DE3208567A1

DE3208567A1 - Regeleinrichtung fuer eine dampfkesselfeuerung

Info

Publication number: DE3208567A1
Application number: DE19823208567
Authority: DE
Inventors: Arthur Douglas Allen; Laxmi Kant San Jose Calif. Rastogi; John Y.H. Cupertino Calif. Tsing
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1981-03-12
Filing date: 1982-03-10
Publication date: 1982-09-23
Also published as: ZA821264B; JPH0147688B2; JPS57179515A; GB2094956B; FI70633B; DE3208567C2; FI70633C; US4362269A; SE464543B; SE8201529L; CA1167334A; GB2094956A; FI820703L

Description

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Die Frfinduru] bezieht, sich auf eine Regeleinrichtung für eine Dampfkessel feuerung mit Luftzufuhr unterhalb eines Feuerbettes oder an dem Feuerbett (Unterwind) zur Vorverbrennung des Brennstoffs in dem Feuerbett und mit Luftzufuhr oberhalb des Feuerbettes (Oberwind) zur Vervollständigung der Verbrennung sowie auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Einrichtung. Dabei werden Oberwindluft und Unterwindluft selektiv geregelt. Die Erfindung ist auch ohne weiteres anwendbar auf Regenerationskessel, wie sie beispielsweise, in Verbindung mit der Schwarzlauge bei der Papierherstellung verwend-]0 bar sind.

Kessel der hier zur Rede stehenden Art sind solche, in denen ein fester Brennstoff, wie z.B. Kohle oder Holz, auf einem Feuerungsbett oder Rost verbrannt wird. Bei einem solchen Kessel wird Luft sowohl unterhalb des Feuers oder Brennstoffbettes als auch oberhalb davon zugeleitet. Man spricht dann von Unterwindluft bzw. Oberwindluft. Im allgemeinen dient die Unterwindluft zur Einleitung der Verbrennung und zum Austreiben flüchtiger Stoffe aus dem Kohlen- oder Holzbett, und die Oberwindluft erzeugt eine turbulente Strömung und bewirkt die Verbrennung des aus dem Feuerungsbett ausgetriebenen Kohlenmonoxids. Bei einem Regenerationskessel wird die Unterwindluft im Feuerungsbett aktiv zugelassen und als Primärluft bezeichnet und die Oberwindluft ist die Sekundärluft.

Im Gegensatz zu Kesseln mit öl- oder Gasfeuerung weist ein Kessel für feste Brennstoffe ein Glutbett auf. Dieses Glutbett muß stets sorgsam behandelt werden. Zur einwandfreien Verbrennungsregelung ist es wichtig, dafür zu sorgen, daß der verwendete Brennstoff auf die bestmögliche Weise ausgenutzt wird. Daher soll die Menge des

durch den Schornstein entweichenden Luftübersc'hussps niörji ichst klein gehalten werden, und gleichzeitig sollen din durch den Schornstein abströmenden Produkte unvollständiger Verbrennung (CH ) ebenfalls

möglichst klein gehalten werden. Dies sind die hauptsächlichen Aufgaben einer Verbrennungsregelung bei Kesseln mit Gas- oder ölfeuerung, nicht aber für mit festen Brennstoffen zu betreibende Kesselfeuerungen oder für Regenerationskessel. Bei diesen muß vielmehr auch die Menge nicht verbrannten Brennstoffs in der Asche oder Schmelze sowie der Rückstand an brennbaren Stoffen (CH ), der durch den Schornstein abgeht, möglichst klein gehalten werden.

In dem Brennstoffbett eines Kessels für feste Brennstoffe sind bekanntlich mehrere verschiedene Verbrennungszonen vorhanden. Hierzu gehört z.B. eine Oxidationszone, in welcher Kohlenstoff zu Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt wird und Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid

(CO) reduziert werden kann. Außerdem sind noch weitere Zonen vorhanden. In jedem Fall gehen sehr komplexe chemische Reaktionen vor sich, die von vielen Parametern abhängen und von Kessel zu Kessel verschieden sein können. In Regenerationskesseln kommt es zu analogen Reaktionen.

