DE4315969A1 - Verfahren und Einrichtung zur Optimierung von Verbrennungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie Einrichtung zur Optimierung kleiner Verbrennungsanlagen gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.

Verfahren sowie Einrichtungen zur Optimierung von Verbrennungsanlagen arbeiten unter dem Aspekt, zum einen den Austrag von Schadstoffen zu verringern und zum anderen die Energieausnutzung des Brennstoffes zu optimieren. Das Auftreten von sogenannten "Unverbrannten" bedeutet, daß Schadstoffe über das Rauchgas ausgetragen werden und kennzeichnet im übrigen ein ungünstiges Luftbrennstoffverhältnis, was wiederum auf eine schlechte Energieausnutzung des Brennstoffes hinweist.

Durch die Erfassung von Rauchgasbestandteilen und entsprechende Regelung das Luft/Brennstoffverhältnis zu optimieren ist bekannt. Bei bekannten Verfahren werden daher Sensoren eingesetzt, welche spezifischer Rauchgasbestandteile erfassen, nämlich jene, die für die Verbrennung repräsentativ sind.

Der meist gebräuchlichste Wert hierfür ist der CO-Wert; daneben sind aber auch NO_X sowie SO₃-Werte von Bedeutung. Ebenfalls von Bedeutung kann die Erfassung des Sauerstoffwertes oder von Staub im Rauchgas sein.

Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren sowie Einrichtungen zur Optimierung der Verbrennung, daß man spezifische Rauchgasbestandteile mit entsprechend empfindlichen Sensoren erfassen muß, und somit für jede zu messende Rauchgaskomponente ein Senor zur Verfügung gestellt werden muß. Dabei müssen die verschiedenen Sensorwerte in einer entsprechenden Elektronik unter gegenseitiger Berücksichtigung verarbeitet werden, und entsprechend aufwendig gestaltet sich die Ermittlung der Stellgrößen, wie beispielsweise die einzubringende Luftmenge oder einzubringende Kraftstoffmenge. Insgesamt werden solche Einrichtungen bekanntermaßen mit aufwendigen Regelstrecken realisiert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Optimierung von Verbrennungsanlagen zu schaffen, bei der die spezifische Erfassung und Auswertung spezifischer Rauchgasbestandteile entfällt und die Optimierung des Luft/Brennstoffverhältnisses über wesentlich einfachere Mittel, realisiert ist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unbeachtet spezifischer Rauchgasbestandteile alle Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter in Summe berücksichtigt werden. Das bedeutet, daß einzelne Sensoren zur Erfassung und Auswertung mehrerer spezifischer Rauchgaskomponenten entfallen und daß die Unverbrannten wie z. B. CO, Kohlenwasserstoffe, Rauch/Ruß und/oder deren repräsentativen Vertreter in Summe berücksichtigt werden. Daß heißt, daß man sich davon entfernt spezifische Rauchgasbestandteile zu quantifizieren, und statt dessen über physikalische Eigenschaften die allen Rauchgasbestandteilen sowie deren repräsentativen Vertretern zu eigen sind, mit Hilfe eines einzigen Sensors in Summe zu berücksichtigen. Im weiteren schlägt die Erfindung hierbei u. a. den Einsatz eines Wärmetönungssensors vor, welcher innerhalb einer Diffusionshülle angeordnet ist. Diese Diffusionshülle mit dem darin angeordneten Sensor ist dann direkt dem Rauchgas ausgesetzt. Die Diffusionshülle hat die Aufgabe den Wärmetönungssensor vom Rauchgas thermisch abzukoppeln und vor Verschmutzung zu schützen. Um den Sensor unabhängig von schwankenden Rauchgastemperaturen auf konstanter Temperatur zu halten, wird der Sensor temperiert. Alle für die Auswertung wichtigen Rauchgasbestandteile gelangen durch die Diffusionshülle zum Sensor. Zur weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist für Einbrennersysteme erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Luft/Brennstoffverhältnis in einem ersten Schritt so einzustellen, daß die Entstehung Unverbrannter und/oder deren repräsentative Vertreter gerade nachweisbar sind, daß heißt also im Bereich der Nachweisgrenze, und in einem zweiten Schritt eine definierte kleine Luftmenge von der Größe zugegeben wird, daß unverbrannte Bestandteile oder deren repräsentative Vertreter gerade unter der Nachweisgrenze liegen. Hierbei sollen die Schritte 1 und 2 zyklisch in vorgegebenen Zeitspannen wiederholt werden. Dies kann beispielsweise automatisch erfolgen. Bei Mehrbrennersystemen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen zunächst Überschußluft für alle Brenner zuzugeben, bis zur Einstellung der Unverbrannten oder deren repräsentative Vertreter im Bereich der Nachweisgrenze, die Luft für den ersten Brenner zu vermindern bis die Unverbrannten und/oder deren repräsentativen Vertreter im Bereich der Nachweisgrenze liegen und eine kleine definierte Luftmenge zugegeben wird bis die Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter unterhalb der Nachweisgrenze liegen. Mit dem zweiten sowie mit dem n-ten Brenner wird dann ebenso verfahren, wobei dieser Vorgang zyklisch für die einzelnen Brenner wiederholt wird.

