ES2272229T3 - Procedimiento y mecanismo para la determinacion asi como para el control del exceso de aire en un proceso de combustion. - Google Patents

Procedimiento y mecanismo para la determinacion asi como para el control del exceso de aire en un proceso de combustion. Download PDF

Info

Publication number
ES2272229T3
ES2272229T3 ES00120859T ES00120859T ES2272229T3 ES 2272229 T3 ES2272229 T3 ES 2272229T3 ES 00120859 T ES00120859 T ES 00120859T ES 00120859 T ES00120859 T ES 00120859T ES 2272229 T3 ES2272229 T3 ES 2272229T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
determined
radiation
combustion
formation
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
ES00120859T
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas Dr. Merklein
Heino Sand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Application granted granted Critical
Publication of ES2272229T3 publication Critical patent/ES2272229T3/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00Systems for controlling combustion
    • F23N5/02Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00Systems for controlling combustion
    • F23N5/003Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00Regulating fuel supply
    • F23N1/02Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00Flame sensors
    • F23N2229/16Flame sensors using two or more of the same types of flame sensor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Combustion (AREA)
  • Regulation And Control Of Combustion (AREA)
  • Incineration Of Waste (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

Procedimiento para la determinación del exceso de aire (L) en un proceso de combustión, en el que se determinan las velocidades de formación K(CN) y K(CO) de los productos de reacción CN y CO formados en la combustión, caracterizado porque la relación K (CN)/K(CO) de las velocidades de formación determinadas se forma como una variable representativa del exceso de aire (L).

