CH624204A5 - Device on a gas, oil or coaldust furnace for controlling the fuel/air quantity ratio - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung an einer Gas-, Öl- elektrisches Signal verwandelt werden, wie der Darstellung der oder Kohlestaubfeuerung zum Regeln des Brennstoff-Luftmen- Figur 2 entnommen werden kann. In der Figur 2 ist die an einem genverhältnisses. festkörperelektrolytischen, keramischen Sauerstoffionenleiter

Die Vollständigkeit des Verbrennungsvorganges in einem 35 abgreifbare Spannung in mV über der gleichen Abszisse wie in Gas-, öl- oder Kohlestaubbrenner kann über den Kohlenmon- Figur 1 aufgetragen, und zwar auch wieder mit der Temperatur oxidgehalt der Verbrennungsprodukte der Brenner Verhältnis- als Parameter. Es ist zu erkennen, dass bei Einsetzen einer massig gut erfasst werden. Dieser Kohlenmonoxidgehalt ist vollständigen Verbrennung eine drastische Spannungsänderung damit im wesentlichen auch repräsentativ für den Gehalt an in der Grössenordnung eines V2 V auftritt; sie ist weitgehend weiteren Schadstoffen in den Verbrennungsprodukten. Der 40 unabhängig von der Temperatur.—Aus der Darstellung der Zweck der Erfindung ist es, ein praktisch trägheitslos arbeiten- Figur 2 kann darüber hinaus entnommen werden, dass es auch des Anzeige- und ggf. Steuerorgan zur Verfügung zu stellen, mit möglich ist, das Erreichen einer nicht vollständigen Verbren-dessen Hilfe der Kohlenmonoxidgehalt am Ende einer Flamme nung vollständig zu vermeiden, da auch noch im Bereich eines oder am Ausgang einer Verbrennungskammer erfasst und ggf. leichten Sauerstoffüberschusses (dicht rechts neben dem Absgesteuert werden kann. Dabei kommt der trägheitslosen Erf as- 45 zisswert 0,50) eine Spannungsänderung um 20 bis 40 mV zur sung eine grosse Bedeutung zu, da erst sie es ermöglicht Steue- Verfügung stehen, mit deren Hilfe man eine Annäherung bei rungsvorgänge so schnell auszulösen, dass längerandauernde abnehmendem Sauerstoffgehalt an den Zustand nicht mehr Verunreinigungen der Verbrennungsprodukte mit Sicherheit vollständiger Verbrennung rechtzeitig erkennen und gegebeausgeschlossen werden können. nenfalls entsprechende Steuerungsmassnahmen durch Einfluss-

Es sind bereits viele Steuereinrichtungen für Brenneranla- so nähme auf das Brennstoff-Luftmengenverhältnis einleiten kann,

gen bekannt, bei denen das als günstig angesehene Brennstoff- Da die Entstehung der für die Sauerstoffaktivität repräsentati-Luftmengenverhältnis nach vorgegebenen Werten möglichst ge- ven Spannungen auf Polarisationseffekten an der Oberfläche nau eingehalten wird. Solche Anlagen sind z.B. beschrieben des sauerstoffionenleitenden keramischen Festkörpers beruht,

worden in den DT-OS 2 330 962 und 2 335 843. folgt diese Spannung praktisch unmittelbar jeder Änderung des

Es sind auch bereits Einrichtungen zur Verbrennungsrege- ss Sauerstoffgehaltes. Jedenfalls liegen alle derartigen Spannungs-

lung an Dampfkesseln oder Industrieöfen beschrieben worden, änderungen im Bereich von Millisekunden, nach dem der Sau-

mit deren Hilfe vorprogrammierte Brennstoff-Luftmengenver- erstoffgehalt sich geändert hat.

hältnisse gemäss den Ergebnissen einer Abgasanalyse, insbe- Sauerstoffionenleitende keramische Festkörper der erfin-sondere durch Messen des Sauerstoffgehaltes der Äbgase, korri- dungsgemässen Art sind an sich bekannt. Sie bestehen z.B. aus giert werden (DT-AS 1 751 299 und DT-OS 2 326 395). Die 60 mit Kalziumoxid stabilisiertem Zirkondioxid, das z.B. in Form zuletzt erwähnten Einrichtungen zur Verbrennungsregelung von einseitig geschlossenen Rohren dicht gesintert worden ist.

weisen jedoch noch eine beträchtliche Totzeit zwischen der An der eigentlichen Messstelle, meist dem einseitig geschlosse-Änderung des Zustandes des Verbrennungsgases und der Erfas- nen Ende dieser Rohre, sind sie in an sich bekannter Weise mit sung dieser Änderung durch ein Messorgan auf. Diese Totzeit porösen Platinelektroden versehen, von denen Platindrähte die ist dadurch bedingt, dass die Analyse des Verbrennungsgases 65 elektrische Spannung abzugreifen gestatten. Der Innenseite die-

auf seinen Sauerstoffgehalt ausserhalb des Verbrennungsrau- ser einseitig geschlossenen Rohre kann in ebenfalls bekannter mes oder des Abgaskanals erfolgt. Da die Analyse der Verbren- Weise Luft zugeführt werden, um den Vergleichssauerstoffge-

nungsgase, z.B. die Bestimmung ihres Sauerstoffgehaltes, nach halt konstant zu halten.

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Da sich das Ende einer Flamme meistens bewegt und der Verbrennungsvorgang auch nicht in jedem Fall am durch sein Leuchten erkennbaren Ende der Flamme abgeschlossen ist,

muss das Bestimmen des genauen Ortes für die Anordnung des Detektors im Einzelfall durch Verschieben im Bereich des 5

sichtbaren Flammenendes erfolgen. Versuche haben gezeigt,

dass es bei sehr unterschiedlichen Grössen von Brennern und auch bei verschiedenen Leistungsstufen des gleichen Brenners stets eine einzige Stellung gibt, die für den Verbrennungszustand des Brenners und damit für seinen Kohlenmonoxidgehalt 10 hinreichend repräsentativ ist und gleichzeitig eine Anzeige von mehr als 10mV gewährleistet, falls der Verbrennungszustand vom gewünschten Wert abweicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: 1 s

Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel;

Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel.

Mit der Vorrichtung kann der Kohlenmonoxidgehalt der Flamme verfolgt werden. Nutzt man die drastische Spannungsänderung aus, die, wie in Figur 2 gezeigt ist, beim Umschlag 20 vom oxidierenden zum reduzierenden Verbrennungszustand entsteht, so kann die erfindungsgemässe Vorrichtung gleichzeitig als Notabschalteinrichtung benutzt werden.

Zum Regeln des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses werden die Spannungsänderungen am Detektor ausgewertet. Die 25 vom Detektor gelieferte elektrische Spannung wird einem Steuerglied zugeführt, durch welches das Brennstoff-Luftmengen-verhältnis so eingestellt wird, dass der günstigste Verbrennungszustand aufrechterhalten wird.

Die Detektoren, wie sie für die erfindungsgemässen Vor- 30 richtungen vorgesehen werden, die einen sauerstoffionenleiten-den keramischen Festkörper enthalten, müssen sich für ihre einwandfreie Funktion auf einer Temperatur von mehr als 500° C befinden. Dies wird bei der erfindungsgemässen Anordnung des Brenners kurze Zeit nach seiner Inbetriebnahme stets 15 der Fall sein. Soll jedoch auch während einer Anfahrperiode des Brenners sichergestellt sein, dass keine Verbrennungszustände auftreten, bei denen Kohlenmonoxid im Verbrennungsprodukt auftritt oder auftretendes Kohlenmonoxid vorgegebene Mengen nicht überschreitet, so kann der Detektor mit einer Zusatzhei- 40 zung versehen werden, die ihn stets auf einer Temperatur oberhalb 500° C hält. Soll dies auch bei erster Inbetriebnahme des Brenners gewährleistet sein, so muss ein Verzögerungsglied vorgesehen werden, das die Brennstoff- und/oder Luftzufuhr erst freigibt, nachdem der sauerstoffionenleitende keramische 45 Festkörperdetektor seine Betriebstemperatur erreicht hat. Als Explosionsschutz kann ein Drahtnetz angeordnet werden, das alle beheizten Teile des Detektors umgibt.

Die durch die erfindungsgemässe Vorrichtung erreichten Vorteile sind primärer und sekundärer Art. Primär wird der so Kohlenmonoxidgehalt im Abgas auf jeden gewünschten Wert herabgesetzt. Dies ergibt einige sekundäre entscheidende Vorteile: Durch das Vermeiden des Auftretens von Verbrennungs-zuständen, bei denen Kohlenmonoxid im Verbrennungsgas enthalten ist, wird auch die Bildung weiterer Schadstoffe weitge- ss hend vermieden oder kann in engen Grenzen erheblich genauer als bisher eingeregelt werden. Hier wirkt sich besonders die Vermeidung praktisch jeglicher Totzeit zwischen einer Erfassung der Änderung des Verbrennungsvorganges und seiner Ausregelung günstig aus. Dies hat entscheidende Vorteile für 60 die Umweltbelastung durch die Verbrennungsgase. Darüber hinaus jedoch lässt sich mit der erfindungsgemässen Vorrichtung auch eine erhebliche Energieeinsparung erzielen. Zum sicheren Vermeiden des Auftretens grösserer Mengen von Kohlenmonoxid im Verbrennungsgas musste man nämlich bisher « mit einem erheblichen Luftüberschuss fahren. Durch die zuverlässige und erheblich genauere Einhaltung gewünschter Verbrennungszustände ist es möglich, die Brennstoff-Luftmengenverhältnisse erheblich näher an den optimalen Verbrennungszustand heran zu nehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Figur 3 für den Fall eines Brenners, der mit einer Brennkammer ausgerüstet ist, dargestellt: Darin bedeuten 1 und 2 die Brennstoff- bzw. Luftzufuhrleitungen, 3 die Aggregate zum Einstellen des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses, 4 und 5 die Leitungen, die den Brennstoff bzw. die Luft dem Brenner 6 zuführen. Mit 7 ist die Brennkammer des Brenners bezeichnet, mit 8 der eigentliche Brennraum und mit 9 der Abzugskanal für die Verbrennungsgase. 10 bezeichnet den sau-erstoffionenleitenden keramischen Festkörperdetektor mit seiner Halterung und gegebenenfalls Heizung. Mit 11 ist die Leitung gekennzeichnet, durch die das elektrische Signal des Detektors einem Anzeige- oder Messwertverarbeitungsgerät 12 zugeführt wird. Zum Steuern des Kohlenmonoxidgehalts an den Flammen und/oder den Verbrennungsprodukten wird das Brennstoff-Luftmengenverhältnis über die Leitung 13 durch das Messwert-Verarbeitungsglied 12 beeinflusst.

Beim Versuchsbetrieb einer erfindungsgemässen Vorrichtung war es bei ununterbrochenem mehrtägigem Betrieb möglich, das Auftreten von Kohlenmonoxid vollständig zu vermeiden, obgleich Gase unterschiedlicher Herkunft und Zusammensetzung benutzt wurden und der Feuchtegehalt der Verbrennungsluft durch Einblasen zerstäubten Wassers in weiten Grenzen verändert wurde. Dabei war der Brenner auf einen Luftüberschuss von nur 0,5 % eingestellt. Die Messung des Kohlen-monoxidgehaltes erfolgte dabei unabhängig von dem erfin-dungsgemäss angeordneten Detektor durch Entnahme einer Gasprobe über eine Rohrleitung, wobei die Entnahmeöffnung dicht neben dem Detektor angeordnet war. Dies Versuchsergebnis bestätigt die Vorteile dieser Vorrichtung, die sich übrigens noch durch besondere Einfachheit und damit naturgemäss Störunempfindlichkeit auszeichnet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figur 4 schematisch dargestellt. Darin bedeuten 1 die Brennstoff-, 2 die Luftzufuhr, 3 ein Aggregat oder eine Gruppe von Aggregaten, die der Einstellung des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses dienen, 4 und 5 die Zuleitungen von Brennstoff und Luft zum Brenner 6. Im Brennraum 7 ist der erste festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektor 10 zur Feststellung des Kohlenmonoxidgehaltes im Bereich des Flammenendes angeordnet. Im Rauchgaskanal 9 ist der zweite festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektor 14 eingebaut, der der Bestimmung des Sauerstoffgehaltes der Verbrennungsprodukte dient. Die beiden festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektoren 10 und 14 sind über die Leitungen 11 und 15 mit einem Messwertverarbeitungsglied 12 verbunden. Dieses Messwertverarbeitungsglied enthält alle elektrischen und elektronischen Bauteile, die zur Aufrechterhaltung und Steuerung des einwandfreien Betriebes der Sauerstoffdetektoren 10 und 14 notwendig sind. Die entsprechenden Steuerungen für die Detektoren erfolgen ebenfalls über die Leitungen 11 und 15. Diese Leitungen 11 und 15 bestehen also aus Kabelbündeln, die auch noch die Leitungen für die Zufuhr der Referenzluft an die Vergleichselektrode der festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektoren enthalten. Das Messwertverarbeitungsglied 12 enthält ausserdem alle an sich bekannten elektrischen Hilfsmittel, mit deren Hilfe das vom Detektor 14 gelieferte elektrische Signal in elektrische Steuerbefehle umgesetzt wird, die über die Leitung 13 das Brennstoff-Luftmengen-verhältnis in den entsprechenden Aggregaten 3 beeinflusst. Ausserdem enthält das Steuerglied 12 die elektrischen oder elektronischen Bestandteile, mit deren Hilfe das elektrische Signal, das über die Leitung 11 von dem den Kohlenmonoxidgehalt erfassenden Detektor 10 kommt, zur Einwirkung auf die Einstellung des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses in den Aggregaten 3 über die Leitung 13 verarbeitet wird. Diese Verarbeitung des elektrischen Signals aus dem Detektor 10 über die

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Leitung 11 in dem Messwertverarbeitungsglied 12 kann auch Einsatz in Brennräumen, Abgas- oder Rauchgaskanälen genü-

einschliessen, dass bei Uberschreiten eines gewissen Grenzwer- gen, sind mit einem Drahtnetz versehen, das alle Teile, die sich tes der Brenner vollständig abgeschaltet wird. auf der Betriebstemperatur befinden, umgibt.

Aus der Darstellung der Figur 4 geht besonders deutlich Der mit dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 erzielte Vor-hervor, dass sich die beiden Detektoren 10 und 14, die jeder 5 teil besteht primär darin, dass die entscheidenden Funktionen völlig unabhängig voneinander arbeiten, doch gegenseitig kon- der Abgasanalyse unmittelbar im Brennraum selbst erfolgen, trollieren. Damit weist diese erfindungsgemässe Ausführungs- Daher können alle Steuermassnahmen zum Beeinflussen des form einen erheblich höheren Grad an Sicherheit auf, als bishe- Brennstoff-Luftmengengemisches praktisch ohne Totzeit, d.h. rige Brenner-Steuerungssysteme. innerhalb von Millisekunden ausgelöst werden, so dass günstig-Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist es zweckmässig, 10 ste Verbrennungsverhältnisse über längere Zeiträume kontinu-den ersten festkörperelektrolytischen Sauerstoff de tektor 10 im ierlich aufrechterhalten werden können. Dies hinwiederum erBereich der Flammenspitze des zu steuernden Brenners anzu- gibt die sekundären Vorteile einer erheblichen Brennstoffeinordnen. Wenn auch bereits beim Anfahren eines Brenners eine sparung, da die viel präzisere Steuerung des Brennstoff-Luft-Überwachung und gegebenenfalls Steuerung des Kohlenmon- mengenverhältnisses es gestattet, dieses Verhältnis erheblich oxidgehaltes notwendig ist, so kann es vorteilhaft sein, auch den 15 näher an den günstigsten Verbrennungszustand heranzuführen, ersten festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektor 10 zu be- ohne in die Gefahr zu geraten, in Verbrennungszustände mit heizen. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, schädlicher Abgaszusammensetzung zu geraten. Damit ist zu-beim Anfahren des Brenners eine Verzögerungszeit vorzuse- gleich der andere sekundäre Vorteil des erfindungsgemässen hen, die das Einbringen eines zündfähigen Gemisches aus Vorgehens genannt, nämlich die erheblich präzisere Vermei-Brennstoff und Luft in den Brennraum erst zulässt, wenn der 20 dung von Verbrennungszuständen, bei denen umweltschädliche erste 10 und gegebenenfalls auch der zweite Sauerstoffdetektor Verbindungen im Abgas in Mengen auftreten können, die eine 14 seine Betriebstemperatur erreicht hat. In vielen Fällen wird merkliche Umweltbelastung darstellen. Diese Vorteile werden es genügen, den ersten festkörperelektrolytischen Sauerstoffde- besonders wirksam, wenn Brenner mit unterschiedlichen tektor 10, der der Feststellung des Kohlenmonoxidgehaltes Brennstoffen, z.B. Gasen unterschiedlicher Herkunft oder Ga-dient, auch als Grenzwertgeber zu benutzen, durch den bei 25 sen oder Ölen, die zwar die selbe Handelsbezeichnung tragen, Uberschreiten einer gewissen Signalgrösse ein Abschalten des trotzdem jedoch in ihrer Zusammensetzung verschieden sind, Brenners erfolgt. verwendet werden müssen. Ausserdem gestattet die Erfindung

Festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektoren, die durch das Aufrechterhalten optimaler Verbrennungszustände bei eine Zusatzheizung auf ihrer Betriebstemperatur gehalten wer- grösseren Dichteänderungen sowie bei starken Abweichungen den und die den sicherheitstechnischen Anforderungen für den 30 der Luftfeuchte vom Normalwert.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

624 204 2 PATENTANSPRÜCHE den bisher vorgeschlagenen Verfahren ausserhalb des Flam-

1. Vorrichtung an einer Gas-, Öl- oder Kohlestaubfeuerung menraumes oder der Brennkammer erfolgte, mussten Rohrlei-zum Regeln des Brennstoff-Luftmengenverhältnisses, dadurch tungen vorgesehen werden, durch die diese Verbrennungsgase gekennzeichnet, dass ein festkörperelektrolytischer Sauerstoff- den Analysegeräten zugeführt wurden. In diesen Rohrleitungen detektor (10) im Brennraum (7) im Bereich der Flamme zur 5 sind die erzielbaren Strömungsgeschwindigkeiten begrenzt, Feststellung des CO-Gehaltes in den Verbrennungsprodukten wenn man Wirbelbildungen und damit eine weitere Reduktion angeordnet ist. der Strömungsgeschwindigkeit vermeiden will. Hierdurch ent-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, stehen notwendigerweise die oben erwähnten Totzeiten mit den dass der festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektor (10) im bereits genannten Folgen.

Bereich der Flammenspitze des zu regelnden Brenners angeord- 10 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Totzeiten net ist. zu vermeiden und einen elektrischen Messwert zur Verfügung

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, zu stellen, der unmittelbar dem Kohlenmonoxidgehalt am Ende dass ein zweiter festkörperelektrolytischer Sauerstoffdetektor einer Brennkammer zugeordnet werden kann.

(14) im Bereich des Ausgangs des Brennraumes (7) angeordnet Diese Aufgabe wird durch die eingangs erwähnte, die im ist. 15 kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, Merkmale aufweisende Vorrichtung gelöst.

dadurch gekennzeichnet, dass der erste festkörperelektrolyti- Dass die Bestimmung der Sauerstoffaktivität am Ende des sehe Sauerstoffdetektor (10) eine Heizung aufweist. Verbrennungsvorganges ein eindeutiges Mass für den Kohlen-

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, monoxidgehalt des Verbrennungsproduktes liefert, kann an-dadurch gekennzeichnet, dass der erste festkörperelektrolyti- 20 hand der Zeichnung in Figur 1 erläutert werden. In dieser sehe Sauerstoffdetektor (10) zusätzlich als Grenzwertgeber Zeichnung ist der log des Sauerstoffpartialdruckes als Funktion dient, der bei Überschreiten eines zulässigen CO-Wertes den der Sauerstoffzugabe zu Kohlenmonoxid oder Wasserstoff bei Brenner abschaltet. verschiedenen Temperaturen aufgetragen. Der Sauerstoffpar-

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, tialdruck eines Gases ist der Sauerstoffaktivität in ausgezeichne-dadurch gekennzeichnet, dass ein Verzögerungsglied vorgese- 25 ter Näherung proportional. Aus der Darstellung der Figur 1 ist hen ist, das die Brennstoff- und/oder Luftzufuhr erst freigibt, zu ersehen, dass der Umschlag von unvollständiger zu vollstän-nachdem der erste festkörperelektrolytische Sauerstoffdetektor diger Verbrennung durch eine drastische Erhöhung des Sauer-(10) seine Betriebstemperatur erreicht hat. stoffpartialdruckes gekennzeichnet ist (Abnahme des negativen log des Sauerstoffpartialdruckes). Diese Änderung der Sauer- 30 Stoffaktivität bzw. des Sauerstoffpartialdruckes kann durch einen festkörperelektrolytischen Sauerstoffdetektor direkt in ein