EP2976586A2 - Verfahren zum geregelten betrieb eines regenerativ beheizten industrieofens, steuereinheit und industrieofen - Google Patents

Verfahren zum geregelten betrieb eines regenerativ beheizten industrieofens, steuereinheit und industrieofen

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Publication number
EP2976586A2
EP2976586A2 EP14718336.2A EP14718336A EP2976586A2 EP 2976586 A2 EP2976586 A2 EP 2976586A2 EP 14718336 A EP14718336 A EP 14718336A EP 2976586 A2 EP2976586 A2 EP 2976586A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
air
furnace
combustion air
furnace chamber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14718336.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Hemmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stg Combustion Control & Co KG GmbH
Original Assignee
Stg Combustion Control & Co KG GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stg Combustion Control & Co KG GmbH filed Critical Stg Combustion Control & Co KG GmbH
Publication of EP2976586A2 publication Critical patent/EP2976586A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/235—Heating the glass
    • C03B5/237—Regenerators or recuperators specially adapted for glass-melting furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
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    • C03B5/235—Heating the glass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/002—Siemens-Martin type furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/10—Details, accessories, or equipment peculiar to hearth-type furnaces
    • F27B3/20—Arrangements of heating devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
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    • F27D2019/0012—Monitoring the composition of the atmosphere or of one of their components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F27D2019/0028—Regulation
    • F27D2019/0034—Regulation through control of a heating quantity such as fuel, oxidant or intensity of current
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping

Definitions

  • the invention relates to a method for the controlled operation of a regeneratively heated industrial furnace, in particular with a melting tank, in particular for glass, according to the preamble of claim 1 and a trained for carrying out the method control device according to the preamble of claim 15.
  • the invention also relates to an industrial furnace according to the preamble of claim 17.
  • an industrial furnace is not limited to use in glassmaking.
  • an industrial furnace of the type mentioned above can also be used in metal production or the like.
  • a regenerative industrial furnace of the type mentioned has proven to be particularly suitable in the glass production for melting glass.
  • the reference variable for determining the energy input of a glass melting tank is usually the temperature of one or more thermocouples in the vault of the melting furnace. Due to the high heat storage capacity of the furnace and the melt, the temperature changes only slowly, significant changes are only made after hours. For this reason, the energy flow introduced with the fuel stream is usually controlled as a subordinate control loop. Is the calorific value such. B. in the natural gas well-measured on-line, fluctuations in the calorific value can be quickly compensated by appropriate change in the amount of fuel itself, so that the fuel energy flow can be controlled with sufficient accuracy constant.
  • Desirable is an improved control concept for an industrial furnace of the type mentioned above, taking into account the typical for the regenerative heating of industrial furnaces long reaction times between a change in the air ratio and the measurable change in measured value of a Abgas analysesstation.
  • the invention begins, the object of which is to specify an improved method for the controlled operation of a regeneratively heated industrial furnace, an improved control device for carrying out the method and an improved industrial furnace.
  • the above-mentioned disadvantageous aspects of the prior art should be avoided as far as possible, but at least one of the problems described above should be addressed.
  • a device and a method should be provided, by means of which uncontrollable fluctuations in a calorific value in the case of the use of fuels with uncertain calorific value are compensated; in particular be compensated so that a fuel energy supply to the furnace chamber is largely constant.
  • At least an alternative solution to a known in the prior art solution should be proposed.
  • the object is achieved by the invention with a method of the type mentioned, in which according to the invention the features of the characterizing part of claim 1 are provided.
  • the method preferably serves to regulate a fuel energy supply to the furnace space for a fuel with a fluctuating calorific value; in particular for the regulation of a comparatively constant fuel energy supply to the furnace chamber itself for a fuel with fluctuating calorific value.
  • the invention leads to the solution of the object to a control device according to claim 15 and an industrial furnace according to claim 17.
  • fuel gas under fuel is to be understood in particular fuel gas.
  • Other fuels such as oil or the like are also possible for operating an industrial furnace.
  • fuels also include those with an undefined calorific value.
  • solid fuels but also liquid fuels which regularly have comparatively high carbon and / or comparatively high hydrogen contents
  • carbon contents well over 80% and hydrogen content well over 10%
  • heavy oil as a representative of liquid fuels or petroleum coal (petroleum coke, petcoke) to name a representative of solid fuels.
  • Such fuels have a relatively high energy content; However, it is disadvantageous on the one hand their high CO 2 emission and their comparatively high NOx and sulfur gas pollution during combustion.
  • An injector is to be understood in particular as an injection device which is designed to inject fuel directly in front of a furnace chamber in a feed section or in the furnace chamber, in particular separately from combustion air.
  • a mixture of combustion air and fuel is provided only in the oven room.
  • the furnace chamber has in particular an upper furnace and a lower furnace.
  • a sub-furnace has in particular a glass melting tank or the like.
  • regenerators as left and right regenerators are not intended to be limiting as to the location of the same and follow the general technical usage.
  • the names can also be chosen differently, eg. B. as a first and second regenerator.
  • the regenerators may be arranged with respect to a glass melting tank in the flow direction or transversely to the direction of flow of the glass.
  • a single regenerator may be associated with a number of injectors.
  • a regenerator may also be understood to mean a regenerator section or the like associated with a single injector.
  • the determination of the residual oxygen in the exhaust gas is particularly preferably carried out by measuring the oxygen and / or by determining it from an exhaust air excess (LAMBDA). In particular, a proportion of residual oxygen and / or the combustion air is determined.
  • LAMBDA exhaust air excess
  • the concept of the invention can be based on available control methods for an oven temperature.
  • the invention is based on the consideration that although it is possible to adjust the fuel flow with respect to a calorific value of the fuel for controlling a fuel energy supply to an industrial furnace; However, the invention has also recognized that this makes sense only if the calorific value can be determined comparatively reliably or at least can be specified within the framework of a reliable assumption.
  • the invention has recognized that for fuels with uncontrollable fluctuations of the calorific value, an energy input into the furnace chamber can be adjusted by changing the fuel-carrying supply quantity (fuel flow).
  • fuel flow fuel-carrying supply quantity
  • This can be done in the context of a development, for example by increasing an air-powder mixture with Petcoke as oily dust or by reducing an air-powder mixture with Petcoke as oily dust.
  • the oxygen consumption in turn is determined from the comparison of supplied combustion air and a measured residual oxygen in the exhaust gas.
  • the concept of the invention proves to be comparatively reliable in the case of fuels of uncontrolled calorific value quality despite the, preferably proportional, assumed ratio between oxygen consumption and fuel energy.
  • the assumption of a direct proportionality between oxygen consumption and fuel energy used proves to be comparatively stable in the case of fuels of uncontrolled calorific value quality.
  • the method according to the concept of the invention proves to be comparatively robust, regardless of how the oxygen consumption is determined.
  • the oxygen consumption can be determined from a supply of the combustion air and the determination of a residual oxygen.
  • the determination of a residual oxygen in turn, can basically be determined as a direct measurement of oxygen or advantageously-in particular because it is regularly loaded with fewer fluctuations-from an exhaust gas excess (lambda value).
  • the invention has recognized that a rapid compensation of all fuel energy used on the introduced bulk mass of the fuel can be implemented almost immediately in response to a likewise comparatively rapid signal of a residual oxygen or lambda value.
  • this can take place largely independently of a temperature trend of the furnace chamber, which takes place on a much longer time scale of a few hours, while an employed fuel energy can be adjusted on a time scale of a few minutes, ie. H. practically in real time.
  • the fuel flow is adjusted for injection by adjusting a compressed air amount and / or a fuel quantity and / or a fuel mixture. This can be implemented depending on the plant requirement or knowledge of the fuel composition.
  • a characteristic composition of the fuel is stored as an operating point and carried along proportionally with changed calorific values.
  • This can be used to advantage, in particular by using appropriate sectoral as defined fuel calorific values of the fuel.
  • a best assumption can be made about a fuel energy and used to determine a precontrol value or another variable that enters into one of the process equations.
  • a first estimate of a calorific value can be made with a reasonably reliable assumption with corresponding proportionality factors as a measure.
  • a measure between oxygen consumption and fuel energy used can also be determined on the basis of other criteria or additional criteria for the carbon content in the course of a further development, all of which are mentioned here only by way of example.
  • a desired oxygen consumption is predetermined and an actual oxygen consumption is regulated to the desired oxygen consumption while adjusting the fuel energy used, in particular the fuel flow.
  • This development advantageously directly uses the relevant size of the oxygen consumption and is therefore directly significant for the fuel energy used.
  • a desired exhaust gas excess air (nominal lambda) is preferably preset and an actual exhaust gas excess air (actual lambda) to the desired exhaust gas excess air (nominal lambda) with adaptation of the fuel energy used, in particular of the fuel flow , regulated.
  • This approach preferably uses directly a measurement signal of a lambda probe in the dome of a recuperator and is provided with a comparatively lower fluctuation amplitude.
  • a supply of the combustion air is kept constant; This leads to comparatively stable control conditions when adjusting the fuel flow.
  • the supply of combustion air, taking into account a technologically necessary excess air is controlled by means of a control loop constant, and the fuel flow is adjusted such that one of a predetermined exhaust gas Air excess (SOLL-LAMBDA) determined residual oxygen in the exhaust gas is maintained immediately after the combustion chamber.
  • SOLL-LAMBDA exhaust gas Air excess
  • a temporally transient development of the combustion air can be accepted; especially if it runs on a larger time scale than on the time scale of an adjustment of the fuel flow.
  • a supply of combustion air can be adjusted automatically, in particular automatically regulated by means of a control loop.
  • a method for regulating a constant fuel energy supply to a melting furnace for a fuel with fluctuating calorific value, in which the supply of the oxygen oxidant is constantly controlled with the aid of a control loop, taking into account a technologically necessary excess air.
  • the fuel stream is adjusted at any time so that a residual oxygen value determined from the desired excess air in the exhaust gas is maintained immediately after the combustion chamber.
  • a method is provided in which the pressure in the combustion chamber is kept above a minimum pressure value.
  • This minimum pressure value is preferably defined as the furnace pressure for which the residual oxygen values in the exhaust gas after the combustion chamber for the left and right firing sides are the same. Additionally or alternatively preferably, this minimum residue value is defined in such a way that the difference in the oxygen residual value between left-side and right-side heating is no longer visibly reduced by an increase in the furnace pressure.
  • a particularly preferred development has recognized that a method for controlling the supply of combustion air to regeneratively heated industrial furnaces should be based on the particular continuous analysis and compensation of uncontrolled false air losses or uncontrolled false air intake for combustion. This is especially true in glass melting tanks with the aim of a controlled near-stoichiometric or even regulated substoichiometric heating with a constant specifiable setpoint of the excess air coefficient lambda.
  • a false air indication indicates whether uncontrolled secondary air should be or should be compensated by adjusting the combustion air or whether this should or can only be suppressed by increased furnace pressure.
  • the outlet of an active balancing control for compensating for thermal asymmetry of the regenerators for the false air indication, that is to say the outlet.
  • H To use an output as a criterion, whether uncontrolled air may be compensated by adjusting the combustion air or can only be suppressed by increased furnace pressure.
  • the first actuator is formed as a throttle means in the Verbrennungs Kunststoffzuate- tion, which is designed to control a flow rate of the combustion air.
  • the second actuator is designed as a slider, z.
  • Umticianschieber formed in the exhaust gas outlet, which is designed to build up a back pressure to the furnace pressure.
  • the combustion air flow is automatically controlled by a known PID controller whose setpoint is formed from the product the amount of fuel, the stoichiometric air requirement of this fuel and an air excess number lambda given as a target, less the preferably continuously determined amount of uncontrolled secondary air supply from outside the industrial furnace.
  • the rule according to the rule SP_Air SP_Lambda * L M IN * fuel - XFA.
  • Uncontrolled secondary air supply is preferably determined continuously by combustion calculation on the basis of preferably continuous exhaust gas analyzers.
  • An analyzer is formed in particular in the form of a lambda probe, which is preferably designed as a per se known zirconia probe.
  • a target excess air lambda
  • the process value for the actual excess air expressed in the excess air coefficient lambda, can be determined as a process value:
  • PV lambda 1 + const.1 * const.2 *
  • a first controller in particular a PID controller, for the oven room temperature, as well
  • a first adjustable manipulated variable in the form of a fuel flow and / or a combustion air flow.
  • the underlined temperature control ensures in a proven way, taking place on a longer time sakala temperature development of the furnace chamber.
  • Figure 1 is a schematic representation of a regeneratively heated industrial furnace with a left and a right regenerator according to a particularly preferred embodiment, in which a control device is provided with a ⁇ -control module according to the concept of the invention.
  • FIG. 2 is a flow chart illustrating a flow of a preferred embodiment of a method
  • FIG. 3 shows an exemplary representation of a course of process data in a furnace chamber of a glass melting tank in which furnace pressure in the furnace chamber is moved from below to above a minimum pressure value for application of the method of FIG. 2 - this leads to the alignment of the active air conditions (air to gas) ) in the exhaust for different firing sides, d. H. for minimizing the difference in oxygen value between left-side and right-side heating by a corresponding increase in the furnace pressure.
  • Fig. 1 shows a simplified representation of a regeneratively heated industrial furnace 100 with a furnace chamber 10, the upper furnace chamber 1 is controlled as a controlled system and in the the sub-furnace cavity 2 has a glass melting tank, not shown. Glass contained in the glass melting tank is heated above the furnace chamber 10 above the melting temperature and melted to produce flat glass or the like and treated appropriately.
