DE102009020366A1

DE102009020366A1 - Intelligenter Flammenwächter

Info

Publication number: DE102009020366A1
Application number: DE102009020366A
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Siemens AG
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2010-10-28
Also published as: WO2010125016A2; CN102713437B; WO2010125016A3; CN102713437A

Abstract

Für eine Einrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe wird vorgeschlagen, das Emissionsspektrum der Flamme aufzunehmen und auszuwerten. Die Erfindung ermöglicht neben der Überwachung von Startgas- und Hauptbrennstoffbetrieb sowie der Ermittlung der Flammentemperatur eine Online Erkennbarkeit der Brennstoffzusammensetzung für einen sicheren Vergaserbetrieb.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe.
Ein wichtiger Bestandteil der Sicherheitseinrichtungen bei der Flugstromvergasung ist der am Pilotbrenner angebrachte Flammendetektor.
Die Flammenüberwachung in der bisherigen technischen Ausführung überwacht das Vorhandensein einer Flamme, wobei lediglich zwischen Flamme An und Flamme Aus unterschieden wird. Während des Startvorgangs der Flugstromvergasung erfolgt die sequenzielle Zuschaltung des Startgases (z. B. Erdgas oder LPG) und Hauptbrennstoffes (z. B. Kohle oder flüssige Brennstoffe). Die Brennstoffverfügbarkeit im Reaktor und nachfolgende Reaktion mit Sauerstoff kann derzeit nur durch Kombination mehrerer Messdaten (z. B. Rohgasmenge und Wärmeeintrag) überwacht werden. Da diese Messdaten nur zeitverzögert gewonnen werden, kann dieser komplexe Anfahrvorgang derzeit nur ungenügend überwacht werden, wobei nicht eindeutig definierte Betriebszustände beim Anfahren der Kohlenstaubvergasung auftreten können.
Ein weiteres technisches Problem ist die Überwachung der Flammentemperatur. Die Flammentemperatur hat einen großen Einfluss auf die Lebensdauer des Brenners. Eine direkte Überwachung des Brenners und der Flamme sind bislang nicht möglich. Da Schwankungen der Flammentemperatur zu Schäden am Brenner führen können, muss der Zustand des Brenners bisher in Abständen von mehreren Monaten kontrolliert werden.
Eine Änderung der Zusammensetzung des Brennstoffes bedingt auch eine Änderung der Aschezusammensetzung und des Schlackeschmelzverhaltens und damit des Wärmeeintrags in den Brennerkühlkreislauf, Kühlschirm und Schlackeauslaufkörper. Starke Änderungen können entweder zu einer Absenkung der Fliesstemperatur und somit zu einem Abschmelzen der schützenden Schlackeschicht mit nachfolgenden höheren Materialspannungen führen aber auch durch eine Erhöhung der Fliesstemperatur ein Zusetzen des Schlackeauslaufkörpers und möglichen Vergaserausfall zur Folge haben.
Eine unmittelbare Überwachung der Kohlenstaubzündung war bisher nicht möglich. Die erfolgreiche Zündung wurde hauptsächlich durch das Anwachsen der Rohgasmenge und durch den Anstieg des Wärmeeintrages angezeigt.
Bisher konnte die Flammentemperatur nur nachträglich auf Basis der Stoff- und Wärmeströme thermodynamisch indirekt berechnet werden. Änderungen der Aschezusammensetzung wurden durch eine Veränderung des Wärmeeintrages in den Brennerkühlkreislauf oder Kühlschirm bzw. eine Änderung des Differenzdruckes über den Schlackeauslaufkörper indirekt und nur zeitverzögert erkannt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, wie das Zünden des Brennstoffs, die Flammentemperatur und die Brennstoffzusammensetzung im laufenden Betrieb selbsttätig und verzögerungsfrei ermittelt werden können, wobei die ermittelten Daten zur Überwachung und auch Steuerung der Vergasungseinrichtung herangezogen werden können.
Das Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Flammenüberwachung wird das gesamte Emissionsspektrum der Flamme in einem Wellenlängenbereich von 300–800 nm gemessen und dient dazu, Informationen über den Verbrennungsvorgang zu liefern. Die Auswertung des Spektrums bietet zum Beispiel die Möglichkeit, zwischen unterschiedlichen Brennstoffen wie Kohlestaub und Erdgas zu unterscheiden. Dadurch lässt sich eindeutig das Zünden des Kohlenstaubes feststellen. Auch eine Änderung der Brennstoffqualität lässt sich durch die Auswertung der Spektren ermitteln. Eine weitere mögliche Nutzung liegt in der Ermittlung der Flammentemperatur aus den Daten der Emissionsspektren. Ebenso können über die Emissionsspektren der Einzelkomponenten und deren Verhältnis zueinander Rückschlüsse auf die Asche- bzw. Schlackezusammensetzung abgeleitet und ausgewertet werden.
