DE19941978A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung eines Synthesegases - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Erzeugung eines Synthesegases, insbesondere zum Betrieb einer Brennstoffzelle, wird ein Brennstoff, insbesondere Erdgas, Erdöl, partiell oxidiert. Die Verbrennung soll geräuscharm gestartet werden können. Es ist hierfür die Verbrennung des Brennstoffs in einem Brenner 1 von einer Regeleinrichtung 5 derart geregelt, daß zum Starten des Verbrennungsvorgangs das Brennstoff-Luftgemisch auf eine Luftzahl > 1 eingestellt wird und daß nach dem Starten des Verbrennungsvorgangs das Brennstoff-Luftgemisch auf eine Luftzahl < 1 geregelt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines
Synthesegases, insbesondere zum Betrieb einer Brennstoffzelle, aus
einem Brennstoff, insbesondere Erdgas oder Erdöl. Weiterhin betrifft
die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist allgemein bekannt, aus Brennstoffen, wie Erdgas oder Erdöl,
durch unvollständige Verbrennung, d. h. partielle Oxidation, ein
Synthesegas zu gewinnen, das sich nach Aufbereitung zum Betrieb
einer Brennstoffzelle eignet und den für die Brennstoffzelle nötigen
Wasserstoff liefert. Die Brennstoffzelle erzeugt aus dem Wasserstoff
und Luftsauerstoff bekanntermaßen elektrische Energie und Nutzwärme.
Eine unvollständige, d. h. unterstöchiometrische Verbrennung bei einer
Luftzahl Lambda <1 zu starten, ist aus sicherheitstechnischen
Überlegungen schwierig, insbesondere wenn der Startvorgang
geräuscharm erfolgen soll. Auch ist es aufwendig, eine stabile
unterstöchiometrische Verbrennung, beispielsweise im Luftzahlbereich
0,4 bis 0,6, zu realisieren.
Aus der DE 196 18 573 C1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Betrieb eines Gasbrenners beschrieben. Von einer Regelschaltung wird
ein von einer Ionisationselektrode abgeleitetes Ionisationssignal erfaßt
und das Gas-Luftverhältnis auf einen Lambda- Sollwert <1 geregelt. Es
soll eine emissionsarme Verbrennung gewährleistet sein. Gerät der
Verbrennungsvorgang in den unterstöchiometrischen Bereich (Lambda
<1), dann wird der Brenner abgeschaltet. Eine derartige Regelung
eignet sich für ein Gasheizgerät.
In der DE 195 39 568 C1 ist ein weiteres Verfahren zur Regelung eines
Gasbrenners beschrieben. Dort soll der Einfluß einer Änderung der
Proportionalität zwischen dem Lambdawert und dem daraus
abgeleiteten Ionisationssignal ausgeglichen werden, damit der Lambda-
Sollwert aufrechterhalten bleibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung
vorzuschlagen, bei dem eine partielle Oxidation des Brennstoffs in
einem unterstöchiometrischen Luftzahlbereich stattfindet und dieser
Verbrennungsvorgang sicher und geräuscharm gestartet wird.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und bezüglich der Einrichtung durch
einen weiteren Anspruch gelöst.
Dadurch, daß zum Starten des Verbrennungsvorgangs die Luftzahl
zunächst auf einen Wert <1 eingestellt wird, ist erreicht, daß das
Starten sicher und geräuscharm erfolgt. Erst wenn das Brennstoff-
Luftgemisch gezündet hat, wird es auf eine gewünschte Luftzahl <1
geregelt, so daß der Brennstoff unvollständig verbrennt bzw. partiell
oxidiert wird. Das Abgas ist damit ein Synthesegas, das sich
beispielsweise für den Betrieb einer Brennstoffzelle eignet. Die
Abwärme des Verbrennungsvorgangs steht als Nutzwärme zur
Verfügung.