  • the industrial furnace 100 is heated in the present case by fuel 20, in the present case in the form of fuel gas, is injected into the upper furnace 1 via a plurality of laterally mounted fuel injectors 20. Of the fuel injectors 20, a left injector 20 is shown here. Of further fuel injectors 20 ', a right injector 20' is shown in the present case.
  • a number of six injectors 20, 20 ' may be provided on the left side and the right side, respectively.
  • fuel gas is injected into the upper furnace 1 virtually without combustion air via a fuel injector 20.
  • preheated combustion air VB is supplied via a left-side opening 30 to the upper furnace 1.
  • the combustion air from the opening 30 mixes in the upper furnace 1 with the fuel gas injected by the fuel injector 20 and leads to the formation of a flame 40 covering the lower furnace, which is present symbolically in the present case.
  • FIG. 1 shows the industrial furnace 100 in the state of regenerative firing via the left regenerator 50 and the left injectors 20. These and the opening 30 are configured such that the fuel gas supplied via the injectors 20 is sufficiently near or below stoichiometric - Radical area with combustion air VB of the left regenerator in the upper furnace 1 is mixed.
  • the illustrated in Fig. 1 operating state of a left-side firing of the furnace 1 under injection of fuel gas via the left-side injectors 20 and supply of combustion air VB via the left regenerator 50 lasts for a first period of time, for example 20 to 40 min. at. During this first period, combustion air VB is supplied to the upper furnace 1 in the furnace chamber 10 separately from the fuel gas 20.
  • exhaust gas AG is supplied from the upper furnace 1 via right-side openings 30 'to the right regenerator 50' and heats it up.
  • combustion air VB is then fed via the right regenerator 50 'to the top furnace 1 together with fuel gas from the right injectors 20', the combustion air VB then receiving the heat deposited by the exhaust gas AG in the first period in the regenerator 50 '.
  • the regulation of a fuel flow and / or a combustion air flow takes place basically via a temperature control module 400 of a control device 1000 for the Industrial furnace 100.
  • a PID controller can be used in the temperature control module 400, according to which increasing the fuel flow and / or the combustion air flow increases a furnace chamber temperature or lowering a fuel flow and / or a combustion air flow, a furnace chamber temperature is lowered.
  • Temperature values of the regenerator head 51 or 51 'or of the upper furnace chamber 1 are supplied to the temperature control module 400 via suitable temperature probes 52, 52', 53, which in the present case are in some cases also combined with a suitable lambda probe for measuring a fuel-air ratio.
  • control device 1000 has a symmetry control module 300, which in the present case is designed to influence the heat transfer between the first and second regenerators 50, 50 '. In the present case, this takes place via a heat transfer quantity in the form of a time span ⁇
  • the second period duration t extends for the colder one of the first and second regenerators 50, 50 'and / or for the hotter of the first and second regenerators 50, 50' the second period duration t is shortened or shortened for the colder of the first and second regenerators 50, 50 ', the first period t and / or for the hotter of the first and second regenerators 50, 50', the first period t is extended.
  • a suitable actuator in the form of a timer is coupled to the symmetry control module 300 and capable of shortening or lengthening the first and second period lengths t as dictated by the symmetry control module 300 - the latter can thus be the period of time around the period ⁇ At Move left regenerator 50 and right regenerator 50 '.
  • the present invention provides for the automatic control of the combustion air supply of the regenerative industrial furnace 100 with a regeneratively fired glass melting tank, that the combustion air flow is automatically controlled by a known PID controller of a ⁇ -control module 200.
  • the setpoint value of the PID controller is formed from the product of the fuel quantity, the stoichiometric air requirement of this fuel and an excess air ratio A S OLL specified as the target, less the continuously determined amount of uncontrolled air supply from outside the industrial furnace.
  • the uncontrolled air supply is continuously determined by combustion calculation on the basis of continuously operating exhaust gas analyzers, which are formed here in combination with the temperature probes 52, 52 ', 53 by known zirconia probes.
  • zircon probes At operating temperatures between 700 and 1500 ° C, zircon probes reach a lifetime of about 3 years, in best cases up to 8 years. Even under partially extremely reducing conditions or exhaust gas contamination by heavy metal oxides good service life can be achieved. In addition to the robust, industrially compatible design, this is mainly due to the regular service. Thus, the measurement signal of the zirconia probes is sufficiently stable and reproducible to serve as the basis for an automatic control.
  • the excess air coefficient ⁇ is defined as the ratio of real available air - ie controlled air quantity plus false air - divided by the stoichiometric minimum air requirement for the current fuel quantity measured quantity of fresh air + false air
  • the current process value ⁇ is determined directly from the measurement result (mV) of the zirconia probe, also for mixed fuel operation z.
  • Cell voltages from zero to 200 mV are a measure for decreasing oxygen content from 20.94% down to 0%, further increasing cell voltages from 200 mV to approx 800 mV, on the other hand, is a measure of the increasing proportion of CO in the increasingly reducing range.
  • a fundamentally advantageous prerequisite for determining the process value ⁇ from the measurement result of the zirconia probe is a comparatively good knowledge of the chemical fuel composition.
  • gas chromatographs are only available online in luxurious exceptional cases.
  • a characteristic composition of the fuel can be stored as an "operating point" and carried proportionally with altered calorific values.
  • this problem can be solved by complying with a first condition; namely, for unstable and not on-line measurable fuel compositions, the oxygen consumed for combustion is used as a measure of the fuel energy used and the fuel flow is adjusted at any time so that a predetermined and the energy demand equivalent amount of oxygen is used in a controlled manner.
  • the fuel flow at constant inflow of the oxidant oxygen is always adjusted so that a predetermined oxygen value is maintained in the exhaust after the combustion chamber.
  • the oxygen demand of the fuel in a still good approximation increases or decreases proportionally with its calorific value, so that the quotient of oxygen demand and calorific value of the fuel for the practical control application can be treated as a constant: different Expressed - the oxygen demand per unit of energy can be suitably treated as a constant for this case.
  • the measurable residual oxygen at the outlet of the combustion chamber can be used as a control variable to keep the energy input into the furnace constant, firstly, if the condition is satisfied that the measurement and control of the combustion air supply or the oxygen supply is sufficiently accurate and reproducible; the latter usually corresponds to feasible requirements.
  • a furnace pressure in the combustion chamber should be set so high that uncontrolled air access is reliably suppressed by false air in the furnace chamber.
  • the furnace pressure is then sufficiently high if its further increase does not cause any further reduction in the entry of uncontrolled air. It has been found that too low furnace pressure is typically associated with differences in residual oxygen between left and right side firing, and that increasing the furnace pressure significantly reduces these differences.
  • the stability limit of the furnace pressure is reached precisely if the differences in the residual oxygen between left and right side firing either completely disappear, or can no longer be reduced by a further increase in the furnace pressure.
  • the measured process value ⁇ is available in the entire technologically interesting range 1, 5> ⁇ > 0.96 and behaves directly linearly with excess or missing combustion air. This allows efficient control, which can pinpoint missing or excess air without having to struggle with the time behavior of a controlled system.
  • the process value A ! S T is compared with the setpoint value A S OLL -nonlinearly convertible into the desired 0 2 % value and vice versa .
  • lambda control in the present embodiment means:
  • PV_Lambda ⁇ 1 is suitable for the evaluation and regulation of the combustion conditions and is in a linear relation to the air quantities over the entire technologically interesting area. Due to this linearity, it enables significantly better and more targeted control than regulation based on the residual oxygen value of 02%.
  • the size XF which is referred to as false air, contains the sum of all disturbances and external influences on the combustion air balance.
  • the disturbance variable false air XF is determined continuously as a process variable. This can then be suppressed as much as possible by high furnace pressure and sealing of the furnace and the remaining unavoidable fraction can be analyzed for its origin in order to determine the permissible control limits. Referring first to Fig. 1, on-line analysis of the false air sources may be made for a technological control performance, evaluating the short and long time trends of the ⁇ signals and the thermal trace of the false air in the furnace and regenerator.
  • False air sources can be: (A) Inaccuracies in the measurement of combustion air flow or fuel quantity act mathematically as deviation of the combustion air balance as well as real false air, for both sides of fire exactly the same and are visible in the comparison of different operating points of the system with significantly different fuel input
  • (C) can be identified by falling trend of the process variable oxygen or false air. A loss of air can be eliminated by sealing the Um Kunststoffschiebers and can be compensated until the seal without restriction by adjusting the combustion air.
  • False air access into the furnace chamber may be different from the fire side as a result of an influencing pressure field in the furnace. In principle, it is also possible that this is fire side equal; in the case of a fire side different false air inlet into the upper furnace, this leads to a further increase in thermal imbalance in the case of air compensation. Regardless of different sides of the fire or false air, false air compensation leads to an average increase in regenerator temperature: cold air, which does not participate in the heating in the regenerator, withdraws heat from the oven and enters the opposite regenerator as hot exhaust gas - this is marked by a Increase of the regenerator temperatures.
  • the entry of uncontrolled air into the furnace space (E) and (F) causes a typical disturbance in the symmetry of the regenerator temperatures between the left and right regenerators; the attempt to compensate for such uncontrolled air in the furnace space XF by adjusting the amount of combustion air increases the thermal imbalance the regenerators and to increase the regenerator temperatures.
  • the access of uncontrolled air to the furnace chamber is due to the thermal track in the regenerator to identify and may not or only within narrow limits by adjusting the combustion air to be compensated, it can only be reduced by sealing the furnace chamber and by increasing the furnace pressure.
  • the compensation of the uncontrolled air XF by adjusting the amount of combustion air according to the concept of the invention is only permitted as long as a) the uncontrolled air XF enters directly into the furnace chamber, which is due to disruption of
  • the uncontrolled air XF is independent of the amount of combustion air and in particular this is in no inversely proportional dependence. Below the stability criteria defined in this way, the uncontrolled air XF can only be reduced by increasing the furnace pressure.
  • Lambda 1 + 1, 13 * 02% / (20.94% - 02%) with the constants 1, 13 to be determined from the average fuel analysis according to measured values of the zirconia dioxide oxygen probes 52, 52 '.
  • a controlled air flow (in FIG. 2 L-ZUF
  • S T) is to be supplied to the melting furnace by: setpoint_air (in FIG. 2 L-ZUF SO LL) SOLL_lambda * E * OMINE / 0,2094-XF
  • ST ) of 02% 20.94% * (Soll_Lambda - 1) / (Soll_Lambda - 1 + 1, 13)
  • the measured residual oxygen value arises of a less 1, that is 70% -is shown in FIG. 2, the oxygen consumption A02-Verbri S T to high so is the fuel stream correspond to reduce accordingly, in the assumption that the lower oxygen residual value is found higher oxygen consumption A02-Verbn S T of the currently higher-energy fuel.
  • the measured residual oxygen value arises highly than 1, that is 70% -is shown in FIG. 2, the oxygen consumption A02-Verbri S T to mild so is to be increased according to the fuel flow, on the assumption that the higher oxygen residual value is founderne- ren oxygen consumption A02-Verbri S T of the currently lower-energy fuel.
  • FIG. 2 shows a flow chart for a preferred embodiment of a method for the controlled operation of a regeneratively heated industrial furnace 100 having a furnace chamber 10 according to FIG. 1, in which a comparatively constant fuel energy supply to the furnace chamber 10 is regulated for a fuel BS with fluctuating calorific value ; the method 2000 is presently feasible in a control loop with comparatively short cycles of a few minutes; that is, in a temporal cycle whose duration is well below a firing cycle - the latter period of a firing cycle is more like a few tens of minutes, say twenty minutes, as shown in FIG. Fig.
  • a desired value to be supplied to a combustion air L_ZUF S OLL is determined. This can be done, for example, according to the above formula of the calculation example, in which a nominal value of an excess air ratio lambda S oLL (above SOLL_Lambda), a required fuel energy E and a fuel characteristic minimum average oxygen demand OMINE and the ratio of oxygen to air 0 , 2094 enters the combustion air.
  • the setpoint value of the combustion air L-ZUF S OLL is corrected with a measured or based on empirical values value of a false air XF.
  • step S3 when setting up a suitable actuator, an actual value of a combustion air L-LUF
  • a second branch II of the control loop an actual value of excess air in the exhaust gas LambdaAGis T is first determined, for example in the context of a measurement by a lambda probe such as the zirconia From this, after step S4, in step S5, a current oxygen residual value 0 2 -AGIST can be determined -about than 0 2 % actual according to the last formula in the example of calculation. Lambda values are to be replaced by corresponding actual lambda values.
  • step S6 By a suitable, based on the oxygen values difference formation in step S6 from the actual value of the air supply L-ZUF
  • step S8 an adjustment of the actual value s A0 2 - ! S T to the target value A0 2 - S OLL is carried out as specified in the last formula of the calculation example (there 1.70%).
  • the ACTUAL value is A0 2 -IST above the target value A0 2 -SOLL an amount of fuel BS is -sei it by adjusting a pressing amount of air, a quantity of raw fuel and / or of a fuel mixture in the step S9, in particular, for example, for the case of Petcoke- raised.
  • the actual value A0 2 -IST is below the target value A0 2 -SOLL, a corresponding amount of fuel is decreased in step S10.
  • control loop may start again at the node SO. If, on the other hand, the actual and desired values are approximately in the same range, the control loop can be started again at node SO after a loop cycle which is predetermined, for example.
