CH615496A5

CH615496A5 - Method of controlling burners

Info

Publication number: CH615496A5
Application number: CH257276A
Authority: CH
Inventors: Alwin Denzer; Karlheinz Hanzlik; Guenther Dr Dipl Phys Heimke
Original assignee: Friedrichsfeld Gmbh
Priority date: 1975-03-08
Filing date: 1976-03-02
Publication date: 1980-01-31
Also published as: GB1517425A; FR2304034B1; IT1055476B; FR2304034A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Steuern von Gas-, Öl- oder Kohlestaubbrennern, bei denen die Anpassung an unterschiedliche Belastungszu-stände des Brenners durch Verändern der Menge des zugeführten Brennstoffes erfolgt.

Bei derartigen Brennern erfolgt die Zufuhr der für den Verbrennungsvorgang notwendigen Luftmenge bzw. des in ihr enthaltenen Sauerstoffes durch die Steuerung, die im allgemeinen mit der Brennstoffmenge gekoppelt ist, Diese Verbindung zwischen Brennstoffmenge und der jeweils zugehörigen Luftmenge erfolgt heute noch meistens über mechanische Gestänge und, sofern nicht ein linearer Zusammenhang zwischen Brennstoffmenge und Luftmenge eingehalten werden soll, durch Zwischenschaltung von Kurvenscheiben. Für das Steuern der für die Verbrennung der jeweilig eingestellten Brennstoffmenge benötigten Luftmenge sind auch schon verschiedene elektromechanische Systeme vorgeschlagen worden (siehe z. B. DT-AS 1 526 265) sowie Systeme, bei denen das Brennstoff-Luftverhältnis für die verschiedenen Belastungs-zustände des Brenners vorprogrammiert wurden in elektro-mechanischer (DT-AS 1 751 299) oder rein elektronischer (DT-OS 2 326 395) Art und Weise.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, dem Rauchgaskanal Rauchgase zu entnehmen, diese entnommenen Rauchgase mittels eines elektrischen Messumformers bezüglich ihrer Zusammensetzung, insbesondere ihres Oz-Gehaltes, zu 5 messen und mit diesem Messwert das Brennstoff-Luftmengenverhältnis so zu korrigieren, dass ein möglichst geringer Sauer-stoffüberschuss in den Abgasen vorhanden ist. Mit Hilfe dieses Messwertes über die Zusammensetzung des Ab- bzw. Rauchgases wird das vorprogrammierte Brennstoff-Luftmen-10 genverhältnis über geeignete zusätzliche Stellglieder korrigiert (DT-AS 1751 299).

Diese bisher bekannten Brennsteuerungen weisen also sämtlich entweder mechanische oder elektromechanische oder rein elektronische Hilfsmittel auf, mit deren Hilfe ein für je-15 den Belastungszustand des Brenners als günstig angesehenes Brennstoff-Luftmengenverhältnis vorgegeben ist. Bei einigen dieser Brennsteuerungen sind dann zusätzliche Hilfsmittel vorgesehen, durch welche das Brennstoff-Luftmengenverhältnis entsprechend der Rauchgaszusammensetzung, insbeson-20 dere des 02-Gehaltes des Rauchgases, korrigiert werden kann. Der Aufwand für diese Regel- und Steuerungssysteme ist na-turgemäss ziemlich hoch. Darüberhinaus haben die mit einer Korrektur des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses ausgerüsteten Brennersteuerungssysteme den Nachteil, dass dem 25 Rauchgaskanal eine Ab- bzw. Rauchgasprobe über Rohrleitungen entnommen und einem Analysegerät zugeführt werden muss, in dem ein für die Rauchgaszusammensetzung repräsentatives elektrische Signal erzeugt wird, das dann für die oben genannte Korrektur des Brennstoff-Luftmengenverhält-30 nisses benutzt wird. Die Entnahme des Ab- bzw. Rauchgases aus dem Brennraum oder aus dem Rauchgaskanal über Rohrleitungen bewirkt naturgemäss wegen der endlichen Strömungsgeschwindigkeit des Gases in diesen Rohrleitungen oder zur Zuführung zu den Analysegeräten eine Verzögerung des 35 Einsetzens der Korrekturmassnahme bei Änderung der Rauchgas- bzw. Abgaszusammensetzung.

