DE102007055168A1

DE102007055168A1 - Verfahren zur Regelung einer Festbrennstoff-Befeuerungseinrichtung

Info

Publication number: DE102007055168A1
Application number: DE102007055168A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Madlsperger
Original assignee: Siemens AG Oesterreich
Current assignee: Siemens AG Oesterreich
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-05-20
Also published as: ES2591358T3; EP2210044A1; PL2210044T3; WO2009065726A1; EP2210044B1

Abstract

Gezeigt wird ein Verfahren zur Regelung einer Festbrennstoff-Befeuerungseinrichtung, welche zumindest über eine Primärluftzufuhr (5) und eine Primär-Rauchgasrezirkulation (6) verfügt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte für die Menge an Primärluft und an Luft aus der Primär-Rachgasrezirkulation in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Rauchgases eingestellt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei wechselnder Brennstoffzusammensetzung eine kontinuierlich und automatisch arbeitende Regelung für eine Festbrennstoffbefeuerungseinrichtung zur Verfügung gestellt wird, welche über eine längere Zeit eine möglichst gleichbleibende Verbrennungsqualität ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Festbrennstoff-Befeuerungseinrichtung, welche zumindest über eine Primärluftzufuhr und eine Primär-Rauchgasrezirkulation verfügt, sowie eine entsprechende Befeuerungseinrichtung.
Wenn Befeuerungseinrichtungen mit verschiedenen Festbrennstoffen (z. B. Holz, Rejekt, Klärschlamm, ...) beheizt werden, können diese verschiedenen Festbrennstoffe einen sehr hohen und zusätzlich auch einen stark schwankenden Wassergehalt aufweisen. Zudem können mehrere verschiedene Festbrennstoffe gleichzeitig zum Einsatz kommen, wobei sich natürlich auch deren Mischungsverhältnis ändern kann. Trotzdem soll aber immer eine optimale Verbrennungsqualität erzielt werden.
Bisherige Verfahren bestanden etwa darin, die Luftverhältnisse manuell einzustellen oder einen Stützbrenner manuell zu betreiben. Dies führt wegen der langen Reaktionszeiten zu instabilen Verbrennungsverhältnissen und daher zu schlechter Verbrennungsqualität, die durch Schlackebildung, ungenügenden Ausbrand oder schwankende Temperaturen im Verbrennungsraum gekennzeichnet sind.
Aus bisherigen Veröffentlichungen ist bekannt, eine Regelung der Luftzufuhr unter anderem vom Wassergehalt des Brennstoffes abhängig zu machen, siehe etwa DE 100 12 895 A1 . Allerdings setzt dies eine genaue Kenntnis des Wassergehalts des Brennstoffes voraus, was bei wechselnder Brennstoffzusammensetzung einen unzumutbaren Aufwand bedeutet.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, auch bei wechselnder Brennstoffzusammensetzung eine kontinuierlich und automatisch arbeitende Regelung für eine Festbrennstoffbefeuerungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche über eine längere Zeit eine möglichst gleichbleibende Verbrennungsqualität ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, gemäß welchem die Sollwerte für die Menge an Primärluft und an Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Rauchgases eingestellt werden. Dadurch kann durch eine automatische Messung des Wassergehalts des Rauchgases auf die Verhältnisse im Verbrennungsraum rückgeschlossen werden und diese durch Einstellung der Menge an Primärluft und Luft aus der Rauchgasrezirkulation entsprechend eingestellt werden. Manueller Eingriff ist keiner notwendig, auch nicht die Messung des Wassergehalts des Brennstoffs.
Es kann jedoch aufgrund des Wassergehaltes des Rauchgases auf den Wassergehalt des Brennstoffes rückgeschlossen werden, denn die im Brennstoff enthaltene Feuchtigkeit wird zwangsläufig den Wassergehalt im Rauchgas bestimmen bzw. ein höherer Wassergehalt des Brennstoffes einen höheren Wassergehalt des Rauchgases bedingen.
Die Verbrennung von völlig trockenem Holz würde etwa zu einem Wassergehalt des Rauchgases von 5,3% führen. Hat das Holz jedoch einen Wassergehalt von 50%, so steigt der Wassergehalt des Rauchgases auf 14,6%, wobei diese Werte auf einen Sauerstoffgehalt von 11% trocken bezogen sind.
