DE3630177A1

DE3630177A1 - Verfahren zum betreiben von vormischbrennern und vorrichtung zum durchfuehren dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3630177A1
Application number: DE19863630177
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr Ing Altemark; Robert Dr Ing Hess
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1988-03-10
Also published as: ATE73218T1; US4859171A; EP0262390B1; EP0262390A1; DE3777053D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Vor mischbrennern unter normalem oder erhöhtem Druck bei dem ein gas- oder dampfförmiger Brennstoff und Verbrennungsluft vor zugsweise mit Kühlgas in einer Mischkammer gemischt und nach folgend in einer Brennkammer unter Bildung einer Flamme zur Reaktion gebracht werden, und bei dem die Verbrennung aufgrund vorgegebener Randbedingungen mit niedriger Flammentemperatur und damit Flammengeschwindigkeit durchgeführt wird.

Bei der Verbrennung gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe entstehen bekanntlich Stickstoffoxide (NO_x) im Abgas, die sowohl unter dem Gesichtspunkt der Luftverunreinigung, als auch unter dem Gesichtspunkt der Beeinträchtigung von mit Brennerabgasen in Berührung kommendem Behandlungsgut uner wünscht sind. NO_x bildet sich hauptsächlich einerseits aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff und andererseits ther misch aus freiem Stickstoff, der in der Luft und u.U. außerdem in bestimmten Brennstoffen, z.B. in Erdgas enthalten ist. Die thermische NO_x-Bildung tritt vor allem bei hohen Verbren nungstemperaturen, bei Erdgas beispielsweise ab ca. 1600°C auf.

Aus der EP-B-00 21 035 ist ein gattungsgemäßes Verfahren be kannt, mit dem gas- oder dampfförmige Brennstoffe so verbrannt werden können, daß einerseits eine vollständige Verbrennung bei niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung von Abga sen mit extrem niedrigen NO_x-Gehalten stattfindet, anderer seits aber auch die Flamme über einen großen Leistungsbereich, inbesondere bei hohen spezifischen Leistungen stabil gehalten werden kann. Dies gelingt nach dem bekannten Verfahren durch Anwendung eines Kühlgases, das die Flammentemperatur vermin dert und dennoch eine stabile Verbrennung zuläßt, bei gleich zeitiger Anwendung einer besonderen Flammengestaltung bei der Verbrennung des Gemisches und bei Abschirmung der Flamme bis zu deren vollständigen Ausbrand gegenüber äußeren Fremdgasen und äußeren Temperatureinflüssen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Vormischbrenner zur Minimierung der NO_x-Emission bei voll ständigem Ausbrand möglichst dicht an der Grenze der Flammen stabilität zu betreiben und dabei ein Überschreiten der Flam menstabilitätsgrenze zuverlässig zu verhindern.

Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Er kenntnis aus, daß bei der aus der oben genannten Druckschrift bekannten Einhaltung der Randbedingungen für eine homogene Flammenentwicklung am Brenner die Eigenschaftswerte der Flamme selbst die besten und raschesten Rückschlüsse auf die Verbren nung, insbesondere die angestrebte schadstoffarme Verbrennung zulassen und daher als Regelgrößen besonders geeignet sind.

Die Erfindung sieht daher zur Lösung der ihr zugrundeliegenden Aufgabe vor, daß wenigstens eine für den Abstand der Flamme von der Flammenstabilitätsgrenze charakteristische Größe (Flammeneigenschaft) an oder in der Brennerflamme überwacht oder gemessen und als Regelgröße zur Regelung des Mengenstroms mindestens einer der der Mischkammer zugeführten Gemischkom ponenten derart verwendet wird, daß die Verbrennung möglichst nahe an der Flammenstabilitätsgrenze abläuft. Die Auswahl des Mediums also Brennstoff Verbrennungsluft oder Kühlgas, des sen Mengenstrom durch die Regelung beeinflußt wird, richtet sich nach dem Anwendungsbereich des Brenners. Die angestrebte Annäherung der Verbrennung an die Flammenstabilitätsgrenze ist über eine Flammeneigenschaft am besten und raschesten zu über wachen, so daß die Verwendung der Flammeneigenschaft als Re gelgröße für die Einwirkung auf das Mengenverhältnis der Ge mischmedien eine reaktionsschnelle Regelung gewährleistet.

Die Erfindung macht die Betriebsweise des Brenners unabhängig von

a) der Teillaststufe des Brenners;
b) der Änderung der Brennstoffzusammensetzung (ggf. in Verbindung mit einer λ-Regelung);
c) von Temperatur- und Druckänderungen in den dem Brenner zugeführten Medienströmen (z.B. Brenngas, Luft, Kühlgas) und
d) dem Druck in der Brennkammer.