Description

Procedimiento y mecanismo para la determinación así como para el control del exceso de aire en un proceso de combustión.
Procedimiento y mecanismo para la determinación así como para el control del exceso de aire en un proceso de combustión.
La presente invención se relaciona con un procedimiento para la determinación del exceso de aire en un proceso de combustión.
La presente invención se relaciona, además, con un mecanismo correspondiente para la determinación del exceso de aire.
Gracias a la EP 0 612 961 A2 se sabe determinar las velocidades de formación de los productos de reacción formados durante un proceso de combustión, particularmente las moléculas y radicales CO, C_{2}, CH, CN, OH, y NH, mediante espectroscopia de emisión de la radiación característica de la llama de combustión y para consultar el control o regulación del proceso de combustión. Para ello se estudia con un espectrómetro de emisión el espectro de radiación de la llama de combustión, detectándose la radiación de bandas de las moléculas y radicales seleccionados. La radiación de bandas se superpone a una radiación térmica, que se determina por pirometría de relación en uno o varios intervalos de longitud de onda libres de bandas y se tiene en cuenta en la determinación de las velocidades de formación.
Las velocidades de formación determinadas de los productos de reacción seleccionados son sólo condicionalmente apropiadas para el control o regulación del proceso de combustión, pues son afectadas, entre otros, por la variable y posición de la sección observada de la llama de combustión así como por la frecuencia de reacción controlada por la masa de los combustibles introducidos.
Una medida sustancial para la calidad de una combustión es el exceso de aire. Este designa la relación aire/combustible, que es una, si se introduce exactamente tanto aire y/u oxígeno, como sea necesario para el proceso de combustión. Un exceso de aire menor que uno, o sea una alimentación de aire demasiado escasa, conduce a una combustión incompleta, mientras que un exceso de aire mayor que uno, y/o demasiado aire inyectado, conduce, entre otros, a una concentración del proceso de combustión en la boquilla del quemador con, como consecuencia, mayores temperaturas de combustión. Además, la inyección y calentamiento de mayores concentraciones de aire se relaciona con las pérdidas correspondientes de energía.
Hasta ahora podía determinarse el exceso de aire sólo a través de mediciones de la cantidad de combustible y de aire introducida en el proceso de combustión, siendo muy aparatosa e inexacta la medida exacta de la cantidad de combustible, particularmente en el caso del carbón. Una resolución local del exceso de aire dentro de la llama de combustión y frecuentemente también una distribución de las concentraciones de combustible sobre diferentes quemadores eran posibles sólo a través de consideraciones teóricas, aunque no mediante mediciones. Correspondientemente, hasta ahora sólo era posible una regulación del proceso de combustión condicionalmente específica del quemador y, por otra parte, lenta.
La presente invención se basa, por tanto, en el objetivo de posibilitar una determinación del exceso de aire en un proceso de combustión lo más rápida, sencilla y localmente resuelta posible y regular posteriormente con ella el proceso de combustión.
El objetivo se resuelve conforme a la invención con el procedimiento indicado en la Reivindicación 1 y/o el mecanismo indicado en la Reivindicación 5.
De las subreivindicaciones 2, 3 y 4 y/o 6, 7 y 8 se extraen formaciones beneficiosas de los procedimientos y mecanismos conformes a la invención.
La invención se basa en el conocimiento de que un exceso decreciente de aire debido a la combustión incompleta conduce a una elevada formación de CO, mientras que un exceso creciente de aire debido a la elevada temperatura de combustión conduce a una elevada formación de CN. El aire inyectado en exceso puede contribuir al enfriamiento sólo en el caso de un exceso claramente excesivo de aire y reducir con ello de nuevo la formación de CN. La relación de las velocidades de formación de CN y CO forma, por consiguiente, en el ambiente del valor del exceso de aire, si una gran parte del aire contribuye a la combustión, una medida apropiada, para determinar el exceso de aire y posteriormente regular con ello el proceso de combustión, particularmente el aire introducido y/o su distribución. Mediante la formación de la relación de las velocidades de formación de CN y CO se eliminan además los factores influyentes citados anteriormente y que perjudican a la determinación de las velocidades de formación, como por ejemplo la variable y posición de la sección de la llama de combustión observada, ya que afectan igualmente a las velocidades de formación de CN y CO.
La determinación de las velocidades de formación de CN y CO puede realizarse de manera conocida mediante espectroscopía de emisión. Se prefiere determinan las velocidades de formación de CN y CO a partir de las intensidades de radiación con por lo menos cuatro cámaras, en por lo menos cuatro intervalos diferentes de longitudes de onda del espectro de radiación de la llama de combustión, donde se determinan, en dos intervalos de longitud de onda, las intensidades de radiación durante la formación de CN y CO y se resta de estas intensidades de radiación determinadas la radiación térmica determinada por pirometría de relación a partir de las intensidades de radiación determinadas en los otros dos intervalos de longitud de onda. Como cada una de las cámaras comprende sólo un intervalo de ondas de banda estrecha del espectro de radiación de la llama de combustión, puede determinarse el exceso de aire con alta resolución local y rápidamente en la práctica, a diferencia de los espectrómetros, que presentan una alta resolución de frecuencia aunque baja resolución local; y, por tanto, emplearse como variable de control apropiada para la regulación del exceso de aire en el proceso de combustión.