Der Erfindung liegen damit zwei Aufgaben zugrunde: Einmal die Vereinfachung der Steuerung des Brennstoff-Luft-mengenverhältnisses und zum anderen die Verkürzung der 40 Regeldauer für die Einstellung optimaler Verbrennungsverhältnisse.

Diese Doppelaufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in dem Ab- bzw. Rauchgaskanal des Brenners ein festkörperelektrolytischer Sauerstoffdetektor angeordnet wird. 45 Ein solcher festkörperelektrolytischer Sauerstoffdetektor liefert direkt eine elektrische Spannung, die für den Sauerstoffgehalt des Ab- bzw. Rauchgases repräsentativ ist. Diese elektrische Spannung wird erfindungsgemäss zum Steuern der für die vollständige Verbrennung des Brennstoffes benötigten ju Luftmenge benutzt.

Ein festkörperelektrolytischer Sauerstoffdetektor, der unmittelbar im Ab- bzw. Rauchgaskanal angeordnet werden kann und zum Steuern des Brennstoff-Luftmengengemisches dient, muss natürlich allen Sicherheitsanforderungen gerecht 55 werden. Ein solcher festkörperelektrolytischer Sauerstoffdetektor besteht aus dem eigentlichen sauerstoffionenleitenden keramischen Formteil, das ein einseitig geschlossenes Rohr aus CaO stabilisiertem ZrOa sein kann, einer Heizung, durch die dieses Formteil auf der Betriebstemperatur (über 550° C) gehalten wird und einem Drahtnetz, das alle auf der Betriebstemperatur befindlichen Teile umgibt, nebst der Zufuhr für die Luft zu der Referenzelektrode am Formteil, den Elektroden sowie allen elektrischen Leitungen für die vom Detektor abgegebene Spannung und die Temperaturregelung. 65 Im einzelnen kann die erfindungsgemässe Vorrichtung so ausgeführt sein, dass bei konstanter Spannung am Motor für das Luftgebläse die Steuerung der entsprechenden Luftmenge durch Verändern der Luftaustrittsquerschnitte gemäss den

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Signalen des festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektors erfolgt. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Steuerung der Verbrennungsluftmenge durch elektrische Einwirkung auf den Motor für das Luftgebläse gemäss dem Signal des festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektors be- 5 wirkt. Ausserdem ist es vorteilhaft, all diese Steuerungsvorgänge vollautomatisch ablaufen zu lassen. Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist auch darin zu sehen,

dass es aus sicherheitstechnischen Gründen ohne weiteres möglich ist, den festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektor io sowie alle funktionsentscheidenden Steuerorgane mindestens zweifach anzuordnen, was sich um so eher anbietet, als die ganze erfindungsgemässe Brennersteuerung erheblich weniger elektronischen und mechanisch elektrischen Aufwand erfordert, als es die bisher bekannten Brennersteuerungen bedin- 15 gen. Auch bei einer Verdoppelung sämtlicher funktionsentscheidender Organe bleibt noch immer ein erheblicher Kostenvorteil übrig.

Die zu der Erfindung zählenden Vorteile bestehen einmal, wie bereits erwähnt, in einer erheblichen Vereinfachung und 20 daher Verbilligung des Gesamtaggregates, bestehend aus Brenner, den Regelungen für die Zufuhr von Brennstoff und Luft und den Steuerorganen für das Brennstoff-Luftmengenverhältnis. Durch die Verringerung der Zahl der Regel- und Steuerungsorgane tritt auch bereits eine Erhöhung der Be- 2S triebssicherheit ein, da ja die Wahrscheinlichkeit des Versagens eines Gesamtsystems mit der im System vorhandenen Anzahl der Einzelglieder ansteigt.

