DE102006022626B4 - Method of operating a coal-fired steam generator - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb eines mit Kohle befeuerten Dampferzeugers, wobei zerkleinerte Kohle über Staubbrenner dem Kessel mit der Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei das Verfahren die Regelung der Verbrennungsluftzufuhr umfasst, derart, dass aufgrund eines wissensbasierten Rechenmodells eine Prognose für den NOx-Ausstoß des Dampferzeugers erstellt wird, dass anhand des prognostizierten NOx-Ausstoßes als eine Führungsgröße eine Regelung der Verbrennungsluftzufuhr erfolgt, wobei ein fester Abstand zu einem NOx-Grenzwert eingehalten wird und wobei die Verbrennung so geführt wird, dass die Luftzahl in der Brennerzone des Dampferzeugers λ ≥ 1 beträgt.A method of operating a coal-fired steam generator, wherein comminuted coal is supplied to the combustion air boiler via dust burners, the method comprising controlling the combustion air supply such that a NOx-emission forecast of the steam generator is established based on a knowledge-based computational model, that based on the predicted NOx output as a control variable, a control of the combustion air supply takes place, whereby a fixed distance to a NOx limit value is maintained and wherein the combustion is conducted so that the air ratio in the burner zone of the steam generator λ ≥ 1.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mit Kohle befeuerten Dampferzeugers.The The invention relates to a method of operating a coal fired furnace Steam generator.
Bei der Auslegung eines Dampferzeugers gilt es, einen möglichst hohen Feuerungswirkungsgrad bei gleichzeitig minimiertem Schadstoffaustausch zu erzielen. Insbesondere sollte der Anteil an Kohlenmonoxid und Stickoxiden in den Abgasen eines Dampferzeugers verhältnismäßig gering sein. Auch ist es wichtig, den CO2-Ausstoß zu verringern. Letzteres kann insbesondere durch Wirkungsgradverbesserung des Verbrennungsprozesses erreicht werden.When designing a steam generator, it is important to achieve the highest possible firing efficiency with minimized pollutant exchange. In particular, the proportion of carbon monoxide and nitrogen oxides in the exhaust gases of a steam generator should be relatively low. It is also important to reduce CO 2 emissions. The latter can be achieved in particular by improving the efficiency of the combustion process.
Bei Dampferzeugern, die mit Braunkohlestaub gefeuert werden, ist ein entscheidendes Kriterium für die Wirtschaftlichkeit des Dampferzeugungsprozesses die Verfügbarkeit des Dampferzeugers. Festbrennstoffe mit hohen Anteilen an Alkalien (Kalium, Natrium), Eisen-, Ton- und Schwefelgehalten verursachen in staubgefeuerten Dampferzeugern eine schnelle Verschmutzung an den Heizflächen. Verschmutzungen an den Heizflächen können während des Betriebs des Dampferzeugers mittels Dampfbläsern abgereinigt werden, die Verschmutzungen in der Brennkammer selbst werden üblicherweise mit Wasserlanzenbläsern abgereinigt.at Steam generators fired with brown coal dust is a decisive criterion for the economy of the steam generation process the availability of the steam generator. Solid fuels with high levels of alkalis (Potassium, sodium), iron, clay and Sulfur levels cause dust in steam-fired steam generators fast soiling on the heating surfaces. Dirt on the heating surfaces can while the operation of the steam generator are cleaned by steam blowers, the Dirt in the combustion chamber itself usually become with water lancet blowers cleaned.
Hartnäckige Anbackungen und Verkrustungen der Heizflächen müssen jedoch teilweise manuell entfernt werden. Hierzu ist es erforderlich, den Dampferzeuger außer Betrieb zu nehmen.Stubborn caking and incrustations of the heating surfaces have to however partially removed manually. For this it is necessary the steam generator except To operate.
