DE102012217596A1

DE102012217596A1 - furnace

Info

Publication number: DE102012217596A1
Application number: DE201210217596
Authority: DE
Inventors: Maximilian Fleischer; Holger Hackstein; Erhard Magori; Leif Wiebking; Kerstin Wiesner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-03-27
Also published as: WO2014048829A1

Abstract

Feuerungsanlage zur Verbrennung eines Brennstoffs, aufweisend eine einen Feuerraum umschließende Feuerraumwand, wobei die Feuerraumwand durchdringend wenigstens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist, wobei – die Sensoreinrichtung eine rohrartig aufgebaute Gasdurchführung mit einer Öffnung zum Inneren des Feuerraums und eine Sensorkammer außerhalb des Feuerraums umfasst, – in der Sensorkammer ein Sensorelement zur Detektion der Stöchiometrie einer im Feuerraum stattfindenden Verbrennung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gasdurchführung im Bereich der Feuerraumwand durchgängig eine Innenquerschnittsfläche von wenigstens 5 cm2 aufweist und – die Gasdurchführung zur Sensorkammer hin ansteigend in der Feuerraumwand angeordnet ist.A furnace for burning a fuel, having a furnace wall surrounding a furnace, the furnace wall penetrating at least one sensor device being arranged, the sensor device comprising a tubular gas duct with an opening to the inside of the furnace and a sensor chamber outside the furnace, in the sensor chamber a sensor element for detecting the stoichiometry of a combustion taking place in the combustion chamber is arranged, characterized in that - the gas duct in the area of the combustion chamber wall has a continuous internal cross-sectional area of at least 5 cm2 and - the gas duct is arranged in the combustion chamber wall, rising towards the sensor chamber.

Description

Die Erfindung betrifft eine Feuerungsanlage zur Verbrennung eines insbesondere fossilen Brennstoffs, insbesondere für ein Kraftwerk, aufweisend eine einen Feuerraum umschließende Feuerraumwand, wobei die Feuerraumwand durchdringend wenigstens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist, wobei die Sensoreinrichtung eine rohrartig aufgebaute Gasdurchführung mit einer Öffnung zum Inneren des Feuerraums und eine Sensorkammer außerhalb des Feuerraums umfasst, in der Sensorkammer ein Sensorelement zur Detektion der Stöchiometrie einer im Feuerraum stattfindenden Verbrennung angeordnet ist. The invention relates to a combustion plant for combustion of a particular fossil fuel, in particular for a power plant, comprising a combustion chamber enclosing a combustion chamber wall, wherein the combustion chamber wall penetrating at least one sensor device is arranged, wherein the sensor device has a tubular gas passage with an opening to the interior of the combustion chamber and a Sensor chamber outside of the combustion chamber comprises, in the sensor chamber, a sensor element for detecting the stoichiometry of a combustion taking place in the combustion chamber is arranged.

Aus Gründen der Energieeffizienz und zur Begrenzung der Emissionen bzw. des Aufwandes zur Abgasreinigung werden Kohlekraftwerke mit einem möglichst geringen Luftüberschuss betrieben. Je näher die Verbrennung am stöchiometrischen Punkt liegt, desto besser ist die Effizienz. Aufgrund von Inhomogenitäten der Befeuerung und Instabilitäten des Mischungsverhältnisses Brennstoff zu Luft kann es lokal zu dem Problem kommen, dass die Verbrennung am stöchiometrischen Punkt oder sogar im mageren Bereich passiert. Hier treten dann signifikante Anteile unverbrannter bzw. nicht vollständig zu CO2 umgesetzter Brennstoffreste auf. Bei Kohlefeuerung ist dies im wesentlichen CO, bei allgemeiner Befeuerung mit organischen Stoffen zusätzlich H2 und Kohlenwasserstoffe. In der Kraftwerkspraxis hat sich gezeigt, dass diese Situation zu einem Materialabtrag im Feuerraum ("Feuerraumkorrosion") führt. For reasons of energy efficiency and to limit emissions and the cost of waste gas treatment, coal power plants are operated with the lowest possible excess air. The closer the combustion is to the stoichiometric point, the better the efficiency. Due to inhomogeneities of the firing and instabilities of the fuel to air mixing ratio, there can be a local problem of combustion passing at the stoichiometric point or even in the lean region. Significant proportions of unburned or not completely converted to CO2 fuel residues then occur here. For coal firing, this is essentially CO; for general firing with organic substances, it is also H2 and hydrocarbons. In power plant practice, it has been shown that this situation leads to material removal in the furnace ("firebox corrosion").

Vorteilhaft ist es daher, wenn die lokale Gaszusammensetzung an der Feuerraumwand überwacht wird, um frühzeitig feuerungstechnische Gegenmaßnahmen einleiten zu können, wenn eine ungeeignete Verbrennung erfasst und detektiert wird. Diese Überwachung kann beispielsweise durch eine lokale Extraktion der Gase durch geeignete Bohrungen an der Kesselwand und Analyse mit Gasanalysatoren stattfinden. Diese Möglichkeit ist sehr präzise, kann aus Kostengründen jedoch nur zur einmaligen Bestandsaufnahme und nicht zur kontinuierlichen Überwachung eingesetzt werden, da eine große Anzahl lokaler Messstellen erforderlich ist. Bekannt sind ebenfalls gassensorbasierte Monitoringsysteme. Diese erfordern verschiedene Extraktions- und Gasspulzyklen und sind aufgrund komplizierter Systemarchitektur problematisch. It is therefore advantageous if the local gas composition is monitored on the firebox wall in order to be able to initiate early firing countermeasures if an inappropriate combustion is detected and detected. This monitoring can take place, for example, by a local extraction of the gases through suitable bores on the boiler wall and analysis with gas analyzers. This possibility is very precise, but for cost reasons can only be used for a one-time inventory and not for continuous monitoring, since a large number of local measuring points is required. Also known are gas sensor-based monitoring systems. These require various extraction and gas cycles and are problematic due to the complexity of the system architecture.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Feuerungsanlage anzugeben, bei der die eingangs genannten Nachteile verringert oder vermieden werden. It is an object of the present invention to provide an improved combustion plant, in which the disadvantages mentioned are reduced or avoided.

