter auftreten, - im Wesentlichen gleichzeitig mit der genannten sequentiellen Ermittlung der CO-Messgrössen mittels CO-Sonde (Oxi-Sonde) und deren Weitergabe an die Steuerungs-Einheit - mittels mindestens eines Temperatur-Sensors die der jeweils aktuellen Temperatur in der Brenn- kammer der Anlage und/oder der Verbrennungs-Abgase entsprechenden Temperatur-
Messgrössen ermittelt und ebenfalls der Steuerungs-Einheit zugeführt werden, und dass - mittels der - mit mindestens einem jeweils die beiden genannten Messgrössen bzw.
die daraus gebildeten Messgrössenfolgen verknüpfenden Logik-Algorithmus ausgestatteten - Steuerungs-
Einheit die Regelung der Verbrennungsluft- und/oder Brennstoff-Zufuhrrate vorgenommen wird, wobei - bei einem Ansteigen der CO-Messgrössen und einem im wesentlichen gleichzeitigen Absinken der Temperatur-Messgrössen - die Luft-Zufuhrrate gesenkt oder/und die Brennstoff-Zufuhrrate gesteigert wird bzw. werden, oder aber - bei einem Ansteigen der CO-Messgrössen und einem im wesentlichen gleichzeitigen Konstant- bleiben der Temperatur-Messgrössen - die Luft-Zufuhrrate gesteigert oder/und die Brennstoff-Zufuhrrate gesenkt wird bzw. werden, - und zwar jeweils solange, bis die dem CO-Gehalt der Verbrennungsgase entsprechenden, von der CO-Sonde abgegebenen CO-Messgrössen bzw. Messgrössenfolgen ein Minimum-Niveau bzw.
Werte im Nahbereich des eben genannten Minimum-Niveaus erreicht haben.
Zu dem neuen Regelungs-Verfahren ist auszuführen, dass eine Regelung zur Minimierung des CO-Gehaltes der Feuerungs-Abgase eine solche vorsieht, welche auf der Verknüpfung von - dem während der Verbrennung laufend ermittelten CO-Gehalt der Verbrennungsabgase einer Feuerungsanlage entsprechenden - Messgrössen mit den gleichzeitig ebenfalls laufend ermittelten Temperatur-Messgrössen in der Brennkammer der Anlage beruht, welches also das der Erfindung zugrundeliegende Phänomen des funktionalen Zusammenspiels von CO-Gehalt der Abgase der Feuerungsanlage und Temperatur in der Brennkammer für die Steuerung der Anlage zur Minimierung der CO-Emissionen nutzt.
Diese neue Art der Steuerung hat unter anderem den grossen Vorteil, dass sie auf Basis von Messgrössen beruht, welche von einfach gebauten, robusten und kostengünstigen Sensoren geliefert werden können. Sie hat weiters den wesentlichen Vorteil, dass sie - wie sich gezeigt hat - für Feuerungen, welche mit in ihrer Qualität und in ihrem Feuchtegehalt sich unter Umständen sogar
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sprunghaft ändernden Brennstoffen, wie dies z. B. bei Abfallholz oder Müll der Fall ist, beschickt werden, geeignet ist und selbst dort - durchaus unerwartet - problemlos funktioniert.
Der wesentliche Vorteil der Einbeziehung der Brennkammer bzw. VerbrennungsabgasTemperatur zusätzlich zur Ermittlung der Messgrössen aus einer einfachen CO-Sonde beruht darauf, dass in einem dem weiter oben schon beschriebenen Diagramm: "CO-Gehalt der Verbrennungsabgase (Y-Achse) gegen Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit (X-Achse) " entsprechenden Rauchgas-Temperatur-Verbrennungsluftmengen-Diagramm, die Rauchgastemperatur/Verbrennungsluftmengen-Kurve im wesentlichen bei stationärem Betrieb dort, wo die CO-Gehalts/Verbrennungsluftmengen-Kurve den rechten, nach rechts oben hin relativ flach ansteigenden Ast aufweist, sich durch einen Kurven-Ast auszeichnet, der mit zunehmender Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit eine nach rechts hin absinkende Charakteristik aufweist.
In etwa der x-KoordinatenLage des CO-Minimums der vorher genauer beschriebenen (Oxi-Sonden)CO-Kurve zeigt die Brennkammer-Temperatur-Kurve weder einen charakteristischen Anstieg noch ein Abfallen der Temperatur. Vielmehr ist dort im wesentlichen keine Abhängigkeit der Brennkammer- bzw.
Verbrennungsabgas- bzw. Rauchgas-Temperatur von der Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit festzustellen, vielmehr schwankt in diesem Bereich die Temperatur innerhalb eines relativ geringen Bereiches von z. B. etwa +/- 5 C um einen konstanten Wert und diese "Temperaturkonstanz mit Toleranzbreite" zieht sich im Rauchgas-Temperatur/Luftmengen-Diagramm nach links hin praktisch in jenes Gebiet hinein, in welchem sich im CO-Gehalts-/Luftmengen-Diagramm der linke, steil nach links oben hin ansteigende Ast der CO-Gehaltsluftmengen-Kurve befindet. Diese Charakteristik des Verlaufes der Brennkammertemperatur/Verbrennungsluftmengen-Kurve führt - verknüpft mit dem Verlauf der CO-Gehaltsmengen-Kurve - zu einem Informations-Logik-Algorithmus für die Regelung, wie er im oben schon zitierten Anspruch 2 niedergelegt ist.
Es wird also dem oben näher beschriebenen Algorithmus a) ein zusätzlicher Algorithmus b) überlagert, welcher folgende Aussage-Logik aufweist:
Wenn die Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit gerade erhöht wird oder gleich bleibt bzw. gleichbleibend gehalten wird, und gleichzeitig die Brennkammer-Temperatur sinkt bzw. abnehmend ist, dann ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass ein Verbrennungsluft-Überschuss besteht und es gilt daher, dass die Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit zu verringern ist.
Andernfalls gilt, dass die Menge der Verbrennungsluft pro Zeiteinheit weiter zu erhöhen ist.
Da die Brennkammer- bzw. die Verbrennungsabgas- (Rauchgas-)Temperaturen die der- selben entsprechende Messgrössen wesentlich geringeren Fluktuationen unterliegen als die Messgrössensignale der weiter oben ausführlich erläuterten CO-Sonden, führt die erfindungsgemäss in die Steuerung von Feuerungsanlagen miteinbezogene Temperatur-Information wesentlich rascher zu einer Verringerung der Verbrennungsluftrate in Richtung zum Minimum der CO-Konzentration in den Verbrennungsabgasen hin.
Dies ist der erste wesentliche Vorteil des erfindungsgemässen Regelungs-Verfahrens gegen- über bisher bekannt gewordenen Verfahren für die Regelung des Brennstoffmengen/Verbrennungsluftmengen-Verhältnisses bei Feuerungsanlagen geringerer Dimension.
Die Brennkammer-Temperatur ist aber auch ein sehr wichtiger, weil sehr rasch auf Änderungen in den Verbrennungsbedingungen reagierender Indikator für den Fall einer Leistungssteigerung innerhalb der Anlage, z. B. aufgrund einer Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit, die, sollen vorübergehende Überschreitungen der Emissionswerte vermieden werden, eine möglichst unmittelbare Steigerung der Verbrennungsluftzufuhrrate erfordert.