Es ist in Kauf genommen, daß während des Startens die Luftzahl im
überstöchiometrischen Bereich liegt, also während des Startens die
partielle Oxidation nicht erfolgt. Da die Dauer des Startvorgangs jedoch
klein im Vergleich zur Dauer des Verbrennungsvorgangs im
unterstöchiometrischen Luftzahlbereich klein ist, spielt dies keine
ausschlaggebende Rolle.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines geregelten Brenners in Verbindung mit
einer Brennstoffzelle,
Fig. 2 schematisch die Änderung der dem Brenner pro Zeiteinheit
während des Verfahrens zugeführten Gasmenge,
Fig. 2a das Ionisationssignal Ui im zeitlichen Verlauf der Verbrennung
nach dem Starten des Brenners und
Fig. 3 den üblichen Verlauf des Ionisationssignals Ui in Abhängigkeit
von der Luftzahl (Lambda).
Ein Brenner 1 weist eine Mischkammer 2 auf. In dieser wird über ein
Gebläse 3 zugeführte Verbrennungsluft und über ein Regelventil 4
zugeführter Brennstoff, beispielsweise Gas, gemischt. Eine
elektronische Regeleinrichtung 5 steuert das Regelventil 4 und erfaßt
die Drehzahl des Gebläses 3. Damit ist, wie unten beschrieben, auf die
Steuerung der Luftzahl Lambda, also das Verhältnis der Luftmenge
bezogen auf die Brennstoffmenge des Brennstoff-Luftgemisches
ankommt, wäre es auch möglich, mit der Regeleinrichtung 5 die
Drehzahl des Gebläses 3 und/oder das Regelventil 4 zu steuern.
An die Regeleinrichtung 5 ist eine Ionisationselektrode 6
angeschlossen, die in der Regeleinrichtung 5 ein von der jeweiligen
Luftzahl des jeweiligen Verbrennungszustandes abhängiges
Ionisationssignal Ui erzeugt. In Fig. 3 ist die Abhängigkeit des
Ionisationssignals Ui von der Luftzahl Lambda L dargestellt. Ersichtlich
hat das Ionisationssignal Ui bei der Luftzahl L = 1 ein Maximum Uimax
und fällt sowohl im unterstöchiometrischen Bereich (L<1), d. h. bei
Luftmangel, als auch im überstöchiometrischen Verbrennungsbereich
(L<1), also bei Luftüberschuß, ab. Die Ionisationselektrode 6 kann zum
Starten des Brenners gleichzeitig als Zündkerze dienen.
An der Regeleinrichtung 5 ist ein erster Sollwert Uis1 für den
unterstöchiometrischen Betrieb, beispielsweise der Luftzahl 0,6,
entsprechend eingestellt. An der Regeleinrichtung 5 kann außerdem ein
zweiter Sollwert des Ionisationssignals Uis2 für den
überstöchiometrischen Betrieb eingestellt werden, der beispielsweise
der Luftzahl L = 1,3 entspricht.
An eine Abgasleitung 7 des Brenners 1 ist eine Brennstoffzelle 8
angeschlossen. Nötigenfalls kann zwischen der Brennstoffzelle 8 und
der Abgasleitung 7 ein Gasaufbereitungsapparat vorgesehen sein, der
den Wasserstoffgehalt des Abgases erhöht. Ein solcher Apparat kann
mit einer Wasserverdampfung arbeiten und dem Abgas Kohlenmonoxid
entziehen. Die Brennstoffzelle 8 erhält aus dem Verbrennungsabgas
des Brenners 1 den zu ihrem Betrieb nötigen Wasserstoff. Außerdem
wird der Brennstoffzelle 8 Luft zugeführt. Die von der Brennstoffzelle 8
erzeugte elektrische Energie ist an einem elektrischen Verbraucher 9
nutzbar. Die Abwärme W1 des Brenners 1 und die Abwärme W2 der
Brennstoffzelle 8 lassen sich in einer Heizungsanlage nutzen. Die
beschriebene Anlage eignet sich in einem Gebäude zur elektrischen
Energieerzeugung und zur Heizung.
Das beschriebene Verfahren läßt sich auch in anderen Fällen einsetzen,
in denen durch unterstöchiometrische Verbrennung gewonnenes Abgas
als Synthesegas weiter genutzt werden soll.
