DE3337476A1

DE3337476A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung und regelung des optimalen brennstoff/luft-verhaeltnisses einer feuerungsanlage

Info

Publication number: DE3337476A1
Application number: DE19833337476
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. 4048 Grevenbroich Dohle; Günther Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen Woelk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-10-14
Filing date: 1983-10-14
Publication date: 1985-05-02
Also published as: DE3337476C2

Description

^patentanwalt

Dipl.-Phys. Dr. Lothar Marx #, Telefon 089/713813

-⁴T- Telex 5 212 312 marx d

Anwaltsakte 450?

Ma/fe

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungsanlage der in den Oberbegriff en der Ansprüche 1 und 5 angegebenen Gattung.

Die Regelung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses auf einen optimalen Wert ist aus vielen Gründen von großer technischer Bedeutung. Dabei sind in erster Linie" die Möglichkeiten der Energieeinsparung und der Minimierung der Schadstoffemissionen beim Verbrennungsvorgang zu nennen. Dabei soll vorausgesetzt werden, daß dem Abgas kein Fremdsauerstoff zugeführt wird.

Die optimal Brennstoff/Luft-Mischung für die jeweils erforderliche, thermische Brennraumleistung, also den jeweiligen Brennstoff-Mengenstrom, ist nicht konstant, sondern ändert sich innerhalb eines gewissen Bereiches. Auf Grund unterschiedlicher Mischungsgüte von Brennstoff und Luft im Brenner infolge der jeweiligen Impulsstromdichten ist es üblich, den Brenner beim Schwachlastbetrieb im Vergleich mit dem Starklastbetrieb mit höherem Luftüberschuß zu fahren.

Als Stellgröße für die Gemischregelung dient der Luftfaktor, der eine quantitative Aussage über die Gemisch-Zusammensetzung enthält. Als Regelgröße dient dabei der im Abgas gemessene Sauerstoffgehalt, der wiederum ein Maß für die Verbrennung darstellt. Um die Messung des Sauerstoffgehaltes nicht zu verfälschen, ist also wesentlich, daß dem Abgas kein Fremdsauerstoff zugeführt wird.

Zugelassen beim Europaischen Patentamt
European Patent Attorney

Die Einstellung'des Mischungsverhältnisses und damit des sich ergebendenLuftfaktors dieser Feuerungsanlage wird über Drosselorgane in den Versorgungsleitungen vorgenommen, die der Feuerungsanlage den Brennstoff und die Luft zuführen. Dabei wird zunächst die erforderlich thermische Leistung in der Weise eingestellt, daß der Brennstoffstrom reguliert und dann der zugehörige Luftstrom nachgezogen wird. Dieses Nachziehen des Luftstroms geschieht heute üblicherweise durch eine Verbundsteuerung der Drosselorgane, die durch ein mechanisches Getriebe realisiert wird, dessen kinematische Auslegung (beispielsweise durch Kurvenscheiben) die Abhängigkeit des optimalen Luftfaktors von der Brennerlast einbezieht.

Wie erwähnt, bedingt der optimale Luftfaktor üblicherweise eine leicht überstöchiometrische Verbrennung, d. h., eine Verbrennung mit leichtem Luftüberschuß. Erfahrungsgemäß schwankt der reale Luftfaktor aufgrund von Störeinflüssen um den optimalen Wert, was entweder zu einer wenig effektiven Verbrennung ( und damit zu einer Energieverschwendung) oder zu einer starken Schadstoffemission (und damit einer Belastung der Umwelt) führt. Zu diesen Störeinflüssen, die sich mit zunehmender Betriebszeit stärker auswirken, zählen herstellungs-und verschleißbedingtes Spiel des Verbundgetriebes sowie die mechanische Verstellung der Koppelglieder.