Um sicherzustellen, dass auch bei sehr hohem Wassergehalt des Brennstoffes eine zufriedenstellende Verbrennungsqualität gegeben ist, kann vorgesehen werden, dass zusätzlich in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Rauchgases ein Stützbrenner zugeschaltet werden kann.
Ein mögliches Regelkriterium besteht darin, dass bei steigendem Wassergehalt des Rauchgases die Primärluftmenge erhöht und die Luftmenge aus der Primär-Rauchgasrezirkulation verringert wird. Da die Primärluft in diesem Fall in der Regel trockener sein wird als die aus der Primär-Rauchgasrezirkulation, sollte sich dadurch der Wassergehalt im Rauchgas und damit auch im Verbrennungsraum reduzieren.
Entsprechend kann vorgesehen werden, dass bei fallendem Wassergehalt des Rauchgases die Primärluftmenge verringert und die Luftmenge aus der Primär-Rauchgasrezirkulation erhöht wird.
Eine mögliche Ausführungsform hierfür besteht darin, dass in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Rauchgases ein Korrekturfaktor festgelegt wird, wobei der aufgrund der Brennstoffmenge ermittelte Sollwert für die Primärluftmenge mit diesem Korrekturfaktor multipliziert und der aufgrund der Brennstoffmenge ermittelte Sollwert für die Luftmenge aus der Primär-Rauchgasrezirkulation durch den gleichen Korrekturfaktor dividiert wird. Hier kann dann weiters vorgesehen werden, dass der aufgrund der Brennstoffmenge ermittelte Sollwert für die Luftmenge aus der Primär-Rauchgasrezirkulation mit einem weiteren, vom Wassergehalt des Rauchgases abhängigen Korrekturfaktor multipliziert wird.
Um auch bei starkem Anstieg des Wassergehalts des Rauchgases ein rasches Ergebnis zu erzielen, kann vorgesehen werden, dass bei Überschreitung eines Schwellwertes des Wassergehalts des Rauchgases der Stützbrenner zugeschaltet wird, wobei dessen Leistung in Abhängigkeit von der Höhe der Überschreitung des Schwellwertes eingestellt wird.
Entsprechend kann vorgesehen sein, dass bei Unterschreitung eines Schwellwertes des Wassergehalts des Rauchgases der Stützbrenner abgeschaltet wird.
Von Vorteil ist, wenn die Befeuerungseinrichtung einen Rost mit Wurfbeschickung aufweist, da diese am schnellsten auf Änderungen des gemessenen Wassergehaltes des Rauchgases reagieren können.
Die erfindungsgemäße Festbrennstoffbefeuerungseinrichtung verfügt über ein Messgerät zur Messung des Wassergehalts des Rauchgases, welches über eine Regelungseinrichtung mit einem Primärluftgebläse sowie mit einem Gebläse zur Primär-Rauchgasrezirkulation derart verbunden ist, dass die Sollwerte für die Menge an Primärluft und an Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Rauchgases eingestellt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage,
2 einen Korrekturfaktor für die Zufuhr von Primärluft und Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation
3 einen Korrekturfaktor für die Menge an Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation.
In 1 ist schematisch die Feststoff-Befeuerungseinrichtung dargestellt. Der Brennstoff 9 wird über einen Wurfbeschicker 4 in den Feuerraum gefördert, wo er auf einem Rost 8 auftrifft und auf diesem durch den Feuerraum gefördert wird. Der Rost 8 bewegt sich dabei in Richtung des Wurfbeschickers, also in der 1 von links nach rechts. Der Brennstoff 9 wird gleichmäßig über den Rost 8 verteilt, er fällt also immer in eine bereits brennende Umgebung. Zur Trocknung des Brennstoffes 9 vor dem Zünden wird die Verbrennungswärme des bereits brennenden Brennstoffes benützt. Bei der Wurfbeschickung gibt es – im Unterschied zu anderen Rostfeuerungen – keine Trocknungszone ohne Verbrennung. Aus diesem Grund sind die Temperaturen am Rost 8 bei der Wurfbeschickung geringer und Probleme wie Schlackebildung und Rostüberhitzung können verhindert werden.
Unterhalb des Rosts 8 mündet sowohl die Zufuhr für Primärluft, die durch das Primärluftgebläse 5 in den Feuerraum eingebracht wird. Ebenso mündet die Zufuhr für Primär-Rauchgasrezirkulationsluft unter dem Rost 8, welche ebenfalls durch ein Gebläse 6 in den Feuerraum gefördert wird.
