DE1526221A1

DE1526221A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Vielfachoelbrenners

Info

Publication number: DE1526221A1
Application number: DE19661526221
Authority: DE
Inventors: Gerrard John E; Wladimir Philippoff; Siegmund Charles W
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1965-08-02
Filing date: 1966-07-22
Publication date: 1970-04-23
Also published as: CH474020A; FI48386C; GB1115889A; AT283563B; FI48386B; DK115485B; US3288199A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Vielfachölbrenners

Zusatz zu Patent .,...(Patentanmeldung E J>1 3991a/24 m )

Für diese Zusatzanmeldung wird die Priorität aus der amerikanischen Patentanmeldung Serial No. 476,662 vom 2. August I965 in Anspruch genommen.

Im Hauptpatent (Patentanmeldung E J51 5991 a/24 m )

sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Vielfachölbrenners für öfen und Boiler beschrieben, der mit Rückstandsölen betrieben werden kann und bei dem ein Optimum der Verbrennung des Öls bei niedrigem Pegel der sogenannten "Überschußluft" in öfen oder Boilern mit einem

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Mehrfachbrenner durch geeignete Einstellung der Einzelbrenner einer solchen Anlage mit Vielfachbrennern erreicht und aufrechterhalten werden kann. Das Verfahren des Hauptpatents ist dadurch gekennzeichnet, da3 jeder einzelne Brenner der Anlage so eingestellt wird, da!3 die Flammentemperaturen der Brenner praktisch gleich groß sind, und hierauf die Luft- und Heizölzufuhr zu jedem einzelnen Brenner so eingestellt wird, daß jeder Brenner im wesentlichen mit dem gleichen gewünschten Pegel von ttberschußluft arbeitet. Dabei erfolgt die Einstellung der Luft- und Heizölzufuhr zweckmäßig durch Regelung der Luftzufuhr zu einem Luft-Vielfachverteiler und durch Regelung der Zufuhr des Heizöls zu einem getrennten Heizöl-Vielfachverteiler.

Es wurde nun gefunden, daß sich diese gegenseitige Einstellung der einzelnen Brenner der Anlage beim Verfahren des Hauptpatentes besonders vorteilhaft in der Weise vornehmen läßt, daß man erfindungsgemäß zunächst die Luft- und Heizölzufuhr zu einer ersten Brennstelle in dem Vielfachbrenner durch analytische Bestimmung der Konzentration einer der Abgaskomponenten, deren Konzentration im Abgast proportional ist dem Pegel der Überschußluft, mit dem diese Brennstelle gefahren wird, und Einstellung der im wesentlichen stöchiometrischen Bedingungen an dieser ersten

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Brennstelle regelt, danach für diese erste Brennntelle den ,•rewünschten Pegel an Überschußluft entsprechend festsetzt, und im Anschluß daran nacheinander für jede der Brennstellen des Vielfachbrenners diese Maßnahmen wiederholt, bis alle Brennstellen praktisch den gleichen Pegel an Überscaußluft aufweisen.

Wie im Verfahren des Hauptpatentes beschrieben, werden solche öfen oder Boiler mit Vielfachbrennern für Rückstands-■)1 üblicherweise in Heizwerken und Wärmekraftwerken benutzt, und der Betrieb solcher ölheizanlagen läßt siel·! ganz wesentlich dadurch verbessern, wenn es gelingt, die Verbrennung bei Pegeln von niedrigem Luftüberschuß durchzuführen und dabei für jede einzelne Brennstelle die niedrig-e Luftüberschuüzahl sicher zu stellen.

Nach dem Verfahren der vorliegenden Krfindung gelingt dies dadurch, daß man durch anaiytisn'iu Bestimmung von entsprechenden Komponenten in dem Abrcas jede einzelne Brennstelle auf den praktisch stöchiometrischen Verbrennungs-

wert einre^uliert. Dann kann man den gleichen Pegel an Luft-Uberschui3 an, jeder einzelnen Brennstelle durch entsprechende Rückb-'rechnung der erforderlichen Sekundärluft aus diesem Verbrennungswert festsetzen. Erfindungsgem^:i3 geht man so vor, aa.3 jede einzelne Brennstelle unabhängig von der anderen

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in dieser Weise einreguliert wird, d.h., daß an jeder einzelnen Brennstelle zunächst der im wesentlichen stöchiometrische Heizwert ermittelt wird und danach die berechnete Einstellung erfolgt. Ein solches Vorgehen bezeichnet man als Abstimmung("tuning") der Brennstellen. Diese Abstimmung wird solange wiederholt, bis jede einzelne der Brennstellen mit dem gleichen Pegel an Uberschußluft arbeitet. Diese kontinuierliche Abstimmung der Brennstellen untereinander schließt eine Iteration im mathematischen Sinne ein, d.h. schrittweise Rechnungen zur Annäherung an die Lösung, wenn - wie' vorliegend - das System Konvergenz aufweist. Nachdem man die Brennstellen aufeinander abgestimmt hat und dann feststellt, daß der Pegel an Überschußluft anders als gewünscht liegt, kann man alle Brennstellen gleichzeitig umregulieren, und so in einfacher Weise den gewünschten Pegel erreichen.

