EP4058727A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung der verbrennung in feuerungsanlagen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regelung der verbrennung in feuerungsanlagen

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EP4058727A1
EP4058727A1 EP20804255.6A EP20804255A EP4058727A1 EP 4058727 A1 EP4058727 A1 EP 4058727A1 EP 20804255 A EP20804255 A EP 20804255A EP 4058727 A1 EP4058727 A1 EP 4058727A1
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EP
European Patent Office
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combustion
air
temperature
oxygen
furnace
Prior art date
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EP20804255.6A
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French (fr)
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EP4058727B1 (de
EP4058727C0 (de
Inventor
Mohammadshayesh Aleysa
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • F23N3/08—Regulating air supply or draught by power-assisted systems
    • F23N3/082—Regulating air supply or draught by power-assisted systems using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24B—DOMESTIC STOVES OR RANGES FOR SOLID FUELS; IMPLEMENTS FOR USE IN CONNECTION WITH STOVES OR RANGES
    • F24B1/00—Stoves or ranges
    • F24B1/02—Closed stoves
    • F24B1/028—Closed stoves with means for regulating combustion

Definitions

  • the invention relates to a method and a device, which can be used in particular in this method, for regulating the combustion of fuels, such as solid fuels, in combustion systems, for example in individual combustion systems, such as hand-loaded individual combustion systems
  • the combustion principle in single-room firing systems plays a major role in the combustion and emissions behavior.
  • the optimization of the combustion and emission behavior can be achieved through automatic loading in which the fuel throughput and the appropriate amount of combustion air can be set precisely and precisely.
  • Automatic loading of logs is technically possible, but cannot be implemented due to the general, usage and operating conditions of the individual room firing systems.
  • Manual loading through a lock system without opening the combustion chamber door and thus suddenly cooling the combustion chamber is technically possible and can also be used in single-room firing systems.
  • the lock system not only keeps the combustion chamber warm, but also stabilizes the pressure conditions there in such a way that no flue gas or pollution can occur in the installation room regardless of the pressure and flow conditions in the combustion system.
  • the sluice system enables uniform loading (support regime) to be implemented, which results in a significant reduction in emissions.
  • the combustion process takes place differently depending on the type of combustion air supply into the furnace and its flow direction and shape to the fuel.
  • a combustion process can be described as favorable if it produces a fuel gas with favorable combustion properties and sufficient heat for the oxidation.
  • Both high-energy (strong) and low-energy (weak) fuel gases lead to unfavorable combustion with numerous pollutants.
  • the supply of combustion air into the lower area of the bed of embers leads to uncontrolled gasification, which requires a regulated, precise supply of the secondary air. Without an appropriately regulated secondary air supply, incomplete combustion occurs.
  • a better design of the combustion process also includes the grading of the combustion air, so that not only controlled gasification, but also a rapid cooling of the active reaction zone can be avoided.
  • the constructive and fluidic measures are measures with which favorable flow conditions with optimal oxidation conditions in the active reaction zone can be ensured over a longer period of time during the burn-up.
  • the shape, volume and geometry of the combustion chamber and the afterburning chamber with the downstream exhaust flues play a major role in the oxidation process.
  • correct positioning and distribution of the primary and secondary air openings makes a massive contribution to stabilization and consequently to improving the combustion quality.
  • An optimal construction can be calculated and determined with a flow simulation.
  • the combustion can also be controlled by technical control measures.
  • the regulation of the combustion process in single-room firing systems takes place exclusively by regulating the combustion air, whereby a controlled thermal conversion of the fuel with proper combustion must be guaranteed.
  • the regulation is intended to prevent the combustion process from falling into either a lack of oxygen or an excess of oxygen.
  • the release of heat should take place in a more controlled manner, so that a high degree of heat utilization efficiency can be achieved with a high level of thermal comfort.
  • the exhaust gas is fed into the catalytically coated structure (granulate fill, foam structure made of oxide and non-oxide ceramics, honeycomb, wire mesh or wire mesh).
  • the flammable pollutants contained in the exhaust gas such. B. carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (C n H m , VOCs, PAHs) come into contact with the catalytically active surface of the catalyst.
  • CO carbon monoxide
  • hydrocarbons C n H m , VOCs, PAHs
  • the oxidation reactions through the catalyst can take place at a temperature greater than 300 ° C.
  • These pollutants are converted into substances such as water and carbon dioxide through oxidation and are thus toxicologically reduced.
  • the catalyst is not used up in the course of the oxidation. It only ensures that the reactions take place at a lower temperature level (already at 300 ° C instead of 500 ° C).
  • catalytic oxidation processes When used in biomass furnaces, catalytic oxidation processes have the disadvantage that catalytic poisoning occurs during the combustion of unfavorable fuels due to high exposure to undesirable pollutants (such as halogens, sulfur, polymers, tar, soot and other aerosols). As a result, the catalytic effect is steadily reduced and completely eliminated over time.
  • the catalytic coating also the washcoat
  • the catalytic coating is exposed to high thermal and mechanical (erosion by the dust or high exhaust gas velocities) stress as well as strong temperature changes (from approx. 250 ° C to approx. 900 ° C) during operation or after several Operating hours damaged.
  • the built-in technology (for thermal oxidation processes) is a technology that was developed by the Fraunhofer Institute for Building Physics IBP as part of a project funded by FNR.
  • the operating principle of the built-in technology is based on the provision of favorable oxidation conditions during combustion within a defined built-in module.
  • This module stores enough energy in the form of heat during combustion and automatically makes it available for thermal oxidation if the temperatures during combustion drop below certain limits (exhaust gas temperature ⁇ module temperature). Due to its special architecture, the built-in module ensures an intensive mixing of the combustible exhaust gas components with the combustion air as well as an extension of the active dwell time through multiple deflections or swirling of the exhaust gases.
  • the stored energy is intended to prevent the oxidation of unburned components in the exhaust gas in unfavorable operating phases such as B. enable when placing wood and lead to a stable combustion process regardless of the dynamics of the combustion process.
  • the built-in technology has a number of technical and conceptual advantages compared to the technologies currently used to reduce pollutants in small combustion systems, which can ensure that it can be implemented in practice. These advantages include, above all, the guarantee of safe operation without the need for intensive maintenance (once every two years), longevity (at least 5 years), low specific costs (less than 1.5 € per kilowatt system output), high technical integration capability and technical flexibility in terms of construction and operation and no need for operating energy.
  • FKZ 03KB093A, Stuttgart 2017, 168 S; and Aleysa, M .: Conceptual, constructive and control measures for reducing pollutants and increasing the efficiency of log firing in practice, lecture in the 7th specialist colloquium Measures and technologies for reducing fine dust from biomass firing, Stuttgart,
  • controllers in hand-loaded single-room firing systems leads to a corresponding increase in acquisition costs and requires a new concept for the warranty guarantees. With a large number of individual room firing systems, controllers that are prone to defects lead to unfavorable economic consequences. The use of sensitive sensors such as B. Lambda probes should therefore be avoided.
  • the invention is therefore based on the object of a method for regulating the combustion in a single-room combustion system and a device for this purpose to provide that does not have the disadvantage of the prior art and with which, in particular, a safe and sustainable reduction in pollutant emissions, heat production suitable for mining and an increase in efficiency can be achieved.
  • a method for regulating the combustion in combustion systems for example individual combustion systems, such as hand-loaded individual combustion systems, is proposed, which is characterized by the fact that the temperature in a combustion chamber area and / or in the exhaust flues of the combustion system and possibly in the exhaust gas as well as an energy balance of the During the combustion process in the combustion system, the combustion air and the exhaust gas, an oxygen coefficient is determined with which the primary and secondary combustion air flows and thus the thermal output as well as the combustion quality are regulated. This regulation can be done quickly.
  • an oxygen coefficient is to be defined as a value which gives direct conclusions about the oxygen content in the active oxidation zone or the oxygen requirement for proper combustion.
  • the optimal range for measuring the temperature for the control is the first flue gas draft after the flue gas baffle plate in the combustion chamber. This will reduce the influence of the Ember bed heat radiation on the temperature measurement is reduced and the temperature sensors are protected from thermal stress, especially when using unfavorable fuels.
  • control concept is technically structured in such a way that it can serve as a manufacturer-independent standard application or as a universal standard solution. It can therefore not only be used for new, but also for existing old single-room heating systems with a reasonable amount of effort.
  • the method according to the invention achieves a safe, sustainable reduction in pollutant emissions as well as an increase in the efficiency of the thermal conversion of the fuel and an improvement in the degree of utilization through needs-based heat production through the permanent detection of the ambient temperature:
  • By regulating the combustion process low-pollutant and efficient combustion is achieved guaranteed by a more precise supply of the combustion air.
  • optimal operation of the combustion system can be digitally explained in an intuitive, simple manner and the quality of the combustion can be recognized and assessed.
  • the optimal operation of the combustion system results from the evaluation of the combustion quality thanks to the intelligence of the control. It is possible to collect statistical data and evaluate the functionality of the fireplace in practice.
  • the method according to the invention is based on an energy balance method.
  • the signals generated by the temperature sensor can be used to generate a virtual signal (so-called emission reference value: ERW signal) using other intelligent algorithms, which is used to evaluate the operation.
  • ERW signal emission reference value
  • the temperature in the furnace can be measured at at least one, for example two different points.
  • the temperature in the combustion chamber can be at two points and possibly also at the Temperature in the exhaust gas can be measured.
  • the temperature sensors mentioned above can be used for these measurements. In this way it is possible to determine the temperatures in a particularly reliable manner.
  • the regulation of the primary air can take place in relation to the desired combustion output or the setting of favorable temperatures in the combustion chamber area for efficient and low-emission combustion.
  • the amount of primary air supplied to the combustion process determines the intensity of the thermal conversion of the fuel and thus the thermal output of the combustion system.
  • the heat demand of the installation room can also be taken into account and the primary air can be set accordingly, which means that heat can be produced as required and consequently the heat can not only be efficiently produced but also used efficiently.
  • Grate air can be supplied in addition to the windshield rinsing air if this is not sufficient for combustion, as is the case when burning damp or very thick logs or when burning coal.
  • the secondary air can be supplied in such a way that the oxygen content in the combustion chamber area is as favorable as possible, such as about 7% by volume to about 10% by volume, for example about 8% by volume to about 9% by volume for an optimal post-oxidation is.
  • that can virtual oxygen signal is used, which can be generated every second by the algorithms on the basis of the measured temperatures.
