Verfahren zur Regelung der Verbrennungsluftzufuhr an einem mit fossilen Brennstoffen befeuerten Dampferzeuger

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reglung der Verbrennungsluftzufuhr an einem mit fossilen Brennstoffen befeuerten Dampferzeuger, wobei die Verbrennungsluft stufenweise in mehreren in Rauchgasströmungsrichtung hintereinander angeordneten Verbrennungszonen zugegeben wird und wobei die Verbrennungsluftzufuhr auch in Abhängigkeit der Brennstoffmenge bemessen wird.

Eine solche gestufte Luftzufuhr ist beispielsweise bei der Befeuerung von mit Braunkohlenstaub betriebenen Dampferzeugern bekannt.

Bei der Verbrennung von festen körnigen Brennstoffen, wie beispielsweise Braunkohle sind in jedem Falle Grenzwerte für den Ausstoß an Stickoxiden und Kohlenmonoxid einzuhalten. Schließlich ist die Feuerung unter

Wirkungsgradgesichtspunkten zu optimieren, d. h. dass der Brennstoffverbrauch und der CO ₂ -Ausstoß so gering wie möglich sein sollten.

Es ist bekannt, dass bei überstöchiometrischer Fahrweise des Kessels Stickoxide anfallen, bei einer entsprechend reduzierten Luftmenge jedoch Kohlenmonoxid entsteht. Sowohl Stickoxide als auch Kohlenmonoxid im Abgas sind nicht wünschenswert.

Aus diesem Grund wird seit geraumer Zeit eine Luftregelung für Feuerungen mit gestufter Zugabe praktiziert, d. h. dass in einer in Rauchgasströmungsrichtung ersten Verbrennungszone etwas weniger Luft zugegeben wird, um die Stickoxidbildung zu verhindern. Hierdurch entstehendes Kohlenmonoxid wird durch die Zugabe von Verbrennungsluft in wenigstens einer nachgeschalteten Verbrennungszone nachverbrannt.

Bei mit Braunkohlenstaub betriebenen Dampferzeugern sind in der ersten Ausbrandebene des Kessels, der die erste Verbrennungszone darstellt, mehrere

Stαubbrenner zumeist übereinander angeordnet. Die Nachverbrennung von Kohlenmonoxid erfolgt durch die Zugabe von sogenannten Ausbrandlüften in einer ersten und zweiten Ausbrandebene oberhalb der Brenneranordnung.

Hinter dem Kessel werden sowohl der Sauerstoffanteil im Rauchgas als auch der Kohlenmonoxidanteil im Rauchgas gemessen. Der Sauerstoffgehalt im Rauchgas ist ein Maß für die Rauchgasmenge, der Kohlenmonoxidgehalt im Rauchgas soll gewisse Grenzwerte nicht überschreiten.

Bei ansteigendem Kohlenmonoxidanteil im Rauchgas wird bisher üblicherweise so verfahren, dass die dem Kessel zugeführte Gesamtluftmenge erhöht wird. Dies erfolgte bisher gleichmäßig an allen Luftzuführungen, d. h. die Brennerluft und die Ausbrandlüfte wurden gleichmäßig erhöht. Hierdurch steigt die Rauchgasmenge, die von dem Dampferzeuger insgesamt emittiert wird, an. Dies ist insbesondere wegen des dadurch veränderten konvektiven Wärmeübergangs an den Nachschaltheizflächen nicht wünschenswert. Eine Veränderung der Rauchgasmenge zieht immer Wirkungsgradschwankungen nach sich.

Bei der bisher praktizierten Regelung der Verbrennungsluftzufuhr wurde jeder Lufteintrag in den Kessel über eine für den entsprechenden Lufteintrag in einer

Regelung hinterlegte Luftkurve gesteuert, wobei über die Luftkurve jeweils die benötigte Luftmenge bezogen auf die Feuerleistung des Kessels abgebildet war.

Die Luftkurven standen zwar in einem verfahrenstechnischen Zusammenhang zueinander, wurden jedoch im Allgemeinen isoliert verarbeitet. Bei einer Anpassung der Luftkurven aufgrund von geänderten Feuerungsbedingungen mussten daher alle Einstellungen neu berechnet und eingegeben werden. Dies ist insbesondere regelungstechnisch aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art hinsichtlich der Regelstabilität zu verbessern. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren eine Fahrweise des Dampferzeugers mit einer möglichst konstanten Rauchgasmenge ermöglichen.