  • FIG. 3 shows a compilation of the most varied process value data during the controlled operation of a regeneratively heated industrial furnace 100.
  • a twenty-minute firing cycle (L or R) is shown on the time axis t; this for the periodically alternating guidance of on the one hand combustion air to the furnace chamber in a first period (L) and on the other hand exhaust gas from the furnace chamber in a second period (R) separately from the fuel by means of a at least one fuel injector associated left regenerator.
  • the periodically alternating guide for the right regenerator ie during a period L, the guidance of combustion air to the furnace chamber and during a period R, the management of exhaust gas from the furnace chamber.
  • the present process values show pressure values p S i in the collecting channel and oxygen values 0 B H in the burner neck.
  • averages over a calorific value Hy of the fuel and the associated minimum air requirement L M IN-E are also shown, which, even in the case of reliable fuel, have in part strongly transient gradients and especially for Fuels with uncontrollable calorific value are not available at all, if possible within the framework of approximate preliminary assumptions, based on estimates of a fuel composition.
  • the present Fig. 3 illustrates that for a controlled operation of the regeneratively heated industrial furnace an oxygen reading 0 2 of zirconia probes is available, even if the associated signal is subject to relatively strong fluctuations.
  • the associated excess air value LAMBDAIST in the exhaust gas is subject to less fluctuations and, in the context of a regulation described above, based on the excess air coefficient, is based on a LAMBDA setpoint LAMBDASOLL.
  • Either a lambda value ⁇ or an oxygen value 0 2 can, together or alternatively, be used to regulate a comparatively constant fuel energy supply to the furnace space for a fuel with fluctuating calorific value; this according to the procedure described above (for example, according to the calculation example or as shown in FIG. 2).
  • Fig. 3 also shows a clear correlation between a Falufuftanteil XF as a process value - and the associated compensation component K XF , which is in the noisy Falufuftanteil XF as a line approachable recognizable - on the one hand and the furnace pressure P on the other.
  • the knowledge of this correlation is advantageous for the present concept, because according to the preferred embodiment, the oxygen consumption A0 2 -verbris T is used as a measure of a fuel energy used.
  • the oxygen consumption itself, in turn, proves to be correctly determinable if the false-air component XF is comparatively reliably compensated for independently of the firing period and can be determined. This is the case in particular if, as can be seen in region B of FIG.
  • the active air ratio (air to fuel) lambda AG has only minor differences, independently of the firing period L, R; this in contrast to the course of the process values of the air ratio lambda AG in the region A, in which this is subject in the firing period L, R strong amplitude fluctuations periodic.
  • the reason for the adjustment to a common mean amplitude lambda AG is the increase of the furnace pressure P at time T above a threshold pressure (in the present case this increase is only a few Pa).
  • the threshold pressure is exceeded as the minimum pressure value such that values of residual oxygen in the exhaust after the furnace space for a left and right recuperator associated left and right side of the fire are substantially equal, especially within a predetermined upper bandwidth.
  • the threshold pressure is defined as the minimum pressure value for which the difference in values of a residual oxygen between a left and right side of the fire associated with the left and right recuperators is no longer reduced by an increase in the furnace pressure, in particular within a predetermined lower bandwidth.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Betrieb eines regenerativ beheizten Industrieofens (100) mit einem Ofenraum (10), vorzugsweise zur Regelung einer Brennstoffenergiezufuhr zum Ofenraum (10) für einen Brennstoff mit schwankendem Heizwert, aufweisend die Schritte: - Injizieren von Brennstoff in den Ofenraum (10) über wenigstens einen Brennstoff-Injektor (20, 20'), der zur Injektion von Brennstoff, insbesondere praktisch ohne Verbrennungsluft, ausgebildet ist, - periodisch abwechselnde Führung von einerseits Verbrennungsluft zum Ofenraum (10) in einer ersten Periodendauer und andererseits Abgas (AG) aus dem Ofenraum (10) in einer zweiten Periodendauer separat vom Brennstoff, wobei - eine Zufuhr der Verbrennungsluft oder dergleichen Oxidationsmittel eingestellt wird und ein Restsauerstoff im Abgas bestimmt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass - ein bei der Verbrennung des Brennstoffs umgesetzter Sauerstoffverbrauch aus der zugeführten Verbrennungsluft und dem Restsauerstoff bestimmt wird, und - der Sauerstoffverbrauch als Maß für eine eingesetzte Brennstoffenergie verwendet wird, wobei ein Brennstoffstrom zur Injektion, derart eingestellt wird, dass der Sauerstoffverbrauch auf einen vorbestimmten Wert des Sauerstoffverbrauchs geregelt wird.

Description

Verfahren zum geregelten Betrieb eines regenerativ beheizten Industrieofens,
Steuereinrichtung und Industrieofen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Betrieb eines regenerativ beheizten Industrieofens, insbesondere mit einer Schmelzwanne, insbesondere für Glas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine zur Ausführung des Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15. Die Erfindung betrifft auch einen Industrieofen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
Grundsätzlich ist ein Industrieofen nicht auf die Verwendung in der Glasherstellung beschränkt. Z. B. kann ein Industrieofen der eingangs genannten Art auch in der Metallherstellung od. dgl. eingesetzt werden. Ein regenerativer Industrieofen der eingangs genannten Art hat sich jedoch als besonders geeignet in der Glasherstellung zum Schmelzen von Glas erwiesen.
Bislang wird die Steuerung regenerativer Glasschmelzöfen -d. h. regelmäßig mittels Steuerung über den Oberofen im Ofenraum als Regelstrecke- ausschließlich PID-Reglern anvertraut, welche die Regelung einer Oberofentemperatur zum Ziel haben und deren Ausgang entweder eine Brennstoffmenge selbst darstellt oder eine Verbrennungsluftmenge, der die Brennstoffmenge dann in einstellbarem Verhältnis folgt. Die Führungsgröße zur Bestimmung des Energieeinsatzes einer Glasschmelzwanne ist üblicherweise die Temperatur eines oder mehrerer Thermoelemente im Gewölbe des Schmelzofens. Aufgrund des hohen Wärmespeichervermögens von Ofen und Schmelzgut ändert sich die Temperatur nur langsam, signifikante Änderungen werden erst nach Stunden bewirkt. Darum wird üblicherweise der mit dem Brennstoffstrom eingeführte Energiestrom als unterlagerter Regelkreis konstant geregelt. Ist der Heizwert wie z. B. beim Brennstoff Erdgas on-line gut messbar, können Schwankungen des Heizwertes durch entsprechende Veränderung der Brennstoffmenge selbst zügig ausgeglichen werden, so dass der Brennstoffenergiezufluss mit ausreichender Genauigkeit konstant geregelt werden kann.
Herkömmliche Regelverfahren setzen allerdings zum einen unkontrollierten Luftzutritt unrichtig als konstant voraus oder korrigieren die Verbrennungsluftzufuhr ausschließlich aufgrund eines manuell oder kontinuierlich gemessenen Messwertes von Restsauerstoff im Abgas. Mittels diesem kann man jedoch aufgrund seines teilweise nichtlinearen Zu- sammenhangs zur Verbrennungsluft jedenfalls keine optimale Regeldynamik erreichen. Insbesondere kann dieser Ansatz, den Bereich unterstöchiometrischer Beheizung nicht bewerten, weil aus einem Vergleich verschiedener Prozesszustände mit jeweils 0 % Restsauerstoff keine sinnvolle regelungstechnische Aktion mehr zu begründen ist.
So ist in dem Artikel von Hemmann et al. (Technical Report XP-00121591 )„Advanced combustion control - the basis for NOx reduction and energy saving in glass tank furnac- es" in Glass Sei. Technol. 77 (2004) No. 6, Seiten 306 bis 31 1 , vorgeschlagen, eine reine Lambda-Regelung zu nutzen, d. h. eine Regelung des Quotienten von Verbrennungsluft zum stöchiometrischen Minimum von Verbrennungsluft, um die Infiltration von Falschluft zu minimieren bzw. unvermeidbare Falschluft zu kompensieren. Die Installation von Zirkondioxid-Lambda-Sensoren in den Regeneratorköpfen wird vorgeschlagen. Es wird auch eine Kombination einer PID-Regelung mit einer prädiktiven Steuerung vorgeschlagen. Erstmals wird Falschluft als typischer unkontrollierter Eintrag von kalter Luft in den Ofen und den Regenerator benannt, derart, dass diese an der Verbrennung teilnimmt und nicht durch eine Verhältnissteuerung erfasst ist. Für Brennstoffe, deren Heizwert nicht on-line messbar ist, die aber große unkontrollierbare Schwankungen des Heizwertes aufweisen, steht zum anderen die Möglichkeit Schwankungen des Heizwertes durch entsprechende Veränderung der Brennstoffmenge selbst zügig auszugleichen nicht zur Verfügung. Die Folge sind deutlich größere Schwankungen der qualitätsbedingten Temperaturen und/oder der energetischen Effizienz. Brennstoffe dieser Art werden, insbesondere bei weltweit merklicher Brennstoffknappheit, in zunehmendem Masse eingesetzt.
Wünschenswert ist ein verbessertes Regelungskonzept für einen Industrieofen der eingangs genannten Art unter Berücksichtigung der für die regenerative Beheizung von Industrieöfen typischen langen Reaktionszeiten zwischen einer Veränderung des Luftverhältnisses und der im Ergebnis messbaren Messwertänderung einer Abgasanalysemessung. Wünschenswert ist darüberhinaus auch ein vergleichsweise zügiger Ausgleich unkontrollierbarer Schwankungen eines Heizwertes im Falle der Verwendung von Brennstoffen, deren Heizwert nicht on-line messbar ist. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein verbessertes Verfahren zum geregelten Betrieb eines regenerativ beheizten Industrieofens, eine verbesserte Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen verbesserten Industrieofen anzugeben. Insbesondere sollen die oben aufgeführten nachteiligen Aspekte des Standes der Technik möglichst vermieden werden, wenigstens aber eines der oben beschrie- benen Probleme adressiert werden. Insbesondere sollte eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, mittels denen unkontrollierbare Schwankungen eines Heizwertes im Falle der Verwendung von Brennstoffen mit unsicherem Heizwert ausgleichbar sind; insbesondere derart ausgleichbar sind, dass eine Brennstoffenergiezufuhr zum Ofenraum weitgehend konstant ist. Zumindest soll eine alternative Lösung zu einer im Stand der Technik bekannten Lösung vorgeschlagen werden.
Betreffend das Verfahren wird die Aufgabe durch die Erfindung mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgesehen sind. Das Verfahren dient vorzugsweise zur Regelung einer Brennstoffenergiezufuhr zum Ofenraum für einen Brennstoff mit schwan- kendem Heizwert; insbesondere zur Regelung einer vergleichsweise konstanten Brennstoffenergiezufuhr zum Ofenraum selbst für einen Brennstoff mit schwankendem Heizwert Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auf eine Steuereinrichtung nach Anspruch 15 und einen Industrieofen nach Anspruch 17.
Unter Brennstoff ist insbesondere Brenngas zu verstehen. Andere Brennstoffe wie Öl oder dergleichen sind ebenfalls zum Betrieb eines Industrieofens möglich. Insbesondere umfassen vorliegend Brennstoffe auch solche mit Undefiniertem Heizwert. Dabei handelt es sich insbesondere um Festbrennstoffe aber auch Flüssigbrennstoffe, die regelmäßig vergleichsweise hohe Kohlenstoff- und/oder vergleichsweise hohe Wasserstoffanteile aufweisen, insbesondere Kohlenstoffanteile weit über 80 % bzw. Wasserstoffanteile weit über 10 %. Hier ist beispielsweise schweres Öl als Vertreter flüssiger Brennstoffe oder Petroleum kohle (petroleum coke, petcoke) als Vertreter fester Brennstoffe zu nennen. Zwar haben solche Brennstoffe einen vergleichsweise hohen Energieinhalt; nachteilig ist jedoch zum einen deren hoher C02-Austoß und deren vergleichsweise hohe NOx- und Schwefelabgasbelastung bei Verbrennung. Insbesondere aber liegen diese Brennstoffe mit unkontrollierbaren Schwankungen eines Heizwertes vor allem in vergleichsweise Undefiniertem Zustand zur Verbrennung vor. So liegt Petcoke beispielsweise als Pulver mit Partikeln und gesteinsartigen Masseanteilen unterschiedlicher Größe vor; diese muss zum Teil pulverisiert werden und dann, mit Pressluft vermischt, als öliger Staub in einen Brenner eingebracht werden. Sowohl die Einbringungsform als auch ein Heizwert dieser in den Brenner bzw. Injektor einzubringenden Brennstoffdarreichungsform ist Undefiniert bzw. kaum messbar.
Unter einem Injektor ist insbesondere eine Eindüseeinrichtung zu verstehen, die ausge- bildet ist, Brennstoff unmittelbar vor einem Ofenraum in einer Zuführstrecke oder im Ofenraum einzudüsen, insbesondere getrennt von Verbrennungsluft. Eine Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff ist erst im Ofenraum vorgesehen. Der Ofenraum weist insbesondere einen Oberofen und einen Unterofen auf. Ein Unterofen weist insbesondere eine Glasschmelzwanne oder dergleichen auf. Die periodisch abwechselnde Führung von einerseits Verbrennungsluft zum Ofenraum in einer ersten Periodendauer und andererseits Abgas aus dem Ofenraum in einer zweiten Periodendauer separat vom Brennstoff mittels erfolgt bevorzugt in einem dem wenigstens einen Brennstoff-Injektor zugeordneten linken Regenerator und rechten Regenerator, die zur regenerativen Speicherung von Wärme aus dem Abgas und Übertragung von Wärme auf die Verbrennungsluft ausgebildet sind.