  • the fuel can be described as follows:
  • the combustion air can be represented as follows:
  • the exhaust gas can be represented by the following formula:
  • a simplified energy balance for a combustion process is given above.
  • the energy supplied to the combustion process via the fuel is equal to the energy generated during the thermal conversion and carried as heat via the exhaust gas.
  • Adiabatic means that the thermal conversion takes place without any heat loss.
  • Formula 1 results from this assumption:
  • the combustion chamber or exhaust gas temperature described in Formula 1 represents the maximum temperature that can be achieved in the combustion chamber area during the thermal conversion or combustion of the fuel, which can be achieved under adiabatic conditions or without any heat losses and with a stoichiometric amount of combustion air (lambda : 1) is produced.
  • the specific minimum amount of flue gas V R, min and the minimum specific stoichiometric amount of combustion air L min can be calculated approximately according to formula 5 and formula 6 or according to the approximations according to Rosin-Fehling:
  • the calculation in formula 5 can also be carried out using the elemental composition of the fuel.
  • the supply of combustion air can be controlled directly by the oxygen coefficient.
  • the determination or calculation of the excess oxygen or the oxygen coefficient is not mandatory here.
  • L min the minimum amount of air required for stoichiometric combustion
  • L min and V r, min depend on the fuel properties, above all on the elemental composition, and are calculated directly from them.
  • Lambda (after the integration of the correction factors K B , K F and K s , lambda can be referred to as the lambda coefficient n) is a function of three correction factors k B , k F and k s:
  • K B correction factor of the fuel. This factor takes into account the deviation of the fuel used from the ideal fuel.
  • k F Correction factor for extrapolating the non-adiabatic energy conversion operations that existed during combustion to adiabatic energy conversion operations. The factor k F therefore takes into account the thermal losses through the fireplace up to the temperature measuring point in the combustion chamber area.
  • k s takes into account the ratio: primary air (SSL- PL) / secondary air (SSL-SL), which results from the windshield rinsing air and generally depends on the height of the window Hs. Here, the higher the viewing window of the fireplace or Hs is, the more the washing air can act as primary air.
  • Non-adiabatic conditions during combustion in the fireplace can be taken into account using the correction factor k F:
  • the correction factor k F is defined, which takes into account the heat emission (undesired heat losses) through the fireplace during the thermal conversion of fuel. It can have a value from one to four, depending on the type of individual room combustion system and the operating status.
  • This value is determined by a function. The following applies here: the greater the heat release or heat loss in the combustion chamber area (from the flame zone to the end of the post-oxidation chamber) before the oxidation is complete, the higher the value of this factor.
  • the functional parameters of the factor k F can, for example, be set automatically in a software of a control element by entering technical data of the type of fireplace once.
  • the size (area and height) of the combustion chamber, the lining of the fireplace, the size and type of glazing of the combustion chamber door, etc. play a decisive role here.
  • the type and properties of the fuel and the quality of the condition can be taken into account by the correction factor k B as follows:
  • Correction factor k B takes into account the variation in the fuel properties.
  • the value of this factor varies and is determined during the combustion by an integrated function in Calculated analogously to the factor k F , for example in an appropriately programmed control device, and changed in the control algorithms.
  • the function of the correction factor k F is based on the combustion behavior or the changes in temperatures over time in the combustion chamber area.
  • k B can have values from 0.80 to 1.2.
  • the factors k F and k B also depend on one another.
  • the dependency is also determined and taken into account, for example by being appropriately integrated into the software of a control device.
  • the quality of the operating quality of the fireplace can be taken into account by the correction factor k q as described below:
  • the factor k q plays a role in the regulation of the
  • Combustion air supply only plays a subordinate role and is not relevant for the calculation of the excess oxygen in the combustion chamber area.
  • the values of this factor can be varied and result from an integral calculation or change in the combustion chamber temperature over time with regard to a certain operating point of the combustion, whereby a point in time or a time range describes from which or in which the evaluation of the furnace temperature change takes place.
  • the factor k B which If only the energy content of the fuel is taken into account, the factor k q gives direct conclusions about the loading regime (fuel quantity, number of logs loaded, fineness of the fuel, etc.).
  • Equation 12 can be supplemented by the correction factor k s .
  • SSL-PL primary air
  • SSL-SL secondary air
  • Formula 11 and Formula 12 provide the basis for controlling combustion systems with the help of temperature measurement in the furnace area or on the basis of the energy balance method according to the method according to the invention.
  • the parameters specified above temperature measurement
  • Energy balance method is used to determine the oxygen demand or to supply it to the process as well as to set the optimal oxidation temperatures in the active reaction zone in such a way that proper combustion and consequently operation of the fireplace can be guaranteed.
  • the calculation of the oxygen coefficient using the energy balance method can not only be carried out for the secondary air supply, but is also beneficial in order to recognize the limits of the primary air actuator and the primary air (gasifying air regardless of how the fireplace is supplied or through the grate, laterally, or via the fuel)) accordingly or in good time, thereby avoiding the combustion getting into a lack of oxygen.
  • Incineration calculations are taken into account or used.
  • the method according to the invention can be carried out automatically.
  • the control interventions can therefore take place automatically. This can be done, for example, by means of a control unit in which the above formulas are stored in appropriate software, including the correction parameters that may have to be entered.
  • the temperature values from the combustion chamber area and / or the exhaust gas are then also transmitted to this control unit.
  • the supply of primary air and / or secondary air can be regulated automatically by a controller.
  • Subject of the present The invention is also a device with which this control of the supply of primary and / or secondary air can be carried out in a particularly favorable manner, in particular with which the advantages described above can be achieved particularly favorably.
  • the device according to the invention for supplying combustion air in the combustion chamber of a single-room combustion system is characterized in that it has a chamber that has a main channel on a first side for supplying ambient air and / or air from the chimney system and a disc scavenging air channel on a second side and has a secondary air duct through which the primary and / or secondary air can be fed into the combustion chamber, both the washer scavenging air duct and the secondary air duct being provided with a flap so that the washer scavenging air duct and the secondary air duct can be closed independently of one another, the flaps with are connected to a stepless motor so that the flaps can be moved steplessly.
  • the window rinsing air functions as primary (SSL-PL) and secondary air (SSL-SL) depending on the height of the viewing window of the combustion system.
  • the first side of the chamber can be located opposite the second side of the chamber.
  • Other configurations are also possible.
  • the flaps can be designed as disks which are mounted on the air inlet of the primary duct and / or the secondary air duct.
  • the flaps can both the windshield washing air via the windshield washing air duct and the Regulate the grate air via the grate air duct.
  • the window rinsing air can be regulated for an opening of 0% to x% and the grate air can be regulated from 100% - x%, where x denotes the percentage opening width of the flaps and is generally 70% to 90% for an adequate design of the air supply ducts .
  • the device can have at least one solar panel and / or a device for thermoelectric power generation and / or a regular power supply via the domestic socket Regulation can be provided. In this way, the required power requirement of the device can be made available without great effort
  • the device can furthermore have a control or regulating unit which is adapted to automatically control or regulate the air supply.
  • Air flaps with stepless motors can be used to regulate the combustion air supply.
  • the flaps regulate defined opening widths via two flaps that can be designed, for example, as panes which are built at the air inlet of the air chambers or ducts that are separated from one another.
  • the two flaps are installed in a box or pipe system, which draws all of the combustion air from the environment via a main duct or from the chimney system in the case of room air-independent operation.
  • the negative pressure and the boiler temperature for single-room firing with water-bearing components as Safety-relevant variables can be recorded using a built-in pressure monitor or temperature sensor and integrated accordingly into the software.
  • the primary air flap rotates to the zero position for technical reasons, at which the primary air opening is 100% closed.
  • a mechanism for regulating the combustion air is provided. With this mechanism, when the primary air flap is retracted from a 40% level to 0% level, a mechanically locked safety air flap is simultaneously actuated mechanically, which provides a correspondingly large opening and thus a sufficient amount of combustion air is supplied to the combustion process for safe combustion.
  • the regulation of the primary air flap in normal operation can be over 60% (between 40% to 100%) of the total opening width of the Primary air take place, whereby the secondary air can be regulated from 0% to 100% of the opening width.
  • the regulation can be carried out with inexpensive, robust and long-lasting sensors which deliver stable signals or require no maintenance and calibration in practice. Resistant temperature sensors that require simple electronics for processing the signals can be used here.
  • the automatic control which can be adjusted with the setting of parameters, enables the control to be quickly adapted to all types of combustion systems, regardless of their design, without the need to change the software.
  • the software and hardware with the combustion air distribution system can be used universally and take into account all normative requirements and approval regulations of the DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik) for technical approval and safe operation in practice.
  • the hardware components with the sensors and the control actors can be selected in such a way that the control system can be operated without any heavy current or domestic power supply.
  • the total power consumption is in the watt range.
  • a simple solar module can supply the control system with the necessary electricity.
  • the technical combination of the air distribution system with the method according to the invention enables universal use in new firing systems as well as safe retrofitting of many individual room firing systems that exist in practice. ⁇ Thanks to the intelligent control, the heat is not only produced efficiently, but also used efficiently, which means that not only resources but also significant C0 2 savings can be achieved.
  • FIG. 1 shows a representation of a hand-loaded single-room firing system.
  • Fig. 2 shows a plan view of the device according to the invention.
  • Fig. 3 shows the paramagnetically measured and calculated with the model equation oxygen concentration in a single room combustion system.
  • Fig. 4 shows oxygen, furnace temperature and carbon monoxide when operating a single-room combustion system.
  • FIG. 1 shows a hand-loaded single-room combustion system 10. It has a combustion chamber area 11 in which a fuel is burned.
  • window scavenging air (SSL) and / or grate air (RL) can be introduced into the combustion chamber area 11 via a window scavenging air duct 3 and secondary air (SL) can be introduced into the combustion chamber area 11 via a secondary air duct 4.
  • the air flows are shown in Fig. 1 with arrows.
  • Rust air can be introduced if the oxygen content of the windshield rinsing air is insufficient to set the combustion in motion with sufficient intensity to achieve favorable temperatures for carrying out the oxidation reactions, as is the case with the Burning damp and / or thick logs or coal.
  • the grate air can reach the combustion chamber area 11 from below through the grate. The path of the grate air is shown in Fig.
  • Both the window scavenging air duct 3 and the secondary air duct 4 can be closed independently of one another via flaps 5, whereby these flaps can be continuously adjusted by motors 6, 7 in order to ensure precise control of the air admission.
  • temperature sensors T 1 , T 2 can be provided on the baffle plate, for example.
