EP1091175A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung sowie zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozess - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung sowie zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozess Download PDF

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EP1091175A2
EP1091175A2 EP00120859A EP00120859A EP1091175A2 EP 1091175 A2 EP1091175 A2 EP 1091175A2 EP 00120859 A EP00120859 A EP 00120859A EP 00120859 A EP00120859 A EP 00120859A EP 1091175 A2 EP1091175 A2 EP 1091175A2
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rates
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    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/16—Flame sensors using two or more of the same types of flame sensor

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the excess air in a combustion process.
  • the invention further relates to a method for regulating the Excess air in a combustion process.
  • the invention relates to a corresponding one Device for determining or regulating the excess air.
  • the determined formation rates of the selected reaction products are for the control or regulation of the combustion process only suitable to a limited extent, as Size and position of the observed section of the combustion flame as well as by the mass of the supplied Fuel controlled reaction frequency are affected.
  • Excess air An essential measure of the quality of a combustion is the Excess air. This denotes the air / fuel ratio, which is one when there is just as much air or Oxygen is supplied as for the combustion process is needed. An excess of air less than one, i.e. one insufficient air supply leads to incomplete combustion, while an excess of air is greater than one, or too lots of blown air, among other things, to a concentration the combustion process at the burner mouth with the consequence leads to increased combustion temperatures. Besides, that is Blow in and heat larger amounts of air with appropriate Energy losses connected.
  • the excess air could only be measured by the Amount of fuel and air supplied to the combustion process be determined, with an exact measurement of the amount of fuel, especially with coal, very complex and imprecise is.
  • a local dissolution of the excess air within the Combustion flame and often also a distribution of the fuel quantities on different burners were only about theoretical Considerations, but not possible through measurements.
  • the combustion process was regulated accordingly So far only possible to a limited extent on the burner and above lazy beyond.
  • the invention is therefore based on the object as quick, simple and location-resolving determination as possible to allow the excess air in a combustion process and furthermore the combustion process regulate.
  • the object is achieved by the Claims 1 and 2 specified method or in the Claims 5 and 6 specified devices solved.
  • the invention is based on the finding that a decreasing Excess air due to incomplete combustion leads to increased CO formation, while increasing Excess air due to the increased combustion temperature leads to increased CN formation. Only with one clearly Excess air can cause the excess air to be blown in contribute to cooling and thereby CN formation again reduce.
  • the ratio of the formation rates of CN and CO forms one in the vicinity of the excess air value, if a large part of the air contributes to the combustion, a suitable measure to determine the excess air and further thus the combustion process, in particular the feed Air and / or its distribution to regulate.
  • the formation rates of CN and CO can be determined in known way by means of emission spectroscopy.
  • the education rates are preferably with at least four cameras of CN and CO from the radiation intensities in at least four different wavelength ranges of the Radiation spectrum of the combustion flame determined by the radiation intensities in two wavelength ranges the formation of CN and CO can be determined and by these determined radiation intensities from the in the two radiation intensities determined in other wavelength ranges temperature radiation determined according to the ratio pyrometry is subtracted.
  • each of the cameras only has one narrow-band wave range of the radiation spectrum of the combustion flame can in practice differ from Spectrometers that have a high frequency but low spatial resolution have the excess air with high spatial resolution and can be determined quickly and therefore as a suitable control variable for controlling the excess air in the combustion process be used.
  • a fire or combustion chamber 1 not shown Steam generator system, e.g. a fossil-fired one Steam generator of a power plant or a waste incineration plant, there is a combustion process.
  • optical Sensors 2 and 3 in the form of special cameras capture in selected Observation points or sections the radiation spectrum the combustion flames 4.
  • the ones obtained Information 5 is a data processing facility 6 supplied, which from the detected radiation spectra, e.g. by means of computer tomographic reconstruction, a spatial Temperature distribution and three-dimensional spatially resolved Profiles of the formation rates K of selected ones in the combustion process resulting reaction products are calculated.
  • the temperature is determined by ratio pyrometry and the formation rates K of the reaction products by emission spectroscopy determined.
