WO1991000978A1 - Vorrichtung zur regelung von feuerungsanlagen - Google Patents

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WO1991000978A1
WO1991000978A1 PCT/AT1990/000067 AT9000067W WO9100978A1 WO 1991000978 A1 WO1991000978 A1 WO 1991000978A1 AT 9000067 W AT9000067 W AT 9000067W WO 9100978 A1 WO9100978 A1 WO 9100978A1
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PCT/AT1990/000067
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Reinhard Padinger
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Forschungsgesellschaft Joanneum Gmbh
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/022—Regulating fuel supply conjointly with air supply 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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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • F23N2235/02—Air or combustion gas valves or dampers
    • F23N2235/06—Air or combustion gas valves or dampers at the air intake
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/16—Controlling secondary air

Definitions

  • the invention relates to a device for regulating and / or controlling the combustion of combustion processes by determining the concentration of components of the flue gas.
  • incinerators The operation of incinerators is one of the most essential prerequisites for meeting the demands of today's human society.
  • a method for regulating the fuel flow and the energy supply is already known from DE-OS 2 656 840.
  • a disadvantage of such a method is that by regulating the fuel flow an adaptation to emerging Be drive states is possible only slowly, so that there is increased pollutant emissions.
  • the combustion air was mainly used to regulate the thermal output of a combustion system, whereby in the case of boiler firing, the boiler water temperature was mostly used as a control or control variable.
  • the output is often regulated by controlling the fuel supply.
  • the combustion air is no longer controlled with regard to the output control, but with a view to maintaining good combustion quality and high efficiency with low pollutant emissions. Due to the properties of the different fuels, this type of regulation is mostly limited to liquid or gaseous fuels.
  • the combustion air is also fed to a combustion system at at least two different locations. One (generally smaller) part of the combustion air is fed directly to the fuel and is generally referred to as primary air.
  • the other part of the combustion air is supplied in the area of the flame and is said to cause a certain amount of afterburning of the flue gases. This part of the combustion air is generally referred to as secondary air.
  • the combustion air flow must, on the one hand, be sufficiently large so that sufficient oxygen is available to achieve complete combustion. On the other hand, it should not be unnecessarily large, since excess combustion air inevitably has to be heated up in the course of the combustion. This generally leads to a reduction in the flame temperature and thus to poorer combustion, as well as to a decrease in the flue gas temperature and thus to a deterioration in the heat transfer in a downstream heat exchanger, so that ultimately the efficiency of the combustion system drops.
  • a suitable reference variable with the help of which the quality of the combustion can be recorded, or the question of a suitable control variable, which is regulated by the control system to a specific target value, the reference variable possibly with the The controlled variable can be identical.
  • the command or control variable should be easy to measure. It must also provide relevant information about the quality of the combustion. Furthermore, it should have a high gradient in the range of the setpoint, based on at least one manipulated variable of the combustion system (e.g. combustion air flow or fuel flow) and a small spread. Ultimately, the optimal setpoint of the command or control variable should be as constant as possible or independent of the operating conditions of the combustion system or other influences.
  • Carbon monoxide concentration in the flue gas can advantageously be used as a command or control variable.
  • the object of the present invention is to avoid these disadvantages and to provide a device for regulating the combustion air of combustion processes, which ensures a low concentration of pollutants in the exhaust gas even in unsteady operating states.
  • At least one measuring device is provided which is designed to record, in addition to carbon monoxide and hydrogen, at least one further oxidizable substance in the flue gas, preferably carbon, hydrocarbons or radicals, from sub-steps of the combustion process.
  • this control or control variable contains flue gas components such as hydrocarbons, carbon (soot) and radicals from partial combustion steps that go beyond the above-mentioned unburned substances hydrogen and carbon monoxide, which are emitted by combustion devices in the border area for complete combustion, and which, as will be described below, can be used particularly advantageously for combustion air control.
  • flue gas components such as hydrocarbons, carbon (soot) and radicals from partial combustion steps that go beyond the above-mentioned unburned substances hydrogen and carbon monoxide, which are emitted by combustion devices in the border area for complete combustion, and which, as will be described below, can be used particularly advantageously for combustion air control.
