Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung sowie zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozess

Abstract

 Zur Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß werden Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO ermittelt; anschließend wird das Verhältnis K(CN)/K(CO) als eine den Luftüberschuß repräsentierende Größe ermittelt, die als Regelgröße zur Regelung des Luftüberschusses herangezogen werden kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß.

[0003] Schließlich betrifft die Erfindung jeweils eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung bzw. Regelung des Luftüberschusses.

[0004] Aus der EP 0 612 961 A2 ist es bekannt, die Bildungsraten von während eines Verbrennungsprozesses gebildeten Reaktionsprodukten, insbesondere die Moleküle und Radikale CO, C₂, CH, CN, OH, und NH, mittels Emissionsspektroskopie aus der Eigenstrahlung der Verbrennungsflamme zu ermitteln und für die Steuerung oder Regelung des Verbrennungsprozesses heranzuziehen. Dazu wird mittels eines Emissionsspektrometers das Strahlungsspektrum der Verbrennungsflamme untersucht, wobei die Bandenstrahlung der ausgewählten Moleküle und Radikale detektiert wird. Der Bandenstrahlung ist eine Temperaturstrahlung überlagert, die in einem oder mehreren bandenfreien Wellenlängenbereichen nach der Verhältnispyrometrie ermittelt und bei der Ermittlung der Bildungsraten berücksichtigt wird.

[0005] Die ermittelten Bildungsraten der ausgewählten Reaktionsprodukte sind für die Steuerung oder Regelung des Verbrennungsprozesses nur bedingt geeignet, da sie unter anderem von der Größe und Position des beobachteten Ausschnitts der Verbrennungsflamme sowie von der durch die Masse der zugeführten Brennstoffe gesteuerten Reaktionshäufigkeit beeinflußt sind.

[0006] Ein wesentliches Maß für die Güte einer Verbrennung ist der Luftüberschuß. Dieser bezeichnet das Luft-/Brennstoffverhältnis, welches dann eins ist, wenn genauso viel Luft bzw. Sauerstoff zugeführt wird, wie für den Verbrennungsprozeß benötigt wird. Ein Luftüberschuß kleiner als eins, also eine zu geringe Luftzufuhr, führt zu einer unvollständigen Verbrennung, während ein Luftüberschuß größer als eins, bzw. zu viel eingeblasene Luft, unter anderem zu einer Konzentration des Verbrennungsprozesses am Brennermund mit der Folge erhöhter Verbrennungstemperaturen führt. Außerdem ist das Einblasen und Erhitzen größerer Luftmengen mit entsprechenden Energieverlusten verbunden.

[0007] Bisher konnte der Luftüberschuß nur über Messungen der dem Verbrennungsprozeß zugeführten Brennstoff- und Luftmenge bestimmt werden, wobei eine exakte Messung der Brennstoffmenge, insbesondere bei Kohle, sehr aufwendig und ungenau ist. Eine lokale Auflösung des Luftüberschusses innerhalb der Verbrennungsflamme und oft auch eine Aufteilung der Brennstoffmengen auf verschiedene Brenner waren nur über theoretische Betrachtungen, nicht aber durch Messungen möglich. Dementsprechend war eine Regelung des Verbrennungsprozesses bisher nur bedingt brennerspezifisch möglich und darüber hinaus träge.

[0008] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst schnelle, einfache und ortsauflösende Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß zu ermöglichen und im weiteren damit den Verbrennungsprozeß zu regeln.

[0009] Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Verfahren bzw. die in den Ansprüchen 5 und 6 angegebenen Vorrichtungen gelöst.

[0010] Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen sind den Unteransprüchen 3 und 4 bzw. 7 und 8 zu entnehmen.

[0011] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein abnehmender Luftüberschuß aufgrund unvollständiger Verbrennung zu einer erhöhten CO-Bildung führt, während ein zunehmender Luftüberschuß aufgrund der erhöhten Verbrennungstemperatur zu einer erhöhten CN-Bildung führt. Erst bei einem deutlich überhöhten Luftüberschuß kann die zuviel eingeblasene Luft zur Kühlung beitragen und dadurch die CN-Bildung wieder verringern. Das Verhältnis der Bildungsraten von CN und CO bildet also in der Umgebung des Luftüberschußwertes eins, wenn also ein Großteil der Luft zur Verbrennung beiträgt, ein geeignetes Maß, um den Luftüberschuß zu bestimmen und im weiteren damit den Verbrennungsprozeß, insbesondere die zugeführte Luft und/oder deren Verteilung, zu regeln. Durch die Bildung des Verhältnisses der Bildungsraten von CN und CO werden außerdem die oben genannten und die Ermittlung der Bildungsraten beeinträchtigenden Einflußgrößen, wie z.B. die Größe und Position des beobachteten Ausschnitts der Verbrennungsflamme, eliminiert, weil sie die Bildungsraten von CN und CO gleichermaßen beeinflussen.

