DE3515209C2

DE3515209C2 -

Info

Publication number: DE3515209C2
Application number: DE3515209A
Authority: DE
Inventors: Mitsuyo Hitachi Ibaraki Jp Nishikawa; Nobuo Hitachiohta Ibaraki Jp Kurihara; Yoshio Sato; Atsumi Watanabe; Toshihiko Hitachi Ibaraki Jp Higashi; Hisanori Hitachiohta Ibaraki Jp Miyagaki; Atsushi Hitachi Ibaraki Jp Yokokawa; Yoshihiro Izumi Osaka Jp Shimada
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Priority date: 1984-04-27
Filing date: 1985-04-26
Publication date: 1989-07-20
Also published as: DE3515209A1; US4620491A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Verbrennungszustands in einem Verbrennungsofen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zu seiner Ausführung.

Die Überwachung von während der Verbrennung von Kohlenstaub oder CWM (Kohle-Wasser-Gemisch) gebildeten Stickoxiden (NO_x) oder unverbrannten Komponenten in Asche ist überaus wichtig, um einen befriedigenden Verbrennungszustand zu erhalten. Eine derartige Überwachung ist auch sehr bedeutsam für die wirkungsvolle Ausnutzung von Brennstoffen. Eine effiziente Verbrennung und eine Minimierung von Rückständen im Abgas sind wichtige Faktoren, die einen guten Verbrennungszustand bestimmen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungstechnik bei dieser Art Verbrennung.

Nachdem Kohle als eine alternative Energiequelle für Öl wieder in Erwägung gezogen wurde, fand eine Verbrennungstechnik für Kohlenstaub besondere Aufmerksamkeit. Obwohl die Verbrennungstechnik für Kohlenstaub an sich ziemlich vervollkommnet ist, wurde in den letzten Jahren eine neuartige Technik notwendig, um den strengen amtlichen Auflagen bezüglich der Abgase luftverschmutzender Stoffe zu genügen.

Kohlenstaub-Brennstoff hat einen größeren N-Gehalt als flüssige Brennstoffe, wie zum Beispiel Schweröl, Naphta und ähnliche, und erzeugt daher eine höhere Konzentration von Stickoxiden (im folgenden als "NOx" bezeichnet), die nach der Verbrennung zu einer Luftverunreinigung führen. Im Vergleich zu thermischem NOx, das durch die Dissoziation und Verbindung der Stickstoff- und Sauerstoff-Moleküle in der Luft für die Verbrennung gebildet wird, oder zu promptem NOx, das aufgrund der Verbindung von Kohlenwasserstoffen im Brennstoff mit den Sauerstoff-Molekülen in der Luft für die Verbrennung gebildet wird, hängt das Brennstoff-NOx, das aufgrund der Verbindung der Stickstoff-Moleküle im Brennstoff mit den Sauerstoff-Molekülen in der Verbrennungsluft gebildet wird, nur geringfügig von der Verbrennungstemperatur ab. Unter diesem Gesichtspunkt ist eher eine Einrichtung für die Reduktion des sich ergebenden NOx zu N₂ und ähnlichem notwendig, als ein Verbrennungsverfahren, das kein NOx erzeugt, um das NOx der Kohlestaub-Verbrennung zu verringern. Da der Kohlestaub-Brennstoff viele seine Eigenschaften bestimmende Faktoren aufweist, wie zum Beispiel das Brennstoffverhältnis, der Aschegehalt, die Viskosität, die Verteilung der Teilchengröße usw., treten beim Verbrennungsprozeß beträchtliche Schwankungen auf. Zeitliche Veränderungen, zum Beispiel bei der Zerstäubung, beim Transport, beim Ausstoß durch einen Brenner usw., können im Vergleich mit einer Verbrennungseinrichtung für Schweröl, Naphta, LNG usw. nicht vernachlässigt werden.

Wie oben beschrieben, muß für die Verwirklichung der Verbrennung von Kohlenstaub mit niedrigem NOx-Ausstoß ein Verbrennungsverfahren entwickelt werden, das folgende Punkte berücksichtigt:

(I) den Effekt der Reduktion von NOx und
(II) die Veränderungen der Verbrennung.

Der Anstieg von unverbrannten Komponenten in der Asche verringert den Wirkungsgrad eines Kessels und führt zu verschiedenartigen Beschränkungen bei der Verarbeitung des Abfalls. Werden Kohle mit einem hohen Brennstoffverhältnis (fester Kohlenstoff/flüchtige Komponenten) und geringwertige Kohle verwendet, müssen Einrichtungen für die Verringerung der unverbrannten Komponenten in der Asche entwickelt werden.

Andererseits läuft der Verbrennungsprozeß von Kohlenstaub-Teilchen so ab, daß in der Anfangsstufe der Verbrennung die Zersetzung und Verbrennung von flüchtigen Komponenten erfolgt, und anschließend die Oberflächenverbrennung der Koks-ähnlichen restlichen kohlenstoffhaltigen Stoffe (im folgenden als "verkokte Stoffe" bezeichnet) stattfindet. Die Oberflächenverbrennung der verkohlten Stoffe ist etwas langsamer als die Abbauverbrennung der flüchtigen Komponenten, und der größte Teil der für den gesamten Verbrennungsvorgang erforderlichen Zeit wird vermutlich für die Oberflächenverbrennung der verkohlten Stoffe verwendet.

Es ist deshalb äußerst schwierig, die unverbrannten Komponenten in der Asche während des Verbrennungsprozesses zu schätzen, da eine große Anzahl von mit den Eigenschaften des Kohlenstaubs verbundenen Faktoren eingeht, wie zum Beispiel das Brennstoffverhältnis, der Aschegehalt, die Viskosität, die Verteilung der Teilchendurchmesser usw.

