DE3024401A1

DE3024401A1 - Verfahren zur gesteuerten verbrennung von festen fossilen brennstoffen, insbesondere kohlestaub

Info

Publication number: DE3024401A1
Application number: DE19803024401
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl.-Ing. 4030 Ratingen Adrian; Wolfgang Ing.(grad.) 4650 Gelsenkirchen Bunge
Original assignee: Steag GmbH
Current assignee: Steag GmbH
Priority date: 1980-06-28
Filing date: 1980-06-28
Publication date: 1982-01-28
Also published as: ZA814191B; GB2079927B; GB2079927A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gesteuerten Verbrennung von festen fossilen Brennstoffen, insbesondere Kohlenstaub, bei welchem die Brennstoffe und die Verbrennungsluft über Einzelbrenner dem Verbrennungskessel zugeführt werden.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Anlage, welche zur Durchführung.-dieses Verfahrens geeignet ist.

Bei kohlegefeuerten Kesselanlagen mit Brennerfeuerung werden üblicherweise für jeden Kessel vier bis acht Einzelbrenner verwendet, mittels denen zuvor aufbereitete Brennstoffe, insbesondere Kohlestaub, sowie Verbrennungsluft dem Verbrennungskessel zugeführt werden. Unter Berücksichtigung der aus Gründen des Umweltschutzes verlangten niedrigen Emissionswerte der beim Verbrennungsprozeß entstehenden Abgase und des Gesamtwirkungsgrades der Anlage wird eine im wesentlichen vollständige und damit weitgehend rückstandsfreie Verbrennung der dem Brennkessel zugeführten Brennstoffe angestrebt. Wesentliche Einflußfaktoren für den Verbrennungsprozeß innerhalb des Kessels sind dabei die Menge der zugeführten Luft, die Brennstoffzuteilung zu den einzelnen Mühlen, welche dem Verbrennungskessel vorgeschaltet sind, sowie die Kontrolle der Abgaszusammensetzung. Dementsprechend werden zur Regelung des Verbrennungsprozesses maßgeblich auch die Parameter Luftmengenmessung Brennstoffzuteilung und/oder Kontrolle der Abgaszusammensetzung verwendet.

Im Wege der Steuerung des Verbrennungsprozesses über die Luftmengenmessung ist es bekannt, eine Gesamtluftmengenmessung vorzunehmen. Diese Gesamtluftmengenmessung

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ist zwar relativ zuverlässig, erfordert jedoch auf der Kaltluftseite vor der Luftvorwärmung eine entsprechend lange Meßstrecke, so daß hierdurch der Aufbau der Verbrennungsanlage entsprechend groß ausfällt. Hinzu kommt, daß mit dieser Meßmethode eine Aussage über die in den einzelnen Brennern anfallenden Luftmengen nicht möglich ist, so daß mit der Gesamtluftmengenmessung namentlich bei einer größeren Anzahl von Einzelbrennern der Genauigkeit der Steuerung Grenzen gesetzt sind.

Zwar ist mit der sogenannten EinzeLluftranngenmessung, also der Messung der den einzelnen Brennern zugeführten Luftmengen, eine Aussage über die Verteilung der Lu.ittnengen auf die einzelnen Brenner müglioh, allerdinp·=' leidet diese Messung darunter, daß zumeist nicht ausreichend lange Meßstrecken vorhanden sind. Da zudem die Anströmung der zu den Brennern führenden Einzelkanäle nicht gut ist und der Staubgehalt der Luft überdies unkontrollierbare Beeinf]ussungen der Meßwerte mit sich bringt, ist die Einzelluftmengenmessung relativ unzuverlässig. Weiter können mit dieser Methode während des Betriebes Mengenveränderungen nicht festgehalten werden, welche durch den Verschleiß der Leit- und Regeleinrichtungen aufgrund der aus dem Luftvorwner mitgerissenen Staubraengen hervorgerufen werden.