Die Bezeichnungen der Regeneratoren als linker und rechter Regenerator sind nicht einschränkend hinsichtlich der Ortsanordnung derselben zu verstehen und folgen dem allgemeinen technischen Sprachgebrauch. Die Bezeichnungen können auch anders gewählt werden, z. B. als erster und zweiter Regenerator. Die Regeneratoren können in Bezug auf eine Glasschmelzwanne in Flussrichtung oder quer zur Flussrichtung des Glases angeordnet sein. Ein einziger Regenerator kann einer Anzahl von Injektoren zugeordnet sein. Unter einem Regenerator kann auch ein Regeneratorabschnitt oder dergleichen zu verstehen sein, der einem einzelnen Injektor zugeordnet ist. Die Bestimmung des Restsauerstoff im Abgas erfolgt besonders bevorzugt durch Messen des Sauerstoffs und/oder indem dieser aus einem Abgas-Luftüberschuss (LAMBDA) ermittelt wird. Insbesondere wird ein Mengenanteil vor Restsauerstoff und/oder der Verbrennungsluft bestimmt. Das Konzept der Erfindung kann auf verfügbare Regelverfahren für eine Oberofentemperatur aufbauen. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es zur Regelung einer Brennstoffenergiezufuhr zu einem Industrieofen zwar möglich ist, den Brennstoffstrom in Hinblick auf einen Heizwert des Brennstoffs anzupassen; die Erfindung hat darüber hinaus jedoch erkannt, dass dies nur dann Sinn macht, wenn der Heizwert vergleichs- weise verlässlich bestimmbar oder jedenfalls im Rahmen einer verlässlichen Annahme vorgebbar ist. Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung hat es sich unter anderem deswegen auch als vorteilhaft erwiesen, dass eine charakteristische Zusammensetzung des Brennstoffs als Arbeitspunkt mit einem Referenzheizwert hinterlegt wird und veränderte Zusammensetzungen mit veränderten Heizwerten proportional mitgeführt werden. Dies kann zur Vorgabe einer einigermaßen verlässlichen Annahme unterstützend genutzt werden. Im Falle von Brennstoffen mit unkontrollierbaren Schwankungen eines Heizwertes, wie z. B. Petcoke oder anderen öligen Stauben, erweist sich die Annahme eines Heizwertes bereits aufgrund der Zusammensetzung des Brennstoffs als auch der chemischen Beschaffenheit desselben jedoch als unzulänglich bzw. als alleinige Maßnahme als nicht aussichtsreich. Die Erfindung hat erkannt, dass sich in einem solchen Fall der Sauerstoffverbrauch als verlässlicheres Maß für eine eingesetzte Brennstoffenergie ansetzen lässt; dies trotz gewisser Unwägbarkeiten betreffend den Zusammenhang zwischen Sauerstoffverbrauch und Energieeintrag von Brennstoffenergie.
Insofern hat die Erfindung erkannt, dass bei Brennstoffen mit unkontrollierbaren Schwan- kungen des Heizwertes zwar ein Energieeintrag in den Ofenraum durch Veränderung der brennstofftragenden Zuführmenge (Brennstoffstrom) angepasst werden kann. Dies kann im Rahmen einer Weiterbildung beispielsweise durch Erhöhen eines Luft-Pulver- Gemenges mit Petcoke als öliger Staub oder durch Verminderung eines Luft-Pulver- Gemenges mit Petcoke als öliger Staub erfolgen. Gleichwohl dient nicht mehr der Heiz- wert des Brennstoffs als Stellgröße zur Bemessung des Energieeintrags, sondern vielmehr der Sauerstoffverbrauch. Der Sauerstoffverbrauch wiederum bestimmt sich aus dem Vergleich von zugeführter Verbrennungsluft und einem gemessenen Restsauerstoff im Abgas. Das Konzept der Erfindung erweist sich trotz des, vorzugsweise proportional, angenommenen Maßverhältnisses zwischen Sauerstoffverbrauch und Brennstoffenergie als vergleichsweise verlässlich im Falle von Brennstoffen unkontrollierter Heizwertqualität. Insbesondere erweist sich die Annahme einer direkten Proportionalität zwischen Sauer- stoffverbrauch und eingesetzter Brennstoffenergie als vergleichsweise stabil im Falle von Brennstoffen unkontrollierter Heizwertqualität.
Das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung erweist sich als vergleichsweise robust, unabhängig davon, wie der Sauerstoffverbrauch bestimmt wird. Beispielsweise kann der Sauerstoffverbrauch bestimmt werden aus einer Zufuhr der Verbrennungsluft und der Bestimmung eines Restsauerstoffs. Die Bestimmung eines Restsauerstoffs wiederum kann grundsätzlich als direkte Sauerstoffmessung oder vorteilhaft - insbesondere weil regelmäßig mit weniger Schwankungen belastet- aus einem Abgas- luftüberschuss (Lambda-Wert) ermittelt werden.
Desweiteren hat die Erfindung erkannt, dass sich ein zügiger Ausgleich aller eingesetzten Brennstoffenergie über die eingebrachte Mengenmasse des Brennstoffs praktisch unmittelbar als Reaktion auf ein ebenfalls vergleichsweise zügiges Signal eines Restsauerstoffs oder Lambdawerts umsetzen lässt. Dies kann insbesondere weitgehend unabhängig von einem Temperaturtrend des Ofenraums erfolgen, der sich auf einer sehr viel längeren Zeitskala von einigen Stunden abspielt, während sich eine eingesetzte Brenn- stoffenergie auf einer Zeitskala von einigen Minuten anpassen lässt, d. h. praktisch in Echtzeit.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisie- ren.
Bevorzugt wird der Brennstoffstrom zur Injektion mittels Anpassung einer Pressluftmenge und/oder einer Brennstoffmenge und/oder eines Brennstoffmischung eingestellt. Dies kann je nach Anlagenvoraussetzung oder Kenntnis der Brennstoffzusammensetzung umgesetzt werden.
Bevorzugt wird eine charakteristische Zusammensetzung des Brennstoffs als Arbeitspunkt hinterlegt und mit veränderten Heizwerten proportional mitgeführt. Dies kann vorteilhaft genutzt werden, insbesondere unter Verwendung von zweckmäßigen bereichs- weise definierten Brennwerten des Brennstoffs. Vorteilhaft kann so eine beste Annahme über eine Brennstoffenergie gemacht werden und zur Ermittlung eines Vorsteuerwertes oder eines anderen in eine der Prozessgleichungen eingehenden Größe genutzt werden. So hat es sich im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung als dennoch plausible und vergleichsweise verlässliche Annahme erwiesen, einen Sauerstoffverbrauch in etwa proportional zum Brennstoffenergieeintrag anzunehmen. Dies kann beispielsweise für vergleichsweise ähnliche Brennstoffzusammensetzungen, etwa Brennstoffzusammensetzungen mit Kohlenstoffanteilen zwischen 80 % und 90 % oder Kohlenstoffanteilen zwischen 90 % und 100 % oder Kohlenstoffanteilen zwischen 80 % und 100 % oder Kohlenstoffanteilen zwischen 85 % und 95 % oder anderen dergleichen vergleichsweise ähnlichen Kohlenstoffanteilen angesetzt werden. In solchen Bereiche n kann mit einer einigermaßen verlässlichen Annahme mit entsprechenden Proportionalitätsfaktoren als Maß eine erste Schätzung eines Heizwertes vorgenommen werden. Grundsätzlich lässt sich ein Maß zwischen Sauerstoffverbrauch und eingesetzter Brenn- stoffenergie auch anhand anderer Kriterien oder zusätzlicher Kriterien zum Kohlenstoffanteil im Rahmen einer Weiterbildung festlegen, die hier allesamt nur beispielhaft genannt sind.
Bevorzugt wird ein SOLL-Sauerstoffverbrauch vorgegeben und ein IST- Sauerstoffverbrauch auf den SOLL-Sauerstoffverbrauch unter Anpassung der eingesetz- ten Brennstoffenergie, insbesondere des Brennstoffstroms, geregelt. Diese Weiterbildung nutzt vorteilhaft direkt die relevante Größe des Sauerstoffverbrauchs und ist insofern direkt signifikant für die eingesetzte Brennstoffenergie.
Zusätzlich oder alternativ wird bevorzugt ein SOLL-Abgas-Luftüberschuss (SOLL- LAMBDA) vorgegeben und ein IST-Abgas-Luftüberschuss (IST-LAMBDA) auf den SOLL- Abgas-Luftüberschuss (SOLL-LAMBDA) unter Anpassung der eingesetzten Brennstoffenergie, insbesondere des Brennstoffstroms, geregelt. Dieser Ansatz nutzt bevorzugt direkt ein Messsignal einer Lambda-Sonde im Dom eines Rekuperators und ist mit vergleichsweise geringerer Schwankungsamplitude versehen.
Bevorzugt wird eine Zufuhr der Verbrennungsluft konstant gehalten; dies führt zu ver- gleichsweise stabilen Regelbedingungen bei einer Anpassung des Brennstoffstroms. Bevorzugt wird die Zufuhr der Verbrennungsluft unter Berücksichtigung eines technologisch notwendigen Luftüberschusses mithilfe eines Regelkreises konstant geregelt, und der Brennstoffstrom derart eingestellt wird, dass ein aus einem vorgegebenen Abgas- Luftüberschuss (SOLL-LAMBDA) ermittelter Restsauerstoff im Abgas unmittelbar nach dem Brennraum eingehalten wird.
Grundsätzlich kann auch eine zeitlich transiente Entwicklung der Verbrennungsluft akzeptiert werden; insbesondere wenn diese auf einer größeren Zeitskala abläuft als auf der Zeitskala einer Anpassung des Brennstoffstroms. So kann beispielsweise eine Zufuhr der Verbrennungsluft automatisch eingestellt werden, insbesondere mittels einer Regelschleife automatisch geregelt werden.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist ein Verfahren zur Regelung konstanter Brennstoffenergiezufuhr zu einem Schmelzofen für einen Brennstoff mit schwankendem Heizwert vorgesehen, bei dem die Zufuhr des Oxydationsmittels Sauerstoff unter Berücksichtigung eines technologisch notwendigen Luftüberschusses mithilfe eines Regelkreises konstant geregelt wird. Insbesondere ist zusätzlich im Rahmen des Konzepts der Erfindung vorgesehen, dass der Brennstoffstrom jederzeit so eingestellt wird, dass ein aus dem gewünschten Luftüberschuss ermittelter Restsauerstoffwert im Abgas unmittelbar nach dem Brennraum eingehalten wird.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das Konzept zur Anwendung kommt für einen Fall, bei dem der Falschlufteintrag in den Ofenraum vergleichsweise gering gehalten ist bzw. vergleichsweise stabil ausgeglichen ist, unabhängig von einer Beheizungsrichtung, d. h. unabhängig von linksseitiger und rechtsseitiger Beheizung. Diese bevorzugte Weiterbildung der Erfindung geht von der Annahme aus, dass eine verlässliche Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs im Rahmen des Konzepts der Erfindung besonders vorteilhaft für denjenigen Fall möglich ist, dass der Restsauerstoff ohne durch Falschluft verursachte Fehler gegeben ist bzw. bestimmt wird.
Bevorzugt ist ein Ofendruck im Ofenraum oberhalb eines Schwellofendrucks, insbeson- dere konstant, gehalten. Im Rahmen einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem der Druck im Brennraum oberhalb eines Mindestdruckwertes gehalten wird.