Man kann sich bei der Durchführung des ersten Verfahrensschrittes beim erfindungsgemäßen Verfahren einer von zwei Analysen-Grundmethoden zur Abgasbestimmung bedienen.' Einmal ist es möglich, die Analyse des verbrennbaren Anteils im Abgas vorzunehmen. Der verbrennbare Anteil besteht im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd, das infolge seiner raschen Konzentrationsänderung in der Nähe des stöchiometrischen Wertes die empfindlichste Komponente im Verbrennungssystem ist. Zum andern kann man irgendeine beliebige Komponente des Verbrennungssystems analysieren, deren Konzentration

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in der Nähe des stöchiometrischen Wertes steil ansteigt. . Eine solche Komponente ist Kohlendioxyd, dessen Konzentration nahe des •stöchiometrischen Wertes stark zunimmt.

Wenn man zur Abstimmung der Brennstellen aufeinander Kohlenmonoxyd analysiert, kann man sich der folgenden Methode bedienen: Es soll angenommen werden, daß ein Vielfachölbrenner sich in einem Zustand befindet, in dem die einzelnen Brennstellen mit verschiedenen Pegeln an Überschußluft arbeiten, die alle erheblich oberhalb des stöchiometrischen Wertes liegen, so daß die Konzentration an Kohlenmonoxyd im Gesamtabgas nahe Null liegt.

In der Praxis arbeiten die meisten Brenner in einem solchen Zustand, weil für den Pail, daß eine der Brennstellen nicht mit Überschußluft gefahren wird, Probleme der Luftverunreinigung durch Rauch auftreten. Wenn man systematisch die Luftzufuhr nur an der ersten Brennstelle reduziert, dann steigt der Kohlenmonoxyd-Spiegel im Gesamtabgas sehr plötzlich an, wenn man an dieser ersten Brennstelle dem stöchiometrischen Wert nahe kommt. An einer Stelle dieses ansteigenden Astes, kurz nach Beginn des schnellen Anwachsens der Kohlenmonoxyd-Konzentration in dem Gesamtabgas, was in einer Verbrennungs-Analysenapparatur beobachtet wird, ist das System so eingestellt, daß die in Rede stehende Brennstelle praktisch mit dem stöchiometrisohen Verbrennungswert arbeitet. Es ist nicht entscheidend, daß der Kohlenmonoxyd-Spiegel in dem Gesamtabgas exakt dem

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stb'chiometrisehen V/ert für diese spezielle Brennstelle entspricht; jedoch ist es sehr wichtig, daß jede nachfolgende Brennstelle auf den gleichen Kohlenrnonoxyd-Spiegel in dem Abgas gebracht wird, d.h. praktisch auf den stochiometrischen V/ert. Nachdem die erste Brennstelle auf diesen praktisch stöchiometrisehen V/ert eingestellt worden ist, wird die Brennstelle auf diesen Spiegel festgesetzt ("backed off"), und damit erreicht man den gewünschten Pegel an überschüssiger Verbrennungsluft, zum Beispiel etwa 2 bis y% Überschußluft.

Das "Festsetzen" erfolgt in der Weise, daß man entweder die Luftzufuhr zu der speziellen in Rede stehenden Brennstelle erhöht oder die Heizölzufuhr dazu erniedrigt. Das Ausmaß, bis zu welchem die Brennstelle festgesetzt werden sollte, kann man nach einer der folgenden Methoden bestimmen: Einmal, und bevorzugt, durch ein empirisches Ermittlungsverfahren mit fortschreitenden Währungswerten; bei diesem Verfahren wird das Ventil in der Luft- und/oder Heizöl-Zuführungsleitung der speziellen Brennstelle gedreht, d.h. um ein messbares Wegstück verstellt. Zum anderen kann man ein Gerät zur Ermittlung der Flammentemperatur einsetzen und damit das Ausmaß bestimmen, bis zu welchem die Brennstelle heruntergedreht werden soll. Dazu kann man beispielsweise als Gerät zur Bestimmung der Flammentemperatur ein armiertes, aus wärmebeständigen Metallen bestehendes Thermo-