Da hierbei die Erfassung der Unverbrannten wieder als Summe mit Hilfe eines einzigen Sensors vorgenommen wird, kann im Bedarfsfalle eine solche zyklische Auswertung auch entsprechend schnell und einfach erfolgen. Es ergibt sich somit, daß hierbei die Nachweisgrenze quasi als fester Einstell- oder Bezugspunkt für die Einstellung des Luft/Brennstoffverhältnisses herangezogen wird. Die variable Größe ist hierbei die Luftzufuhr, wobei die Brennstoffzufuhr zunächst festgehalten bleibt. Wird die Brennstoffzufuhr im Bezug auf die zuvor eingestellte Luftzufuhr verändert, so muß der Vorgang gemäß einer der verfahrenmäßigen Ausgestaltungen dann wiederholt werden, um die Luftzufuhr für den neuen Brennstoffzufuhrwert zu optimieren. Das heißt für alle Änderungen des Luft/Brennstoffverhältnisses gilt nach wie vor die Nachweisgrenze des Detektors welcher die Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter im Rauchgas in Summe mißt als Einstell- bzw. Referenzpunkt. Das hat zur Folge, daß eine Sollwertregelung im üblichen Sinne hierbei entfällt. Um eine reproduzierbare Genauigkeit zu erreichen, muß die verwendete Einrichtung nur empfindlich genug sein. Für Mehrbrennersysteme ergibt sich bei diesem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, daß alle Brenner unabhängig voneinander optimal eingestellt werden können. Insgesamt ergibt sich sowohl für Einbrenner als auch für Mehrbrennersysteme eine erhebliche Vereinfachung gegenüber konventionellen Lösungen. Die Verwendung eines Sensors, welcher mit einer Diffusionshülle versehen ist und somit dem Rauchgas direkt ausgesetzt werden kann ergänzt das Verfahren in sehr vorteilhafter Weise. Die Temperierung des Sensors innerhalb der Diffusionshülle führt dazu, daß der Sensor stets auf gleicher Temperatur gehalten werden kann, unabhängig von Schwankungen der Temperatur in der Verbrennungsanlage. Damit arbeitet der Sensor stets am optimalen Arbeitspunkt und ist damit unabhängig gemacht von allen veränderlichen Parametern des Verbrennungsprozesses.

Über die Einbringung eines Gasanschlusses im Bereich der Diffusionshülle ist der Sensor mit Außenluft oder Prüfgasen spülbar. Zum einen kann dadurch der Sensor auf extrem einfache Weise gereinigt werden, ohne daß derselbe ausgebaut werden muß, und zum anderen läßt sich der Sensor auf seinen Nullpunkt und gegebene Empfindlichkeit kalibrieren bzw. nachkalibrieren. Die Verwendung eines Wärmetönungssensors realisiert in extrem einfacher Weise die verfahrensmäßige Maßgabe die Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter in Summe zu berücksichtigen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Nachfolgenden näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematischer Aufbau eines Brennersystems.