Eine derartige Leistungssteigerung, z. B. bei einem Wechsel zu einer verbesserten Brennstoffqualität hin, manifestiert sich in einer unmittelbaren Erhöhung der Temperatur in der Brennkammer bzw. in den Verbrennungsabgasen. Aufgrund der sich damit dann ergebenden "Nichterfüllung" der Bedingung gemäss dem oben angegebenen Algorithmus b) führt dies auch unmittelbar zu einer Erhöhung bzw. Steigerung der Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit. Mit dieser Strategie wird somit einer Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit, z.B. infolge einer Verbesserung der Qualität bzw. Eigenschaften des der Klein-Feuerungsanlage zugeführten, beispielsweise auf Biomasse beruhenden Brennstoffs, unmittelbar mit einer von der Steuerung veranlassten Zunahme der Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit begegnet.
Dies ist der zweite wesentliche Vorteil des neuen Verfahrens gegenüber bisher bekannten Verfahren zur laufenden Regelung des Brennstoff-Nerbrennungsluftmengen-Verhältnisses in Feue-
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rungsanlagen.
Im Rahmen der Erfindung weiters bevorzugt ist eine Verfahrensweise gemäss dem Ans p r u c h 2 , welche dadurch gekennzeichnet ist, dass im Falle eines, insbesondere als Folge eines von der Steuerungs-Einheit durch deren Aktivität hervorgerufenen, Ansteigens oder als Folge einer Steigerung oder eines Konstantbleibens bzw. Konstanthaltens der Luft-Zufuhrrate und/oder eines Absinkens bzw. Absenkens oder Konstantbleibens bzw. -haltens der Brennstoff-Zufuhrrate eintretenden Ansteigens oder Konstantbleibens der CO-Messgrössen Kombination mit einem im wesentlichen gleichzeitig eintretenden Absinken der Temperatur-Messgrössen die Luft-Zufuhrrate gesenkt wird und/oder die Brennstoff-Zufuhrrate gesteigert wird.
Die weiter oben erwähnten beiden Algorithmen a) und b) können in Bezug auf ihre Wirksamkeit im gesamten Regelungs- bzw. Steuerungsvorgang, z. B. durch jeweils unterschiedlich gewählte Schrittweiten bei der Änderung der Verbrennungsluftmengen unterschiedlich eingestellt und gehandhabt werden. So kann das Verhalten der Steuerungseinheit optimiert bzw. auf verschiedene Begleitumstände und Forderungen, die sich aus der Charakteristik der Feuerungsanlage ergeben, abgestimmt werden. Es kann z.
B. berücksichtigt werden, dass der oben angesprochene "linke Ast" der CO-Gehalts/Verbrennungsluftmengen-Kurve einen wesentlich steileren Anstieg zeigt als der "rechte Ast" der genannten Kurve und dass der letztgenannte "rechte Ast" eventuell ein vom linken Ast verschiedenes Regeiverhalten erfordert oder, dass der Schaden, der durch einen eventuellen. jedoch vorübergehenden Verbrennungsluft-Überschuss, also durch eine vorübergehende Verringerung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades, entsteht, wesentlich geringer ist als jener, der durch einen vorübergehenden Verbrennungsluftmangel mit den sich daraus folgenden, hohen Schadstoffemissionen, sichtbarer Rauchentwicklung od.dgl. hervorgerufen wird.
Es kann also von Vorteil sein, wenn die Regelung eher einen grösseren Verbrennungsluft-Überschuss einstellt, als etwa einen Luft-Unterschuss usw., was relativ einfach zu bewerkstelligen ist, indem die Steuerungseinheit durch Einbau einer "Fuzzy-Logic" ergänzt wird.
Eine zu starke Wirkung des oben angeführten Algorithmus b) kann unter Umständen dazu führen, dass die Regelung nicht mehr dem Minimum der CO-Emissionen, sondern dem Maximum (-Plateau) der Brennkammer-Temperatur, also dem oben beschriebenen hohen Niveau-Bereich der um eine Mittelwert schwankenden höchsten Brennkammer-Temperatur zustrebt, wobei diese im wesentlichen konstante Brennkammertemperatur weiter nach links hin in den Bereich des steigenden Verbrennungsluftmangels hineinreicht.
Die obigen Vorteile kommen naturgemäss auch dann zur Wirkung, wenn das Brennstoff- /Verbrennungsluftmengen-Verhältnis nicht durch eine Änderung der Verbrennungsluftmenge, sondern entweder alternativ oder zusätzlich durch eine Änderung der Brennstoffmenge eingestellt wird. In diesem Fall gelten die oben genannten Algorithmen in umgekehrtem Sinn für die Brennstoffmenge : Also, einer Erhöhung der Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit entspricht eine Verringerung der Brennstoffmenge pro Zeiteinheit und umgekehrt.
Diese Vorteile kommen weiters auch dann zur Wirkung, wenn eine dieser Grössen indirekt durch eine andere Grösse, wie z. B. durch Aufrechterhaltung eines Saug-Unterdrucks in der Brennkammer, beeinflusst wird. Die Erfindung ist also nicht genau auf die bisher erörterten Randbedingungen beschränkt, sondern erstreckt sich auf jegliche Art einer gezielten Einflussnahme auf das Brennstoff/Verbrennungsluftmengen-Verhältnis in, wie oben näher definierten Klein-Feuerungsanlagen.
Was die, wie schon oben kurz angerissenen, von den Sensoren, also von der CO-Sonde und vom Temperatur-Sensor abgegebenen Messgrössensignale und deren Verarbeitung betrifft, sind mehrere Varianten möglich. So ist es beispielsweise durchaus kein Problem - wie gemäss A n s p r u c h 3 vorgesehen - die in vorgegebenen Zeitintervallen von den beiden Sensoren an die Steuerungseinheit aufeinanderfolgend abgegebenen Messgrössenwerte ebenso direkt aufeinanderfolgend zu ermitteln und durch Differenzbildung zwischen den unmittelbar aufeinanderfolgend ermittelten Werten jeweils den momentanen Anstieg bzw.
das momentane Abfallen des COGehalts und den mit denselben im wesentlichen gleichzeitig ermittelten Temperaturverlaufswerten zu bestimmen und aufgrund der Werte und nach deren Verknüpfung jeweils praktisch unverzögert die Regelungsorgane "nachzustellen", wodurch selbst dann, wenn sich der Prozess innerhalb des nach rechts hin immer flacher werdenden, rechten CO-Gehalt-/Verbrennungsluftmengen-Kurven- astes befindet, ein rasches Zurückkehren zum CO-Emissions-Minimum erreicht wird.
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Eine andere vorteilhafte Strategie kann darin bestehen, jeweils mehrere aufeinanderfolgende CO-Gehalts- und Temperatur-Messwerte zusammenzufassen und aus denselben jeweils eine mittlere Steigung bzw. einen mittleren Abfall zu ermitteln, welcher Wert eine "ruhigere" Regelung ermöglicht. Auch zeitlich "überlappende" Bestimmungen der jeweiligen Kurvenanstiege sind möglich. Im Detail sei dazu auf die Angaben in den Ansprüchen n 4, 5 und 6 verwiesen.
Bezüglich einer im Rahmen der Erfindung vorteilhaften Taktung der Messgrössen-Ermittlung gibt der Anspruch h 7 näher Auskunft.
Wie dem Anspruch h 8 zu entnehmen, ist im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens der Einsatz eines Saugzugventilators für die Förderung der Verbrennungsluft besonders bevorzugt.
Was die Steuerung eines derartigen Saugzugventilators betrifft, hat sich eine solche gemäss Anspruch h 9 als vorteilhaft erwiesen.