Als für den Abstand der Flamme von der Flammenstabilätsgrenze charakteristische Größen, die erfindungsgemäß überwacht und als Regelgröße verwendet werden, kommen die folgenden Flammen eigenschaften in Betracht: Der Ionisationsstrom, Druckpulsati onen, Temperaturen und UV-Strahlung der Flamme.

Der Ionisationsstrom der Flamme hat sich als die vorteilhaf teste Regelgröße erwiesen, da er Änderungen in der Flamme ohne Zeitverzögerung folgt, schnell erfaßbar und sowohl lokal in Form einer Punktmessung als auch integral über einen bestimm ten Bereich einfach meßbar ist. Der Ionisationsstrom kann entweder - bei vorhandener Ionisationsüberwachung des Brenners - an der Flammenüberwachungseinrichtung oder mittels wenig stens eines separaten Elektrodenpaares abgegriffen werden, wobei die Masse-Elektrode (Kathode) Teil des Brenners sein kann. Der Ionisationsstrom kann aber auch mittels einer Viel zahl speziell angeordneter Elektroden oder Elektrodenpaare erfaßt werden.

Durch die Modulation, also systematische Veränderung des Brennstoff/Verbrennungsluft ggf. Kühlgas-Mischungsverhältnis ses an der Flammenstabilitätsgrenze kann das Signal zur Er mittlung der Flammenstabilitätsgrenze verbessert werden.

Sofern der Brenner nicht mit Luftüberschuß, sondern mit einem anderen Kühlgas, z.B. Abgas, betrieben wird, ist ggf. eine λ-Regelung als Folgeregelung vorgesehen.

Die überraschende Erkenntnis, daß die Regelung eines nahe an der Flammenstabilitätsgrenze betriebenen Brenners durch Mes sung eines Eigenschaftswertes der Flamme des Brenners und einen von der Meßgröße abhängigen Eingriff in die Größe minde stens eines Mengenstromes der Gemischkomponenten möglich ist, wird anhand der Fig. 1 bis 3 am bevorzugten Beispiel der Ionisationsstrommessung näher erläutert.

In Fig. 1 ist der Mittelwert des in Abhängigkeit von der Luftzahl λ in der Flamme eines überstöchiometrisch vormi schenden Brenners gemessenen Ionisationsstromes I dargestellt. Die charakterististischen Schwankungen des Ionisationsstromes sind durch entsprechende Dämpfung unterdrückt. Der Mittelwert I des Ionisationsstromes nimmt bei einer Luftzahl λ < 1 zu nächst nur wenig, dann aber zunehmend stark ab und erreicht den Wert 0, wenn die Luftzahl λ die Flammenstabilitätsgrenze erreicht. Der Mittelwert des Ionisationsstromes ändert sich nahe der Flammenstabilitätsgrenze bei vergleichsweise kleinen Anderungen der Luftzahl λ also sehr stark und ist deshalb als Regelgröße für einen möglichst nahe der Flammenstabilitäts grenze zu betreibenden Brenner besonders geeignet. Der in der Fig. 1 dargestellte Sollwert ist lediglich beispielhaft ein gezeichnet.

Anstelle des Mittelwertes des Ionisationsstromes der Flamme kann aber auch die Amplitude der Ionisationsstromschwankungen der Flamme (Fig. 2) überwacht werden. Bei Annäherung an die Flammenstabilitätsgrenze des Brenners schwankt der Ionisati onsstrom nämlich zunehmend um den abnehmenden Mittelwert. Daher ist die Amplitude der Ionisationsstromschwankungen eben falls als Regelgröße für einen nahe der Flammenstabilitäts grenze betriebenen Brenner geeignet. In diesem Fall wird das Meßsignal, der Ionisationsstrom I, also ungedämpft verarbei tet. In ähnlicher Weise wie die Amplitude ändert sich auch das Frequenzspektrum der Ionisationsstromschwankungen in der Flam me, je näher man sich an der Flammenstabilitätsgrenze befin det. Daher ist auch das Frequenzspektrum der Ionisationsstrom schwankungen in der Flamme als Regelgröße geeignet.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des Verfah rens ist in Fig. 3 schematisch dargestellt: Ein aus der EP-B- 00 21 035 bekannter Vormischbrenner 1 weist ein Mischrohr 2 auf, in dem Brennstoff 3, Verbrennungsluft 4 und Kühlgas 5 zu einem homogenen Gasgemisch gemischt werden. An das Mischrohr 2 schließt ein konisch erweiterter Brennerkopf 6 mit einer Bren nerplatte 7 an, die eine große Hauptflammen-Bohrung 8 und in konzentrischen Kreisen um die Bohrung 8 angeordnete kleine Bohrungen 9 aufweist. An die Brennerplatte 7 schließt sich eine Vorbrennkammer mit dem Brennermund 10 an, der mit einer die Flamme 11 abschirmenden Flammenschutzhülle 12 verbunden ist. In der Flamme 11 ist eine Elektrode 13 angeordnet, die z.B. zusammen mit einer an der Brennerwand angeordneten Elek trode 14 ein Elektrodenpaar zur Messung des Ionisationsstromes der Flamme 1 bildet.