Weitere Schwierigkeiten bei der Regelung des Verbrennungsprozesses ergeben sich aber auch aus der BrennstoffZuteilung zu den einzelnen Brennern, die mit erheblichen lastabhängigen Toleranzen behaftet i f; t. Eine für alle Kessellasten gleichförmige Aufteilung des nus der vorgeschal telen Brenn.-¹, toi'f.ni fbrr'-it.ung zum Kensei geführten Stroms, ber;t."herH

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aus Tragluft und aufbereitetem Brennstoff, namentlich Kohlestaub, auf die einzelnen Brenner ist maßgebliöh durch die strömungsabhängig?. Strähnenbildung insbesondere beim Mahl- und Sichtvorgang nahezu· ausgeschlossen. Ebenso wie Verschleißerscheinungen in den Leit- und Regeleinrichtungen während des Betriebs nicht feststellbare Veränderungen der zugeführten Luftmengen bedingen,rufen die Verschleißerscheinungen an den Mahlwerkzeugen und Sichteinrichtungen zu nicht überwachbaren Veränderungen der Brennstoffstromaufteilung. In gleicher Richtung wirken Verschleißerscheinungen an den Verteileinrichtungen und aufgrund der Temperaturbeanspruchung allmählich eintretende Verformungen an den Brennermündungen. Einen Einflußfaktor für die Veränderung des Mengenstromes bilden auch die sich an den Brennermundstücken aufbauenden Verschlackungen. Auch wenn diese in bestimmten Zeitabständen abgebaut werden, führt dies jedoch kurzfristig zu Änderungen der dem Brennerkessel zugeführten Brennstoff- und Luftmengen.

Um trotz dieser schwer kontrollierbaren Veränderungen vorgeschriebene Emissionswerte in den Abgasen einzuhalten, also die unverbrannten Rückstände zu minimieren, werden die Verbrennungsanlagen oftmals mit einem Luftüberschuß gefahren, wobei man sich an demjenigen Brenner orientiert, der den meisten Brennstoff und die relativ geringste Luftmenge durchsetzt, so da G die bei diesem Brenner anstehenden Betriebswerte die Führungsgröße für die Regelung des Verbrennungsprozesses darstellen. Dabei hat es sich in der Praxis herausgestellt, daß je nach Auslegung der Anlagen mit verschloißarmen Mengenteilern für den Kohlestaub und/oder nusroichfuidfm Moßlängen für die Einzelluftmengenmessun^

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an den einzelnen Brennern mit einem Luftüberschuß von etwa 15 bis 20% und bei Trockenfeuerungen mit an sich schlechteren Zündeigenschaften mit einem Luftüberschuß von etwa 20 bis 30% gefahren werden muß. Allerdings gehen mit diesem an sich für die Gesamtverbrennung nicht erforderlichen Luftüberschuß entsprechende Abgasverluste einher, so daß der Gesamtwirkungsgrad dieser Anlagen nicht zufriedenstellend ist.

Die Überwachung des Verbrennungsprozesses erfolgt im allgemeinen mit Rauchgas-Analysegeräten, wodurch die von ein oder mehreren Stellen aus dem Kessel abgezogenen Rauchgase kontinuierlich überprüft werden. Diese Überprüfung findet bei Rauchgastemperaturen um oder unter 500⁰C im Bereich der Austauschheizflächen oder am Kesselende statt. Diese Art der überwachung ist jedoch mit entsprechenden Zeitverzögerungen verbunden, da die abzuziehenden Rauchgase erst nach entsprechender Kühlung, Trocknung und Filterung der Analyse unterzogen werden können, so daß das gewonnene Analyseergebnis in aller Regel nicht mehr repräsentativ für den Ist-Zustand des Verbrennungsprozesses ist. Abgesehen davon ist mit der Rauchgasanalyse eine überwachung der Einzelbrenner nicht möglich, da die abgezogenen Rauchgase nicht den Einzelbrennern zugeordnet werden können. Somit ist auch mit der Gasanalyse lediglich ein Zusammenhang zwischen der Gesamtluftmenge und der Gesamtbrennstoffmenge mit den bei der Verbrennung entstehenden Rauchgasen möglich, so daß auch hierbei aufgrund der unterschiedlichen Betriebsverhältnisse der einzelnen Brenner mit einem entsprechenden Luftüberschuß gefahren werden muß.

