DE3809556A1

DE3809556A1 - METHOD FOR OPTIMIZING THE BURNING OF HYDROGENOUS FUELS

Info

Publication number: DE3809556A1
Application number: DE19883809556
Authority: DE
Inventors: Margareta Ascherfeld; Walter Fabinski; Wolfgang Nicolai
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1987-05-23
Filing date: 1988-03-22
Publication date: 1988-12-01
Also published as: EP0292706A1; DE3809556C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Feuerung wasserstoffhaltiger Brennstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for optimizing the furnace Hydrogen-containing fuels according to the preamble of the claim 1.

Für die Optimierung der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe ist ein Verfahren bekannt, welches den Anteil unverbrannten Brennstoffes sowie der Überschußluft minimiert (Patentanmeldung P 34 24 946 und Veröffentlichung in der VGB-Kraftwerktechnik, Heft 2/87, Seiten 143/149). Hier wird der Kohlenmonoxyd Bildungspunkt zur Optimierung herangezogen. Die Sauerstoffkonzentration dient zur Anzeige des Wirkungsgrades. Wasserstoffhaltige Brennstoffe können ebenso optimiert werden, wenn sie Kohlenstoff enthalten, z. B. bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen.For the optimization of the combustion of carbonaceous fuels a method is known which reduces the proportion of unburned Fuel and excess air minimized (patent application P 34 24 946 and publication in VGB power plant technology, Issue 2/87, pages 143/149). Here the carbon monoxide becomes the point of formation used for optimization. The oxygen concentration is used to display the efficiency. Hydrogenated Fuels can also be optimized if they are carbon included, e.g. B. in the combustion of hydrocarbons.

Für die Verbrennung von reinem Wasserstoff ist derzeit kein Verfahren bekannt, welches sowohl den Anteil Unverbranntem als auch die Überschußluft minimert. Bekannt ist der Einsatz der Sauerstoffmessung zur Feuerungsoptimierung. Hier gelten jedoch die bekannten Einschränkungen (s. die angegebene Literatur).There is currently no process for burning pure hydrogen known, which both the portion unburned as well the excess air is minimized. The use of oxygen measurement is known to optimize the firing. However, the known ones apply here Limitations (see the given literature).

Die Aufgabe besteht darin, die optimale Einstellung des Luft/ Brennstoffverhältnisses zu erreichen mit dem Ziel, Verluste durch unverbrannte Bestandteile oder durch Überschußluft auf ein Minimum zu senken. The task is to optimize the air / To achieve fuel ratio with the aim of losses by unburned components or by excess air on one Lower minimum.

Die gestellte Aufgabe ist mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensmerkmalen gelöst.The task is with the in the characterizing part of claim 1 specified procedural features solved.

Zur Auffindung des günstigsten Luft/Brennstoffverhältnisses dient der Wasserdampfgehalt im Rauchgas. Als Produkt des Verbrennungsprozesses ist dieser Wert besonders für diese Aufgabe geeignet. Die Einstellung erfolgt bei dem Luft/Brennstoffverhältnis, bei dem der Wasserdampfgehalt im Rauchgas maximal ist. Besonders vorteilhaft dabei ist, daß der Maximalwert für die Konzentration gleichzeitig ein eindeutiges Maß für den Wirkungsgrad der Verbrennung ist. Das Verfahren ist besonders gut bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff geeignet.To find the most favorable air / fuel ratio serves the water vapor content in the flue gas. As a product of the combustion process this value is especially for this task suitable. The setting is made for the air / fuel ratio, at which the water vapor content in the flue gas is maximum. It is particularly advantageous that the maximum value for the concentration at the same time a clear measure of efficiency the combustion is. The process is particularly good for combustion of pure hydrogen.

Das Verfahren wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.The method is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 4.