V:\PA\APB_268_S07-003-0.doc

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Regelung der Verbrennungsluftzufuhr in Abhängigkeit des NOx- und/oder CO-Gehalts im Rauchgas derart erfolgt, dass zunächst eine Variation der Luftzufuhr zwischen den verschiedenen Verbrennungszonen bei etwa konstanter Luftmenge vorgenommen wird.

Die Erfindung lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass erfindungsgemäß eine innere Regelung sowie eine äußere Regelung von NOx und/oder CO vorgesehen sind, die so ineinander greifen, dass zunächst bei NOx/CO- Schwankungen/Abweichungen eine Variation der Luftzufuhr zwischen den einzelnen Verbrennungszonen bei weitestgehend konstanter Luftmenge vorgenommen wird.

Kann unter diesen Voraussetzungen ein maximal zulässiger CO-Wert beispielsweise nicht eingehalten werden, so greift eine äußere Regelung ein, die die Gesamtluftmenge des Dampferzeugers anpasst.

Auf diese Art und Weise kann eine Regelung verwirklicht werden, die insbesondere unanfällig für Regelschwingungen ist.

Selbstverständlich wird der Gesamtluftbedarf des Dampferzeugers auch anhand der benötigten Brennstoffmenge und des Heizwertes der Brennstoffe ermittelt.

Vorzugsweise erfolgt die Variation der Luftzufuhr über wenigstens drei in Rauchgasströmungsrichtung hintereinander geschaltete Verbrennungszonen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei überschreiten eines NOx-Grenzwertes die Luftzufuhr einer in Strömungsrichtung des Rauchgases stromaufwärts ersten Verbrennungszone verringert wird und die Luftzufuhr der in Rauchgasströmungsrichtung letzten Verbrennungszone entsprechend erhöht wird.

V:\PA\APB_268_S07-003-0.doc

Ausgehend von wenigstens drei Verbrennungszonen ergibt sich somit eine Art Kαskαdenregelung.

Bei überschreiten eines CO-Grenzwertes wird vorzugsweise zunächst die Luftzufuhr der in Rauchgasströmungsrichtung ersten Verbrennungszone erhöht und die Luftzufuhr der in Rauchgasströmungsrichtung letzten Verbrennungszone entsprechend verringert.

Bei überschreiten einer gegebenen Luftmenge der letzten Verbrennungszone kann die Luftzufuhr der nächsten stromaufwärts gelegenen Verbrennungszone erhöht werden. Umgekehrt kann bedarfsweise die Luftzufuhr der nächsten stromaufwärts gelegenen Verbrennungszone verringert werden.

Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die jeder Verbrennungszone zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit einer für jede Verbrennungszone vorgegebenen Luftzahl (λ-Zahl) ermittelt wird. Die Luftzahl jeder Verbrennungszone kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Feuerleistung/Last vorgegeben werden.

Besonders bevorzugt ist eine Variante des Verfahrens, bei welcher für die letzte Verbrennungszone mittels der Luftzahl dieser Verbrennungszone mittels eines brennstoffspezifischen Luftbedarfs und dem Brennstoffmassenstrom der Gesamtluftbedarf der Feuerung ermittelt wird.

Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand der für die letzte Verbrennungszone vorgegebenen Luftzahl der Sauerstoffgehalt im Rauchgas hinter der Feuerung errechnet wird.

Der so errechnete Sauerstoffgehalt kann als Sollwert für eine äußere Regelung der Gesamtluftmenge verwendet werden.

V:\PA\APB_268_S07-003-0.doc

Dies ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, da so die Hinterlegung von Sollwertkurven für den Sauerstoffgehalt des Rauchgases über verschiedene Lastzustände der Feuerung entbehrlich ist. Die äußere Regelung der Gesamtluftmenge erfolgt über den Vergleich eines gemessenen Sauerstoffgehalts hinter dem Kessel mit einem errechneten Sauerstoffgehalt, der sich, wie nachstehend noch erläutert wird, ausschließlich aus der für die letzte Verbrennungszone vorgebebenen Luftzahl ergibt.

Zweckmäßigerweise wird der brennstoffspezifische Luftbedarf durch fortlaufende Brennstoffanalyse ermittelt.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Regelung an einem mit Braunkohle befeuerten Kessel nach Anspruch 1 , wobei der Brennstoff und wenigstens ein erster Teilstrom der Verbrennungsluft in einer Brennerebene als erste Ausbrandebene einer Brennkammer zugeführt werden und wenigstens ein weiterer Teilstrom der Verbrennungsluft als Ausbrandluft in Rauchgasströmungsrichtung stromabwärts in wenigstens einer nachgeschalteten Ausbrandebene zugegeben wird.