  • the present invention therefore relates to a control system for combustion plants in which, as a control or as a control variable, the concentration or the amount of unburned substances in the flue gas, in particular the concentration or the amount of those unburned substances which are in the sense of a combustion control per se are not to be regarded as pollutants. It should be anticipated from the further explanations that this variable can be detected easily, reliably and, moreover, inexpensively, for example using a fire detection sensor known per se, for example a ceramic semiconductor sensor based on tin-dioxide.
  • 1 and 2 show the results of combustion-technical investigations which were carried out by the patent applicant with the aid of a wood chip combustion plant. 1 and 2 show the dependence of the quantities previously used to assess the quality of the combustion
  • the straight curve sections each connect measuring points or measurement results obtained during stationary operation of the furnace.
  • the other combustion parameters in particular the fuel volume flow and the primary air mass flow, were in each case the same for the measuring points in a figure.
  • the results in FIG. 1 were obtained with a fuel volume flow of 33 ml / s and a primary air mass flow of 12 g / s.
  • the results in FIG. 2 were obtained with a fuel volume flow of 33 ml / s and a primary air mass flow of 8 g / s. 1 and 2 thus represent the characteristic maps of the stationary operating points of the furnace for a specific fuel volume flow and for two specific primary air mass flows with different ones
  • Carbon dioxide concentration and combustion chamber temperature are therefore only very suitable as a reference or control variable.
  • the oxygen concentration on the other hand, has a certain gradient in relation to the secondary air mass flow. Nevertheless, she comes as a manager. Controlled variable only considered to a limited extent.
  • the limit of the oxygen content at which the combustion is just optimal is approximately 11% in the case of FIG. 1 (at 9% considerable pollutants are already emitted) and in the case of Fig. 2 at about 9%.
  • the optimal oxygen content in the flue gas is not always the same, but depends on certain conditions during combustion (e.g. primary air mass flow, fuel quality, transient processes and incorrect air).
  • the oxygen concentration in the flue gas is sometimes subject to stochastic fluctuations due to stochastic fluctuations in the conditions in the combustion chamber (e.g. bulk density of the ember; average period of up to approx. 3 minutes), which are greater than the mean change in the oxygen concentration in the range relevant for regulation .
  • the setpoint In the case of combustion regulation indirectly by regulating the oxygen content in the flue gas to a specific setpoint, the setpoint must therefore be changed in accordance with the circumstances mentioned, and it must also be chosen sufficiently high that the stochastic fluctuations remain unaffected and also in the worst case Pollutant emissions are excluded.
  • the lowest possible combustion air volume and thus the highest possible efficiency cannot always be achieved with this.
  • the stochastic fluctuations could be smoothed out by averaging, but then there are generally control-related problems due to the signal delays or dead times associated with averaging, which means that the control can react very clumsily to interference and that the stability of the control does not more can be guaranteed.
  • the pollutants carbon monoxide (5) and hydrocarbons (3) or their concentrations in the flue gas would in principle be conceivable as reference variables, but since every regulation has one certain gradients of the command or control variable in relation to the manipulated variables (in the present case the secondary air mass flow) in the relevant control range is required to function, a furnace with such a control can only be operated in an area in which it is undesirably high already emitted pollutants. It is therefore not possible to maintain a safety distance from the area of pollutant emissions because the safety distance cannot be recognized by the pollutant sensor. Therefore, such a regulation will not be able to avoid to a certain extent, at least temporarily, increased pollutant emissions, especially in transient processes.
  • the course of the signal of the sensor for unburned substances (7) is particularly important for a control, in the present case the signal of a commercially available fire alarm sensor.
  • this sensor essentially consists of a heated tin-dioxide semiconductor, on the surface of which at least partial oxidation of unburned substances takes place, with charge carriers being activated, which decisively influence the conductivity of the semiconductor.
  • the sensor therefore reacts in principle to unburned substances.
  • the sensor naturally also reacts to unburned pollutants such as carbon monoxide and hydrocarbons, it apparently also reacts to unburned substances in the flue gas which are not carbon monoxide or hydrocarbons, but which are emitted to an increasing extent in the optimum combustion range.