Einen wesentlichen weiteren Gegenstand der Erfindung stellt eine neue Anlage für die Verfeuerung von, wie oben näher beschriebenen Brennstoffen, also insbesondere eine neue KleinFeuerungsanlage dar, welche mindestens eine Einrichtung für die Zuführung des Brennstoffs in einen Brennraum mindestens eine Einrichtung für die Zuführung von Verbrennungsluft, eine Abführung für die Verbrennungs-Abgase, und die den soeben genannten Einrichtungen zugeordneten Regelorgane sowie eine mit denselben wirk-verbundene, für eine Minimierung des CO-Gehaltes der Abgase vorgesehene Steuerungs-Einheit für deren Regeiung und Steuerung umfasst, wobei die Steuerungs-Einheit mit zumindest einer in der Abführung für die Verbrennungs-Abgase oder im Nahbereich derselben positionierten, den jeweils aktuellen CO-Gehalten bzw.
den Gehalten an oxidierbaren Bestandteilen in den Verbrennungs-Abgasen entsprechende Messgrössen abgebenden CO-Sonde (Oxi-Sonde) datenfluss-verbunden ist.
Die wesentlichen Merkmale der neuen Anlage bestehen nun gemäss Anspruch h 10 darin, dass die Steuerungs-Einheit zusätzlich zur Datenfluss-Verbindung mit der CO-Sonde mit mindestens einem der jeweils aktuellen Temperatur bzw. Durchschnitts-Temperatur im Brennraum und/oder in den Verbrennungsabgasen bzw. in der Abführung für dieselben entsprechende Temperatur-Messgrössen abgebenden Temperatur-Sensor datenfluss-verbunden ist und eine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8 agierende Logik-Einheit für eine Verknüpfung der von der COSonde und vom Temperatursensor abgegebenen Messgrössen bzw. Messgrössenfolgen und deren Umwandlung in Stellgrössen für die Regelorgane der Verbrennungsluft-Zufuhr-Einrichtung und/oder der Brennstoff-Zufuhr-Einrichtung aufweist.
Um die Brennkammer-Temperatur in die - in erster Lesung von der an sich bekannten Bestimmung oxidierbarer Substanzen im Rauchgas dominierte - Steuerung einzubeziehen, ist also in der Brennkammer bzw. im Bereich von deren Ausmündung in eine Abgas-Abführung, wie z. B. in einem Kamin, Schornstein od.dgl., und vorteilhafterweise noch vor einer eventuell vorgesehenen Rauchgaskühlung, z. B. durch einen Wärmetauscher, ein Temperatur-Sensor angeordnet, dessen Signale ebenso wie die CO-Sonden-Messwerte der Steuerungseinheit zugeführt und dort zu den Stellgrö- #en für die Regelorgane verarbeitet werden.
Im Rahmen der erfindungsgemässen Anlage ist es schliesslich bevorzugt, wenn, wie aus dem Anspruch 11 hervorgeht, die Luftzuführungs-Einrichtung durch einen von der SteuerungsEinheit aus frequenzwandel-steuerbaren Saugzug-Ventilator mit entsprechendem Regelorgan im Kamin für die Abführung der Verbrennungs-Abgase gebildet ist.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen die Fig. 1 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der in einer konkreten HolzVerfeuerungsanlage ermittelten Abgas-CO-Messwerte von der - hier durch den elektrischen Stellwertgrösse eines im Kamin der Feuerungsanlage installierten frequenzwandler-gesteuerten Saugzugventilators definierten - Verbrennungsluftmenge, die Fig. 2 die Charakteristik einer LambdaSonde am Beispiel einer handelsüblichen Sonde der Marke Bosch LSM 11und die Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäss steuerbaren Klein-Feuerungsanlage.
Das in der Fig. 1 wiedergegebene Diagramm stellt die funktionelle Abhängigkeit von Messgrö- #en, welche für die CO-Emissionen einer Feuerungsanlage und für die Brennkammer-Temperatur charakteristisch sind, von der der Feuerungsanlage zugeführten Verbrennungsluftmenge pro Zeiteinheit, dar.
Im Diagramm der Fig. 1 sind auf der y-Achse Skalen für die Messwerte der chemisch analy-
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tisch bestimmten, also "tatsächlichen" CO-Gehalte der Verbrennungsabgase, für die den genannten "tatsächlichen" CO-Gehaltswerten entsprechenden Messgrössen, wie sie von einer CO-Sonde (Oxi-Sonde) geliefert werden, weiters für die Sauerstoffgehalte der Abgase und schliesslich für die von einem im Brennraum einer Feuerungsanlage angeordneten Temperatur-Sensor gelieferten Temperaturmesswerte aufgetragen.
Die x-Achse trägt eine Skala mit den, dem jeweils für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft-Mengenstrom entsprechenden Stellgrössenwerte "SZV-St" in mA für die Steuerung des den Luftstrom durch die Feuerung erzeugenden frequenzwandel-gesteuerten Saugzugventilator.
Mit leeren Kreisen sind die bei von 4 mA aus ansteigenden Saugventilator-Stellgrössenwerte "SZV-St" sich einstellenden, chemisch-analytisch erfassten "tatsächlichen" CO-Gehalte "COt" im Verbrennungs-Abgas eingezeichnet, welche wie für andere Messwerte angedeutet, über einen gewissen Bandbreitenbereich schwanken.
Mit leeren Quadraten sind die Analysengehalte des Verbrennungs-Abgases an Sauerstoff "02" bezeichnet.
Die vollen schwarzen Kreise bezeichnen die von einer CO-Sonde, also von einer Oxi-Sonde gelieferten, den Mengen an oxidierbaren Substanzen im Verbrennungs-Abgas entsprechenden, letztlich im wesentlichen den "tatsächlichen" CO-Gehaiien der Verbrennungs-Abgase entspre- chende Messgrössensignale, "COS".
Schliesslich sind mit leeren Dreiecken die der Temperatur "T" in der Brennkammer bzw. in den Verbrennungs-Abgasen entsprechenden Messgrössen aufgetragen.
Wie das Diagramm der Fig. 1 zeigt, steigen die Sauerstoffwerte "02" im Abgas bei steigender Saugventilator-Leistung "SZV St", also bei steigender Luftzufuhr in die Brennkammer im wesentlichen etwa nach Art einer mit steilerem Anstieg beginnenden und flacher auslaufenden logarithmischen Kurve an.
Die analytischen -chemisch erfassten tatsächlichen CO- Gehaltswerte "COt" und die von der CO-Sonde (Oxi-Sonde) den eben genannten tatsächlichen CO-Werten im wesentlichen entsprechenden Messgrössen-Signale "COs", zeigen zueinander ähnlichen Verlauf und sind im wesentlichen nur in y-Richtung zueinander verschoben.
Von einer für eine ordnungsgemässe Verbrennung zu geringen Sauerstoffzufuhr über eine optimale Zufuhr an Luft bis zu einem immer mehr ansteigendem Luftüberschuss hin sinken die Messgrössen-Kurven für die tatsächlichen CO-Werte und für die von der CO-Sonde abgegebenen entsprechenden COs-Messwerte jeweils zuerst steil ab, gehen dann im Bereich des optimalen Brennstoff-/Luftmengen-Verhältnisses muldenartig in ein Minimum über und steigen dann zu sich vergrössernden Luftüberschussmengen hin - sich bei weiterer Entfernung vom Minimum nach rechts hin - immer mehr verflachend an.
Befindet sich nun die Regelung, z. B. an einem Punkt innerhalb des immer flacher werdenden Anstiegs der CO-Kurve, so ist, wie sich zeigte, das Regelverhalten einer, allein mit den Messgrö- #ensignalen einer CO- bzw. Oxi-Sonde arbeitenden Steuerung absolut nicht befriedigend. Der Zeitbedarf, der nötig ist, um die Anlage dem rechten Kurvenast entlang nach links abwärts zum das Optimum der Verbrennungsbedingungen darstellenden Kurven-Minimum hin herunterzuregeln ist hoch, und somit ist die Regelung ausserstande, auf Schwankungen im Feuerungsbetrieb, wie er insbesondere bei Klein- und bei Biomasse-Feuerungsanlagen, z. B. infolge oft raschen Wechsels der Brennstoffqualität auftritt, genügend rasch zu reagieren und auf diese Weise längere Zeitperioden mit wesentlich überhöhten CO-Emissionen zu verhindern.