Um eine Verbrennung mit möglichst gutem Wirkungsgrad zu erreichen, sind Rauchgasanalysatoren entwickelt worden, welche die Menge des Kohlenmonoxids, des Kohlendioxids und auch die verbrennbaren Rückstände (CH ) messen. Es sind natürlich auch im Auftrag der • Environmental Protection Agency (EPA) Messungen der salpetersauren oder salpeterhaltigen Oxide, des Schwefeldioxids und der Lichtundurchlässigkeit (die ein Maß für in dem Rauchgas vorhandenen Ruß oder Asche darstellt ) ausgeführt worden. Außerdem wurden Rück-

kopplungsregelverfahren entweder vorgeschlagen oder tatsächlich ausgeführt, bei denen einige der vorstehend genannten Parameter zur überwachung oder RcC)Olung des Wirkungsgrads der Verbrennung benutzt wurden. Z.B. wird in dem North American Combustion Handbook, 1978, 2. Ausgäbe, herausgegeben von der North American Manufacturing Company, auf den Seiten 67 und 68 ausgeführt, daß ein Optimum des thermischen Wirkungsgrads dadurch erreichbar ist, daß der maximale Prozentsatz an Kohlendioxid in dem Rauchgas hervorgebracht wird. Außerdem wurde eine Regelung der Unterwindluftströmung als Funktion der Menge des Kohlenmonoxids oder des Sauerstoffs in dem Abgas auf einen wählbaren Sollwert durchgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art und ein entsprechendes Verfahren zur Optimierung der Verbrennung in einer Kesselfeuerung zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Es handelt sich dabei um eine Regeleinrichtung und ein entsprechendes Regel verfahren für einen Dampfkessel mit Feuerbett aus Brennstoff, bei dem Luft als Unterwind unterhalb des Feuerbetts oder an diesem zugeführt wird, um die Vorverbrennung des Brennstoffs in dem Feuerbett durchzuführen. Oberhalb des Feuerbetts wird Oberwindluft zugeführt, um die Verbrennung zu vervollständigen. Mit dem Schornstein des Kessels ist eine Vorrichtung zum Abfühlen des Kohlendioxid- und des Kohlenmonoxidgehalts in dem Rauchgas verbunden. Die Menge der dem Kessel zugeführten Unterwindlüft wird als Funktion des Kohlendioxids oder des Dampf/Brennstoffverhältnisses gesteuert. Die Menge der Oberwindluft wird als Funktion des Kohlenmonoxids gesteuert.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen] beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Kessels für festen Brennstoff gemäß der Erfindung.

F i g . 2 eine noch mehr ins Einzelne gehende Darstellung eines Kessels für festen Brennstoff, wie er in Fig. 1 schematisch gezeigt ist.

Fig. 3 ein Schaltschema der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung. ' .

F i g . 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung von Fig. 3.

Fig. 5 eine Tabelle zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung nach Fig. 3.

Fig. 6 eine schemati sehe Darstellung der Schaltung und Arbeitsweise eines Teils des Lufteinlasses einer abgewandelten Ausführungsform eines Kessels gemäß der·Erfindung und

Fig. 7 die schematische Darstellung eines Regenerationskessels mit den Merkmalen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Dampfkessel 10, der mit festem Brennstoff wie Kohle oder Holz betrieben wird. Der Brennstoff wird bei 11 auf einen beweglichen Rost 12 aufgegeben. Die Verbrennungsluft wird als Oberwindluft 13 und als Unterwindluft 14 zugeführt. Es kann eine Zwangsluftzufuhr (FD) mittels eines Gebläses 16 vorgesehen sein.

.Das Feuerbett 17 auf dem Rost 12 erzeugt Dampf in den Kessel rohren 18. Oie Dampfmenge ist mit 19 bezeichnet.

Das Rauchgas wird durch ein Sauggebläse 21 in einen Schornstein 22 abgezogen. An dem Schornstein ist ein Rauchgasanalysator 23 vor-

gesehen, der einzelne Fühlereinheiten an sich bekannter Art aufweist, welche die Menge an Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CCL), brennbaren Rückständen (CH ) und den Grad der Lichtundurchlässigkeit (OP) in dem Rauchgas anzeigen. Die Fühlereinheiten sind mit 24 bis 27 bezeichnet. Ferner ist die Regelung der Brennstoffzufuhr durch die Gattereinheit 28 angedeutet. Die Größe der Brennstoffzufuhr ist durch den Brennstoffmengenanzeiger 29 angedeutet.

Die eingegebenen Oberwind- und Unterwindluftmengen werden durch Sensoren bestimmt und die entsprechenden Werte bei 31 und 32 angegeben. Die Werteingaben zur Regelung der Luftströmungen mit Hilfe von Drosselklappen sind mit 33 und 34 bezeichnet.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann ein zur Ausbreitung des Brennstoffs dienender Brennstoffverteiler, wie in Fig. 2 dargestellt, verwendet werden. Hier ist eine Luftkammer 41 mit einer Lufteintrittsöffnung 42 unterhalb des Rostes vorgesehen. Die Luftkammer ist von einer beweglichen Brennstofförderkette 43 überdeckt. Auf der Oberseite der Brennstofförderkette wird das Feuerbett 17 getragen. An dieser Stelle wird vorn, seitlich und hinten Oberwindluft zugeführt. Die vordere Oberwindluftzuführung ist mit 44 und die hintere mit 46 und 47 bezeichnet. 48 ist ein Kohleschacht und 49 eine Zuführungsvorrichtung zum Einwerfen von Brennstoff in den Ofen. Die Oberseite der Brennstofförderkette 43 bewegt sich zu einem •Aschenschacht 51 hin.