Bevorzugt ist dieser Mindestd ruckwert definiert als derjenige Ofendruck, für den die Restsauerstoffwerte im Abgas nach dem Brennraum für linke und rechte Feuerseite gleich sind. Zusätzlich oder alternativ bevorzugt ist dieser Mindestd ruckwert definiert derart, dass der Unterschied im Sauerstoffrestwert zwischen linksseitiger und rechtsseitiger Beheizung durch eine Erhöhung des Ofendrucks nicht mehr sichtbar vermindert wird.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung hat erkannt, dass ein Verfahren zur Regelung der Verbrennungsluftzufuhr zu regenerativ beheizten Industrieöfen auf der insbesondere kontinuierlichen Analyse und Kompensation unkontrollierter Falschluftverluste oder unkontrollierten Falschluftzutritts zur Verbrennung beruhen sollte. Dies trifft insbesondere bei Glasschmelzwannen zu mit dem Ziel einer geregelt nahstöchiometrischen oder sogar geregelt unterstöchiometrischen Beheizung mit konstantem vorgebbaren Sollwert der Luftüberschusszahl Lambda. Gemäß dem Konzept der Weiterbildung zeigt eine Falschluftindikation an, ob unkontrollierte Falschluft durch Anpassung der Verbrennungsluft ausgeglichen werden sollte bzw. darf oder ob diese nur durch erhöhten Ofendruck unterdrückt werden sollte bzw. kann.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung hat es sich als vorteilhaft erwie- sen, zur Falschluftindikation einen Ausgang einer aktiven Symmetrieregelung zum Ausgleich thermischer Unsymmetrie der Regeneratoren zu nutzen, d. h. einen Ausgang als Kriterium zu nutzen, ob unkontrollierte Luft durch Anpassung der Verbrennungsluft ausgeglichen werden darf oder nur durch erhöhten Ofendruck unterdrückt werden kann. Vorzugsweise ist das erste Stellglied als ein Drosselmittel in der Verbrennungsluftzufüh- rung gebildet, das zur Regelung einer Flussmenge der Verbrennungsluft ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das zweite Stellglied als ein Schieber, z. B. Umsteuerschieber, in der Abgasabführung gebildet, das zum Aufbau eines Gegendrucks zum Ofendruck ausgebildet ist.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zur automatischen Rege- lung der Verbrennungsluftzufuhr zu einem regenerativen Industrieofen, insbesondere einer regenerativ befeuerten Glasschmelzwanne, ist vorgesehen, dass der Verbrennungsluftstrom durch einen an sich bekannten PID-Regler automatisch geregelt wird, dessen Sollwert gebildet wird aus dem Produkt der Brennstoffmenge, dem stöchiometri- schen Luftbedarf dieses Brennstoffs und einer als Zielgröße vorgegebenen Luftüber- schusszahl Lambda, abzüglich der vorzugsweise laufend ermittelten Menge an unkontrollierter Falschluftzufuhr von außerhalb des Industrieofens. Vorzugsweise gilt die Regel gemäß der Regel SP_Luft = SP_Lambda * LMIN * Brennstoff - XFA. Unkontrollierte Falschluftzufuhr wird vorzugsweise laufend durch Verbrennungsrechnung auf Grundlage von vorzugsweise kontinuierlich arbeitender Abgasanalysegeräte ermittelt. Ein Analysegerät ist insbesondere in Form einer Lambda-Sonde gebildet, welche vorzugsweise an als eine an sich bekannte Zirkonoxidsonde ausgeführt ist. Mit besonderem Vorteil versehen wird die als Zielgröße vorgegebene Luftüberschusszahl Lambda (ASOLL) der Verbrennungsluft durch die Brennstoffmenge geteilt und so ein laufend korrigiertes Luft-Brennstoff-Verhältnis gebildet, das dem λ-Regler der Regelschleife zugeführt wird. Zur verbesserten Bestimmung der Luftüberschusskennzahl ist es insbesondere vorteilhaft für mehrere simultan eingesetzte Brennstoffe Luftverhältnisse derart zu bilden, dass diese zueinander im Verhältnis des stöchiometrischen Luftbedarfes der jeweiligen Brennstoffe stehen. Dadurch ist es vorteilhaft möglich bei Veränderung der Anteile dieser Brennstoffe das unveränderte Sauerstoffangebot aufrecht zu erhalten. Beispielsweise kann zur Vermeidung von Nachteilen herkömmlicher Verfahren zunächst aus dem Ergebnis einer kontinuierlichen Abgasanalyse, z. B. an einem Regeneratorkopf, mit den Messwerten 02% und CO% unter Einsatz einer Verbrennungsrechnung der Prozesswert für den wirklichen Luftüberschuss, ausgedrückt in der Luftüberschusszahl Lambda als Prozesswert bestimmt werden:
O % CO°/o
PV Lambda = 1 + const.1 * const.2 *
20,94% - 02 % C02 % + CO%
Dabei können die Eigenschaften des Brennstoffs und ebenso der Einfluss des C02 aus der Aufspaltung der im Rohgemenge enthaltenen Karbonate in den Konstanten const.1 und const.2 enthalten sein. Bevorzugt wird in einer weiteren Regelschleife für eine Temperaturregelung:
- über eine Ofenraumtemperatur als Regelgröße, und
- einen ersten Regler, insbesondere einen PID-Regler, für die Ofenraumtemperatur, sowie
- über ein dem ersten Regler zugeordnetes Stellglied eine erste stellbare Stellgrö- ße in Form eines Brennstoffstroms und/oder eines Verbrennungsluftstroms eingestellt.
Die unterlegte Temperaturregelung sichert in bewährter Weise eine auf längerer Zeitsakala stattfindende Temperaturentwicklung des Ofenraums.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht nur notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf dem einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschrei- bung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines regenerativ beheizten Industrieofens mit einem linken und einem rechten Regenerator gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bei der eine Steuereinrichtung mit einem λ-Regel-Modul gemäß dem Konzept der Erfindung vorgesehen ist;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ablaufs einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens;
Fig. 3 eine beispielhafte Darstellung eines Verlaufs von Prozessdaten bei einem Ofenraum einer Glasschmelzwanne, bei dem zur Anwendung des Verfahrens der Fig. 2 ein Ofendruck im Ofenraum von unterhalb zu oberhalb eines Mindestdruckwertes gefahren wird - dies führt zur Angleichung der aktiven Luftverhältnisse (Luft zu Gas) im Abgas für unterschiedliche Befeuerungsseiten, d. h. zur Minimierung des Unterschieds im Sauerstoffwert zwischen linksseitiger und rechtsseitiger Beheizung durch eine entsprechende Erhöhung des Ofendrucks.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen regenerativ beheizten Industrieofen 100 mit einem Ofenraum 10, dessen Oberofenraum 1 als Regelstrecke geregelt wird und bei dem der Unterofen räum 2 eine nicht näher dargestellte Glasschmelzwanne aufweist. In der Glasschmelzwanne enthaltenes Glas wird über den Ofenraum 10 über die Schmelztemperatur erwärmt und zur Herstellung von Flachglas oder dergleichen aufgeschmolzen und geeignet behandelt. Der Industrieofen 100 wird vorliegend erwärmt, indem über mehrere seitlich angebrachte Brennstoffinjektoren 20 Brennstoff, vorliegend in Form von Brenngas, in den Oberofen 1 injiziert wird. Von den Brennstoffinjektoren 20 ist vorliegend ein linker Injektor 20 dargestellt. Von weiteren Brennstoffinjektoren 20' ist vorliegend ein rechter Injektor 20' dargestellt. Der Einfachheit halber sind im Folgenden für gleiche oder ähnliche Teile oder solche mit gleicher oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet. Beispielsweise können linksseitig bzw. rechtsseitig jeweils eine Anzahl von sechs Injektoren 20, 20' vorgesehen sein. In der in Fig. 1 gezeigten Befeuerungsperiode wird über einen Brennstoffinjektor 20 Brenngas in den Oberofen 1 praktisch ohne Verbrennungsluft injiziert. Oberhalb des Brennstoffinjektors 20 wird vorgewärmte Verbrennungsluft VB über eine linksseitige Öffnung 30 dem Oberofen 1 zugeführt. Die Verbren- nungsluft aus der Öffnung 30 vermischt sich im Oberofen 1 mit dem vom Brennstoffinjektor 20 injizierten Brenngas und führt zur Ausbildung einer den Unterofen überdeckenden Flamme 40, die vorliegend symbolisch dargestellt ist. Das Bild der Fig. 1 zeigt den Industrieofen 100 im Zustand einer regenerativen Befeuerung über den linken Regenerator 50 und die linken Injektoren 20. Diese und die Öffnung 30 sind derart gestaltet, dass das über die Injektoren 20 gelieferte Brenngas in ausreichendem nah- oder unter stöchiomet- rischen Bereich mit Verbrennungsluft VB des linken Regenerators im Oberofen 1 vermischt wird. Der in Fig. 1 dargestellte Betriebszustand einer linksseitigen Befeuerung des Oberofens 1 unter Injektion von Brenngas über die linksseitigen Injektoren 20 und Zufuhr von Verbrennungsluft VB über den linken Regenerator 50 dauert für eine erste Perioden- dauer an von z.B. 20 bis 40 min. an. Während dieser ersten Periodendauer wird Verbrennungsluft VB zum Oberofen 1 im Ofenraum 10 separat vom Brenngas 20 zugeführt. Während der ersten Periodendauer wird Abgas AG aus dem Oberofen 1 über rechtsseitige Öffnungen 30' dem rechten Regenerator 50' zugeführt und heizt diesen auf.
In einem zweiten Betriebszustand wird für eine zweite Periodendauer ähnlicher zeitlicher Länge die Befeuerung des Oberofens 1 umgekehrt. Dazu wird dann Verbrennungsluft VB über den rechten Regenerator 50' dem Oberofen 1 zusammen mit Brenngas aus den rechten Injektoren 20' zugeführt, wobei die Verbrennungsluft VB dann die vom Abgas AG in der ersten Periodendauer im Regenerator 50' deponierte Wärme aufnimmt.
Die Regelung eines Brennstoffstroms und/oder eines Verbrennungsluftstroms erfolgt grundsätzlich über ein Temperaturregelmodul 400 einer Steuereinrichtung 1000 für den Industrieofen 100. Grundsätzlich kann dazu ein PID-Regler im Temperaturregelmodul 400 eingesetzt werden, gemäß dem unter Erhöhung des Brennstoffstroms und/oder des Verbrennungsluftstroms eine Ofenraumtemperatur erhöht bzw. unter Erniedrigung eines Brennstoffstroms und/oder eines Verbrennungsluftstroms eine Ofenraumtemperatur erniedrigt wird. Dem Temperaturregelmodul 400 werden Temperaturwerte des Regeneratorkopfes 51 bzw. 51 ' oder des Oberofenraumes 1 über geeignete Temperatursonden 52, 52', 53 zugeführt, die vorliegend jedenfalls zum Teil auch mit einer geeigneten Lambdasonde zur Messung eines Brennstoff-Luft-Verhältnisses kombiniert sind.
Die Steuereinrichtung 1000 weist darüberhinaus ein Symmetrieregelmodul 300 auf, das vorliegend ausgebildet ist, den Wärmeübertrag zwischen dem ersten und zweiten Regenerator 50, 50' zu beeinflussen. Vorliegend erfolgt dies über eine Wärmeübertragungsgröße in Form einer Zeitspanne ±At, um welche für den kälteren des ersten und zweiten Regenerators 50, 50' die zweite Periodendauer t verlängert und/oder für den heißeren des ersten und zweiten Regenerators 50, 50' die zweite Periodendauer t verkürzt wird oder auch für den kälteren des ersten und zweiten Regenerators 50, 50' die erste Periodendauer t verkürzt und/oder für den heißeren des ersten und zweiten Regenerators 50, 50' die erste Periodendauer t verlängert wird. Ein geeignetes Stellglied in Form eines Zeitgebers ist vorliegend mit dem Symmetrieregelmodul 300 gekoppelt und in der Lage, die erste und zweite Periodendauer t je nach Maßgabe des Symmetrieregelmoduls 300 zu verkürzen bzw. zu verlängern - letzteres kann vorliegend also die Periodendauer um die Zeitspanne ±At beim linken Regenerator 50 bzw. rechten Regenerator 50' verschieben.
Darüberhinaus sieht das vorliegende zur automatischen Regelung der Verbrennungsluftzufuhr des regenerativen Industrieofens 100 mit einer regenerativ befeuerten Glas- schmelzwanne vor, dass der Verbrennungsluftstrom durch einen an sich bekannten PID Regler eines λ-Regelmoduls 200 automatisch geregelt wird. Der Sollwert des PID Reglers wird gebildet aus dem Produkt der Brennstoffmenge, dem stöchiometrischen Luftbedarf dieses Brennstoffs und einer als Zielgröße vorgegebenen Luftüberschusszahl ASOLL, abzüglich der laufend ermittelten Menge an unkontrollierter Luftzufuhr von außerhalb des Industrieofens. Dem Konzept der Erfindung folgend wird die unkontrollierte Luftzufuhr laufend durch Verbrennungsrechnung auf Grundlage kontinuierlich arbeitender Abgasanalysegeräte ermittelt, die hier in Kombination mit den Temperatursonden 52, 52', 53 durch an sich bekannte Zirkonoxidsonden gebildet sind. Bei Einsatztemperaturen zwischen 700 und 1500°C erreichen Zirkonsonden einen Lebensdauerwert von ca. 3 Jahren, in besten Fällen bis zu 8 Jahren. Auch unter teilweise extrem reduzierenden Bedingun- gen oder Abgasverunreinigungen durch Schwermetalloxide werden gute Standzeiten erreicht. Maßgeblich dafür ist neben der robusten, industrietauglichen Ausführung vor allem der regelmäßige Service. Damit ist das Messsignal der Zirkonoxidsonden ausreichend stabil und reproduzierbar, um als Grundlage für eine automatische Regelung zu dienen.
Eine oben erläuterte Regelung mittels des λ-Regelmoduls 200 wird folgend als„Lambda- regelung" bezeichnet. Grundsätzlich ist die Luftüberschusszahl λ definiert als Verhältnis aus real verfügbarer Luft - d.h. kontrollierter Luftmenge plus Falschluft - geteilt durch den stöchiometrischem Mindest-luftbedarf für die aktuelle Brennstoffmenge. gemesseneBrennluftmenge + Falschluft
StöchiometrischeMindestluft
Der aktuelle Prozesswert λ wird aus dem Messergebnis (mV) der Zirkonoxidsonde direkt bestimmt, auch für Brennstoff-Mischfahrweise z. B. Gas und Öl, auch im unterstöchio- metrischen Bereich λ < 1. Dabei sind Zellspannungen von Null bis 200 mV ein Maß für abnehmenden Sauerstoffgehalt von 20,94 % bis herab zu 0 %, weiter steigende Zell- Spannungen von 200 mV bis ca. 800 mV sind dagegen im zunehmend reduzierenden Bereich ein Maß für zunehmenden Anteil von CO.