  • the signal from the sensor in the area before the start of the pollutant emission or the concentration of unburned substances in the flue gas, which are not classified as pollutants in the sense of a combustion regulation and which are emitted in the immediate vicinity of the area of the pollutant emission, is therefore a reference variable for the regulation a furnace of particular importance, as it provides direct information about the distance to the pollutant emission limit and in the relevant control range, especially in the immediate vicinity of the Pollutant emission, has a steep gradient with respect to at least one manipulated variable (in the case under consideration the secondary air mass flow).
  • Fig. 3 shows an example of the control scheme of a possible implementation of such a control.

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Abstract

Bei der Regelung von Feuerungsanlagen besteht die Forderung, die zugeführte Verbrennungsluftmenge einerseits hinreichend groß zu halten, so daß genügend Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht, andererseits soll die Verbrennungsluftmenge möglichst nahe an dem hierzu möglichen Minimum gehalten werden, um unnötigen Luftüberschuß zu vermeiden. Die gegenständliche Erfindung betrifft daher eine Vorrichtung zur Regelung von Feuerungsanlagen, bei der als Führungs- bzw. Regelgröße die Konzentration an unverbrannten Stoffen im Rauchgas, die beispielsweise mit Hilfe eines an sich bekannten einfachen Brandmeldesensors erfaßt werden kann, verwendet wird.

Description

Vorrichtung zur Regelung von Feuerungsanlagen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung und/oder Steuerung der Verbrennung von VerbrennungsVorgängen durch Bestimmung der Konzentration von Komponenten des Rauchgases.
Der Betrieb von Verbrennungseinrichtungen ist eine der wesentlichsten Voraussetzungen für die Erfüllung der Ansprüche der heutigen menschlichen Gesellschaft.
Die Bedeutung des Betriebs von Verbrennungseinrichtungen beschränkt sich nicht nur auf die Bereitstellung von Wärme und Kraft zur momentanen Bedarfsdeckung, sondern die Möglichkeiten der Verfeuerung von Brennstoffen (bzw. Kraft- oder Treibstoffen) sind von grundlegender Bbedeutung für die künftige Entwicklung der Industriegesellschaft. Dabei zeigt sich in zunehmendem Maße, daß durch den Betrieb von Verbrennungseinrichtungen aufgrund der Emissionen dieser Einrichtungen sowie aufgrund des Verbrauchs gegebenenfalls unwiederbringlicher Brennstoffe sowohl lokal als auch global erhebliche Schäden verursacht werden können.
Es besteht daher der Wunsch, die Verbrennung in Hinblick auf minimale Schadstoffmission sowie in Hinblick auf bestmögliche Ausnützung des Brennstoffes, d.h. auf größtmöglichen Wirkungsgrad, zu optimieren.
In diesem Zusammenhang kommt neben der geometrischen Gestaltung der Komponenten der Verbrennungseinrichtungen und der Materialwahl der Rregelung der Einrichtungen besondere Bedeutung zu. Hierzu ist seit langem bekannt, daß eine Veränderung der Verbrennungsluft und des zugeführten Brennstoffstroms sehr großen Einfluß sowohl auf die Abbrandgeschwindigkeit als auch auf die Qualität, d.h. auf die Vollständigkeit der Verbrennung hat. Daher sind Verbrennungsluftstrom und Brennstoffström als wichtige Stellgrößen bei der Regelung von Verbrennungseinrichtungen, insbesondere von Feuerungsanlagen anzusehen.
Zur Regelung des Brennstoffstroms bzw. der Energiezufuhr ist aus der DE-OS 2 656 840 bereits ein Verfahren bekannt.
Nachteilig bei einem solchen Verfahren ist, daß durch die Regelung des Brennstoffstroms eine Anpassung an neuauftretende Be triebszustände nur langsam möglich ist, sodaß es dabei zu erhöhtem Schadstoffaustoß kommt.