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element einsetzen. Man kann auch sonstige Einrichtungen, beispielsweise Bajonettrohr-Photopyrometer dazu verwenden. Unabhängig davon, welches Gerät man benutzt, variiert die Flarnmentemperatur um etwa 2 bis 3>3 Celsius-Grade (6 bis 10 Fahrenheit-Grade) je % Hberschußluft. Daraus ergibt sich, daß jede Brennstelle um das gleiche Temperaturmaß zurückgedreht werden sollte, zum Beisp^iel um 6,6 bis 10⁰C (20 bis 30 Grad Fahrenheit). Für diese zweite Methode werden Geräte zur Bestimmung der Flammentemperatur benötigt. In der Vergangenheit bestanden große Schwierigkeiten, geeignete Vorrichtungen zu schaffen, die fortlaufend unter den in solchen Vielfachölbrennern herrschenden hohen Temperaturen funktionsfähig blieben. Bei dieser zweiten Arbeitsweise wird das Gerät jedoch nur einmal, und zwar während · der anfänglichen Kalibrierung, diesen hohen Temperaturen ausgesetzt. Beispielsweise wird ein Thermoelement oder ein sonstiges Gerät anfänglich eingesetzt, um das Ausmaß, um das die Brennstelle zurückgedreht werden soll, einzustellen.

Das ürgebnis wird dann übertragen in eine festgesetzte

Verschiebung des Kontrollventils in der speziellen Luft-(oder Heizöl-)Leitung der geprüften Brennstelle, und dann wird das Gerät aus der Anlage herausgenommen. Es ist aus dem Vorstehenden offensichtlich, da.3. bei der als ersten Methode beschriebenen Arbeitsweise irgendeine Temperaturme ßvorr ich tung nicht notwendig ist.

Natürlich kann es vorkommen, und ist tatsächlich sehr wahrscheinlich, daß der an der ersten Brennstelle eingestell-

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te Überschuß-Pegel durch die weitere Verschiebung der Heizöl- und Luft-Zuleitung, die infolge der Angleichung der anderen Brennstellen stattfindet, eine Änderung erfährt. Dem kann in einfacher Weise entgegengewirkt werden, daß in· der gleichen Reihenfolge erneut eingestellt wird, nachdem die letzte Brennstelle angeglichen ist. Es ist daraus ersichtlich, daß die Brennstellen miteinander ausbalanciert

werden.

Nachdem die Brennstellen angeglichen sind_twird der Pegel an überschüssiger Verbrennungsluft mittels Abgasanalyse des Gichtgases auf den Prozentgehalt an Sauerstoff bestimmt. V/enn das Ergebnis dieser Analyse zeigt, daß der Pegel ein anderer als der erwünschte ist, läßt sich der erwünschte Pegel leicht durch geeignete Angleichung aller Brennstellen gleichzeitig erzielen.

Die einzelnen Teile der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwendung von Kohlenmonoxydanalyse benutzten Vorrichtung sind bekannt und bilden für sich gesehen nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Geeignete Apparaturen enthalten einen Analysator für Kohlenmonoxyd oder "Verbrennbares", eine Vorrichtung zum Abtasten des Pegels des aus dem Analysator abströmenden Gemisches, durch die die Luft- und/oder Heizöl-Kontrollventile in den entsprechenden Zuführungsleitungen zu den einzelnen Brennstellen betätigt werden.

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Wenn man Kohlendioxyd oder eine andere Komponente aus dem Verbrennungssystem, deren Konzentration in der Nähe 'des stöchiometrisoheri Wertes steil ansteigt, benutzt, um die Brennstellen anzugleichen, wird zweckmäßig wie folgt gearbeitet:

Angenommen, ein Vielfachölbrenner befindet sich in einem Zustand, bei dem jede der einzelnen Brennstellen mit verschiedenem Pegel an Überschußluft arbeitet, die Pegel jedoch alle oberhalb des stöchiometrischen Wertes liegen, dann ist in dem Gichtgas ein bestimmter fixierter Pegel an Kohlendioxyd enthalten. Durch die Erniedrigung des Luftpegels an der ersten Brennstelle steigt die Kohlendioxyd-Konzentration in den Peuergasen aus der Flamme der ersten Brennstelle und demzufolge im Analysenergebnis des Gesamtgichtgases. In dem Maße, wie die Luftzufuhr zu der ersten Brennstelle nach und nach vermindert wird, steigt der Kohlendioxydgehalt in den Gichtgasen immer mehr an, bis der stöchiometrische Wert an der ersten Brennstelle erreicht ist, danach beginnt der Pegel zu sinken. Nachdem man in dieser Weise den stöchiometrischen Wert für die erste Brennstelle fixiert hat, wird ähnlich wie zuvor beschrieben die Einstellung vorgenommen, um den gewünschten Pegel an niedrigem Überschuß von Verbrennungsluft für die erste Brennstelle festzusetzen. Es wird danach jede einzelne Brennstelle in gleicher Weise behandelt, wie dies auch bei der Methode der Kohlenmonoxydanalyse geschieht.

