Verfahren zum Betreiben von Vormischbrennern und Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens

Abstract

 Vormischbrenner (1) die unter normalem oder erhöhtem Druck mit gasförmigen Brennstoffen oder mit bei Normaltemperatur flüssigen oder vor der Verbrennung vollständig verdampften Brennstoffen betrieben werden, weisen eine Mischkammer (2) auf, in der Brennstoff (3), Verbrennungsluft (4) und ein Kühlgas (5) gemischt werden, bevor die Verbrennung an oder nahe der Flammenstabilitätsgrenze hinter einer Brennerplatte 7 unter Bildung einer Flamme 10 verbrannt werden. In der Flamme (10) wird der Ionisationsstrom der Flamme als einer ihrer Eigenschaftswerte mittels Elektroden (11, 12) gemessen und als Regelgröße einem Regler 13 zugeführt, der über als Ventile (14, 15, 16) ausgebildete Stellglieder den Mengenstrom mindestens eines der Mischkammer (2) zugeführten Mischungskomponenten (3, 4 und/oder 5) derart regelt, daß ein sicherer Betrieb an oder nahe der Flammenstabilitätsgrenze möglich ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Vormischbrennern unter normalem oder erhöhtem Druck bei dem ein gas- oder dampfförmiger Brennstoff und Verbrennungsluft vorzugsweise mit Kühlgas in einer Mischkammer gemischt und nachfolgend in einer Brennkammer unter Bildung einer Flamme zur Reaktion gebracht werden, und bei dem die Verbrennung aufgrund vorgegebener Randbedingungen mit niedriger Flammentemperatur und damit Flammengeschwindigkeit durchgeführt wird.

[0002] Bei der Verbrennung gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe entstehen bekanntlich Stickstoffoxide (NO _x) im Abgas, die sowohl unter dem Gesichtspunkt der Luftverunreinigung, als auch unter dem Gesichtspunkt der Beeinträchtigung von mit Brennerabgasen in Berührung kommendem Behandlungsgut unerwünscht sind. NO _x bildet sich hauptsächlich einerseits aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff und andererseits thermisch aus freiem Stickstoff, der in der Luft und u.U. außerdem in bestimmten Brennstoffen, z.B. in Erdgas enthalten ist. Die thermische NO _x-Bildung tritt vor allem bei hohen Verbrennungstemperaturen, bei Erdgas beispielsweise ab ca. 1600°C auf.

[0003] Aus der EP-B-00 21 035 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, mit dem gas- oder dampfförmige Brennstoffe so verbrannt werden können, daß einerseits eine vollständige Verbrennung bei niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung von Abgasen mit extrem niedrigen NO _x-Gehalten stattfindet, andererseits aber auch die Flamme über einen großen Leistungsbereich, inbesondere bei hohen spezifischen Leistungen stabil gehalten werden kann. Dies gelingt nach dem bekannten Verfahren durch Anwendung eines Kühlgases, das die Flammentemperatur vermindert und dennoch eine stabile Verbrennung zuläßt, bei gleichzeitiger Anwendung einer besonderen Flammengestaltung bei der Verbrennung des Gemisches und bei Abschirmung der Flamme bis zu deren vollständigen Ausbrand gegenüber äußeren Fremdgasen und äußeren Temperatureinflüssen.

[0004] Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Vormischbrenner zur Minimierung der NO _x-Emission bei vollständigem Ausbrand möglichst dicht an der Grenze der Flammenstabilität zu betreiben und dabei ein Überschreiten der Flammenstabilitätsgrenze zuverlässig zu verhindern.

[0005] Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß bei der aus der oben genannten Druckschrift bekannten Einhaltung der Randbedingungen für eine homogene Flammenentwicklung am Brenner die Eigenschaftwerte der Flamme selbst die besten und raschesten Rückschlüsse auf die Verbrennung, insbesondere die angestrebte schadstoffarme Verbrennung zulassen und daher als Regelgrößen besonders geeignet sind.

[0006] Die Erfindung sieht daher zur Lösung der ihr zugrundeliegenden Aufgabe vor, daß wenigstens eine für den Abstand der Flamme von der Flammenstabilitätsgrenze charakteristische Größe (Flammeneigenschaft) an oder in der Brennerflamme überwacht oder gemessen und als Regelgröße zur Regelung des Mengenstroms mindestens einer der der Mischkammer zugeführten Gemischkomponenten derart verwendet wird, daß die Verbrennung möglichst nahe an der Flammenstabilitätsgrenze abläuft. Die Auswahl des Mediums, also Brennstoff, Verbrennungsluft oder Kühlgas, dessen Mengenstrom durch die Regelung beeinflußt wird, richtet sich nach dem Anwendungsbereich des Brenners. Die angestrebte Annäherung der Verbrennung an die Flammenstabilitätsgrenze ist über eine Flammeneigenschaft am besten und raschesten zu überwachen, so daß die Verwendung der Flammeneigenschaft als Regelgröße für die Einwirkung auf das Mengenverhältnis der Gemischmedien eine reaktionsschnelle Regelung gewährleistet.

