Innovative Abgas-Sensorik an elektronischen Feuerungs-Management-Systemen Maximale Flexibilität bei optimaler Brennstoffnutzung

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1 Innovative Abgas-Sensorik an elektronischen Feuerungs-Management-Systemen Maximale Flexibilität bei optimaler Brennstoffnutzung Harald Weber LAMTEC Mess- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH Co. KG Industriefeuerungsanlagen müssen heutzutage vor allem eines sein: Effektiv. Das gilt sowohl für den Betrieb der Anlage, als auch für die Errichtung und die Inbetriebnahme. Aufgrund dieser Anforderungen wurde insbesondere bei Anlagen größerer Feuerungsleistungen, der seit Jahrzehnten übliche Mechanische Verbund, in den letzten Jahren mehr und mehr durch den elektronischen Verbund abgelöst. Die Möglichkeit, Luft und Brennstoff durch elektronische Kurvenbänder miteinander zu koppeln, eröffnet der Feuerungstechnik Perspektiven in Bezug auf Flexibilität und Feuerungsoptimierung, die mit mechanischen Lösungen nicht denkbar gewesen wären. Eine Regelung des Restsauerstoffgehaltes der Feuerung gehört schon seit vielen Jahren zum Stand der Technik bei Industriefeuerungsanlagen. Auf die Verbrennung wirkende Störgrößen (Bild 1)

2 und deren Auswirkung bei einem Brenner mit mechanischem Verbund ohne O2-/CO- Regelung (Bild 2) Einfluss der Lufttemperatur und des Luftdrucks auf den Restsauerstoffwert (O2-Wert) der Abgase (Bild 3)

3 Einfluss der Tag- und Nachttemperatur auf den O 2 -Wert (Bild 4) Nicht nur die Luftseite sondern auch die Brennstoffseite hat Einfuss auf die Verbrennung. In Deutschland bekommen wir Erdgas aus vielen verschiedenen Fördergebieten mit unterschiedlichen Brennwerten (Bild 5) Die Gasbeschaffenheit ist im DVGB Arbeitsblatt G 260 spezifiziert.

4 Brenntechnische Kenndaten (Bild 6) Wie hieraus ersichtlich ist, kann der Brennwert im örtlichen Versorgungsgebiet von 1,4 kwh / m 3 bis + 0,6 bzw. + 0,7 kwh / m 3 bei der Gruppe H schwanken. Auswirkung dieser Schwankung auf den O 2 -Wert und somit auf den Abgasverlust (nach Siegert) und ggf. die Betriebssicherheit der Anlage (Bild 7)

5 All diese Einflüsse bedingen aus emissions- und sicherheitstechnischen Gründen mehr Verbrennungsluft, als für die ideale Verbrennung notwendig wäre. Diese Luftüberschussmengen werden unnütz erwärmt und transportieren die Wärme als Verlust durch den Kamin. Luftüberschussmengen gehen direkt in die Bestimmung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades; bzw. der Abgasverluste einer Feuerung ein. Das Ziel der Optimierung von Feuerungsanlagen ist die Kompensation aller auf die Verbrennung wirkenden Störgrößen. Die Feuerung kann somit nahe dem Verbrennungsoptimum betrieben werden, was gleichzeitig eine Verringerung der Abgasverluste bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionen bedeutet. Stand der Technik betreffend der Feuerungsoptimierung ist heute die O 2 -Regelung. Der gemessene O 2 -Wert wird mit einem vorher festgelegten brennerlastabhängigen Sollwert verglichen und das Brennstoff-Luftverhältnis entsprechend korrigiert. Zur Messung des Restsauerstoffgehaltes der Abgase haben sich heute insitu (im Rauchgas) messende Zirkondioxid-Sonden (ZrO 2 ) durchgesetzt. Es sind heute verschiedene ZrO 2 O 2 -Sonden verfügbar, sowohl zur Montage am Kesselende als auch in der vorderen Wendekammer eines Dreizug-Kessels. Gegenüberstellung der derzeit zum Einsatz kommenden Sondenprinzipien auf Basis von Zirkon-Dioxid [ZrO 2 ] (Bild 8) Sensoren und Systeme für die Feuerungstechnik Die sog. ZrO 2 Stromsonde überzeugt durch die Möglichkeit der Überprüfung und des Abgleichs mit Umgebungsluft; somit kann bei jedem Brennerstart die Sondenfunktion 100 % gecheckt werden. Des Weiteren durch die hohe Genauigkeit und Messgastemperaturen bis hin zu 1600 C. Der Vorteil der ZrO 2 Spannungssonde liegt in dem guten Preis-Leistungsverhältnis; des Weiteren in der einfachen Handhabung und in ihrer großen Robustheit.

