DE19948377C1

DE19948377C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung sowie zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß

Info

Publication number: DE19948377C1
Application number: DE19948377A
Authority: DE
Inventors: Thomas Merklein; Heino Sand
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: ES2272229T3; EP1091175A3; EP1091175A2; DE50013683D1; ATE344423T1; EP1091175B1; PT1091175E; DK1091175T3

Abstract

Zur Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß werden Bildungsraten K (CN) und K (CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO ermittelt; anschließend wird das Verhältnis K (CN)/K (CO) als eine den Luftüberschuß repräsentierende Größe ermittelt, die als Regelgröße zur Regelung des Luftüberschusses herangezogen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Luft überschusses bei einem Verbrennungsprozeß.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß.

Schließlich betrifft die Erfindung jeweils eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung bzw. Regelung des Luftüberschus ses.

Aus der EP 0 612 961 A2 ist es bekannt, die Bildungsraten von während eines Verbrennungsprozesses gebildeten Reaktionspro dukten, insbesondere die Moleküle und Radikale CO, C₂, CH, CN, OH, und NH, mittels Emissionsspektroskopie aus der Eigen strahlung der Verbrennungsflamme zu ermitteln und für die Steuerung oder Regelung des Verbrennungsprozesses heranzu ziehen. Dazu wird mittels eines Emissionsspektrometers das Strahlungsspektrum der Verbrennungsflamme untersucht, wobei die Bandenstrahlung der ausgewählten Moleküle und Radikale detektiert wird. Der Bandenstrahlung ist eine Temperatur strahlung überlagert, die in einem oder mehreren bandenfreien Wellenlängenbereichen nach der Verhältnispyrometrie ermittelt und bei der Ermittlung der Bildungsraten berücksichtigt wird.

Die ermittelten Bildungsraten der ausgewählten Reaktionspro dukte sind für die Steuerung oder Regelung des Verbrennungs prozesses nur bedingt geeignet, da sie unter anderem von der Größe und Position des beobachteten Ausschnitts der Verbren nungsflamme sowie von der durch die Masse der zugeführten Brennstoffe gesteuerten Reaktionshäufigkeit beeinflußt sind.

Ein wesentliches Maß für die Güte einer Verbrennung ist der Luftüberschuß. Dieser bezeichnet das Luft-/Brennstoffver hältnis, welches dann eins ist, wenn genauso viel Luft bzw. Sauerstoff zugeführt wird, wie für den Verbrennungsprozeß benötigt wird. Ein Luftüberschuß kleiner als eins, also eine zu geringe Luftzufuhr, führt zu einer unvollständigen Ver brennung, während ein Luftüberschuß größer als eins, bzw. zu viel eingeblasene Luft, unter anderem zu einer Konzentration des Verbrennungsprozesses am Brennermund mit der Folge erhöhter Verbrennungstemperaturen führt. Außerdem ist das Einblasen und Erhitzen größerer Luftmengen mit entsprechenden Energieverlusten verbunden.

Bisher konnte der Luftüberschuß nur über Messungen der dem Verbrennungsprozeß zugeführten Brennstoff- und Luftmenge bestimmt werden, wobei eine exakte Messung der Brennstoff menge, insbesondere bei Kohle, sehr aufwendig und ungenau ist. Eine lokale Auflösung des Luftüberschusses innerhalb der Verbrennungsflamme und oft auch eine Aufteilung der Brenn stoffmengen auf verschiedene Brenner waren nur über theo retische Betrachtungen, nicht aber durch Messungen möglich. Dementsprechend war eine Regelung des Verbrennungsprozesses bisher nur bedingt brennerspezifisch möglich und darüber hinaus träge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst schnelle, einfache und ortsauflösende Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß zu er möglichen und im weiteren damit den Verbrennungsprozeß zu regeln.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Verfahren bzw. die in den Ansprüchen 5 und 6 angegebenen Vorrichtungen gelöst.

Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen sind den Unteransprüchen 3 und 4 bzw. 7 und 8 zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein abneh mender Luftüberschuß aufgrund unvollständiger Verbrennung zu einer erhöhten CO-Bildung führt, während ein zunehmender Luftüberschuß aufgrund der erhöhten Verbrennungstemperatur zu einer erhöhten CN-Bildung führt. Erst bei einem deutlich überhöhten Luftüberschuß kann die zuviel eingeblasene Luft zur Kühlung beitragen und dadurch die CN-Bildung wieder verringern. Das Verhältnis der Bildungsraten von CN und CO bildet also in der Umgebung des Luftüberschußwertes eins, wenn also ein Großteil der Luft zur Verbrennung beiträgt, ein geeignetes Maß, um den Luftüberschuß zu bestimmen und im wei teren damit den Verbrennungsprozeß, insbesondere die zuge führte Luft und/oder deren Verteilung, zu regeln. Durch die Bildung des Verhältnisses der Bildungsraten von CN und CO werden außerdem die oben genannten und die Ermittlung der Bildungsraten beeinträchtigenden Einflußgrößen, wie z. B. die Größe und Position des beobachteten Ausschnitts der Verbren nungsflamme, eliminiert, weil sie die Bildungsraten von CN und CO gleichermaßen beeinflussen.