[0012] Die Ermittlung der Bildungsraten von CN und CO kann in an sich bekannter Weise mittels Emissionspektroskopie erfolgen. Vorzugsweise werden mit mindestens vier Kameras die Bildungsraten von CN und CO aus den Strahlungsintensitäten in mindestens vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme ermittelt, indem in zwei Wellenlängenbereichen die Strahlungsintensitäten bei der Bildung von CN und CO ermittelt werden und von diesen ermittelten Strahlungsintensitäten die aus den in den zwei anderen Wellenlängenbereichen ermittelten Strahlungsintensitäten nach der Verhältnispyrometrie bestimmte Temperaturstrahlung subtrahiert wird. Da jede der Kameras nur einen schmalbandigen Wellenbereich des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme erfaßt, kann in der Praxis im Unterschied zu Spektrometern, die eine hohe Frequenz- aber geringe Ortsauflösung aufweisen, der Luftüberschuß mit hoher Ortsauflösung und schnell bestimmt werden und somit als geeignete Regelgröße für die Regelung des Luftüberschusses im Verbrennungsprozeß herangezogen werden.

[0013] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Figur 1

ein Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und nachfolgenden Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß,

Figur 2

ein Beispiel für das Strahlungsspektrum einer Verbrennungsflamme in einem Beobachtungspunkt,

Figur 3

beispielhaft die Abhängigkeit der CN- und CO-Bildung sowie deren Verhältnis von dem Luftüberschuß bei einem Verbrennungsprozeß und

Figur 4

ein weiteres Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß.

[0014] In einem Feuer- oder Verbrennungsraum 1 einer nicht dargestellten Dampferzeugeranlage, z.B. einem fossilgefeuerten Dampferzeuger einer Kraftwerksanlage oder einer Müllverbrennungsanlage, findet ein Verbrennungsprozeß statt. Optische Sensoren 2 und 3 in Form von Spezialkameras erfassen in ausgewählten Beobachtungspunkten oder -ausschnitten das Strahlungsspektrum der Verbrennungsflammen 4. Die dabei erhaltenen Informationen 5 werden einer datenverarbeitenden Einrichtung 6 zugeführt, die aus den erfaßten Strahlungsspektren, z.B. mittels computertomographischer Rekonstruktion, eine räumliche Temperaturverteilung und dreidimensional ortsaufgelöste Profile der Bildungsraten K von ausgewählten, bei dem Verbrennungsprozeß entstehenden Reaktionsprodukten berechnet. Dabei werden die Temperatur durch Verhältnispyrometrie und die Bildungsraten K der Reaktionsprodukte durch Emissionsspektroskopie ermittelt. Die so ermittelten Bildungsraten K werden neben anderen Führungs- und Regelgrößen 8 einer Steuer- und Regeleinrichtung 9 zugeführt, die die Brennstoffzufuhr und -verteilung 10, die Luftzufuhr und -verteilung 11 sowie die Zufuhr und Verteilung 12 von Zuschlags- und Hilfsstoffen für den Verbrennungsprozeß steuert bzw. regelt.

[0015] Die für die Erfindung relevaten Bildungsraten K(CN) und K(CO) des Radikals CN und des Moleküls CO werden nach ihrer Ermittlung in der Einrichtung 6 einer Einrichtung 13 zugeführt, die das Verhältnis K(CN)/K(CO) dieser beiden Reaktionsprodukte bildet und als Regelgröße einer Regelung 14 für die Luftzufuhr und -verteilung aufgibt.

[0016] Figur 2 zeigt ein Beispiel für das Strahlungsspektrum einer Verbrennungsflamme 4 in einem Beobachtungspunkt, wobei die Strahlungsintensität I über der Wellenlänge λ aufgetragen ist. Die Strahlungsintensität I setzt sich im wesentlichen aus der Temperaturstrahlung TS (Planck-Strahlung) und der bei bestimmten Radikalenübergängen emittierten Bandenstrahlung BS (Chemolumineszenz) zusammen. Die für bestimmte Reaktionsprodukte, z.B. CH, charakteristischen Intensitätsspitzen sind hier gekennzeichnet, wobei im Rahmen der Erfindung die Intensitäten der bei der Bildung von CN bei etwa 420nm und von CO bei etwa 450nm entstehenden Bandenstrahlung BS interessieren. Der Temperaturanteil TS der für diese Reaktionsprodukte gemessenen Strahlungsuntensitäten I läßt sich bei bekannter Temperatur berechnen und subtrahieren. Dazu wird die Temperaturstrahlung TS nach der Verhältnispyrometrie aus Wellenlängen λ bestimmt, bei denen keine Radikalenübergänge auftreten; die entsprechenden bandenfreien Wellenlängenbereiche finden sich in der Regel im roten oder infraroten Bereich.