Es ist jedoch empirisch offensichtlich, daß die Verbrennung unmittelbar innerhalb eines Ofens unter Vorhandensein von überschüssigem Sauerstoff (O₂) und in einer Hochtemperatur-Atmosphäre erfolgen sollte, um die unverbrannten Komponenten in der Asche zu reduzieren. Ein derartiges Betriebsverfahren ist jedoch mit Problemen bezüglich der Steuerung und Sicherheit verbunden.

Bei bestehenden gewerblichen oder industriellen mit Kohlestaub beheizten Kesseln wird der Kesselbetrieb mit dem Ziel durchgeführt, die unverbrannten Komponenten in der Asche zu minimieren, um den Wirkungsgrad des Kessels zu erhöhen. Wenn jedoch ein zweistufiges Verbrennungsverfahren oder ein langsames Verbrennungsverfahren Anwendung findet, wie es für gas- und ölbeheizte Kessel wirkungsvoll ist, besteht im Gegensatz dazu eine Neigung zum Abfall der Temperatur innerhalb des Ofens und zur Erhöhung der unverbrannten Komponenten in der Asche.

In der Vergangenheit wurde ein Überwachungsverfahren angewendet, bei dem die Flamme zur Zeit der Verbrennung unter Verwendung einer ITV (industrielle TV)-Anlage überwacht wird, die auf die einem Brenner gegenüberliegende Wand montiert ist, oder ein Verfahren, nach dem der Verbrennungszustand durch eine in einer Ofenwand gebildete Schauöffnung untersucht wird, um den Verbrennungszustand innerhalb des Ofens zu bestimmen. Nach beiden Verfahren wird jedoch nur die Verbrennungsflamme überwacht.

In einem automatisierten Überwachungsverfahren wird ein Flammendetektor eingesetzt. Damit wird jedoch nur das Zünden oder Erlöschen überwacht. Dieses Verfahren ist in anderen Worten kein Verbrennungs-Überwachungsverfahrn im eigentlichen Sinn, sondern stützt sich unabdingbar auf die Erfahrung und Schulung des Ofen-Betriebspersonals.

Eines der herkömmlichen Überwachungsverfahren ist in der US 38 42 391 ("Verfahren und Vorrichtung zur Flammenüberwachung", 16. Juli 1974) dargestellt. Dieser Stand der Technik betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Überwachung der Flamme eines Ofens mit einer Vielzahl von Brennern, wie zum Beispiel einem Heizkessel zur Erzeugung thermischer Energie. Dieses Verfahren verwendet zwei Photosensoren, um die Flamme eines ausgewählten Brenners zu überwachen. Mit diesen beiden Sensoren wird ein Signal mit einer Wechselstromkomponente erfaßt, die der Veränderung der Strahlungsintensität von der Flamme entspricht, und der Korrelatonsgrad bestimmt.

Aus der DE 26 11 763 A1 ist eine Einrichtung zur Flammenüberwachung bekannt, bei der mit einem optischen Sensor überwacht wird, ob die Brennerflamme vorhanden ist; wird das Erlöschen der Brennerflamme festgestellt, wird die Brennstoffzufuhr unterbrochen, damit es nicht zu einer explosionsartigen Selbstentzündung von weiter zugeführtem Brennstoff kommt.

In der US 44 03 941 ("Verbrennungsprozeß zur Verringerung von Stickstoff-Oxiden", 13. September 1983) ist eine Denitrierung während der Verbrennung dargestellt, jedoch keinerlei Überwachung des Verbrennungszustands unter Verwendung flammenbezogener Daten erläutert. Die Druckschrift beschreibt ausschließlich die Verringerung von NOx durch eine mehrstufige Verbrennung.

Die nachveröffentlichte US 45 55 800 der Anmelderin befaßt sich mit der Form der Flamme. Nach diesem Patent ist die Diagnose des Verbrennungszustands auf Grundlage von Formparametern beabsichtigt, die die Form des Wurzelbereichs der Flamme angeben. Die Korrelation zwischen der Form der Flammenwurzel und dem Verbrennungszustand wird in voraus gespeichert, und anschließend wird festgestellt, welchem Muster die gemessene Flammenform zuzuordnen ist, wodurch eine Diagnose des Verbrennungszustands erfolgt. Mit der vorliegenden Erfindung wird dieses Überwachungssystem für den Verbrennungszustand weiter verbessert.

Die physikalisch-chemischen Vorgänge bei der Verbrennung von Kohlenstaub werden in der Veröffentlichung von W. R. Seeker et al. "The Thermal Decomposition of Pulverized Coal Particles" behandelt (18. Internationales Verbrennungs-Symposium; The Combustion Institute, 1981, Seiten 1213 bis 1226).

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren, bei dem mit einem Sensor ein Flammenbild aufgenommen und ausgewertet wird, so auszugestalten, daß eine Verbrennung mit niedrigem Schadstoffgehalt und insbesondere niedrigem NOx-Anteil im Abgas erzielt wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das nach dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ausgestaltet ist.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und eine zu seiner Ausführung besonders geeignete Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Aus der Vermessung des Flammenbildes in der Nähe eines Brennerauslasses werden Zonen mit hoher Leuchtdichte ermittelt, die den oxidierenden Teil der Flamme darstellen, und daraus die Flammenform bestimmt. Aus der so gewonnenen Form der oxidierenden Flamme werden die den Reduktionsgrad von NOx betreffenden Parameter berechnet, und mit den so berechneten Parametern wird die Bildung von NOx quantitativ geschätzt und überwacht.

Erfindungsgemäß werden die Positionen der Schwerpunkte der oxidierenden Flammen, der Abstand zwischen diesen Schwerpunkten und die Dicke der oxidierenden Flamme als die mit dem Reduktionsgrad von NOx verbundenen Parameter der Flammenform verwendet. Die unverbrannten Komponenten in der Asche werden auf Grundlage der oben beschriebenen Flammenform-Parameter geschätzt.