Schließlich sind optische Meßverfahren bekannt, die auf der Basis der Absorption von ultravioletten, infraroten oder sichtbaren Lichtstrahlen arbeiten. Diese optischen Meßverfahren erlauben zwar eine schnellere Meßweise, allerdings mit nicht so hoher Genauigkeit und auch erst nach den letzten Kesselheizflächen bei Rauchgas-Temperaturen unter 300?C in gereinigtem Rauchgas.

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Aufgabe der Erfindung ist es, eine feinfühlige und schnelle Regelung des Verbrennungsprozesses zu ermöglichen und die Abgasverluste weitgehend zu minimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verbrennungsprozeß über die Stahlungsintensität der Brennerflammen gesteuert wird, derart, daß die Zufuhr an Brennstoff und/oder Verbrennungsluft zu den einzelnen Brennern in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität der Einzelbrenner erfolgt.

Hierdurch können Brennstoffqualitätsänderungen oder eine falsche oder xmgenaue Zuordnung von Brennstoff und Verbrennungsluft schnell und dine großen Aufwand festgestellt und durch entsprechende Beeinflussung der Zufuhr zu dem einzelnen Brenner ausgeglichen werden. Da über die Strahlungsintensität eine verläßliche Steuerung der einzelnen Brenner möglich ist, braucht die Anlage nicht mit einem Luftüberschuß gefahren zu werden, so daß die Abgasverluste minimiert sind. Gleichzeitig wird durch die feinfühlige Einstellungsmöglichkeit der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungsanlage wesentlich verbessert. Ein weiterer Vorteil besteht weiter in der verzögerungsfreien Steuerung des Verbrennungsprozesses.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Strahlungsintensität der Einzelflammen zur Steuerung der Einzelbrenner miteinander meßtechnisch verglichen. Zweck des Vergleiches ist es, einmal die Zuordung von Brennstoff und Verbrennungsluft so zu steuern, daß eine für jede Flamme optimale Energieumsetzung erreicht wird. Zudem kann eine gleichmäßige Verbrennungsqualität der Einzelbrenner eingestellt werden,

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wodurch eine Vergleichmäßig-ung des Verbrennungsprozesses erzielt werden kann. Zum anderen ist es möglich, bei herabgesetztem Gesamtluftüberschuß Störungen oder unzulässige Abweichungen im Verbrennungsablauf der Einzelflamme durch Vergleich der aufgenommenen Signale der Strahlungsintensität zu erkennen und korrigierend auf 'len Brenner bzw. die Zufuhr zum Brenner einzuwirken. Zvockmäßigerweise wird der Luftüberschuß so lange miiiimiert, bis erste Anzeichen von unverbrannten Rauchgasbestandteilen bei der Abgasanalyse festgestellt v/erden, im übrigen aber die Verbrennungsqualität der Einzelflammen untereinander gleich ist. Zusammengefaßt werden also die Unzulänglichkeiten der Brennstoff und/oder Luftverteilung zu den Einzelbrennern ausgeglichen und bei guten Verbrennungsergebnissen der ansonsten einen Abgasverlust verursachende LuftÜberschuß minimiert.

Einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Anlage sind zweckmäßigerweise jedem Brenner ein oder mehrere Strahlungsaufnehmer zugeordnet, so daß die Strahlungsintensität an allen wesentlichen Stellen der Einzelflamme abgenommen und damit ein zuverlässiges Bild über die Betriebsverhältnisse des Brenners erziel ^werden kann. Hierdurch kann auch unterschiedlichen Flammenlängen und Änderungen der Brennstoffzusammensetzung Rechnung getragen werden. Strahlungsaufnehmer, die auch Flammenwächter genannt werden, sind an sich bekannt und dienen zur Umsetzung von ultravioletten, infraroten oder sichtbaren Strahlen in Meßsignale.

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Eine sehr feinfühlige Steuerung des Verbrennungsprozesses läßt sich dadurch verwirklichen, daß zweckmäßigerweise je Einzelbrenner Strahlungsaufnehmer für verschiedene Wellenlängen zugeordnet sind.

Eine gute Bestimmung der Verbrennungsqualität der Einzelbrenner läßt sich dadurch erzielen, daß in vorteilhafter Weise je Einzelbrenner drei Strahlungsaufnehmer vorgesehen sind, von denen je einer der Flammenwurzel, der Hauptverbrennungszone und der Flammenspitze,' also den wesentlichen Flammenbereichen zugeordnet ist.

TJm die Steuerung einer veränderten Flammenlänge, wie sie beispielsweise bei Betrieb der Anlage unter Teillast auftritt, anzupassen, ist es zweckmäßig, daß wenigstens der Strahlungsaufnehmer schwenkbar gelagert ist, welcher der Flammenspitze zugeordnet ist. In gleicher Richtung wirkt die Maßnahme, daß die Strahlungsaufnehmer derart nebeneinander angeordnet sind, daß der Abstand nach Art der Strahlungsaufnehmer veränderbar ist. In diesem Zusammenhang ist es außerordentlich vorteilhaft, daß entsprechende Strahlungsaufnehmer der sämtlichen Einzelbrenner miteinander gekoppelt sind, so daß entsprechende Strahlungsaufnehmer sämtlich die gleichen Verstellbewegungen ausführen.

Zweckmäßigerweise erfolgt der meßtechnische Vergleich der Strahlungsintensität der Einzelbrenner über einen VergleichsverstSrker wobei den einzelnen Strahlungsaufnehmern gesonderte Meßverstärker nachgeschaltet sein können.

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Nachfolgend wird die Anlage zur Durchführung der gesteuerten Verbrennung anha.nd der Figur beschrieben, welche die Schnittansicht eines schematisch dargestellten Verbrennungskessels zeigt.

Der aus der Figur ersichtliche Verbrennungskessel 1 weist mehrere in einem Abstand zueinander angeordnete Einzelbrenner 2 auf, von denen der Einfachheit halber lediglich die Brennerdüsen dargestellt sind. Gemäß der dargestellten Ausführungsform weist der Verbrennungskessel 1 einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt auf und ist zweckmäßigerweise in den Eckbereichen abgeschrägt, so daß die Anordnung der Brenner 2 erleichtert wird. Die zweckmäßigerweise verstellbar in den Eckbereichen des Verbrennungskessels 1 gelagerten Einzelbrenner 2 blasen nicht unmittelbar zum Mittelpunkt des Verbrennungskessels 1, sondern in eine Richtung tangential zu einem gedachten Kreis, dessen Zentrum mit dem Mittelpunkt des Verbrennungskessels 1 übereinstimmt. Dieser Kreis ist in der Figur gestrichelt dargestellt. Durch diese Zuordnung der einzelnen Brenner 2 wird die gegenseitige Beeinflussung der Einzelflammen wesentlich reduziert, so daß hierdurch der Steuerungsprozeß nicht beeinträchtigt wird. Die von den Brennern 2 erzeugten Einzelflammen sind der besseren Übersichtlichkeit halber mit einem Bezugszeichen 3 versehen.

Im Bereich der Wand des Verbrennungskessels 1 sind Strahlungsaufnehmer 4 vorgesehen. Dabei sind jedem Brenner 2 bzw. jeder Einzelflamme 3 ein oder mehrere Strahlungsaufnehmer zugeordnet, wobei je Einzelflamme zweckmäßigerweise drei Strahlungsaufnehmer verwendet werden. Die einer jeden Einzelflamme 3 zugeordneten Strahlungsaufnehmer 4 sind gemäß dem dargestellten

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Aupführungsbeispiel so angeordnet, daß sich die einer Flamme zugeordneten Strahlungsaufnehmer je an einer Wand des Verbrennungskessels 1 befinden und ,je ein Stralilungsaufnehmer 4 auf die Flaroraenwurzel vor dem Bereich der Brennerdüse, auf die Hauptverbrennungszone und auf das Ende des Reaktionsbereiches, nämlich der Flammenspitze ausgerichtet ist. Durch diese Anordnung wird zum einen gewährleistet, daß sich die Strahlungsaufnehrner für verschiedene Einzelflammen 3 gegenseitig, d.h. durch die anderen Einzelflammen nicht beeinträchtigt werden und zum anderen, daß alle für den Verbrennungsablauf wesentlichen Bereiche durch einen Strnhlungsaufnehmer A erfaßt sind, so daß eine zuverlässige Beurteilung der Verbrennungsqualität ermöglicht ist.

Die Strahllingsaufnehmer 4 sind zweckmäßigerweise drehbar oder schwenkbar angeordnet, so daß die Strahlungsaufnehmer sehr leicht geänderten Verhältnissen angepaßt werden können, wie sie etwa bei Teillastbetrieb aufgrund der verminderten Flammenlänge oder bei einem Brennstoffwechsel eintreten können. Entsprechende Strahlungsaufnehmer 4 aller Einzelflammen 3 sind dabei miteinander gekoppelt, so daß die entsprechenden Strahlungsaufnehmer 4 gemeinsam miteinander verstellt werden können, also die gleichen Bewegungen ausführen.

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Claims

Herne 1, 8000 München 40,

Schaeferstraße 18 ΐ-ι-^ι ι ^ r» U o«u„ Eispnacher Straße 17

uipi.-ing. κ. π. oanr po

Dipl-Fhys. cdua.vl Betzier ί

⁵¹⁰¹⁴ Dipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl

lelegrammanschrlit: 35 30

Bahrpatente Herne PATENTANWÄLTE Tclngrammanschrlft:

Telex 08229853 Babetzpat München

Telex 5215380

Bankkonten:

Bayerische Vereinsbank München 952 Dresdner Bank AG Herno 7-520 499 Postscheckkonto Dortmund 558 68-467

Ref.: A 30 348 X/KO In der Antwort bitte angeben

Zuschrift bitte nach:

Abholfach

27. Juni 1980

STEACi Aktiengesellschaft, Bismarckstraße 54, 4300 Essen

Verfahren zur gesteuerten Verbrennung von festen fossilen Brennstoffen, insbesondere Kohlestaub

Patentansprüche

Verfahren zur gesteuerten Verbrennung von festen fossilen Brennstoffen, insbesondere Kohlestaub, bei welchem die Brennstoffe und die Verbrennungsluft über Einzelbrenner dem Verbrennungskessel zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsprozeß über die Strahlungsintensität der Brennerflammen gesteuert wird, derart, daß die Zufuhr an Brennstoff und/oder Verbrennungsluft zu den einzelnen Brennern in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität der Einzelbrenner erfolgt.
2.) Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsintensität der Einzelflammen zur Steuerung der Einzelbrenner miteinander verglichen wird. "

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3.) Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß jedem Brenner (2) ein oder mehrere Strahlungsaufnehmer (4) zugeordnet sind.
4.) Anlage nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß je Einzelbrenner (2) Strahlungsaufnehmer (4) für verschiedenen Wellenlängen zugeordnet sind.
5.) Anlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß je Einzelbrenner (2) drei Gtahlungsaufnehmer (4) vorgesehen sind, von denen je einer der Flammenwurzel, der Hauptverbrennungszone und der Flammenspitze zugeordnet ist.
6.) Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der einige Strahlungsaufnehmer (4) schwenkbar gelagert ist, welchex· der Flammenspitze zugeordnet ist.
7.) Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einer jeden Einzelflamme (3) zugeordneten Strahlungsaufnehmer (4) derart angeordnet sind, daß der Abstand benachbarter Strahlungsaufnehmer (4) veränderbar ist.
8.) Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende Strahlungsaufnehmer (4) der sämtlichen Einzelbrenner (2) miteinander gekoppelt sind, so daß die entsprechenden Strahlungsaufnehmer (4)

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sämtlich die gleiche Verstellbewegung ausführen.
9.) Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsaufnehmer (4) einem Vergleichsverstärker zugeschaltet sind.

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