  • temperature sensors can be installed in the first exhaust flue after the exhaust baffle plate.
  • this is only one example of a location at which the temperature sensors T 1 , T 2 can be provided. Of course, they can also be located in other places in the combustion chamber area, such as in the exhaust flue.
  • a further temperature sensor T Ab with which the temperature in the exhaust gas is measured, can be located in the exhaust gas area. Furthermore, the ambient temperature T u in the installation room can be measured and taken into account for the regulation. The measurement of the temperature of the exhaust gas provides more information, but it is not mandatory, but optional.
  • the measured temperature values are transmitted to the control unit 12 (control unit / microcontroller) (see dashed lines).
  • the oxygen is calculated there using the above formulas and parameters.
  • the supply of primary air and / or secondary air can then be regulated by issuing appropriate commands to the motors 6, 7.
  • the flows of the combustion air are as follows: SSL-SL: windshield rinsing air as secondary air; SSL-PL:
  • Fig. 2 the device according to the invention is shown in plan view, with which the supply of primary and / or secondary air can be controlled in the combustion chamber area.
  • the device has a chamber 1, which on a first side has a main channel 2 for the supply of air and / or air from the chimney system (combustion air) (shown as an arrow) and on a second side a disc scavenging air channel 3 (SSL: disc scavenging air) and a secondary air channel 4 (SL: secondary air, like 0 2) , whereby both the washer-scavenging air channel 3 and the secondary air channel 4 are provided with a flap 5 (only indicated schematically in FIG. 2), so that the scavenging air channel 3 and the secondary air channel 4 can be closed independently of one another are, wherein the flaps 5 are each connected to a stepless motor 6, 7, so that the flaps 5 can be moved continuously. Furthermore, a grate air duct 13 is provided, the grate air being regulated via the flap 5, which is connected to the motor 6 for the disc rinsing air duct 3.
  • the device also has a solar panel 8, with which the electricity required to operate the device can be generated.
  • FIG. 3 the oxygen concentrations calculated according to the model equation and measured with a paramagnetic oxygen analysis are shown during the combustion of beech logs in a prototype of a single-room combustion system from the Hase company.
  • the concentrations of oxygen in the exhaust gas calculated and measured on the basis of the model equation correlate and the model equation is therefore very well suited for determining the oxygen content in the exhaust gas.
  • the control concept based on the energy balance method of the Fraunhofer Institute for Building Physics IBP was implemented on the basis of a PLC control (programmable logic controller).
  • the pollutant emissions such.
  • the efficiency was increased by approx. 16% based on practical operation. A further improvement can be achieved through further development of the software.
  • the targeted regulation of the secondary air takes place by means of an oxygen coefficient calculated using the energy balance method
  • the primary air actuator can also be operated within its favorable limits, which can prevent the combustion from falling into oxygen deficiency. This means when the secondary air actuator reaches its maximum limit (flap 5 of the stepper motor 6 (or secondary air actuator) 90% open; here 10% as a reserve) and the calculated oxygen coefficient is still below the oxygen setpoint stored in the program the primary air (RL-PL + SSL-PL) is reduced in good time to avoid a lack of oxygen and thus incomplete combustion avoid.
  • a servomotor can also be used as an alternative to the stepper motor 6, a servomotor can also be used.
  • the targeted regulation of the primary air takes place for the setting of a favorable temperature in the active reaction zone (combustion chamber + post-oxidation chamber) for an effective implementation of the oxidation reactions or a complete combustion.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung in Feuerungsanlagen, wobei aus der Temperatur in einem Feuerraumbereich und/oder in den Abgaszügen der Feuerungsanlage sowie über eine Energiebilanz des Verbrennungsprozesses in der Einzelraumfeuerungsanlage, der Verbrennungsluft und des Abgases ein Sauerstoffbeiwert ermittelt wird, mit dem die Primär- und Sekundär-Verbrennungsstoffströme und somit die thermische Leistung sowie die Verbrennungsqualität geregelt werden. Ferner wird eine Vorrichtung zur Zufuhr von Verbrennungsluft in der Feuerraum einer Feuerungsanlage beschrieben, die eine Kammer (1) aufweist, die an einer ersten Seite einen Hauptkanal (2) zur Zufuhr von Umgebungsluft und/oder Luft vom Schornsteinsystem und an einer zweiten Seite einen Scheibenspülluftkanal (3) und einen Sekundärluftkanal (4) aufweist, wobei sowohl der Scheibenspülluftkanal (3) als auch der Sekundärluftkanal (4) mit einer motorisch geregelten Klappe (5) versehen ist, so dass der Scheibenspülluftkanal (3) und der Sekundärluftkanal (4) unabhängig voneinander verschließbar sind, wobei die Klappen (5) mit einem schrittlosen Motor (6, 7) verbunden sind, so dass die Klappen (5) stufenlos bewegt werden können.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Verbrennung in
Feuerungsanlagen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die insbesondere in diesem Verfahren eingesetzt werden kann, zur Regelung der Verbrennung von Brennstoffen, wie feste Brennstoffe, in Feuerungsanlagen, beispielsweise in Einzelfeuerungsanlagen, wie handbeschickte Einzelfeuerungsanlagen
Es sind verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung des Ver- brennungs- und Emissionsverhaltens in Einzelraumfeuerungs- anlagen bekannt. Zur Verbesserung des Verbrennungs- und Emissionsverhaltens in Einzelraumfeuerungsanlagen können sowohl verbrennungstechnische, konstruktive und regelungs- technische Maßnahmen als auch integrierte Technologien auf Basis der katalytischen und thermischen Wirkung eingesetzt werden.
Das Verbrennungsprinzip bei den Einzelraumfeuerungsanlagen spielt eine große Rolle für das Verbrennungs- und Emissions- verhalten. Die Optimierung des Verbrennungs- und Emissions- verhaltens lässt sich durch eine automatische Beschickung erreichen, bei der der Brennstoffdurchsatz sowie die dazu passende Verbrennungsluftmenge genau und präzise eingestellt werden können. Eine automatische Beschickung von Scheithölzern ist zwar technisch möglich, lässt sich aber aufgrund der Rahmen-, Einsatz- und Betriebsbedingungen der Einzelraum- feuerungsanlagen nicht umsetzen. Eine manuelle Beschickung durch ein Schleusensystem, ohne die Feuerraumtür zu öffnen und somit den Feuerraum schlagartig zu kühlen ist technisch möglich und lässt sich auch in Einzelraumfeuerungsanlagen praktizieren. Durch das Schleusensystem wird nicht nur der Feuerraum warmgehalten, sondern die Druckverhältnisse dort so stabilisiert, dass kein Rauchgas bzw. keine Schadstoff- belastung im Aufstellraum unabhängig von den Druck- und Strömungsverhältnissen in der Feuerungsanlage auftreten können. Außerdem lässt sich durch das Schleusensystem eine einheitliche Beschickung (Auflageregime) realisieren, wodurch eine bedeutsame Minderung der Emissionen zu erreichen ist.
Je nach Art der Verbrennungsluftzufuhr in den Feuerraum und ihrer Strömungsrichtung und -form zu dem Brennstoff findet der Verbrennungsvorgang (Trocknung, Entgasung, Vergasung, Verbrennung vom Brenngas) unterschiedlich statt. Ein Verbrennungsvorgang darf als günstig bezeichnet werden, wenn dabei ein Brenngas mit günstigen verbrennungstechnischen Eigenschaften und ausreichend Wärme für die Oxidation entsteht. Sowohl energiereiche (starke) als auch energiearme (schwache) Brenngase führen zu einer ungünstigen Verbrennung mit zahlreichen Schadstoffen. Beispielsweise führt die Zufuhr der Verbrennungsluft in den unteren Bereich des Glutbetts zu einer unkontrollierten Vergasung, welche eine regulierte präzise Zufuhr der Sekundärluft erfordert. Ohne entsprechende geregelte Sekundärluftzufuhr entsteht eine unvollständige Verbrennung. Zu einer besseren Gestaltung des Verbrennungs- vorgangs gehört außerdem die Stufung der Verbrennungsluft, so dass nicht nur kontrollierte Vergasung, sondern auch eine schnelle Abkühlung der aktiven Reaktionszone vermieden werden kann.
Bei den konstruktiven und strömungstechnischen Maßnahmen handelt es sich um Maßnahmen, mit denen günstige Strömungs- verhältnisse mit optimalen Oxidationsbedingungen in der aktiven Reaktionszone über längere Zeit während des Abbrands sichergestellt werden können. Bei der Oxidation spielen die Form, das Volumen und die Geometrie des Feuerraums sowie der Nachbrennkammer mit den nachgeschalteten Abgaszügen eine große Rolle. Außerdem trägt eine richtige Positionierung und Verteilung der Primär- und Sekundärluftöffnungen zur Stabilisierung und folglich zur Verbesserung der Verbrennungs- qualität massiv bei. Eine optimale Konstruktion lässt sich mit einer Strömungssimulation berechnen und festlegen.
Die Verbrennung kann auch durch regelungstechnische Maßnahmen gesteuert werden.
Die Regelung des Verbrennungsprozesses in Einzelraumfeuerungs- anlagen erfolgt ausschließlich durch die Regelung der Verbrennungsluft, wodurch eine kontrollierte thermische Umsetzung des Brennstoffs mit einer sachgemäßen Verbrennung gewährleistet werden muss. Durch die Regelung soll vermieden werden, dass der Verbrennungsprozess weder in Sauerstoffmangel noch in Sauerstoffüberschuss gerät. Außerdem soll dadurch die Wärmefreisetzung geregelter stattfinden, so dass ein hoher Wärmenutzungswirkungsgrad mit einer hohen thermischen Behaglichkeit erreicht werden kann.
Ferner sind auch sogenannte integrierte Technologien bekannt. Diese werden in der Regel in der Feuerungsanlage vor dem Wärmetauscher bzw. der Wärmeabgabe eingebaut. Ihre Haupt- aufgabe besteht in der Unterstützung des Oxidationsprozesses. Bei den integrierten Technologien ist zwischen thermischen und katalytischen Verfahren zu unterscheiden:
Bei den katalytischen Oxidationsverfahren wird das Abgas in die katalytisch beschichtete Struktur (Granulat-Schüttung, Schaumstruktur aus Oxid- und Nichtoxidkeramik, Waben, Drahtgewebe bzw. Drahtgestrick) geleitet. Die im Abgas enthaltenen, brennbaren Schadstoffe wie z. B. Kohlenstoff- monoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (CnHm, VOCs, PAKs) kommen mit der katalytisch-aktiven Oberfläche des Katalysators in Kontakt. In Anwesenheit von Sauerstoff können die Oxidations- reaktionen durch den Katalysator bereits bei einer Temperatur größer als 300 °C stattfinden. Diese Schadstoffe werden durch Oxidation in Stoffe wie Wasser und Kohlenstoffdioxid überführt und dadurch toxikologisch gemildert. Der Katalysator wird im Zuge der Oxidation nicht verbraucht. Er sorgt ausschließlich dafür, dass die Reaktionen bei einem niedrigeren Temperaturniveau (schon bei 300 °C statt bei 500 °C) stattfinden .