6 Als Weiterentwicklung der Sauerstoffsonde wurde auf Basis der ZrO 2 -Spannungssonde eine Sonde zur Detektion von unverbrannten Abgasbestandteilen (CO/H 2, etc.) entwickelt. Gegenüber der O 2 -Messung hat die Detektion von unverbrannten Abgasbestandteilen den Vorteil eines direkten Bezuges auf die Qualität der Verbrennung. So würde bei einer O 2 -Regelung Falschluft, die vor der Messstelle in die Rauchgaszüge gelangt, den O 2 -Wert zu höheren Werten verfälschen, was wiederum dazu führen würde, dass das Brennstoffluftverhältnis in Richtung weniger Luft, mehr Brennstoff verschoben würde und u. U. einen Einfluss auf die Emissionen und ggf. auch auf die Betriebssicherheit haben könnte. Dieses ist bei der Feuerungsoptimierung über die Detektion von Unverbrannten (CO/H 2 ) ausgeschlossen. Falschluft verfälscht hier ebenfalls den Messwert hin zu niedrigeren Konzentrationen. Da aber immer noch unverbrannte Rauchgasbestandteile detektiert werden hat das keinen Einfluss auf die Funktion und Sicherheit der Feuerungsoptimierung. Dies ist ein entscheidender Vorteil dieser, neuartigen Feuerungsoptimierung über die Detektion von unverbrannten Rauchgasbestandteilen gegenüber der O 2 - Regelung. Der Durchbruch der Feuerungsoptimierung kam mit dem elektronischen Verbund. Der apparative Aufwand, z. B. bei einer O 2 -Regelung bei Brennern mit mechanischem Verbund, war enorm. Nicht alle am Markt angebotenen Lösungen befriedigten. Bei der pneumatischen Brennstoffluftverbundregelung gibt es heute noch keine Möglichkeit einer Feuerungsoptimierung über Gassensoren. Beim elektronischen Verbund dagegen beschränkt sich die O 2 -/ CO-Regelung heute lediglich auf ein Softwaremodul, das die Verschiebung des Brennstoff-/Luftverhältnisse berechnet. Die Kopplung mit dem der Sonde/Messumformer erfolgt heute vorzugsweise über eine Busanbindung. Die heute am Markt befindlichen sog. Feuerungs-Management-Systeme beinhalten nicht nur die Brennstoff-/Luft Verbundregelung mit O 2 -Optimierung sondern gleichzeitig noch; Brennersteuergerät, Flammenüberwachung, Dichtheitskontrolle etc.(bild 9)

7 Möglichkeiten der heute am Markt verfügbaren Feuerungs-Management-Systeme (Bild 10)

8 Sollwertkurve und Überwachungsbänder sowie Korrekturwert einer heute gebräuchlichen O 2 -Regelung (Bild 11) Bereits im Jahre 1990 wurde die Idee geboren, anstelle des Restsauerstoffes im Abgas zur Optimierung von Feuerungsanlagen, die Nebenprodukte der Feuerung (CO, H 2, Ruß) heranzuziehen. Es sollte über die Nebenprodukte die Kante von der vollständigen zur unvollständigen Verbrennung detektiert und hierüber eine adaptive Feuerungsoptimierung realisiert werden.

9 An der Kante von der vollständigen zur unvollständigen Verbrennung steigt die CO- und damit auch die H 2 - Konzentration im Abgas schlagartig an (Bild 12) Wie aus der Graphik ersichtlich, ist die Kante sehr prägnant.

