Verfahren zur Optimierung der Feuerung wasserstoffhaltiger Brennstoffe

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Feuerung wasserstoffhaltiger Brennstoffe. Als Regelgröße wird der Wasser­dampfgehalt im Rauchgas zugrunde gelegt. Das Luft/Brennstoffver­hältnis wird so eingestellt, daß der Wasserdampfgehalt im Rauch­gas maximal ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Feue­rung wasserstoffhaltiger Brennstoffe nach dem Oberbegriff des An­spruches 1.

[0002] Für die Optimierung der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brenn­stoffe ist ein Verfahren bekannt, welches den Anteil unverbrann­ten Brennstoffes sowie der Überschußluft minimiert (Patentanmel­dung P 34 24 946 und Veröffentlichung in der VGB-Kraftwerktech­nik, Heft 2/87, Seiten 143/149). Hier wird der Kohlenmonoxyd Bil­dungspunkt zur Optimierung herangezogen. Die Sauerstoffkonzentra­tion dient zur Anzeige des Wirkungsgrades. Wasserstoffhaltige Brennstoffe können ebenso optimiert werden, wenn sie Kohlenstoff enthalten, z.B. bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen.

[0003] Für die Verbrennung von reinem Wasserstoff ist derzeit kein Ver­fahren bekannt, welches sowohl den Anteil Unverbranntem als auch die Überschußluft minimiert. Bekannt ist der Einsatz der Sauer­stoffmessung zur Feuerungsoptimierung. Hier gelten jedoch die be­kannten Einschränkungen (s. die angebene Literatur).

[0004] Die Aufgabe besteht darin, die optimale Einstellung des Luft/­Brennstoffverhältnisses zu erreichen mit dem Ziel, Verluste durch unverbrannte Bestandteile oder durch Überschußluft auf ein Minimum zu senken.

[0005] Die gestellte Aufgabe ist mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angebenen Verfahrensmerkmalen gelöst.

[0006] Zur Auffindung des günstigsten Luft/Brennstoffverhältnisses dient der Wasserdampfgehalt im Rauchgas. Als Produkt des Ver­brennungsprozesses ist dieser Wert besonders für diese Aufgabe geeignet. Die Einstellung erfolgt bei dem Luft/Brennstoffver­hältnis, bei dem der Wasserdampfgehalt im Rauchgas maximal ist. Besonders vorteilhaft dabei ist, daß der Maximalwert für die Kon­zentration gleichzeitig ein eindeutiges Maß für den Wirkungsgrad der Verbrennung ist. Das Verfahren ist besonders gut bei der Ver­brennung von reinem Wasserstoff geeignet.

[0007] Das Verfahren wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.

[0008] Bei stöchometrischer Verbrennung (Luft/Brennstoffverhältnis λ = 1) stellt sich eine theoretisch maximale Wasserdampf-Konzentration Kmax/theor. ein. Diese ermittelt sich aus der Reaktionsgleichung für die Verbrennung von reinem Sauerstoff mit Luft (Luft: 20,9 % Sauerstoff und 78,1 % Rest) zu:

[0009] Der in Klammern aufgeführte Anteil 3,8 * Rest setzt sich aus dem Stickstoff und weiterer an der Verbrennung nicht teilnehmender Inertgase der Verbrennungsluft zusammen.

[0010] Für die Verbrennung von wasserstoff- und kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffen ergeben sich je nach C- und H-Zahl in den Molekülen unterschiedliche Werte für die theoretisch maximale Wasserdampf-Konzentration Kmax/theor. Als Beispiel sei hier die Verbrennung von Methan CH₄ angenommen:

[0011] In Fig. 1 ist der Verlauf der Wasserdampf-Konzentration K in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoffverhältnis λ für eine Feue­rung mit wasserstoffhaltigen Brennstoffen dargestellt.