Katalytische Oxidationsverfahren haben beim Einsatz in Biomassefeuerungen den Nachteil, dass eine katalytische Vergiftung bei der Verbrennung ungünstiger Brennstoffe aufgrund hoher Belastung durch unerwünschte Schadstoffe (wie z. B. Halogene, Schwefel, Polymere, Teer, Ruß und sonstige Aerosole) auftritt. Dadurch wird die katalytische Wirkung stetig verringert und mit der Zeit komplett aufgehoben. Außerdem wird die katalytische Beschichtung (auch das Washcoat) aufgrund hoher thermischer und mechanischer (Erosion durch die Stäube bzw. hohe Abgasgeschwindigkeiten) Belastung sowie starker Temperaturwechsel (von ca. 250 °C bis ca. 900 °C) während des Betriebs bzw. nach mehreren Betriebsstunden beschädigt. Wesentlich ist, dass ein Teil der katalytischen Beschichtung und Schwermetalle wie Platin, Rhodium und Palladium mit der Zeit abgetragen und über das Abgas in die Umgebung gelangen und Gesundheits- sowie Umweltprobleme verursachen können [nach Beebe et al. Heterogene Katalyse I, Heidelberg 1943, Janbozorgi et al. Handbook of Combustion,
Vol. 1, Weinheim, 2010].
Die Einbautentechnik (für thermische Oxidationsverfahren) stellt eine Technologie dar, welche vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP im Rahmen eines von FNR geförderten Projekts entwickelt wurde. Das Wirkungsprinzip der Einbautentechnik beruht auf der Bereitstellung günstiger Oxidationsbedingungen während der Verbrennung innerhalb eines definierten Einbautenmoduls. Dieses Modul speichert während der Verbrennung ausreichend Energie in Form von Wärme und stellt sie automatisch für die thermische Oxidation zur Verfügung, wenn die Temperaturen während der Verbrennung unter bestimmte Grenzen (Abgastemperatur < Modultemperatur) absinken. Durch seine spezielle Architektur gewährleistet das Einbautenmodul eine intensive Durchmischung der brennbaren Abgasbestandteile mit der Verbrennungsluft sowie eine Verlängerung der aktiven Verweilzeit durch eine Mehrfachumlenkung bzw. Verwirbelung der Abgase. Die gespeicherte Energie (Wärme) soll die Oxidation nicht verbrannter Bestandteile im Abgas in den ungünstigen Betriebsphasen wie z. B. beim Auflegen von Holz ermöglichen sowie zu einem stabilen Verbrennungsvorgang unabhängig von der Dynamik des Verbrennungsprozesses führen. Die Einbautentechnik hat im Vergleich zu den derzeit eingesetzten Technologien zur Schadstoffminderung in Kleinfeuerungsanlagen eine Reihe von technischen und konzeptionellen Vorteilen, wodurch die Umsetzbarkeit in der Praxis gewährleistet werden kann. Zu diesen Vorteilen gehören vor allem die Gewährleistung eines sicheren Betriebs ohne Bedarf an intensiver Wartung (einmal alle zwei Jahre), Langlebigkeit (mind. 5 Jahre), niedrige spezifische Kosten (weniger als 1,5 € pro Kilowatt Anlagenleistung) , hohe technische Integrationsfähigkeit sowie technische Flexibilität hinsichtlich des Aufbaus und des Betriebs und kein Bedarf an Betriebsenergie. Die Einbauten- technik hat eine besonders stabile Funktion sowohl im Bereich der Einzelraumfeuerungsanlagen als auch im Bereich von Biomasseheizkesseln gezeigt. Ausführliche Ergebnisse über diese Technik sind zu finden in: in Aleysa, M.; Weclas, M.; Leistner, Ph.: Korrelation der Filter-Reaktor-Architektur mit thermophysikalischen Funktionsbedingungen zur Erforschung und Entwicklung eines nicht-katalytischen 3D-porösen Filter- Reaktor-Systems für biomassebetrieben Kleinfeuerungsanlagen, Abschlussbericht eines von der deutschen Bundesstiftung (DBU) geförderten Projekts, AZ 30550, Stuttgart 2015, 59 S;
Aleysa, M.; Leistner, Ph.: Verbesserung des Verbrennungs- und Emissionsverhaltens in biomassebetriebenen Einzelraum- feuerungsanlagen durch den Einsatz spezieller Einbauten, Abschlussbericht eines von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) geförderten Projekts, FKZ: 13NR104, Stuttgart 2016, 162 S;
Aleysa, M., Leistner, Ph.: Low-Emission-Verbrennungssystem (LEVS) für die Verbrennung von festen Brennstoffen in Vergaserkesseln, Abschlussbericht über ein Forschungsprojekt gefördert vom Bundesministerium für Wirtshaft und Energie,
FKZ: 03KB093A, Stuttgart 2017, 168 S; und Aleysa, M.: Konzeptionelle, konstruktive und regelungstechnische Maßnahmen zur Schadstoffminderung und Effizienzerhöhung von Scheitholzfeuerungen im Praxisbetrieb, Vortrag im 7. Fachkolloquium Maßnahmen und Technologien zur Feinstaubminderung aus Biomassefeuerungen, Stuttgart,
18. Mai 2017.
Verbrennungstechnische Regelung von handbeschickten Einzel- raumfeuerungsanlagen stellt ein aktuelles und forschungsbedürftiges Thema dar. Die Regelung des Verbrennungsprozesses in solchen Feuerungsanlagen ist aufgrund der primitiven Konstruktion und der nicht automatisierbaren Brennstoffbeschickung sehr schwierig und erfordert die Entwicklung neuartiger Regelphilosophien.
Die Ausgangssituation zum Einsatz von Reglern in Einzelraum- feuerungsanlagen wird hier aus einer normativen, technischen und vertrieblichen Sicht dargestellt, welche zu einer erfolgreichen Entwicklung und Umsetzung von Reglern in der Praxis von großer Bedeutung sind.
Bisher gibt es keine normativen Regelungen zur Prüfung von handbeschickten Einzelraumfeuerungsanlagen mit Reglern gemäß DIN EN 13240, DIN EN 13229, DIN EN 15250 usw. Für die Entwicklung der Regelung soll erst das Mutterverfahren bzw. die EG-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG herangezogen werden. Die Zulassung von Einzelraumfeuerungsanlagen mit Reglern kann in Prüflaboren wie z. B. dem Prüflabor Feuerstätten und Abgasanlagen des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP durchgeführt werden, welche über eine flexible Akkreditierung im Bereich der Feuerstätten verfügen. Im Rahmen der flexiblen Akkreditierung (Kategorie II) sind die Prüflabore ohne jegliche weitere Abstimmung mit der deutschen Akkreditierungsstelle GmbH (DAkkS) berechtigt, neue Prüfverfahren zu entwickeln und den Herstellern anzubieten. Es ist zu erwähnen, dass sich die Grundlage für die normative Regelung des Einsatzes von Reglern in Einzelraumfeuerungs- anlagen in der Bearbeitung befindet und in der neuen Serie der Norm DIN EN 16510 berücksichtigt werden soll.
Aus technischer Sicht ist die Umsetzung der Regelung in Einzelraumfeuerungsanlagen möglich. Die sicherheitstechnischen Einsatz- und Rahmenbedingungen sind noch festzulegen. Um eine hohe Umsetzbarkeit in der Praxis zu erreichen, sollen Konzepte für die einheitliche Verbrennungsluftzufuhr entwickelt werden, welche unabhängig von der Konstruktion und dem Design der Einzelraumfeuerungsanlagen eingesetzt werden können. Individuelle Entwicklungen von Reglern sind nicht wirtschaftlich bzw. von vielen mittleren und kleinen Unternehmen nicht finanzierbar.
Die Integration von Reglern in handbeschickten Einzelraum- feuerungsanlagen führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Anschaffungskosten und erfordert ein neues Konzept für die Gewährleistungsgarantien. Bei hoher Stückzahl an Einzelraum- feuerungsanlagen führen defektanfällige Regler zu ungünstigen wirtschaftlichen Konsequenzen. Der Einsatz von empfindlichen Sensoren wie z. B. Lambda-Sonden sollte daher vermieden werden.
Ein wichtiger Punkt bei den Reglern stellt die Notwendigkeit für die Stromversorgung dar. Die Abhängigkeit der handbeschickten Einzelraumfeuerungsanlagen vom Strom ist bisher sowohl bei den Herstellern als auch bei den Nutzern nicht erwünscht. Daher sollten solche Feuerstätten aus vermarktungstechnischen Gründen unabhängig vom Strom sein bzw. sich selbst mit der nötigen Elektrizität versorgen. Gemäß dem Stand der Technik bieten sich zwei technische Möglichkeiten an. Bei der ersten Möglichkeit wird die Elektrizität (bis 250 Watt) durch die Thermik (Thermoelektrik) erzeugt, wobei bei der zweiten Möglichkeit Solarpanel verwendet werden. Bei beiden Möglichkeiten wird eine Speichereinheit benötigt. Beim Einsatz von Lambda-Sonden oder ähnlichen Sensoren, mit einem hohen Stromverbrauch, ist der Einsatz vom Hausstrom nicht vermeidbar .
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung in einer Einzelraumfeuerungsanlage und eine Vorrichtung dazu bereit zu stellen, das nicht die Nachteil des Standes der Technik aufweist und mit dem insbesondere eine sichere nachhaltige Reduktion der Schadstoffemission, eine bergbaugerechte Wärmeproduktion sowie eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen .
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung in Feuerungsanlagen, beispielsweise Einzelfeuerungsanlagen, wie handbeschickte Einzelfeuerungsanlagen, vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass aus der Temperatur in einem Feuerraumbereich und/oder in den Abgaszügen der Feuerungsanlage und ggf. im Abgas sowie über eine Energiebilanz des Verbrennungsprozesses in der Feuerungsanlage, der Verbrennungsluft und des Abgases ein Sauerstoffbei-Wert ermittelt wird, mit dem die Primär- und Sekundär-Verbrennungsluftströme und somit die thermische Leistung sowie die Verbrennungsqualität geregelt werden. Diese Regelung kann schnell erfolgen.