Die Elektroden 13 und 14 sind mit einem Meßumformer 15 verbun den, dessen Ausgangssignal als Regelgröße einem Regler 16 zugeführt wird. Der Regler 16 setzt die Regelgröße über die Stellglieder 17, 18, 19 in geeignete Änderungen der Mengen ströme der Gemischkomponenten 3, 4, 5 derart um, daß eine Verbrennung möglichst nahe an der Stabilitätsgrenze der Flamme 11 stattfindet.

Die Erfindung gewährleistet daher eine leise, zuverlässige und schadstoffarme Verbrennung über einen großen Leistungsbereich, wobei die Erhaltung der Flamme nahe der Stabilitätsgrenze zuverlässig gewährleistet ist.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben von Vormischbrennern unter norma lem oder erhöhtem Druck, bei dem ein gas- oder dampfförmiger Brennstoff und Verbrennungsluft vorzugsweise zusammen mit Kühlgas in einer Mischkammer gemischt und nachfolgend in einer Brennkammer unter Bildung einer Flamme zur Reaktion gebracht werden, und bei dem die Verbrennung aufgrund vorgegebener Randbedingungen mit niedriger Flammentemperatur und damit Flammengeschwindigkeit durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine für den Abstand der Flamme von der Flam menstabilitätsgrenze charakteristische Größe (Flammeneigen schaft) an oder in der Brennerflamme überwacht oder gemessen und als Regelgröße zur Regelung des Mengenstroms mindestens einer der der Mischkammer zugeführten Gemischkomponenten der art verwendet wird, daß die Verbrennung möglichst nahe an der Flammenstabilitätsgrenze abläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsstrom der Flamme gemessen und aus dem Ionisati onsstrom ein Regelsignal zur Regelung des Mengenstroms abge leitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert des Ionisationsstromes der Flamme zur Regelung des Mengenstroms verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Ionisationsstromschwankungen der Flamme bestimmt und als Regelgröße zur Regelung des Mengenstroms verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzspektrum der Ionisationsstromschwankungen der Flamme bestimmt und als Regelgröße zur Regelung des Mengen stroms verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ionisationsstrom an einer Ionisations überwachungsvorrichtung des Brenners abgegriffen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ionisationsstrom eines in der Brennkam mer angeordneten Elektrodenpaares gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ionisationsstrom mittels mehrerer in der Brennkammer verteilter Elektroden oder Elektrodenpaare gemes sen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckpulsationen der Flamme gmessen und als Regelsignal zur Regelung des Mengenstroms verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammentemperatur gemessen und als Regelsignal zur Rege lung des Mengenstroms verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Strahlung der Flamme gemessen und als Regelsignal zur Regelung des Mengenstroms verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß mindestens einer der aufgrund des Meßsi gnales nicht geregelten Mengenströme in Abhängigkeit von der Änderung des aufgrund des Meßsignales geänderten Mengenstromes folge-geregelt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Signals der Flammensta bilitätsgrenze das Brennstoff/Verbrennungsluft/Kühlgas-Mi schungsverhältnis moduliert wird.

14. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bestehend aus einem Vormischbrenner mit einer Mischkammer für Ausgangskomponenten und einer nachgeord neten Brennkammer, gekennzeichnet durch mindestens einen in der Brennkammer angeordneten Meßwertaufnehmer (13, 14) zum Messen einer für den Abstand der Flamme von der Flammenstabi litätsgrenze charakteristischen Größe (Flammeneigenschaft), mindestens ein Stellglied (17, 18, 19) zum Einstellen des Mengenstromes mindestens einer der Vormischkammer (2) zuge führten Gemischkomponente sowie einen Regler (16) zum Erzeugen eines Regelsignals für das Stellglied in Abhängigkeit von dem Meßsignal.