ES2272229T3

ES2272229T3 - PROCEDURE AND MECHANISM FOR THE DETERMINATION AS WELL AS FOR THE CONTROL OF EXCESS OF AIR IN A COMBUSTION PROCESS.

Info

Publication number: ES2272229T3
Application number: ES00120859T
Authority: ES
Inventors: Thomas Dr. Merklein; Heino Sand
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2007-05-01
Anticipated expiration: 2020-09-25
Also published as: EP1091175A2; PT1091175E; ATE344423T1; DE50013683D1; DE19948377C1; EP1091175A3; EP1091175B1; DK1091175T3

Abstract

Process for determining and regulating excess air during a combustion process comprises determining the formation rates of cyanide (K(CN)) and carbon monoxide (K(CO)) produced during the combustion and calculating the ratio K(CN)/K(CO) from the formation rates as a parameter representing the excess air. An Independent claim is also included for an apparatus for determining and regulating excess air during a combustion process comprising sensors (2, 3) and data processors (6) for determining the formation rates K(CN) and K(CO) during the combustion, and a device (13) for determining the ratio K(CN)/K(CO) from the formation rates as a parameter representing the excess air. Preferred Features: The formation rates K(CN) and K(CO) are determined using emission spectroscopy form the radiation from the combustion flame.

Description

Procedimiento y mecanismo para la determinación así como para el control del exceso de aire en un proceso de combustión.Procedure and mechanism for determination as well as for the control of excess air in a process of combustion.

La presente invención se relaciona con un procedimiento para la determinación del exceso de aire en un proceso de combustión.The present invention relates to a procedure for determining excess air in a process of combustion

La presente invención se relaciona, además, con un mecanismo correspondiente para la determinación del exceso de aire.The present invention also relates to a corresponding mechanism for the determination of excess air.

Gracias a la EP 0 612 961 A2 se sabe determinar las velocidades de formación de los productos de reacción formados durante un proceso de combustión, particularmente las moléculas y radicales CO, C_{2}, CH, CN, OH, y NH, mediante espectroscopia de emisión de la radiación característica de la llama de combustión y para consultar el control o regulación del proceso de combustión. Para ello se estudia con un espectrómetro de emisión el espectro de radiación de la llama de combustión, detectándose la radiación de bandas de las moléculas y radicales seleccionados. La radiación de bandas se superpone a una radiación térmica, que se determina por pirometría de relación en uno o varios intervalos de longitud de onda libres de bandas y se tiene en cuenta en la determinación de las velocidades de formación.Thanks to EP 0 612 961 A2 it is known to determine the formation rates of the reaction products formed during a combustion process, particularly the molecules and radicals CO, C2, CH, CN, OH, and NH, by spectroscopy of emission of the characteristic radiation of the combustion flame and to consult the control or regulation of the combustion process. For this, the spectrum of combustion flame radiation, detecting the radiation of bands of the selected molecules and radicals. Radiation of bands overlaps a thermal radiation, which is determined by pyrometry ratio in one or several intervals of length of band-free wave and is taken into account in determining training speeds

Las velocidades de formación determinadas de los productos de reacción seleccionados son sólo condicionalmente apropiadas para el control o regulación del proceso de combustión, pues son afectadas, entre otros, por la variable y posición de la sección observada de la llama de combustión así como por la frecuencia de reacción controlada por la masa de los combustibles introducidos.The determined training speeds of the Selected reaction products are only conditionally appropriate for the control or regulation of the combustion process, as they are affected, among others, by the variable and position of the observed section of the combustion flame as well as by the reaction frequency controlled by the mass of the fuels introduced

Una medida sustancial para la calidad de una combustión es el exceso de aire. Este designa la relación aire/combustible, que es una, si se introduce exactamente tanto aire y/u oxígeno, como sea necesario para el proceso de combustión. Un exceso de aire menor que uno, o sea una alimentación de aire demasiado escasa, conduce a una combustión incompleta, mientras que un exceso de aire mayor que uno, y/o demasiado aire inyectado, conduce, entre otros, a una concentración del proceso de combustión en la boquilla del quemador con, como consecuencia, mayores temperaturas de combustión. Además, la inyección y calentamiento de mayores concentraciones de aire se relaciona con las pérdidas correspondientes de energía.A substantial measure for the quality of a Combustion is excess air. This designates the relationship air / fuel, which is one, if you enter exactly so much air and / or oxygen, as necessary for the combustion process. An excess of air less than one, that is an air supply too little, leads to incomplete combustion, while an excess of air greater than one, and / or too much air injected, leads, among others, to a concentration of the combustion process in the burner nozzle with, as a consequence, higher combustion temperatures In addition, the injection and heating of higher air concentrations is related to losses corresponding energy.