  • the education rates K determined in this way become 8 one in addition to other management and control variables Control and regulating device 9 fed to the fuel supply and distribution 10, the air supply and distribution 11 as well as the supply and distribution 12 of surcharge and Auxiliaries for the combustion process controls.
  • FIG. 2 shows an example of the radiation spectrum of a Combustion flame 4 at an observation point, the Radiation intensity I plotted against the wavelength ⁇ is.
  • the radiation intensity I essentially settles from the temperature radiation TS (Planck radiation) and the at certain radical transitions emitted band radiation BS (Chemiluminescence) together.
  • the for certain reaction products, e.g. CH are characteristic intensity peaks characterized here, the within the scope of the invention Intensities of the formation of CN at about 420nm and of CO at about 450nm band radiation BS.
  • the temperature component TS of the for these reaction products Radiation intensities I measured can be obtained with known ones Calculate and subtract temperature. For this, the Temperature radiation TS according to the ratio pyrometry Wavelengths ⁇ determined at which no radical transitions occur; the corresponding band-free wavelength ranges are usually found in red or infrared Area.
  • Figure 3 shows an example of the dependence of the CN formation and CO formation from the excess air L in the combustion process.
  • An air excess L less than one leads to one incomplete combustion what with increased CO formation connected is.
  • too much air blows in a concentration of the combustion process at the burner mouth with the consequence of increased combustion temperatures and hence higher CN formation. Too much air becomes too much blown in, this can in turn contribute to cooling and thereby reducing CN formation.
  • Device becomes one and the same observation point or section of the combustion flame 4 in the fire or Combustion chamber 1 on four CCD cameras 15, 16, 17 and 18 shown, due to the upstream narrowband Filters 19, 20, 21 and 22 the radiation intensities I in four different wavelength ranges of the radiation spectrum of the combustion flame 4.
  • the radiation intensities I preferably in band-free Wavelength ranges are in which the CCD cameras 15, 16, 17 and 18 subordinate device 6 after the ratio pyrometry determines the temperature radiation TS.
  • the other two radiation intensities become Determination of those emitted during the formation of CN and CO Band radiation BS in the wavelength range around 420 nm or around 450 nm.

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Abstract

Zur Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß werden Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO ermittelt; anschließend wird das Verhältnis K(CN)/K(CO) als eine den Luftüberschuß repräsentierende Größe ermittelt, die als Regelgröße zur Regelung des Luftüberschusses herangezogen werden kann. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß.
Schließlich betrifft die Erfindung jeweils eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung bzw. Regelung des Luftüberschusses.
Aus der EP 0 612 961 A2 ist es bekannt, die Bildungsraten von während eines Verbrennungsprozesses gebildeten Reaktionsprodukten, insbesondere die Moleküle und Radikale CO, C2, CH, CN, OH, und NH, mittels Emissionsspektroskopie aus der Eigenstrahlung der Verbrennungsflamme zu ermitteln und für die Steuerung oder Regelung des Verbrennungsprozesses heranzuziehen. Dazu wird mittels eines Emissionsspektrometers das Strahlungsspektrum der Verbrennungsflamme untersucht, wobei die Bandenstrahlung der ausgewählten Moleküle und Radikale detektiert wird. Der Bandenstrahlung ist eine Temperaturstrahlung überlagert, die in einem oder mehreren bandenfreien Wellenlängenbereichen nach der Verhältnispyrometrie ermittelt und bei der Ermittlung der Bildungsraten berücksichtigt wird.
Die ermittelten Bildungsraten der ausgewählten Reaktionsprodukte sind für die Steuerung oder Regelung des Verbrennungsprozesses nur bedingt geeignet, da sie unter anderem von der Größe und Position des beobachteten Ausschnitts der Verbrennungsflamme sowie von der durch die Masse der zugeführten Brennstoffe gesteuerten Reaktionshäufigkeit beeinflußt sind.