Fig. 2 Wärmetönungssensor.

Fig. 1 zeigt in Gesamtübersicht die Anordnung der einzelnen Elemente eines Einbrennersystems. Dem Brenner 2 ist eine Brennersteuerung 1 vorgeschaltet, die das Luft/Brennstoffverhältnis einstellt. Der Brennersteuerung werden über einen Eingang L1 Luft und über einen Eingang B1 Brennstoff zugeführt. Mit Zünden des Luft/Brennstoffgemisches wird im Ofen 3 eine Flamme erzeugt. Diese erzeugt nun das entsprechend zu erfassende Rauchgas mit seinen Rauchgasbestandteilen. Die Bestandteile des Rauchgases geben dabei eine Aussage darüber, ob die Verbrennung optimal eingestellt ist. Hierzu werden nun entgegen den im Stand der Technik sonst üblichen Verfahren keine spezifischen Rauchgasbestandteile mehr analysiert, sondern die Rauchgasbestandteile in Form der Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter werden in Summe durch einen entsprechenden Sensor 4 erfaßt. Der Ausgang des Sensors ist mit einer Nachweiseinrichtung 5 verschaltet, die das entsprechende Sensorsignal erfaßt.

Sensor 4 und Nachweiseinrichtung 5 weisen insgesamt eine apparativ vorgegebene Nachweisgrenze dieser Unbekannten und/oder deren repräsentative Vertreter im Rauchgas auf. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine solche Einrichtung nun wie folgt betrieben.

Zunächst erfolgt die Zufuhr von Brennstoff und Luft in einem vorbestimmbaren oder freiwählbaren Verhältnis. Im Brenner 2 wird dieses Luft/Brennstoffgemisch gezündet und erzeugt im Ofen 3 eine Flamme. Der Sensor 4 erfaßt dann nicht selektiv spezifische Rauchgasbestandteile, sondern er erfaßt in Summe alle Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter im Rauchgas. Hierbei entfällt die im Stand der Technik ansonsten übliche selektive spektrometrische Erfassung spezifischer Rauchgasbestandteile. Eine solche Summenbetrachtung kann hierbei in einer Ausführungsart der Erfindung durch einen Wärmetönungssensor erfolgen. Dieser Wärmetönungssensor besteht, wie an sich üblich, aus ein oder mehreren elektrisch beheizten Drähten, die in einer Brückenschaltung verschaltet sind. Hierbei verbrennen die Unverbrannten katalytisch an einem z. B. auf ca. 300 bis 400 Grad beheizten Draht, der sich dabei erwärmt, und z. B. eine Widerstandsbrücke verstimmt, was dann das entsprechende Meßsignal darstellt. Dieser elektrische Wert wird in der Nachweiseinrichtung 5 verarbeitet. Wesen der Erfindung ist es dabei, daß man die apparativ gegebene Nachweisgrenze der elektrisch zusammenwirkenden Komponenten Wärmetönungssensor 4 und Nachweiseinrichtung 5 nutzt, um einen entsprechenden Bezugspunkt zu haben. Hierdurch kann man auf eine Sollwertregelung üblicher Art verzichten, was die gesamte Einstellung des Luft/Brennstoffverhältnisses zudem einfacher gestaltet. Die Funktionsweise und die gezielte Einsetzung dieser Nachweisgrenze wird in der Beschreibung der einzelnen Verfahrensschritte und Funktionsweisen wie folge deutlich.