Jede der Ausbrandebenen einschließlich der Brennerebene bilden eine

Verbrennungszone, wobei eine Variation der Luftzufuhr über wenigstens drei Ausbrandebenen einschließlich der Brennerebene erfolgt. Die Brennerebene bildet die erste Ausbrandebene des Kessels, wobei dort mehrere Staubbrenner zumeist übereinander angeordnet sind. Der Einfachheit halber wird dieser Bereich des Kessels als Brennerebene oder erste Ausbrandebene bezeichnet, streng geometrisch betrachtet handelt es sich aber nicht um eine Ebene, sondern um den unteren Bereich des Feuerrands des Kessels.

Die Erfindung ist für den Fachmann ohne Weiteres so zu verstehen, dass das erfindungsgemäße Regelschema auf jede Feuerung von fossilen Brennstoffen mit gestufter Luftzufuhr Anwendung finden kann und dass die Art des verfeuerten Brennstoffs für das Verfahren grundsätzlich nicht beschränkend ist. So ist es

V:\PA\APB_268_S07-003-0.doc

beispielsweise bei der Befeuerung von Dampferzeugern mit Steinkohle bekannt, eine Luftstufung bereits innerhalb der Brenner vorzunehmen. Auch bei einer solchen gestuften Luftzufuhr ist es Ziel, sowohl den NOx-Ausstoß als auch den CO- Ausstoß zu minimieren; auch dort gilt es, die Regelstabilität der gestuften Luftzugabe in Hinblick auf Wirkungsgradschwankungen des Dampferzeugers zu verbessern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Darstellungen erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 : eine graphische Veranschaulichung der Auswirkungen des der Erfindung zugrunde liegenden Regelschemas,

Figur 2: eine graphische Darstellung des dem Dampferzeuger zugeführten

Luftmassenstroms und

Figur 3: ein Schaltbild einer Luftregelung an einem Dampferzeuger gemäß der Erfindung.

Nachstehend wird das Verfahren gemäß der Erfindung am Beispiel einer Regelung der Verbrennungsluftzufuhr eines mit Braunkohle befeuerten Dampferzeugers erläutert, wobei die Braunkohle über Staubbrenner mit der den Staubbrennern zugeführten Primärluft in der Brennerebene in den Kessel eingeblasen und dort verbrannt wird. Weiterhin wird dem Verbrennungsvorgang Luft über die Sekundärluftzuteilung der Brenner und über stromabwärts bezogen auf den Rauchgasstrom zugeführte Ausbrandlüfte zugeführt.

In dem Kessel des Dampferzeugers sind üblicherweise mehrere Brenner gruppenweise, zumeist übereinander angeordnet. Die Verbrennung findet unmittelbar im Bereich der Brennerflammen sowie auch oberhalb der in den Kessel hineinreichenden Brennerflammen statt. Der Feuerraum des Kessels wird in drei

V:\PAWB_268_S07-003-0.doc

Ausbrαndebenen unterteilt, wobei die Brennerebene eine erste Ausbrαndebene bildet, eine zweite Ausbrαndebene durch eine Ausbrαndluftzufuhr 1 (ABL 1) und eine dritte Ausbrαndebene durch eine Ausbrαndluftzufuhr 2 (ABL 2) definiert wird.

Bei Dampferzeugern, die mit Braunkohlenstaub betrieben werden, unterliegt die Kohlenqualität häufig starken Schwankungen. Manche Kohlen sind alkalienreich, Alkalien sind bekanntlich Schlackebildner.

In Versuchen hat sich herausgestellt, dass bei Verwendung bestimmter Einsatzkohlen eine Anhebung der Luftzahl oberhalb der Brennerebene vorteilhaft für das Verschmutzungsverhalten in der Brennkammer und der heißliegenden Nachschaltheizflächen ist. Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Luftzahl von λ = 1 ,05 oberhalb der Brennerebene als günstig für das Verschmutzungsverhalten und die hieraus resultierende Reisezeit des Dampferzeugers erwiesen.

Bekanntlich ist eine leicht überstöchiometrische Fahrweise der Brenner (λ = 1 ,05) in Bezug auf die Einhaltung der zulässigen N Ox- Grenzwerte kritisch. Eine unterstöchiometrische Fahrweise der Feuerung hingegen ist für die Einhaltung der CO-Grenzwerte kritisch und fördert zusätzlich die Bildung von festen anbackenden Verschmutzungen.