In früherer Zeit wurde vor allem die Verbrennungsluft zur Regelung der Wärmeleistung einer Feuerungsanlage herangezogen, wobei im Falle einer Kesselfeuerung meist die Kesselwassertemperatur als Führungs- bzw. als Regelgröße eingesetzt wurde. Hingegen erfolgt in der heutigen Feuerungstechnik die Leistungsregelung vielfach auch durch Steuerung der Brennstoffzuführung. Die Steuerung der Verbrennungsluft erfolgt dabei nicht mehr in Hinblick auf die Leistungsregelung sondern in Hinblick auf die Erhaltung einer guten Verbrennungsqualität bzw. eines hohen Wirkungsgrades bei geringer Schadstoffemission. Aufgrund der Eigenschaften der verschiedenen Brennstoffe ist diese Art der Regelung meist auf flüssige oder gasförmige Brennstoffe beschränkt. Sehr oft wird neuerdings die Verbrennungsluft auch an zumindest zwei verschiedenen Stellen einer Feuerungsanlage zugeführt. Der eine (im allgemeinen kleinere) Teil der Verbrennungsluft wird dem Brennstoff unmittelbar zugeführt und wird im allgemeinen als Primärluft bezeichnet. Der andere Teil der Verbrennungsluft wird im Bereich der Flamme zugeführt und soll eine gewisse Nachverbrennung der Rauchgase bewirken. Dieser Teil der Verbrennungsluft wird im allgemeinen als Sekundärluft bezeichnet.
Der Verbrennungsluftstrom muß einerseits hinreichend groß sein, damit ausreichend Sauerstoff zur Erreichung einer vollständigen Verbrennung zur Verfügung steht. Sie soll andererseits nicht unnötig groß sein, da überschüssige Verbrennungsluft im Zuge der Verbrennung zwangsläufig aufgeheizt werden muß. Dies führt im allgemeinen sowohl zu einer Verringerung der Flammentemperatur und damit zu einer schlechteren Verbrennung, als auch zu einer Verringerung der Rauchgastemperatur und damit zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs in einem nachgeschalteten Wärmetauscher, sodaß letztlich der Wirkunsggrad der Feuerungsanlage absinkt.
Generell besteht somit die Forderung, den Verbrennungsluftstrom bei gegebenem Brennstoffström möglichst klein zu halten ohne jedoch das für einen vollständigen Ausbrand erforderliche Minimum zu unterschreiten bzw. den Brennstoffström bei gegebenem Verbrennungsluftstrom möglichst groß zu halten, ohne jedoch das un ter Wahrung eines vollständigen Ausbrandes mögliche Maximum zu überschreiten.
Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Frage nach einer geeigneten Führungsgröße, mit deren Hilfe die Qualität der Verbrennung erfaßt werden kann, bzw. die Frage nach einer geeigneten Regelgröße, die durch das Regelungssystem auf einen bestimmten Sollwert geregelt wird, wobei die Führungsgröße unter Umständen mit der Regelgröße identisch sein kann.
Die Führungs- bzw. Regelgröße soll leicht meßbar sein. Sie muß weiters eine relevante Information über die Qualität der Verbrennung darstellen. Sie soll weiters im Bereich des Sollwertes einen hohen Gradienten, bezogen auf zumindest eine Stellgröße der Feuerungsanlage (z.B. Verbrennungsluftstrom oder Brennstoffstrom) sowie eine geringe Streubreite au-fweisen. Letztlich soll der optimale Sollwert der Führungs- bzw. Regelgröße möglichst konstant bzw. unabhängig von den Betriebsbedingungen der Feuerungsanlage oder von anderweitigen Einflüssen sein.
Als Führungs- bzw. Regelgrößen für die Steuerung der Stellgrößen, insbesondere des Verbrennungsluftstroms und des BrennstoffStroms, werden neben der bereits erwähnten Kesselwassertemperatur unter anderem folgende Größen eingesetzt:
- Temperaturen im Bereich der Verbrennung Flammtemperatur, Brennkammertemperatur, Rauchgastemperatur u.dgl.)
- die Kohlendioxidkonzentration im Rauchgas
- die Sauerstoffkonzentrat ion im Rauchgas.
Darüberhinaus ist aus der DD-PS 257558 A3 bekannt, daß die
- Wasserstoffkonzentration und die
- Kohlenmonoxidkonzentration im Rauchgas vorteilhaft als Führungs- bzw. Regelgröße eingesetzt werden können.
Wie nachstehend beschrieben wird, erfüllen die angeführten Führungs- bzw. Regelgrößen die oben beschriebenen Anforderungen nur beschränkt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung zur Regelung der Verbrennungsluft von Verbrennungsvorgängen zu schaffen, die auch in instationären Betriebszustanden eine niedrige Konzentration von Schadstoffen im Abgas gewährleistet.