[0012] Bei der realen Verbrennung stellt sich im Maximum der Wasserdampf-­Konzentration jedoch nicht der maximal mögliche Konzentrations-Wert Kmax/theor. ein. Es liegen Verluste beim Verbrennungsprozeß vor. Diese ergeben sich, wenn z.B. die Durchmischung der Luft mit dem Brennstoff nicht fein genug ist. Zur vollständigen Verbrennung muß deshalb mehr Luft gegeben werden, als zur stöchometrischen Verbrennung benötigt wird. Dies bewirkt eine Verdünnung der Wasser­dampf-Konzentration im Arbeitspunkt. Unabhängig von diesen realen Verhältnissen zeigt das Maximum der Wasserdampf-Konzentration Kmax jedoch immer die unter diesen Umständen optimale, d.h. voll­ständige Verbrennung im angestrebten Arbeitspunkt λ opt an. Darüberhinaus gestattet der Konzentrations-Wert Kmax noch eine Aussage zum Wirkungsgrad gemäß der Formel

[0013] Eine solche reale Verbrennung wird in Fig. 2 gezeigt. Der Punkt optimaler Verbrennung λ opt liegt bei der realen Verbrennung im­mer im Bereich λ > 1, d.h. bei Luftüberschuß. Bei Mehrbrennersystemen ergeben sich zusätzliche Verluste, da jeder Brenner unter realen Bedingungen ein eigenes optimales Luft/ Brennstoffverhältnis benötigt. Fig. 3 zeigt dieses Verhalten am Beispiel eines Zwei-Brenner-Systems.

[0014] Den Verlauf der Wasserdampf-Konzentration K über das Brennstoff/ Luftverhältnis λi für jedes Brennersystem stellen die Kurven 1 und 2 in Figur 3 dar. Die optimale Verbrennung ist gegeben bei λ1 opt und λ2 opt. Die Summenkurve K für die Wasserdampf-Kon­zentration über λi ist abgeflacht und zeigt im Maximum einen Wert, der kleiner als der maximal mögliche Konzentrations-Wert ist. Wer­den die Brenner einzeln auf ihr Optimum λi opt eingestellt, dann ergibt sich für den Verlauf der Wasserdampf-Konzentration im Rauch­gas über λ ein Maximum mit steilen Flanken. Der hohe Wert für die maximale Wasserdampf-Konzentration Kmax zeigt einen hohen Wir­kungsgrad der Verbrennung an, wie in Fig. 4 dargestellt ist.

[0015] Mit der Zugrundelegung der Wasserdampf-Konzentration im Rauchgas wasserstoffhaltiger Brennstoffe als Regelgröße läßt sich die Feuerung optimieren, unabhängig von den verschiedenen Zuständen der realen Verbrennung. Das Maximum der Wasserdampf-Konzentration ist gleichzeitig das Optimum der Verbrennung, wie real auch immer die Verhältnisse sind. Gleichzeitig gestattet der Konzentrations-­Wert des Wasserdampfes eine Aussage über den Wirkungsgrad der Verbrennung. Durch die Zugrundelegung nur einer Rauchgasgröße - die Wasserdampf-Konzentration K - für die optimale Einstellung der Verbrennung ergibt sich gleichzeitig ein geringer Aufwand für die Meßtechnik. Durch den Vergleich gemessener Werte mit vorge­gebenen Wasserdampf-Konzentrations-Werten bzw. den λ-Werten läßt sich gleichzeitig eine Plausibilitätsaussage für die Ver­brennung durchführen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Optimierung der Feuerung wasserstoffhaltiger Brennstoffe, mit einer Einrichtung zur Regelung des Luft/Brenn­stoffverhältnisses, gekennzeichnet dadurch, daß als Regelgröße der Wasserdampfgehalt im Rauchgas zugrunde gelegt wird und daß das Luft/Brennstoffverhältnis (λ) so eingestellt wird, daß der Wasserdampfgehalt im Rauchgas maximal ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angezeigte Wert für die maximale Wasserdampf-Konzentration im Rauchgas der Berechnung des Wirkungsgrades zugrunde gelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der errechnete Wirkungsgrad für eine Plausibilitätsaussage der Ver­brennung zugrunde gelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschluß des Auffindens der max. Wasserdampf-Konzentration im Rauchgas ein Sicherheitsschritt mit einer vorgegebenen Größe in Richtung Luftüberschuß gegeben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­kennzeichnet, daß mittels einzelner Verfahrensschritte bei Mehr­brennersystemen durch iteratives Suchen der Maxima der Wasser­dampf-Konzentration im Rauchgas der einzelnen Brenner eine opti­male Einstellung für jeden einzelnen Brenner erfolgt.

Zeichnung