Die Flamme wird in wenigstens zwei Zonen aufgeteilt, und der Verbrennungszustand wird anhand der Fläche jeder Zone oder der Beziehung zwischen dem Flächenverhältnis und einer Charge (dem Brennstoff) überwacht. Die Überwachung erfolgt dabei auf Grundlage der Tatsache, daß eine Korrelation zwischen der Leuchtdichte oder Temperatur der Flamme und der Charge (dem Brennstoff) besteht.

Die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung erfolgt anhand der vorliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 schematische Darstellungen einiger typischer Flammenformen bei der Kohlenstaub-Verbrennung;

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Flammenform-Parameter;

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen den NOx reduzierenden Faktoren und NOx;

Fig. 4(a) und 4(b) Blockdiagramme, wobei in Fig. 4(a) im einzelnen die Ausgestaltung eines Heizkessels dargestellt ist;

Fig. 5 ein Flußdiagramm für die Abfolge der Verarbeitung in einem erfindungsgemäßen Prozessor;

Fig. 6(a) bis 6(c) Darstellungen zur Erläuterung der Form und der Schwerpunkte der Flamme;

Fig. 7(a) bis 7(c) Darstellungen zur Erläuterung der Form-Parameter der Flamme;

Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung der Leuchtdichte-Daten eines Faserleiters zur Bildübertragung;

Fig. 9(a) und 9(b) Flußdiagramme für den Ablauf der Verarbeitung;

Fig. 10 eine Darstellung für die Aufteilung in zwei Zonen entsprechend der Leuchtdichte;

Fig. 11 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Leuchtdichte und einem Aufteilungspegel bei einer Speicherung in Form von funktionalen Ausdrücken;

Fig. 12 ein Beispiel für eine Zonen-Darstellung;

Fig. 13 eine mosaikartige Darstellung der Beziehung zwischen den Zonen I und II und der Charge; und

Fig. 14 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Charge und einer Abweichung.

Zuerst wird der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt typische Flammenformen im Fall der Verbrennung von Kohlenstaub, wobei in Fig. 1(a) eine Flamme mit einer extrem hohen NOx-Konzentration, in Fig. 1(b) eine Flamme mit einer mittleren NOx-Konzentration zwischen der der Fig. 1(a) und 1(c) und in Fig. 1(c) eine Flamme mit einer niedrigen NOx-Konzentration dargestellt ist. Die Flamme, d. h. die Verbrennungszone des Kohlenstaubs, läßt sich in eine primäre Verbrennungszone F 1, in der hauptsächlich die Verbrennung der flüchtigen Komponenten stattfindet, in eine sekundäre Verbrennungszone F 2, in der hauptsächlich die Verbrennung der verkohlten Stoffe (fester Kohlenstoffgehalt) stattfindet, und in eine Denitrifikations-Zone F 3 unterteilen, in der vorwiegend der Reduktionsvorgang abläuft. Die Größen dieser Zonen sind äußerst eng mit der Konzentration des sich ergebenden NOx korreliert. In Fig. 1(a) tritt die Denitrifikations-Zone F 3 nicht auf, während sie in Fig. 1(b) zwischen der primären Verbrennungszone F 1 und der sekundären Verbrennungszone F 2 gebildet ist. In Fig. 1(c) wird die primäre Verbrennungszone F 1 dick und kurz, und die Denitrifikations-Zone F 3 hat ihre größte Ausdehung.

Die vorliegende Erfindung nutzt hauptsächlich das Phänomen aus, daß der NOx reduzierende Effekt beträchtlich wird, wenn die primäre Verbrennungszone F 1 zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kohlenstaubs dick und kurz wird. Diese Erscheinung läßt sich qualitativ folgendermaßen erklären: Wenn der Kohlenstaub in den Ofen auf einer Hochtemperatur-Atmosphäre eingesprüht wird, erfolgt die Zündung zuerst auf der Oberfläche. Da der Kohlenstaub aufgrund dieser Oberflächenverbrennung erhitzt wird, werden die im Kohlenstaub enthaltenen flüchtigen Komponenten separiert und diffundieren in die umliegenden Bereiche, so daß die primäre Verbrennungszone gebildet wird. In dieser primären Verbrennungszone werden aufgrund der in der folgenden Formel (1) angegebenen Reaktion große Mengen von NO gebildet:

N₂ (flüchtige N-Komponenten) + O₂ → NO (1)

Andererseits tritt von der Mitte der erhitzten Flamme .HC auf, so daß eine Reaktion nach Formel (2) abläuft:

NO + .HC → .NX (2)

dabei ist .NX entweder .NH oder .CN.

Dieses .NX reduziert NO in der anschließenden Denitrifikations-Zone entsprechend Formel (3):

.NX + NO → N₂ (3)

Dieses .NX als Reduktionsmittel für NOx führt andererseits jedoch bei Vorhandensein von Sauerstoff zu einem Anstieg von NO:

.NX + O → NO (4)

Für eine Verbrennung mit wenig NOx ist es deshalb wesentlich, die flüchtigen Komponenten in der Nähe eines Brenners zu verbrennen und die Mitte der Flamme auf einer hohen Temperatur und in einem sauerstoffarmen Zustand zu halten. Dieses Verbrennungsverfahren ist für die Verringerung von NOx besonders wirksam, da der Großteil des durch die Verbrennng von Kohlenstaub gebildeten NOx von der Verbrennung der flüchtigen Komponenten herrührt, und die Bildung von NOx durch die Verbrennung der verkohlten Stoffe gering ist. Bei der Flammenform wirkt sich das so aus, daß die primäre Verbrennungszone dick ist, da die Verbrennung der flüchtigen Komponenten begünstigt wird, darüber hinaus wird die Diffusion der Luft in den Mittenbereich der Flamme verringert. Zusätzlich wird die Flamme in der primären Verbrennungszone kurz, da die Luftmenge insgesamt verringert wird, um die Denitrifikations-Zone im sauerstoffarmen Zustand zu halten.