Hingegen konnte neuheitlich festgestellt werden, daß die Konzentration aller unverbrannter Stoffe im Rauchgas eine Führungs- bzw. Regelgröße darstellt, die die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt und die gegenüber den bisher bekannten Führungs- bzw. Regelgrößen sehr wesentliche Vorteile aufweist.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß zumindest eine Meßvorrichtung vorgesehen ist die darauf abgestimmt ist, zusätzlich zuKohlenmonoxid und Wasserstoff zumindest einen weiteren oxydierbaren Stoff im Rauchgas, vorzugsweise Kohlenstoff, Kohlenwasserstoffe oder Radikale aus Teilschritten des Verbrennungsprozesses zu erfassen.
Ein besonderer Vorteil liegt bereits allein darin, daß die Konzentration an unverbrannten Stoffen in Rauchgas mit sehr einfachen Sensoren, beispielsweise mit einem an sich bekannten Braendmeldesensor, beispielsweise einem auf Zinn-Dioxyd-Basis arbeitenden keramischen Halbleitersensor, im Vergleich zu allen anderen genannten bzw. bekannten Führungs- bzw. Regelgrößen leicht, zuverlässig und darüberhinaus besonders kostengünstig meß- bzw. erfaßbar ist.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß diese Führungs- bzw. Regelgröße über die obengenannten unverbrannten Stoffe Wasserstoff und Kohlenmonoxid hinausgehend Rauchgasbestandteile wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoff (Ruß) sowie Radikale aus Teilschritten der Verbrennung beinhaltet, die von Verbrennungseinrichtungen im Grenzbereich zur vollständigen Verbrennung emittiert werden, und die, wie nachstehend beschrieben wird, für eine Verbrennungsluf tregelung besonders vorteilhaft nutzbar sind.
Von besonderer Bedeutung als Führungsgröße sind naturgemäß vorwiegend jene unverbrannten Stoffe im Rauchgas, die im Sinne einer Verbrennungsregelung an sich nicht als Schadstoffe zu bezeichnen sind. Kohlenstoff oder Wasserstoff, die jedoch gewissermaßen Vorboten einer schlechten Verbrennung bzw. Schadstoffemission darstellen können.
Die gegenständliche Erfindung bezieht sich daher auf ein Regelungssystem für Feuerungsanlagen, in dem als Führungs- bzw, als Regelgröße die Konzentration bzw. die Menge an unverbrannten Stoffen im Rauchgas, insbesondere die Konzentration bzw. die Menge an jenen unverbrannten Stoffen, die im Sinne einer Verbrennungsregelung an sich nicht als Schadstoffe aufzufassen sind, herangezogen wird. Es sei den weiteren Erläuterungen vorweggenommen, daß diese Größe beispielsweise mit einem an sich bekannten Brandmeldesensor, beispielsweise einem auf Zinn-Dioxyd Basis arbeitenden keramischen Halbleitersensor, leicht, zuverlässig und darüberhinaus kostengünstig erfaßt werden kann.
Die Vorteile der neuartigen Führungs- bzw. Regelgröße werden nun beispielhaft für einen Fall, in dem der Sekundärluftmassenstrom als Stellgröße verwendet wird, anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die Ergebnisse von verbrennungstechnischen Untersuchungen, die vom Patentanmelder mit Hilfe einer Holzhackgutfeuerungsanlage durchgeführt wurden. Man erkennt in den Fig. 1 und 2 die Abhängigkeit der bisher für die Beurteilung der Qualität der Verbrennung herangezogenen Größen
- Wärmeleistung (1)
- Sauerstoffkonzentration im Rauchgas (2)
- Kohlenwasserstoffkonzentration im Rauchgas (3)
- Kohlendioxidkonzentration im Rauchgas (4)
- Kohlenmonoxidkonzentraion im Rauchgas (5)
- Sekundärbrennkammertemperatur (6) sowie die Abhängigkeit des Signals eines handelsüblichen Sensors für die Erfassung der erfindungsgemäßen - Konzentration an unverbrannten Stoffen im Rauchgas (7) vom Sekundärluftmassenstrom.
Die geraden Kurvenabschnitte verbinden jeweils Meßpunkte bzw. Meßergebnisse, die bei stationärem Betrieb der Feuerungsanlage gewonnen wurden.
Die übrigen Verbrennungsparameter, insbesondere der Brennstoffvolumenstrom und der Primärluftmassenstrom waren für die Meßpunkte einer Fig. jeweils gleich. Die Ergebnisse in Fig. 1 wurden bei einem Brennstoffvolumenstrom von 33 ml/s und einem Primärluftmassenstrom von 12 g/s gewonnen. Die Ergebnisse in Fig. 2 wurden bei einem Brennstoffvolumenstrom von 33 ml/s und einem Primärluftmassenstrom von 8 g/s gewonnen. Somit stellen die Fig. 1 und 2 die Kennfelder der stationären Betriebspunkte der Feuerungsanlage für einen bestimmten Brennstoffvolumenstrom und für zwei bestimmten Primärluftroassenströme bei unterschiedlichen
Sekundärluftmassenströmen dar. Anhand der Kurvenverläufe werden nun die Vorteile der Konzentration bzw. Menge an unverbrannten Stoffen im Rauchgas als Führungs- bzw. Regelgröße gegenüber den bisher bekannten Führungs- bzw. Regelgrößen verdeutlicht.
Man erkennt in den Fig. 1 und 2 ein außerordentlich starkes Ansteigen der Schadstoffkonzentrationen Kohlenmonoxid ( 5 ) und Kohlenwasserstoffe (3) bei Verringerung des
Sekundärluftmassenstroms unter einen Wert von ca. 27 g/s. Aufgrund des minimalen Luftüberschusses bei gleichzeitig nahezu vollständiger Verbrennung erreichen Wärmeleistung (1) und damit auch Wirkungsgrad an dieser Stelle ihr Maximum. Die Werte der Sauerstoffkonzentration (2) ändern sich nur wenig, jene der Kohlendioxidkonzentration (4) und der Brennkammertemperatur (6) nahezu überhaupt nicht.
Kohlendioxidkonzentration und Brennkammertemperatur sind daher als Führungs- bzw. Regelgröße nur sehr beschränkt geeignet. Die Sauerstoffkonzentration hingegen weist im wesentlichen Bereich einen gewissen Gradienten in Bezug auf den Sekundärluftmassenstrom auf. Trotzdem kommt sie als Führungsbzw. Regelgröße nur bedingt in Betracht. Wie ein Vergleich der Fig. 1 und 2 zeigt , liegt die Grenze des Sauerstoffgehaltes , bei der die Verbrennung gerade optimal ist, im Fall von Fig. 1 bei ca. 11% (bei 9% werden bereits erheblich Schadstoffe emittiert) und im Fall von Fig. 2 bei ca. 9%. Offenbar ist der optimale Sauerstoffgehalt im Rauchgas nicht immer gleich, sondern hängt von bestimmten Gegebenheiten bei der Verbrennung ab (beispielsweise Primärluftmassenstrom, Brennstoffbeschaffenheit, instationäre Vorgänge und Falschluft). Darüberhinaus unterliegt die Sauerstoffkonzentration im Rauchgas aufgrund von stochastischen Schwankungen der Bedingungen in der Brennkammer (z.B. Schüttdichte des Glutstocks; mittlere Periodendauer bis zu ca. 3 Minuten) bisweilen ebenfalls stochastischen Schwankungen, die größer sind als die mittlere Änderung der Sauerstoffkonzentration im für eine Regelung maßgeblichen Bereich. Im Fall einer Regelung der Verbrennung indirekt durch Regelung des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas auf einen bestimmten Sollwert muß daher der Sollwert den genannten Gegebenheiten entsprechend verändert werden, und er ist darüberhinaus ausreichend hoch zu wählen, so daß die stochastischen Schwankungen ohne Einfluß bleiben und auch im ungünstigsten Fall Schadstoffemissionen ausgeschlossen werden. Damit kann jedoch nicht immer die geringstmögliche Verbrennungsluftroenge und damit der größtmögliche Wirkungsgrad erreicht werden. Die stochastischen Schwankungen könnten zwar durch eine Mittelwertbildung geglättet werden, jedoch ergeben sich dann im allgemeinen regelungstechnische Probleme aufgrund der mit der Mittelwertbildung verbunden Signalverzögerungen bzw. Totzeiten, das heißt, daß die Regelung auf Störeinflüsse nur sehr schwerfällig reagieren kann und daß die Stabilität der Regelung nicht mehr gewährleistet sein kann.
Die Schadstoffe Kohlenmonoxid (5) und Kohlenwasserstoffe (3) bzw. ihre Konzentrationen im Rauchgas wären als Führungsgrößen zwar prinzipiell denkbar, da jedoch jede Regelung einen gewissen Gradienten der Führung- bzw. Regelgröße in Bezug auf die Stellgrößen (im vorliegenden Fall der Sekundärluftmassenstrom) im maßgeblichen Regelbereich braucht um zu funktionieren, kann eine Feuerungsanlage mit einer derartigen Regelung nur in einem Bereich betrieben werden, in dem sie in einem unerwünscht hohen Maß bereits Schadstoffe emittiert. Das Einhalten eines Sicherheitsabstandes zum Bereich der Schadstoffemission ist daher nicht möglich, da der Sicherheitsabstand vom Schadstoffsensor nicht erkannt werden kann. Daher wird eine derartige Regelung vor allem in instationären Vorgängen in einem gewissen Maß zumindestens vorübergehend erhöhte Schadstoffemissionen nicht vermeiden können.
Besonders bedeutsam für eine Regelung ist hingegen der Verlauf des Signals des Sensors für unverbrannte Stoffe (7), im gegenständlichen Fall das Signal eines handelsüblichen Brandmeldesensors. Dieser Sensor besteht im gegenständlichen Fall im wesentlichen aus einem beheizten Zinn-Dioxyd Halbleiter, an dessen Oberfläche eine zumindest teilweise Oxidation unverbrannter Stoffe stattfindet, wobei Ladungsträger aktiviert werden, die die Leitfähigkeit des Halbleiters entscheidend beeinflussen. Der Sensor reagiert daher prinzipiell auf unverbrannte Stoffe. Der Sensor reagiert zwar naturgemäß auch auf unverbrannte Schadstoffe wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, er reagiert jedoch offenbar auch auf unverbrannte Stoffe im Rauchgas, die nicht Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe sind, die aber im Grenzbereich der optimalen Verbrennung in zunehmendem Maß emittiert werden. Das Signal des Sensors im Bereich vor Beginn der Schadstoffemission bzw. die Konzentration an unverbrannten Stoffen im Rauchgas, die im Sinne einer Verbrennungsregelung nicht als Schadstoffe zu bezeichnen sind und die in unmittelbarer Nähe des Bereichs der Schadstoffemission emittiert werden, ist daher als Führungsgröße für die Regelung einer Feuerungsanlage von besonderer Bedeutung, da es eine direkte Information über den Abstand zur Schadstoffemissionsgrenze darstellt und im maßgeblichen Regelbereich, insbesondere in unmittelbarer Nähe zur Schadstoffemission, einen steilen Gradienten in Bezug auf zumindest eine Stellgröße (im betrachteten Fall den Sekundärluftmassenstrom) aufweist. Wie der nahezu gleiche Verlauf von Kurve (7) in den beiden Fig. 1 und 2 zeigt, ist darüberhinaus der Sollwert des Signals des Sensors für unverbrannte Stoffe, auf den die Feuerungsanlage geregelt werden soll um optimal zu verbrennen, im wesentlichen unabhängig von den Betriebsbedingungen der Feuerungsanlage. Mit Hilfe der Konzentration an unverbrannten Stoffen im Rauchgas, insbesondere jener unverbrannten Stoffen, die im Sinne der Regelung von Feuerungsanlagen an sich nicht als Schadstoffe anzusehen sind, als Führungs- bzw. Regelgröße ist es daher möglich, die Stellgrößen der Regelung, beispielsweise den Sekundärluftmassenstrom, auch bei unterschiedlichen sonstigen Verbrennungbedingungen sehr nahe an die Schadstoffemissionsgrenze heranzuführen und damit die Feuerungsanlage im Bereich des größtmöglichen Wirkungsgrades zu betreiben, dabei jedoch den gewünschten Sicherheitsabstand zur Schadstoffemissionesgrenze einzuhalten, der gewährleitet, daß auch unter stark instationären Verbrennungsbedingungen Schadstoffemissionen vermieden bzw. minimal gehalten werden.
Fig. 3 zeigt beispielhaft das Regelungsschema einer möglichen Ausführung einer derartigen Regelung.