Para la especificación adicional de la invención se hace referencia a continuación a las Figuras del diseño; muestran individualmente
Figura 1 un ejemplo del mecanismo conforme a la invención para la determinación y posterior regulación del exceso de aire en un proceso de combustión,
Figura 2 un ejemplo del espectro de radiación de una llama de combustión en un punto de observación,
Figura 3 Ejemplarmente, la dependencia de la formación de CN y CO así como su relación del exceso de aire en un proceso de combustión y
Figura 4 otro ejemplo de mecanismo conforme a la invención para la determinación del exceso de aire en un proceso de combustión.
En una cámara de fuego o de combustión 1 de una instalación de generación de vapor no representada, por ejemplo un generador de vapor por quema de combustibles fósiles de una central térmica o una planta incineradora de residuos, se lleva a cabo un proceso de combustión. Los sensores ópticos 2 y 3 en forma de cámaras especiales registran en puntos o secciones de observación seleccionados el espectro de radiación de la llama de combustión 4. Las informaciones 5 obtenidas en este caso se introducen en un dispositivo de procesamiento de datos 6, que evalúa a partir de los espectros de radiación registrados, por ejemplo mediante reconstrucción tomográfica computerizada, una distribución espacial de la temperatura y perfiles tridimensionales localmente resueltos de las velocidades de formación K de productos de reacción seleccionados, resultantes del proceso de combustión. En este caso se determinan la temperatura mediante pirometría de relación y las velocidades de formación K de los productos de reacción mediante espectroscopía de emisión. Las velocidades de formación K así determinadas se introducen, además de otras variables de de mando y de regulación 8, en un dispositivo de control y regulación 9, que gobierna y/o regula la alimentación y distribución de combustible 10, la alimentación y distribución de aire 11, así como la alimentación y distribución 12 de agregados y materiales auxiliares, para el proceso de combustión.
Las velocidades de formación K(CN) y K(CO) del radical CN y de la molécula CO, relevantes para la invención, se introducen, tras su determinación en el dispositivo 6, en un dispositivo 13, que forma la relación K(CN)/K(CO) de ambos productos de reacción y se alimenta como variable de control de un regulador 14 para la alimentación y distribución de
aire.
La Figura 2 muestra un ejemplo del espectro de radiación de una llama de combustión 4 en un punto de observación, aplicándose la intensidad de radiación I a través de la longitud de onda \lambda. La intensidad de radiación I se compone esencialmente de la radiación térmica TS (radiación Planck) y la radiación de banda BS (quimioluminiscencia) emitida por determinadas transiciones de radicales. Los picos de intensidad característicos para determinados productos de reacción, por ejemplo CH, se caracterizan aquí, interesando en el contexto de la invención las intensidades de la radiación de bandas BS resultante en la formación de CN a aproximadamente 420 nm y de CO a aproximadamente 450 nm. El aporte térmico TS de las intensidades de radiación I medido para estos productos de reacción puede calcularse y sustraerse a temperatura conocida. Para ello se determina la radiación térmica TS por pirometría de relación a partir de longitudes de onda \lambda, en las que no aparece ninguna transición de radicales; los correspondientes intervalos de longitud de onda libres de bandas se encuentran, por regla general, en el rango rojo o infrarojo.
La Figura 3 muestra ejemplarmente la dependencia de la formación de CN y de CO del exceso de aire L en el proceso de combustión. Un exceso de aire L menor que uno conduce a una combustión incompleta, lo que se relaciona con una mayor formación de CO. Demasiado aire inyectado conlleva, en cambio, una concentración del proceso de combustión en la boquilla del quemador con, como consecuencia, mayores temperaturas de combustión y, por tanto, mayor formación de CN. Si se inyecta aire en exceso en elevada cantidad, esto puede contribuir de nuevo al enfriamiento y, de esta forma, reducir la formación de CN. Como muestra la Figura 3, la relación K(CN)/
K(CO) de las velocidades de formación de CN y CO determinadas supone una medida apropiada en el campo de regulación R en torno al valor del exceso de aire L=1, para determinar el exceso local de aire L y para regular el proceso de combustión, aquí particularmente la alimentación y distribución de aire 11.
En el ejemplo de ejecución del mecanismo conforme a la invención, mostrado en Figura 4, se representa uno y el mismo punto o sección de observación de la llama de combustión 4 en la cámara de fuego o de combustión 1 sobre cuatro cámaras CCD 15, 16, 17 y 18, que, debido al filtro de banda estrecha situado corriente arriba 19, 20, 21 y 22, registran las intensidades de radiación I en cuatro intervalos diferentes de longitud de onda del espectro de radiación de la llama de combustión 4. A partir de dos de las intensidades de radiación I registradas, localizadas preferentemente en intervalos de longitud de onda libres de bandas, se determina la radiación térmica TS por pirometría de relación en el dispositivo 6 corriente debajo de las cámaras CCD 15, 16, 17 y 18. Las otras dos intensidades de radiación se emplean para la determinación de las radiaciones de banda BS emitidas durante la formación de CN y CO en los intervalos de longitud de onda de aproximadamente 420 nm y/o en torno a 450 nm. Para ello se resta de estas intensidades de radiación I determinadas para CN y CO la proporción de radiación térmica TS, de forma que se obtengan las respectivas radiaciones de banda BS y, por tanto, las velocidades de formación K(CN) y
K(CO), a partir de las que se forma en el dispositivo 13 la relación K(CN)/K(CO) representativa del exceso de aire L.