Die Arbeitsweise der beschriebenen Regeleinrichtung ist etwa folgende:
Um ein Brennerabgas zu erhalten, aus dem sich Wasserstoff für den Betrieb beispielsweise der Brennstoffzelle 8 gewinnen läßt, wird der Brenner 1 im unterstöchiometrischen Bereich der Luftzahl, also bei L<1, insbesondere L etwa 0,4 bis 0,6, betrieben. Im unterstöchiometrischen Bereich ist ein Starten des Brenners 1 in der Praxis schwer möglich.
Um ein Brennerabgas zu erhalten, aus dem sich Wasserstoff für den Betrieb beispielsweise der Brennstoffzelle 8 gewinnen läßt, wird der Brenner 1 im unterstöchiometrischen Bereich der Luftzahl, also bei L<1, insbesondere L etwa 0,4 bis 0,6, betrieben. Im unterstöchiometrischen Bereich ist ein Starten des Brenners 1 in der Praxis schwer möglich.
Um den Brenner 1 zu starten, wird von der Regeleinrichtung 5 in einem
Startzeitpunkt t0 (vgl. Fig. 2) bei laufendem Gebläse 3 das Regelventil 4
zunächst auf eine minimale Startgasmenge Psmin geöffnet.
Anschließend
wird dann die Gasmenge nach einer Rampenfunktion von Psmin in
Richtung Psmax in einer Sicherheitszeit SZ zunehmend vergrößert,
wobei die Luftzahl im überstöchiometrischen Bereich L<1 liegt. Die
Ionisationselektrode 6 gibt in der Sicherheitszeit SZ als Zündkerze
Zündimpulse ab.
Im Verlauf des rampenförmigen Anstiegs der Gasmenge im Startvorgang
wird das Gas-Luftgemisch je nach Gasart früher oder später zünden. In
Fig. 2 ist davon ausgegangen, daß ein Gas 2 bei einer Gasmenge P2
zum Zeitpunkt t2 innerhalb der Sicherheitszeit SZ, also vor dem
Zeitpunkt t3 zündet.
In Fig. 2 ist angedeutet, daß ein Gas 1 schon vorher, bei einer
Gasmenge P1 zum Zeitpunkt t1 zünden würde. Erfolgt bis zur
Einstellung der maximalen Startgasmenge Psmax, also bis zum
Zeitpunkt t3, dem Ende der Sicherheitszeit SZ, keine Zündung, dann
wird das Regelventil 4 wieder abgeschaltet und/oder der Startvorgang
wiederholt. Gegebenenfalls kann nach mehreren erfolglosen
Startversuchen eine Störungsanzeige erfolgen.
Hat das das Gas 2 enthaltende Gas-Luftgemisch zum Zeitpunkt t2
gezündet, bleibt diese Stellung des Regelventils 4 bis zum Ende t3 der
Sicherheitszeit SZ beibehalten. Die Sicherheitszeit SZ beträgt wenige s,
beispielsweise 3s bis 10s.
Zum Zeitpunkt t3 wird das Gas-Luftgemisch in den meisten Fällen
ziemlich geräuschlos gezündet sein, da während des Zündvorgangs,
d. h. in der Sicherheitszeit SZ die Luftzahl des Gas-Luftgemisches L =
<1 im überstöchiometrischen Bereich liegt. Während der Sicherheitszeit
SZ wird die Elektrode 6 sowohl als Zünd- als auch als Ionisations-
Meßelektrode benutzt. Nach dem Zeitpunkt t3 wird sie anschließend als
Ionisationselektrode benutzt und arbeitet dann als Sensor für den
Ionisationsstrom der Flammen des Brenners 1. Die Zündleitung 10 und
die Meßleitung 11 liegen an der Regeleinrichtung 5. Über die
Meßleitung 11 erfaßt die Regeleinrichtung 5 den jeweiligen Istwert Uiist
des Ionisationssignals Ui nach Fig. 3 oder einen diesem
entsprechenden vom jeweils vorliegenden Verbrennungsvorgang
abhängigen Stromwert.
Die Regeleinrichtung 5 vergleicht in einer überstöchiometrischen
Regelphase R1, die vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 dauert (vgl.