Aus diesem Grunde ist es bekannt, wie eingangs bereits beschrieben, die für die Verbrennung benötigte Luftmenge gestuft zuzugeben, wobei ein Teilstrom der Verbrennungsluft mit der Primär- und Sekundärluft der Brenner der Feuerung zugeführt wird, ein weiterer Teilstrom der Verbrennungsluft als Ausbrandluft 1 in der oberhalb der Brennerebene angeordneten Ausbrandebene und ein weiterer Teilstrom stromabwärts der Rauchgasströmung als Ausbrandluft 2 in der dritten Ausbrandebene dem Verbrennungsraum zugeführt wird.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Gesamtmenge der dem Dampferzeuger zuzuführenden Luft einerseits in Abhängigkeit von

V:\PA\APB 268 S07-003-0.doc

Brennstoffmαssenstrom und der eingesetzten Brennstoffquαlität ermittelt und anderseits in Abhängigkeit vom NOx- und CO-Ausstoß des Dampferzeugers geregelt wird. Dabei wird zunächst bei einer inneren Regelung, die nachstehend veranschaulicht wird, in Abhängigkeit der gemessenen NOx/CO-Emissionen eine Variation der Luftzufuhr innerhalb der verschiedenen Ausbrandebenen vorgenommen. Ziel dieser Regelung ist es, innerhalb gewisser Grenzen, die dem Dampferzeuger zugeführte Gesamtluftmenge bei einer bestimmten Feuerleistung möglichst konstant zu halten.

In der Regelung wird dabei für jede Ausbrandebene (Bezugnahme auf das obere Diagramm in Figur 1 ) eine Luftzahlkurve hinterlegt, d. h. die gewünschte Luftzahl in Abhängigkeit der Feuerleistung festgelegt. Aus der Luftzahl bezogen auf die gefahrene Feuerleistung ergibt sich der Luftbedarf der einzelnen Ausbrandebene. Wie dies in Figur 2 andeutungsweise dargestellt ist, wird anhand der Luftzahl der letzten Ausbrandebene (Luftzahl ABL 2) und eines brennstoffspezifischen

Luftbetrages sowie dem Brennstoffmassenstrom eine Gesamtluftmenge Ende Feuerraum ermittelt.

Erfindungsgemäß ist ein NOx-Regler hinter dem Kessel vorgesehen, der bei überschreiten eines vorgegebenen NOx-Sollwertes die Sekundärluft an den Brennern verringert und die verringerte Sekundärluftmenge der Ausbrandluft 2 zuschlägt. Bei überschreiten eines vorgegebenen CO-Sollwertes wird die Ausbrandluftmenge von ABL 2 in Richtung auf den Brenner stufenweise verringert, möglichst unter Einhaltung des NOx-Sollwertes, wobei die bei ABL 2 verringerte Luftmenge dem Sekundärluftstrom des Brenners zugegeben wird.

Bei der erfindungsgemäßen Regelung ist vorgesehen, dass die auf der jeweiligen Ausbrandebene ermittelte erforderliche Luftmenge jeweils als Gesamtluftmenge unter Abzug der bereits zugeführten Luftmenge ermittelt wird. Der Sollwert für die Ausbrandluft 1 ergibt sich dabei aus der hinterlegten Luftzahl für die Ausbrandluft 1 , wobei von dem errechneten Wert die bis zu dieser Ebene bereits zugeführte Luftmenge (im Wesentlichen die Brennerluftmenge) abgezogen wird. Ahnlich

V:\PA\APB_268_S07-003-0.doc

erfolgt die Berechnung für die Ausbrαndluft 2. Hier wird von der errechneten Gesαmtluftmenge die Ausbrαndluft 1 und die Brennerluftmenge abgezogen.

Aus der für die letzte Ausbrandebene vorgegebenen Luftzahl wird anhand der Formel O ₂ = 21 -21 :λ der Sauerstoffgehalt berechnet. Der berechnete Wert wird als Sollwert für die äußere Regelung der Gesamtluftmenge hinter dem Kessel verwendet, wobei der Sauerstoffgehalt ein Maß für die insgesamt emittierte Rauchgasmenge ist. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, aus der errechneten Luftzahl für die letzte Ausbrandebene über die zuvor genannte Formel einen Sollwert für den Sauerstoffgehalt des Rauchgases zu ermitteln, wird die

Hinterlegung von Sollwertkurven für den Sauerstoffgehalt des Rauchgases in Abhängigkeit von der Feuerungsleistung des Kessels entbehrlich. Der betreffende Wert ist in dem Regelschema in Figur 3 als Funktionsgeber f(x) dargestellt, welcher wiederum in der Formel 21 -21 :f(x) abgebildet ist. In dem in Figur 3 dargestellten Regelschema bedeuten: X = Multiplizierfunktion, σ = Summierfunktion, f(x) = Funktionsgeber und PI = Pl-Regler (proportional/integrativ).

V:\PA\APB_268_S07-003-0.doc