Claims (8)

1. Procedimiento para la determinación del exceso de aire (L) en un proceso de combustión, en el que se determinan las velocidades de formación K(CN) y K(CO) de los productos de reacción CN y CO formados en la combustión, caracterizado porque la relación K (CN)/K(CO) de las velocidades de formación determinadas se forma como una variable representativa del exceso de aire (L).
2. Procedimiento acorde a la Reivindicación 1, caracterizado porque la variable representada por la relación K(CN)/K(CO) de las velocidades de formación determinadas se forma como variable de control para un controlador (14).
3. Procedimiento acorde a una de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque las velocidades de formación K(CN) y K(CO) se determinan mediante espectroscopía de emisión de la radiación característica de la llama de combustión (4).
4. Procedimiento según al menos una de las Reivindicaciones 1-2, caracterizado porque las velocidades de formación K(CN) y K(CO) se determinan a partir de las intensidades de radiación (I) en por lo menos cuatro intervalos diferentes de longitudes de onda del espectro de radiación de la llama de combustión (4), donde las intensidades de radiación (I) se determinan durante la formación de CN y CO en dos intervalos de longitud de onda y se resta de estas intensidades de radiación determinadas (I) la radiación térmica (TS) determinada a partir de las intensidades de radiación (I) determinadas en los otros dos intervalos de longitud de onda según la pirometría de
relación.
5. Mecanismo para la determinación del exceso de aire (L) en un proceso de combustión con un dispositivo (2, 3, 6) para la determinación de las velocidades de formación K(CN) y K(CO) de los productos de reacción CN y CO formados en la combustión caracterizado porque se prevé un dispositivo corriente abajo (13) para la formación de la relación K(CN)/K(CO) de las velocidades de formación determinadas como una variable representativa del exceso de aire (L).
6. Mecanismo acorde a la Reivindicación 5, caracterizado porque el dispositivo corriente abajo (13) está conectado a un controlador (14).
7. Mecanismo acorde a la Reivindicación 5 - 6, caracterizado porque el dispositivo (2, 3, 6) para la determinación de las velocidades de formación K(CN) y K (CO) comprende un espectrómetro de emisión.
8. Mecanismo acorde a la Reivindicación 5 - 6, caracterizado porque el dispositivo (15, 16, 17, 18, 6) para la determinación de las velocidades de formación K(CN) y K(CO) presenta por lo menos cuatro cámaras (15, 16, 17, 18), que registran las intensidades de radiación (I) en por lo menos cuatro intervalos diferentes de longitudes de onda del espectro de radiación de la llama de combustión (4), y porque se dispone un dispositivo (6) corriente debajo de las cámaras (15, 16, 17, 18), que determina en dos de los intervalos de longitud de onda las intensidades de radiación (I) en la formación de CN y CO y resta de estas intensidades de radiación determinadas (I) la radiación térmica (TS) calculada por pirometría de relación de las intensidades de radiación (I) determinadas en los otros dos intervalos de longitud de onda.
ES00120859T 1999-10-07 2000-09-25 Procedimiento y mecanismo para la determinacion asi como para el control del exceso de aire en un proceso de combustion. Expired - Lifetime ES2272229T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19948377 1999-10-07
DE19948377A DE19948377C1 (de) 1999-10-07 1999-10-07 Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung sowie zur Regelung des Luftüberschusses bei einem Verbrennungsprozeß

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2272229T3 true ES2272229T3 (es) 2007-05-01

Family

ID=7924851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES00120859T Expired - Lifetime ES2272229T3 (es) 1999-10-07 2000-09-25 Procedimiento y mecanismo para la determinacion asi como para el control del exceso de aire en un proceso de combustion.

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP1091175B1 (es)
AT (1) ATE344423T1 (es)
DE (2) DE19948377C1 (es)
DK (1) DK1091175T3 (es)
ES (1) ES2272229T3 (es)
PT (1) PT1091175E (es)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2816056B1 (fr) * 2000-11-02 2003-05-16 Centre Nat Rech Scient Dispositif de mesure de richesse d'une combustion et procede afferent de reglage
RU2212586C1 (ru) * 2002-03-13 2003-09-20 Красноярский государственный технический университет Способ и устройство регулирования режима горения паропроизводительной установки
RU2252364C1 (ru) * 2003-12-01 2005-05-20 Красноярский государственный технический университет (КГТУ) Способ и устройство регулирования режима горения паропроизводительной установки
WO2008110341A1 (de) * 2007-03-13 2008-09-18 Thomas Merklein Verfahren zur kameragestützen erfassung der strahlungsintensität eines gasförmigen chemischen reaktionsproduktes sowie anwendungen des verfahrens und korrespondierende vorrichtung
DE102008056672A1 (de) * 2008-11-11 2010-05-12 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung eines Kraftwerks auf der Grundlage zweier realer Konzentrationsverteilungen
DE102009030322A1 (de) 2009-06-24 2010-12-30 Siemens Aktiengesellschaft Konzept zur Regelung und Optimierung der Verbrennung eines Dampferzeugers auf der Basis von räumlich auflösender Messinformation aus dem Feuerraum
EP2920515B1 (de) 2012-11-16 2017-01-11 Thomas Merklein Cfd-simulation eines feuerraums mit mehreren brennern mit getrennter berücksichtigung der von den jeweiligen brennern stammenden brennstoff- und luftanteile
RU2530440C1 (ru) * 2013-04-15 2014-10-10 Научно-производственное акционерное общество закрытого типа (НПАО) "ЗОЯ" Способ оценки качества обогащения попутного нефтяного газа и устройство для его осуществления
US20240183713A1 (en) * 2022-12-05 2024-06-06 Baker Hughes Holdings Llc Spectral flame measurements of industrial flames