Im allgemeinen wird bei einem Kessel für verteilt ausgebreiteten festen Brennstoff der Brennstoff bei gleichmäßiger Ausbreitung über das Feuer geworfen. Dies erlaubt die Verbrennung einer Suspension feiner Brennstoffpartikel, wobei die schwereren Stücke, die

nicht von der Gasströmung getragen werden können, auf den beweglichen Rost fallen und dort in einem dünnen schnell brennenden Bett verbrannt werden, das sich zur Vorderwand des Kessels hin bewegt. Dieses Feuerungsverfahren ergibt äußerste Empfindlichkeit bei Lastschwankungen, da die Zündung nahezu augenblicklich mit einer Zunahme der Feuerungsgeschwindigkeit erfolgt.Außerdem kann das Brennstoffbett gewUnschtenfa.il;; rasch ausgebrannt worden.

Fig. 3 zeigt die Regeleinrichtung für den Dampfkessel nach Fig. 1. Rechts am Rande von Fig. 3 sind die verschiedenen Ein- und Ausgaben übereinander dargestellt. Dies bedeutet, daß verschiedene Sensoren den Dampf, den Brennstoff, das Kohlendioxid, die Lichtundurchlässigkeit, das Kohlenmonoxid und die brennbaren Rückstände abfühlen. Dies geschieht wie nachstehend beschrieben mit Hilfe der Messung der vorhandenen Unterwind- (U.G.) und Oberwindluft (0.F-.) 31, 32, Es sind zwei Regelkreise vorhanden, die zum Nachstellen der entsprechenden Luftströme in den Leitungen '33 und 34 dienen.

Zunächst besteht das Konzept hinsichtlich der Unterwindluftregelung darin, das festgestellte Kohlendioxid zu maximieren.

Das bei 25 festgestellte CO« wird also einer Maximalwertregeleinheit (extremum controller unit) 52 zugeführt, die durch eine Ansteig- oder Stufenwirkung den Maximalwert an Kohlendioxid abfühlt und die Unterwindluft bei 33 entsprechend verändert. Mit anderen Worten, die Veränderung des Kohlendioxidausstoßes mit der Unterwindluft als Parameter ist eine Kurve mit einem Maximum, und die Unterwindluftzufuhr wird verändert, bis ein Maximum der Kohlendioxidmenge gemessen wird. Eine solche Maximalwertregelung

(extremum control) wird durch die Tabelle von Fig. 5 erläutert, wo die Bewegungen der Unterwindluft (bezogen auf eine angenommene konstante Brennstoffzufuhr) angegeben sind. Es v/ird notiert* ob der Wert der letzten Kohlendioxidmessung großer oder kleiner b wird, bis der Extremwert oder das Maximum erreicht wird. Die Extremwert- oder Maximalwertregelung ist an sich in der Regeltechnik bekannt. Sie wird z.B. erörtert in dem Artikel "Extremum Control Systems - An Area For Adaptive Control?" von Jan Sternsby, erstmals bekanntgegeben in Verbindung mit der 1980 Joint Automatic Control Conference, die vom 13. bis 15. August 1980 in San Francisco, Kalifornien, stattfand. Die spezielle hier benutzte Regeltechnik ist ähnlich den in dem erwähnten Artikel beschriebenen "stepping methods". In dem Artikel werden auch andere Verfahren erörtert, die angewendet werden können, wie z.B. ein Gradientenverfahren Vj (sione Mode Oriented Methods).