Hier hilft der erfindungsgemässe Einsatz eines Temperatur-Sensors in der Brennkammer bzw. im Abgasstrom, wobei der Verlauf der von diesem Sensor bei steigender Luftzufuhr gelieferten Messgrössen "T" im wesentlichen so ist, dass sie etwa an der dem Minimum der CO-Gehalte im Verbrennungs-Abgas entsprechenden Stelle um einen Maximal-Wert in relativ engen Grenzen von einigen Graden schwankend, im wesentlichen konstant ist, oder ein unbedeutendes flaches Maximum aufweist. Steigt nun das Sauerstoff-Angebot in Richtung Überschuss nach rechts, so sinkt die Temperatur in der Brennkammer bzw. in den Verbrennungs-Abgasen nach rechts hin ab.
Der der erfindungsgemässen Feuerungsanlage und insbesondere deren Steuerungs-Einheit ein- bzw. aufgeprägte Algorithmus verknüpft nun die oben beschriebenen jeweiligen Tendenzen der Temperatur-Kurve mit jenen der CO-Gehalts-Kurve gemäss der weiter oben beschriebenen Logik-Bedingungen a) und b). Mit den von der Steuerungsanlage letztlich gelieferten Stellgrössen-
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werten lässt sich bei einem "Ausweichen" der Verbrennung, z.B. infolge eines Wechsels in der Brennstoffqualität in den steilen linken Ast der CO-Gehalts-Kurve oder aber in deren flacheren rechten Ast sehr rasch wieder gegen das Minimum hin herunterregeln, sodass in diesem Fall die durch Schwankungen der Verbrennungsbedingungen hervorgerufenen CO-Gehalts-Überschreitungen jeweils nur für kurze Zeit auftreten können.
Die Fig. 2 zeigt anhand eines Diagrammes die typische Charakteristik einer Lambda-Sonde, wobei deutlich zu erkennen ist, dass bei einer "Luftzahl" A = 1 ein praktisch vertikaler Sprung der von einer solchen Sonde gelieferten Sondenspannung Us auftritt. Aus der Kurve wird klar, dass zwar eine äusserst genaue Regelung der Luftzufuhr unter Verwendung von Messgrössen, die im Bereich der Luftüberschusszahl Lambda = 1 auftreten, möglich ist, dass aber mit etwas grösserer Entfernung vom Ideal-Wert 1 eine derart rasche Verflachung der Kurve eintritt, dass eine exakte Stellwerteinstellung für eine effektive Regelung oder für eine Einbeziehung der von einer LambdaSonde gelieferten Messwerte in eine schnell reagierende Steuerung für Klein-Feuerungsanlagen nichts bringt.
Die in der Fig. 3 in schematischer Form gezeigte Feuerungsanlage 100 gemäss der Erfindung umfasst eine Brennkammer 28, von welcher eine Abführung 29 für die Verbrennungsabgase 33, also z. B. ein Schornstein od. dgl., ausgeht. Über eine Fördereinrichtung 24,25 vor und in der Brennkammer 28 wird stückiger, z.B. biogener Brennstoff 30 auf einem Bandrost 25 aufgebracht.
Über ein Gebläse 22 erfolgt die Versorgung mit Verbrennungsluft 32. Unterhalb des Auslaufendes des Bandrostes 25 im hier gezeigten Fall ein Ascheförderband 26 gezeigt, mittels welchem die Brennstoffasche 31 in einen Aschecontainer 27 gefördert wird.
Anstelle der oder zusätzlich zur Luftfördereinrichtung 22 kann in der Rauchgas-Abführung 29 ein, z.B. frequenzwandel-steuerbarer, Saugzug-Ventilator 22' angeordnet sein.
Weiters befindet sich im Bereich des Ubergangs von der Brennkammer zum Rauchgas-Abzug 29 in demselben ein Wärmetauscher 290 für die Rückgewinnung der Rauchgaswärme.
Innerhalb der Brennkammer 28 und/oder in der Nähe des Übergangs von derselben in den Kamin 29 ist hier ein Temperatur-Sensor 12,12' angeordnet. Weiters befindet sich in der Verbrennungsabgas-Abführung 29 eine CO- bzw. Oxi-Sonde 11.
Vom Temperatur-Sensor 12,12' geht eine Messdatenfluss-Leitung 112,112', von der COSonde 11 eine ebensolche Leitung 111 aus, über welche die von den Sonden 11 und 12,12' gelieferten Messgrössen an die Steuerungseinheit 1 abgegeben werden, in welcher entsprechend den weiter oben angegebenen Logik-Bedingungen a) und b) eine Verknüpfung der BrennkammerTemperatur-Messwerte und der CO-Sonden-Messwerte miteinander zu für die Errechnung der an die jeweiligen Regelorgane abzugebenden Stellwert-Daten erfolgt.
Über eine Steuerbefehl-Leitung 122,122' gehen die jeweiligen Stellwert-Signale an ein Stellglied 220 für die Luftfördereinrichtung 22 unterhalb des Rostes 25 und/oder zur Stelleinrichtung 220' für den Saugzugventilator 22'.
Eine weitere Steuerbefehlleitung 125 kann vorgesehen sein, mittels welcher nicht die Luftförder-Rate, sondern die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr mittels eines Regelorgans 250 erfolgen kann.
Mit der gezeigten Anlage 100 bzw. deren Steuerung 1 ist es möglich, das Verhältnis zwischen der Anlage pro Zeiteinheit zugeführter Brennstoffmenge und für deren Verbrennung zugeführter Verbrennungsluft jeweils dadurch optimal vorzunehmen, dass entweder die Brennstoffzufuhr bei konstanter Luftzufuhr oder die Luftzufuhr bei konstanter Brennstoffzufuhr variiert wird, oder aber eine Kombination der Regelung, der Brennstoff- und der Luftzufuhr erfolgt.
Das wesentliche neue Merkmal der gezeigten neuen Feuerungsanlage 100 besteht darin, dass ausser einer CO-Sonde 11 zusätzlich eine Temperatur-Sonde 12,12' für die Ermittlung der im Brennraum 28 bzw. im Rauchgas 33 herrschenden Temperatur vorgesehen ist, und dass die von derselben an die Steuerungs-Einheit 1 gelieferten Messgrössen in die Steuerung bzw. Regelung der Anlage miteinbezogen werden.
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The present invention relates to a novel method for controlling or regulating combustion systems, in particular waste incineration plants, for fuels, preferably of recent biogenic origin, by determining the measured quantities of the oxidizable constituents of the combustion exhaust gases from the respective current carbon monoxide content ("CO content"). which is determined by at least one CO probe for the CO measured quantities corresponding to these exhaust gases, preferably sequentially, which are fed to a control unit, from which the combustion chamber is controlled by means of at least one air and / or fuel supply control element the combustion plant is supplied with combustion air and / or fuel (s) and / or "fuel feed rate" supplied per unit time,
until substantially a minimum of the CO measured variables in the combustion exhaust gases or at least values of the measured variables in the vicinity of the mentioned CO measured variable minimum are achieved and maintained.
It also relates to a new firing system controllable by the method according to the invention.
It is well known that the quality and effectiveness of combustion in a combustion plant is highly dependent on proper metering of combustion air. If the supply of combustion air is too low, incomplete combustion of the smoke and flue gases emitted by the fuel in the heat occurs as a result of the oxygen deficiency or shortage, that is, due to so-called substoichiometric conditions. Under these unfavorable conditions, a great deal of carbon monoxide (CO) is formed, which can not be oxidised to carbon dioxide (CO 2) as a result of the oxygen deficiency. This rule basically applies to combustion plants of all sizes.
