EP1091175B1 - 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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EP1091175B1
EP1091175B1 EP00120859A EP00120859A EP1091175B1 EP 1091175 B1 EP1091175 B1 EP 1091175B1 EP 00120859 A EP00120859 A EP 00120859A EP 00120859 A EP00120859 A EP 00120859A EP 1091175 B1 EP1091175 B1 EP 1091175B1
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Heino Sand
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    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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 relates to a corresponding device for determining the excess air.
  • the determined rates of formation of the selected reaction products are only of limited suitability for the control or regulation of the combustion process, since they are influenced inter alia by the size and position of the observed section of the combustion flame and by the reaction frequency controlled by the mass of the supplied fuels.
  • An essential measure of the quality of a combustion is the excess of air. This designates the air / fuel ratio, which is one if as much air or oxygen is supplied as is needed for the combustion process. An air excess less than one, so one Too little air supply, resulting in incomplete combustion, while an excess of air greater than one, or too much injected air, among other things, leads to a concentration of the combustion process at the burner mouth, resulting in increased combustion temperatures. In addition, the injection and heating of larger amounts of air is associated with corresponding energy losses.
  • the invention is therefore based on the object to enable the fastest possible, simple and spatially resolving determination of the excess air in a combustion process and to further regulate the combustion process.
  • the object is achieved by the method specified in claim 1 or the device specified in claim 5.
  • the invention is based on the finding that a decreasing excess air due to incomplete combustion leads to an increased formation of CO, while an increasing Excess air due to the increased combustion temperature leads to increased CN formation. Only with a clearly excessive air excess, the too much injected air can contribute to the cooling and thereby reduce the CN formation again.
  • the ratio of the rates of formation of CN and CO thus forms in the vicinity of the excess air value one, ie when a large part of the air contributes to the combustion, a suitable measure to determine the excess air and, subsequently, the combustion process, in particular the supplied air and / or their distribution, to settle.
  • the determination of the formation rates of CN and CO can be carried out in a manner known per se by means of emission spectroscopy.
  • the rates of formation of CN and CO from the radiation intensities in at least four different wavelength ranges of the radiation spectrum of the combustion flame are preferably determined with at least four cameras by determining the radiation intensities in the formation of CN and CO in two wavelength ranges and the radiation intensities determined from these The radiation intensities determined by the two other wavelength ranges are subtracted from the temperature radiation after the ratio pyrometry.
  • each of the cameras has only a narrowband waveband of the radiation spectrum of Ver detected flame of flame, in practice, in contrast to spectrometers, which have a high frequency but low spatial resolution, the excess air with high spatial resolution and quickly determined and thus be used as a suitable control variable for the control of excess air in the combustion process.
  • a combustion process takes place in a fire or combustion chamber 1 of a steam generator, not shown, eg a fossil-fired steam generator of a power plant or a waste incineration plant.
  • Optical sensors 2 and 3 in the form of special cameras detect the radiation spectrum of the combustion flames 4 in selected observation points or sections.
  • the information 5 thus obtained is fed to a data-processing device 6 which uses the acquired radiation spectra, eg by means of computer tomographic reconstruction, a spatial temperature distribution and three-dimensional spatially resolved profiles of the formation rates K of selected reaction products formed in the combustion process.
  • the temperature is determined by ratio pyrometry and the formation rates K of the reaction products by emission spectroscopy determined.
  • the thus determined formation rates K are, in addition to other controlled and controlled variables 8, fed to a control and regulating device 9 which controls the fuel supply and distribution 10, the air supply and distribution 11 and the supply and distribution 12 of additives and auxiliaries for the combustion process or regulates.
  • the formation rates K (CN) and K (CO) of the radical CN and of the molecule CO which are relevant for the invention are, after their determination in the device 6, fed to a device 13 which determines the ratio K (CN) / K (CO) of these two reaction products forms and gives as a controlled variable of a control 14 for the air supply and distribution.
  • FIG. 2 shows an example of the radiation spectrum of a combustion flame 4 in an observation point, wherein the radiation intensity I is plotted against the wavelength ⁇ .
  • the radiation intensity I is essentially composed of the temperature radiation TS (Planck radiation) and the band radiation BS (chemiluminescence) emitted at certain radical transitions.
  • characteristic intensity peaks are characterized here, wherein interest in the context of the invention, the intensities of the resulting in the formation of CN at about 420nm and CO at about 450nm strip radiation BS.
  • the temperature component TS of the radiation intensities I measured for these reaction products can be calculated and subtracted at a known temperature.
  • the temperature radiation TS is determined according to the ratio pyrometry of wavelengths ⁇ , in which no radical transitions occur; The corresponding bandless wavelength ranges are usually found in the red or infrared range.
  • FIG. 3 shows by way of example the dependence of the CN formation and CO formation on the excess air L in the combustion process.
  • An air excess L less than one leads to one incomplete combustion, which is associated with increased CO formation.
  • too much injected air leads to a concentration of the combustion process at the burner mouth with the consequence of increased combustion temperatures and therefore higher CN formation. If too much air is blown in to an increased extent, this in turn can contribute to cooling and thereby reduce CN formation.
  • one and the same observation point or section of the combustion flame 4 in the firing or combustion chamber 1 is imaged onto four CCD cameras 15, 16, 17 and 18, which due to upstream narrowband filters 19, 20 , 21 and 22 detect the radiation intensities I in four different wavelength ranges of the radiation spectrum of the combustion flame 4.
  • the temperature radiation TS is determined in the CCD cameras 15, 16, 17 and 18 downstream device 6 according to the ratio pyrometry.
  • the other two radiation intensities are used to determine the band radiations BS emitted in the formation of CN and CO in the wavelength ranges around 420 nm and 450 nm, respectively.
  • the proportion of the temperature radiation TS is subtracted from these determined for CN and CO radiation intensities I, so that the respective band radiations BS and thus the formation rates K (CN) and K (CO) are obtained, from which in the device 13, the excess air L representing ratio K (CN) / K (CO) is formed.

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung sowie zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung 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 das in dem Anspruch 1 angegebene Verfahren bzw. die in dem Anspruch 5 angegebene Vorrichtung gelöst.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen sind den Unteransprüchen 2, 3 und 4 bzw. 6, 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 Ver brennungsflamme 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
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als eine den Luftüberschuß (L) repräsentierende Größe gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten repräsentierende Größe als Regelgröße für eine Regelung (14) gebildet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Bildungsraten K(CN) und K(CO) mittels Emissionsspektroskopie aus der Eigenstrahlung der Verbrennungsflamme (4) ermittelt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2,
    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
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine nachgeordnete Einrichtung (13) zur Bildung des Verhältnisses K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als eine den Luftüberschuß (L) repräsentierende Größe vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die nachgeordnete Einrichtung (13) mit einer Regelung (14) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 - 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 - 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.
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