Fig. 2 durchgezogene Linie), den jeweiligen Istwert Uiist mit dem
zweiten, überstöchiometrischen Sollwert Uis2 und regelt die Luftzahl L
auf den entsprechenden überstöchiometrischen Wert, beispielsweise
1,3. Während dieser überstöchiometrischen Regelphase R1, die einige s
dauert, werden der Sollwert Uis2 und der Istwert Uiist etwa alle 100 ms
verglichen. Die überstöchiometrische Regelphase R1 dient dazu, stabile
Verbrennungsverhältnisse zu erreichen bevor in die im
unterstöchiometrischen Bereich liegende unterstöchiometrische
Regelphase R2 übergegangen wird.
Nach dem Zeitpunkt t4 öffnet die Regeleinrichtung 5 zeitgesteuert das
Regelventil 4 weiter, so daß die Gasmenge ansteigt (vgl. Fig. 2) und das
Ionisationssignal Ui ebenfalls ansteigt (vgl. Pfeil a in Fig. 2a). Dem
Anstieg des Ionisationssignals Ui in Fig. 2a entspricht in Fig. 3 der
Anstieg des Ionisationssignals Ui in Richtung des Pfeiles a. Ab dem
Zeitpunkt t4 wird das Ionisationssignal Ui zur Kalibrierung gemessen.
Im Zuge der Zuführung der Gasmenge steigt das Ionisationssignal Ui an
und wird dann dessen Maximum Uimax entsprechend der Luftzahl L = 1
erreichen, was nach Fig. 2 und Fig. 2a im Zeitpunkt t5 der Fall ist.
Beim oder in der Nähe des stöchiometrischen Punktes L = 1 wird die
Funktion der Regeleinrichtung 5 invertiert. Dies ist zweckmäßig, weil im
überstöchiometrischen Bereich ein Anstieg des Ionisationssignals Ui
eine Erhöhung der Gaszufuhr zur Folge hat, wogegen im
unterstöchiometrischen Bereich ein Absinken des Ionisationssignals Ui
eine Erhöhung der Gaszufuhr zur Folge hat (vgl. Fig. 3). Durch diese
Invertierung der Regelfunktion kann mit der gleichen Regeleinrichtung
im überstöchiometrischen Bereich auf einen überstöchiometrischen
Sollwert Uis2 und im unterstöchiometrischen Bereich auf einen
unterstöchiometrischen Sollwert Uis1 geregelt werden.
Durch eine weitere Erhöhung der Gasmenge nach dem Zeitpunkt t5 (vgl.
Fig. 2) sinkt das Ionisationssignal Ui ab (vgl. Pfeil b in Fig. 2a). Dies
entspricht dem Absinken des Ionisationssignals Ui in Richtung des
Pfeiles b in Fig. 3.
Zum Zeitpunkt t6 wird der unterstöchiometrische Sollwert Uis1,
beispielsweise L = 0,6, erreicht sein. Der Vorgang der Erhöhung der
Gasmenge läßt sich als Kalibriervorgang bezeichnen, weil dabei das
maximale Ionisationssignal gemessen und überschritten wird und dieses
zur Kalibrierung verwendet werden kann. Veränderungen dieses Wertes
etwa infolge von Positionsveränderungen der Meßelektrode, lassen sich
dadurch erkennen und entsprechend zu Justierzwecken verwenden.
An den Zeitpunkt t6 schließt sich eine zweite, unterstöchiometrische
Regelphase R2 an. In dieser wird die Luftzahl auf ihren
unterstöchiometrischen Sollwert Uis1 geregelt. In dieser
unterstöchiometrischen Regelphase R2 wird das Abgas, Synthesegas,
erzeugt, welches sich für den Betrieb der Brennstoffzelle 8 eignet. Die
unterstöchiometrische Regelphase R2 ist sehr lang im Vergleich zur
Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t0 und t5 bzw. t6, so daß die Dauer
der für die Brennstoffzelle 8 an sich ungeeigneten
überstöchiometrischen Verbrennung kurz im Vergleich zur
unterstöchiometrischen Regelphase R2 ist.