Eine grundsätzlich vorteilhafte Voraussetzung für die Bestimmung des Prozesswertes λ aus dem Messergebnis der Zirkonoxidsonde ist eine vergleichsweise gute Kenntnis der chemischen Brennstoffzusammensetzung. Gaschromatographen sind jedoch nur in luxuriösen Ausnahmefällen online vorhanden. Für schwankende Heizwerte kann eine charakteristische Zusammensetzung des Brennstoffs als„Arbeitspunkt" hinterlegt werden und mit veränderten Heizwerten proportional mitgeführt.
Bei großen unkontrollierbaren Schwankungen des Heizwertes und -wenn man damit unkontrolliert eine Veränderung der Brennstoffmenge herbeiführte- sind deutlich größere Schwankungen der qualitätsbedingten Temperaturen und/oder der energetischen Effizienz die Folge. Gemäß dem oben Konzept der vorliegenden Ausführungsform aber kann dieses Problem unter Einhalten einer ersten Bedingung gelöst werden; nämlich indem für instabile und nicht on-line messbare Brennstoffzusammensetzungen der zur Verbrennung verbrauchte Sauerstoff als Maß für die eingesetzte Brennstoffenergie verwendet wird und der Brennstoffstrom jederzeit so eingestellt wird, dass eine vorgebbare und dem Energiebedarf äquivalente Sauerstoffmenge kontrolliert in Anspruch genommen wird. Dazu ist der Brennstoffstrom bei konstantem Zufluss des Oxidationsmittels Sauerstoff jederzeit so einzustellen, dass im Abgas nach dem Brennraum ein vorgegebener Sauerstoffrestwert eingehalten wird.
Es wurde gefunden, dass bei derart unkontrolliert veränderter Brennstoffzusammenset- zung der Sauerstoffbedarf des Brennstoffs in dennoch guter Näherung proportional mit seinem Heizwert steigt oder fällt, so dass der Quotient aus Sauerstoffbedarf und Heizwert des Brennstoffes für die praktische regelungstechnische Anwendung als Konstante behandelt werden kann: Anders ausgedrückt - der Sauerstoffbedarf pro Energieeinheit kann für diesen Fall zweckmäßig als Konstante behandelt werden. Darauf aufbauend kann der messbare Restsauerstoff am Ausgang des Brennraumes als Regelgröße verwendet werden, um den Energieeintrag in den Schmelzofen konstant zu halten, wenn erstens die Bedingung erfüllt ist, dass die Messung und Regelung der Brennluftzufuhr oder der Sauerstoffzufuhr ausreichend genau und reproduzierbar erfolgt; letzteres entspricht üblicherweise realisierbaren Anforderungen. Als zweite Bedingung sollte gemäß dem vorliegenden Konzept der Ausführungsform ein Ofendruck im Brennraum so hoch eingestellt werden, dass unkontrollierter Luftzutritt durch Falschluft in den Ofenraum zuverlässig unterdrückt wird. Der Ofendruck ist dann ausreichend hoch, wenn seine weitere Erhöhung keine weitere Senkung des Zutritts unkontrollierter Luft bewirkt. Es wurde gefunden, dass zu geringer Ofendruck typischerweise mit Unterschieden im Restsauerstoff zwischen linksseitiger und rechtsseitiger Befeuerung einhergeht, und dass eine Erhöhung des Ofendrucks diese Unterschiede deutlich mindert. Die Stabilitätsgrenze des Ofendrucks ist genau dann erreicht, wenn die Unterschiede im Restsauerstoff zwischen links- und rechtsseitiger Befeuerung entweder völlig verschwinden, oder durch eine weitere Erhöhung des Ofendrucks nicht mehr gemindert werden können.
Können die Unterschiede im Restsauerstoff zwischen links- und rechtsseitiger Befeuerung durch weitere Erhöhung des Ofendrucks nicht weiter gesenkt werden, so sind sie offenkundig durch Luftzutritt oder Luftverluste im Regeneratorfußbereich verursacht und können über einen Zeithorizont von Stunden und Tagen als konstant vorausgesetzt werden. Derartige „stabile" d. h. durch Veränderung des Ofendrucks unveränderliche Mengen an unkontrolliertem Luftzutritt (Falschluft) sind aus einem langzeitlichen Durchschnitt der Betriebsdaten z.B. über mehrere Tage zu ermitteln. Insgesamt aufbauend auf dem Konzept einer für schwankende Heizwerte hinterlegten charakteristischen Zusammensetzung des Brennstoffs als„Arbeitspunkt" und proportionales Mitführen desselben mit veränderten Heizwerten und/oder für besonders instabile und nicht on-line messbare Brennstoffzusammensetzungen, Verwenden des zur Ver- brennung verbrauchten Sauerstoffs als Maß für die eingesetzte Brennstoffenergie -wobei in der oben beschriebenen Herangehensweise der Brennstoffstrom jederzeit so eingestellt wird, dass eine vorgebbare und dem Energiebedarf äquivalente Sauerstoffmenge kontrolliert in Anspruch genommen wird- liefert eine Verbrennungsrechnung eine dimensionslose Brennstoffkennzahl -für Gas ebenso wie für Öl - und nachfolgend die reale Luftmenge, die Abgasmenge, die Abgasbestandteile und -von zusätzlichem Interesse im vorliegenden Fall- die Falschluft XF als Differenz zwischen Sonden-ermittelter Luft und kontrolliertem Luftstrom.
Anders als der Messwert 02% steht der gemessene Prozesswert λ im gesamten technologisch interessierenden Bereich 1 ,5 > λ > 0,96 zur Verfügung und verhält sich direkt linear zur überschüssigen oder zur fehlenden Brennluft. Das ermöglicht eine effiziente Regelung, die fehlende oder überschüssige Luft zielgenau bestimmen kann, ohne sich mit dem Zeitverhalten einer Regelstrecke abzumühen. Dem Sollwert ASOLL -nichtlinear umrechenbar in den gewünschten 02%-Wert und umgekehrt- wird der Prozesswert A!ST gegenübergestellt Grundsätzlich bedeutet Lambdaregelung bei der vorliegenden Ausführungsform:
- Falschluft aktuell bestimmen und sichtbar machen
- Falschluft unterdrücken oder mindern
- unvermeidliche Falschluft kompensieren
Welches der optimale Wert ist, hängt ab von den Eigenschaften des Brennraums und den Anforderungen des Schmelzgutes - in den meisten Fällen ist ein Lambdawert zwischen um λ = 1 ,04 .. 1 ,05 ein guter Wert - entspricht 02% Werten zwischen 0,8 und 1 ,0 %.
Konkret wird um die Nachteile der herkömmlichen Verfahren zu vermeiden, dem Konzept der Erfindung folgend also zunächst aus dem Ergebnis einer kontinuierlichen Abgasanalyse am Regeneratorkopf mit den Messwerten 02% und CO% unter Einsatz einer Ver- brennungsrechnung der Prozesswert für den wirklichen Luftüberschuss, ausgedrückt in der Luftüberschusszahl λ als Prozesswert (Istwert) bestimmt:
02% CO%
PV Lamda = 1 + const.1 const.2
20,94% - 02 C02% + CO% wobei die Eigenschaften des Brennstoffs und ebenso der Einfluss des C02 aus der Aufspaltung der im Rohgemenge enthaltenen Karbonate in den Konstanten const.1 und const.2 enthalten sind.
Im Unterschied zum Restsauerstoff 02% ist der so gewonnene Prozesswert PV_Lambda gleichermaßen auch im unterstöchiometrischen Bereich, d. h. bei
PV_Lambda < 1 zur Bewertung und Regelung der Verbrennungsverhältnisse geeignet und ist über dem gesamten technologisch interessierenden Bereich in einem linearen Verhältnis zu den Luftmengen. Er ermöglicht aufgrund dieser Linearität eine deutlich bessere und zielgenauere Regelung als eine auf den Restsauerstoffwert 02% orientierte Regelung.
Damit kann die Summe aus unkontrollierten Luftverlusten und unkontrolliertem Luftzutritt als Störgröße der Regelung explizit ermittelt werden als
XF = PV_Lambda * LMIN * Brennstoffstrom - PV_Verbrennungsluft mit dem Prozesswert PV_Verbrennungsluft des geregelten Verbrennungsluftstroms und der stöchiometrischen Mindestluft LMIN des Brennstoffes, abhängig nur von der chemischen Zusammensetzung des Brennstoffes.
Die als Falschluft bezeichnete Größe XF enthält die Summe aller Störungen und Fremdeinflüsse auf die Verbrennungsluftbilanz. Die Störgröße Falschluft XF wird vorliegend als eine Prozessgröße kontinuierlich ermittelt. Dies kann dann durch hohen Ofendruck und Abdichtung des Ofens bestmöglich unterdrückt und der verbleibende unvermeidbare Anteil auf seine Herkunft zu analysiert werden, um die zulässigen Regelgrenzen zu bestimmen. Zunächst weiter bezugnehmend auf Fig. 1 kann für ein technologisches Regelverhalten eine on-line Analyse der Falschluftquellen erfolgen unter Bewertung der Kurz- und Lang- Zeittrends der λ-Signale und der thermischen Spur der Falschluft im Ofen und Regenerator. Falschluftquellen können sein: (A) Ungenauigkeiten in der Messung von Brennluftstrom oder Brennstoff menge wirken rechnerisch als Abweichung der Brennluftbilanz ebenso wie reale Falschluft, wirken für beide Feuerseiten genau gleich und werden sichtbar am Vergleich verschiedener Betriebspunkte der Anlage mit deutlich verschiedenem Brennstoffeinsatz
(B) „Abdriftende Falschluft", z. B. über Wochen aus zunehmender Verschmutzung und zunehmender Minderanzeige der Brennluftmengenmessung wirken wie Falschluft und können richtig auch so automatisch kompensiert werden.
Der Einfluss einer systematischen Missweisung der Verbrennungsluftmengenmessung (A) und (B) auf die Störgröße XF ist naturgemäß für beide Feuerseiten identisch und wird durch Vergleich zweier oder mehrerer Betriebszustände mit unterschiedlichem Brenn- stoffeinsatz ermittelt. Solche systematische Missweisung der Verbrennungsluftmengenmessung ist durch Korrektur zu beseitigen und kann bis zur Beseitigung auch durch Anpassung der Verbrennungsluft kompensiert werden.
(C) Ein Luftverlust, d. h. Kurzschlussstrom eines Teils der Brennluft durch Undichtigkeit des Umsteuerschiebers direkt in den Abgasstrom markiert sich durch negative Falsch- luftwerte plus abfallenden Trend des Lambdawertes über die Feuerperiode, typisch auch seitenverschieden oder sporadisch mit dem Wechselvorgang auftretend - aber nicht mit jedem.
Es wurde gefunden, dass ein durch undichte Umsteuerschieber verursachter Luftverlust
(C) durch fallenden Trend der Prozessgröße Sauerstoff oder Falschluft identifiziert wer- den kann. Ein Luftverlust ist durch Abdichtung des Umsteuerschiebers zu beseitigen und kann bis zur Abdichtung ohne Einschränkung durch Anpassung der Verbrennungsluft kompensiert werden.
(D) Falschluftzutritt in den Regenerator ist typisch seitenverschieden und tritt im Kammerfußbereich auf - dort herrscht mit etwa -20 Pa der stärkste Unterdruck, d.h. die hier eintretende Falschluft wird im Regenerator mit erwärmt bzw. kühlt in ebenso wie die regulär gemessene Brennluft Ein Zutritt unkontrollierter Luft zum Regeneratorfuß (D) ist dadurch zu identifizieren, dass seine Kompensation durch veränderte Verbrennungs-luftmenge keine Störung der Symmetrie zwischen linkem und rechtem Regenerator verursacht sondern im Gegenteil die thermische Symmetrie der Regeneratoren verbessert. Der hiervon unvermeidliche Anteil, der nicht durch Abdichtung der Regeneratoren vermieden werden kann, kann ohne Einschränkung durch Anpassung der Verbrennungsluft kompensiert werden.
(E) Falschluftzutritt in den Ofenraum kann feuerseitenverschieden sein infolge eines beeinflussenden Druckfeldes im Ofen. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass dieser feuerseitengleich ist; im Falle eines feuerseitenverschiedenen Falschluftzutritts in den Oberofen führt dies zu einer weiteren Zunahme der thermischen Unsymmetrie im Falle der Luftkompensation. Unabhängig von feuerseitenverschiedenem oder feuerseitenglei- chem Falschluftzutritt führt ein Falschluftkompensation zu einer im Mittel ansteigenden Regeneratortemperatur: Kalte Luft, die nicht an der Erwärmung im Regenerator teilnimmt, entzieht dem Ofenraum Wärme und tritt als heißes Abgas in den gegenüberliegenden Regenerator ein - sie markiert sich durch eine Erhöhung der Regeneratortemperaturen.
(F) Der negative Effekt wird umso deutlicher, je weniger diese Luft dann auch noch an der Verbrennung teilnimmt.
Ein Zutritt unkontrollierter Luft in den Ofenraum (E) und (F) verursacht dagegen eine typische Störung der Symmetrie der Regeneratortemperaturen zwischen linkem und rechtem Regenerator, der Versuch solche unkontrollierte Luft in den Ofenraum XF durch Anpassung der Verbrennungsluftmenge zu kompensieren führt zur Vergrößerung der thermischen Unsymmetrie der Regeneratoren und zur Erhöhung der Regeneratortemperaturen. Der Zutritt unkontrollierter Luft zum Ofenraum ist aufgrund der thermischen Spur im Regenerator zu identifizieren und darf nicht oder nur in engen Grenzen durch Anpassung der Verbrennungsluft kompensiert werden, er kann nur durch Abdichtung des Ofenraumes und durch Erhöhung des Ofendrucks gemindert werden.