Als eine Alternative zur Regelung der Unterwindluft durch Messung des Kohlendioxids kann man auch das Dampf/Brennstoffverhältnis wie bei 53 angegeben benutzen. Dies empfiehlt sich besonders für Kessel mit genauen Messungen der Brennstoff- und Dampfflüsse sowie zur Feststellung gewisser unerwünschter Bedingungen wie Brennstoffstau oder Brennstoffanhäufung, wie er bei Kesseln vorkommen kann. Somit wird im allgemeinen der Gebrauch von CO₂ oder des Dampf/Brennstoffverhältnisses, entweder getrennt oder in Kombination miteinander durch das Maß von deren jeweiliger Vertrauens- ?.b Würdigkeit bestimmt. Natürlich ist das Dampf/Brennstoffverhältnis eine letzte Messung des Kesselwirkungsgrades, da es dem Verhältnis von Ausgabeenergie zur E.ingabeenergie entspricht. Somit wird im

\.\j2li8bu7

Endeffekt ein kreuzweise verkettendes Schema (a cross limiting scheme) bezüglich des Dampf/Brennstoffverhältnisses benutzt, um für eine Veränderung entsprechend diesem Verhältnis zu sorgen, wobei vielleicht heterogene Brennstoffbettzustände dies gewährleisten können. Es ist zu beachten, daß in der Tabelle von Fig. h dieses Verhältnis (S/F) auch als eine Alternative zu Kohlendioxid angegeben ist.

Zu einem anderen, wahlweise anwendbaren Verfahren zur Maximal Wertregelung gehört der Einsatz eines quadratischen Polynoms für' COp als Funktion der vorangegangenen Werte für das Luft/Brennstoffverhältnis und den Brennstofffluß. Ein zweites quadratisches Polynom für das Dampf/Brennstoffverhältnis wird gleichfalls als Funktion der letzten Werte des Luft/Brennstoffverhältnisses und des Brennstoffflusses eingesetzt. Ein rekursives, exponentiell gewichtetes Kleinstquadratverfahren, wie es im Abschnitt 7,3.1 in dom Buch "Dynamic System Identification" von G.C. Goodwin und R.L. Payne, Verlag Academic Press, 1977, Seiten 180 ff. angegeben ist, wurde zur Berechnung oder Identifikation der polynomen Parameterkoeffizienten benutzt. Danach wurde die Theorie der Rechnung angewendet, um den Ausdruck zur Abschätzung der Lagen der Luft/Brennstoffverhältnisse aufzufinden, wo das Maximum des COp-Gehalts und das Maximum der Dampf/ Brennstoffverhältniswerte auftreten".

Es sei beispielsweise angenommen, daß das Dampf/Brennstoffverhältnis polynomisch gegeben sei durch

S/F = A₁ A/F² + A2 A/F + A₃ F + A₄ A/F · F + A₅ (1)

Für AKO tritt das Maximum des Dampf/Brennstoffverhältnisses auf, wenn

d A/F
d.h.

A,A/F + A₉ + A- F (2)

A/F zu max S/F = —?· - -!— (³)

worin S/F = Dampf/Brennstoffverhältnis A/F = Luft/Brennstoffverhältnis

A.J = identifizierte Parameter für i = 1, 2, 3, 4, 5,

Der Ausdruck für das Luft/Brennstoffverhä'ltnis entsprechend dem Maximum von CCL, nämlich A/F bei max CO₉, kann ebenso wie in der vorstehenden Gleichung 3 geschrieben werden.

Der Maximalwertwertregler wird dann benutzt, um den Luft/Brennstoff verhältnis-Sollwert auf eine der folgenden drei Arten ansteigen zu lassen:

a) A/F beim Maximum von S/F

b) A/F beim Maximum von CO₂

c) algebraische Kombination von a) und b).

Der Schlüssel dieser Regelung besteht darin, daß die genannten Luft/Brennstoffverhältniswerte sich mit den Änderungen der Zusammensetzung und Verteilung des Brennstoffs sowie der Arbeitsbedingungen des Kessels ändern. Zur Identifikation werden die tatsächlichen Meßwerte benutzt, um die beiden quadratischen polynomischen Parameter auf den neusten Stand zu bringen, wenn die neuen Messungen bekannt werden. Durch diese Identifikation werden die Luft/Brennstoffverhältniswerte für das optimale Dampf/Brennstoffverhältnis und CO₂ jederzeit vorausbestimmt.

In den Maximalwertregier 52 wird auch ein Wert der Lichtundurchlässigkeit 27 eingegeben und dazu benutzt, für zusätzliche Unterwindluft zu sorgen, wenn die Oberwindlufteingabe einen Maximalv/ert aufweist. Dies geschieht aus dem Grunde, um beispielsweise den Richtlinien der EPA (Environmental Protection Agency) zu genügen. Die Unterwindluftanzeige 31 wird in Beziehung gesetzt zu der Dampferzeugungsangabe 19 oder dem Brennstoffe!ngabewert 29 und bei 54 mit dem Einstellpunkt-Ausgangswert des Reglers 52 summiert. Dies ergibt . ein Unterwindluft/Dampf- oder Unterwindluft/Brennstoff-Fehlersignal für den Regler C5. Auf diese Weise wird eine Zwischenregel schleife gebildet. Schließlich wird die innerste Regelschleife dadurch gebildet, daß bei 56 eine Summierung der Unterwindlufteingabe 31 und des Ausgabewerts des Reglers C5 erfolgt. Dies ergibt nach Verarbeitung in der Reglereinheit 57 im Effekt ein Unterwindluft-Fehlersignal auf der Unterwindluft-Steuerleitung 33.