If the functional dependency between the content of the combustion exhaust gases of environmentally harmful carbon monoxide and the combustion air provided for the combustion process is followed on the basis of a given combustion plant, then a curve representing this dependency has a diagram along the abscissa of which per unit of time Combustion process supplied amounts of air and along the ordinate the CO contents of the combustion gases, so the CO emissions are registered, essentially the following characteristic course:
If the amount of fuel to be fired per unit of time is too high in relation to the amount of combustion air available per unit time, or vice versa, the amount of combustion air available or provided is too low relative to the fuel quantity, then it increases with increasing fuel / Air ratio, ie, with decreasing air supply, the CO content of the combustion exhaust gases from an approximately multi-dimensional curve minimum, corresponding in each case to optimum fuel / air ratios, in the form of a strong increase to the left upwards left corner branch.
This, vice versa in its course with reduction of the fuel / air volume ratio - ie with a too low supply of air from increasing supply of air - steeply sloping left curve branch or section goes to the right in the - corresponding to a range of optimal combustion conditions - referred to above as trough-like curve minimum over, from where leaving the optimal relation between fuel and air quantity due to ever decreasing fuel / air volume ratios, ie at a rising away from the optimum offer respectively.
Oversupply of combustion air, one - in most cases in comparison to the previously described left, to the left above extending curve branch less steeply rising to the right, followed by a re-increase of the CO content in the combustion exhaust gas corresponding, right branch of the curve.
This as the right of the CO emission minimum to the right even flatter than the left branch rising curve branch loses with increasing fuel / air volume ratio, so the farther he moves from the minimum to the right, the more its slope steepness So it's becoming more and more "flatter" to the right.
The operation of a combustion plant at fuel / air volume ratios in the area of the right-hand branch of the curve, d. H. in the case of combustion air excess, that is to say under conditions in which the combustion air no longer reacts to the full extent with the available carbon, in any case causes an unnecessary increase in the flue gas volume flow. This in turn leads to increased thermal exhaust gas losses with the od through the combustion gas discharge, such as chimney, chimney. Like., Exhaust gases discharged and thus to a reduction
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the temperature in the combustion chamber or in the combustion exhaust gases or flue gases located there, which then in any case undesirably increased CO emissions of the combustion plant result.
Each combustion air control or control is the task under each given boundary conditions, ie depending on the type of fuel or texture, water content of the fuel, load condition of the furnace, dynamic processes during combustion u. Like., An optimal amount of combustion air, easy to detect by minimum CO emission levels set. Such an adjustment in the region of the optimum succeeds - for the time being, without taking into account the necessary effort - in itself best if the CO formation or emission, ie the actual CO content of the combustion exhaust gases, is the size to be minimized during the combustion process determined by chemical analysis.
For the practical operation of combustion plants is such a continued, chemical analysis of the CO content of the combustion gases because of the associated, by no means negligible costs and the necessary operating and maintenance effort only in a few cases in question. For this reason, simple and easy-to-use, inexpensive carbon monoxide sensors have been used for this purpose for some time. These sensors are not intended for a direct determination of the carbon monoxide content in the exhaust gas, but are based essentially on a reaction with the still existing in the combustion exhaust gas amounts of oxidizable substances, the main quota is of course formed by carbon monoxide.
The measured-size signals emitted by such CO-probes, which are often also referred to as "oxy-probes", accordingly do not correspond exactly to the CO content of the combustion exhaust gases, but essentially correspond to the same. Although the measured-size signals emitted by such a CO probe are therefore not suitable for a direct, exact quantitative determination of the CO content values in the combustion exhaust gases, in particular due to disturbing influences, in any case the minimum of the measured-value signals emitted by such a probe is one in a, as already mentioned above CO content Nerbrennungsluftmengen diagram entered curve with respect to the ratio of fuel quantity to amount of combustion air, in the ordinate, ie in the X-axis direction, practically at about the same point,
where also the previously described minimum of "actual" CO levels or emissions is. Otherwise, the said curve also has a characteristic analogous to the actually analytically recorded CO content curve with a steep left and a flatter and ever flatter curve branch.
With the help of such simple and inexpensive CO probes (Oxi probes), it is therefore possible to carry out the control of the combustion air supplied to a combustion practically in the same way as in exact CO content determination, with constantly varying the amount of combustion air continuously the minimum the CO production or the CO content of the combustion exhaust gases is sought and in this way under varying or changing boundary conditions constantly the optimum amount of combustion air, ie the minimum of the (CO-probe) CO-content combustion air volume curve is adjusted.
The basic control strategy used to date for using the described CO probes or oxy-probes for a substantially optimal operation of a firing system is as follows: a) If the amount of combustion air is just increased and the CO probe measured value signal increases or increases simultaneously or remains the same, then the supply of combustion air is to be reduced; otherwise, the amount of combustion air per unit time is to be further increased.
If the above-mentioned condition a) is not met, the following inversion condition a ') is automatically met: If the amount of combustion air made available per unit time is just reduced or kept constant and the CO measured value signals increase or increase at the same time, then the combustion air is Bid increase, otherwise reduce the same.
If the just explained condition a) in the right, flatter branch of the above-described (CO-probe) CO content combustion air quantity curve in the concrete operation of a combustion plant statistically occurs more frequently than the condition a ') then this gradually leads to a reduction of the combustion air Offer, so the CO-content curve sinks left towards the
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optimal operating point, ie to the minimum of the CO content combustion air volume curve, down from.
If the above condition a ') statistically occurs more frequently than the condition a) in the left, to the left strongly rising branch of the CO curve, this gradually leads to a steady increase of the supply of combustion air, ie the CO curve sinks to the right into Direction to the optimal operating point, ie the above-mentioned curve minimum down.
In order to be able to use a control strategy as described above in practice without disturbances, must be able to be achieved satisfactorily quickly by the control or the optimum operating point of the furnace or the system or its control of a momentary change or shift of Location of the optimal operating point, which may arise due to a corresponding change in the combustion conditions, including the above-mentioned, changing parameters such. B. moisture content of the fuel, quality of the same, etc., noted, can follow satisfactorily quickly.
This requirement for a rapid reaction of the control with changes in the combustion conditions can be met in large combustion plants, ie in furnaces with power values of in particular more than 500 kW, in general without any special problems, because in such large systems, the combustion conditions usually change only slowly. It is therefore quite possible, and also customary, to use this type of control in large-scale systems in practical operation, that is to say that it is possible to work satisfactorily with practically all the COSondes or oxy-probes described above.
In small combustion plants, ie in particular in such systems with outputs of less than 500 kW, such. B. in particular in biomass combustion plants or the like., The said combustion conditions or parameters can often change much faster than large-scale systems.
The previously described, for large-scale systems quite sufficient and effective control strategy based solely on CO probes has proved to be too slow or too slow when used in small combustion plants. It has been shown that the control often "lingers" for a long time in the "flat" region of the right branch of the CO content / air quantity curve, ie relatively far away from the optimum operating point or curve minimum ". Furthermore, it is often the case that the combustion air quantity supply is unable to follow an increase in power, or whatever increase in the intensity of the combustion, due to rapid combustion, and then for a long time into the left steep branch Curve characteristic device and there caused much too high CO emissions.
A certain remedy for the problem just described in the case of CO emission control and control of small firing installations with CO probes, in particular of those which are fed with renewed biogenic substances, could basically be a supplementary determination of the oxygen concentration in the combustion exhaust gases be located. Such a measurement is in practice z. B. with lambda probes quite possible. The signals of a lambda probe or the measured quantities emitted by it are used in this case to set a specific, respectively optimal oxygen concentration in the combustion exhaust gas. The control of combustion processes by means of lambda probe is used in itself both in internal combustion engines, and possibly in combustion plants.