Bestimmte Festbrennstoffe erzeugen so starke Verschmutzungen an den Heizflächen, dass die Reisezeit des Dampferzeugers entsprechend kurz ist, was die Wirtschaftlichkeit des Betriebs des Dampferzeugers entscheidend beeinträchtigt.Certain Solid fuels generate so much dirt on the heating surfaces that the Travel time of the steam generator is correspondingly short, what the economy the operation of the steam generator significantly affected.
Aus
der
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In Tigges, Leisse, Lasthaus und Streffing „Entwicklung von schadstoffarmen Staubfeuerungssystemen”, VGB Kraftwerkstechnik 76 (1996), Heft 5, Seiten 388 bis 393 werden Wege zur NOx-armen Steinkohlenfeuerung unter Verwendung von Rundstahlbrennern beschrieben, die konstruktionsbedingt die Anforderungen an eine NOx- und CO2-arme Verbrennung erfüllen. Die Druckschrift befasst sich grundsätzlich mit der Minimierung des NOx-Ausstoßes, wobei in dem Aufsatz erwähnt wird, dass bisher Feuerungen mit Luftzahlen am Brenner unter λ 1,0 gebaut wurden und die erforderliche Gesamtzahl der Feuerung mit Hilfe von Oberluftsystem geregelt wurde. Bekanntlich entstehen Stickoxide erst bei überstoichometrischer Verbrennung (λ > 1).In Tigges, Leisse, Lasthaus and Streffing "Development of low-emission dust combustion systems", VGB Kraftwerkstechnik 76 (1996), No. 5, pages 388-393 describes ways to low NO x coal firing using round steel burners, the design requirements for a NO meet x and low CO 2 combustion. The document is basically concerned with the minimization of NO x emissions, which mentions in the article that previously firing with air numbers at the burner below λ 1.0 were built and the required total number of firing was controlled by means of upper air system. As is known, nitrogen oxides are formed only in the case of superstoichiometric combustion (λ> 1).
Die Veröffentlichung K. Pflipsen et al. „Feuerungsoptimierung mit neuronalen Netzen und Fuzzy-Logic an einem Braunkohlekessel”, VGB Konferenz „Mahlen und Feuerungen 1999”, Kassel 24. bis 25.11.1999 zeigt ebenfalls Möglichkeiten zur Reduzierung von NOx-Emissionen auf, wobei die Autoren dieses Fachaufsatzes möglichst die bis dato übliche Rauchgasrezirkulation wegen eines höheren Energiebedarfs und eines niedrigen Wirkungsgrads vermeiden möchten. Auch nach dieser Veröffentlichung wird eine Verbrennungsführung mit unterstoichometrischen Verhältnissen in der Brennerzone vorgeschlagen.The publication K. Pflipsen et al. "Optimization of firing with neural networks and fuzzy logic on a lignite boiler", VGB conference "Milling and furnaces 1999", Kassel 24. to 25.11.1999 also shows possibilities for the reduction of NO x emissions, whereby the authors of this technical essay as far as possible date usual flue gas recirculation because of a higher energy demand and a low efficiency would like to avoid. Even after this publication, a combustion management is proposed with unteroichometric conditions in the burner zone.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines mit Kohle, insbesondere mit Braunkohle, befeuerten Dampferzeugers bereitzustellen, bei dem die Reisezeit des Dampferzeugers unter gleichzeitiger Minimierung des Schadstoffausstoßes verlängert werden kann, sodass insbesondere Festbrennstoffe, die zur Schlackebildung neigen, problemlos einsetzbar sind.Of the The invention is therefore based on the object, a method for operation to provide a steam generator fired with coal, especially lignite, in which the travel time of the steam generator while minimizing the pollutant emissions extended so that in particular solid fuels that contribute to the formation of slag tend to be easily used.