Die Oberwindluft wird nach Fig. 3 durch drei parallele Regler Cl, C2 und C3 gesteuert, von denen jeweils nur einer wirksam ist. Einer dieser Regler empfängt eine Eingabe von einem Einstellpunkt (SP) für verbrennbare Rückstände, der zweite eine Eingabe von einem Einstellpunkt für Kohlenmonoxid und der dritte eine Eingabe von einem Einstellwert der Lichtundurchlässigkeit. Diese werden bei 61, 62 und 63 mit den Istwerten der genannten Parameter summiert. Die Auswahl eines dieser drei Parameter als Sollwert für die Oberwindluft wird durch einen Schalter T angezeigt. Diese Auswahl wird jedoch vervollständigt durch einen Satz von Zustandsübergang-Logikgleichungen, wie sie in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt sind. Der resultierende Sollwert auf der Leitung 64 wird bei 66 mit einer Eingabe aus 67 summiert, die eine Verhältniszahl, entweder Oberwind-

luft/Dampf oder Oberwindluft/Brennstoff sein kann. Die bei 66 gebildete Summe ist ein Oberwindluft-Fehlersignal, das durch den Regler C4 verarbeitet wird. Auf diese Weise wird eine Zwischenregelschleife gebildet. Die letzte innerste Regelschleife für die Oberwindlufteingabe 32 und den steuernden Ausgangswert 34 wird durch die Summierungseinheit 68 vervollständigt, welche die Oberwindlufteingabe 32 und den Ausgangswert aus dem Regler C4 empfängt und ein Oberwindluft-Fehlersignal an einen Regler 69 leitet, der die Oberwindluft-Steuerleitung 34 speist.

Im allgemeinen ist die mittlere Regelschleife, die das Oberwindluft/Dampf- oder das Brennstoffverhältnis benutzt und mit 67 bezeichnet ist, für dieses Reglerschema nicht unbedingt erforderlich.

Als teilweise Zusammenfassung der Erfindung und unter Bezugnähme auf Fig. 3 kann festgestellt werden, daß die Regelung der Unterwindluft, die bei manchen Kesseln etwa 80% der gesamten Verbrennungsluft ausmacht, in der Weise verwirklicht wird, daß das Kohlendioxid (und/oder das Dampf/Brennstoffverhältnis) ausschließlich gemessen wird. Dabei wäre natürlich eine Messung der Sauerstoffkonzentration als Äquivalent brauchbar. Es wird angenommen, daß keine theoretische Rechtfertigung für die Verwendung von Kohlenmonoxid für diesen Zweck besteht.

Andererseits wird das Kohlenmonoxid dazu benutzt (wie nachstehend als Alternative zu den brennbaren Rückständen oder der Lichtundurchlässigkeit erörtert), um die Oberwindluft zu regeln. Dies geschieht, weil die Anwesenheit von Kohlenmonoxid in dem Rauchgas hauptsächlich ein Indiz für nicht einwandfreie Mischung der Ober-

3 < UobbV

windluft mit dem Kohlenmonoxid oder für eine Annäherung an die stöchiometrischen Verbrennungsbedingungen, in der Oxidationszone ■ oberhalb des Bettes ist. Dies liefert aber nur eine sehr begrenzte Information über den Zustand des Feuerbetts selbst. Andererseits wird angenommen, daß die Kohlendioxidmessung (oder als Alternative dazu das Dampf/Brennstoffverhältnis) mehr über den Zustand des Feuerbetts aussagt. Somit stellt das Obige eine teilweise Zusammenfassung des Grunds für das Regeleinrichtungsschema, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, dar.

TABELLE I

T=O oder l'oder 2

Einleitung: T=I

Zustands'übergangs-Logi k:

d.h. CO-Regelung

O wenn CH_V > CH_VV und OP < 0P_v und CO <. C0_v

X XX X X

Aktivierung

der CH-Re- ·

gelung wenn CH_x > CH + CH_DZ und OP·

CO < CO

sp

T > 1 wenn CO > CO und OP C OP

Λ Χ

Aktivierung
der CO-Regelung wenn CO > C0_sp + C0_QZ und CH < CH und

OP ^ OP

sp

2 wenn OP > OP.

