DE19923059A1

DE19923059A1 - Verfahren zum Regeln eines Verbrennungsprozesses

Info

Publication number: DE19923059A1
Application number: DE19923059A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Benesch; Wolfgang Franke
Original assignee: Steag GmbH
Current assignee: Steag Energy Services GmbH
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2000-12-07
Also published as: EP1282803A1; WO2000071935A1

Abstract

Nach Festlegung des zulässigen CO-Gehalts des Abgases wird experimentell die Sauerstoffzufuhr, ausgehend von einem überhöhten Wert, mit vorgegebener Schrittgeschwindigkeit vermindert, und zwar unter Erfassung des Gradienten der CO-Bildung. Derjenige Gradient, der bei Erreichen des zulässigen CO-Gehalts auftritt, wird als zulässiger Grenzwert festgelegt. Im Betrieb wird die Sauerstoffzufuhr periodisch, ausgehend von einem überhöhten Wert, mit vorgegebener Schrittgeschwindigkeit vermindert, und zwar unter gleichzeitiger Erfassung des Gradienten der CO-Bildung. Dieser Gradient wird in jeder Periode mit dem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Sobald der erfaßte Gradient einen Wert erreicht hat, der in einem vorgegebenen Sicherheitsabstand zum zulässigen Grenzwert liegt, wird die Sauerstoffzufuhr für eine vorgegebene Zeitspanne konstant gehalten. Sodann wird die nächste Periode eingeleitet, und zwar durch Anheben der Sauerstoffzufuhr auf den überhöhten Wert. Das Verfahren erlaubt eine Fahrweise mit minimalem Sauerstoffüberschuß.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Verbrennungsprozesses, bei dem einem Brennstoff Sauerstoff im Überschuß zugeführt wird.

Dabei kann mit reinem Sauerstoff oder aber mit einem Sauerstoff-Trägergas gearbeitet werden. In der Praxis wird fast ausschließlich Luft als Sauerstoff-Trägergas einge setzt.

Bei der Verbrennung entsteht Kohlenmonoxid als Bestand teil des Abgases. Dies ist unerwünscht, und zwar bereits aufgrund der Tatsache, daß es sich bei CO um einen toxischen Bestandteil handelt. Außerdem zeigt ein erhöhter CO-Gehalt an, daß die Verbrennung nicht optimal abläuft, daß also mit einem niedrigen Feuerungswirkungsgrad gearbeitet wird und daß mit der Bildung anderer Schadgase zu rechnen ist, letz teres insbesondere bei der Müllverbrennung.

Die CO-Bildung steht in direktem Zusammenhang mit dem Sauerstoffangebot. Herrscht ein zu hoher Luftüberschuß, kommt es zu einer sogenannten "kalten Verbrennung". Ist das Sauerstoffangebot zu niedrig, so ist die Verbrennung unvoll ständig. In beiden Fällen bildet sich CO im Übermaß.

Zur Vermeidung einer unvollständigen Verbrennung arbei tet man in der Praxis im überstöchiometrischen Bereich, al lerdings mit dem Bestreben, den Luftüberschuß so gering wir möglich zu halten. Die untere Grenze ist stark abhängig von der Brennstoffart, der jeweiligen Brennstoffzusammensetzung und der momentanen Brennstoffbeschaffenheit sowie von der Bauart der Feuerung. So kann z. B. bei einer Erdgasverbren nung der Sauerstoffüberschuß aufgrund des sehr homogenen Brennstoffs niedrig gehalten werden, ohne daß die Gefahr ei ner übermäßigen CO-Bildung besteht. Das andere Extrem stellt die Abfallverbrennung dar. Hier werden die unterschiedlichs ten Stoffe verbrannt, die zudem noch sehr inhomogen ver teilt sind. Daher muß hier zur Vermeidung übermäßiger CO- Bildung mit größerem Luftüberschuß gearbeitet werden.

Bei der Inbetriebnahme einer Feuerung hat man bisher den möglichen minimalen Luftüberschuß ermittelt und den Sollwert der Feuerung hieran orientiert, und zwar unter Einhaltung eines ganz erheblichen Sicherheitsabstandes, um durch die unvermeidlichen betrieblichen Schwankungen nicht in den un terstöchiometrischen Bereich hineinzugeraten. Man mußte also eine entsprechende Minderung des Wirkungsgrades des Verbren nungsprozesses in Kauf nehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und die Regelung des Verbrennungsprozesses zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Ver fahren dadurch gekennzeichnet,

- daß der zulässige CO-Gehalt des Abgases festgelegt wird,
- daß experimentell die Sauerstoffzufuhr, ausgehend von einem überhöhten Wert, mit vorgegebener Schrittgeschwindig keit vermindert und dabei die CO-Bildung und der Gradient der CO-Bildung erfaßt werden, wobei der bei Erreichen des zulässigen CO-Gehaltes auftretende Gradient als zulässiger Grenzwert festgelegt wird, und
- daß im Betrieb die Sauerstoffzufuhr periodisch, ausge hend von einem überhöhten Wert, mit vorgegebener Schrittge schwindigkeit vermindert und dabei der Gradient der CO-Bil dung erfaßt wird, wobei in jeder Periode der erfaßte Gra dient mit dem zulässigen Grenzwert verglichen und in Abhän gigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs die Sauerstoffzufuhr für eine vorgegebene Zeitspanne konstant gehalten wird, wor aufhin die nächste Periode durch Anheben der Sauerstoffzu fuhr auf einen überhöhten Wert eingeleitet wird.