Wie oben bereits beschrieben, wird ein willkürlich eingestelltes Luft/Brennstoffverhältnis im Brenner 2 gezündet und erzeugt im Ofen 3 eine Flamme. Dieser ersteingestellte Zustand, daß heißt das erst eingestellte Luft/Brennstoffverhältnis ist hierbei noch nicht optimiert und erzeugt entsprechend Unverbrannte und/oder deren repräsentative Vertreter im Rauchgas. Hierbei erfaßt der Sensor 4 einen Wert der der Menge der Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter proportional ist und als elektrische Größe der Nachweiseinrichtung 5 zugeführt wird. Dieser Wert ist willkürlich verschieden von Null bzw. verschieden von der Nachweisgrenze der Nachweiseinrichtung 5 und dem Sensor 4. Nun wird in einem entsprechenden Verfahrenslauf die Luftzufuhr reduziert. Die Brennstoffzufuhr wird für diesen Zeitraum konstant gehalten. Die Luftzufuhr über L1 wird dabei in dem Maße reduziert, daß die Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter einen im Bereich der Nachweisgrenze liegenden Meßwert erzeugen. Der gemessene Wert der Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter muß gerade noch über der Nachweisgrenze liegen, daß heißt gerade noch detektierbar sein. Bei diesem Verfahrensschritt erfolgt dann die individuelle Festlegung und Eichung der gesamten Verbrennungsanlage auf diese apparativ vorgegebene Nachweisgrenze. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt die Luftzufuhr wieder in einem derartigen Maße erhöht, daß der Meßwert der Unverbrannten und/oder repräsentativen Vertreter unter die Nachweisgrenze von Sensor 4 und Nachweiseinrichtung 5 fallen. Das heißt mit zunehmender Luftzuführung wird das Luft/Brennstoffverhältnis wieder "magerer" so daß die Verbrennung hier optimiert ist. Die gezielte Einsetzung der apparativ vorgegebenen Nachweisgrenze der zusammenwirkenden apparativen Komponenten Sensor 4 und Nachweiseinrichtung 5 hier den Bezugspunkt, so daß auf einen regelungstechnischen Referenzpunkt oder Sollwert vollständig verzichtet werden kann. Eine Regelung im üblichen Sinne kann hierbei also entfallen und gestaltet die gesamte Steuerung der Verbrennungsanlage einfach und optimal.

Fig. 2 zeigt den Sensor 4 welcher vorzugsweise als Wärmetönungssensor ausgebildet sein kann. In der Abbildung der Fig. 2 ist der Sensor in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das eigentliche Sensorelement 10 ist dabei auf einem Heizelement 11 angeordnet. Wichtig ist hierbei, daß zwischen Sensorelement 10 und Heizelement 11 ein entsprechend kleiner Wärmeübergangswiderstand vorliegt. Sensorelement 10 und Heizelement 11 sind insgesamt in einer Diffusionshülle 12, 13 angeordnet. Diese Diffusionshülle besteht im Detail abschnittsweise aus einem das Rauchgas durch Diffusion hindurchlassenden Diffusionsmantelabschnitt 13. Der übrige Teil der Diffusionshülle besteht aus einem nichtdiffusiven gas- und staubdichten Schutzmantel 12. Aus dem Inneren der Diffusionshülle sind die elektrischen Leitungen 14 nach außen geführt. Innerhalb der Diffusionshülle sind im übrigen noch Mittel zur ortsfesten Fixierung von Sensorelement 10 und Heizelement 11 vorgesehen die hier allerdings nicht dargestellt sind. Desweiteren besteht die Möglichkeit gemäß einer Ausführungsvariante einen Gasanschluß vorzusehen, der von außen in die Diffusionshülle hineinreicht über den das Innere der Diffusionshülle mit einem Prüfgas oder mit Luft spülbar ist. Die elektrischen Leitungen 14 dienen dabei sowohl der Energieversorgung des Heizelementes 11 als auch der Signalführung von Sensorelement 10.