Their use in combustion plants is, however, associated with the following, not to be neglected difficulties or disadvantages:
The optimal for optimal combustion oxygen concentration is not a constant size, but depends on several boundary conditions, such. B. fuel type and texture, instantaneous performance of the furnace, transient processes in the same or the like.
Lambda probes were developed for use in internal combustion engines, ie for a combustion operation with very low excess air values, ie. H. at for operation at lambda values near the value "one". They show in this area relatively close to "one" an actually strong dependence of the measured value signals emitted by them on the excess air number. However, biomass combustion plants have to be operated at substantially higher air excess numerical values, ie substantially at lambda values in the range of approximately 2 to 3, at which the curve of the measured value signals supplied by a lambda probe has almost no slope.
Therefore, when lambda probes are used in combustion plants, problems can be identified in the determination of the CO emission
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Minimums or when approaching the same, unavoidable, which massively challenges the use of lambda probes in small combustion plants.
Lambda probes, however, have the additional disadvantage that, in contrast to the abovementioned CO or oxy probes, their lifetime is rather limited and their costs are by no means negligible compared to the costs of a small biomass firing plant.
As far as the state of the art in the field of control of combustion plants and their burners is concerned, the following should be specified:
In EP 209 771 A1 a method and an arrangement for fine adjustment of the fuel flow rate in burner-operated combustion plants are described, which or which, as is apparent from the claim 1 there, expressly refers to a "learning phase" at the first commissioning. It is subjected according to this EP-A1 of the microprocessor at the first start-up of the burner a learning phase by means of a CO measuring device, the CO value and by means of a 02 measuring probe 02 value are continuously measured, which is done until a burner typical Burnout characteristic is recorded and stored.
About the control in normal operation, ie via the controller routine, explicitly nothing is said in the main claim. However, it is in the claim of the speech that by means of an O 2 -probe the O 2 -value is measured continuously, which clearly indicates that the regular operation of the local firing takes place in accordance with a known lambda control, with that lambda value as the setpoint is used, in which according to the result of said "learning phase" results in a favorable CO value. The local claim 2 refers to an aviation security surcharge, so that during Ausregelvorgängen the lambda value remains within the optimal hysteresis. Claim 3 relates to a control whose inputs are essentially connected to a 02-probe.
In claim 4 is expressly of a connected during the learning CO meter and a permanently connected 02 probe electronics the speech, while the claim 5 again refers directly to the claim 1.
An inclusion of the currently prevailing in the combustion chamber temperature for the control is not considered in this EP-A1.
US 4 423 487 A relates to a measuring device for determining the efficiency of combustion, and according to this document no control and regulating device is provided for minimizing CO emissions. All other claims of this US-A relate to further details for determining the efficiency based on a combination of gas component and prevailing temperature. A use of the device described there or the data supplied by him for a control of a furnace in normal operation is there neither described nor planned.
It should be noted at this point that one could theoretically regulate a furnace on the basis of the efficiency determined with a device according to this US-A, but it should be clearly pointed out that the highest possible efficiency of a furnace with the minimum of their CO- Emissions coincide, but may well be in the range of a combustion air shortage resulting in undesirably high CO emissions. So it is z.
B. so that with increasing combustion air deficiency initially the influence of rising due to the lower excess air flue gas temperature over the losses by unburned CO outweighs and the efficiency of the furnace despite CO formation initially increases and that only at relatively high CO emissions finally the losses due to escaping, unburned CO predominate and the efficiency of the combustion plant drops again.
US Pat. No. 4,778,113 relates to a safety device which, on the basis of a measurement of the net oxygen and CO equivalent concentration in a coal grinder, detects the concentration of combustible gases leading to undesired fires and if necessary extinguishes them with the aid of an inert substance. According to this document, no temperature measurements and thus also their inclusion for the regulation of a combustion process of a combustion plant are provided.
The object and aim of the invention described in JP 06257729 is the regulation of a dry distillation plant. For this purpose, it should be stated that a firing system is to ensure the most complete combustion of a fuel, while a dry distillation
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aimed at the recovery or thermochemical production of a desired substance. The control technology provided for such a dry distillation is quite different from that of a firing plant. According to this JP-A, a CO probe is used, and there is a temperature measurement. However, this is not used to control the local dry distillation process.
The present invention has now taken on the task of developing a control and control system for small combustion plants, which requires the use of a CO probe complementary use of a lambda probe described above without the use of a CO probe and in which the disadvantages described therein are avoided for effective regulation.
In the course of extensive investigations on commercial and pilot firing systems, it has been found that a very effective regulation or control of such systems can be achieved if, instead of the determination of the oxygen concentration in the combustion exhaust gas mentioned above as possible, in addition to a CO probe measurement, the temperature of the combustion exhaust gases is determined as an additional measured variable and, in addition to the measured value values supplied by the CO sensor, is included in a control or control algorithm for the control of a firing plant.
Accordingly, the subject of the present invention is a method, as described in the introduction, for the control or regulation of firing installations, in particular waste incineration plants, which is characterized in that - for a rapid setting of the installation to the said CO measurement size minimum, the incineration Exhaust gases during, possibly rapidly, changing combustion conditions, such as when feeding the furnace with in their quality and moisture content, changing fuels, changes in the load condition of the plant or the like.
Changes in the
Parameters occur - substantially simultaneously with the aforementioned sequential determination of the CO measured variables by means of CO probe (Oxi probe) and their transfer to the control unit - by means of at least one temperature sensor that of the current temperature in the combustion chamber the system and / or the combustion exhaust gases corresponding temperature
Measured variables are determined and also supplied to the control unit, and that - by means of - with at least one of the respective two measured quantities or
equipped with the resulting logarithmic logic algorithm - control
Unit is made the control of the combustion air and / or fuel supply rate, wherein - with an increase in the CO measured variables and a substantially simultaneous decrease in the temperature measured variables - the air supply rate is lowered or / and the fuel supply rate is increased or ., or - with an increase in the CO measured quantities and a substantially constant constant of the temperature measured variables - the air feed rate is increased or / and the fuel feed rate is lowered or, respectively, as long as, until the CO content of the combustion gases corresponding, emitted by the CO probe CO measured quantities or the sequence of measurements a minimum level or
Have reached values in the vicinity of the aforementioned minimum level.
With regard to the new control method, it should be noted that a regulation for minimizing the CO content of the combustion exhaust gases provides for a determination based on the combination of measurement quantities corresponding to the CO content of the combustion exhaust gases of a combustion installation continuously determined during combustion at the same time also continuously determined temperature measurements in the combustion chamber of the system is based, which therefore uses the underlying phenomenon of the invention of the functional interaction of CO content of the exhaust gases of the furnace and temperature in the combustion chamber for the control of the system to minimize CO emissions.
Among other things, this new type of control has the great advantage that it is based on parameters that can be supplied by simply built, robust and cost-effective sensors. It also has the significant advantage that it has - as has been shown - for firings, which may even in their quality and in their moisture content
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suddenly changing fuels, as z. B. in case of waste wood or garbage is the case, be charged, is suitable and even there - quite unexpectedly - works fine.
The main advantage of including the combustion chamber or combustion exhaust gas temperature in addition to determining the measured variables from a simple CO probe is based on the fact that in a diagram already described above: "CO content of the combustion exhaust gases (Y axis) versus amount of combustion air per unit time ( X-axis) "corresponding flue gas temperature-combustion air flow chart, the flue gas temperature / combustion air flow curve substantially at steady-state operation where the CO-content / combustion air flow curve has the right branch rising relatively flat to the right characterized by a curve branch, which has a decreasing characteristic to the right with increasing amount of combustion air per unit time.
In approximately the x-coordinate position of the CO minimum of the previously described (oxy-probe) CO curve, the combustion-temperature curve shows neither a characteristic increase nor a drop in temperature. Rather, there is essentially no dependence of the combustion chamber or
Determine combustion exhaust gas or flue gas temperature of the amount of combustion air per unit time, but rather fluctuates in this range, the temperature within a relatively small range of z. B. about +/- 5 C by a constant value and this "temperature stability with tolerance width" extends in the flue gas temperature / air flow diagram to the left practically in that area in which in the CO content / air flow chart the left, steeply rising to the left upper branch of the CO-content air flow curve is. This characteristic of the course of the combustion chamber temperature / combustion air quantity curve - linked to the course of the CO content level curve - leads to an information logic algorithm for the regulation, as set forth in the above-cited claim 2.
Thus, the algorithm a) described above is superimposed on an additional algorithm b), which has the following statement logic:
When the combustion air amount per unit time is just increased or kept constant, and at the same time the combustion chamber temperature is decreasing, there is a high likelihood that there is a combustion air excess, and therefore, the amount of combustion air per Time unit is to reduce.
Otherwise, the amount of combustion air per unit of time must be further increased.
Since the combustion chamber or combustion exhaust gas (flue gas) temperatures are subject to much smaller fluctuations than the measured variable signals of the CO probes described in detail above, the temperature information included according to the invention in the control of firing installations leads much more rapidly to a reduction of the combustion air rate towards the minimum of the CO concentration in the combustion exhaust gases.
This is the first significant advantage of the novel control method compared to previously known methods for the regulation of the fuel quantity / combustion air quantity ratio in combustion plants smaller dimension.
But the combustion chamber temperature is also a very important, because very quickly responding to changes in the combustion conditions indicator in the event of an increase in performance within the system, eg. B. due to an increase in the reaction rate, which, temporary transgressions of emissions should be avoided, a direct increase in the combustion air supply rate requires.
Such a performance increase, z. B. in a change to an improved fuel quality, manifests itself in an immediate increase in the temperature in the combustion chamber or in the combustion exhaust gases. Due to the resulting then "non-fulfillment" of the condition according to the above-mentioned algorithm b), this also leads directly to an increase or increase in the amount of combustion air per unit time. Thus, with this strategy, an increase in reaction rate, e.g. as a result of an improvement in the quality or properties of the supplied, for example, based on biomass fuel, the small firing system, directly with an initiated by the control increase in the amount of combustion air per unit time met.
This is the second major advantage of the new method over previously known methods for the continuous regulation of the fuel combustion air volume ratio in
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insurance systems.
In the context of the invention further preferred is a procedure according to the preamble 2, which is characterized in that in the case of, in particular as a result of an increase caused by the control unit by their activity, increase or as a result of an increase or a constant or Keeping the air supply rate constant and / or sinking or keeping constant the fuel supply rate increasing or remaining constant of the CO measured variables combination with a substantially simultaneous decrease in the temperature measured variables, the air supply rate is lowered and / or the fuel feed rate is increased.
The above-mentioned two algorithms a) and b) can be compared in terms of their effectiveness in the entire control process, for. B. be set differently by each differently selected increments in the change of the combustion air quantities and handled. Thus, the behavior of the control unit can be optimized or adjusted to various accompanying circumstances and requirements resulting from the characteristics of the furnace. It can, for.
For example, consider that the above-mentioned "left branch" of the CO content / combustion air quantity curve shows a much steeper slope than the "right branch" of said curve and that the latter "right branch" may have a different behavior from the left branch requires or that the damage caused by a possible. However, temporary excess combustion air, ie by a temporary reduction in the combustion efficiency, arises, is much lower than that of a temporary lack of combustion air with the consequent high pollutant emissions, visible smoke or the like. is caused.
It may therefore be advantageous if the control rather sets a greater combustion air excess, such as an air deficit, etc., which is relatively easy to do by the control unit is supplemented by incorporation of a "fuzzy logic".
Too strong an effect of the above-mentioned algorithm b) may possibly lead to the fact that the regulation no longer the minimum of CO emissions, but the maximum (level) of the combustion chamber temperature, ie the high level range described above an average fluctuating highest combustion chamber temperature strives, this substantially constant combustion chamber temperature extends further to the left in the region of increasing combustion air shortage.
The above advantages are naturally also effective if the fuel / combustion air quantity ratio is not adjusted by a change in the amount of combustion air, but either alternatively or additionally by a change in the amount of fuel. In this case, the above-mentioned algorithms apply in the opposite sense to the fuel quantity: Thus, an increase in the amount of combustion air per unit of time corresponds to a reduction in the amount of fuel per unit of time and vice versa.
These advantages also come into effect, if one of these sizes indirectly by another size, such. B. by maintaining a suction negative pressure in the combustion chamber, is influenced. The invention is therefore not limited to the previously discussed boundary conditions, but extends to any type of targeted influence on the fuel / combustion air quantity ratio in, as defined in more detail small firing systems.
As regards the measured size signals delivered by the sensors, that is to say from the CO sensor and the temperature sensor and their processing, as already briefly mentioned above, several variants are possible. Thus, for example, it is absolutely no problem-as provided in accordance with A p rs c h 3-to determine the measured value values delivered successively at predetermined time intervals from the two sensors to the control unit in direct succession, and by subtracting the values ascertained immediately one after the other.
to determine the instantaneous drop in CO content and the temperature history values determined with them substantially simultaneously, and to "adjust" the regulatory organs practically instantaneously on the basis of the values and their combination, whereby even if the process is within the flattening to the right, right CO content / combustion air quantity curve branches, a quick return to the CO emission minimum is achieved.
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Another advantageous strategy may be to combine a plurality of successive CO content and temperature measured values and to determine from the same in each case an average slope or a mean drop, which value enables a "quieter" regulation. Also temporally "overlapping" determinations of the respective curve slopes are possible. In detail, reference is made to the information in claims n 4, 5 and 6.
With regard to an advantageous in the context of the invention timing of the determination of the size of the claim h 7 gives more information.
As can be deduced from claim 8, in the context of the method according to the invention, the use of a suction draft fan for conveying the combustion air is particularly preferred.
As regards the control of such a suction draft fan, such according to claim h 9 has proved to be advantageous.
An essential further object of the invention is a new system for the combustion of, as described in more detail above fuels, ie in particular a new KleinFeuerungsanlage which at least one means for supplying the fuel into a combustion chamber at least one means for supplying combustion air, a Exhaust for the combustion exhaust gases, and the control means associated with the above-mentioned devices and a with the same operatively connected, provided for a minimization of the CO content of the exhaust gases control unit for their control and control, wherein the control unit with at least a positioned in the discharge for the combustion exhaust gases or in the vicinity of the same, the current CO levels or
the amounts of oxidizable constituents in the combustion exhaust gases corresponding data flow emitting CO sensor (oxy-probe) data flow connected.
The essential features of the new system are now according to claim h 10 is that the control unit in addition to the data flow connection with the CO probe with at least one of the respective current temperature or average temperature in the combustion chamber and / or in the combustion gases or ., in the discharge for the same temperature-emitting temperature sensor sensor-data flow-connected and a according to one of claims 1 to 8 acting logic unit for linking the output from the COSonde and the temperature sensor measured variables or measurement sequences and their conversion into Actuating variables for the control elements of the combustion air supply device and / or the fuel supply device has.
In order to include the combustion chamber temperature in the - in the first reading of the known per se determination of oxidizable substances in the flue gas dominated - control, so in the combustion chamber or in the region of the orifice in an exhaust gas discharge, such. B. in a fireplace, chimney or the like., And advantageously even before any intended flue gas cooling, for. B. arranged by a heat exchanger, a temperature sensor whose signals are supplied to the control unit as well as the CO probe measured values and processed there to the Stellgrö- #en for the control organs.