Die wesentliche Verbesserung einer ι Regelung mit der Konzentration an unverbrannten Stoffen im Rauchgas als Führungs- bzw. Regelgröße gegenüber einer Regelung mit bisher bekannten Führungs- bzw. Regelgrößen konnte durch den Patentanmelder bereits experimentell bestätigt werden. Hierzu wurde einer Holzhackgutfeuerungsanlage beispielhaft eine Störung in Form einer sprunghaften Verdoppelung des Brennstoffvolumenstromes von 50% auf 100% des Nennbrennstoffvolumenstromes aufgeprägt. (Erfahrungsgemäß stellt die sprunghafte Erhöhung des BrennstoffStroms eine der härtesten Prüfungen einer Regelung für Feuerungsanlagen in Hinblick auf die Vermeidung von Schadstoffemissionen und die Erhaltung eines optimalen Wirkungsgrades dar.) Fig. 4 zeigt den Zeitverlauf der wesentlichen Verbrennungsgrößen bei konventioneller Regelung. Fig. 5 zeigt den Zeitverlauf der selben Größen bei Regelung des Sekundärluftmassenstromeβ mit der Konzentration an unverbrannten Stoffen im Rauchgas als Führungsgröße. Der Vergleich der beiden Fig. zeigt, daß bei Regelung der Sekundärluft mit der Konzentration an unverbrannten Stoffen im Rauchgas als Führungsgröße die Schadstoffemissionen Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe nach der Systemstörung wesentlich geringer sind, als bei konventionel ler Regelung.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur Regelung und/oder Steuerung der Verbrennungsluft von Verbrennungsvorgängen durch Bestimmung der Konzentration von Komponenten des Rauchgases, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Meßvorrichtung vorgesehen ist, die darauf abgestimmt ist, zusätzlich zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff zumindest einen weiteren oxidierbaren Stoff im Rauchgas, vorzugsweise Kohlenstoff, Kohlenwasserstoffe oder Radikale aus Teilschritten des Verbrennungsprozesses, zu erfassen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung und/oder Steuerung der Verbrennungsvorgänge in Hinblick auf eine möglichst geringe Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffemission hin erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung einen Sensor enthält, der auf der Basis der Oxidation unverbrannter Rauchgaskomponenten beruht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Halbleitersensor, vorzugsweise als keramischer Halbleitersensor ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein an sich bekannter Brandmeldesensor vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalausgang der Meßvorrichtung an eine Regelungseinrichtung angeschlossen ist, die mit zumindest einem Stellglied für zumindest einen Teil des Zustroms an Verbrennungsluft verbunden ist.
7 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet , daß der Signalausgang der Meßvorrichtung an eine Regelungseinrichtung angeschlossen ist, die mit zumindest einem Stel lglied für zumindest einen Teil des Zustroms an Brennstoff verbunden ist .
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet , daß zusätzlich zur Meßvorrichtung für oxidierbare Komponenten des Rauchgases mindestens eine weitere Meßvorrichtung zur Bestimmung änderer Verbrennnungsparameter wie beispielsweise die Brennraumtemperatur oder die Konzentration eines weiteren Stoffes vorgesehen ist .
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung an eine gegebenenfal ls elektronische Regeleinrichtung angeschlossen ist , die nach proportionalen und/oder integralen und/oder differentiel len Regelungsalgorithmen ( PID-Regelung ) arbeitet.
10 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung so gestaltet ist , daß sie an bereits bestehende Verbrennungseinrichtungen gegebenenfal l s nachträglich angebaut bzw . in bereits bestehende Verbrennungseinrichtungen gegebenenfalls nachträglich eingebaut werden kann.
11 . Verfahren zur Regelung von Verbrennungsprozessen durch Bestimmung der Konzentration von Komponenten des Rauchgases , dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff zumindest ein weiterer oxidierbarea: Stoff im Rauchgas , vorzugsweise Kohlenstoff , Kohlenwasserstoffe oder Radikale aus Teilschritten des Verbrennungsprozesses durch Messung erfaßt wird.
PCT/AT1990/000067 1989-07-07 1990-07-09 Vorrichtung zur regelung von feuerungsanlagen WO1991000978A1 (de)

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AT165889 1989-07-07
ATA1658/89 1989-07-07

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