Die Erfindung nimmt das gesamte Emissionsspektrum im Bereich von 300–800 nm auf und wertet das Spektrum hinsichtlich der verschiedenen Fragestellungen aus. Das gesamte Emissionsspektrum im Bereich von 300–800 nm kann zur Erweiterung der Flammenüberwachung ausgewertet werden. Die sichere Bestimmung der Kohlenstaubzündung ist ein Zugewinn im Bereich der allgemeinen Sicherheit im Vergasungsbetrieb. Die Nachführung des benötigten Sauerstoffs ist eindeutig abgesichert und undefinierte Betriebszustände werden verhindert.
Durch eine Spektroskopische Bestimmung der Flammentemperatur lassen sich Rückschlüsse auf den Betrieb und die Belastung des Brenners ziehen. Hierdurch lassen sich Serviceintervalle verlängern und Ausfallzeiten minimieren.
Durch Auswertung der Emissionslinien der Aschekomponenten (z. B. Alkali) kann schneller auf Störungen der Kohleförderung bzw. Kohlequalität reagiert werden.
Zusätzlich zu den Prozess- und sicherheitstechnischen Vorteilen bietet dieses Messsystem die Möglichkeit, wichtige Prozessdaten mit vergleichsweise geringem Aufwand zu erfassen und zu dokumentieren. Ein permanenter online Zugriff auf diese Daten, im Rahmen von Verfügbarkeitsgarantien und Serviceleistungen, ist realisierbar. Neben der Überwachung von Startgas- und Hauptbrennstoffbetrieb sowie der Ermittlung der Flammentemperatur ist für einen sicheren Vergaserbetrieb auch die Online Erkennbarkeit der Brennstoffzusammensetzung von Bedeutung.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine prinzipielle Darstellung der Befestigung des Messkopfes an der Vergasungseinrichtung und
2 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Auswertung des Emissionsspektrums.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Ein Flugstromvergaster zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bei Temperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 8 MPa weist kopfseitig einen Brenner auf, über den der Brennstoff und das Oxidationsmittel zuführbar sind. Es mögen feste oder flüssige aschebildende Brennstoffe, wie z. B. pneumatisch geförderte Kohlestäube, Kohle-Wasser-Slurries, Kohle-Öl-Slurries oder Öle zum Einsatz kommen. Zusätzlich zu dem Brennstoff-Brenner ist ein Erdgas befeuerter Pilotbrenner vorgesehen, der gesondert von dem Brennstoff-Brenner oder aber in dem Brennstoff-Brenner integriert angeordnet sein kann. Ein vorzugweise zentral in dem Pilotbrenner angeordneter optischer Kanal 9 ermöglicht eine optische Verbindung von außen in den Reaktionsraum des Vergasers. Der optische Kanal (9) ist am Brennerkopf (5) über ein Quarzglas (4) druckdicht nach außen geführt. Eine Befestigungseinheit (3) und eine Muffe (2) nehmen einen Messkopf (1) so auf, so dass seine Sensoren das optische Signal aus dem optischen Kanal empfangen. Erfindungsgemäß ist der Messkopf (1) so ausgelegt, dass er das Emissionsspektrum in einem Wellenlängenbereich von 300 bis 800 Nanometer aufnimmt. Das Emissionsspektrum wird über ein Lichtleitkabel (6) einer von dem Flugstromvergaser abgesetzten Auswerteeinheit zugeführt.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung nimmt das Lichtleitkabel in dem Messkopf (1) das optische Signal aus dem optischen Kanal (9) direkt auf und leitet es an die Auswerteeinheit weiter. In der Auswerteinheit erfolgt eine Auswertung des optischen Signals nach Wellenlänge und Intensität. Das Vorliegen einzelner Spektrallinien und deren Intensität sowie das Vorliegen einer bestimmten Kombination von Spektrallinien und deren Intensität sind charakteristisch für bestimmte Betriebszustände des Vergasungsreaktors. Die Auswerteergebnisse können für die Diagnose und die Steuerung des Vergasungsreaktors herangezogen werden.

1: Messkopf
2: Muffe
3: Befestigungseinheit
4: Quarzglas
5: Brennerkopf
6: Lichtleitkabel
7: Auswerteeinheit
8: Online Auswertung und Zugriff
9: optischer Kanal

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionsspektrum der Flamme aufgenommen und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionsspektrum im Bereich von 300–800 nm aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Emissionsspektrum die Flammentemperatur ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Emissionsspektrum die Emissionslinien der Aschekomponenten ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionslinie von Alkali ausgewertet wird.