In the context of the inventive system, it is finally preferred if, as is apparent from the claim 11, the air supply device is formed by a from the control unit from frequency change controllable induced draft fan with a corresponding control element in the chimney for the discharge of combustion exhaust gases.
The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.
1 shows a diagram which defines the dependence of the exhaust gas CO measured values determined in a specific wood combustion system on the quantity of combustion air which is defined here by the electrical manipulated variable of a frequency converter-controlled induced draft fan installed in the chimney of the combustion system Characteristic of a lambda probe using the example of a commercially available Bosch brand LSM sensor 11, and FIG. 3 a schematic representation of a preferred embodiment of a small firing system which can be controlled according to the invention.
The diagram reproduced in FIG. 1 represents the functional dependency of measured variables, which are characteristic for the CO emissions of a firing plant and for the combustion chamber temperature, of the amount of combustion air supplied per unit of time to the firing plant.
In the diagram of FIG. 1, scales for the measured values of the chemical analysis are shown on the y-axis.
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table, ie, "actual" CO contents of the combustion exhaust gases, for the said "actual" CO levels corresponding measurements, as supplied by a CO probe (Oxi probe), further for the oxygen contents of the exhaust gases and finally for the applied by a arranged in the combustion chamber of a furnace temperature sensor temperature readings.
The x-axis carries a scale with the control variable values "SZV-St" in mA corresponding to the combustion air mass flow available for the combustion for controlling the frequency-change-controlled induced draft fan producing the air flow through the combustion.
With empty circles are drawn at 4 mA from rising Saugventilator-manipulated variable values "SZV-St" adjusting, chemically-analytically detected "actual" CO contents "COt" in the combustion exhaust gas, which as indicated for other measured values, via a vary in certain bandwidth range.
With empty squares, the analysis contents of the combustion exhaust gas are referred to oxygen "02".
The solid black circles denote the measured value signals corresponding to the quantities of oxidizable substances in the combustion exhaust gas and supplied by a CO 2 probe, that is to say essentially corresponding to the "actual" CO contents of the combustion exhaust gases. "COS".
Finally, with empty triangles, the measured variables corresponding to the temperature "T" in the combustion chamber or in the combustion exhaust gases are plotted.
As the diagram of FIG. 1 shows, the oxygen values "02" in the exhaust gas increase as the intake fan power "SZV St" increases, ie as the air supply into the combustion chamber increases substantially in the manner of a logarithmic curve starting at a steeper slope and proceeding at a shallower angle ,
The analytical-chemically detected actual CO content values "COt" and the CO-sensor (oxy-probe) just mentioned the actual CO values substantially corresponding measured value signals "COs", show a similar course and are essentially only shifted in y-direction to each other.
From a too low a supply of oxygen to a proper combustion over an optimal supply of air up to an ever increasing excess of air, the measured value curves for the actual CO values and for the corresponding COs measured values emitted by the CO probe sink steeply at first Then, in the region of the optimum fuel / air ratio, trough-like troughs are reduced to a minimum, and then increase in an increasing amount of excess air - as the distance further from the minimum to the right - more and more flattening.
Now is the regulation, z. B. at a point within the ever flatter increase in the CO curve, it is, as was shown, the control behavior of a, working alone with the Messgrö- #ensignalen a CO or Oxi probe controller absolutely unsatisfactory. The time required to down-steer the plant along the right bank branch down to the curve minimum representing the optimum of the combustion conditions is high, and thus the control is incapable of fluctuating in the firing operation, as in particular in small and medium combustion in biomass combustion plants, eg. B. as a result of often rapid change of fuel quality occurs to react quickly enough and to prevent in this way longer periods of time with significantly excessive CO emissions.
Here, the inventive use of a temperature sensor in the combustion chamber or in the exhaust gas flow, the course of the supplied from this sensor with increasing air supply quantities "T" is essentially so that it is approximately at the minimum of the CO contents in the combustion -Abgas corresponding point by a maximum value in relatively narrow limits of a few degrees fluctuates, is substantially constant, or has an insignificant flat maximum. Now, if the oxygen supply increases in the direction of excess to the right, the temperature in the combustion chamber or in the combustion exhaust gases drops to the right.
The algorithm impressed or impressed on the firing plant according to the invention and in particular its control unit now links the above-described respective tendencies of the temperature curve with those of the CO content curve according to the logic conditions a) and b) described above. With the control variables finally delivered by the control system
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can be evaluated by "dodging" the combustion, e.g. as a result of a change in fuel quality in the steep left branch of the CO content curve or in its flatter right branch very quickly back down to the minimum down, so in this case caused by variations in combustion conditions CO content exceedances only can occur for a short time.
2 shows by means of a diagram the typical characteristic of a lambda probe, wherein it can be clearly seen that with an "air ratio" A = 1 a practically vertical jump of the probe voltage Us supplied by such a probe occurs. From the curve it becomes clear that, although an extremely precise control of the air supply is possible using measured variables which occur in the region of the excess air coefficient lambda = 1, such a rapid flattening of the curve occurs at a somewhat greater distance from the ideal value 1 in that precise setting of the control value does not bring about any effective regulation or inclusion of the measured values supplied by a lambda probe into a fast reacting controller for small combustion plants.
The furnace 100 shown in schematic form according to the invention in FIG. 3 comprises a combustion chamber 28, from which a discharge 29 for the combustion gases 33, ie, for. B. a chimney od. Like., Going out. Via a conveyor 24, 25 in front of and in the combustion chamber 28, lumped, e.g. biogenic fuel 30 applied to a belt grid 25.
By means of a blower 22, the supply of combustion air 32 takes place. Below the outlet end of the strip grate 25 in the case shown here, an ash conveyor belt 26 is shown, by means of which the fuel ash 31 is conveyed into an ash container 27.
Instead of or in addition to the air conveyor 22 may be in the flue gas discharge 29 a, for. Frequency change-controllable, induced draft fan 22 'may be arranged.
Furthermore, in the region of the transition from the combustion chamber to the flue gas outlet 29 in the same, a heat exchanger 290 for the recovery of the flue gas heat.
Within the combustion chamber 28 and / or in the vicinity of the transition thereof into the chimney 29, a temperature sensor 12, 12 'is arranged here. Furthermore, a CO or oxy-probe 11 is located in the combustion exhaust gas discharge 29.
From the temperature sensor 12,12 'is a Meßdatenfluss-line 112,112', from the COSonde 11 from a similar line 111, via which the supplied from the probes 11 and 12,12 'measured variables are delivered to the control unit 1, in which accordingly the above-mentioned logic conditions a) and b) a combination of the combustion chamber temperature measured values and the CO probe measured values is carried out together for the calculation of the control value data to be output to the respective control elements.
Via a control command line 122, 122 ', the respective control value signals go to an actuator 220 for the air conveyor 22 below the grate 25 and / or to the actuating device 220' for the induced draft fan 22 '.
A further control command line 125 can be provided, by means of which not the air delivery rate, but the speed of the fuel supply by means of a control element 250 can take place.
With the system 100 shown or its control 1, it is possible optimally to carry out the ratio between the system per unit of time supplied fuel quantity and their combustion air supplied combustion either that the fuel supply at a constant air supply or the air supply is varied at a constant fuel supply, or a combination of the regulation, the fuel and the air supply takes place.
The essential new feature of the new furnace 100 shown is that in addition to a CO probe 11 in addition a temperature probe 12,12 'is provided for determining the prevailing in the combustion chamber 28 and the flue gas 33 temperature, and that of the same be included in the control or regulation of the system supplied to the control unit 1 measured variables.
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