Die Ermittlung der Bildungsraten von CN und CO kann in an sich bekannter Weise mittels Emissionspektroskopie erfolgen. Vorzugsweise werden mit mindestens vier Kameras die Bildungs raten von CN und CO aus den Strahlungsintensitäten in mindestens vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme ermittelt, indem in zwei Wellenlängenbereichen die Strahlungsintensitäten bei der Bildung von CN und CO ermittelt werden und von diesen ermittelten Strahlungsintensitäten die aus den in den zwei anderen Wellenlängenbereichen ermittelten Strahlungsintensi täten nach der Verhältnispyrometrie bestimmte Temperatur strahlung subtrahiert wird. Da jede der Kameras nur einen schmalbandigen Wellenbereich des Strahlungsspektrums der Ver brennungsflamme erfaßt, kann in der Praxis im Unterschied zu Spektrometern, die eine hohe Frequenz- aber geringe Ortsauf lösung aufweisen, der Luftüberschuß mit hoher Ortsauflösung und schnell bestimmt werden und somit als geeignete Regel größe für die Regelung des Luftüberschusses im Verbrennungs prozeß herangezogen werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und nachfolgenden Regelung des Luft überschusses bei einem Verbrennungsprozeß,

Fig. 2 ein Beispiel für das Strahlungsspektrum einer Verbrennungsflamme in einem Beobachtungspunkt,

Fig. 3 beispielhaft die Abhängigkeit der CN- und CO-Bildung sowie deren Verhältnis von dem Luftüber schuß bei einem Verbrennungsprozeß und

Fig. 4 ein weiteres Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß.

In einem Feuer- oder Verbrennungsraum 1 einer nicht darge stellten Dampferzeugeranlage, z. B. einem fossilgefeuerten Dampferzeuger einer Kraftwerksanlage oder einer Müllverbren nungsanlage, findet ein Verbrennungsprozeß statt. Optische Sensoren 2 und 3 in Form von Spezialkameras erfassen in aus gewählten Beobachtungspunkten oder -ausschnitten das Strah lungsspektrum der Verbrennungsflammen 4. Die dabei erhaltenen Informationen 5 werden einer datenverarbeitenden Einrichtung 6 zugeführt, die aus den erfaßten Strahlungsspektren, z. B. mittels computertomographischer Rekonstruktion, eine räum liche Temperaturverteilung und dreidimensional ortsaufgelöste Profile der Bildungsraten K von ausgewählten, bei dem Ver brennungsprozeß entstehenden Reaktionsprodukten berechnet. Dabei werden die Temperatur durch Verhältnispyrometrie und die Bildungsraten K der Reaktionsprodukte durch Emissions spektroskopie ermittelt. Die so ermittelten Bildungsraten K werden neben anderen Führungs- und Regelgrößen 8 einer Steuer- und Regeleinrichtung 9 zugeführt, die die Brennstoff zufuhr und -verteilung 10, die Luftzufuhr und -verteilung 11 sowie die Zufuhr und Verteilung 12 von Zuschlags- und Hilfsstoffen für den Verbrennungsprozeß steuert bzw. regelt.

Die für die Erfindung relevaten Bildungsraten K(CN) und K(CO) des Radikals CN und des Moleküls CO werden nach ihrer Ermitt lung in der Einrichtung 6 einer Einrichtung 13 zugeführt, die das Verhältnis K(CN)/K(CO) dieser beiden Reaktionsprodukte bildet und als Regelgröße einer Regelung 14 für die Luftzu fuhr und -verteilung aufgibt.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für das Strahlungsspektrum einer Verbrennungsflamme 4 in einem Beobachtungspunkt, wobei die Strahlungsintensität I über der Wellenlänge λ aufgetragen ist. Die Strahlungsintensität. I setzt sich im wesentlichen aus der Temperaturstrahlung TS (Planck-Strahlung) und der bei bestimmten Radikalenübergängen emittierten Bandenstrahlung BS (Chemolumineszenz) zusammen. Die für bestimmte Reaktionspro dukte, z. B. CH, charakteristischen Intensitätsspitzen sind hier gekennzeichnet, wobei im Rahmen der Erfindung die Intensitäten der bei der Bildung von CN bei etwa 420 nm und von CO bei etwa 450 nm entstehenden Bandenstrahlung BS inter essieren. Der Temperaturanteil TS der für diese Reaktionspro dukte gemessenen Strahlungsuntensitäten I läßt sich bei be kannter Temperatur berechnen und subtrahieren. Dazu wird die Temperaturstrahlung TS nach der Verhältnispyrometrie aus Wellenlängen λ bestimmt, bei denen keine Radikalenübergänge auftreten; die entsprechenden bandenfreien Wellenlängen bereiche finden sich in der Regel im roten oder infraroten Bereich.