Die Regelphase R1 ist nicht unbedingt erforderlich. Sie kann entfallen,
wenn schon nach der Sicherheitszeit SZ für den Kalibriervorgang
geeignete Verhältnisse bestehen. In Fig. 2 und in Fig. 2a sind
strichliert die Verhältnisse angegeben, die sich ergeben, wenn die
Regelphase R1 entfällt. Es wird dann zum Zeitpunkt t4', der mit dem
Zeitpunkt t3 zusammenfällt, die Gasmenge erhöht, wobei zum Zeitpunkt
t5' (entsprechend Zeitpunkt t5) das Maximum des Ionisationssignals Ui
erreicht wird und danach bei weiterer Erhöhung der Gasmenge zum
Zeitpunkt t6' (entsprechend Zeitpunkt t6) der unterstöchiometrische
Sollwert Uis1 erreicht wird, wobei nach diesem die
unterstöchiometrische Regelphase R2' auf den unterstöchiometrischen
Sollwert Uis1 stattfindet.
Claims (10)
1. Verfahren zur Erzeugung eines Synthesegases, insbesondere zum
Betrieb einer Brennstoffzelle, aus einem Brennstoff, insbesondere
Erdgas oder Erdöl,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennung des Brennstoffs in einem Brenner(1) von einer
Regeleinrichtung(5) derart geregelt wird, daß zum Starten des
Verbrennungsvorgangs das Brennstoff-Luftgemisch auf eine Luftzahl
<1 eingestellt wird und daß nach dem Starten des
Verbrennungsvorgangs das Brennstoff-Luftgemisch auf eine Luftzahl <1
geregelt wird, wobei der Brennstoff partiell oxidiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Startvorgang die Brennstoffmenge (P) nach einer
Rampenfunktion (t0 bis t3) bis zum Zünden des Brennstoff-
Luftgemisches bei einer Luftzahl <1 erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhöhung der Brennstoffmenge während der Rampenfunktion
das Brennstoff-Luftgemisch eine Luftzahl von 1 nicht unterschreitet und
die Rampenfunktion (Psmin bis Psmax) durch eine vorgegebene
Sicherheitszeit (SZ) begrenzt ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach dem Startvorgang während einer ersten,
überstöchiometrischen Regelphase (R1) die Verbrennung bei einer
Luftzahl <1 erfolgt und daß während der Regelphase (R1) ein der
Luftzahl entsprechendes elektrisches Ionisationssignal (Ui) mittels einer
Ionisationselektrode (6) gemessen wird und das Brennstoff-Luftgemisch
auf einen überstöchiometrischen Sollwert (Uis2) geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Sicherheitszeit (SZ) oder nach der überstöchiometrischen
Regelphase (R1) die Luftzahl durch Erhöhen Brennstoffmenge oder
Erniedrigen der Luftmenge erniedrigt wird und das dann auftretende
Ionisationssignal (Ui) gemessen wird und daß dann, wenn das
Ionisationssignal (Ui) sein Maximum (Uimax) durchläuft oder sich diesem
nähert, die Luftzahl weiter auf einen Wert erniedrigt wird und beim
Erreichen eines unterstöchiometrischen Sollwerts (Uis1) in einer
unterstöchiometrischen Regelphase (R2) auf diesen Sollwert geregelt
wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sicherheitszeitspanne (SZ) und ggf. die überstöchiometrische
Regelphase (R1) kurz im Vergleich zu der unterstöchiometrischen
Regelphase (R2) ist.
7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Regeleinrichtung (5) einen Brenner (1) derart regelt, daß der
Brenner (1) zum Starten in einem überstöchiometrischen Bereich zündet
und in einem unterstöchiometrischen Bereich weiterbrennt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Funktion der Regeleinrichtung (5) invertiert, wenn das von der
Regeleinrichtung (5) über eine Ionisationselektrode (6) empfangene
Ionisationssignal (Ui) sein Maximum durchläuft.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Brenner (1) über seine Abgasleitung (7) eine Brennstoffzelle (8)
nachgeschaltet ist, die zu ihrem Betrieb vom Abgas des Brenners (1)
beaufschlagt ist.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Abgasleitung (7) und der Brennstoffzelle (8) ein
Apparat vorgesehen ist, der den von der Brennstoffzelle (8)
verwertbaren Wasserstoff des Abgases des Brenners (1) erhöht.
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