Ein wesentliches Maß für die Güte einer Verbrennung ist der Luftüberschuß. Dieser bezeichnet das Luft-/Brennstoffverhältnis, welches dann eins ist, wenn genauso viel Luft bzw. Sauerstoff zugeführt wird, wie für den Verbrennungsprozeß benötigt wird. Ein Luftüberschuß kleiner als eins, also eine zu geringe Luftzufuhr, führt zu einer unvollständigen Verbrennung, während ein Luftüberschuß größer als eins, bzw. zu viel eingeblasene Luft, unter anderem zu einer Konzentration des Verbrennungsprozesses am Brennermund mit der Folge erhöhter Verbrennungstemperaturen führt. Außerdem ist das Einblasen und Erhitzen größerer Luftmengen mit entsprechenden Energieverlusten verbunden.
Bisher konnte der Luftüberschuß nur über Messungen der dem Verbrennungsprozeß zugeführten Brennstoff- und Luftmenge bestimmt werden, wobei eine exakte Messung der Brennstoffmenge, insbesondere bei Kohle, sehr aufwendig und ungenau ist. Eine lokale Auflösung des Luftüberschusses innerhalb der Verbrennungsflamme und oft auch eine Aufteilung der Brennstoffmengen auf verschiedene Brenner waren nur über theoretische Betrachtungen, nicht aber durch Messungen möglich. Dementsprechend war eine Regelung des Verbrennungsprozesses bisher nur bedingt brennerspezifisch möglich und darüber hinaus träge.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst schnelle, einfache und ortsauflösende Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß zu ermöglichen und im weiteren damit den Verbrennungsprozeß zu regeln.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Verfahren bzw. die in den Ansprüchen 5 und 6 angegebenen Vorrichtungen gelöst.
Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen sind den Unteransprüchen 3 und 4 bzw. 7 und 8 zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein abnehmender Luftüberschuß aufgrund unvollständiger Verbrennung zu einer erhöhten CO-Bildung führt, während ein zunehmender Luftüberschuß aufgrund der erhöhten Verbrennungstemperatur zu einer erhöhten CN-Bildung führt. Erst bei einem deutlich überhöhten Luftüberschuß kann die zuviel eingeblasene Luft zur Kühlung beitragen und dadurch die CN-Bildung wieder verringern. Das Verhältnis der Bildungsraten von CN und CO bildet also in der Umgebung des Luftüberschußwertes eins, wenn also ein Großteil der Luft zur Verbrennung beiträgt, ein geeignetes Maß, um den Luftüberschuß zu bestimmen und im weiteren damit den Verbrennungsprozeß, insbesondere die zugeführte Luft und/oder deren Verteilung, zu regeln. Durch die Bildung des Verhältnisses der Bildungsraten von CN und CO werden außerdem die oben genannten und die Ermittlung der Bildungsraten beeinträchtigenden Einflußgrößen, wie z.B. die Größe und Position des beobachteten Ausschnitts der Verbrennungsflamme, eliminiert, weil sie die Bildungsraten von CN und CO gleichermaßen beeinflussen.
Die Ermittlung der Bildungsraten von CN und CO kann in an sich bekannter Weise mittels Emissionspektroskopie erfolgen. Vorzugsweise werden mit mindestens vier Kameras die Bildungsraten von CN und CO aus den Strahlungsintensitäten in mindestens vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme ermittelt, indem in zwei Wellenlängenbereichen die Strahlungsintensitäten bei der Bildung von CN und CO ermittelt werden und von diesen ermittelten Strahlungsintensitäten die aus den in den zwei anderen Wellenlängenbereichen ermittelten Strahlungsintensitäten nach der Verhältnispyrometrie bestimmte Temperaturstrahlung subtrahiert wird. Da jede der Kameras nur einen schmalbandigen Wellenbereich des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme erfaßt, kann in der Praxis im Unterschied zu Spektrometern, die eine hohe Frequenz- aber geringe Ortsauflösung aufweisen, der Luftüberschuß mit hoher Ortsauflösung und schnell bestimmt werden und somit als geeignete Regelgröße für die Regelung des Luftüberschusses im Verbrennungsprozeß herangezogen werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen
Figur 1
ein Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und nachfolgenden Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß,
Figur 2
ein Beispiel für das Strahlungsspektrum einer Verbrennungsflamme in einem Beobachtungspunkt,
Figur 3
beispielhaft die Abhängigkeit der CN- und CO-Bildung sowie deren Verhältnis von dem Luftüberschuß bei einem Verbrennungsprozeß und
Figur 4
ein weiteres Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß.