Das Verfahren stellt eine adaptive Regelung der Sauer stoffzufuhr dar und basiert auf der Erkenntnis, daß sich der Gradient der CO-Bildung als einfach erfaßbarer Parameter da zu eignet, die Prozessführung ständig zu prüfen und ggf. zu korrigieren. Die Grenze des minimalen Luftüberschusses wird periodisch angefahren, und der Istwert der Sauerstoffzufuhr wird an die momentanen Bedingungen angepaßt. Der Verbren nungsprozeß läuft also ständig in einem optimierten Bereich. Sofern sich Änderungen der Randbedingungen relativ langsam und in relativ geringem Umfang vollziehen, kann die Zeit spanne der konstanten Luftzufuhr zwischen den einzelnen Pe rioden relativ groß sein. Andernfalls wird man die Taktzeit entsprechend verkürzen. Die optimale Periodendauer wird je nach Feuerungsart und Brennstoff festgelegt. Sie ist in der Regel für eine Anlage und einen Brennstoff konstant.

Die Fahrweise mit ständig minimiertem Luftüberschuß bringt erhebliche Vorteile mit sich. Vor allen Dingen erhöht sich der Feuerungswirkungsgrad. Es treten weniger Verluste an fühlbarer Wärme (Abgasverluste) auf, und es vermindert sich die Antriebsleistung der Ventilatoren für die Luftzu fuhr. Ferner sinkt der Behandlungsaufwand in nachgeschalte ten Rauchgasreinigungseinrichtungen. Es ergibt sich eine NO_x-Minderung und indirekt auch eine CO₂ Minimierung, wobei die CO-Bildung innerhalb zulässiger Grenzen gehalten wird. Letzteres ist insbesondere bei Steinkohlefeuerungen von Be deutung, da hier unzulässige CO-Konzentrationen an den Feuerraumwänden verhindert werden müssen.

Im übrigen ist die Erfindung anwendbar auf sämtliche Feuerungsarten und Brennstoffe. Es gilt lediglich, den zu lässigen Grenzwert des Gradienten der CO-Bildung entspre chend anzupassen, wobei Gradienten mit stark unterschiedli cher Steilheit auftreten können.

Auch bei der hier vorgeschlagenen adaptiven O₂-Regelung wird vorzugsweise mit einem Sicherheitsabstand zum theore tisch möglichen Grenzwert gearbeitet. Hierfür bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. So kann man den Wert des zu lässigen CO-Gehaltes des Abgases entsprechend heraufsetzen und auf dieser Basis den zulässigen Grenzwert für den Gra dienten der CO-Bildung festlegen.

Alternativ besteht die Möglichkeit, den zulässigen CO- Gehalt auf dem theoretischen Minimum zu halten und den Si cherheitsabstand in den zulässigen Grenzwert für den Gra dienten der CO-Bildung einzuarbeiten.

In beiden Fällen wird der Grenzwert für den Gradienten der CO-Bildung exakt angefahren.

Ganz besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine maximale Regelgenauigkeit ist es, den zulässigen CO-Gehalt auf dem theoretischen Minimum zu halten, auf dieser Basis den zuläs sigen Grenzwert für den Gradienten der CO-Bildung zu ermit teln und nicht zu verändern und dafür das Konstanthalten der Sauerstoffzufuhr einsetzen zu lassen, sobald der erfaßte Gradient der CO-Bildung einen Wert erreicht hat, der in ei nem vorgegebenen Sicherheitsabstand zum zulässigen Grenzwert des Gradienten liegt.

Die Schrittgeschwindigkeit, mit der die Sauerstoffzufuhr in den einzelnen Regelungsperioden vermindert wird, sollte sich von Periode zu Periode nicht ändern. Allerdings kann sie anders sein als die Schrittgeschwindigkeit bei der expe rimentellen Ermittlung des zulässigen Grenzwertes für den Gradienten der CO-Bildung. Eine entsprechende Kompensierung kann in die Regelung eingearbeitet werden. Vorteilhafter hingegen ist es, wenn die Schrittgeschwindigkeiten bei der experimentellen und der betrieblichen Verminderung der Sau erstoffzufuhr gleich sind.

Die überhöhten Werte der Sauerstoffzufuhr, bei denen die Verminderung jeweils beginnt, können beliebig gewählt wer den, da diese Einstellungen von kurzer Dauer sind. Auch kön nen die überhöhten Werte unterschiedlich sein.

Claims

1. Verfahren zum Regeln eines Verbrennungsprozesses, bei dem einem Brennstoff Sauerstoff im Überschuß zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

- daß der zulässige CO-Gehalt des Abgases festgelegt wird,
- daß experimentell die Sauerstoffzufuhr, ausgehend von einem überhöhten Wert, mit vorgegebener Schrittgeschwindig keit vermindert und dabei der Gradient der CO-Bildung erfaßt wird, wobei der bei Erreichen des zulässigen CO-Gehaltes auftretende Gradient als zulässiger Grenzwert festgelegt wird, und
- daß im Betrieb die Sauerstoffzufuhr periodisch, ausge hend von einem überhöhten Wert, mit vorgegebener Schrittge schwindigkeit vermindert und dabei der Gradient der CO-Bil dung erfaßt wird, wobei in jeder Periode der erfaßte Gra dient mit dem zulässigen Grenzwert verglichen und in Abhän gigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs die Sauerstoffzufuhr für eine vorgegeben Zeitspanne konstant gehalten wird, wor aufhin die nächste Periode durch Anheben der Sauerstoffzu fuhr auf einen überhöhten Wert eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstanthalten der Sauerstoffzufuhr einsetzt, sobald der erfaßte Gradient der CO-Bildung einen Wert erreicht hat, der in einem vorgegebenen Sicherheitsabstand zum zulässigen Grenzwert liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schrittgeschwindigkeiten bei der experi mentellen und der betrieblichen Verminderung der Sauerstoff zufuhr gleich sind.