Die Kenngröße I _NOx für die Verbrennung mit niedrigem NOx auf Grundlage der oben beschriebenen Beobachtungen wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert.

Als "oxidierende Flamme" wird im folgenden die Zone der Flamme bezeichnet, die sich nahe einem Brenner befindet und eine hohe Leuchtdichte hat. Die Kenngröße I _NOx für den Grad der NO-Reduktion ist folgendermaßen definiert:

I _NOx = X₁^-1 · X₂ · X₃^-1 (5)

mit

X₁: Position des Massenmittelpunkts = d _Z/d _B (6)

X₂: Abstand zwischen Massenmittelpunkten = d _X/d _B (7)

X₃: Dicke = l _F/S _F (8)

d _B : Auslaßdurchmesser des Brenners
l _F : Umfangslänge
S _F : Fläche (schraffierter Bereich in Fig. 2)

Fig. 3 zeigt die aus den Ergebnissen von Verbrennungstests gewonnenen Kennlinien NOx über I _NOx. Nach vorliegender Erfindung werden die Kennlinien im voraus bestimmt, und die Menge des sich bei der Verbrennung ergebenden NOx wird über eine tatsächliche Messung von I _NOx geschätzt.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4(a), 4(b) und 5 beschrieben. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Überwachung des Verbrennungszustands weist Bildführungen 11-1, 11-2, ITV-Kameras 12-1, 12-2, Veränderungseinrichtungen für die Kanäle 13, einen A/D-Umformer 14, einen Bildspeicher 15, einen Prozessor 16 und eine Anzeigeeinheit 17 auf. Der Lichtleiter 11 ist an einer Schauöffnung des Kessels 1 montiert, so daß die Flammenbilder in der Nähe der Kohlenstaub-Brenner 2 (2-1, 2-2, 2-3) vermessen werden können. Der Kopfteil des Lichtleiters 11 wird mit Wasser oder Luft gekühlt, so daß der Lichtleiter eine Hochtemperatur-Atmosphäre aushalten kann. Vom äußeren Rand der Vorderfläche des Lichtleiters 11 wird Luft eingestrahlt, um die Ablagerung der Verbrennungsasche des Kohlenstaubs zu verhindern.

Die optischen Bilddaten 100-1, 100-2 der Flamme werden mit den ITV-Kameras 12 (12-1, 12-2) in elektrische Signale umgewandelt und als analoge Bildsignale 101 (101-1, 101-2) zur Kanal-Veränderungseinrichtung 13 gegeben. Diese Einrichtung 13 gibt in Übereinstimmung mit einem vom Prozessor 16 erzeugten Kanal-Auswahlsignal 105 das analoge Bildsignal 102 des bezeichneten Kanals auf den A/D-Umformer 14. Nach der Umformung des Signals in ein digitales Bildsignal 103 durch den A/D-Umformer 14 werden die bezeichneten Flammen-Bilddaten im Bildspeicher 15 gespeichert. Der Prozessor 16 berechnet unter Verwendung dieser Flammen-Bilddaten den durch die Formel (5) gegebenen Kennwert I _NOx und schätzt unter Verwendung der NOx-I _NOx-Kennlinien nach Fig. 3 den sich ergebenen, vom Brenner gebildeten NOx-Wert. Der Verarbeitungsablauf dieses Prozessors 16 ist in Fig. 5 gezeigt.

Nach Fig. 5 werden die folgenden Operationen durchgeführt:

(1) Beim Schritt 200 "Eingabe der Bilddaten" werden die Flammen-Bilddaten des bezeichneten Kanals in den Bildspeicher übernommen.
(2) Beim Schritt 201 für die Gewinnung der wesentlichen Flammenform werden die Koordinaten des Schwerpunkts und die Umfangslänge entsprechend der durch die Werte X₁, X₂ und X₃ gegebenen Abfolge berechnet.
(3) Im I _NOx-Berechnungsschritt 202 wird eine Berechnung nach Formel (5) durchgeführt.
(4) Beim NO-Schätzschritt 203 wird der I _NOx-Wert unter Verwendung der im voraus in einer Datentabelle gespeicherten NOx-I _NOx-Kennlinien und des Auslaßdurchmessers in den NOx-Wert überführt.
(5) Im Anzeigeschritt 204 werden die Flammen-Bilddaten des Bildspeichers, die Kanalnummer, der NOx-Wert, der I _NOx-Wert und die Werte X₁ bis X₃ auf der Anzeigeeinheit 205 dargestellt.

Die oben beschriebenen Operationen (1) bis (5) werden wiederholt, bis alle Kanäle abgearbeitet sind.

Mit diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, den NOx-Wert in jedem Brenner des Kessels zu ermitteln.

Nach dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der bei der Verbrennung des Kohlenstaubs gebildete NOx-Wert in einer Brennereinheit gemessen werden, so daß sich folgende Effekte erzielen lassen:

(1) Es ist möglich, den geeigneten Verbrennungszustand im Brenner zu halten, wie zum Beispiel die Luftverteilung zu den primären und sekundären Verbrennungszonen und die Umwälzintensität beim Einblasen der Luft.
(2) Ungleichgewichte des Verbrennungszustands zwischen den Brennern können erfaßt werden.
(3) Die Veränderungen des Verbrennungszustands aufgrund der zeitlichen Veränderungen der Belastung, der Brennstoffeigenschaften, der Ausrüstung und ähnlichem können erfaßt werden.

Im folgenden wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Flamme wird unter dem Gesichtspunkt der unverbrannten Komponenten in der Asche untersucht. Fig. 1(a) zeigt eine Flamme, in der die Menge der unverbrannten Komponenten in der Asche sehr gering ist, Fig. 1(b) eine Flamme, in der die Menge sehr hoch ist, und Fig. 1(c) eine Flamme, in der die Menge der unverbrannten Komponenten in der Asche zwischen den Werten nach den Fig. 1(a) und 1(b) liegt.