Bei stöchiometrischer Verbrennung (Luft/Brennstoffverhältnis λ = 1) stellt sich eine theoretisch maximale Wasserdampf-Konzentration K max/theor. ein. Diese ermittelt sich aus der Reaktionsgleichung für die Verbrennung von reinem Sauerstoff mit Luft (Luft: 20,9% Sauerstoff und 78,1% Rest) zu:With stoichiometric combustion (air / fuel ratio λ = 1) there is a theoretically maximum water vapor concentration K max / theor. a. This is determined from the reaction equation for the combustion of pure oxygen with air (air: 20.9% oxygen and 78.1% rest) to:

2*H₂ + 1*O₂ + (3,8*Rest) → 2*H₂O + (3,8*Rest)2 * H₂ + 1 * O₂ + (3.8 * rest) → 2 * H₂O + (3.8 * rest)

Der in Klammern aufgeführte Anteil 3,8*Rest setzt sich aus dem Stickstoff und weiterer an der Verbrennung nicht teilnehmender Inertgase der Verbrennungsluft zusammen.The 3.8 * remainder listed in brackets is made up of the Nitrogen and others not participating in the combustion Inert gases of the combustion air together.

Für die Verbrennung von wasserstoff- und kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffen ergeben sich je nach C- und H-Zahl in den Molekülen unterschiedliche Werte für die theoretisch maximale Wasserdampf-Konzentration K max./theor. Als Beispiel sei hier die Verbrennung von Methan CH₄ angenommen:For the combustion of fuels containing hydrogen and carbon, such as hydrocarbons, depending on the C and H numbers in the molecules, there are different values for the theoretically maximum water vapor concentration K max./theor. The combustion of methane CH₄ is assumed here as an example:

1*CH₄ + 2*O₂ + (2*3,8*Rest) → 1*CO₂ + 2 H₂O + (2*3,8*Rest)1 * CH₄ + 2 * O₂ + (2 * 3.8 * rest) → 1 * CO₂ + 2 H₂O + (2 * 3.8 * rest)

In Fig. 1 ist der Verlauf der Wasserdampf-Konzentration K in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoffverhältnis λ für eine Feuerung mit wasserstoffhaltigen Brennstoffen dargestellt.In Fig. 1, the course of the water vapor concentration of K is shown as a function of the air / fuel ratio λ of a furnace with hydrogen-containing fuels.

Bei der realen Verbrennung stellt sich im Maximum der Wasserdampf- Konzentration jedoch nicht der maximal mögliche Konzentrations-Wert K max./theor. ein. Es liegen Verluste beim Verbrennungsprozeß vor. Diese ergeben sich, wenn z. B. die Durchmischung der Luft mit dem Brennstoff nicht fein genug ist. Zur vollständigen Verbrennung muß deshalb mehr Luft gegeben werden, als zur stöchiometrischen Verbrennung benötigt wird. Dies bewirkt eine Verdünnung der Wasserdampf- Konzentration im Arbeitspunkt. Unabhängig von diesen realen Verhältnissen zeigt das Maximum der Wasserdampf-Konzentration K max. jedoch immer die unter diesen Umständen optimale, d. h. vollständige Verbrennung im angestrebten Arbeitspunkt λ opt. an. Darüberhinaus gestattet der Konzentrations-Wert K max. noch eine Aussage zum Wirkungsgrad gemäß der FormelIn real combustion, however, the maximum possible concentration value K max./theor does not arise in the maximum of the water vapor concentration. a. There are losses in the combustion process. These arise when z. B. the mixing of the air with the fuel is not fine enough. More air must therefore be added to complete combustion than is required for stoichiometric combustion. This causes a dilution of the water vapor concentration at the working point. Regardless of these real conditions, the maximum of the water vapor concentration K max. however, always the optimal, ie complete combustion in the desired operating point λ opt under these circumstances. at. In addition, the concentration value K max. another statement on the efficiency according to the formula

Eine solche reale Verbrennung wird in Fig. 2 gezeigt. Der Punkt optimaler Verbrennung λ opt. liegt bei der realen Verbrennung immer im Bereich λ < 1, d. h. bei Luftüberschuß. Such a real combustion is shown in FIG. 2. The point of optimal combustion λ opt. is in real combustion always in the range λ <1, ie with excess air.