Aktivierung

_keits regelung PRIORITÄT

Tabelle I und Fig. 4 veranschaulichen die Übergangslogikgleichungen für die Wahl einer der drei parallelen Regeleingaben für die Oberwindluft entsprechend Fig. 3, nämlich Verbrennungsrückstand^, Kohlenmonoxid und Lichtundurchlässigkeit des Rauchgases. Diese Angaben der Übergangslogikgleichungen von Tabelle 1 sind gleichwertig den entsprechenden Angaben in Fig. 4. Die höchste Priorität der Regelung erhält dabei, wie angegeben, die Lichtundurchlässigkeit, die zweithöchste Kohlenmonoxid und die dritthöchste CH . Im all gemeinen überholt die Lichtundurchlässigkeitsregelung die Kohlenmonoxidregelung, wenn die Lichtundurchlässigkeit eine vorbestimmte Grenze überschreitet. Ferner überholt die Kohlenmonoxidregelung die CH -Regelung, wenn der abgefühlte Wert des Kohlenmonoxids eine vorbestimmte Grenze überschreitet.

Dies alles ist in Fig. 4 veranschaulicht, wo z.B. bezüglich des Kohlenmonoxidsteils des Diagramms angegeben ist, daß der Kohlenmonoxideinstellpunkt (CO S.P.) eine Kohlenmonoxid-Totzone (CO^) enthält. Eine solche Totzone verhindert Dauerschwingungen (hunting). Totzonen sind auch in den anderen Regelkanälen vorhanden. Das Maximum für Kohlenmonoxid ist als CO bezeichnet, und an dieser Stelle tritt ein Alarmzustand auf. Das gleiche trifft zu für das Maximum an brennbaren Rückständen, das mit CH bezeichnet ist.

ΛΛ

Was die Lichtundurchlässigkeit angeht, so ist die Höhe, bei der eine Verletzung der EPA-Bedingungen eintritt, mit OP bezeichnet.

Typische .Werte, auf welche die verschiedenen Einstellpunkte festgelegt werden, liegen im Bereich von 0,1 bis 1% im Falle von CH , 200 ppm bis 1500 ppm im Falle des Kohlenmonoxids, und 10 bis 20% für die Lichtundurchlässigkeit. Diese Werte hängen natürlich stets von der Art des Kessels und von der Art des speziellen Brennstoffs

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ab. Auch hängen die Werte von den in Betracht kommenden Umgebungsbedingungen ab. Z.B. kann es bei guten stöchionietrisehen Bedingungen sein, daß für einen Kessel oder eine bestimmte.Art von Holz als Brennstoff der Kohlenmonoxideinstellpunkt kritisch auf einen vergleichsweise niedrigeren Wert eingestellt werden sollte als die übrigen Einstellpunkte. In jedem Fall geht aus. dieser Zustandsübergangslogik klar hervor, daß jeweils nur ein Regler für die Oberwindluft wirksam ist. Tabelle II zeigt die tatsächlichen Arbeitsdaten eines mit Holzfeuerung und zwei mit Kohlefeuerung betriebenen Kesseln für festen Brennstoff.

	IABELLJLIi	KOHLE NR. 1	KOHLE NR. 2
BRENNSTOFFART	HOLZ	10,1	9,5
Sauerstoff in %	4,2	171	233
CO ppm	580	12,1	12,1
co₂ %	14,8	31,2	-
Lichtundurchlässigkeit	% ?*	0,1	0,1
Brennbare Rückstände	* 0,1	48	53
Brennstofffluß MPPH	92	158	154
Dampffluß MPPH	254	127	155
Unterwindluftfluß MPPH	319	3,29	2,91.
Dampf/Brennstoff-Zu nahme	2,76	(79)	(100)
Dampf/Brennstoff in % (Luft/Dampf)	139,5	Fluß 55 MPPH	Fluß 29 MPPH
Oberwindluft	Wasserdruck 2,21

* Benutzung eines Naßwäschers, die Lichtundurchlässigkeit ist dann unter dem EPA-Gesichtspunkt unwichtig.

Messungen liegen nicht vor; es sind Schätzwerte angegeben.

Bei einer Feuerung mit ausgebreiteten festen Brennstoffen bewegt sich die Zündebene von unten nach oben durch das Brennstoffbett in der gleichen Richtung wie die Unterwind- oder Primärluft, die den zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoff liefert. Die flüchtigen Stoffe gelangen direkt in die obere Feuerzone, wo sie oxidiert werden sollen. Wegen der brennenden Suspension feiner Brennstoffteilchen und flüchtiger Stoffe erfordern Feuerungen mit ausgebreitetem Brennstoff eine einwandfreie Verteilung der Sekundär- oder Oberwindluft bei allen Belastungszuständen. Eine nicht einwandfreie Luftverteilung führt zu einem Verlust an Kesselwirkungsgrad infolge Bildung von Ruß (mit den entsprechenden Lichtundurchlässigkeitsproblemen) und einem übermäßigen Austrag an Flugasche und verbrennbaren Kohlenwasserstoffen durch den Schornstein. Ein schwaches Feuer in der Umgebung des Bettes verursacht auch eine Zunahme des prozentualen Kohlegehalts in der Asche infolge eines Verlustes an von oben her auf das Brennstoffbett gerichteter Strahlungshitze.