Erfindungsgemäß ist daher ein Verfahren zum Betrieb eines mit Kohle befeuerten Dampferzeugers vorgesehen, bei welchem getrocknete und zerkleinerte Kohle über Staubbrenner dem Kessel mit der Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei das Verfahren die Regelung der Verbrennungsluftzufuhr umfasst, derart, dass aufgrund eines wissensbasierten Rechenmodells eine Prognose für den NOx-Ausstoß des Dampferzeugers erstellt wird, dass anhand des prognostizierten NOx-Ausstoßes als eine Führungsgröße eine Regelung der Verbrennungsluftzufuhr erfolgt, wobei ein fester Abstand zu einem NOx-Grenzwert eingehalten und wobei die Verbrennung so geführt wird, dass die Luftzahl in der Brennerzone des Dampferzeugers λ ≥ 1 beträgt.Therefore, according to the invention a method of operating a coal-fired steam generator provided, in which dried and crushed coal on Staubbrenner the boiler is supplied with the combustion air, the method the regulation of the combustion air supply comprises such that due a knowledge-based calculation model, a forecast for the NOx output of the steam generator is created based on the predicted NOx emissions as a leader one Regulation of the combustion air supply takes place, with a fixed distance to a NOx limit and where the combustion is so guided is that the air ratio in the burner zone of the steam generator λ ≥ 1.
Unter Grenzwert im Sinne der Erfindung wird, wie dies in der Kraftwerkstechnik üblich ist, ein mittlerer Wert über einen vorgegebenen Zeitraum verstanden. Unter Brennerzone im Sinne der Erfindung ist nur die Zone des Dampferzeugers zu verstehen, in welcher die Brenner münden. Die erwähnte Luftzahl bezieht sich dem zufolge nur auf die Stöchiometrie der Verbrennung bis zum Ende der Brennerzonenhöhe des Dampferzeugers, nicht hingegen auf die Gesamtstöchiometrie in dem Dampferzeuger.Under limit in the meaning of the invention is understood, as is customary in power plant technology, a mean value over a given period. For the purposes of the invention, burner zone means only the zone of the steam generator in which the burners open. The mentioned air ratio therefore relates only to the stoichiometry of the combustion up to the end of the burner zone height of the steam generator, but not to the total stoichiometry in the steam generator.
Entgegen der bisher praktizierten Verfahrensweise, zur Verminderung des NOx-Ausstoßes in der Brennerzone unter Sauerstoffmangel zu verbrennen (Luftzahl λ < 1), wird erfindungsgemäß nun vorgesehen, in der Brennerzone mit Luftüberschuss bzw. Sauerstoffüberschuss zu verbrennen. Bei der bisher bekannten Vorgehensweise, die Verbrennung mit einer Luftzahl λ < 1 durchzuführen, war es erforderlich, das anfallende Kohlenmonoxid in einer Nachverbrennungszone zu oxidieren.opposite the previously practiced procedure to reduce NOx emissions in the Burn burner zone under oxygen deficiency (air ratio λ <1), is now provided according to the invention, in the burner zone with excess air or Excess oxygen to burn. In the previously known procedure, the combustion with an air ratio λ <1, was it requires the accumulating carbon monoxide in a post-combustion zone to oxidize.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch die erfindungsgemäße Regelung mit festem Abstand zu einem NOx-Grenzwert eine Verbrennung mit einer Luftzahl von λ ≥ 1 möglich ist. Bei einer so optimierten Feuerungsführung erhöht sich der Ausbrand des Brennstoffs und der Gesamtluftüberschuss (bezogen auf den gesamten Dampferzeuger) reduziert sich, was eine Wirkungsgradverbesserung und damit eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes zur Folge hat.Surprisingly, it has been found that combustion with an air ratio of λ ≥ 1 is possible by the inventive control with a fixed distance to a NOx limit. With such an optimized combustion guide, the combustion of the fuel increases and the total excess air (relative to the entire steam generator) is reduced, which results in an improvement in efficiency and thus a reduction in CO 2 emissions.