Weitere Abweichungen vom optimalen Luftfaktor, die von der Verbundsteuerung prinzipiell nicht erfaßt werden können, ergeben sich unter anderem aus Schwankungen von Druck und Temperatur in den Versorgungsleitungen sowie durch Heizwertänderungen des Brennstoffs. Die Störungen des Brennstoff- und Luftdurchsatzes lassen sich durch kontinuierliche Messungen und eine aufgeschaltete Mengenstromregelung ausgleichen. HeizwertSchwankungen des Brennstoffes und die

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damit verbundenen Änderungen, im stöchiometrischen Luftbedarf müssem kalorimetrisch erfaßt werden, um eine Korrektur des Luftfaktors zu ermöglichen. Beide Maßnahmen sind mit einem erheblichen apparativen und damit finanziellen Aufwand verbunden. Außerdem erhöht der Einbau von Durchflußmessern die Störeinflüsse auf die Verbundsteuerung, z. B. durch Reibungsverluste oder, aufgrund von Herstellungstoleranzen.

Eine wesentliche Verbesserung und Vereinfachung der Gemischregelung läßt sich dadurch erreichen, daß der Restsauerstoff im Abgas der Feuerungsanlage gemessen und daraus der Luftfaktor bestimmt wird. Die Messung des RestsauerStoffs in der für Regelungszwecke erforderlichen, kurzen Zeitspanne wird durch den Einsatz einer Festkörperelektrolyt-Sonde, beispielsweise einer Zr0₂-Sonde, möglich, da sich dieser Sondentyp durch eine sehr kurze Ansprechzeit auszeichnet.

Beim Einsatz einer solchen Sonde im Abgas einer Feuerungsanlage treten jedoch die folgenden Schwierigkeiten auf:

a) Viele Feuerungsanlagen sind gegenüber Falschlufteintritt nicht abgedichtet, wodurch sich eine Verfälschung der Messung des RestsauerStoffs ergibt/

b) Viele Feuerungsanlagen sind mit mehreren Brennern beT stückt und erzeugen deshalb ein ^x Aboasgemisch, das bei unterschiedlichem Brennerbetrieb eine inhomogene Sauerstoffverteilung hat. Hierdurch wird jedoch eine eindeutige Zuordnung des gemessenen Restsauerstoff-Gehaltes zur Gemischzusammensetzung eines bestimmten Brenners unmöglich;

gO c) Nutzgut mit oxidierender oder reduzierender Wirkung auf

das Heizgas beeinflußt den Restsauerstoff-Gehalt; d) Enthält die Ofenatmosphäre kontaminierende Bestandteile oder Schlackenpartikel, so kann der empfindliche Werkstoff der Sonde, im allgemeinen ein keramischer Werkstoff, zerstört oder verstopft werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Gründe/ ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungsanlage der angegebenden Gattung zu schaffen, bei denen die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.

Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, bei denen eine sehr exakte Erfassung der JO di^e Verbrennung kennzeichnenden physikalisch/chemischen Größe möglich ist.

Dies wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 5 angegebenen Merkmale erreicht.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den UnteranSprüchen zusammengestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß getrennt von der eigentlichen Verbrennungskammer die Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches und die zugehörige Messung der physikalisch/chemischen Größe, bspw. des Restsauerstoffs-Gehaltes, in einem kleinen Bypass-Reaktor durchgeführt werden. Dieser Bypass-Reaktor kann bis auf die Brenneröffnung und eine kleine Kaminöffnung vollständig gasdicht ausgeführt werden, so daß in dem Bypass-Reaktor die vollkommene Verbrennung von Brennstoff und Luft abläuft. Außerdem herrscht im Reaktorraum dieses Bypass-Reaktors ein leichter überdruck, so daß keine Falschluft eintreten kann.

Durch diese bei einem Bypass- Reaktor möglichen, konstruktiven Maßnahmen wird die sehr exakte Erfassung der physikalisch/chemischen Größe gewährleistet! , bspw. des Restsauerstoff-Gehaltes mittels einer Sauerstoffmessonde, die direkt im Reaktorraum angeordnet wird. Es ergibt sich eine ent-

sprechend genaue· .Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses. . ' ·

Bei Feuerungsanlagen wird zwischen Anlagen, denen Brennstoff und Luft getrennt zugeleitet und erst im Brenner gemischt werden, und solchen Anlagen unterschieden, denen ein vorgemischter Brennstoff/Luft-Strom zufließt. Entsprechend diesen beiden Typen; muß auch der zugehörige Bypass-Reaktor IQ ausgeführt werden.

Bei der getrennten Brennstoff- und Luftzuführung zu der Feuerungsanlage (eine solche wird auch als "Feuerungsanlage mit Diffusionsflamme" bezeichnet) werden für den Bypäss-•^5 Reaktor Brennstoff und Luft den zentralen Versorgungsleitungen entnommen und dem Brenner des Bypass-Reaktors über Mengenstrommeßeinrichtungen zugeführt.

Bei Feuerungsanlagen mit vorgemischtem Brennstoff/Luft-2Q Strom (eine solche wird auch als "Feuerungsanlage mit Vormischflamme" bezeichnet) können die Mengenstrommeßeinrichtungen am Bypass-Reaktor entfallen, d. h., das Gemisch wird dem Brenner des Bypass-Reaktors direkt zugeführt.

Der im Bypass-Reaktor kontinuierlich gemessene Wert für den Restsauerstoff-Gehalt, im folgenden auch als "O₂-Signal" bezeichnet, wird einem Kleinrechner zugeführt und dient bei Vormischanlagen unmittelbar als Regelgröße für die Mischanlage.

Bei Feuerungsanlagen mit Diffusionsflamme wird der Bypass-Reaktor so ausgeführt, daß er neben der Mengenstrommessung von Brennstoff und Luft eine Regelung des Sauerstoffgehaltes in seinem Abgas vornimmt. Zu diesem Zweck sollte der

gg Brennstoffstrom über einen Druckregler möglichst konstant gehalten und der Luftstrom über ein Stellorgan so verändert

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werden, daß sich· der entsprechend der Leistungsanforderung der Feuerung sarilage. erforderliche Sauerstoffgehalt im Abgas des Reaktors einstellt. Aus den dabei gemessenen Mengenströmenermittelt der Kleinrechner das benötigte Mischungsverhältnis für die Feuerungsanlage und gibt dieses als Soll-Wert an eine dort installierte Gemischregelung ab.

Brennstoffe mit stark schwankenden Heizwerten, wie sie bei- ^q spielsweise bei Brenngasmischungen unterschiedlicher Zusammensetzung auftreten, können durch die Sollwert-Vorgabe aus dem Bypass-Reaktor so verbrannt werden, daß die gewünschte Restsauerstoff-Konzentration im Abgas immer gegeben ist.

Zweckmäßiger Weise werden der Bypass-Reaktor, die Sauerstoff-Meßsonde und der Kleinrechner zentral so zusammengefaßt, daß eine Installation der entsprechenden Einheit außerhalb des Einflußbereichs der Feuerungsanlage und

2Q damit der entsprechende Schutz vor Hitze, Staub, Erschütterungen usw. möglich sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende, schematisehe Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur einen Schnitt durch einen Bypass-Reaktor zeigt.

Dieser Bypass-Reaktor weist einen elektrisch beheizten Rundofen 1 auf, in den eine Reaktorkammer 2 eingesetzt ist. OQ Diese Reaktorkammer 2 besteht aus hochhitzebeständigen Stahl und enthält an ihrem Boden einen Brenner 3, der als Vormischbrenner oder mischender Brenner ausgeführt sein kann.

gg Im oberen Rohrofendeckel 4 befindet sich eine Kaminöffnung 5, durch die das Abgas aus der Reaktorkammer 2 entweichen kann. Ein Auffangtrichter 6, in den zum Zwecke der Abgas-

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kühlung und der Zugunterbrechung Umgebungsluft eintreten kann, nimmt die· Abgase auf und führt sie durch eine Abgasleitung 7 zu einer Stelle, an der der Austritt des AbgasesM_A das Bedienungspersonal der Feuerungsanlage nicht mehr belästigen kann.

In die Reaktorkammer 2. ragt eine Sauerstoffmeßsonde 8 so herein, daß sich die Meßstelle 9' der Sonde 8 in einem

IQ Bereich der Reaktorkammer 2 befindet, der nicht durch Falschluft beeinflußt werden kann und doch genügend weit vom Brenner entfernt liegt, so daß ein vollständiger Ausbrand der Flamme gegeben ist. Die Sauer stoff-Meß sonde δ kann durch im Handel erhältliche Festkörperelektroyt-Sonden, bspw. ein ZrO₂-Sonde, gebildet werden. Dieser Sondentyp zeichnet sich durch eine sehr kurze Ansprechzeit aus.

in der Reaktorkammer 2. sollte ein leichter überdruck herrschen, um Falschmessungen durch das Eindringen von Umgebungsluft und die entsprechende Beeinflußung äer Sauerstoff meßung zu vermeiden. Aus diesem Grund wird der Reaktorraum 2 mit einem Deckel 4 verschlossen, der eine relativ kleine Durchlaßöffnung 5 für das Abgas besitzt.

Ein solcher Bypass-Reaktor muß bestimmte Sicherheitskriterien erfüllen. So muß insbesondere gewährleistet- sein, daß die Flamme des Brenners 3 immer zündet. Dies ist dann sicher der Fall, wenn im Inneren der Reaktorkammer 2 mindestens eine Temperatur von ca. 800° C herrscht. Diese Temperatur

gO kann von der Sauerstoffmeßsonde 8 erfaßt werden, die im allgemeinen eine entsprechendes Thermoelement enthält.

Um die geforderte Temperatur in der Reaktorkammer 2 zu erreichen und sicher zu halten, ist in dem die Reaktorkammer 2 umgebenden Ofen eine elektrische Widerstandsheizung angebracht. Der zugehörige, elektrische Heizkreis wird über

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ein Thermoelement- 11 geregelt und überwacht, das zwischen Ofeninnenwand und Reaktorwand angebracht ist, wie man in der Zeichnung erkennt.

Die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner 3 wird durch ein Magnetventil 12 freigegeben. Dieses Magnetventil 12 kann sich erst dann öffnen, wenn die Temperatur der SauerStoffmeßsonde

8 und damit die Temperatur im Inneren des Reaktorraumes IQ 2 über der Zündtemperatur des Brennstoffs/Luft-Gemisches liegt. Eine zusätzliche Zündeinrichtung und Flammenüberwachung wird dadurch überflüssig.

Sobald der Bypass-Reaktor die erforderliche Mindesttemperatur ^ im Inneren des Reaktorraumes 2 erreicht hat, wird über die zentrale, in der Zeichnung schematisch angedeutete Steuerung das Magnetventil 12 geöffnet, so daß dem Brenner

3 Brennstoff und Luft zugeführt werden. Nach dem Zünden dieses Brennstoff /Luft-Gemisches wird der Bypass-Reaktor sowohl elektrisch als auch durch die Flamme beheizt. Durch entsprechende Regelung der Elektroheizung läßt sich die Leistung der Elektroheizung um die abgegebene thermische Leistung der Flamme reduzieren.

Die Konstruktion des Rohrofens und die thermische Leistung des Brennstoffstromes sollten so aufeinander abgestimmt sein, daß sich beim stationären Betriebes dieses Bypass-Reaktors in der Reaktorkammer 2 eine Betriebstemperatur einstellt, die zwischen 850⁰C und 1050⁰C liegt.

Zur Sicherheit des Bypass-Reaktors dient eine obere Grenztemperatur, die sowohl von dem Thermoelement in der Sauerstoffmeßsonde 8 als auch von dem Temperaturregelelement des Rohrofens überwacht wird. Sollte an einem der beiden

gg Thermoelemente die obere Temperaturgrenze überschritten werden, so werden sowohl die Brennstoffzufuhr unterbrochen als

auch die Elektroheizung abgeschaltet, wenn diese nicht bereits durch die Regelung- abgeschaltet worden ist. Auch diese Funktionen werden durch die zentrale Steuerung des Bypass-Reaktors übernommen.

In der Reaktorkammer 2 läuft also eine vollkommene, durch äußere Störungen weitgehend unbeeinflußte Verbrennung ab, deren Rest sauer stoff τ-Gehalt ein sehr exaktes Maß für diese Verbrennung darstellt und von der Sauerstoffmeßsonde 8 erfaßt wird. Das Ausgangsignal dieser Sauerstoffmeßsonde wird dann in der üblichen Weise zur Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Ver-hältnisses der nicht näher dargestellten Feuerungsanlage benutzt.

Wenn es die Strömungsverhältnisse in der Reaktorkammer 2 zulassen, sollte die thermische Leistung des Brennstoffstromes so niedrig eingestellt werden, daß sie nicht ausreicht, um den Reaktorraum 2 ' ohne Elektroheizung auf der

Betrxebstemperatur des Bypass-Reaktors zu halten. Auf diese 20

Weise wird sicher vermieden, daß die obere Grenztemperatur erreicht wird. Dieser Betriebszustand muß angestrebt werden, da die Abschaltung der Brennstoffzufuhr zu dem Bypass-Reaktor die Messung des Restsauerstoffgehaltes unmöglich macht

und damit der Bypass-Reaktor seine Aufgabe nicht mehr erfül-25

len kann.

Die zugeführten Luft- und Brennstoffströme sind in der Fi-

gur durch M und M_ angedeutet.

COPy

Claims

Dipl.-Phys. Dr. Lothar Marx Telefon ο 89/713813 Telex 5 212 312 marx d ■ . 3337476 Anwaltsakte 4507 Ma/fe Prof. Dr.-Ing. Günther Woelk Franzstr. 109 5100 Aachen und Dipl.-Ing. Ulrich Dohle Effgerbuschweg 8 4048 Grevenbroich 5 Verfahren und Vorrichtung zur-Bestimmung;und Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungsanlage Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung und Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungsanlage,

a) bei dem eine die Verbrennung charakterisierende, physikalisch, chemische Größe erfaßt und

b) das Brennstoff/Luft-Verhältnis in Abhängigkeit von dem erfaßten Wert der Größe geregelt wird, dadurch ge.-, kennzeichnet, daß

c) getrennt von der Feuerungsanlage ein Bypass-Reaktor betrieben wird, der mit dem gleichen Brennstoff, wie die Feuerungsanlage und mit Luft -beschickt wird, und daß

d) die physikalisch/chemische Größe in oder an dem Bypass-Reaktor erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Restsauerstoff-Gehalt im Abgas des Bypass-Reaktors erfaßt wird.

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3. Verfahren nach einem der- Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,'daß dem Bypass-Reaktor Brennstoff und Luft entweder getrennt oder in vorgemischtem Zustand zugeführt, durch einen geeigneten Brenner geleitet und im Reaktorraum des Bypass-Reaktors verbrannt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß de'r Restsauerstoffgehalt des Abgases des Bypass-Reaktors mittels einer Festkörperelektrolyt-Sond'e erfaßt wird.

5. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Regelung des optimalen Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Feuerungsanlage

a) mit einer Meßeinrichtung für eine die Verbrennung

charakterisierende, physikalich/chemische Größe, und b) mit einem Regler für das Brennstoff/Luft-Verhältnis in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Größe, gekennzeichnet durch

c) einen mit den gleichen Brennstoff. und mit Luft beschickten Bypass-Reaktor, und

d) durch eine Meßeinrichtung (8) für die Erfassung der bei der Verbrennung in dem Bypass-Reaktor entstehenden physikalisch/chemischen Größe.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskaitimer (2) des Bypass-Reaktors eine Sauerstoff-Meßsonde (8) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff-Meßsonde durch eine Festkörperelektrolyt-Sonde (8) gebildet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnt, daß der Reaktorraum (2) elektrisch beheizt

ist und auf einem Temperaturn iveau oberhalb der Zündtem-

peratur des Brennstoff/Luft-Gemisches gehalten wird.

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9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorraum (2) aus einem gasundurchlässigen Material hergestellt und gegen Falschlufteintritt abgschirmt ist.