In einem Feuer- oder Verbrennungsraum 1 einer nicht dargestellten Dampferzeugeranlage, z.B. einem fossilgefeuerten Dampferzeuger einer Kraftwerksanlage oder einer Müllverbrennungsanlage, findet ein Verbrennungsprozeß statt. Optische Sensoren 2 und 3 in Form von Spezialkameras erfassen in ausgewählten Beobachtungspunkten oder -ausschnitten das Strahlungsspektrum der Verbrennungsflammen 4. Die dabei erhaltenen Informationen 5 werden einer datenverarbeitenden Einrichtung 6 zugeführt, die aus den erfaßten Strahlungsspektren, z.B. mittels computertomographischer Rekonstruktion, eine räumliche Temperaturverteilung und dreidimensional ortsaufgelöste Profile der Bildungsraten K von ausgewählten, bei dem Verbrennungsprozeß entstehenden Reaktionsprodukten berechnet. Dabei werden die Temperatur durch Verhältnispyrometrie und die Bildungsraten K der Reaktionsprodukte durch Emissionsspektroskopie ermittelt. Die so ermittelten Bildungsraten K werden neben anderen Führungs- und Regelgrößen 8 einer Steuer- und Regeleinrichtung 9 zugeführt, die die Brennstoffzufuhr und -verteilung 10, die Luftzufuhr und -verteilung 11 sowie die Zufuhr und Verteilung 12 von Zuschlags- und Hilfsstoffen für den Verbrennungsprozeß steuert bzw. regelt.
Die für die Erfindung relevaten Bildungsraten K(CN) und K(CO) des Radikals CN und des Moleküls CO werden nach ihrer Ermittlung in der Einrichtung 6 einer Einrichtung 13 zugeführt, die das Verhältnis K(CN)/K(CO) dieser beiden Reaktionsprodukte bildet und als Regelgröße einer Regelung 14 für die Luftzufuhr und -verteilung aufgibt.
Figur 2 zeigt ein Beispiel für das Strahlungsspektrum einer Verbrennungsflamme 4 in einem Beobachtungspunkt, wobei die Strahlungsintensität I über der Wellenlänge λ aufgetragen ist. Die Strahlungsintensität I setzt sich im wesentlichen aus der Temperaturstrahlung TS (Planck-Strahlung) und der bei bestimmten Radikalenübergängen emittierten Bandenstrahlung BS (Chemolumineszenz) zusammen. Die für bestimmte Reaktionsprodukte, z.B. CH, charakteristischen Intensitätsspitzen sind hier gekennzeichnet, wobei im Rahmen der Erfindung die Intensitäten der bei der Bildung von CN bei etwa 420nm und von CO bei etwa 450nm entstehenden Bandenstrahlung BS interessieren. Der Temperaturanteil TS der für diese Reaktionsprodukte gemessenen Strahlungsuntensitäten I läßt sich bei bekannter Temperatur berechnen und subtrahieren. Dazu wird die Temperaturstrahlung TS nach der Verhältnispyrometrie aus Wellenlängen λ bestimmt, bei denen keine Radikalenübergänge auftreten; die entsprechenden bandenfreien Wellenlängenbereiche finden sich in der Regel im roten oder infraroten Bereich.
Figur 3 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der CN-Bildung und CO-Bildung von dem Luftüberschuß L bei dem Verbrennungsprozeß. Ein Luftüberschuß L kleiner als eins führt zu einer unvollständigen Verbrennung was mit einer erhöhten CO-Bildung verbunden ist. Zu viel eingeblasene Luft führt dagegen zu einer Konzentration des Verbrennungsprozesses an dem Brennermund mit der Folge erhöhter Verbrennungstemperaturen und daher höherer CN-Bildung. Wird im erhöhtem Maße zuviel Luft eingeblasen, kann dies wiederum zur Kühlung beitragen und dadurch die CN-Bildung verringern. Wie Figur 3 zeigt, bildet das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten von CN und CO im Regelbereich R um den Luftüberschußwert L=1 ein geeignetes Maß, um den lokalen Luftüberschuß L zu bestimmen und damit den Verbrennungsprozeß, hier insbesondere die Luftzufuhr und -verteilung 11 zu regeln.
Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein und derselbe Beobachtungspunkt oder -ausschnitt der Verbrennungsflamme 4 in dem Feuer- oder Verbrennungsraum 1 auf vier CCD-Kameras 15, 16, 17 und 18 abgebildet, die aufgrund vorgeschalteter schmalbandiger Filter 19, 20, 21 und 22 die Strahlungsintensitäten I in vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme 4 erfassen. Aus zwei der erfaßten Strahlungsintensitäten I, die vorzugsweise in bandenfreien Wellenlängenbereichen liegen, wird in der den CCD-Kameras 15, 16, 17 und 18 nachgeordneten Einrichtung 6 nach der Verhältnispyrometrie die Temperaturstrahlung TS ermittelt. Die beiden anderen Strahlungsintensitäten werden zur Bestimmung der bei der Bildung von CN und CO emittierten Bandenstrahlungen BS in den Wellenlängenbereiche um 420 nm bzw. um 450 nm herangezogen. Dazu wird von diesen für CN und CO ermittelten Strahlungsintensitäten I der Anteil der Temperaturstrahlung TS subtrahiert, so daß die jeweiligen Bandenstrahlungen BS und damit die Bildungsraten K(CN) und K(CO) erhalten werden, aus denen in der Einrichtung 13 das den Luftüberschuß L repräsentierende Verhältnis K(CN)/K(CO) gebildet wird.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Bestimmung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß, indem die Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO ermittelt werden und das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als eine den Luftüberschuß (L) repräsentierende Größe gebildet wird.
  2. Verfahren zur Regelung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß, indem die Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO ermittelt werden und das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als Regelgröße für die Regelung (14) gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildungsraten K(CN) und K(CO) mittels Emissionsspektroskopie aus der Eigenstrahlung der Verbrennungsflamme (4) ermittelt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildungsraten K(CN) und K(CO) aus den Strahlungsintensitäten (I) in mindestens vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme (4) ermittelt werden, indem in zwei Wellenlängenbereichen die Strahlungsintensitäten (I) bei der Bildung von CN und CO ermittelt werden und von diesen ermittelten Strahlungsintensitäten (I) die aus den in den zwei anderen Wellenlängenbereichen ermittelten Strahlungsintensitäten (I) nach der Verhältnispyrometrie bestimmte Temperaturstrahlung (TS) subtrahiert wird.
  5. Vorrichtung zur Bestimmung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß mit einer Einrichtung (2, 3, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO und einer nachgeordneten Einrichtung (13) zur Bildung des Verhältnisses K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als eine den Luftüberschuß (L) repräsentierende Größe.
  6. Vorrichtung zur Regelung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß mit einer Einrichtung (2, 3, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO und einer nachgeordneten Einrichtung (13) zur Bildung des Verhältnisses K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als Regelgröße für die Regelung (14).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2, 3, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) ein Emissionsspektrometer umfaßt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (15, 16, 17, 18, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) mindestens vier Kameras (15, 16, 17, 18) aufweist, die die Strahlungsintensitäten (I) in mindestens vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme (4) erfassen, und daß den Kameras (15, 16, 17, 18) eine Einrichtung (6) nachgeordnet ist, die in zwei der Wellenlängenbereiche die Strahlungsintensitäten (I) bei der Bildung von CN und CO ermittelt und von diesen ermittelten Strahlungsintensitäten (I) die aus den in den zwei anderen Wellenlängenbereichen ermittelten Strahlungsintensitäten (I) nach der Verhältnispyrometrie bestimmte Temperaturstrahlung (TS) subtrahiert.
EP00120859A 1999-10-07 2000-09-25 Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung sowie zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozess Expired - Lifetime EP1091175B1 (de)

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