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch die Verbrennung bei optimaler Stöchiometrie oder bei geringfügigem Luft- bzw. Sauerstoffüberschuss Asche- und/oder Schlackeanbackungen an den Heizflächen entstehen, die eine poröse Struktur aufweisen und leicht abzureinigen sind. Bei unterstöchiometrischer Fahrweise der Brenner entsteht bei Einsatz von alkali- und schwefelreichem Brennstoff eine glasharte amorphe oder kristalline Schlacke, die schwer von den Heizflächen abzureinigen ist. Darüber hinaus strapaziert eine häufige und ”harte” Reinigung der Heizflächen deren Material. Da Schlacke bekanntermaßen abrasiv ist, ist die Reinigung der Heizflächen auch verschleißtreibend. Insoweit trägt das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der Reisezeit des Dampferzeugers und zu einer Wirkungsgraderhöhung wegen geringerem Eigendampfbedarf bei.One Another advantage of the method according to the invention is to see that by burning at optimal stoichiometry or at slight Air or oxygen excess Ash and / or slag caking on the heating surfaces occur, the one porous Structure and are easy to clean. In substoichiometric driving The burner is produced when using alkali and sulfur rich Fuel a glassy amorphous or crystalline slag that hard from the heating surfaces is to be cleaned up. About that In addition, a frequent strained and "hard" cleaning the heating surfaces their material. Since slag is known to be abrasive, cleaning is required the heating surfaces too wear sourcing. In so far contributes the inventive method to increase the travel time of the steam generator and to an increase in efficiency because of lower internal steam demand.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelung der Verbrennung mittels eines künstlichen neuronalen Netzwerkes oder mittels eines Fuzzy-Netzwerks erfolgt, welches den Dampferzeugungsprozess abbildet. Über die Vielzahl der Eingangsgrößen eines solchen künstlichen neuronalen Netzwerks lässt sich eine exakte Prognose des NOx-Ausstoßes erstellen, anhand derer die Regelung der Verbrennungsluftzufuhr an den Brennern erfolgt.at a preferred embodiment of the method according to the invention it is envisaged that the regulation of combustion by means of an artificial neural network or by means of a fuzzy network, which depicts the steam generation process. About the large number of input variables of a such artificial neural network to make an exact forecast of NOx emissions, based on which the regulation of the combustion air supply to the burners takes place.
Zweckmäßigerweise werden wenigstens die Stoffströme von Brennstoff, Luft, Abgas und Asche, die Temperaturen der Stoffströme und die Lastzustände des Dampferzeugers als Eingangsgrößen bei der Regelung berücksichtigt.Conveniently, be at least the material flows of fuel, air, waste gas and ash, the temperatures of the material flows and the load conditions of the steam generator considered as input variables in the scheme.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Brennstoffzusammensetzung als Eingangsgröße der Regelung verwendet. Eine fortlaufende Heizwertanalyse sowie die Analyse der chemischen Bestandteile des eingesetzten Brennstoffs, beispielsweise von Braunkohle, kann in die Regelung einbezogen werden, sodass eine Änderung der Brennstoffqualität unmittelbar Einfluss auf die Regelung hat. Bei Einsatz von Braunkohle sind neben dem Heizwert für die Verbrennungsführung die Information über Natrium-, Schwefel- und Siliciumgehalt wichtig.at a particularly preferred variant of the method according to the invention the fuel composition becomes the input of the control used. A continuous calorific value analysis as well as the analysis of the chemical constituents of the fuel used, for example of lignite, may be included in the scheme, making a change the fuel quality directly affect the scheme. When using lignite are next to the calorific value for the combustion management the information about Sodium, sulfur and silicon content important.
Vorzugsweise erfolgt die Verbrennung der Kohle über Rundstrahlbrenner mit Primärluftstaubgemisch und Sekundärluftverdrallung.Preferably Combustion of the coal takes place via rotary burners with primary air dust mixture and secondary air twisting.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: KIERDORF RITSCHEL RICHLY PATENTANWAELTE PARTG , DE Representative=s name: KIERDORF RITSCHEL PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE Representative=s name: FLEISCHER, GODEMEYER, KIERDORF & PARTNER, PATE, DE |
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: KIERDORF RITSCHEL RICHLY PATENTANWAELTE PARTG , DE Representative=s name: KIERDORF RITSCHEL PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
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| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |