DE3046142A1

DE3046142A1 - Verfahren zur herabsetzung der dunkelheit von abgasen der verbrennung fester brennstoffe mit luft in einem ofen

Info

Publication number: DE3046142A1
Application number: DE19803046142
Authority: DE
Inventors: Laxmi K. San José Calif. Rastogi
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1979-12-10
Filing date: 1980-12-06
Publication date: 1981-09-03
Also published as: US4309949A; GB2065280A; SE8008617L; JPS5691130A; FI803820L; GB2065280B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern oder Regeln des Dunkelheitsgrads der Abgase aus der Verbrennung von festem Brennstoff und Luft in einem Ofen, und insbesondere auf ein Verfahren zum Verringern der Dunkelheit solcher Verbrennungsabgase.

Da die Umweltbelastungen durch Abfallprodukte der Verbrennung in einem Ofen immer mehr zugenommen haben, wurde dem Dunkelheitsgrad der aus solchen öfen kommenden Abgase mehr und mehr Aufmerksamkeit zugewendet. Gleichzeitig haben aber die neuerlichen Preiserhöhungen der ölproduzierenden und exportierenden Länder (OPEC) zu einem zunehmenden Bewußtsein der Verringerung der Weltvorräte an flüssigen fossilen Brennstoffen geführt. Andererseits sind nach gegenwärtigen Schätzungen die Weltvorräte an festen Brennstoffen wie Kohle, Borkenholz u. dgl* bedeutend größer als die Weltvorräte an flüssigem fossilem Brennstoff. Die Nutzung dieser festen Brennstoffe erfordert hinsichtlich der Umweltbelastungen die Einhaltung bestimmter Auflagen bezüglich der Kontrolle der Dunkelheit der Abgase aus der Verbrennung der festen Brennstoffe und Luft in einem Ofen. Bisher erfolgte die Kontrolle der Dunkelheit der Abgase aus der Verbrennung festen Brennstoffs und Luft in einem Ofen ganz einfach gefühlsmäßig. Die Steuerung und Regelung bestand einfach darin, die Luftzufuhr zu vergrößern, falls der gemessene Dunkelheitsgrad größer ist als erwünscht, und umgekehrt,. die Luftzufuhr zu vermindern, falls der gemessene Dunkelheitsgrad niedriger ist als erwünscht.

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Es wurde jedoch gefunden, daß, wenngleich dieses einfache, auf Intuition beruhende Verfahren bei der Verbrennung flüssiger oder gasförmiger fossiler Brennstoffe und Luft in einem Ofen im allgemeinen genügt, die Kontrolle, d.h. die Steuerung oder Regelung der Dunkelheit der Abgase aus der Verbrennung von festem Brennstoff und Luft in einem Ofen andere Verfahren erfordert.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Steuern bzw. Regeln der Dunkelheit der Abgase aus der Verbrennung von festem Brennstoff und Luft in einem Ofen besteht in einer grundsätzlichen Ausfuhrungsform darin, daß zunächst die Dunkelheit der Abgase gemessen wird. Die Menge der in den Ofen eintretenden Luft wird dann verändert. Danach wird die Dunkelheit der Abgase erneut gemessen. Der später gemessene Wert der Dunkelheit wird mit dem früher gemessenen Wert verglichen. Schließlich wird die Menge der in den Ofen eintretenden Luft aufgrund des Vergleichs der beiden gemessenen Dunkelheitswerte gesteuert oder geregelt.

In der Zeichnung ist ein Kurvenbild dargestellt, das die prozentuale Abgasdunkelheit als Funktion der Menge der überschüssigen Luft veranschaulicht.