[0007] Die Erfindung macht die Betriebsweise des Brenners unabhängig von

a) der Teillaststufe des Brenners;

b) der Änderung der Brennstoffzusammensetzung (ggf. in Verbindung mit einer λ-Regelung);

c) von Temperatur- und Druckänderungen in den dem Brenner zugeführten Medienströmen (z.B. Brenngas, Luft, Kühlgas) und

d) dem Druck in der Brennkammer.

[0008] Als für den Abstand der Flamme von der Flammenstabilätsgrenze charakteristische Größen, die erfindungsgemäß überwacht und als Regelgröße verwendet werden, kommen die folgenden Flammeneigenschaften in Betracht : Der Ionisationsstrom, Druckpulsationen, Temperaturen und UV-Strahlung der Flamme.

[0009] Der Ionisationsstrom der Flamme hat sich als die vorteilhafteste Regelgröße erwiesen, da er Änderungen in der Flamme ohne Zeitverzögerung folgt, schnell erfaßbar und sowohl lokal in Form einer Punktmessung als auch integral über einen bestimmten Bereich einfach meßbar ist. Der Ionisationsstrom kann entweder - bei vorhandener Ionisationsüberwachung des Brenners - an der Flammenüberwachungseinrichtung oder mittels wenigstens eines separaten Elektrodenpaares abgegriffen werden, wobei die Masse-Elektrode (Kathode) Teil des Brenners sein kann. Der Ionisationsstrom kann aber auch mittels einer Vielzahl speziell angeordneter Elektroden oder Elektrodenpaare erfaßt werden.

[0010] Durch die Modulation, also systematische Veränderung des Brennstoff/Verbrennungsluft ggf. Kühlgas-Mischungsverhältnisses an der Flammenstabilitätsgrenze kann das Signal zur Ermittlung der Flammenstabilitätsgrenze verbessert werden.

[0011] Sofern der Brenner nicht mit Luftüberschuß, sondern mit einem anderen Kühlgas, z.B. Abgas, betrieben wird, ist ggf. eine λ-Regelung als Folgeregelung vorgesehen.

[0012] Die überraschende Erkenntnis, daß die Regelung eines nahe an der Flammenstabilitätsgrenze betriebenen Brenners durch Messung eines Eigenschaftswertes der Flamme des Brenners und einen von der Meßgröße abhängigen Eingriff in die Größe mindestens eines Mengenstromes der Gemischkomponenten möglich ist, wird anhand der Figuren 1 bis 3 am bevorzugten Beispiel der Ionisationsstrommessung näher erläutert.

[0013] In Figur 1 ist der Mittelwert des in Abhängigkeit von der Luftzahl λ in der Flamme eines überstöchiometrisch vormischenden Brenners gemessenen Ionisationsstromes I dargestellt. Die charakterististischen Schwankungen des Ionisationsstromes sind durch entsprechende Dämpfung unterdrückt. Der Mittelwert

des Ionisationsstromes nimmt bei einer Luftzahl λ > 1 zunächst nur wenig, dann aber zunehmend stark ab und erreicht den Wert 0, wenn die Luftzahl λ die Flammenstabilitätsgrenze erreicht. Der Mittelwert des Ionisationsstromes ändert sich nahe der Flammenstabilitätsgrenze bei vergleichsweise kleinen Änderungen der Luftzahl λ also sehr stark und ist deshalb als Regelgröße für einen möglichst nahe der Flammenstabilitätsgrenze zu betreibenden Brenner besonders geeignet. Der in der Figur 1 dargestellte Sollwert ist lediglich beispielhaft eingezeichnet.

[0014] Anstelle des Mittelwertes des Ionisationsstromes der Flamme kann aber auch die Amplitude der Ionisationsstromschwankungen der Flamme (Figur 2) überwacht werden. Bei Annäherung an die Flammenstabilitätsgrenze des Brenners schwankt der Ionisationsstrom nämlich zunehmend um den abnehmenden Mittelwert.

[0015] Daher ist die Amplitude der Ionisationsstromschwankungen ebenfalls als Regelgröße für einen nahe der Flammenstabilitätsgrenze betriebenen Brenner geeignet. In diesem Fall wird das Meßsignal, der Ionisationsstrom I, also ungedämpft verarbeitet. In ähnlicher Weise wie die Amplitude ändert sich auch das Frequenzspektrum der Ionisationsstromschwankungen in der Flamme, je näher man sich an der Flammenstabilitätsgrenze befindet. Daher ist auch das Frequenzspektrum der Ionisationsstromschwankungen in der Flamme als Regelgröße geeignet.