Bei Mehrbrennersystemen ergeben sich zusätzliche Verluste, da jeder Brenner unter realen Bedingungen ein eigenes optimales Luft/ Brennstoffverhältnis benötigt. Fig. 3 zeigt dieses Verhalten am Beispiel eines Zwei-Brenner-Systems.With multiple burner systems there are additional losses since each burner requires its own optimal air / fuel ratio under real conditions. Fig. 3 shows this behavior the example of a two-burner system.

Den Verlauf der Wasserdampf-Konzentration K über das Brennstoff/ Luftverhältnis λ j für jedes Brennersystem stellen die Kurven 1 und 2 in Fig. 3 dar. Die optimale Verbrennung ist gegeben bei λ 1 opt. und λ 2 opt. Die Summenkurve für die Wasserdampf-Konzentration über λ j ist abgeflacht und zeigt im Maximum einen Wert, der kleiner als der maximal mögliche Konzentrations-Wert ist. Werden die Brenner einzeln auf ihr Optimum λ i opt. eingestellt, dann ergibt sich für den Verlauf der Wasserdampf-Konzentration im Rauchgas über λ ein Maximum mit steilen Flanken. Der hohe Wert für die maximale Wasserdampf-Konzentration K max. zeigt einen hohen Wirkungsgrad der Verbrennung an, wie in Fig. 4 dargestellt ist.The course of the water vapor concentrationK about the fuel / Air ratioλ j the curves represent each burner system1 and2nd inFig. 3. The optimal combustion is given at λ 1 opt. andλ 2 opt. The cumulative curve for the water vapor concentration aboutλ j is flattened and shows a maximum value, which is less than the maximum possible concentration value. Will the burners individually to their optimumλ i opt. set then results for the course of the water vapor concentration in the flue gas aboutλ a maximum with steep flanks. The high value for the maximum water vapor concentrationK Max. shows a high efficiency of combustion as inFig. 4 is shown.

Mit der Zugrundelegung der Wasserdampf-Konzentration im Rauchgas wasserstoffhaltiger Brennstoffe als Regelgröße läßt sich die Feuerung optimieren, unabhängig von den verschiedenen Zuständen der realen Verbrennung. Das Maximum der Wasserdampf-Konzentration ist gleichzeitig das Optimum der Verbrennung, wie real auch immer die Verhältnisse sind. Gleichzeitig gestattet der Konzentrations- Wert des Wasserdampfes eine Aussage über den Wirkungsgrad der Verbrennung. Durch die Zugrundelegung nur einer Rauchgasgröße - die Wasserdampf-Konzentration K - für die optimale Einstellung der Verbrennung ergibt sich gleichzeitig ein geringer Aufwand für die Meßtechnik. Durch den Vergleich gemessener Werte mit vorgegebenen Wasserdampf-Konzentrations-Werten bzw. den λ-Werten läßt sich gleichzeitig eine Plausibilitätsaussage für die Verbrennung durchführen.Using the water vapor concentration in the flue gas of hydrogen-containing fuels as a controlled variable, the firing can be optimized, regardless of the various states of real combustion. The maximum of the water vapor concentration is also the optimum of the combustion, however real the conditions are. At the same time, the concentration value of the water vapor allows a statement about the efficiency of the combustion. By using only one flue gas size - the water vapor concentration K - for the optimal setting of the combustion, there is at the same time little effort for the measuring technology. By comparing measured values with specified water vapor concentration values or the λ values, a plausibility statement for the combustion can be carried out at the same time.

Claims

1. A method for optimizing the firing of hydrogen-containing fuels, with a device for controlling the air / fuel ratio , characterized in that the water vapor content in the flue gas is used as the control variable and that the air / fuel ratio ( λ ) is set so that the water vapor content in Flue gas is maximum.

2. The method according to claim 1, characterized in that the displayed value for the maximum water vapor concentration in the Flue gas is used to calculate the efficiency.

3. The method according to claim 2, characterized in that the calculated efficiency for a plausibility statement of the combustion is the basis.

4. The method according to claim 1, characterized in that after Completion of finding the max. Water vapor concentration in the Flue gas is a security step with a given size in Direction of excess air is given.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that by means of individual process steps in multi-burner systems by iteratively searching the maxima of the water vapor An optimal concentration in the flue gas of the individual burners Setting is made for each individual burner.