Die Einzelteile der Apparatur, die man bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bestimmung

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einer Komponente, deren Konzentration nahe des stöchiometrischen Wertes steil ansteigt, benutzt, sind dem Fachmann bestens bekannt, und stellen für sich gesehen nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung dar. Eine solche Apparatur enthält einen Analysator für die in der Konzentration ansteigende Komponente, zum Beispiel einen Kohlendioxyd-Analysator, und eine Vorrichtung, mit der der Konzentrationsanstieg an dem aus dem Analysator abströmenden Gemisch abgetastet werden kann, und diese Vorrichtung betätigt die Luft- und/oder Heizöl-Ventilvorrichtungen in den entsprechenden Zuführungsleitungen zu den einzelnen Brennstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine relativ einfache, wenig aufwendige Arbeitsweise dar, mit der sich an jeder einzelnen Brennstelle in einem Vielfachölbrenner ein niedriger Überschuß an Verbrennungsluft automatisch regulieren läßt. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß dieses Verfahren überall dort angewendet werden kann, wo Vielfachölbrenner in öfen und Boilern mit Rückstandsöl betrieben werden, beispielsweise in Kraftwerken, sowohl an Land wie auf See.

In der beiliegenden Zeichnung ist sohematisch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Mit 1 ist eine Brennervorrichtung bezeichnet, die mit vier Brennstellen 2 bestückt ist. Luft und Brennstoff werden jeder einzelnen Brennstelle 2 durch ge-

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sonderte Leitungen 5 und 7 über ent sprechende gesonderte Regelventile j5 zugeführt. Der Brennstoff strömt jedem einzelnen Regelventil -J ^aus einem Vielfachverteiler 4 zu, während die Luft den einzelnen Regelventilen 5 aus einem Vielfachverteiler 6 zugeleitet wird. Dabei regelt ein Hauptsteuerventil c3 das Verhältnis von Luft zu Brennstoff bei der Zufuhr zu dem Vielfachverteiler 4. Ein Analysator 9 für die Verbrennungsabgasanalyse ist in dem Ofenschornstein ]0 angeordnet und dient zur Analyse der Mischung der verschiedenen Verbrennungsgase aus den vier Brennstellen 2. Der Gesamtpegel für die 0berschu31uft wird mit Hilfe des Verbrennungsgas-Analysators 9 ermittelt. Mit Hilfe einer Vergleichs- .und Steuereinrichtung 11 werden über geeignete Leitungen 12 die Kugelventile 3 entsprechend eingestellt.

Wie zuvor ausgeführt, können für die einzelnen Vorrichtungsteile bekannte Geräte und Einrichtungen eingesetzt werden.

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Claims

Patentansprüche

Iy Verfahren zum Betrieb eines Vielfachölbrenners, insbesondere für Rückstandsöle, bei niedrigem Luftüberschuß, bei welchem Jede einzelne Brennstelle der Anlage so eingestellt wird, daß die Flammentemperaturen der Brenner praktisch gleich hoch sind, und hierauf die Luft- und Heizölzufuhr zu jeder einzelnen Brennetelle so eingestellt wird, daß jede Brennstelle praktisch mit dem gleichen gewünschten Pegel von Überschußluft arbeitet, nach Patent (Patentanmeldung E 51 399 Ia/24 m )» dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst die Luft- und Heizölzufuhr zu einer ersten Brennstelle in dem Vielfachbrenner durch analytische Bestimmung der Konzentration einer der Abgaskomponenten, deren Konzentration im Abgas proportional ist dem Pegel der Überschußluft, mit dem diese Brennstelle gefahren wird, und Einstellung der im wesentlichen stöchiometrischen Bedingungen an dieser ' ersten Brennstelle regelt, danach für diese erste Brennstelle den gewünschten Pegel an Uberschußluft entsprechend festsetzt, und im Anschluß daran nacheinander für jede der Brennstellen des Vielfachbrenners diese Maßnahmen wiederholt, bis alle Brennstellen praktisch den gleichen Pegel an Überschußluft aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die analytische Bestimmung an der Konzentration der Abgaskomponente Kohlenmonoxyd vornimmt.

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j5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man d^e analytische Bestimmung der Konzentration an der Abgaskomponente Kohlendioxyd vornimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis J5, dadurch gekennzeichnet, daß man den gewünschten Pegel an Überschußluft durch Messung der Flammentemperatur an jeder der vorhandenen Brennstellen bestimmt.

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