Hasta ahora podía determinarse el exceso de aire sólo a través de mediciones de la cantidad de combustible y de aire introducida en el proceso de combustión, siendo muy aparatosa e inexacta la medida exacta de la cantidad de combustible, particularmente en el caso del carbón. Una resolución local del exceso de aire dentro de la llama de combustión y frecuentemente también una distribución de las concentraciones de combustible sobre diferentes quemadores eran posibles sólo a través de consideraciones teóricas, aunque no mediante mediciones. Correspondientemente, hasta ahora sólo era posible una regulación del proceso de combustión condicionalmente específica del quemador y, por otra parte, lenta.Until now, excess air could be determined only through measurements of the amount of fuel and air introduced in the combustion process, being very aparatosa e inaccurate measurement of the amount of fuel, particularly in the case of coal. A local resolution of excess air inside the combustion flame and frequently also a distribution of fuel concentrations over different burners were possible only through theoretical considerations, although not by measurements. Correspondingly, until now only one regulation was possible of the burner conditionally specific combustion process and, on the other hand, slow.

La presente invención se basa, por tanto, en el objetivo de posibilitar una determinación del exceso de aire en un proceso de combustión lo más rápida, sencilla y localmente resuelta posible y regular posteriormente con ella el proceso de combustión.The present invention is therefore based on the objective of enabling a determination of excess air in a combustion process as fast, simple and locally resolved possible and subsequently regulate the process of combustion.

El objetivo se resuelve conforme a la invención con el procedimiento indicado en la Reivindicación 1 y/o el mecanismo indicado en la Reivindicación 5.The objective is solved according to the invention. with the procedure indicated in Claim 1 and / or the mechanism indicated in claim 5.

De las subreivindicaciones 2, 3 y 4 y/o 6, 7 y 8 se extraen formaciones beneficiosas de los procedimientos y mecanismos conformes a la invención.Of subclaims 2, 3 and 4 and / or 6, 7 and 8 beneficial formations are extracted from the procedures and mechanisms according to the invention.

La invención se basa en el conocimiento de que un exceso decreciente de aire debido a la combustión incompleta conduce a una elevada formación de CO, mientras que un exceso creciente de aire debido a la elevada temperatura de combustión conduce a una elevada formación de CN. El aire inyectado en exceso puede contribuir al enfriamiento sólo en el caso de un exceso claramente excesivo de aire y reducir con ello de nuevo la formación de CN. La relación de las velocidades de formación de CN y CO forma, por consiguiente, en el ambiente del valor del exceso de aire, si una gran parte del aire contribuye a la combustión, una medida apropiada, para determinar el exceso de aire y posteriormente regular con ello el proceso de combustión, particularmente el aire introducido y/o su distribución. Mediante la formación de la relación de las velocidades de formación de CN y CO se eliminan además los factores influyentes citados anteriormente y que perjudican a la determinación de las velocidades de formación, como por ejemplo la variable y posición de la sección de la llama de combustión observada, ya que afectan igualmente a las velocidades de formación de CN y CO.The invention is based on the knowledge that a decreasing excess of air due to incomplete combustion leads to a high formation of CO, while an excess increasing air due to high combustion temperature leads to high CN formation. Excess air injected can contribute to cooling only in the case of excess clearly excessive air and reduce the formation again from CN. The ratio of the formation rates of CN and CO form, therefore, in the environment of the value of the excess of air, if a large part of the air contributes to combustion, a appropriate measure, to determine excess air and subsequently regulate the combustion process with it, particularly the introduced air and / or its distribution. Through the formation of the ratio of the formation rates of CN and CO also eliminates the influential factors cited previously and that impair the determination of speeds training, such as the variable and position of the section of the combustion flame observed, since they also affect the formation rates of CN and CO.