Zusammenfassend gilt für alle Formen (A) bis (D) von Falschluft, die stromaufwärts vor dem Regenerator wirken, generell, dass vorzugsweise die Ursachen zu erkennen und beseitigen sind. Für alle Falschluft die nicht vermieden werden kann, ist die automatische Kompensation durch Anpassung der Brennluftmenge die technologisch angemessene Reaktion. Es wurde jedoch gefunden, dass unterhalb eines Mindestwertes des Ofendrucks eine Minderung der Verbrennungsluftmenge eine Erhöhung der Menge unkontrollierter Luft XF nach sich zieht. Solange die ermittelte Menge unkontrollierter Luft durch eine Veränderung der Verbrennungsluftmenge nicht merklich beeinflusst wird, ist der Ofendruck ausreichend hoch für eine stabile Regelung. Unterhalb dieser Stabilitätsgrenze kann der Sollwert SP_Lambda nicht zuverlässig durch Anpassung der Verbrennungsluftmenge erreicht werden, sondern verlangt eine entsprechende Erhöhung des Ofendrucks. Falschluft, die in den Ofenraum eintritt -Fälle (E) und (F)— führt nicht nur zu den größtmöglichen Energieverlusten aus Falschluft, sie stört das thermische Gleichgewicht der Regeneratoren rechts/links. Der Versuch, solche Falschluft durch Brennluftanpassung zu kompensieren, führt jedoch zur Erhöhung der Regeneratortemperaturen und zur Verschärfung thermischer Unsymmetrie. Die technologisch angemessene Antwort ist nicht mehr Brennluftanpassung, sondern Abdichten des Ofens und Erhöhung des Ofendrucks, um den Falschluftzutritt zu unterbinden oder zu mindern.
Die vorstehenden Überlegungen machen deutlich, dass die einfache 02% Messung gemäss einem Stand der Technik nicht ausreicht: Erst die Auswertung der Sauerstoffbilanz der gegebenen Feuerung und die explizite Bestimmung der Falschluftmenge - plus die Auswertung der thermischen Spur dieser Falschluft in den Regeneratoren ermöglichen die on-line Ursachenanalyse und die Auswahl der technologisch angepassten Regelstrategie.
Erfindungsgemäß ist die Kompensation der unkontrollierten Luft XF durch Anpassung der Verbrennungsluftmenge gemäß dem Konzept der Erfindung nur zulässig, solange a) die unkontrollierte Luft XF direkt in den Ofenraum eintritt, was durch Störung der
Symmetrie der Regeneratortemperaturen und durch Temperaturerhöhung der Regeneratoren sichtbar wird b) die unkontrollierte Luft XF unabhängig von der Verbrennungsluftmenge ist und insbesondere zu dieser in keiner umgekehrt proportionalen Abhängigkeit steht. Unterhalb der so definierten Stabilitätskriterien ist die unkontrollierte Luft XF nur durch Erhöhung des Ofendrucks minderbar.
Oberhalb der so definierten Stabilitätskriterien kann die unkontrollierte Luft in weiten Grenzen durch automatische Anpassung der Verbrennungsluftmenge kompensiert werden um einen vorgegebenen Sollwert des Luftüberschusses SP_Lambda zu einzuhalten. Rechenbeispiel:
Dem Schmelzofen 100 seien zur Schmelze des Schmelzgutes und zur Aufrechterhaltung der notwendigen Temperaturen E = 12 MW an Brennstoffenergie kontinuierlich zuzuführen. Der Brennstoff -wie z.b. Petcoke- hat einen durchschnittlichen Sauerstoffbedarf von angenommen OMINE = 0,20 Nm3/kWh (Norm Kubikmeter je kWh Brennstoffenergie). Aus langzeitlicher Beobachtung sei bekannt, dass zur gemessenen Brennluft kontinuierlich XF = 500 Nm3/h unkontrollierte Falschluft hinzutreten. Aus systematischem Test sei ferner bekannt, dass oberhalb eines Ofendrucks P von 7 Pa im Ofenraum 10 eine weitere Ofendruckerhöhung keine sichtbare Veränderung der Restsauerstoffwerte im Abgas mehr bewirkt; d.h. eine Schwellofendruck von 7 Pa sei festgelegt. Die Sicherung vollständiger Verbrennung verlangt einen Luftüberschuss von 10%, d. h. eine Luftüberschusszahl von Lambda = 1 ,10.
Hierbei sind die aktuelle Luftüberschusszahl Lambda und die aktuellen Sauerstoffrestwerte 02% bei Annahme vollständiger Verbrennung verbunden über den Funktionszu- sammenhang
Lambda = 1 + 1 , 13 * 02% / (20,94% - 02%) mit der Konstanten 1 , 13 zu ermitteln aus der durchschnittlichen Brennstoffanalyse gemäß Messwerten der Zirkon-Dioxid- Sauerstoffsonden 52, 52'.
Dem Schmelzofen ist ein geregelter Luftstrom (in Fig. 2 L-ZUF|ST) zuzuführen von: Sollwert_Luft (in Fig. 2 L-ZUFSOLL) = SOLL_Lambda * E * OMINE / 0,2094 - XF
= 1 , 10 * 12 MW * 1000 kW/MW * 0,20 Nm3/kWh / 0,2094 - 500 Nm3/h
= 12.107 Nm3/h geregelte Brennluftstrom
Der Strom an Brennstoff (in Fig. 2 BS) ist dann immer so einzustellen, dass aus der Signalauswertung der Sauerstoffmessung am Ausgang des Brennraumes (d.h. mittels der Zirkon-Dioxid- Sauerstoffsonden 52, 52') ein Prozesswert Lambda = 1 , 10 (in Fig. 2 λ- AGIST) aufrechterhalten wird. Dem entspricht ein Sauerstoffmesswert im Abgas AG (in Fig. 2 02-AG|ST) von 02% = 20,94% * (Soll_Lambda - 1 ) / (Soll_Lambda - 1 + 1 ,13)
= 1 ,70%
Stellt sich der gemessene Sauerstoffrestwert geringer ein als 1 ,70%—ist also gemäß Fig. 2 der Sauerstoffverbrauch A02-VerbriST zu hoch- so ist der Brennstoffstrom entspre- chend zu vermindern, in der Annahme, der geringere Sauerstoffrestwert ist Ergebnis höheren Sauerstoffverbrauchs A02-VerbnST des aktuell energiereicheren Brennstoffs.
Stellt sich der gemessene Sauerstoffrestwert höher ein als 1 ,70% —ist also gemäß Fig. 2 der Sauerstoffverbrauch A02-VerbriST zu gering- so ist der Brennstoffstrom entsprechend zu erhöhen, in der Annahme, der höhere Sauerstoffrestwert ist Ergebnis niedrige- ren Sauerstoffverbrauchs A02-VerbriST des aktuell energieärmeren Brennstoffs.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufschema für eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zum geregelten Betrieb eines regenerativ beheizten Industrieofens 100 mit einem Ofenraum 10 gemäß der Fig. 1 , bei dem eine vergleichsweise konstante Brennstoffenergiezufuhr zum Ofenraum 10 für einen Brennstoff BS mit schwankendem Heizwert gere- gelt wird; das Verfahren 2000 ist vorliegend in einer Regelschleife mit vergleichsweise kurzen Zyklen von einigen Minuten durchführbar; also in einem zeitlichen Zyklus, dessen Zeitdauer deutlich unter einem Befeuerungszyklus liegt - letzterer Zeitraum eines Befeuerungszyklus liegt eher bei einigen zehn Minuten, beispielsweise bei zwanzig Minuten wie Fig. 3 zeigt. Fig. 2 zeigt ausgehend von einem Knotenpunkt SO in einem ersten Zweig I der Regelschleife, dass in einem ersten Schritt S1 ein SOLL-Wert einer zuzuführenden Verbrennungsluft L_ZUFSOLL bestimmt wird. Dies kann beispielsweise nach oben angegebener Formel des Rechenbeispiels erfolgen, in welcher ein SOLL-Wert einer Luftüberschusszahl LambdaSoLL (oben SOLL_Lambda) , eine erforderliche Brennstoffenergie E und ein für den Brennstoff charakteristischer minimaler durchschnittlicher Sauerstoffbedarf OMINE als auch das Verhältnis von Sauerstoff zu Luft 0,2094 bei der Verbrennungsluft eingeht. In einem weiteren Schritt S2 wird der Sollwert der Verbrennungsluft L-ZUFSOLL mit einem gemessenen oder auf Erfahrungswerten beruhenden Wert einer Falschluft XF korrigiert. Daraus ergibt sich im dritten Schritt S3 bei Einrichten eines geeigneten Stellgliedes ein IST-Wert einer Verbrennungsluft L-LUF|ST. In einem zum ersten Zweig I der Regelschleife parallel verlaufenden Rechen- und Messzweig, einem zweiten Zweig II der Regelschleife, wird zunächst ein IST-Wert eines Luftüberschusses im Abgas LambdaAGisT bestimmt, beispielsweise im Rahmen einer Messung durch eine Lambda-Sonde wie etwa die Zirkon-Dioxid- Sauerstoffsonden 52, 52' der Fig. 1. Daraus lässt sich nach dem Schritt S4 im Schritt S5 ein aktueller Sauerstoffrestwert 02-AGIST bestimmen -etwa als 02%IST gemäß der letzten Formel im Rechenbeispiel- - wobei die Soll-Lambda-werte durch entsprechende Ist-Lambda-Werte zu ersetzen sind.
Durch eine geeignete auf die Sauerstoffwerte bezogene Differenzenbildung im Schritt S6 aus dem IST-Wert der Luftzufuhr L-ZUF|ST und dem IST-Wert des Restsauerstoffwerts 02-AGIST lässt sich im Schritt S7 ein Sauerstoffverbrauch A02-VerbriST ermitteln, wie er zur Verbrennung des Brennstoffs umgesetzt wurde.
Im Schritt S8 erfolgt ein Abgleich des IST-Wert s A02-!ST zum SOLL-Wert A02-SOLL wie er in der letzten Formel des Rechenbeispiels festgelegt wurde (dort 1 ,70 %). Liegt der IST- Wert A02-IST oberhalb des SOLL-Werts A02-SOLL wird in dem Schritt S9 eine Brennstoff- menge BS -sei es durch Anpassung einer Pressluftmenge, einer Rohbrennstoffmenge und/oder einer Brennstoffmischung, insbesondere beispielsweise für den Fall von Petcoke- erhöht. Ist andererseits der IST-Wert A02-IST unterhalb des Sollwerts A02-SOLL, wird eine entsprechende Brennstoffmenge im Schritt S10 erniedrigt. Nachfolgend zum Schritt S9, S10 kann die Regelschleife erneut beim Knotenpunkt SO beginnen. Ist dage- gen IST- und SOLL-Wert etwa im gleichen Bereich, kann die Regelschleife nach einem beispielsweise vorgegebenen Schleifenzyklus erneut beim Knotenpunkt SO begonnen werden.
Fig. 3 zeigt eine Zusammenstellung verschiedenster Prozesswertdaten beim geregelten Betrieb eines regenerativ beheizten Industrieofens 100. Dabei ist auf der Zeitachse t jeweils ein zwanzigminütiger Befeuerungszyklus (L bzw. R) dargestellt; dies zur periodisch abwechselnden Führung von einerseits Verbrennungsluft zum Ofenraum in einer ersten Periodendauer (L) und andererseits Abgas aus dem Ofenraum in einer zweiten Periodendauer (R) separat vom Brennstoff mittels einem dem wenigstens einen Brennstoffinjektor zugeordneten linken Regenerator. Umgekehrt erfolgt die periodisch abwech- selnde Führung für den rechten Regenerator, d. h. während einer Periodendauer L die Führung von Verbrennungsluft zum Ofenraum und während einer Periodendauer R die Führung von Abgas aus dem Ofenraum. Dazu zeigen die vorliegend Prozesswerte Druckwerte pSi im Sammelkanal und Sauerstoffwerte 0BH im Brennerhals. Im vorliegenden Fall sind auch Mittelwerte über einen Heizwert Hy des Brennstoffs und der dazugehörige Mindestluftbedarf LMIN-E (proportional zu 0MIN-E ) dargestellt, die -selbst im Falle von verlässlichem Brennstoff- zum Teil stark transiente Gradienten aufweisen und insbesondere für Brennstoffe mit nichtkontrollierbarem Heizwert gar nicht zur Verfü- gung stehen, allenfalls im Rahmen von ungefähren vorläufigen Annahmen, basierend auf Schätzungen einer Brennstoffzusammensetzung.
Die vorliegende Fig. 3 verdeutlicht, dass für einen geregelten Betrieb des regenerativ beheizten Industrieofens ein Sauerstoffmesswert 02von Zirkondioxid-Sonden zur Verfügung steht, auch wenn das zugehörige Signal vergleichsweise starken Schwankungen unterliegt. Der zugehörige Luftüberschuss-wert LAMBDAIST im Abgas ist geringeren Schwankungen unterworfen und orientiert sich im Rahmen einer zuvor beschriebenen Regelung, basierend auf der Luftüberschusszahl, an einem LAMBDA-Sollwert LAMBDASOLL-
Entweder ein Lambda-Wert λ oder ein Sauerstoff-Wert 02 können, zusammen oder alternativ, zur Regelung einer vergleichsweise konstanten Brennstoffenergiezufuhr zum Ofenraum für einen Brennstoff mit schwankendem Heizwert eingehen; dies gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise (beispielsweise gemäß dem Rechenbeispiel oder gemäß Fig. 2).