Primärluft ist Umgebungsluft, die dem Feuerraum zugeführt wird. Sie hat einen Sauerstoffanteil von etwa 21%. Rauchgasrezirkulationsluft ist Rauchgas, das in der Regel nach dem letzten Wärmetauscher, dem sogenannten Economiser, entnommen wird. Wenn diese Rauchgasrezirkulationsluft unterhalb des Rostes 8 eingebracht wird, spricht man von Primär-Rauchgasrezirkulation. Das rezirkulierte Rauchgas bzw. der darin noch enthaltene Sauerstoff wird für die Verbrennung verwendet, der Verbrennungsvorgang selbst kann damit beeinflusst werden.
Wenn die Rauchgasrezirulationsluft oberhalb des Rostes 8 eingebracht wird, spricht man von Sekundär-Rauchgasrezirkulation. Das rezirkulierte Rauchgas wird lediglich zur Temperaturbegrenzung des bei der Verbrennung entstehenden Rauchgases herangezogen.
Um nun bei der Wurfbeschickung sicher zu stellen, dass die Temperaturen am Rost 8 nicht zu niedrig werden, und die Verbrennung daher aufhört oder unvollständig verläuft, ist es erforderlich, das Sauerstoffangebot zur Verbrennung zu variieren. Dies geschieht durch die Mischung der Primärluft (21% Sauerstoffgehalt) mit Rezirkulationsluft (ca. 5% bis 10% Sauerstoffgehalt). Die Mischung der beiden Luftanteile erfolgt bereits vor dem Eintritt in das Glutbett. Ein höherer Rezirkulationsluftanteil bewirkt wegen der erhöhten Menge an Inertgas eine Reduktion der Verbrennungstemperatur und zusätzlich eine Reduktion der Trocknungsgeschwindigkeit des (frisch verteilten) Brennstoffes, ein kleinerer Rezirkulationsluftanteil bewirkt das Gegenteil. Bei hohem Wassergehalt im Brennstoff muss daher der Rezirkulationsluftanteil reduziert werden, gleichzeitig wird die Frischluftmenge erhöht. In Summe erhöht sich also der Sauerstoffanteil in der Verbrennungsluft bei niedrigerem Inertgasanteil. Sollte der Wassergehalt im Brennstoff so hoch sein, dass eine stabile Verbrennung nicht möglich ist (weil soviel Wärme für die Trocknung benötigt wird), wird der Stützbrenner 4 zur Unterstützung dazu geschaltet. Die Flammenstrahlung des Stützbrenners 4 bewirkt eine zusätzliche Trocknung des Brennstoffes, ebenso die bei Brennerbetrieb erhöhten Temperaturen des Gases über dem Glutbett.
Das bei der Verbrennung entstehende Rauchgas 10 steigt in der Befeuerungseinrichtung nach oben und wird einer Wärmerückgewinnungseinrichtung zugeführt. Im Bereich dieser Wärmerückgewinnungseinrichtung ist das Messgerät 1 für den Wassergehalt des Rauchgases sowie die Lambda Sonde 2 angeordnet. Die Messwerte dieser beiden Geräte werden der Regelungseinrichtung 7 zugeführt, welche sowohl die Zufuhr von Primärluft, also das Primärluftgebläse 5, als auch die Zufuhr von Primär-Rauchgasrezirkulationsluft, also das entsprechende Gebläse 6, als auch den Stützbrenner 4 und den Wurfbeschicker 3 regelt.
Der Stützbrenner 4 ist im Feuerraum angeordnet und wird dann zugeschaltet, wenn der Wassergehalt des Rauchgases einen Schwellwert überschreitet, der mit der Luftregelung allein nicht ausreichend oder nicht ausreichend schnell zurückgeregelt werden kann. Je größer die Überschreitung des Schwellwerts ist, desto höher wird die Leistung des Stützbrenners eingestellt. Wenn der Wassergehalt des Rauchgases wieder unter den Schwellwert sinkt, dann wird der Stützbrenner wieder abgeschaltet.
Die Leistung der Feuerung wird durch Änderung der zugeführten Brennstoffmenge, also z. B. durch Änderung der Drehzahl der Dosierschnecken, in Abhängigkeit der erforderlichen Wärmeleistung geregelt.
Die Sollwerte für die Menge an Primärluft und an Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation werden vorerst in Abhängigkeit von der Brennstoffmenge, also z. B. von der Drehzahl der Dosierschnecken, ermittelt. In der Darstellung in 2 und 3 sind auf der waagrechten Achse (x-Achse) der Wassergehalt des Rauchgases (H₂O) aufgetragen, auf der senkrechten Achse (y-Achse) die Korrekturfaktoren für die Sollwerte für die Menge an Primärluft und an Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation (2) bzw. nur für den Sollwert der Menge an Primär-Rauchgasrezirkulationsluft (3). Der vorab aufgrund der Brennstoffmenge ermittelte Sollwert für die Luftzufuhr entspricht dem Wert 1 auf der senkrechten Achse. Wenn sich nun aufgrund einer Änderung der Zusammensetzung des Brennstoffes der Wassergehalt des Rauchgases ändert, ist den Kurven der 2 und 3 folgend die Menge an Primärluft und an Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation zu ändern, und zwar wie folgt:

– Die Menge an Primärluft wird mit dem Korrekturfaktor aus 2 multipliziert.
– Die Menge an Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation wird durch den Korrekturfaktor aus 2 dividiert und mit dem Korrekturfaktor aus 3 multipliziert.

Da der Korrekturfaktor aus 3 bei 18% Wasseranteil im Rauchgas gegen Null geht, wird oberhalb dieses Wasseranteils keine Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation zugeführt.
Die Kurven der 2 und 3 werden rechnerisch ermittelt und bei der Inbetriebsetzung der Befeuerungseinrichtung bei Bedarf empirisch angepasst.

1: Messgerät für den Wassergehalt des Rauchgases
2: Lambda Sonde
3: Wurfbeschicker
4: Stützbrenner
5: Primärluftgebläse
6: Gebläse für Primär-Rauchgasrezirkulationsluft
7: Regelungseinrichtung
8: Rost
9: Brennstoff
10: Rauchgas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10012895 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Festbrennstoff-Befeuerungseinrichtung, welche zumindest über eine Primärluftzufuhr und eine Primär-Rauchgasrezirkulation verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte für die Menge an Primärluft und an Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Rauchgases eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Rauchgases ein Stützbrenner zugeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei steigendem Wassergehalt des Rauchgases die Primärluftmenge erhöht und die Luftmenge aus der Primär-Rauchgasrezirkulation verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei fallendem Wassergehalt des Rauchgases die Primärluftmenge verringert und die Luftmenge aus der Primär-Rauchgasrezirkulation erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Rauchgases ein Korrekturfaktor festgelegt wird, wobei der aufgrund der Brennstoffmenge ermittelte Sollwert für die Primärluftmenge mit diesem Korrekturfaktor multipliziert und der aufgrund der Brennstoffmenge ermittelte Sollwert für die Luftmenge aus der Primär-Rauchgasrezirkulation durch den gleichen Korrekturfaktor dividiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgrund der Brennstoffmenge ermittelte Sollwert für die Luftmenge aus der Primär-Rauchgasrezirkulation mit einem weiteren, vom Wassergehalt des Rauchgases abhängigen Korrekturfaktor multipliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung eines Schwellwertes des Wassergehalts des Rauchgases der Stützbrenner zugeschaltet wird, wobei dessen Leistung in Abhängigkeit von der Höhe der Überschreitung des Schwellwertes eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung eines Schwellwertes des Wassergehalts des Rauchgases der Stützbrenner abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuerungseinrichtung einen Rost mit Wurfbeschickung aufweist.
Festbrennstoffbefeuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese über ein Messgerät (1) zur Messung des Wassergehalts des Rauchgases verfügt, welches über eine Regelungseinrichtung (7) mit einem Primärluftgebläse (5) sowie mit einem Gebläse (6) zur Primär-Rauchgasrezirkulation derart verbunden ist, dass die Sollwerte für die Menge an Primärluft und an Luft aus der Primär-Rauchgasrezirkulation in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Rauchgases eingestellt werden können.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützbrenner (4) vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rost (8) mit einer Wurfbeschickung (4) vorgesehen ist.