Das dargestellte Kurvenbild 10 ergibt sich bei der Verbrennung von festem Brennstoff und Luft in einem Ofen. Typische feste Brennstoffe sind Kohle und Borkenholz. Die Dunkelheit ist wie üblich in Prozenten zum Ausdruck gebracht; die Norm zum Errechnen der Dunkelheit, die durch

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für den Umweltschutz zuständige Stellen festgelegt ist, ist allgemein bekannt. Der auf der horizontalen Achse des Kurvenbilds angegebene Luftüberschuß kann gleichfalls prozentual ausgedrückt werden. Der Luftüberschuß ist diejenige Luftmenge, welche über die zur stochiometrischen Verbrennung erforderliche Luftmenge himuas vorhanden ist. Ein Luftüberschuß von 5% bedeutet also, daß Luft in einer 105% der zur stochiometrischen Verbrennung erforderlichen Luftmenge betragenden Menge vorhanden ist. Das Schaubild 10 zeigt eine etwa U-förmig gestaltete Kurve 12. Der Umstand, daß die Kurve 12 U-förmig gestaltet ist, ist wesentlich für die Erfindung. Wie aus dem Schaubild zu sehen ist, weist der mit"A" bezeichnete Teil der Kurve 12, d.h. die linke Hälfte der Kurve, einen bei Vergrößerung des Luftüberschusses abnehmenden Dunkelheitsgrad auf. Die Dunkelheit nimmt bis zu einem Mindestwert 14 ab. Jenseits des Punktes 14 in dem mit "B" bezeichneten Bereich,in dem der Luftüberschuß weitervergrößert wird, zeigt die Kurve einen Anstieg der Dunkelheit. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Dunkelheitsgrad bei Vergrößerung des Lüftüberschusses keineswegs monoton abnimmt» Vielmehr bewirkt von einem gewissen Punkt an eine weitere Zunahme des Luftüberschusses ein Wiederansteigen des Dunkelheitsgrades. Die Überlegungen des Erfinders bezüglich der Ursachen dieser überraschenden Erscheinung werden weiter unten erörtert.

Nach einem Verfahren gemäß der Erfindung zur Steuerung der Dunkelheit der Abgase der Verbrennung von festem Brennstoff

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und Luft in einem Ofen, der eine Vorrichtung zum Einstellen der Menge der in den Ofen eintretenden Luft aufweist, wird die Dunkelheit der Abgase zuerst gemessen. Wie aus dem Schaubild ersichtlich, kann der gemessene Wert 16 zwei verschiedenen Werten des LuftÜberschusses entsprechen, nämlich entweder dem Wert X₁ oder dem Wert X₁-. Zu einer wirksamen Steuerung der Dunkelheit der Verbrennungsabgase wird nun die in den Ofen eintretende Luftmenge geändert. Dies kann entweder geschehen durch Vergrößern oder durch Verkleinern der Luftmenge durch einen kleinen inkrementellen Betrag. Die Richtung der Änderung, d.h. ob sie im Sinne einer Vergrößerung oder einer Verkleinerung erfolgt, wird notiert. Danach wird die Dunkelheit der Abgase abgefühlt (oder nochmals gemessen). Es sei beispielsweise angenommen, daß der gemessene Wert 16 einem Luftüberschuß X₉ oder dem Punkt 20 auf der Kurve 12 entspricht. Der Betrag des Luftüberschusses wird nun gesenkt um einen Betrag AX, wobei der abgefühlte Wert bzw. der später gemessene Wert des Dunkelheitsgrades dem Betrag 18 entspricht. Der abgefühlte Dunkelheitsgrad 18 wird mit dem gemessenen Wert 16 verglichen. Der Vergleich zwischen dem abgefühlten Wert 18 und dem gemessenen Wert 16 wird dazu benutzt, den Dunkelheitsgrad der Abgase zu steuern bzw. zu regeln. Ist beispielsweise der abgefühlte Wert 18 kleiner als der gemessene Wert 16 und soll der Dunkelheitsgrad vermindert werden, so wird die Luftmenge in dem gleichen Richtungssinn wie ursprünglich bei der Veränderung um den kleinen inkrementellen Betrag der Luftmenge, d.h. ΔX geändert. In diesem Fall wird die Luftmenge weiter verkleinert. Wenn anderer-

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seits der Dunkelheitsgrad vergrößert werden soll und der abgefühlte Wert 18 ist kleiner als der gemessene Wert 16, so wird die Luftmenge im entgegengesetzten Richtungssinn wie ursprünglich bei der kleinen inkrementellen Veränderung um Ax geändert. In diesem Fall wird, wenn es erwünscht ist, den Dunkelheitsgrad zu vergrößern und der abgefühlte Wert 18 ist kleiner als der gemessene Wert 16, dieMenge des Luftüberschusses vergrößert.

Wie aus dem Schaubild ersichtlich, ergibt in dem Falle, daß der gemessene Wert 16 dem Punkt 22 auf der Kurve 12 entspricht, d.h. einen Luftüberschuß vom Wert X₁ eine Verkleinerung der überschüssigen Luftmenge um einen inkrementellen Schritt 4 X, einen abgefühlten Wert der Dunkelheit entsprechend dem Punkt 24 auf der Kurve 12. Der abgefühlte Wert der Dunkelheit entsprechend dem Punkt 24 auf der Kurve 12 wäre größer als der gemessene Wert 16. Wenn also der abgefühlte Wert größer ist als der gemessene Wert und es erwünscht ist, den Dunkelheitsgrad zu verkleinern, muß die Luftmenge in der entgegengesetzten Richtung geändert werden als ursprünglich bei der Änderung um den kleinen inkrementellen Luftmengenbetrag, d.h. der LuftÜberschuß muß vergrößert werden.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Dunkelheit der Abgase der Verbrennung aus festem Brennstoff und Luft in einem Ofen mit einem Sollwert der Dunkelheit, d.h. mit einem gewünschten Dunkelheitswert geregelt. In dem Schaubild ist ein Sollwert

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30 als erwünschter Dunkelheitsgrad der Abgase der Verbrennung von festem Brennstoff und Luft in einem Ofen gezeigt. Der gemessene Wert 16 ist größer als der Sollwert 30, und zwar um einen Betrag Delta. Nach dem Verfahren wird zunächst die Luftmenge in dem Ofen geändert, beispielsweise durch Vermindern der Luft um einen Betrag gleich Δ X. Die Dunkelheit der Abgase wird abgefühlt bzw. erneut gemessen. Der abgefühlte Wert wird mit dem Sollwert verglichen. Schließlich wird die in den Ofen eintretende Luftmenge aufgrund des Vergleichs zwischen dem abgefühlten Wert und dem Sollwert mit dem Betrag Delta gesteuert. Es sei z.B. angenommen, daß in dem Schaubild der gemssene Wert 16 des Dunkelheitsgrades einem Luftüberschuß X„ entspricht. Dann ergibt eine Änderung des in den Ofen eintretenden Luftüberschusses um einen Betrag Αχ einen abgefühlten Wert 18. Die Differenz zwischen dem abgefühlten Wert 18 und dem Sollwert 30 ist kleiner als der Betrag Delta. In diesem Fall wird die Menge des Luftüberschusses in derselben Richtung wie bei der anfänglichen Änderung des Luftüberschusses gesteuert, d.h. der Betrag des LuftüberSchusses wird verkleinert. Wenn der gemessene Wert 16 dem Punkt 22 auf der Kurve 12 entspricht, d.h. einem Lufttiberschuß vom Wert X₁, so ergibt eine Verringerung des Luftüberschusses um einen Betrag Δ X den Punkt 24 auf der Kurve 12. Der Vergleich zwischen dem abgefühlten Dunkelheitsgrad, der dem Punkt 24 entspricht und dem Sollwert 30 wäre größer als der Betrag Delta. In diesem Fall wird die in den Ofen eintretende Luft

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menge in der entgegengesetzten Richtung geändert als bei der anfänglichen Änderung der Luftmenge, d.h. der Luftüberschuß wird vergrößert.

Nach wiederum einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Dunkelheit der Abgase aus der Verbrennung von festem Brennstoff und Luft in einem Ofen mit einem Sollwert des Dunkelheitsgrades gesteuert und der Luftüberschuß wird möglichst klein gemacht. Wie aus dem Schaubild zu ersehen, kann der Sollwert 30 zwei Werten des Luftüberschusses, nämlich den Punkten 32 und 34 entsprechen. Um einen maximalen Wirkungsgrad der Verbrennung zu erreichen, ist es erwünscht, den Hitzeverlust aufgrund eines Luftüberschusses mögLchst klein zu machen, da der Sollwert 30 der Dunkelheit zwei ihm zugeordneten Werten des Luftüberschusses entsprechen kann, kann es, wenn einmal der Sollwert erreicht und den Umweltzwängen Genüge getan ist, aus Gründen des Wirkungsgrades erwünscht sein, den Luftüberschuß - soweit möglich,- zu verringern, bis zu einem unteren Wert des Luftüberschusses, der dem Sollwert 30 entspricht. Dann würde die Verbrennung von festem Brennstoff und Luft sowohl mit einem sehr guten Wirkungsgrad als auch genügend umweltfreundlich erfolgen. Im einzelnen besteht das Verfahren darin, zunächst den gemessenen Wert 16 des Dunkelheitsgrades herabzusetzen, ois .1er Sollwert 30 erreicht ist. Sodann wird die Menge der in den Ofen eintretenden Luft um einen kleinen Betrag vermindert. Der Dunkelheitsgrad des Abgases wird notiert. Falls der Dunkelheitsgrad des Abgases kleiner ist als der Sollwert 30, wird die

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Menge der in den Ofen eintretenden Luft weiter herabgesetzt, bis die Dunkelheit wieder den Sollwert 30 erreicht (Dies entspricht dem Fall, wo der Sollwert 30 bei einem Betrag 32 des Luftüberschusses wirksam ist. Eine weitere Herabsetzung des Luftüberschusses würde die Dunkelheit auf den Sollwert 30 zurückbringen, aber bei einem geringeren Wert des Luftüberschusses, nämlich 34). Falls die Dunkelheit des Abgases größer ist als der Sollwert 30, nachdem der Luf tuber schliß um einen kleinen Betrag vermindert ist (wie in dem Falle, daß der Sollwert 30 bereits bei dem kleineren Wert des Luftüberschusses, nämlich 34 wirkt), wird der Luftüberschuß auf seine ursprüngliche Höhe zurückgebracht.

Die ü-förmige Gestalt der Kurve 12 des Schaubildes als Ergebnis der Verbrennung von festem Brennstoff und Luft in einem Ofen ist nach Ansicht des Erfinders wie folgt zu erklären: In dem mit 'R" bezeichneten Teil der Kurve, wo eine Zunahm«' der Luft einti Abnahme der Dunkelheit ergibt, bewirkt wahrscheinlich eine Zunahme der Luft eine Abnahme der unverbrannten Kohlenstoffteilchen. Wenn aber die Luftmenge weiter ansteigt, geht die Kurve 12 in den mit "B" bezeichneten Teil über, in welchem der Dunkelheitsgrad infolge des Ergebnisses der Verbrennung der Kohlenstoffteilchen entsprechend zunimmt. Im einzelnen ergibt die Verbrennung festen Brennstoffs größere Mengen Aseheteilchen, die von dem Abgasstrom in die Luft mitgenommen werden als die Verbrennung flüssiger oder gasförmiger fossiler Brennstoffe. Somit ist dio Erhöhung des Dunkelheitsgrades mit einer entspre-

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chenden Vergrößerung des Luftüberschusses offenbar durch die Ascheteilchen zu erklären, die das Ergebnis der Verbrennung von festem Brennstoff und Luft ist. Allerdings ist nach Ansicht des Erfinders zu vermuten/ daß eine weitere Vergrößerung der Luftmenge an einem bestimmten Punkt zur Folge haben könnte, daß der Dunkelheitsgrad auf einer Höhe verbleibt (level off) oder wieder abnimmt.·

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Claims

PL.-I NG. J. R ICHTER *.-**.-' .:..:.. -ρ" A f E N T A N W A L T E

DIPL.- ING. F. WERDERMANN

ZUSEL. VERTRETER BEIM EPA · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEPORE EPO · MANDATAIRES ASREES PRES L'OEB

D-2OOO HAMBURG

NEUER WALL

9f (O 4O) 34OO4E/34OO56 TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

IHR ZEICHEN/YOUR FILE

UNSER ZEICHEN/OUR FIUE M. 80

datum/date 5. Dezember 198C

P atentan-Sprüche

Verfahren zur Herabsetzung der Dunkelheit der Abgase aus der Verbrennung von festen Brennstoffen und Luft in einem Ofen von einem gemessenen Wert aus, der mit einer Vorrichtung zum Einstellen der in den Ofen eintretenden Luftmenge versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der in den Ofen eintretenden Luft zunächst in einer Richtung geändert, dann die . Dunkelheit der Abgase abgefühlt, der abgefühite Wert mit dem gemessenen Wert verglichen rand die Menge der in den Ofen eintretenden Luft aufgrund des Vergleichs zwischen dem abgefühlten Wert und dem gemessenen Wert gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der abgefühlte Wert größer als der gemessene Wert ist, die Steuerung dadurch vorgenommen wird, daß die Menge der in den Ofen eintretenden Luft in entgegenge-