Bei Mehrbrennersystemen wird zusätzlich zuvor noch in allen Brennern in einem Vorschritt Überschußluft gegeben, bis die Nachweisgrenze der Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter erreicht wird. Dann erfolgt die Verminderung der Luftzufuhr in dem Maße bis die Nachweisgrenze der Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter erreicht wird, und dann folgt in einem letzten Schritt die Zugabe einer definierten Luftmenge bis die Nachweisgrenze der Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter gerade unterschritten wird. Ein solcher Zyklus wird zunächst in dem ersten und erst dann im zweiten und jedem weiteren Brenner des Mehrbrennersystems nacheinander durchgeführt. Insgesamt wird das Mehrbrennersystem dann jeweils immer an die Nachweisgrenze des Sensors und Nachweiseinrichtung orientiert optimiert. Zur steten Optimierung während der Verbrennung kann dabei sowohl in Einbrennersystemen als auch in Mehrbrennersystemen vorgesehen werden in wählbaren Zeitspannen den beschriebenen Optimierungslauf zyklisch zu wiederholen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Optimierung von Verbrennungsanlagen, bei der die Rauchgasbestandteile erfaßt und zur Einstellung des Luft/Brennstoffverhältnisses der Verbrennungsanlage herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß unbeachtet spezifischer Rauchgasbestandteile alle Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter in Summe brücksichtigt werden.

2. Verfahren zur Optimierung von Verbrennungsanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unverbrannten oder deren repräsentative Vertreter in-situ gemessen werden.

3. Verfahren zur Optimierung von Verbrennungsanlagen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einbrennersystemen die Luftzufuhr in einem ersten Schritt kurzzeitig in einem derartigen Maß verringert wird, daß Unverbrannte und/oder deren repräsentative Vertreter im Bereich der Nachweisgrenze detektierbar sind, und daß in einem zweiten Schritt die Luftzufuhr in einem derartigen Maß erhöht wird, bis die Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter unterhalb der Nachweisgrenze liegen.

4. Verfahren zur Optimierung von Verbrennungsanlagen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte 1 und 2 zyklisch nach veränderbar vorgebbaren Zeit­ spannen wiederholt werden.

5. Verfahren zur Optimierung von Verbrennungsanlagen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrbrennersystemen in einem ersten Schritt Überschußluft für alle Brenner bis zum Erreichen der Nachweisgrenze der Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter gegeben wird, daß in einem zweiten Schritt die Luft für den ersten Brenner bis zur Nachweisgrenze der Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter vermindert wird, daß in einem dritten Schritt eine kleiner definierte Luftmenge bis zum Unterschreiten der Nachweisgrenze der Unverbrannten und/oder deren repräsentative Vertreter zugegeben wird, daß im nachfolgenden Schritt der zweite und jeder weitere Brenner ebenso eingestellt wird und der Vorgang für die Einstellung des ersten bis zum n-ten Brenner zyklisch wiederholt wird.

6. Verfahren zur Optimierung von Verbrennungsanlagen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang für die Einstellung des ersten bis zum n-ten Brenner zyklisch wiederholt wird.

7. Einrichtung zur Optimierung kleiner Verbrennungsanlagen, mit einer Sensoreinrichtung zur Ermittlung von Rauchgasbestandteilen, sowie mit elektrischen und elektromechanischen Mitteln, über welche in Abhängigkeit der ermittelten Sensorwerte das Luft/Brennstoffverhältnis einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (4) einen Sensor (10) enthält, welcher in einer Diffusionshülle (12, 13) angeordnet und dem Rauchgas direkt ausgesetzt ist.

8. Einrichtung zur Optimierung von Verbrennungsanlagen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionshülle (12, 13) abschnittsweise aus einem gas- und staubdichten Schutzmantel (12) und einem die Diffusion von Rauchgasen durchlassenden Diffusionsmantel (13) besteht.

9. Einrichtung zur Optimierung von Verbrennungsanlagen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Diffusionshülle der Sensor (10) zur Temperierung auf einem Heizelement (11) angebracht ist, welches mit einem Temperaturfühler ausgestattet ist.

10. Einrichtung zur Optimierung kleiner Verbrennungsanlagen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) innerhalb der Diffusionshülle räumlich im Bereich des Diffusionsmantels (13) angeordnet ist.

11. Einrichtung zur Optimierung kleiner Verbrennungsanlagen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionshülle mit einem Gasanschluß versehen ist, über welchen der Sensor (10) mit Außenluft oder mit Prüfgasen spülbar ist.

12. Einrichtung zur Optimierung kleiner Verbrennungsanlagen nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) ein Wärmetönungssensor ist.