Fig. 3 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der CN-Bildung und CO-Bildung von dem Luftüberschuß L bei dem Verbrennungs prozeß. Ein Luftüberschuß L kleiner als eins führt zu einer unvollständigen Verbrennung was mit einer erhöhten CO-Bildung verbunden ist. Zu viel eingeblasene Luft führt dagegen zu einer Konzentration des Verbrennungsprozesses an dem Brenner mund mit der Folge erhöhter Verbrennungstemperaturen und daher höherer CN-Bildung. Wird im erhöhtem Maße zuviel Luft eingeblasen, kann dies wiederum zur Kühlung beitragen und dadurch die CN-Bildung verringern. Wie Fig. 3 zeigt, bildet das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten von CN und CO im Regelbereich R um den Luftüberschußwert L = 1 ein geeignetes Maß, um den lokalen Luftüberschuß L zu bestimmen und damit den Verbrennungsprozeß, hier insbesondere die Luftzufuhr und -verteilung 11 zu regeln.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfin dungsgemäßen Vorrichtung wird ein und derselbe Beobachtungs punkt oder -ausschnitt der Verbrennungsflamme 4 in dem Feuer- oder Verbrennungsraum 1 auf vier CCD-Kameras 15, 16, 17 und 18 abgebildet, die aufgrund vorgeschalteter schmalbandiger Filter 19, 20, 21 und 22 die Strahlungsintensitäten I in vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspek trums der Verbrennungsflamme 4 erfassen. Aus zwei der erfaß ten Strahlungsintensitäten I, die vorzugsweise in banden freien Wellenlängenbereichen liegen, wird in der den CCD- Kameras 15, 16, 17 und 18 nachgeordneten Einrichtung 6 nach der Verhältnispyrometrie die Temperaturstrahlung TS ermit telt. Die beiden anderen Strahlungsintensitäten werden zur Bestimmung der bei der Bildung von CN und CO emittierten Bandenstrahlungen BS in den Wellenlängenbereiche um 420 nm bzw. um 450 nm herangezogen. Dazu wird von diesen für CN und CO ermittelten Strahlungsintensitäten I der Anteil der Tempe raturstrahlung TS subtrahiert, so daß die jeweiligen Banden strahlungen BS und damit die Bildungsraten K(CN) und K(CO) erhalten werden, aus denen in der Einrichtung 13 das den Luftüberschuß L repräsentierende Verhältnis K(CN)/K(CO) gebildet wird.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß, indem die Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO ermittelt werden und das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als eine den Luftüberschuß (L) repräsentierende Größe gebildet wird.

2. Verfahren zur Regelung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß, indem die Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO ermittelt werden und das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermit telten Bildungsraten als Regelgröße für die Regelung (14) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildungsraten K(CN) und K(CO) mittels Emissionsspektroskopie aus der Eigenstrahlung der Verbrennungsflamme (4) ermittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildungsraten K(CN) und K(CO) aus den Strahlungsintensitäten (I) in mindestens vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspek trums der Verbrennungsflamme (4) ermittelt werden, indem in zwei Wellenlängenbereichen die Strahlungsintensitäten (I) bei der Bildung von CN und CO ermittelt werden und von diesen ermittelten Strahlungsintensitäten (I) die aus den in den zwei anderen Wellenlängenbereichen ermittelten Strahlungs intensitäten (I) nach der Verhältnispyrometrie bestimmte Temperaturstrahlung (TS) subtrahiert wird.

5. Vorrichtung zur Bestimmung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß mit einer Einrichtung (2, 3, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Ver brennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO und einer nachgeordneten Einrichtung (13) zur Bildung des Verhältnisses K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als eine den Luft überschuß (L) repräsentierende Größe.

6. Vorrichtung zur Regelung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß mit einer Einrichtung (2, 3, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Ver brennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO und einer nachgeordneten Einrichtung (13) zur Bildung des Verhältnisses K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als Regelgröße für die Regelung (14).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2, 3, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) ein Emissionsspektrometer umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (15, 16, 17, 18, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) mindestens vier Kameras (15, 16, 17, 18) aufweist, die die Strahlungsintensitäten (I) in mindestens vier unterschied lichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme (4) erfassen, und daß den Kameras (15, 16, 17, 18) eine Einrichtung (6) nachgeordnet ist, die in zwei der Wellenlängenbereiche die Strahlungsintensitäten (I) bei der Bildung von CN und CO ermittelt und von diesen ermittel ten Strahlungsintensitäten (I) die aus den in den zwei anderen Wellenlängenbereichen ermittelten Strahlungsintensi täten (I) nach der Verhältnispyrometrie bestimmte Temperatur strahlung (TS) subtrahiert.