Die Flamme, d. h. die Verbrennungszone des Kohlenstaubs, läßt sich grob in die primäre Verbrennungszone F 1, in der die Verbrennung der flüchtigen Komponenten vorherrscht, und in die sekundäre Verbrennungszone F 2 einteilen, in der hauptsächlich die Verbrennung des festen Kohlenstoffgehalts erfolgt. Die Abmessungen und Positionen dieser Zonen sind extrem eng mit der Menge der unverbrannten Komponenten in der Asche verbunden. Es liegen folgende Beziehungen vor:

(a) Die Flamme in der primären Verbrennungszone ist groß,
(b) die Flamme in der primären Verbrennungszone ist klein, und
(c) die Größe der Flamme in der primären Verbrennungszone liegt zwischen (a) und (b).

Fall (a): Der Kohlenstaub wird zugeführt und in geeigneter Weise in den in einer Hochtemperatur-Atmosphäre gehaltenen Ofen diffundiert, so daß die O₂-Verteilung um die Kohlenstaub-Partikel optimal wird, und die Zündung der flüchtigen Komponenten wird beschleunigt. Während die Hochtemperatur-Atmosphäre beibehalten wird, werden die Kohlenstaub-Partikel schnell verbrannt, und dadurch die unverbrannten Komponenten in der Asche minimiert.

Fall (b): Die Verteilung des Kohlenstaubs ist von der des O₂ getrennt, und da die Verbrennung nur in ihrer Kontaktzone abläuft, verbleiben große Mengen nicht vollständig verbrannter Kohlenstaub-Partikel als die unverbrannten Komponenten.

Fall (c): Die Sekundärluft ist verwirbelt und zerstreut die Staubkohle in der Nähe der Brennerspitze, um die Verteilung von O₂ zu optimieren und die Verbrennung zu unterstützen. Da sich aufgrund der Verwirbelung im stromabwärtigen Bereich des Kohlenstaubs ein negativer Druck entwickelt, werden der Kohlenstaub und O₂ miteinander vermischt, und die Verbrennung läuft ab. Die unverbrannten Komponenten in der Asche liegen zwischen Fall (a) und (b).

Auf Grundlage der Erscheinung, daß die Größe der Flamme in der primären Verbrennungszone und die Brennbarkeit am Bereich der Brennerspitze wirkungsvoll sind, um die unverbrannten Komponenten in der Asche zu verringern, wird beispielsweise die Größe I _UBC als der Parameter für die Verringerung der unverbrannten Komponenten in der Asche definiert.

Zusätzlich zu den Werten X₁ und X₂ in den oben genannten Formeln (6) und (7) wird die Primärluft-Menge definiert:

Primärluft-Menge: X₃′ = A₁ (9)

Der Reduktionskennwert I _UBC für die unverbrannten Komponenten in der Asche ist unter Verwendung von X₃′ mit k als Koeffizienten folgendermaßen definiert:

I _UBC = k · X₁^-1 · X₂^-1 · X₃′ (10)

Darüber hinaus ist es möglich, die folgenden Parameter G₁, G₂ zu verwenden, die die oxidierende Flamme kennzeichnen. Bei einem Verfahren zur Bestimmung von G₁ und G₂, die in Fig. 2 X₁ und X₂ repräsentieren, ist folgendes zu berücksichtigen:

(1) G₁ und G₂ können auf den Schwerpunkt der oxidierenden Flamme gesetzt werden.
(2) G₁ und G₂ können auf die Positonen gesetzt werden, an denen X₁ von der Brennerspitze aus der oxidierenden Flamme an nächsten ist.
(3) G₁ und G₂ können auf die Positionen der höchsten Temperatur (oder die Positionen der höchsten Leuchtdichte) gesetzt werden.
(4) Die oxidierende Flamme wird aus der Temperaturverteilung bestimmt, und G₁ und G₂ können auf ihren Schwerpunkt gesetzt werden.

Darüber hinaus kann die Dicke der oxidierenden Flamme als ein weiterer X₃′ repräsentierender Parameter berücksichtigt werden. Alle diese Parameter geben jedoch die die Position der oxidierenden Flamme von der Brennerspitze aus an, und soweit das möglich ist, muß der Schwerpunkt nicht notwendigerweise verwendet werden. Die Verteilung der Luftdichte (oder Temperatur) der oxidierenden Flamme beschreibt eine Niveaulinie, wie in den Fig. 6(a) bis 6(c) gezeigt, und ihre Fläche verändert sich in Übereinstimmung mit einem Grenzwert der Gewinnung der Zone hoher Leuchtdichte. Die Position des Schwerpunkts wird durch diese Veränderung jedoch kaum beeinflußt. Unter diesem Gesichtspunkt ist es zweckmäßig, den Schwerpunkt als den die oxidierende Flamme repräsentierenden Parameter zu verwenden.

Fig. 6(a) zeigt die Niveaulinien der Leuchtdichte, Fig. 6(b) die Leuchtdichte-Charakteristika entlang des Schnittes l-l′ in Fig. 6(a) und Fig. 6(c) den Punkt des Schwerpunkts in Fig. 6(a).

Der in Fig. 4 gezeigte Prozessor 16 berechnet unter Verwendung der in dem Bildspeicher 15 gespeicherten Bilddaten den durch Gleichung (10) definierten Reduktionskennwert I _UBC für die unverbrannten Komponenten in der Asche (im Schritt 202 in Fig. 5) und bildet (im Schritt 203 in Fig. 5) entsprechend der Formel (11) unter Verwendung eines Koeffizienten K einen Schätzwert für die unverbrannten Komponenten UBC in der Asche:

UBC = -K · I _UBC (11)

Für die Beziehung zwischen I _UBC und UBC kann ein im voraus berechnetes Diagramm verwendet werden. Ist eine Vielzahl von Brennern zu überwachen, nehmen die Koeffizienten k in Formel (10) und K in Formel (11) andere Werte als in dem Fall an, in dem nur ein Brenner verwendet wird.