Bei einer Feuerung mit ausgebreitetem festem Brennstoff ist die ■ Zündebene nicht genau bestimmbar. Man kann allenfalls sagen, daß sie an zwei Stellen liegt: 1) an der Flammwurzel oberhalb des Bettes, wo die Suspension zu brennen beginnt und 2) grob gesehen, parallel zur Oberfläche des Brennstoffbettes. Flüchtige'Bestandteile werden direkt in die sekundäre Oxidationszone oberhalb des Bettes zum Entweichen gebracht, wenn die zuletzt abgeworfene Kohle in die Zündebene einsinkt. Da die flüchtigen Stoffe die Möglichkeit haben, die sekundäre Oxidationszone der Feuerung mit ausgebreitetem festem Brennstoff zu erreichen, ohne eine Zündebene zu kreuzen, erfordert eine vollständige Oxidation dieser flüchtigen Bestandteile und des aus dem Brenn-

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stoffbett aufsteigenden Kohlenmonoxids eine angemessene Zufuhr und Verteilung der Oberwindluft.

Fig. 6 zeigt ein Schema zur Regelung der Verteilung dieser Oberwindluft. Die Hauptoberwindluftströmung wird hier durch den Fühler 32' angegeben und wird durch eine Drosselklappe 83 geregelt. Diese wird normalerweise geregelt durch den in Fig. 3 dargestellten Regelungsausgangswert 34. Dieser Sekundärluftzustrom wird unterteilt in seitliche,hintere und vordere Kanäle. Zumindest der vordere und zwei hintere Kanäle sind in Fig. 2 angedeutet und mit 44, 46, 47 bezeichnet. In den seitlichen und hinteren Kanälen sind, wie in Fig. dargestellt, regelbare Drosselklappen 81 und 82 vorhanden. Mit Hilfe solcher Oberwindluft-Verteilerkanäle sowie der Drosselklappen läßt sich die Luft zwischen den vorderen, hinteren und seitlichen Bereichen der Kesselfeuerung steuern, wodurch der Wirkungsgrad des Kessels erheblich verbessert werden kann. Als zusätzliche Hilfe für diese Verteilung kann ein Kanal 26 für die brennbaren Rückstände vorgesehen sein. Er ist mit einem Regler 84 gekoppelt, der eine zweidimensionale Untersuchung der Oberwindluftströmungen in einem zugelassenen Bereich ausführt, um den CH -Wert möglichst klein zu halten. So steuert der Regler 84 die Regel sch!ei fen 86 und 87 für die Regelung der Drosselklappen 81 und 82. Rückkopplungsanzeigen des Zustands dieser Drosselklappen werden von den Einheiten 88 und 89 geliefert. Somit können durch die Anwendung eines Verfahrens, wie er in Fig. 6 veranschaulicht ist, die brennbaren Bestandteile im Rauchgas durch die Regelung der Sekundärluftverteilung sehr klein gehalten werden. Außerdem können CO und Lichtundurchlässigkeit in gleicher Weise durch Regelung der Oberwindverteilung sehr klein gehalten werden.

Fig. 7 veranschaulicht die Anwendung des Prinzips der Erfindung auf einen Regenerationskessel. Ein Regenerationskessel dient gewöhnlich zur Verarbeitung der bei der Papierherstellung anfallenden Schwarzlauge. Durch Sprühdüsen 71, 72 an zwei gegenüberliegenden Wänden des Ofens 73 wird die Schwarzlauge in feinverteilter Form in den Feuerungsraum gesprüht. Die Verbrennungsluft wird durch Gebläse 74 und 74a geliefert. Der Hauptluftstrom wird in einen Primärluftstrom 75 und einen Sekundärluftstrom 76 unterteilt. Bei manchen Arten von Regenerationskesseln wird auch ein Tertiärluftstrom 77 vorgesehen. Luftdrosselklappen 75a, 76a und 77a dienen zur Einstellung der Luftmengen dieser Strömungen.