10 Ein glücklicher Umstand ist, dass kurz vor dieser Kante sich das Minimum der Abgasverluste und somit der höchstmögliche Feuerungstechnische Wirkungsgrad befindet (Bild 13)

11 Prinzip einer CO-Regelung (Bild 14) Über ein elektronisches Feuerungs-Management-System mit integrierter Brennstoff/Luft-Verbundregelung wird das Brennstoffluftverhältnis in kleinen Schritten in Richtung weniger Luft, mehr Brennstoff verschoben und zwar so lange, bis die Sonde im Kamin unverbrannte Bestandteile (CO, H 2 ) detektiert. Danach wird das Brennstoffluftverhältnis wieder einen kleinen Schritt in Richtung mehr Luft; bzw. weniger Brennstoff verschoben und der Korrekturwert in zwei Optimierungskurven, den sogenannten Lernkurven, eine für steigende und eine für fallende Last, lastabhängig gespeichert. Im Gegensatz zur O 2 -Regelung wird bei der CO-Regelung nicht der Istwert mit dem Sollwert verglichen und die Differenz ausgeregelt, sondern es wird die bei der Inbetriebnahme vom Techniker eingegebene Brennstoff-/Luft-Verbundkurve permanent automatisch optimiert und somit, die auf die Verbrennung wirkenden Störgrößen kompensiert.

12 Diese angedachte Reglerstrategie bedingt einen Sensor mit kurzer Ansprechzeit. Die bekannten Analyseverfahren zur Bestimmung von Kohlenmonoxid forderten Absaugung und Aufbereitung des Rauchgases. Die Ansprechzeiten waren für eine CO-Regelung deutlich zu lang. Es galt nun, analog zur ZrO 2 -Sonde einen Sonde zu entwickeln, die insitu im Rauchgas eingesetzt werden konnte. Es war bekannt, dass durch die Dotierung der Platin-Arbeitselektrode einer ZrO 2 -Spannungssonde die Selektivität auf brennbare Bestandteile deutlich erhöht werden konnte. Dieses Prinzip wurde verfolgt und eine Sonde zur Detektion von Unverbranntem entwickelt (Bild 15)

13 Wie aus Bild 16 im Vergleich zu Bild 12 ersichtlich, konnte mit dieser Sonde der Übergang von der vollständigen zur unvollständigen Verbrennung an verschiedenen Anlagen von 15 kw bis 100 MW eindeutig detektiert werden. Bild 16

14 Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips ist, dass im unteren Bereich, bei CO-Konzentrationen unter 100 ppm, die Sonde sehr selektiv ist (Bild 17) Dies bedeutet, dass bereits sehr kleine CO-Konzentrationen, um 10 ppm, eindeutig detektiert werden können. Im Laufe der Entwicklung der CO-Regelung wurde ein für die Funktion wesentliches Phänomen festgestellt. So ist das Spannungssignal der Sonde (Us) im Bereich der vollständigen Verbrennung relativ ruhig.

15 Kommt man nun in den Bereich der unvollständigen Verbrennung wird es dynamisch (Bild 18) Diese Erkenntnis führte dazu, das die CO-Kante nun nicht über einen absoluten Spannungswert (Us) detektiert wird, sondern rein über die Dynamik des Sondensignals. Das bringt den Vorteil, dass die Sonde zur CO-Regelung nicht abgeglichen werden muss. Ein Abgleich ist nur erforderlich zur Anzeige des CO e -Wertes. CO e bedeutet CO äquivalent. Dieser Wert ist in grober Annäherung identisch mit dem CO- Wert im Rauchgas einer Gasfeuerung. Zur Erläuterung: Die Sonde misst die Summe der brennbaren Bestandteile und nicht selektiv CO. Da es jedoch für die Summe der brennbaren Bestandteile keine Messgröße gibt, wird über das Sondensignal (Us) mit Einschränkung (± 25 %) auf den CO-Wert im Abgas geschlossen. Das ist möglich, da bei Gasfeuerungen, wie Bild 19 zeigt, im Bereich der unvollständigen Verbrennung, eine Abhängigkeit der CO-Konzentration im Rauchgas mit der Wasserstoffkonzentration (H 2 ) und den anderen brennbaren Rauchgasbestandteilen besteht.