[0017] Figur 3 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der CN-Bildung und CO-Bildung von dem Luftüberschuß L bei dem Verbrennungsprozeß. Ein Luftüberschuß L kleiner als eins führt zu einer unvollständigen Verbrennung was mit einer erhöhten CO-Bildung verbunden ist. Zu viel eingeblasene Luft führt dagegen zu einer Konzentration des Verbrennungsprozesses an dem Brennermund mit der Folge erhöhter Verbrennungstemperaturen und daher höherer CN-Bildung. Wird im erhöhtem Maße zuviel Luft eingeblasen, kann dies wiederum zur Kühlung beitragen und dadurch die CN-Bildung verringern. Wie Figur 3 zeigt, bildet das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten von CN und CO im Regelbereich R um den Luftüberschußwert L=1 ein geeignetes Maß, um den lokalen Luftüberschuß L zu bestimmen und damit den Verbrennungsprozeß, hier insbesondere die Luftzufuhr und -verteilung 11 zu regeln.

[0018] Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein und derselbe Beobachtungspunkt oder -ausschnitt der Verbrennungsflamme 4 in dem Feuer- oder Verbrennungsraum 1 auf vier CCD-Kameras 15, 16, 17 und 18 abgebildet, die aufgrund vorgeschalteter schmalbandiger Filter 19, 20, 21 und 22 die Strahlungsintensitäten I in vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme 4 erfassen. Aus zwei der erfaßten Strahlungsintensitäten I, die vorzugsweise in bandenfreien Wellenlängenbereichen liegen, wird in der den CCD-Kameras 15, 16, 17 und 18 nachgeordneten Einrichtung 6 nach der Verhältnispyrometrie die Temperaturstrahlung TS ermittelt. Die beiden anderen Strahlungsintensitäten werden zur Bestimmung der bei der Bildung von CN und CO emittierten Bandenstrahlungen BS in den Wellenlängenbereiche um 420 nm bzw. um 450 nm herangezogen. Dazu wird von diesen für CN und CO ermittelten Strahlungsintensitäten I der Anteil der Temperaturstrahlung TS subtrahiert, so daß die jeweiligen Bandenstrahlungen BS und damit die Bildungsraten K(CN) und K(CO) erhalten werden, aus denen in der Einrichtung 13 das den Luftüberschuß L repräsentierende Verhältnis K(CN)/K(CO) gebildet wird.

Ansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß, indem die Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO ermittelt werden und das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als eine den Luftüberschuß (L) repräsentierende Größe gebildet wird.

2. Verfahren zur Regelung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß, indem die Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO ermittelt werden und das Verhältnis K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als Regelgröße für die Regelung (14) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildungsraten K(CN) und K(CO) mittels Emissionsspektroskopie aus der Eigenstrahlung der Verbrennungsflamme (4) ermittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildungsraten K(CN) und K(CO) aus den Strahlungsintensitäten (I) in mindestens vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme (4) ermittelt werden, indem in zwei Wellenlängenbereichen die Strahlungsintensitäten (I) bei der Bildung von CN und CO ermittelt werden und von diesen ermittelten Strahlungsintensitäten (I) die aus den in den zwei anderen Wellenlängenbereichen ermittelten Strahlungsintensitäten (I) nach der Verhältnispyrometrie bestimmte Temperaturstrahlung (TS) subtrahiert wird.

5. Vorrichtung zur Bestimmung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß mit einer Einrichtung (2, 3, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO und einer nachgeordneten Einrichtung (13) zur Bildung des Verhältnisses K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als eine den Luftüberschuß (L) repräsentierende Größe.

6. Vorrichtung zur Regelung des Luftüberschusses (L) bei einem Verbrennungsprozeß mit einer Einrichtung (2, 3, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) der bei der Verbrennung gebildeten Reaktionsprodukte CN und CO und einer nachgeordneten Einrichtung (13) zur Bildung des Verhältnisses K(CN)/K(CO) der ermittelten Bildungsraten als Regelgröße für die Regelung (14).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2, 3, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) ein Emissionsspektrometer umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (15, 16, 17, 18, 6) zur Ermittlung der Bildungsraten K(CN) und K(CO) mindestens vier Kameras (15, 16, 17, 18) aufweist, die die Strahlungsintensitäten (I) in mindestens vier unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Strahlungsspektrums der Verbrennungsflamme (4) erfassen, und daß den Kameras (15, 16, 17, 18) eine Einrichtung (6) nachgeordnet ist, die in zwei der Wellenlängenbereiche die Strahlungsintensitäten (I) bei der Bildung von CN und CO ermittelt und von diesen ermittelten Strahlungsintensitäten (I) die aus den in den zwei anderen Wellenlängenbereichen ermittelten Strahlungsintensitäten (I) nach der Verhältnispyrometrie bestimmte Temperaturstrahlung (TS) subtrahiert.

Zeichnung