I _UBC wird im Schritt 202 in Fig. 5 entsprechend Formel (10) berechnet, und die unverbrannten Komponenten UBC in der Asche werden im Schritt 203 geschätzt.

Im Schritt 204 werden folgende Werte auf der Anzeigeeinheit dargestellt: die für die I _UBC-Berechnung verwendete Flammenform, die für die Form charakteristischen Parameter d _Z und d _X, A₁, X₁, X₂, X₃, der I _UBC-Wert, der UBC-Schätzwert und ähnliche.

Die oben beschriebene Verarbeitung wird entweder periodisch oder kontinuierlich wiederholt, und die unverbrannten Komponenten in der Asche können während des Betriebs des Kessels mit einem hohen Maß an Genauigkeit geschätzt werden. Dabei läßt sich ein Betrieb mit hohem Wirkungsgrad erzielen, und der Verbrennungszustand des Kessels befriedigend überwachen.

Da die Bilddaten in diesem Ausführungsbeispiel Momentanwerte sind, können die Genauigkeit und Stabilität durch Verwendung von Mittelwerten einer Vielzahl von Bildern noch weiter verbessert werden.

Wenn die vorliegende Erfindung auf die Brennerflammen (A) bis (C) der in Fig. 4 gezeigten Stufen angewandt wird, lassen sich die I _UBC- bzw. UBC-Werte durch die folgenden Formeln (10′) und (11′) mit den entsprechenden Indices ausdrücken:

In der Praxis wird die in Fig. 5 dargestellte Verarbeitung für jede der Brennerflammen (A) bis (C) durchgeführt.

Fig. 7(a) zeigt ein Beispiel, bei dem der für die I _UBC-Berechnung verwendete Wert X₃′ durch die Dicke der oxidierenden Flamme, jedoch nicht durch die Primärluft-Menge ausgedrückt wird. In diesem Beispiel ist die Dicke der oxidierenden Flamme durch Formel (12) gegeben:

X₃′ = S/l _H (12)

mit

S : Fläche der oxidierenden Flamme,
l _H : Länge der oxidierenden Flamme in axialer Richtung des Brenners.

Als Wert l _H kann in diesem Fall die Länge in axialer Richtung des Brenners verwendet werden, durch die die Position des Schwerpunkts verläuft.

Fig. 7(b) zeigt ein Beispiel, in dem die Dicke der oxidierenden Flamme durch Formel (13) oder (14) gegeben ist:

X₃′ = l₁/l₂ (13)

oder

X₃′ = l₁ - l₂ (14)

mit

l₁: größter Abstand zwischen den oxidierenden Flammen ausgehend von der Brenner-Mittelachse
l₂: geringster Abstand zwischen den oxidierenden Flammen ausgehend von der Brenner-Mittelachse.

Wie aus den Fig. 7(a) bis 7(c) verständlich, hat als Parameter für die Angabe des Verbrennungsgrades die Dicke der oxidierenden Flamme die gleiche Bedeutung wie die in Fig. 2 gezeigte Primärluft A₁, sie ist jedoch weitgehend durch die Drosselung während der Messung oder ähnliches beeinflußt.

Andererseits wird nach Fig. 7(c) die Position der oxidierenden Flamme (X₁) und der Abstand zwischen den oxidierenden Flammen (X₂) nicht aus den Positionen der Massenmittelpunkte bestimmt, sondern die Bestimmung von X₁ erfolgt unter Berücksichtigung des Endes der oxidierenden Flamme, das der Brennerspitze am nächsten ist, während die Bestimmung von X₂ unter Berücksichtigung des Endes der oxidierenden Flamme erfolgt, das der Brennerachse (Mittellinie) am nächsten ist.

Neben der Auswahl der Merkmalsparameter liegt das Wesen der vorliegenden Erfindung in folgenden Punkten:

(1) Dem Grad der Annäherung der Flamme an die Brennerspitze (X₁);
(2) dem Grad der gegenseitigen Annäherung der Flammen (X₂); und
(3) dem Grad der Verbrennung oder dem Verbrennungszustand (X₃′).

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in anderen Worten darin, daß alle aus dem Flammenbild in der Nähe des Brenners gewonnenen Parameter als die Schätzparameter für die unverbrannten Komponenten in der Asche I _UBC verwendet werden können. Darüber hinaus ist es natürlich notwendig, die vier Grundrechenarten in Kombination geeignet anzuwenden, ohne auf die Formeln (10) oder (10′) festgelegt zu sein, um die Parameter auszuwählen.

Es ist auch einfach möglich, die unverbrannten Komponenten in der Asche unter Anwendung des Konzepts oder eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zu schätzen, indem nicht die Leuchtdichte-Daten verwendet, sondern diese in Temperatur-Daten umgewandelt werden.

Im folgenden wird die Anzeige der Flamme beschrieben. Fig. 8 zeigt ein Beispiel für ein im Bildspeicher 15 gespeichertes Bildsignal. Die Anzeige erfolgt unter Verwendung dieser Daten, indem die in den Fig. 9(a) und 9(b) dargestellte Verarbeitung durchgeführt wird. Obwohl in Fig. 8 die Leuchtdichte-Daten gezeigt sind, können auch die Temperatur-Daten verwendet werden. In diesem Fall sollte die Leuchtdichte unter Anwendung der Wein'schen Formel in die Temperatur umgewandelt werden.