16 Bild 19

17 Mit der CO-Regelung näher zum Verbrennungsoptimum: Das Ziel der Entwicklung war eine adaptive Regelung die gewährleistet, dass die Feuerung durch zyklische Detektion der Kante von der vollständigen zur unvollständigen Verbrennung immer nahe dem Verbrennungsoptimum, im Bereich der vollständigen Verbrennung, betrieben wird. Das heute hierfür zum Einsatz kommende System zeigt Bild 20.

18 Die erste CO-Regelung wurde Ende 2001 in Betrieb genommen, die TÜV-Abnahme erfolgte als Einzelabnahme im Dezember Die erzielten Ergebnisse zeigen die Bilder Bild 21

19 Bild 22

20 Bild 23 Das Entwicklungsziel der CO-Regelung war a) die weitere Absenkung des Restsauerstoffgehaltes im Abgas und somit die Erhöhung des Wirkungsgrades und b) b) die Realisierung einer fehlersicheren Feuerungsoptimierung. Die Kombination von Sauerstoffmessung mit der Detektion von unverbrannten Rauchgasbestandteilen ermöglicht eine eindeutige Aussage über die Qualität der Verbrennung. Der durchgängige, fehlersichere, zweikanalige Aufbau des Systems bedeutet nicht nur die Zulassung für Dauerbetrieb nach TRD 604, 72 Stunden, sondern auch, dass in Bezug auf die Größe des Korrekturbereiches keinerlei Einschränkungen zu beachten sind.

21 Bild 24 zeigt die Effizienz heute gebräuchlicher Brennstoff-/Luft-Verbundregelsysteme und Optimierungen. Die CO-Regelung ist nicht nur in Bezug auf die Fehlersicherheit, sondern auch in hinsichtlich der Feuerungsoptimierung derzeitig das Non-plus-Ultra. Die CO-Regelung kann jedoch die Verbrennung selbst nicht verbessern. Ob die CO-Kante bei 1 %, 2 % oder sogar über 2 % O2 liegt, hängt von der Brennertechnologie und den anlagenspezifischen Gegebenheiten ab. Die CO-Regelung sorgt dafür, dass die Anlage immer nahe dem für diese Anlage möglichen feuerungstechnischen Optimums betrieben wird.

22 Bei Korrektur auf die Luftmenge über die Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses kommt noch ein Nebeneffekt hinzu. Durch die O 2 - oder CO-Regelung wird die Drehzahl des VL-Gebläses weiter abgesenkt. Dies bringt noch eine zusätzliche Einsparung an elektrischer Energie (Bild 25 und Bild 26). Bild 25

23 Bild 26 Bis heute sind weit mehr als 300 Anlagen in Betrieb.

24 Anlagenbeispiele (Bild 27 bis Bild 33) Bild 27 Bild 28

25 Bild 29 Bild 30

26 Bild 31 Bild 32

27 Die Bilder 33 bis 38 zeigen das mit der CO-Regelung erzielte Ergebnis bei einer Anlage in Frankreich. Bild 34

28 Bild 35 Bild 36

29 Bild 37 Bild 38

30 Vorteile der CO-Regelung gegenüber einer O 2 -Regelung (Bild 39) Einsatzmöglichkeiten/-Grenzen (Bild 40)

31 Die CO-Regelung ist geeignet für Gasfeuerungen aller Art, auch Biogase. Bei Ölfeuerungsanlagen kommt weiterhin die O 2 -Regelung zum Einsatz. Die CO-Regelung beinhaltet beides, CO- und O 2 - Regelung und es kann anlagen-/brennstoffspezifisch jederzeit von CO jederzeit automatisch von CO- auf O 2 -Regelung umgeschaltet werden. Energieeinsparung durch O2- und CO-Regelung: Glauben heißt nicht wissen: Das trifft auch auf die mögliche Einsparung durch O 2 - und CO-Regelung zu. Was kann nun wirklich eingespart werden? Um hier mehr Licht ins Dunkel zu bekommen, hat LAMTEC bei der Universität in Stuttgart eine Diplomarbeit ausgeschrieben. Zur Durchführung der erforderlichen Messreihen wurde die Hausanlage bei LAMTEC mit einem Wasserwärmetauscher nachgerüstet. Dieser Wasserwärmetauscher sollte gleichbleibende Bedingungen (gleiche Vor- /Rücklauftemperaturdifferenz) während der Messreihen garantieren. 1. Berechnung nach Siegert über den O2- Wert im Abgas und die Differenz der Temperatur der Abgase zur Ansaugluft. 2. Die direkte Methode, d. h. die zugeführte Energie zur abgegebenen Wärmemenge. 3. Die Ermittlung der Abgasverluste; Rauchgastemperatur und Rauchgasmenge. Es zeigte sich eine Differenz zwischen direkter und indirekter Methode zu der Berechnung nach Siegert. Die Berechnung nach Siegert ergab deutlich schlechter Einsparwerte über den Restsauerstoff im Abgas als die beiden anderen Ansätze (Bild 41).