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60159515A (ja) * 1984-01-27 1985-08-21 Hitachi Ltd 火炉システム
DE4305645C2 (de) * 1993-02-24 1996-10-02 Rwe Entsorgung Ag Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Eigenschaften von Radikale bildenden Prozessen, Verwendung des Verfahrens und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE19710206A1 (de) * 1997-03-12 1998-09-17 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennungsanalyse sowie Flammenüberwachung in einem Verbrennungsraum

Also Published As

Publication number Publication date
EP1091175A2 (de) 2001-04-11
DE19948377C1 (de) 2001-05-23
EP1091175A3 (de) 2003-08-13
ATE344423T1 (de) 2006-11-15
DK1091175T3 (da) 2007-01-22
PT1091175E (pt) 2007-02-28
EP1091175B1 (de) 2006-11-02
DE50013683D1 (de) 2006-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bejarano et al. Single-coal-particle combustion in O2/N2 and O2/CO2 environments
ES2272229T3 (es) Procedimiento y mecanismo para la determinacion asi como para el control del exceso de aire en un proceso de combustion.
Kutne et al. Experimental analysis of the combustion behaviour of oxyfuel flames in a gas turbine model combustor
CA1068510A (en) Automatic burner monitor and control for furnaces
Andersson et al. Flame and radiation characteristics of gas-fired O2/CO2 combustion
Li et al. Post-flame gas-phase sulfation of potassium chloride
ES2426107T5 (es) Análisis de gases de combustión
Hayashi et al. Soot formation characteristics in a lab-scale turbulent pulverized coal flame with simultaneous planar measurements of laser induced incandescence of soot and Mie scattering of pulverized coal
SE9102010D0 (sv) Foerfarande och apparat foer att styra braensle/luftfoerhaallandet fraan braenslegasmatning hos en straalningsbraennare
Hees et al. Experimental investigation into the influence of the oxygen concentration on a pulverized coal swirl flame in oxy-fuel atmosphere
Zabrodiec et al. Experimental investigation of pulverized coal flames in CO2/O2-and N2/O2-atmospheres: Comparison of solid particle radiative characteristics
Salinas et al. Experiments for combustion temperature measurements in a sugarcane bagasse large-scale boiler furnace
Irace et al. Observations of long duration microgravity spherical diffusion flames aboard the International Space Station
Li et al. Thermal effect and oxygen-enriched effect of N2O decomposition on soot formation in ethylene diffusion flames
Degenève et al. Analysis of wall temperature and heat flux distributions in a swirled combustor powered by a methane-air and a CO2-diluted oxyflame
Navakas et al. Effect of producer gas addition and air excess ratio on natural gas flame luminescence
Zhu et al. Dynamic and kinetic studies on the oxy-coal combustion using multi-parameter high-speed diagnostics
Zhang et al. The chemiluminescence and structure properties of normal/inverse diffusion flames
Bo et al. Combustion characteristics of coal–water slurry in a slag-tap vertical cyclone furnace through digital imaging
Cheng et al. Experimental measurement of temperature and H2O concentration distribution in particle-free flames using water vapor integrated spectral band emission
Cho et al. Impact of flue gas recirculation methods on NO emissions and flame stability in a swirling methane burner
Hebel et al. Experimental study of particle velocity fields and gas-phase temperatures in oxy-fuel biomass combustion in a semi-industrial swirl-stabilized combustion chamber
Zeng et al. Study on ignition behaviors of bias parallel pulverized coal streams in a reducing atmosphere: Influences of exit velocity
Guo et al. Quantitative imaging of temperature and OH concentration from single wavelength planar laser-induced fluorescence
Mokhov et al. A LIF and CARS study of the effects of upstream heat loss on NO formation from laminar premixed burner-stabilized natural-gas/air flames