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ORIGINAL INSPECTED

setzter Richtung geändert wird als bei der anfänglichen Änderung der Luftmenge·
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der abgefühlte Wert kleiner ist als der gemessene Wert, die Steuerung dadurch vorgenommen wird, daß die zugeführte Luftmenge in der gleichen Richtung weiterverändert wird.
4. Verfahren zum Regeln des Dunkelheitsgrades der Abgase aus der Verbrennung von festen Brennstoffen und Luft in einem Ofen, dadurch gekennzeichnet, daß der Dunkelheitsgrad der Abgase gemessen, die Luftmenge zunächst in einer Richtung verändert, die Dunkelheit der Abgase abgefühlt, der abgefühlte Wert mit dem gemessenen Wert verglichen und die Luftmenge aufgrund des Vergleichs zwischen dem abgefühlten Wert und dem gemessenen Wert geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der abgefühlte Wert kleiner ist als der gemessene Wert und die Steuerung oder Regelung dadurch erfolgt, daß die Luftmenge in derselben Richtung weiterverändert wird wie die anfängliche Veränderung,um die Dunkelheit der Abgase zu verringern.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der abgefühlte Wert größer ist als der gemessene

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. Wert und die Steuerung oder Regelung in der Weise erfolgt, daß die Menge der in den Ofen eintretenden Luft in entgegengesetzter Richtung geändert wird als bei der anfänglichen Änderung der Luftmenge, um die Dunkelheit der Abgase zu vermindern.
7. Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Dunkelheit der Abgase aus der Verbrennung von festem Brennstoff und Luft in einem Ofen, der mit einer Vorrichtung zum Einstellen der in ihn eintretenden Luft versehen ist, wobei ein Sollwert der Dunkelheit bekannt und ein gemessener Wert der Dunkelheit um einen Betrag Delta größer ist als der Sollwert, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der in den Ofen eintretenden Luft zunächst in einer Richtung geändert, die Dunkelheit der Abgase abgefühlt, der abgefühlte Wert mit dem Sollwert verglichen und die Menge der Luft aufgrund des Vergleichs zwischen dem abgefühlten Wert und dem Sollwert und dem Betrag Delta geregelt oder gesteuert wird, bis die Dunkelheit den Sollwert erreicht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich einen größeren Wert als den Betrag Delta ergibt und die Steuerung in der Weise erfolgt, daß die Menge der in den Ofen eingeleiteten Luft in entgegengesetzte Richtung geändert wird als die anfänglich vorgenommene Änderung der Luftmenge.

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9. Vergleich nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich einen kleineren Wert als den Betrag Delta ergibt und die Steuerung in der Weise vorgenommen wird/ daß die Luftmenge in gleicher Richtung wie die ursprünglich vorgenommene Änderung weiterverändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der in den Ofen eingeführten Luft verringert, die Dunkelheit der Abgase nach der Verringerung notiert und die Menge der in den Ofen eingeführten Luft derart eingestellt wird, daß die Abgase dem Sollwert entsprechen und die Menge der in den Ofen eingeführten Luft bei dem notierten Dunkelheitswert ein Minimum beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der notierte Dunkelheitswert kleiner als der Sollwert und die Einstellung in der Weise erfolgt, daß die Menge der in den Ofen eintretenden Luft kontinuierlich herabgesetzt wird, bis die Dunkelheit der Abgase dem Sollwert entspricht.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der notierte Dunkelheitswert größer ist als der Sollwert und die Einstellung in der Weise vorgenommen wird, daß die Menge der in den Ofen eintretenden Luft geändert wird, bis die Dunkelheit der Abgase dem Sollweit entspricht.

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