Die Primä'rluft 55 wird an den Luftklappen 78 in Höhe des Feuerbetts eingeführt. Grundsätzlich und nach den in dieser Beschreibung angewandten Begriffsbestimmungen handelt es sich dabei um Unterwindluft.In ähnlicher Weise wird die Sekundärluft 76 über die Luftklappen 79 eingeführt und kann als Oberwindluft dienen. Ein tertiärer Luftstrom 77 ist nicht bei allen Regenerationskesseln vorhanden. Im Rahmen dieser Beschreibung kann er als Teil der Sekundärluft betrachtet werden. Bei Zugrundelegung einer Regeleinrichtung nach Fig. 3 erfolgt die Regelung der Primärluft 75 und der Sekundärluft 76, 77 in der gleichen Weise wie dort als Unterwind- und/bzw. Oberwindluft.

Leerseite

Claims

D I PL.-I NG. J. R I C HTER ...*.. ρ η T'C N T¹A 'Γ-J'W A LT L

DIPL.-ING. F. WERDERMANN

ZÜGEL. VERTRETER BEIM EPA · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO · MANDATAIREt. ASRETS f Kf'. 1 "ure

2OOO HAMBURG 36 Q, Y$I. 1282

NEUER WALL 1O

TK' (0«10) -'1-100'1''.''VCInI-C.

IK I I CrKAMMf: INVKNTIUF. HAMtHlKO

TELEX 21fa3b51 INTU D

UNSER ZEICHFN/OUR PILE · · · OC IUi

Anmelder:

MEASUREX CORPORATION,

One Results Way, Cupertino, Kalif. 95 014 (V.St.A.)

Regeleinrichtung für eine Dampfkesselfeuerung

Patentansprüche:

( 1. JRene!einrichtung für eine Dampfkesselfeuerung mit Luftzufuhr unterhalb eines Feuerbettes oder an dem Feuerbett (Unterwind) zur Vorverbrennung des Brennstoffs in dem Feuerbett und mit Luftzufuhr oberhalb des Feuerbettes (Oberwind) zur Vervollständigung der Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schornstein Vorrichtungen zum Abfühlen des Kohlendioxids und des Kohlenmonoxids in dem Rauchgas zugeordnet sind und daß eine Vorrichtung zur Regelung der Menge der dem Kessel zugeführten Unterwindluft als Funktion des Kohlendioxids oder des Dampf/Brennstoffverhä'l tni sses und eine Vorrichtung zur Regelung der Menge der dem Kessel zugeführten Oberwindluft als Funktion des Kohlenmonoxids vorgesehen sind.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion des Kohlendioxids eine Maximalwertregelung (of the extreitium type) ist.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Regelung des Oberwinds auch als Funktion der brennbaren Rückstände im Rauchgas und der Dunkelheit oder Lichtundurchlässigkeit des Rauchgases steuerbar ist und jeweils immer nur eine der drei Funktionen aktiv ist.
4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtundurchlässigkeit des Rauchgases die höchste, das Kohlenmonoxid die zweithöchste und die brennbaren Rückstände die dritthöchste Priorität haben.
5. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft dem Kessel an mehreren Stellen zugeführt wird und die Regeleinrichtung die Sekundärluftzufuhr so verteilt, daß die brennbaren Rückstände möglichst klein gehalten werden.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Veränderungen zum Zweck der Regelung jeweils nur nach Beendigung der vorhergehenden Veränderung und Beruhigung des Systems ausführbar sind.
7. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 an einem Regenerationskessel mit mindestens je einer Einlaßöffnung für Primär- und Sekundärluft, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterwind die Primärluft und der Oberwind die Sekundärluft ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach Anspruch 1 an einer Dampfkesselfeuerung mit Unterwind-und Oberwind-Luftzufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendioxid und das Kohlenmonoxid in dem Rauchgas abgefühlt, die Mengen des dem Kessel zugeführten

-5? r; p. R r,

Unterwinds als Funktion des Kohlendioxids oder Dampf/BrannstoffVerhältnisses geregelt und die Menge des dem Kessel zugefiihrten Oberwindes als Funktion des Kohlenmonoxids geregelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das CO₂ maximiert und das CO auf einen Sollwert geregelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichtundurchlässigkeit des Rauchgases und das CH (die brenn-

baren Rückstände) gemessen werden und der Oberwind auch als Funktion des Grades der Lichtundurchlässigkeit, des CH und des Kohlemnonoxids geregelt werden, und daß die Lichtundurchlässigkeitsregelung die CO-Regelung überholt, wenn der abgefühlte Lichtundurchlässigkeitsgrad eine vorbestimmte Grenze überschreitet, und die CO-Regelung die CH -Regelung überholt, wenn der CO-Gehalt eine vorbestimmte Grenze überschreitet.