Fig. 9 zeigt ein Flußdiagramm der Verarbeitung durch den Prozessor 16. Mit den in den Prozessor 16 übernommenen Bilddaten 104 wird ein Leuchtdichte-Histogramm bestimmt (Schritt 300). Wenn dieses Leuchtdichte-Histogramm beispielsweise in zwei Zonen aufgeteilt wird (Schritt 302), wird die Aufteilung beispielsweise unter Verwendung der folgenden Formel (15) durchgeführt, da die Relation zwischen der Temperatur und der Leuchtdichte durch Index-Funktionen von der Wein'schen Formel ausgedrückt werden kann:

R′ = (1 - e^-a) · (N - 1) (15)

mit:

a: Variable (o, 1, . . .),
N: Bild-Quantisierungszahl,
R′: aufgeteilter Leuchtdichtepegel.

Alternativ ist es möglich, die Funktion als eine Kurve oder gebrochene Linie zu speichern, wie in Fig. 11 gezeigt. Wenn die Leuchtdichte für die Aufteilung der Gesamtzone in zwei Zonen R [(n - 1)/2] ist, beträgt nach diesem Diagramm der tatsächlich aufzuteilende Leuchtdichte-Pegel R(n). Es ist jedoch auch möglich, eine Aufteilung in Intervalle mit äquivalenter Leuchtdichte vorzunehmen.

Auf diese Art wird der Bereich, wie in Fig. 10 gezeigt, in die zwei Zonen eingeteilt. Jede der Zonen wird angezeigt (Schritt 304), wie in Fig. 12 dargestellt. Zur Verbesserung der Sichtbarkeit werden Schraffuren und Farben angewandt (Schritt 303), wodurch die Wirksamkeit der Erfindung weiter erhöht wird.

In dem schematischen Flußdiagramm nach Fig. 9(b) entsprechen zumindest die Schritte bis zur Aufteilung der Verbrennungszone in zwei Zonen den Schritten in Fig. 9(a).

Im folgenden wird die Beziehung zwischen dem Verbrennungszustand der Flamme und jeder Flammenzone untersucht. Für die Fortführung der Verbrennung müssen kontinuierlich Sauerstoff und Brennstoff in geeigneten Mengen zugeführt werden. Wenn einer dieser Bestandteile abnimmt, tritt eine Veränderung im Verbrennungszustand auf, die sich in der Leuchtdichte der Flamme niederschlägt, die die Aktivität der Verbrennung wiedergibt. Die Beziehung zwischen der Leuchtdichte und der Temperatur wurde bereits beschrieben.

Der Vergleich der Standard-Zone als dem im voraus gespeicherten Referenzwert und den aufgeteilten Zonen (Schritt 306) erfolgt unter Verwendung der folgenden Formel (16). Beispielsweise werden zuerst die Flächen der beiden Zonen bestimmt.

Gesamtfläche A = A₁ + A₂ = const.

mit

N: Bild-Quantisierungszahl
H(m): Frequenz von R(m) bei der Leuchtdichte
n: Nummer des Teilungspegels R(n).

Das Verhältnis jeder derart bestimmten Fläche zur Gesamtfläche wird unter Anwendung der folgenden Formel (17) bestimmt.

Beispielsweise bestimmt sich aus Formel (17) das Verhältnis für jede Zone folgendermaßen:

a₁ = b₁ (%)
a₂ = b₂ (%)

Wenn die Last in diesem Fall 2/3 der Nennlast ist, erhält man aus Fig. 13 für die Zonen I und II folgende Standard-Flächenverhältnisse α₁ und α₂:

α₁ = 25 (%)
α₂ = 75 (%)

Anschließend wird ein Vergleich durchgeführt (Schritt 306), ob sich b₁ bzw. b₂ innerhalb der normalen Bereiche befinden.

Beispielsweise wird die Abweichung jeder Zone aus der Formel (18) bestimmt und entsprechend der folgenden Formel (19) mit dem Abweichungsbereich bei dieser Charge (Fig. 14) verglichen:

wobei ε₁ und ε₂ die jeweiligen Abweichungsbereiche der Zonen I und II sind.

Wenn die Formel (19) befriedigt wird (Schritt 308), wird die Anzeige "normal" erzeugt, wenn sie nicht befriedigt wird, wird die Anzeige "anormal" erzeugt, so daß anhand der Flamme der Verbrennungszustand hinsichtlich einer Änderung der Charge hinreichend überwacht werden kann, wodurch die Belastung des Betriebspersonals drastisch verringert wird.

Darüber hinaus kann durch die Anordnung der Fig. 9(a) und 9(b) der Effekt der Erfindung deutlich gesteigert werden.

Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Überwachung können durch die Bestimmung der Mittelwerte der Momentan-Bilddaten und durch deren Ausnutzung weiter verbessert werden.

Claims

1. Verfahren zum Überwachen des Verbrennungszustandes eines Verbrennungsofens mit einem Brenner, der Brennstoffdüsen zum Einblasen eines Kohlenstaub-Gas- oder Kohlenstaub-Wasser-Gemisches und Luftdüsen zum Einblasen der Verbrennungsluft aufweist, bei dem

- ein Bild der konzentrisch zur Einblaseinrichtung des Brennstoffes ausgebildeten Flamme aufgenommen und verarbeitet wird,