[0016] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist in Figur 3 schematisch dargestellt : Ein au er EP-B-0 021 035 bekannter Vormischbrenner 1 weist ein Mischrohr 2 auf, in dem Brennstoff 3, Verbrennungsluft 4 und Kühlgas 5 zu einem homogenen Gasgemisch gemischt werden. An das Mischrohr 2 schließt ein konisch erweiterter Brennerkopf 6 mit einer Brennerplatte 7 an, die eine große Hauptflammen-Bohrung 8 und in konzentrischen Kreisen um die Bohrung 8 angeordnete kleine Bohrungen 9 aufweist. An die Brennerplatte 7 schließt sich eine Vorbrennkammer mit dem Brennermund 10 an, der mit einer die Flamme 11 abschirmenden Flammenschutzhülle 12 verbunden ist. In der Flamme 11 ist eine Elektrode 13 angeordnet, die z.B. zusammen mit einer an der Brennerwand angeordneten Elektrode 14 ein Elektrodenpaar zur Messung des Ionisationsstromes der Flamme 1 bildet.

[0017] Die Elektroden 13 und 14 sind mit einem Meßumformer 15 verbunden, dessen Ausgangssignal als Regelgröße einem Regler 16 zugeführt wird. Der Regler 16 setzt die Regelgröße über die Stellglieder 17, 18, 19 in geeignete Änderungen der Mengenströme der Gemischkomponenten 3, 4, 5 derart um, daß eine Verbrennung möglichst nahe an der Stabilitätsgrenze der Flamme 11 stattfindet.

[0018] Die Erfindung gewährleistet daher eine leise, zuverlässige und schadstoffarme Verbrennung über einen großen Leistungsbereich, wobei die Erhaltung der Flamme nahe der Stabilitätsgrenze zuverlässig gewährleistet ist.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben von Vormischbrennern unter normalem oder erhöhtem Druck, bei dem ein gas- oder dampfförmiger Brennstoff und Verbrennungsluft vorzugsweise zusammen mit Kühlgas in einer Mischkammer gemischt und nachfolgend in einer Brennkammer unter Bildung einer Flamme zur Reaktion gebracht werden, und bei dem die Verbrennung aufgrund vorgegebener Randbedingungen mit niedriger Flammentemperatur und damit Flammengeschwindigkeit durchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine für den Abstand der Flamme von der Flammenstabilitätsgrenze charakteristische Größe (Flammeneigenschaft) an oder in der Brennerflamme überwacht oder gemessen und als Regelgröße zur Regelung des Mengenstroms mindestens einer der der Mischkammer zugeführten Gemischkomponenten derart verwendet wird, daß die Verbrennung möglichst nahe an der Flammenstabilitätsgrenze abläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsstrom der Flamme gemessen und aus dem Ionisationsstrom ein Regelsignal zur Regelung des Mengenstroms abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert des Ionisationsstromes der Flamme zur Regelung des Mengenstroms verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Ionisationsstromschwankungen der Flamme bestimmt und als Regelgröße zur Regelung des Mengenstroms verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß des Frequenzspektrum der Ionisationsstromschwankungen der Flamme bestimmt und als Regelgröße zur Regelung des Mengenstroms verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsstrom an einer Ionisationsüberwachungsvorrichtung des Brenners abgegriffen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsstrom eines in der Brennkammer angeordneten Elektrodenpaares gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsstrom mittels mehrerer in der Brennkammer verteilter Elektroden oder Elektrodenpaare gemessen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckpulsationen der Flamme gmessen und als Regelsignal zur Regelung des Mengenstroms verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammentemperatur gemessen und als Regelsignal zur Regelung des Mengenstroms verwendet wird.

1 1. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Strahlung der Flamme gemessen und als Regelsignal zur Regelung des Mengenstroms verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der aufgrund des Meßsignales nicht geregelten Mengenströme in Abhängigkeit von der Änderung des aufgrund des Meßsignales geänderten Mengenstromes folge-geregelt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Signals der Flammenstabilitätsgrenze das Brennstoff/Verbrennungsluft/Kühlgas-Mischungsverhältnis moduliert wird.

14. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bestehend aus einem Vormischbrenner mit einer Mischkammer für Ausgangskomponenten und einer nachgeordneten Brennkammer, gekennzeichnet durch mindestens einen in der Brennkammer angeordneten Meßwertaufnehmer (13, 14) zum Messen einer für den Abstand der Flamme von der Flammenstabilitätsgrenze charakteristischen Größe (Flammeneigenschaft), mindestens ein Stellglied (17, 18, 19) zum Einstellen des Mengenstromes mindestens einer der Vormischkammer (2) zugeführten Gemischkomponente sowie einen Regler (16) zum Erzeugen eines Regelsignals für das Stellglied in Abhängigkeit von dem Meßsignal.

Zeichnung