La determinación de las velocidades de formación de CN y CO puede realizarse de manera conocida mediante espectroscopía de emisión. Se prefiere determinan las velocidades de formación de CN y CO a partir de las intensidades de radiación con por lo menos cuatro cámaras, en por lo menos cuatro intervalos diferentes de longitudes de onda del espectro de radiación de la llama de combustión, donde se determinan, en dos intervalos de longitud de onda, las intensidades de radiación durante la formación de CN y CO y se resta de estas intensidades de radiación determinadas la radiación térmica determinada por pirometría de relación a partir de las intensidades de radiación determinadas en los otros dos intervalos de longitud de onda. Como cada una de las cámaras comprende sólo un intervalo de ondas de banda estrecha del espectro de radiación de la llama de combustión, puede determinarse el exceso de aire con alta resolución local y rápidamente en la práctica, a diferencia de los espectrómetros, que presentan una alta resolución de frecuencia aunque baja resolución local; y, por tanto, emplearse como variable de control apropiada para la regulación del exceso de aire en el proceso de combustión.The determination of training speeds of CN and CO can be performed in a known way by emission spectroscopy. It is preferred determine the speeds of formation of CN and CO from radiation intensities with at least four cameras, in at least four intervals different wavelengths of the radiation spectrum of the combustion flame, where they are determined, in two intervals of wavelength, radiation intensities during formation of CN and CO and subtracts from these radiation intensities determined the thermal radiation determined by pyrometry of ratio from the radiation intensities determined in the other two wavelength intervals. As each of the cameras comprise only a narrow band wavelength range of the radiation spectrum of the combustion flame, can be determined excess air with high local resolution and quickly in the practice, unlike spectrometers, which have a high frequency resolution although low local resolution; and by therefore, be used as an appropriate control variable for the regulation of excess air in the combustion process.

Para la especificación adicional de la invención se hace referencia a continuación a las Figuras del diseño; muestran individualmenteFor the additional specification of the invention Reference is made below to the Design Figures; show individually

Figura 1 un ejemplo del mecanismo conforme a la invención para la determinación y posterior regulación del exceso de aire en un proceso de combustión,Figure 1 an example of the mechanism according to the invention for the determination and subsequent regulation of excess of air in a combustion process,

Figura 2 un ejemplo del espectro de radiación de una llama de combustión en un punto de observación,Figure 2 an example of the radiation spectrum of a combustion flame at an observation point,

Figura 3 Ejemplarmente, la dependencia de la formación de CN y CO así como su relación del exceso de aire en un proceso de combustión yFigure 3 Exemplary, the dependence of the formation of CN and CO as well as its ratio of excess air in a combustion process and

Figura 4 otro ejemplo de mecanismo conforme a la invención para la determinación del exceso de aire en un proceso de combustión.Figure 4 another example of a mechanism according to the invention for the determination of excess air in a process of combustion.

En una cámara de fuego o de combustión 1 de una instalación de generación de vapor no representada, por ejemplo un generador de vapor por quema de combustibles fósiles de una central térmica o una planta incineradora de residuos, se lleva a cabo un proceso de combustión. Los sensores ópticos 2 y 3 en forma de cámaras especiales registran en puntos o secciones de observación seleccionados el espectro de radiación de la llama de combustión 4. Las informaciones 5 obtenidas en este caso se introducen en un dispositivo de procesamiento de datos 6, que evalúa a partir de los espectros de radiación registrados, por ejemplo mediante reconstrucción tomográfica computerizada, una distribución espacial de la temperatura y perfiles tridimensionales localmente resueltos de las velocidades de formación K de productos de reacción seleccionados, resultantes del proceso de combustión. En este caso se determinan la temperatura mediante pirometría de relación y las velocidades de formación K de los productos de reacción mediante espectroscopía de emisión. Las velocidades de formación K así determinadas se introducen, además de otras variables de de mando y de regulación 8, en un dispositivo de control y regulación 9, que gobierna y/o regula la alimentación y distribución de combustible 10, la alimentación y distribución de aire 11, así como la alimentación y distribución 12 de agregados y materiales auxiliares, para el proceso de combustión.In a fire or combustion chamber 1 of a steam generation facility not shown, for example a fossil fuel steam generator of a power plant thermal or a waste incinerator plant, a combustion process Optical sensors 2 and 3 in the form of special cameras record in observation points or sections selected the radiation spectrum of the combustion flame 4. The information 5 obtained in this case is entered in a data processing device 6, which evaluates from registered radiation spectra, for example by computerized tomographic reconstruction, a spatial distribution of temperature and locally resolved three-dimensional profiles of the formation rates K of reaction products selected, resulting from the combustion process. In this case the temperature is determined by ratio pyrometry and the K formation rates of reaction products by emission spectroscopy. K formation speeds as well certain are introduced, in addition to other command variables and of regulation 8, in a control and regulation device 9, which governs and / or regulates fuel supply and distribution 10, the air supply and distribution 11, as well as the 12 feed and distribution of aggregates and auxiliary materials, for the combustion process.

Las velocidades de formación K(CN) y K(CO) del radical CN y de la molécula CO, relevantes para la invención, se introducen, tras su determinación en el dispositivo 6, en un dispositivo 13, que forma la relación K(CN)/K(CO) de ambos productos de reacción y se alimenta como variable de control de un regulador 14 para la alimentación y distribución de
aire.The rates of formation K (CN) and K (CO) of the CN radical and of the CO molecule, relevant to the invention, are introduced, after its determination in the device 6, in a device 13, which forms the K (CN ) / K (CO) of both reaction products and is fed as a control variable of a regulator 14 for the feeding and distribution of
air.

La Figura 2 muestra un ejemplo del espectro de radiación de una llama de combustión 4 en un punto de observación, aplicándose la intensidad de radiación I a través de la longitud de onda \lambda. La intensidad de radiación I se compone esencialmente de la radiación térmica TS (radiación Planck) y la radiación de banda BS (quimioluminiscencia) emitida por determinadas transiciones de radicales. Los picos de intensidad característicos para determinados productos de reacción, por ejemplo CH, se caracterizan aquí, interesando en el contexto de la invención las intensidades de la radiación de bandas BS resultante en la formación de CN a aproximadamente 420 nm y de CO a aproximadamente 450 nm. El aporte térmico TS de las intensidades de radiación I medido para estos productos de reacción puede calcularse y sustraerse a temperatura conocida. Para ello se determina la radiación térmica TS por pirometría de relación a partir de longitudes de onda \lambda, en las que no aparece ninguna transición de radicales; los correspondientes intervalos de longitud de onda libres de bandas se encuentran, por regla general, en el rango rojo o infrarojo.Figure 2 shows an example of the spectrum of radiation of a combustion flame 4 at an observation point, applying the intensity of radiation I across the length of λ wave. The radiation intensity I is composed essentially of thermal radiation TS (Planck radiation) and the BS (chemiluminescence) band radiation emitted by certain radical transitions. The intensity peaks characteristic for certain reaction products, by CH example, are characterized here, interesting in the context of the invention the intensities of the resulting BS band radiation in the formation of CN at approximately 420 nm and of CO at approximately 450 nm. The thermal input TS of the intensities of radiation I measured for these reaction products can calculated and subtracted at known temperature. To do this determines the thermal radiation TS by pyrometry in relation to from wavelengths \ lambda, in which it does not appear no radical transition; the corresponding intervals of Wavelength free bands are, as a rule, in the red or infrared range.

La Figura 3 muestra ejemplarmente la dependencia de la formación de CN y de CO del exceso de aire L en el proceso de combustión. Un exceso de aire L menor que uno conduce a una combustión incompleta, lo que se relaciona con una mayor formación de CO. Demasiado aire inyectado conlleva, en cambio, una concentración del proceso de combustión en la boquilla del quemador con, como consecuencia, mayores temperaturas de combustión y, por tanto, mayor formación de CN. Si se inyecta aire en exceso en elevada cantidad, esto puede contribuir de nuevo al enfriamiento y, de esta forma, reducir la formación de CN. Como muestra la Figura 3, la relación K(CN)/
K(CO) de las velocidades de formación de CN y CO determinadas supone una medida apropiada en el campo de regulación R en torno al valor del exceso de aire L=1, para determinar el exceso local de aire L y para regular el proceso de combustión, aquí particularmente la alimentación y distribución de aire 11.Figure 3 shows exemplary the dependence of the formation of CN and CO on the excess of air L in the combustion process. An excess of air L less than one leads to incomplete combustion, which is related to a greater formation of CO. Too much injected air implies, on the other hand, a concentration of the combustion process in the burner nozzle with, as a consequence, higher combustion temperatures and, therefore, greater CN formation. If excess air is injected in a high amount, this can again contribute to cooling and, thus, reduce the formation of CN. As Figure 3 shows, the K (CN) /
K (CO) of the formation rates of CN and CO determined is an appropriate measure in the regulation field R around the value of excess air L = 1, to determine the local excess of air L and to regulate the process of combustion, here particularly the supply and distribution of air 11.