dadurch gekennzeichnet,

- daß das Bild desjenigen Teils der Flamme aufgenommen wird, an dem primär die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs verbrannt werden,
- daß das aufgenommene Flammenteilbild zu einem Zweizonenbild verarbeitet wird, wobei die Leuchtdichte beider Zonen über einem bestimmten Schwellenwert liegt,
- daß auf der Grundlage des Zweizonenbildes die Werte von Formparametern (X₁, X₂, X₃; X₃′) berechnet werden, die zur Form der beiden Zonen, ihrer relativen Lage zueinander und ihrer Lage hinsichtlich des Brenners in Beziehung stehen,
- und daß die Überwachung des Verbrennungszustandes anhand der Werte der Formparameter (X₁, X₂, X₃; X₃′) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Werten der berechneten Formparametern (X₁, X₂, X₃; X₃′) ein Kennwert I _NOx, der das Maß an NOx-Reduktion wiedergibt, und/oder ein Kennwert der Menge an nicht verbrannten Brenn stoffbestandteilen I _UBC in der Asche aus der Verbrennung berechnet wird/werden und die Menge an NO_x, die an einem Teil der Flamme gebildet wird, der sich an den Teil anschließt, an dem die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs verbrannt werden, und/oder die Menge an nicht verbrannten Brennstoffbestandteilen in der Asche auf der Grundlage der berechneten Kennwerte I _NOx, I _UBC jeweils nach einer Beziehung zwischen dem zu ermittelnden Wert und dem zugehörigen Kennwert I _NOx, I _UBC abgeschätzt wird, die vorher empirisch gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Flächenschwerpunktes (G₁, G₂) der Zonen des Zweizonenbildes für die Bestimmung der Werte der Formparameter (X₁, X₂, X₃; X₃′) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (dX) zwischen den Flächenschwerpunkten (G₁, G₂) der beiden Zonen des Zweizonenbildes für die Bestimmung der Werte der Formparameter (X₁, X₂, X₃; X₃′) verwendet wird.

5.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Umfangslänge (lF) der Zonen des Zweizonenbildes zu deren Fläche (S _F) als ein die Dicke dieses Flammenbereiches angebender Kennwert für die Bestimmung der Formparameter (X₁, X₂, X₃; X₃′) der beiden Zonen verwandt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung der Werte der Formparameter (X₁, X₂, X₃) der Zonen des Zweizonenbildes der Kennwert für die NOx-Reduktion nach der folgenden Gleichung berechnet wird: I _NOx = X₁^-1 · X₂ · X₃^-1wobei:
X₁ = dZ/dB, X₂ = dX/dB, X₃ = l _F/S _F, mit
Z: Abstand der Brennerspitze zum Schwerpunkt zwischen den Zonen des Zweizonenbildes
B: Brennerdurchmesser
X: Abstand zwischen den Schwerpunkten der zwei Zonen des Zonenbildes,
l _F: Umfangslänge der Zonen des Zweizonenbildes und
S _F: Fläche der Zonen des Zweizonenbildes.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für die Menge an unverbrannten Bestandteilen in der Asche I _UBC unter Verwendung der Formparameter X₁ und X₂ sowie eines weiteren Parameters X₃′ nach der folgenden Gleichung berechnet wird: I _UBC = k · X₁^-1 · X₂^-1 · X₃′,wobei
k: Koeffizient und
X₃′: Primärluftdurchsatz

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Ofen abgegebene Menge an unverbrannten Bestandteilen in der Asche aus dem Produkt des Kennwertes für die unverbrannten Bestandteile in der Asche I _UBC und einem weiteren vorgegebenen Koeffizienten K geschätzt wird und der Verbrennungszustand mit dem so erhaltenen Schätzwert überwacht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Fläche (S _F) der Zonen des Zweizonenbildes zur Umfangslänge (l _H) dieser Zonen anstelle des Wertes für den Primärluftdurchsatz (X₃′) bei der Berechnung des Kennwertes für die unverbrannten Brennstoffbestandteile I _UBC verwandt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung der beiden Abstände zwischen den entferntesten Puntken (l₁) der beiden Zonen des Zweizonenbildes zur Brennerdüsenachse und den dazu am nächsten liegenden Punkten (l₂) anstelle des Primärluftdurchsatzes (X₃′) bei der Berechnung des Kennwertes für die unverbrannten Brennstoffbestandteile I _UBC verwandt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den beiden Punkten (l₁, l₂) verwandt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leuchtdichte-Histogramm nach Maßgabe der Leuchtdichteverteilung im Flammenbild bestimmt wird, der Bereich der Verteilung der Leuchtdichte in zwei Gruppen mittels einer bestimmten Bezugsleuchtdichte unterteilt wird und die Form der Flamme so dargestellt wird, daß der Teil der Flamme, der zu einer der beiden Gruppen gehört, sichtbar von dem Teil unterschieden werden kann, der zu der anderen Gruppe gehört.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der gemessenen Leuchtdichte entsprechende Bezugstemperatur im voraus bestimmt wird und das Flammenbild in eine Zone, die eine höhere Temperatur als die Bezugstemperatur hat, und in eine Zone aufgeteilt wird, die eine niedrigere Temperatur als die Bezugstemperatur hat.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis jeder der aufgeteilten Zonen zur Gesamtfläche berechnet wird und daß der Verbrennungszustand in Abhängigkeit davon überwacht wird, ob das genannte Verhältnis einen der Last des Verbrennungsofens ensprechenden vorgegebenen zulässigen Wert überschreitet oder nicht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Formparameter (X₁, X₂, X₃; X₃′) an einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden.

16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit einem Sensor (12), der in der Nähe des Brenners vorgesehen ist und ein Bild der Flamme aufnimmt, einem Speicher (15) zum Speichern der Flammendaten des Sensors, der diese Daten in eine digitale Form umwandelt, und einer Datenverarbeitungseinrichtung, die die im Speicher (15) gespeicherten Flammendaten liest und zu einem Signal zum Überwachen des Verbrennungszustandes weiterverarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Sichtfeld des Sensors (12) so angeordnet ist, daß er das Bild desjenigen Teils der Flamme aufnimmt, an dem primär die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs verbrannt werden, und die Datenverarbeitungseinrichtung einen Prozessor (16) enthält, der die Daten des aufgenommenen Flammenteilbildes zu Bilddaten eines Zweizonenbildes verarbeitet, deren Leuchtdichte über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, und Werte von Parametern (X₁, X₂, X₃; X₃′) auf der Grundlage der Daten dieses Zweizonenbildes berechnet, die mit der Form der beiden Zonen, ihrer relativen Lage zueinander und ihrer Lage hinsichtlich des Brenners in Beziehung stehen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (17) zum Anzeigen der berechneten Werte der Parameter (X₁, X₂, X₃; X₃′).