Ein Sauerstoffbeiwert ist in diesem Zusammenhang als ein Wert zu definieren, welche direkte Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt in der aktiven Oxidationszone bzw. auf dem Sauerstoffbedarf für eine sachgemäße Verbrennung gibt.
Für die Messung der Temperatur gilt, dass je früher und je weiter weg von dem Strahlungsbereich die Temperatur gemessen wird, umso genauer und reproduzierbarer erfolgt die Berechnung des Sauerstoffwertes. Der optimale Bereich zur Messung der Temperatur für die Regelung ist der erste Abgaszug nach der Abgasprallplatte im Feuerraum. Dadurch wird der Einfluss der Glutbett-Wärmestrahlung auf die Temperaturmessung vermindert sowie die Temperaturfühler vor der thermischen Belastung vor allem beim Einsatz ungünstiger Brennstoffe geschützt.
Das Regelkonzept ist technisch so aufgebaut, dass es als herstellerübergreifende Standardanwendung bzw. als universelle Standardlösung dienen kann. Es kann somit nicht nur für neue, sondern auch für bestehende alte Einzelraumfeuerungsanlagen mit vertretbarem Aufwand eingesetzt werden.
Regelprinzip und Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wie folgt veranschaulicht werden: Für eine erfolgreiche Entwicklung einer universell einsetzbaren Regelung verfügt der Verbrennungsprozess über standardisierte Verbrennungsluftzufuhr (Primär- (SSL-PL + RL_PL) +
Sekundärluft SL).
Insbesondere wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sichere nachhaltige Reduzierung der Schadstoffemissionen sowie eine Erhöhung des Wirkungsgrads bei der thermischen Umwandlung des Brennstoffs sowie Verbesserung des Nutzungsgrades durch eine bedarfsgerechte Wärmeproduktion durch die permanente Erfassung der Umgebungstemperatur erreicht: Durch die Regelung des Verbrennungsprozesses wird eine schadstoffarme und effiziente Verbrennung durch eine genauere Zufuhr der Verbrennungsluft gewährleistet. Ferner kann durch Darlegung und Monitoring des Betriebs bei den Betreibern eine optimale Bedienung der Feuerungsanlage digital auf eine intuitive einfache Weise erklärt sowie die Qualität der Verbrennung erkannt und bewertet werden. Die optimale Bedienungsweise der Feuerungsanlage ergibt sich aus der Bewertung der Verbrennungsqualität dank der Intelligenz der Regelung. Die Erhebung statistischer Daten und Bewertung der Funktionalität der Feuerstätten in der Praxis ist möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer Energiebilanzmethode. Dabei werden Vergleiche der Energien der Komponenten vor und nach der Verbrennung angestellt. Eine detaillierte Beschreibung erfolgt nachfolgend. Im Gegensatz zu den Reglern gemäß dem Stand der Technik (siehe vorstehen) können robuste Temperaturfühler im Feuerraumbereich sowie ggf. in der Abgasanlage verwendet werden, mit denen über eine Energiebilanz im Feuerraum ein Sauerstoffsignal und somit Sauerstoffbeiwert mit Hilfe von parametrierbaren Algorithmen generiert werden können, welches für eine schnelle/unmittelbare Regelung des Verbrennungsprozesses eingesetzt werden kann. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es günstig, die Temperaturen im Feuerraumbereich und/oder im ersten Abgaszug der ersten Abgasprallplatte an mindestens einer Stelle für die Energiebilanz sowie in dem Aufstellraum für eine bedarfsgerechte Wärmeproduktion zwecks Erhöhung der Nutzungseffizienz erfasst und für die Regelung eingesetzt wird.
Außerdem kann durch die von dem Temperaturfühler generierten Signale ein virtuelles Signal (sogenannter Emissions- referenzwert: ERW-Signal) über weitere intelligente Algorithmen erzeugt werden, welches für die Bewertung des Betriebs eingesetzt wird. Die integrale und differenziale Entwicklung des ERW-Werts mit der Zeit beschreibt ein Prozessverhalten, mit dem Rückschlüsse auf die Verbrennungs- qualität mit den Ursachen im negativen und positiven Fall gezogen werden können.
In einer Ausführungsform kann die Temperatur im Feuerraum an mindestens einer, beispielsweise zwei verschiedenen Stellen gemessen werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Temperatur im Feuerraum an zwei Stellen und ggf. weiterhin die Temperatur im Abgas gemessen werden. Bei diesen Messungen können die vorstehend angesprochenen Temperaturfühler eingesetzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, in besonders zuverlässiger Weise die Temperaturen zu ermitteln.
In einer Ausführungsform erfolgt die Regelung der Verbrennung über die Zufuhr von Primärluft (die Primärluft aus der Rostluft und Primärluft aus der Scheibenspülluft umfassen oder daraus bestehen kann (PL = RL-PL + SSL-PL)) und/oder über die Zufuhr von Sekundärluft.
Die Regelung der Primärluft, wie Rostluft und/oder Scheiben- spülluft, kann in Bezug auf die gewünschte Feuerungsleistung bzw. die Einstellung günstiger Temperaturen im Feuerraum- bereich für eine effiziente und emissionsarme Verbrennung erfolgen. Die dem Verbrennungsprozess zugeführte Primärluftmenge bestimmt die Intensität der thermischen Umsetzung des Brennstoffs und somit die thermische Leistung der Feuerungsanlage. Bei der Einstellung der Primärluft kann zusätzlich der Wärmebedarf des Aufstellraums berücksichtigt und die Primärluft entsprechend eingestellt werden, wodurch eine bedarfsgerechte Wärmeproduktion erfolgen kann und folglich die Wärme nicht nur effizient produziert, sondern auch effizient genutzt werden kann. Rostluft kann zusätzlich zur Scheibenspülluft zugeführt werden, wenn diese für die Verbrennung nicht ausreichend ist, wie im Fall der Verbrennung von feuchten oder sehr dicken Holzscheiten oder bei der Verbrennung von Kohle.
Die Sekundärluft kann in einer Ausführungsform so zugeführt, dass der Sauerstoffgehalt im Feuerraumbereich möglichst in einem günstigen Bereich, wie etwa 7 Vol.-% bis etwa 10 Vol.- %, beispielsweise etwa 8 Vol.-% bis etwa 9 Vol.-% für eine optimale Nachoxidation beträgt. Für die Regelung kann das virtuelle Sauerstoffsignal eingesetzt, welche sekündlich durch die Algorithmen auf Basis der gemessenen Temperaturen generiert werden kann.
Vorteile der temperaturbasierten Regelung bestehen nicht nur in den geringen Produktionskosten sowie der Langlebigkeit sondern auch in den parametrierbaren Algorithmen, die eine einfache Handhabung bei der Anpassung der Programmierung sowie einen universellen Einsatz vom Regler ohne jegliche Softwareänderungen ermöglichen. In den Parametrierfaktoren sind alle relevanten Prozessspezifikationen berücksichtigt.
Nachfolgend erfolgt eine ausführliche Beschreibung der Energiebilanzmethode zur Ermittlung vom Sauerstoffüberschuss im Feuerraumbereich sowie des parametrierbaren Algorithmus:
Eine Verbrennung kann schematisch wie folgt dargestellt werden:
C + 02 -> C02 + Wärme
Dabei entstehen Abgase. Ferner können Wärmeverluste auftreten. Unter adiabatischen Bedingungen sind diese gleich Null.
Der Brennstoff kann wie folgt beschrieben werden:
Die Verbrennungsluft kann wie folgt dargestellt werden:
Das Abgas kann durch folgende Formel repräsentiert werden: Vorstehend ist eine vereinfachte Energiebilanz bei einem Verbrennungsprozess angegeben. Die über den Brennstoff dem Verbrennungsprozess zugeführte Energie ist gleich der Energie, die bei der thermischen Umwandlung entsteht und über das Abgas als Wärme getragen wird. Adiabatisch bedeutet, dass die thermische Umwandlung ohne jegliche Wärmeverluste erfolgt. Aus dieser Annahme ergibt sich die Formel 1: Formel
Wobei : : Brennstoffmassenstrom [kg/s], Hu: Heizwert des Brennstoffs, : spezifische Verbrennungsluftmenge [Nm3/kg Brennstoff], : Temperatur der Verbrennungsluft, : spezifische Abgasmenge [Nm3/kg], cP, L: spezifische Wärmekapazität der Luft unter konstantem Druck, cP , R : spezifische Wärme- kapazität des Abgases unter konstantem Druck, : Abgas- bzw. Feuerraumtemperatur nach der Vervollständigung der Ver- brennung, cB : spezifische Wärmekapazität des Brennstoffs, : Brennstof ftemperatur bei der Beschickung.
Die in der Formel 1 beschriebene Feuerraum- bzw. Abgastempe- ratur stellt die maximale zu erreichende Temperatur im Feuerraumbereich bei der thermischen Umwandlung bzw. Ver- brennung des Brennstoffs dar, die unter adiabatischen Bedingungen bzw. ohne jegliche Wärmeverluste und unter Zufuhr stöchiometrischer Verbrennungsluftmenge (Lambda: 1) produziert wird .
Die mit der Verbrennungsluft sowie mit dem Brennstoff übertragene Energie ist im Vergleich zu der während der Verbrennung produzierten Energie sehr gering und kann vernachlässigt werden. Das heißt, die Formel 1 lässt sich in die folgende Form kürzen:
Formel 2 oder für ein Kilogramm Brennstoff gilt:
Die spezifische Abgasmenge VR [Nm3/kg Brennstoff] berechnet sich aus der Formel 3: Formel 3
Beim Einsatz der Formel 3 in die Formel 21 ergibt sich die Formel 4: Formel 4
Die spezifische minimale Rauchgasmenge VR,min sowie die minimale spezifische stöchiometrische Verbrennungsluftmenge Lmin lassen sich approximativ gemäß der Formel 5 und der Formel 6 bzw. gemäß den Näherungen nach Rosin-Fehling berechnen:
Lmin = 0,241 X Hu/ 1.000 + 0,5 [Nm3/kg] Formel 5
VR,min = 0,217 X Hu/ 1.000 + 1,67 [Nm3/kg] Formel 6
Die Berechnung in Formel 5 kann auch durch die elementare Zusammensetzung des Brennstoffs erfolgen.
Bei dem Einsatz der Formel 5 und der Formel 6 in die Formel 3 ergibt sich die Formel 7 für die Berechnung der spezifischen Abgasmenge [Nm3/kg Brennstoff):
VR = 0,217 *Hu/ 1.000 + 1,67 + ( λ-1 )X [(10,241 * Hu/1.000 + 0,5] Formel 7 Bei der Umschreibung der Formel 4 nach Lambda ergibt sich die Formel 8 zur Ermittlung von Lambda bzw. der Luftüberschusszahl : Formel 8
Die spezifische Wärmekapazität cP,R des Abgases hängt von der Abgastemperatur ab und ergibt sich approximativ aus der Formel 9: Formel 9
Beim Einsatz der Formel 5, der Formel 6 und der Formel 9 in die Formel 8 ergibt sich Formel 10 zur Ermittlung von Lambda bzw. der Luftüberschusszahl:
Die Zufuhr der Verbrennungsluft kann direkt durch den Sauerstof fbeiwert geregelt werden. Die Ermittlung bzw. Berechnung des Sauerstoffüberschusses bzw. Sauerstoffbeiwert ist hier nicht obligatorisch.
Lambda ist eine Funktion von u. a. Hu, KB, KF und Ks : λ = f (Hu, KB, KF Und KS, Lmin und Vr, min) wobei :
Lmin : die minimale Luftmenge, die für eine stöchiometrisch Verbrennung benötigt wird und :
Vr, min; die minimale Rauchgas- bzw. Abmenge, die bei einer stöchiometrischen Verbrennung bzw. bei Lambda = 1 produziert ist. Lmin sowie Vr,min hängen von den Brennstoffeigenschaften vor allen der elementaren Zusammensetzung ab und werden durch sie direkt berechnet.
Lambda (nach der Integration der Korrekturfaktoren KB, KF und Ks kann Lambda als Lambda-Beiwert bezeichnet werde n) ist eine Funktion von drei Korrekturfaktoren kB, kF und ks :
KB : Korrekturfaktor des Brennstoffs. Dieser Faktor berücksichtigt die Abweichung des eingesetzten Brennstoffs von dem Idealbrennstoff. kF : Korrekturfaktor zur Hochrechnung der bei der Verbrennung existierten nicht adiabatischen Energieumwandlungsbedienungen zu adiabatischen Energieumwandlungsbedienungen. Der Faktor kF berücksichtigt also die thermischen Verluste durch die Feuerstätte bis zur Temperatur Messstelle im Feuerraumbereich. ks berücksichtigt das Verhältnis: Primärluft (SSL- PL)/Sekundärluft (SSL-SL), welches sich aus der Scheibenspülluft einstellt und in der Regel von der Höhe der Sichtscheibe Hs abhängt. Hier gilt, je höher die Sichtscheibe der Feuerstätte bzw. Hs ist, umso mehr kann die Scheibenspülluft als Primärluft wirken. In der Regel nimmt ks einen Wert zwischen 0,93 und 1,07 und wird in der Berechnungsgleichung des Sauerstoffs und nicht von Lambda wie folgt in der Gleichung eingesetzt: oder Sauerstoffbeiwert = (21*λ*ks 21)/λ*ks
Es ist zu erwähnen, dass die oben dargestellt Berechnung auf den C02-Wert umgestellt werden kann. Die verbrennungstechnische Abhängigkeit zwischen C02 und 02 ergibt sich aus der folgenden Formel:
CO2 CO 2max 02
CO2max : 19 Vol.-% bis 21 Vol.-% (es hängt von dem Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs ab)
Nachfolgend werden die Korrekturfaktoren kf, kb und ks näher erläutert . Die konkreten Werte sind nicht fest vorgegeben, sie können durch die folgenden mathematischen Funktionen berechnet werden: kb : y = f(x) [Xmin = 500 Xmax = 1000, Ymin = 0,75, Ymax = 1,2] kf: y = f(x) [Xmin = 50 / Xmax = 1000, Ymin = 1/ 0, Ymax = 2,5] ks : y = f(x) [Xmin = <20 Xmax = >60, Ymin < 0,93, Ymax = 1,07]
Die Berechnungen bzw. die Faktoren für die mathematische Funktion sind durch die Systemgrenzen (maximal erreichbare Temperatur während einer realen sachgemäßen Verbrennung, Temperaturtendenzen und -änderungen während des Betriebs) vorgegeben
Eine weitere Erläuterung dieser Korrekturfaktoren erfolgt nachfolgend . Nicht adiabatischer Bedingungen bei der Verbrennung in der Feuerstätte können durch den Korrekturfaktor kF berücksichtige werden:
Bei der Verbrennung in Feuerstätten treten Wärmeverluste durch die Wärmeabgabe durch die Feuerstätte in den Aufstellraum auf und es herrschen somit keine adiabatischen Bedingungen. Zur Anpassung der nicht adiabatischen zu adiabatischen Bedingungen wird der Korrekturfaktor kF definiert, welcher die Wärmeabgabe (unerwünschte Wärmeverluste) durch die Feuerstätte bei der thermischen Umsetzung von Brennstoff berücksichtigt. Er kann in Abhängigkeit von dem Typ der Einzelraumfeuerungsanlage und Betriebszustand einen Wert von eins bis vier aufweisen .
Dieser Wert wird durch eine Funktion ermittelt. Hier gilt, je größer die Wärmeabgabe bzw. Wärmeverluste im Feuerraumbereich (von der Flammenzone bis zum Ende der Nachoxidationskammer) vor der Vervollständigung der Oxidation sind, umso höher ist der Wert dieses Faktors.
Die Funktionsparameter des Faktors kF können beispielsweise automatisch in einer Software eines Steuerelementes durch eine einmalige Eingabe von technischen Daten des Typs der Feuerstätte festgelegt werden. Hier spielen die Größe (Fläche und Höhe) des Feuerraums, Auskleidung der Feuerstätte, Größe und Art der Verglasung der Feuerraumtür usw. eine entscheidende Rolle.
Ferner kann die Art und Eigenschaften des Brennstoffs sowie der Qualität der Bedingung durch den Korrekturfaktor kB wie folgt berücksichtigt werden:
Korrekturfaktor kB berücksichtigt die Variation der Brennstoffeigenschaften . Der Wert dieses Faktors variiert und wird während der Verbrennung durch integrierte Funktion in Analogie zum Faktor kF berechnet, beispielsweise in einer entsprechend programmierten Steuereinrichtung, und in den Regelalgorithmen geändert. Die Funktion des Korrekturfaktors kF basiert auf dem Verbrennungsverhalten bzw. den Änderungen der Temperaturen mit der Zeit im Feuerraumbereich .
In großer Ordnung gilt, je schneller der Anstieg der Feuerraumtemperatur ist, umso höher ist der Wert des Faktors kB . Außerdem gilt, je langsamer der Anstieg der Feuerraumtemperatur ist, umso geringer ist der Wert des Faktors kB .Dabei kann kBWerte von 0,80 bis 1,2 aufweisen.
Die Faktoren kF und kB hängen auch voneinander ab. Die Abhängigkeit wird ebenfalls ermittelt und berücksichtigt, beispielsweise indem sie in die Software einer Steuereinrichtung entsprechend integriert wird.
Weiterhin kann die Qualität der Bedienungsqualität der Feuerstätte durch den Korrekturfaktor kq wie nachfolgend beschreiben berücksichtigt werden:
Der Faktor kq spielt bei der Regelung der
Verbrennungsluftzufuhr nur eine untergeordnete Rolle bzw. ist für die Berechnung des Sauerstoffüberschusses im Feuerraumbereich nicht relevant. Die Werte dieses Faktors sind variierbar und ergeben sich aus einer integralen Berechnung bzw. zeitlichen Änderung der Feuerraumtemperatur bezüglich eines bestimmten Betriebspunkts der Verbrennung , wobei einen Zeitpunkt bzw. einen Zeitbereich beschreibt, ab dem bzw. in dem die Bewertung der Feuerraumtemperaturänderung erfolgt. Im Gegensatz zum Faktor kB, welcher ausschließlich den Energiegehalt des Brennstoffs berücksichtigt, gibt der Faktor kq direkte Rückschlüsse über das Beschickungsregime (Brennstoffmenge, Anzahl der beschickten Scheite, Feinheit des Brennstoffs usw.). Gemäß der oben eingeführten Betrachtung und beim Einsatz der oben definierten Korrekturfaktoren bzw. einen durchschnittlichen Wert des unteren Heizwertes von 17.000 [kJ/kg] ergibt sich die Formel 11, mit der die Luftüberschusszahl parametrierbar durch die Faktoren kF und kB bzw. durch die Temperaturmessung im Feuerraumbereich berechnet werden kann.
Formel
11
Der Sauerstoffüberschuss im Feuerraumbereich ergibt sich aus der Formel 12:
Sauerstoff im Feuerraumbereich: Formel 12
Gleichung 12 kann durch den Korrekturfaktor ks ergänzt werden.
Er berücksichtigt das Verhältnis von Primärluft (SSL-PL) zu Sekundärluft (SSL-SL), welches sich aus der Scheibenspülluft einstellt und in der Regel von der Höhe der Sichtscheibe Hs abhängt. Hier gilt: je höher die Sichtscheib der Feuerstätte (Hs) ist, umso mehr kann die Scheibenspülluft als Primärluft agieren. ks kann einen Wert von 0,93 bis 1,07 aufweisen und er kann in der Gleichung 12 wie folgt eingesetzt werden: 02 = (21*λ*ks-21)/λ*ks :
Die Formel 11 bzw. die Formel 12 stellen die Grundlage für Regelung von Feuerungsanlagen mit Hilfe der Temperaturmessung im Feuerraumbereich bzw. anhand der Energiebilanzmethode gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Es werden die vorstehend angegebenen Parameter (Temperaturmessung,
Energiebilanzmethode) verwendet, um sowohl den Sauerstoffbedarf zu ermitteln bzw. dem Prozess entsprechend zuzuführen als auch die optimale Oxidationstemperaturen in der aktiven Reaktionszone so einzustellen, dass eine sachliche Verbrennung und folglich Betrieb der Feuerstätte gewährgeleistet werden kann.
Die Berechnung des Sauerstoffbeiwertes durch die Energiebilanzmethode kann nicht nur für die Sekundärluftzufuhr erfolgen, sondern ist auch günstig, um die Grenzen des Primärluft-Aktors zu erkennen und die Primärluft (Vergasungstreibende Luft unabhängig davon wie der Feuerstätte zugeführt wird bzw. durch den Rost, seitlich, oder über den Brennstoff)) entsprechend bzw. rechtzeitig zu reduzieren und dadurch zu vermeiden, dass die Verbrennung in den Sauerstoffmangel gerät.
Für die Regelungen können die normativen
Verbrennungsrechnungen berücksichtige bzw. eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren automatisch durchgeführt werden. Die Regeleingriffe können also automatisch erfolgen. Dies kann beispielsweise mittels einer Steuereinheit erfolgen, in die die vorstehenden Formeln in einer entsprechenden Software einschließlich der Korrekturparameter, die ggf. einzugeben sind, hinterlegt sind. An diese Steuereinheit werden ferner dann die Temperaturwerte aus dem Feuerraumbereich und/oder dem Abgas übermittelt. Nach Berechnung des Sauerstoffs im Feuerraum kann durch eine Steuerung die Zufuhr von Primärluft und/oder Sekundärluft automatisch geregelt werden. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung, mit der diese Steuerung der Zufuhr von Primär- und/oder Sekundärluft in besonders günstiger Weise durchgeführt werden kann, insbesondere womit die vorstehend beschriebenen Vorteile besonders günstig erreicht werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zufuhr von Verbrennungsluft in der Feuerraum einer Einzelraumfeuerungs- anlage, zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Kammer aufweist, die an einer ersten Seite einen Hauptkanal zur Zufuhr von Umgebungsluft und/oder Luft vom Schornsteinsystem und an einer zweiten Seite einen Scheibenspülluftkanal und einen Sekundärluftkanal aufweist, über die Primär- und/oder Sekundärluft in den Feuerraum geleitet werden können, wobei sowohl der Scheibenspülluftkanal als auch der Sekundärluftkanal mit einer Klappe versehen ist, so dass der Scheibenspülluftkanal und der Sekundärluftkanal unabhängig voneinander verschließbar sind, wobei die Klappen mit einem schrittlosen Motor verbunden sind, so dass die Klappen stufenlos bewegt werden können.
Die Scheibenspülluft fungiert je nach Höhe der Sichtscheibe der Feuerungsanlage als Primär- (SSL-PL) und Sekundärluft (SSL-SL).
Dabei kann sich beispielsweise die erste Seite der Kammer gegenüber der zweiten Seite der Kammer befinden. Es sind auch andere Ausgestaltungen möglich.
In einer Ausführungsform können die Klappen als Scheiben ausgestaltet sein, welche am Lufteintritt des Primärkanals und/oder des Sekundärluftkanals montiert sind. In einer weiteren Ausführungsform können die Klappen sowohl die Scheibenspülluft über den Scheibenspülluftkanal als auch die Rostluft über den Rostluftkanal regeln. Für eine Öffnung von 0 % bis x % kann die Scheibenspülluft geregelt und von 100 % - x % kann die Rostluft geregelt werden, wobei x die prozentuale Öffnungsweite der Klappen bezeichnet und in allgemeinen für eine adäquate Auslegung der Luftzufuhrkanäle bei 70 % bis 90 % liegt.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung mindestens eine Solarpanel und/oder eine Vorrichtung zur thermoelektrischen Stromerzeugung und/oder eine reguläre Stromversorgung über die häusliche Steckdose aufweisen, wobei bei den drei erwähnten Varianten ein Stromzwischenspeicher, z.B. ein aufladbarer Akku, für eine sichere Versorgung der gesamten Regelung vorgesehen sein kann.. Auf diese Wiese kann der erforderliche Strombedarf der Vorrichtung ohne großen Aufwand bereitgestellt werden
In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung weiterhin eine Steuer- bzw. Regeleinheit aufweisen, die dazu angepasst ist, die Luftzufuhr automatisch zu steuern bzw. zu regeln.
Nachfolgend erfolgt eine detaillierte Darstellung der Vorrichtung :
Zur Regelung der Verbrennungsluftzufuhr können Luftklappen mit schrittlosen Motoren eingesetzt werden. Die Klappen regeln definierte Öffnungsweiten über zwei Klappen, die beispielsweise als Scheiben ausgestaltet sein können, welche an dem Lufteintritt der voneinander getrennten Luftkammern bzw. -kanäle gebaut sind. Die beiden Klappen sind in einem Kasten oder Rohrsystem verbaut, welche die gesamte Verbrennungsluft über einen Hauptkanal von der Umgebung oder vom Schornsteinsystem im Fall des raumluftunabhängigen Betriebs bezieht. Der Unterdrück und die Kesseltemperatur bei Einzelraumfeuerungen mit wasserführenden Bauteilen als sicherheitsrelevante Größen können anhand eines verbauten Druckwächters bzw. Temperaturfühlers erfasst und in die Software entsprechend integriert werden.
Für den Betrieb des Regelsystems wird aufgrund des sehr niedrigen Energieverbrauchs der Hardware und den Regelakteuren (Regelklappen) keine häusliche Energieversorgung benötigt. Der Stromverbrauch ist im Gegensatz zu anderen Systemen sehr gering und liegt im Wattbereich. Dieser Strombedarf kann durch ein Solarpanel, thermoelektrisch während der Verbrennung, oder mit einer häuslichen Stromdose, jeweils ggf. mit einer entsprechenden einfachen Stromspeichereinheit bereitgestellt werden (vgl. auch vorstehend).
Bei Stromausfall oder bei einem technischen Defekt dreht sich die Primärluftklappe technisch bedingt zum Null-Stand, bei dem die Primärluftöffnung zu 100 % geschlossen ist. Um gefährliche Zustände wie z. B. starke Rauchbildung im Wohnraum oder Verpuffungen aufgrund des Sauerstoffmangels im Feuerraum wie z. B. bei der Beschickung bei Anwesenheit von Glutbett zu vermeiden, ist ein Mechanismus zur Regelung der Verbrennungsluft vorgesehen. Bei diesem Mechanismus wird beim Zurückfahren der Primärluftklappe von einem 40 %-Stand auf 0 %-Stand eine mechanisch mitverriegelte Sicherheitsluftklappe gleichzeitig mechanisch betätigt, wodurch eine entsprechend große Öffnung bereitgestellt und somit dem Verbrennungsprozess eine ausreichende Verbrennungsluftmenge für eine sichere Verbrennung zugeführt wird. Hierbei handelt es sich nur um eine beispielhafte Beschreibung einer technischen Möglichkeit. Sie kann auch mit anderen technischen Möglichkeiten realisiert werden.
Die Regelung der Primärluftklappe im Normalbetrieb kann über 60 % (zwischen 40% bis 100 %) der gesamten Öffnungsweite der Primärluft erfolgen, wobei die Sekundärluft von 0 % bis 100 % der Öffnungsweite geregelt werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden eine Reihe von Vorteilen erreicht: · Die Regelung kann mit preiswerten, robusten und langlebigen Sensoren durchgeführt werden, welche stabile Signale liefern bzw. keine Wartung und Kalibrierung im Praxisbetrieb benötigen. Hier können beständige Temperaturfühler eingesetzt werden, die eine einfache Elektronik für die Verwertung der Signale benötigen. · Die automatische und mit der Einstellung von Parametern anpassbare Steuerung ermöglicht es, eine schnelle Anpassung der Regelung an alle Arten von Feuerungsanlagen unabhängig von ihrer Konstruktion ohne Bedarf einer Änderung der Software ermöglicht wird. · Die Soft- sowie die Hardware mit dem Verbrennungsluftverteilungssystem sind universell einsetzbar und berücksichtigen alle normativen Anforderungen sowie Zulassungsregelungen des DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik) für eine technische Zulassung bzw. einen sicheren Betrieb in der Praxis. · Die Hardwarekomponenten mit den Sensoren sowie den Regelakteuren können so ausgesucht werden, dass sich das Regelungssystem ohne jeglichen Starkstrom bzw. häusliche Stromversorgung betreiben lässt. Dabei liegt der gesamte Stromverbrauch im Wattbereich. Ein einfaches Solarmodul kann das Regelungssystem mit dem nötigen Strom versorgen. · Die technische Kombination aus dem Luftverteilungssystem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht einen universellen Einsatz in neuen Feuerungsanlagen sowie eine sichere Nachrüstbarkeit von vielen in der Praxis bestehenden Einzelraumfeuerungsanlagen. · Durch die intelligente Regelung wird die Wärme nicht nur effizient produziert, sondern auch effizient genutzt, wodurch nicht nur Ressourcen- sondern bedeutsame C02- Ersparnisse erreicht werden können.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei ist
Fig. 1 eine Darstellung einer handbeschickten Einzelraum- feuerungsanlage .
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung .
Fig. 3 stellt die paramagnetisch gemessene und mit der Modellgleichung berechnete Sauerstoffkonzentration in einer Einzelraumfeuerungsanlage dar.
Fig. 4 stellt Sauerstoff, Feuerraumtemperatur und Kohlenstoffmonoxid beim Betrieb einer Einzelraumfeuerungs- anlage dar.
Fig. 1 zeigt eine handbeschickte Einzelraumfeuerungsanlage 10. Sie weist einen Feuerraumbereich 11 auf, in dem ein Brennstoff verbrannt wird. Über einen Scheibenspülluftkanal 3 kann z.B. Scheibenspülluft (SSL) und/oder Rostluft (RL) und über einen Sekundärluftkanal 4 kann Sekundärluft (SL) in den Feuerraumbereich 11 eingeleitet werden. Die Luftströme sind in Fig. 1 mit Pfeilen dargestellt. Rostluft kann eingeleitet werden, wenn der Sauerstoffgehalt der Scheibenspülluft nicht ausreicht, die Verbrennung ausreichend intensiv für das Erreichen günstiger Temperaturen zur Durchführung der Oxidationsreaktionen in Gang zu setzen, wie z.B. im Fall der Verbrennung von feuchten und/oder dicken Holzscheiten oder Kohle. Die Rostluft kann von unten durch den Rost in den Feuerraumbereich 11 gelangen. Der Weg der Rostluft ist in Fig.