Fig. 3 zeigt außerdem eine deutliche Korrelation zwischen einem Falschluftanteil XF als Prozesswert -und dem dazugehörigen Kompensationsanteil KXF, der in dem verrauschten Falschluftanteil XF als Linie ansatzweise erkennbar ist— einerseits und dem Ofendruck P andererseits. Das Wissen um diese Korrelation ist insofern für das vorliegende Konzept vorteilhaft, weil gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Sauerstoffverbrauch A02-VerbrisT als Maß für eine eingesetzte Brennstoffenergie verwendet wird. Der Sauerstoffverbrauch selbst wiederum erweist sich als korrekt ermittelbar, wenn der Falschluftanteil XF unabhängig von der Befeuerungsperiode vergleichsweise verlässlich kompensiert ist und ermittelbar ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn -wie im Bereich B der Fig. 3 ersichtlich- das aktive Luftverhältnis (Luft zu Brennstoff) Lambda-AG unabhängig von der Befeuerungsperiode L, R nur geringe Unterschiede aufweist; dies im Unterschied zum Verlauf der Prozesswerte des Luftverhältnisses Lambda-AG im Bereich A, bei denen dieses in der Befeuerungsperiode L, R starken Amplitudenschwankungen periodischer Art unterworfen ist. Der Grund für die Angleichung auf eine gemeinsame mittlere Amplitude Lambda-AG ist die Erhöhung des Ofendrucks P zum Zeitpunkt T oberhalb eines Schwellofendrucks (vorliegend beträgt diese Erhöhung nur einige Pa). Tatsache ist allerdings, dass mit der Erhöhung des Ofendrucks P zum Zeitpunkt T der Schwellofendruck als Mindestdruckwert derart überschritten ist, dass Werte eines Restsauerstoffs im Abgas nach dem Ofenraum für eine dem linken und rechten Rekuperator zugeordnete linke und rechte Feuerseite im wesentlichen gleich sind, insbesondere innerhalb einer vorgegebenen oberen Bandbreite liegen. Anders ausgedrückt ist der Schwellofendruck als derjenige Mindestdruckwert definiert ist, für den der Unterschied in Werten eines Restsauerstoffs zwischen einer dem linken und rechten Rekuperator zugeordneten linken und rechten Feuerseite durch eine Erhöhung des Ofendrucks nicht mehr vermindert wird, insbesondere innerhalb einer vorgegebenen unteren Bandbreite liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum geregelten Betrieb eines regenerativ beheizten Industrieofens (100) mit einem Ofenraum (10), vorzugsweise zur Regelung einer Brennstoffenergiezufuhr zum Ofenraum (10) für einen Brennstoff mit schwankendem Heizwert, aufwei- send die Schritte:
- Injizieren von Brennstoff in den Ofenraum (10) über wenigstens einen Brennstoff-Injektor (20, 20'), der zur Injektion von Brennstoff, insbesondere praktisch ohne Verbrennungsluft, ausgebildet ist,
- periodisch abwechselnde Führung von einerseits Verbrennungsluft zum Ofenraum (10) in einer ersten Periodendauer und andererseits Abgas (AG) aus dem Ofenraum (10) in einer zweiten Periodendauer separat vom Brennstoff, wobei
- eine Zufuhr der Verbrennungsluft oder dergleichen Oxidationsmittel eingestellt wird und ein Restsauerstoff im Abgas bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - ein bei der Verbrennung des Brennstoffs umgesetzter Sauerstoffverbrauch aus der zugeführten Verbrennungsluft und dem Restsauerstoff bestimmt wird, und
- der Sauerstoffverbrauch als Maß für eine eingesetzte Brennstoffenergie verwendet wird, wobei ein Brennstoffstrom zur Injektion, derart eingestellt wird, dass der Sauerstoffverbrauch auf einen vorbestimmten Wert des Sauerstoffverbrauchs ge- regelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffstrom zur Injektion mittels Anpassung einer Pressluftmenge und/oder einer Brennstoffmenge und/oder eines Brennstoffmischung eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine charakteris- tische Zusammensetzung des Brennstoffs als Arbeitspunkt mit einem Referenzheizwert hinterlegt wird und veränderte mit veränderten Heizwerten proportional mitgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein SOLL-Sauerstoffverbrauch vorgegeben wird und ein IST-Sauerstoffverbrauch auf den SOLL-Sauerstoffverbrauch mittels Anpassung der eingesetzten Brennstoffenergie, insbesondere des Brennstoffstroms, geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein SOLL-Abgas-Luftüberschuss (SOLL-LAMBDA) vorgegeben wird und ein IST- Abgas-Luftüberschuss (IST-LAMBDA) auf den SOLL-Abgas-Luftüberschuss (SOLL-LAMBDA) unter Anpassung der eingesetzten Brennstoffenergie, insbesondere des Brennstoffstroms, geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr der Verbrennungsluft konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr der Verbrennungsluft automatisch eingestellt wird, insbesondere mittels einer Regelschleife automatisch geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Verbrennungsluft unter Berücksichtigung eines technologisch notwendigen Luftüberschusses mittels eines Regelkreises konstant geregelt wird, und ein Brennstoffstrom derart eingestellt wird, dass ein aus einem vorgegebenen Abgas- Luftüberschuss (SOLL-LAMBDA) ermittelter Restsauerstoff im Abgas unmittelbar nach dem Brennraum eingehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Abgasanalysegeräts, insbesondere einer Lambda-Sonde, als Messglied im linken und/oder rechten Regenerator ein Sauerstoffgehalt zur direkten Ermittlung einer Luftüberschusszahl (λ) der Verbrennungsluft und/oder des Abgases gemessen wird und die Luftüberschusszahl einem λ-Regler einer Regelschleife als Istwert (AIST) zur Verfügung gestellt wird , und mittels einer Falschluftindikation ermittelt wird,
ob eine Falschluft in einem ersten Fall stromaufwärts im oder vor dem luft- seitigen linken und/oder rechten Regenerator zutritt oder
ob eine Falschluft in einem zweiten Fall stromabwärts nach dem luftseitigen linken und/oder rechten Regenerator, insbesondere in dem Ofenraum zutritt, in einem ersten Teil der Regelschleife für den ersten Fall einer Falschluftindikation, gemäß Ausgang des λ-Reglers mittels einem ersten Stellglied eine Zufuhr von Verbrennungsluft zum Ofenraum als Stellgröße eingestellt wird, und
in einem zweiten Teil der Regelschleife für den zweiten Fall einer Falschluft- Indikation, gemäß Ausgang des λ-Reglers mittels einem zweiten Stellglied ein
Ofendruck im Ofenraum als Stellgröße eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ofendruck im Ofenraum oberhalb eines Schwellofendrucks, insbesondere kon- stant, gehalten wird.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellofendruck als derjenige Mindestdruckwert definiert ist, für den Werte eines Restsauerstoffs im Abgas nach dem Ofenraum für eine dem linken und rechten Rekuperator zugeordnete linke und rechte Feuerseite im wesentlichen gleich sind, insbesondere innerhalb einer vorgegebenen oberen Bandbreite liegen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellofendruck als derjenige Mindestdruckwert definiert ist, für den der Unterschied in Werten eines Restsauerstoffs zwischen einer dem linken und rechten Rekuperator zugeordneten linken und rechten Feuerseite durch eine Erhöhung des Ofendrucks nicht mehr vermindert wird, insbesondere innerhalb einer vorgegebenen unteren Bandbreite liegen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Verbrennungsluft durch einen PID-Regler automatisch geregelt wird, dessen Sollwert gebildet wird aus dem Produkt der Brennstoffmenge, dem stö- chiometrischen Luftbedarf des Brennstoffs und einer als Zielgröße vorgegebenen
Luftüberschusszahl Lambda (ASOLL), abzüglich einer, insbesondere laufend ermittelten, Menge an unkontrollierter Falschluftzufuhr von außerhalb des Industrieofens, insbesondere gemäß der Regel SP_Luft = SP_Lambda * LMIN * Brennstoff - XFA. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass in einer weiteren Regelschleife für eine Temperaturregelung:
- über eine Ofenraumtemperatur als Regelgröße, und - einen ersten Regler, insbesondere einen PID-Regler, für die Ofenraum- temperatur, sowie
- über ein dem ersten Regler zugeordnetes Stellglied eine erste stellbare Stellgröße in Form eines Brennstoffstroms und/oder eines Verbrennungsluftstroms eingestellt wird.
Steuereinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer Industrieofen-Regelung, die ausgebildet ist, das Verfahren, insbesondere zur Regelung einer vergleichsweise konstanten Brennstoffenergiezufuhr zum Ofenraum (10) für einen Brennstoff mit schwankendem Heizwert, für einen Industrieofen umzusetzen, aufweisend:
- ein Rechenmodul mittels dem ein bei der Verbrennung des Brennstoffs umgesetzter Sauerstoffverbrauch aus der zugeführten Verbrennungsluft und dem Restsauerstoff bestimmbar ist, und
- ein Stellmittel bei dem der Sauerstoffverbrauch als Maß für eine eingesetzte Brennstoffenergie verwendet wird und mittels dem ein Brennstoffstrom zur Injektion, derart einstellbar ist, dass der Sauerstoffverbrauch auf einen vorbestimmten Wert des Sauerstoffverbrauchs regelbar ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 15 weiter ausweisend:
ein Temperaturregelmodul für eine erste Regelschleife mittels dem:
- über eine Ofenraumtemperatur als Regelgröße, und
- einen ersten Regler, insbesondere einen PID-Regler, für die Ofenraumtemperatur, sowie
- über ein dem ersten Regler zugeordnetes Stellglied eine erste stellbare Stellgröße in Form eines Brennstoffstroms und/oder eines Verbrennungsluftstroms einstellbar ist.
Regenerativ beheizter Industrieofen mit einem Ofenraum, insbesondere mit einer Schmelzwanne, insbesondere für Glas, weiter aufweisend:
- wenigstens einen Brennstoff-Injektor zum injizieren von Brennstoff in den Ofenraum, der zur Injektion von Brennstoff, insbesondere praktisch ohne Verbrennungsluft, ausgebildet ist,
- einen dem wenigstens einen Brennstoff-Injektor zugeordneten linken Regenerator und rechten Regenerator, die zur regenerativen Speicherung von Wärme aus dem Abgas und Übertragung von Wärme auf die Verbrennungsluft ausgebildet sind zur periodisch abwechselnden Führung von einerseits Verbrennungsluft zum Ofenraum in einer ersten Periodendauer und andererseits Abgas aus dem Ofenraum in einer zweiten Periodendauer separat vom Brennstoff, und
- ein Stellglied für eine Zufuhr der Verbrennungsluft oder dergleichen Oxidations- mittel einstellbar ist und ein Restsauerstoff über eine Sonde bestimmbar ist, insbesondere gemessen wird und/oder aus einem Abgas-Luftüberschuss (LAMBDA) ermittelt wird, und
- eine Steuereinrichtung nach Anspruch 15 oder 16.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015203978A1 (de) * 2015-03-05 2016-09-08 Stg Combustion Control Gmbh & Co. Kg Verfahren zum geregelten Betrieb eines, insbesondere regenerativ, beheizten Industrieofens, Steuer- und Regeleinrichtung und beheizbarer Industrieofen
US10859276B2 (en) * 2016-04-05 2020-12-08 Smart Global B. Energy Ltd Water heating system with smart boiler and method thereof
CN109404960B (zh) * 2018-10-30 2019-10-01 中煤科工集团重庆研究院有限公司 立式多床rto钟形温区梯度对称性控制方法
CN112833668B (zh) * 2020-12-31 2023-02-28 重庆长江造型材料（集团）股份有限公司 一种焙烧炉的分布式热裂解系统
CN115215531B (zh) * 2022-07-27 2024-03-15 信义环保特种玻璃（江门）有限公司 玻璃生产过程的控制方法和装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3015357A (en) * 1958-01-23 1962-01-02 United States Steel Corp Method of controlling the operation of an open hearth furnace
DE2821367A1 (de) * 1978-05-16 1979-11-22 Pyrolyse & Prozessanlagentech Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen verbrennen eines brennstoffes
DE3610365A1 (de) * 1985-11-06 1987-05-14 Cottbus Energiekombinat Verfahren zur aktuell technologisch gefuehrten regelung der oberofenbeheizung von glasschmelzwannen
DE4342334C2 (de) * 1993-12-11 1997-04-30 Sorg Gmbh & Co Kg Verfahren und Anordnung zum Regeln des Verbrennungsvorgangs in Glas-Wannenöfen
EP0797063A3 (de) * 1996-03-19 1999-04-21 Gautschi Electro-Fours SA Verfahren zum Beheizen eines Industrieofens und Regenerator-Brenner-Modulsystem hierfür
US9822970B2 (en) * 2010-09-14 2017-11-21 Osaka Gas Co., Ltd. Combustion device for melting furnace, and melting furnace
DE102010041157B4 (de) * 2010-09-21 2016-01-28 Software & Technologie Glas Gmbh (Stg) Verfahren zum geregelten Betrieb eines regenerativ beheizten Industrieofens, Steuereinrichtung und Industrieofen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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CN105247308A (zh) 2016-01-13

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