En el ejemplo de ejecución del mecanismo conforme a la invención, mostrado en Figura 4, se representa uno y el mismo punto o sección de observación de la llama de combustión 4 en la cámara de fuego o de combustión 1 sobre cuatro cámaras CCD 15, 16, 17 y 18, que, debido al filtro de banda estrecha situado corriente arriba 19, 20, 21 y 22, registran las intensidades de radiación I en cuatro intervalos diferentes de longitud de onda del espectro de radiación de la llama de combustión 4. A partir de dos de las intensidades de radiación I registradas, localizadas preferentemente en intervalos de longitud de onda libres de bandas, se determina la radiación térmica TS por pirometría de relación en el dispositivo 6 corriente debajo de las cámaras CCD 15, 16, 17 y 18. Las otras dos intensidades de radiación se emplean para la determinación de las radiaciones de banda BS emitidas durante la formación de CN y CO en los intervalos de longitud de onda de aproximadamente 420 nm y/o en torno a 450 nm. Para ello se resta de estas intensidades de radiación I determinadas para CN y CO la proporción de radiación térmica TS, de forma que se obtengan las respectivas radiaciones de banda BS y, por tanto, las velocidades de formación K(CN) y
K(CO), a partir de las que se forma en el dispositivo 13 la relación K(CN)/K(CO) representativa del exceso de aire L.In the exemplary embodiment of the mechanism according to the invention, shown in Figure 4, one and the same point or section of observation of the combustion flame 4 in the fire or combustion chamber 1 are represented on four CCD chambers 15, 16 , 17 and 18, which, due to the narrow-band filter located upstream 19, 20, 21 and 22, record the radiation intensities I at four different wavelength ranges of the radiation spectrum of the combustion flame 4. A from two of the recorded radiation intensities I, preferably located in band-free wavelength ranges, thermal radiation TS is determined by ratio pyrometry in device 6 downstream of CCD cameras 15, 16, 17 and 18 The other two radiation intensities are used for the determination of the BS band radiations emitted during the formation of CN and CO at the wavelength ranges of approximately 420 nm and / or around 450 nm. For this, the proportion of thermal radiation TS is subtracted from these radiation intensities I determined for CN and CO, so that the respective radiation of the BS band and, therefore, the formation rates K (CN) and
K (CO), from which the ratio K (CN) / K (CO) representative of excess air L. is formed in device 13.

Claims

1. Procedure for the determination of excess air (L) in a combustion process, in which the formation rates K (CN) and K (CO) of the reaction products CN and CO formed in combustion are determined, characterized in that the ratio K (CN) / K (CO) of the determined formation rates is formed as a representative variable of the excess air (L).

2. Method according to Claim 1, characterized in that the variable represented by the ratio K (CN) / K (CO) of the determined formation rates is formed as a control variable for a controller (14).

3. Method according to one of the preceding Claims, characterized in that the formation rates K (CN) and K (CO) are determined by emission spectroscopy of the radiation characteristic of the combustion flame (4).

4. Method according to at least one of Claims 1-2, characterized in that the formation rates K (CN) and K (CO) are determined from the radiation intensities (I) in at least four different length ranges wave of the radiation spectrum of the combustion flame (4), where the radiation intensities (I) are determined during the formation of CN and CO at two wavelength intervals and subtracts from these determined radiation intensities (I ) the thermal radiation (TS) determined from the radiation intensities (I) determined in the other two wavelength intervals according to the pyrometry of
relationship.

5. Mechanism for the determination of excess air (L) in a combustion process with a device (2, 3, 6) for the determination of the formation rates K (CN) and K (CO) of the reaction products CN and CO formed in combustion characterized in that a downstream device (13) is provided for the formation of the ratio K (CN) / K (CO) of the formation rates determined as a representative variable of excess air (L) .

6. Mechanism according to Claim 5, characterized in that the downstream device (13) is connected to a controller (14).

7. Mechanism according to Claim 5-6, characterized in that the device (2, 3, 6) for determining the formation rates K (CN) and K (CO) comprises an emission spectrometer.

8. Mechanism according to Claim 5-6, characterized in that the device (15, 16, 17, 18, 6) for determining the formation rates K (CN) and K (CO) has at least four chambers ( 15, 16, 17, 18), which record the radiation intensities (I) in at least four different wavelength ranges of the radiation spectrum of the combustion flame (4), and because a device (6 ) current under the chambers (15, 16, 17, 18), which determines in two of the wavelength intervals the radiation intensities (I) in the formation of CN and CO and subtracts from these determined radiation intensities ( I) the thermal radiation (TS) calculated by pyrometry of the ratio of the radiation intensities (I) determined in the other two wavelength intervals.