32 Dieses Ergebnis konnte so nicht im Raum stehen bleiben. Die Universität Stuttgart wurde ein zweites Mal beauftragt, mit erneuten Messungen, die Ergebnisse zu relativieren. Das Ergebnis ist aus Bild 42 ersichtlich. Im Großen und Ganzen hat sich nichts geändert. Die Wirkungsgradzunahme, berechnet über Siegert, von 4 auf 1 % O 2 ist deutlich geringer als bei der direkten Methode durch in Relation setzen von eingesetztem Brennstoff zur abgegebenen Wärmemenge als auch bei der indirekten Methode durch Ermittlung der reinen Abgasverluste.

33 Eine mögliche Erklärung zeigt Bild 43. Bei der Berechnung über Siegert geht die Abgastemperatur ein. Die Brennstoffmenge wird selbst nicht erfasst. Da aber durch Reduzierung des O 2 -Wertes die Luftmenge abnimmt und somit der Kesselwiderstand geringer wird, stieg die durchgesetzte Gasmenge im mittleren und oberen Lastbereich an. Dies bedeutet, die Brennerleistung stieg an. Dies hat zur Folge, dass die Abgastemperatur ansteigt. Das könnte die Erklärung sein, warum die Rechnung nach Siegert schlechtere Einsparwerte ergibt, als bei der direkten und indirekten Methode. Es ist geplant durchweitere Messungen an Industrieanlagen, diese Ergebnisse zu fundieren. Voraussetzung hierfür ist, das wir Anlagen finden, deren Kessel über einen Zeitraum von Minuten unter den gleichen Bedingungen betrieben werden können. Interessenten wenden sich bitte an LAMTEC. Die Entwicklung der Sensortechnologie, zur Detektion von unverbranntem Abgasbestandteilen (CO/H 2 ) geht weiter. Die logische Weiterentwicklung des sog. CO-Sensors ist eine Sonde zur gleichzeitigen Messung von Sauerstoff und brennbaren Abgasbestandteilen.

34 Diese Sonde ist bereits am Markt verfügbar und wird mittelfristig die heute verwendeten zwei Sonden für Sauerstoff und brennbare Bestandteile bei der CO-Regelung ersetzen (Bild 44). Für den Bereich der Hausfeuerung und für kleinere Industriebrenner wurde ein miniaturisierter CO-Sensor auf Dickschicht-Technik entwickelt. Die bisher mit diesem Sensor durchgeführten Langzeittests an Gasfeuerungsanlagen als auch an Öl-Blaubrennern waren erfolgreich. Die Technologie steht zur Verfügung. Bei einer bundesweiten Anwendung des Sensors im Bereich der Hausfeuerungen könnten jährlich ca. 400 Millionen Liter Heizöl und 480 Millionen Kubikmeter Erdgas eingespart werden. Das entspricht einer Reduktion des Kohlenstoffdioxid-Ausstoßes (CO 2 ) um rund zwei Millionen Tonnen pro Jahr.

35 Leider mussten wir feststellen, dass die Einstiegshürde im Bereich der Hausfeuerungen relativ hoch ist, die Umsetzung einer CO-Regelung bedeutet für die Hersteller von Hausfeuerungsanlagen eine Neuentwicklung des Heizgerätes (Bild 45 bis Bild 48). Bild 45

36 Bild 46 Bild 47

37 Bild 48 Innovative Abgas-Sensorik an elektronischen Feuerungs-Management-Systemen ermöglicht, dass mit minimalem Brennstoffeinsatz die maximal mögliche Wärmemenge erzeugt wird und somit die vorhandenen, schon recht knappen Ressourcen weiter geschont werden.