1 mit einem Pfeil dargestellt. Sowohl der Scheibenspülluftkanal 3 als auch der Sekundärluftkanal 4 können unabhängig voneinander über Klappen 5 verschlossen werden, wobei diese Klappen durch Motoren 6, 7 stufenlos eingestellt werden können, um eine exakte Steuerung des Luftzutritts sicher zu stellen. Im Feuerraumbereich 11 befinden sich zwei Temperatursensoren T1, T2, die beispielsweise an der Prallplatte vorgesehen sein können. Ergänzend oder alternativ können Temperatursensoren im ersten Abgaszug nach der Abgasprallplatte montiert sein. Dabei handelt es sich aber nur ein Beispiel für einen Ort, an dem die Temperatursensoren T1, T2 vorgesehen sein können. Sie können sich selbstverständlich auch an anderen Stellen im Feuerraumbereich befinden, wie beispielsweise im Abgaszug. Ferner kann sich im Abgasbereich ein weiterer Temperatursensor TAb, mit dem die Temperatur im Abgas gemessen wird. Ferner kann die Umgebungstemperatur Tu im Aufstellraum gemessen und für die Regelung berücksichtigt werden. Die Messung der Temperatur des Abgases liefert mehr Informationen, sie ist aber nicht zwingend, sondern optional. Die gemessenen Temperaturwerte werden an die Steuereinheit 12 (Regeleinheit/Microcontroller) übermittelt (siehe gestrichelte Linien). Dort erfolgt anhand der obigen Formeln und Parametern die Berechnung des Sauerstoffs. Abhängig vom erhaltenen Ergebnis kann dann die Zufuhr von Primärluft und/ oder Sekundärluft geregelt werden, indem entsprechende Befehle an die Motoren 6, 7 gegeben werden. Die Ströme der Verbrennungsluft sind wie folgt: SSL- SL: Scheibenspülluft als Sekundärluft; SSL-PL:
Scheibenspülluft als Primärluft; RL-PL: Rostluft als Primärluft; SL: Sekundärluft. In Fig. 2 ist in Draufsicht die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, mit der die Zufuhr von Primär- und/oder Sekundärluft in den Feuerraumbereich gesteuert werden kann.
Die Vorrichtung weist eine Kammer 1 auf, die an einer ersten Seite einen Hauptkanal 2 zur Zufuhr von Luft und/oder Luft vom Schornsteinsystem (Verbrennungsluft) (als Pfeil dargestellt) und an einer zweiten Seite einen Scheibenspülluftkanal 3 (SSL: Scheibenspülluft) und einen Sekundärluftkanal 4 (SL: Sekundärluft, wie 02) aufweist, wobei sowohl der Scheibenspülluftkanal 3 als auch der Sekundärluftkanal 4 mit einer Klappe 5 (in Fig. 2 nur schematisch angedeutet) versehen ist, so dass der Scheibenspülluftkanal 3 und der Sekundärluftkanal 4 unabhängig voneinander verschließbar sind, wobei die Klappen 5 jeweils mit einem schrittlosen Motor 6, 7 verbunden sind, so dass die Klappen 5 stufenlos bewegt werden können. Ferner ist ein Rostluftkanal 13 vorgesehen, wobei die Rostluft über die Klappe 5 geregelt wird, welche an den Motor 6 für den Scheibenspülluftkanal 3 angeschlossen ist.
Die Vorrichtung weist weiterhin ein Solarpanel 8 auf, mit dem der erforderliche Strom zum Betrieb der Vorrichtung erzeugt werden kann.
In der Fig. 3 sind die nach der Modellgleichung berechneten und mit einer paramagnetischen Sauerstoffanalyse gemessenen Konzentrationen an Sauerstoff bei der Verbrennung von Buchenscheitholz in einem Prototyp einer Einzelraumfeuerungs- anlage der Firma Hase dargestellt. In der Fig. 3 ist zu sehen, dass die auf Basis der Modellgleichung berechneten und gemessenen Konzentrationen an Sauerstoff im Abgas korrelieren und sich somit die Modellgleichung sehr gut für die Ermittlung des Sauerstoffgehalts im Abgas eignet. Anhand einer einfachen Versuchsanlage wurde das Regelkonzept auf Basis der Energiebilanzmethode des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP auf Basis einer SPS-Regelung (speicherprogrammierbare Steuerung) umgesetzt. Dabei wurden die Schadstoffemissionen wie z. B. Kohlenstoffmonoxid um 62 % und Feinstaub um ca. 43 % im Vergleich zum Betrieb ohne Regelung reduziert (vgl. Fig. 4). Außerdem wurde der Wirkungsgrad ausgehend vom Praxisbetrieb um ca. 16 % erhöht. Eine weitere Verbesserung lässt sich durch die Weiterentwicklung der Software erreichen.
Dem Diagramm der Fig. 4 ist zu entnehmen, dass beim Einsatz des Reglers die Feuerraumtemperatur über längere Zeit des Abbrandes über einer günstigen bzw. durchschnittlichen Feuerraumtemperatur von größer als 550 °C liegt. Das Gleiche gilt für den Sauerstoffgehalt im Abgas, wodurch deutliche Rückschlüsse auf die kontrollierte Verbrennung gezogen werden können.
Erfindungsgemäß erfolgt die gezielte Reglung der Sekundärluft (SSL-SL + SL) durch einen anhand der Energiebilanzmethode berechneten Sauerstoffbeiwert
Ferner kann mit dem Sauerstoffbeiwert außerdem der Primärluft- Aktor in seinem günstigen Grenzen betrieben werden, wodurch vermieden werden kann, dass die Verbrennung in Sauerstoffmangel gerät. Das heißt, wenn der Sekundärluftaktor seine maximale Grenze (Klappe 5 der Schrittmotor 6 (bzw. Sekundärluftaktor) zu 90 % geöffnet; hier 10 % als Reserve) erreicht und trotzdem der berechnete Sauerstoff-Beiwert unter dem im Programm hinterlegten Sauerstoff-Sollwert liegt, wird die Primärluft (RL-PL + SSL-PL) rechtzeitig reduziert, um Sauerstoffmangel und somit unvollständige Verbrennung zu vermeiden. Alternativ zum Schrittmotor 6 kann auch ein Stellmotor eingesetzt werden.
Die gezielte Regelung der Primärluft (SSL-PL + RL-PL) erfolgt für die Einstellung einer günstigen Temperatur in der aktiven Reaktionszone (Feuerraum + Nachoxidationskammer) zu einer effektiven Durchführung der Oxidationsreaktionen bzw. einer Vervollständigen Verbrennung.
Die Beschreibung und Bewertung der Verbrennungsqualität (Vollständigkeit der Verbrennung) sowie der Betriebsqualität der Feuerstätte erfolgt durch eine differenzielle und integrale Bewertungen der erfassten Temperaturen, berechneten Sauerstoffbeiwert sowie durch das Verhalten der Regelaktoren bzw. die Schrittmotoren bzw. Stellmotoren (6 und 7) zu Regelung der Verbrennungsluftzufuhr. Dabei werden folgende Kenntnisse gewonnen und die Nutzer entsprechend informiert bzw. zur besseren Bedienung der Feuerstätte digital geschult:
- Verwendung von feuchten Brennstoffen
- Verwendung von trocknen Brennstoffen in großen Mengen
- Beschickung großer Brennstoffmenge
- Illegale Verbrennung von Abfällen wie z. B. Plastik, Altöl usw.
- Erkennung von ungünstigen bzw. sehr hohen oder sehr niedrigen Kaminzug.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Beschreibung oder die Ansprüche ,erste' und ,zweite' Merkmale definieren, so dient dies der Unterscheidung gleichartiger Merkmale ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

λ Ansprüche
1. Verfahren zur Regelung der Verbrennung in Feuerungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Temperatur in einem Feuerraumbereich und/oder in den Abgaszügen der Feuerungs- anlage sowie über eine Energiebilanz des
Verbrennungsprozesses in der Einzelraumfeuerungsanlage, der Verbrennungsluft und des Abgases ein Sauerstoffbeiwert ermittelt wird, mit dem die Primär- und Sekundär- Verbrennungsluftströme und somit die thermische Leistung sowie die Verbrennungsqualität geregelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zufuhr der verbrennungsluft durch den Sauerstoffbeiwert geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sauerstoffbedarf für die Verbrennung gemäß der folgenden Formel berechnet wird
, wobei λ wie folgt ermittelt wird
, wobei kB einen Wert von 0,80 bis 1,2 aufweist, für die Abgas und/oder Feuerraumtemperatur steht, kF einen Wert von 1 bis 4 aufweist und Hu den Heizwert des Brennstoffes angibt .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Temperatur im Feuerraumbereich und/oder im Abgaszug an mindestens einer Stelle gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Aufstellraum der Feuerungsanlage für eine bedarfsgerechte Wärmeproduktion gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Verbrennung über die Zufuhr von Primärluft und/oder über die Zufuhr von Sekundärluft erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärluft Scheibenspülluft und/oder Rostluft ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Sekundärluft so erfolgt, dass der
Sauerstoffgehalt im Feuerraumbereich etwa 7 Vol.-% bis etwa 10 Vol.-%, beispielsweise etwa 8 Vol.-% bis etwa 9 Vol.-% beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Verbrennung automatisch erfolgt.
10. Vorrichtung zur Zufuhr von Verbrennungsluft in der Feuerraum einer Feuerungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kammer (1) aufweist, die an einer ersten Seite einen Hauptkanal (2) zur Zufuhr von Umgebungsluft und/oder Luft vom Schornsteinsystem und an einer zweiten Seite einen Scheibenspülluftkanal(3) und einen Sekundärluftkanal (4) aufweist, wobei sowohl der Scheibenspülluftkanal (3) als auch der Sekundärluftkanal (4) mit einer motorisch geregelten Klappe (5) versehen ist, so dass der Scheibenspülluftkanal (3) und der Sekundärluftkanal (4) unabhängig voneinander verschließbar sind, wobei die Klappen (5) mit einem schrittlosen Motor (6, 7) verbunden sind, so dass die Klappen (5) stufenlos bewegt werden können.
11.Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite der Kammer (1) sich gegenüber der zweiten Seite der Kammer (1) befindet.
12.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappen (5) als Scheiben ausgestaltet sind, welche am Lufteintritt des Scheibenspülluftkanal (3) und/oder des Sekundärluftkanals (4) montiert sind.
13.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Klappen (5) sowohl die Scheibenspülluft über den Scheibenspülluftkanal (3) als auch die Rostluft über den Rostluftkanal (13) regelt.
14.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Solarpanel (8) oder eine Vorrichtung zur thermoelektrischen Stromerzeugung oder eine reguläre Stromversorgung über die häusliche Stromdose aufweist.
15.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Steuer- bzw. Regeleinheit (12) aufweist, die dazu angepasst ist, die Luftzufuhr automatisch zu steuern bzw. zu regeln.
16.Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zum Monitoring des Betriebs einer Feuerungsanlage zu deren optimalen Betrieb und zur Sicherung der Sicherung der Qualität der Verbrennung.
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