Da jedoch festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektoren eine ausserordentlich genaue Messung des Sauerstoffgehaltes 30 in Ab- bzw. Rauchgasen ermöglichen, gelingt es mit der er-findungsgemässen Vorrichtung, optimale Verbrennungszu-stände genauer als bisher einzustellen und kontinuierlich über längere Zeit aufrecht zu erhalten. Dies ist einmal für die Einsparung von Brennstoffen von ausserordentlicher Bedeutung, 35 ergibt jedoch auch für eine Vermeidung der Umweltverschmutzung durch ungenügend gesteuerte Verbrennungsprozesse beträchtliche Vorteile. Die erfindungsgemässe Vorrichtung gestattet es, den günstigsten Kompromiss zwischen dem Schwefelsäure- und dem Stickoxidgehalt der Ab- bzw. 40 Rauchgase erheblich genauer einzuhalten als dies bisher möglich war. Hierzu trägt insbesondere auch die Schnelligkeit des Ansprechens der Steuerorgane auf eine Änderung der Ab-bzw. Rauchgaszusammensetzung bei, die durch die Anordnung des aktiven Messfühlers, nämlich des festkörperelektro- 45 lytischen Sauerstoffdetektors unmittelbar im Rauchgaskanal ermöglicht wird.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung als Verbundregler mit elektro-mechanisch oder rein elektronisch vorprogrammiertem Brennstoff-Luft- 50 Verhältnis für die unterschiedlichen Belastungszustände der Gas-, Öl- oder Kohlestaubbrenner ausgeführt, wobei ein mit einer Zusatzheizung auf seiner Betriebstemperatur gehaltener festkörperelektrolytischer Sauerstoffdetektor im Rauchgaskanal angeordnet ist und dessen elektrisches Signal bei Ab- 5S weichung der Rauchgaszusammensetzung vom optimalen Verbrennungszustand zur entsprechenden Korrektur des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses dient und ein Verzögerungsglied vorgesehen ist, das die Brennstoff- und/oder die Luftzufuhr zum Brenner erst freigibt, nachdem der erwähnte ^ Sauerstoffdetektor seine Betriebstemperatur erreicht hat.

Ein für diesen Zweck geeigneter festkörperelektrolytischer Sauerstoffdetektor besteht aus dem eigentlichen sauerstoff -ionenleitenden keramischen Formteil, z. B. einem einseitig geschlossenen Rohr aus CaO-stabilisiertem Zirkondioxid, ei- 63 ner Heizung, durch die dieses Formteil auf der Betriebstemperatur (meist über 550° C) gehalten wird und einem Drahtnetz, das alle auf der Betriebstemperatur befindlichen Teile umgibt, nebst der Zufuhr für die Luft zu der Referenzelektrode am Formteil, den Elektroden und allen elektrischen Zu- und Ableitungen für die vom Detektor gelieferte Spannung und die Temperaturregelung. Dieser festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektor erfüllt auch alle sicherheitstechnischen Bedingungen, die an einen im Rauchgaskanal von Brennern installierten beheizten Fühler zu stellen sind.

Durch die Verkürzung der Todzeit zwischen der Änderung in der Zusammensetzung des Rauchgases und der Auslösung des Steuervorganges zur Kompensation dieser Änderung lässt sich ein gewünschter Verbrennungszustand erheblich präziser einhalten als dies bisher möglich war.

Mit dieser als Verbundregler ausgeführten Vorrichtung ist es daher möglich, Verbrennungszustände einzuhalten, die erheblich näher an der stöchiometrischen Verbrennung liegen und daher gestatten, einen bezüglich des Schadstoffgehaltes der Rauchgase günstigeren Kompromiss zu realisieren, ohne in die Gefahr des Auftretens reduzierender Verbrennungszustände zu geraten. Diese Möglichkeit zur genaueren Einhaltung optimaler Verbrennungszustände ergibt zwei entscheidende Vorteile: Einmal kann Energie gespart werden dadurch, dass dem Brenner weniger überschüssige Verbrennungsluft zugeführt werden muss, und zum anderen dadurch, dass das Rauchgas einen weiter verringerten Anteil an Schadstoffen enthält. Mit der erfindungsgemässen Regelung lassen sich weitgehend optimale Verbrennungszustände auch bei Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe und variierenden Werten des Feuchtgehaltes und der Temperatur der dem Brenner zugeführten Luft einhalten.

Das Problem einer möglichst optimalen Einstellung des Verhältnisses von Brennstoff zur Luft wurde bisher überwiegend dadurch gelöst, dass man entsprechende Erfahrungswerte für die verschiedenen Belastungszustände des Brenners mechanisch, z. B. durch Kurvenscheiben, oder elektromecha-nisch oder rein elektronisch vorprogrammierte. Da jedoch die Verbrennungseigenschaften der Brennstoffe auch bei gleicher Typenbezeichnung nicht konstant sind und andererseits auch der Sauerstoffgehalt der Luft feuchte- und/oder temperaturabhängig ist, musste bei solchen Regelungen stets ein beträchtlicher Luftüberschuss vorgesehen werden, damit in jedem Betriebszustand des Brenners eine vollständige Verbrennung des zugeführten Brennstoffes und damit die Vermeidung reduzierender Verbrennungszustände mit Sicherheit vermieden werden können.

Es sind auch schon Brennerregelungen vorgeschlagen worden, bei denen das vorprogrammierte Brennstoff-Luftmengen-verhältnis entsprechend der Zusammensetzung der Abgase, insbesondere entsprechend deren CVGehaltes, korrigiert werden kann (DT-AS 1 751 299 und DT-OS 2 326 395). Bei Verbundreglern von Brennern mit zusätzlichen Korrekturmöglichkeiten des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses entsprechend der Abgaszusammensetzung wird aus dem Abgaskanal oder dem Verbrennungsraum ein Teil des Gases abgezogen und einem Analysegerät zugeführt. In diesem Analysegerät wird das Abgas auf seinen Schadstoffgehalt oder auf seinen Restsauerstoffgehalt analysiert und aus dem Ergebnis dieser Analyse ein Signal abgeleitet, das, gegebenenfalls über mehrere signalverarbeitende Zwischenglieder, zur Korrektur des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses benützt wird, um optimalen Verbrennungszuständen näherzukommen.

Diese Art der Korrektur von Verbundreglern weist jedoch noch einen Mangel auf: In den der Entnahme der Ab- bzw. Rauchgasprobe dienenden Rohren kann nur eine begrenzte Strömungsgeschwindigkeit aufrechterhalten werden. Würde man die Strömungsgeschwindigkeit über eine gewisse Grenze erhöhen, so träfe ein Umschlag von laminarer in turbulente Gasbewegung auf und damit eine erhebliche Erhöhung des Strömungswiderstandes und eine Verringerung derStrömungs-

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geschwindigkeit. Diese Regelungen besitzen also notwendigerweise eine beträchtliche Todzeit zwischen der Änderung des Zustandes des Ab- bzw. Rauchgases und der Einleitung des Steuerungsvorganges, mit dessen Hilfe diese Abweichung korrigiert werden soll. Um das Eintreten von Verbrennungs- 5 zuständen, bei denen die Entstehung von Schadstoffen oder reduzierender Brennverhältnisse nicht mehr auszuschliessen sind, zu vermeiden, muss also auch bei diesen korrigierten Verbundbrennerregelungen stets mit einem hinreichenden Luftüberschuss gefahren werden. Dies bedingt einmal einen 10 erhöhten Brennstoffverbrauch und verhindert in vielen Fällen die Einstellung des günstigsten Verbrennungsverhältnisses z. B. bezüglich des Schwefelsäure- und Stickoxidgehaltes der Ab-bzw. Rauchgase.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Im Beispiel nach Fig. 1 bezeichnet 1 den Gas-, Öl- oder Kolhlestaubbrenner, 2 das Brennstoffreservoir, 3 die Brennstoffzuleitungen und 4 das Regelglied zum Verändern der Menge des zugeführten Brennstoffs in Anpassung an unterschiedliche Belastungszustände des Brenners. Mit 5 wird der Brennraum bezeichnet, der in den Ab- bzw. Rauchkanal 6 übergeht. Im letzteren sitzt der festkörper-elektrolytische Sauerstoffdetektor 7. Über die Leitung 8 wird dessen elektrisches Signal, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Verstärkungs- oder Messwertumsetzgliedes 9 zur Steuerung der Verbrennungsluftmenge weitergeleitet. Die Verbrennungsluft wird durch den Ventilator 10 angesaugt und über die Leitungen 11 gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Luftklappe 12 zur Regelung der Luftaustrittsquerschnitte dem Brenner zugeführt. Über die Leitung 13 wird entweder auf die Luftklappenstellung gemäss dem Signal 30 des festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektors zur Erzielung einer optimalen Verbrennung oder über die Leitung 14 elektrisch auf den Motor für das Luftgebläse eingewirkt.

Versuche, bei denen eine konventionelle Regelung des 3J Brennstoff-Luftmengenverhältnisses durch eine erfindungsgemässe Steuerung der Verbrennungsluftmenge durch einen festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektor ersetzt worden war, ergaben bei Versuchsdauern von mehreren Tagen Sauerstoffgehalte mit einer Konstanz von besser als 0,1 °/o trotz stark schwankender Luftfeuchte und stark veränderter Brennstoffzufuhr. Damit war es also möglich, den Sauerstoffgehalt des Rauchgases für einen grossen Bereich der Energieabgabe des Brenners konstant zu halten.

Im Beispiel nach Fig. 2 bedeuten 21 der Brenner, 22 der Brennraum, der in den Rauchkanal 23 übergeht, in dem der mit einer Zusatzheizung zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur versehene festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektor 24 angeordnet ist. Das dem Sauerstoffgehalt des Rauchgases eindeutig zugeordnete, vom festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektor kommende elektrische Signal wird über die Leitung 25 einem dieses elektrische Signal verarbeitenden Glied 26 zugeführt. Dieses Signalverarbeitungsglied 26 bewirkt über die Leitung 27 eine Korrektur des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses in dem Aggregat 28, das gegebenenfalls aus verschiedenen Teilen zur Regelung der Brennstoff- und Luftmengen, die dem Brenner zugeführt werden müssen, besteht. Die Leitungen 29 und 30 deuten die Brennstoff bzw. die Luftzuleitung an. In dem Signalverarbeitungsglied 26 ist auch das Verzögerungsglied enthalten, das die Brennstoff-und/oder die Luftzufuhr zum Brenner erst freigibt, nachdem der festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektor durch seine Zusatzheizung seine Betriebstemperatur erreicht hat.

Der versuchsweise Betrieb eines Gasbrenners mit dem Verbundregler des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 ergab bei mehrtägigem Betrieb bei stark wechselnden Wetterlagen und bei Benutzung zweier verschiedener Gasarten eine Verbesserung in der Konstanz des Sauerstoffgehaltes des Rauchgases und dem Faktor 10 gegenüber einer lediglich vorprogrammierten Steuerung des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses und um den Faktor 3 gegenüber einer vorprogrammierten Steuerung, die eine Korrektur des Brennstoff-Luftmengenverhält-nisses gemäss einer ausserhalb des Rauchgaskanals vorgenommenen Rauchgasanalyse enthielt. Unter Verbesserung wird verstanden, dass die maximalen Abweichungen von einem Mittelwert einmal 1/io und zum anderen Vs kleiner waren. Damit sind die entscheidenden Vorteile, die durch die erfindungsgemässe Verbundregelung zu erzielen sind, eindeutig demonstriert.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum Steuern von Gas-, öl- oder Kohlestaubbrennern, wobei die Anpassung an unterschiedliche Bela-stungszustände durch Verändern der Menge des zugeführten Brennstoffs erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der entsprechenden Luftmenge durch einen festkörper-elektrolytischen Sauerstoffdetektor erfolgt, der im Rauchgaskanal angeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Spannung am Motor für das Luftgebläse die Steuerung der entsprechenden Luftmenge durch Verändern der Luftaustrittsquerschnitte gemäss dem Signal des festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektors erfolgt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der entsprechenden Luftmenge durch elektrische Einwirkung auf den Motor für das Luftgebläse gemäss dem Signal des festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektors erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Steuervorgänge vollautomatisch ausgeführt werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in dem Rauchgaskanal angeordneten festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektor.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektor sowie alle funktionsentscheidenden Steuerorgane mindestens zweifach angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Verbundregler ausgeführt ist mit elektro-mechanisch oder rein elektronisch vorprogrammiertem Brennstoff-Luftverhältnis für die unterschiedlichen Belastungszu-stände von Gas-, öl- oder Kohlestaubbrennern, wobei ein mit einer Zusatzheizung auf seiner Betriebstemperatur gehaltener festkörperelektrolytischer Sauerstoffdetektor (4) im Rauchgaskanal (3) angeordnet ist und dessen elektrisches Signal bei Abweichung der Rauchgaszusammensetzung vom optimalen Verbrennungszustand zur entsprechenden Korrektur des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses dient und ein Verzögerungsglied vorgesehen ist, das die Brennstoff- und/oder die Luftzufuhr zum Brenner erst freigibt, nachdem der erwähnte Sauerstoffdetektor seine Betriebstemperatur erreicht hat.