Diese Aufgabe wird durch eine Feuerungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Feuerungsanlage. This object is achieved by a furnace with the features of claim 1. The subclaims relate to advantageous embodiments of the furnace.

Die erfindungsgemäße Feuerungsanlage zur Verbrennung eines Brennstoffs weist eine einen Feuerraum umschließende Feuerraumwand auf, wobei die Feuerraumwand durchdringend wenigstens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist. Dabei umfasst die Sensoreinrichtung eine rohrartig aufgebaute Gasdurchführung mit einer Öffnung zum Inneren des Feuerraums und eine Sensorkammer außerhalb des Feuerraums. Weiterhin ist in der Sensorkammer ein Sensorelement zur Detektion der Stöchiometrie einer im Feuerraum stattfindenden Verbrennung angeordnet. The firing system according to the invention for combustion of a fuel has a firebox wall enclosing a firebox, wherein the firebox wall is penetratingly arranged at least one sensor device. In this case, the sensor device comprises a tube-like gas feedthrough with an opening to the interior of the furnace and a sensor chamber outside the furnace. Furthermore, a sensor element for detecting the stoichiometry of combustion taking place in the combustion chamber is arranged in the sensor chamber.

Dabei weist die Gasdurchführung im Bereich der Feuerraumwand durchgängig eine Innenquerschnittsfläche von wenigstens 5 cm² auf. Schließlich ist die Gasdurchführung zur Sensorkammer hin ansteigend in der Feuerraumwand angeordnet. In this case, the gas feedthrough in the region of the combustion chamber wall has an internal cross-sectional area of at least 5 cm ² throughout. Finally, the gas feedthrough to the sensor chamber is arranged rising in the furnace wall.

Folgende Vorteile ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Feuerungsanlage:

– Die Innenquerschnittsfläche erlaubt einen ausreichend starken und ausreichend schnellen Gasaustausch zur Überwachung der Verbrennung im Feuerraum.
– Die ansteigende Anordnung der Gasdurchführung fördert den konvektiven Gasaustausch.
– Die ansteigende Anordnung der Gasdurchführung lässt evtl. entstehendes Kondenswasser in den Feuerraum zurückfließen.
– Die Sensoreinrichtung ist einfach aufgebaut und daher auch kostengünstig und einfach realisierbar.
– Die Sensoreinrichtung kann ohne Pump- oder Extraktionsmittel für Feuerraumgas arbeiten.

The following advantages result from the inventive design of the furnace:

- The internal cross-sectional area allows a sufficiently strong and fast enough gas exchange to monitor the combustion in the furnace.
- The rising arrangement of the gas passage promotes the convective gas exchange.
- The rising arrangement of the gas feedthrough allows any condensate to flow back into the firebox.
- The sensor device is simple and therefore cost-effective and easy to implement.
The sensor device can operate without pumping or extraction means for furnace gas.

Folgende Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Feuerungsanlage sind möglich:

– Die Gasdurchführung ist vorteilhaft in einem Winkel von wenigstens 5° und höchstens 20° zur Horizontalen angeordnet. Dabei ist mit der Horizontalen die Bodenflächenrichtung bezeichnet. Mit anderen Worten steigt die Gasdurchführung vom Inneren des Feuerraums nach außen hin leicht an. Bei diesen Winkeln ist eine ideale Konvektion erreicht, bei der das heiße Prozessgas zur Sensorkammer hin aufsteigt und das abgekühlte, bereits vermessene Gas wieder in den Feuerraum zurückfließt.
– Die Innenquerschnittsfläche kann wenigstens 10 cm² betragen. Ein vergrößerter Querschnitt sorgt für einen beschleunigten Gasaustausch.
– Das Sensorelement ist bevorzugt ein Hochtemperatur-Gassensor, insbesondere ein Gallium-Oxid-basierter Halbleitergassensor. Diese Sensoren arbeiten bei besonders hohen Temperaturen von mehr als 800°C, sind also unempfindlich gegen sehr heiße Prozessgase aus dem Feuerraum.
– Das Sensorelement kann beheizbar ausgestaltet sein.
– In der Öffnung zum Inneren des Feuerraums ist bevorzugt ein Edelstahlnetz angeordnet. Dieses schützt die Sensoreinrichtung vor großen Partikeln im Feuerraum. Bevorzugt ist ein poröser Filter, insbesondere umfassend ein Sintermetall oder eine gasdurchlässige Keramik an der Verbindung zwischen der Gasdurchführung und der Sensorkammer angeordnet. Dieser hält Ruß und Flugasche vom Sensorelement ab und erhöht dadurch dessen Lebensdauer.
– Bevorzugt weist die Gasdurchführung entlang ihrer Länge eine innen liegende Trennwand zur Trennung eines aufwärts und eines abwärts gerichteten Gasstroms auf. Dadurch wird eine Vermischung der ein- und ausfließenden Gasströme verhindert und somit das Konvektionsverhalten verbessert. Alternativ kann die Gasdurchführung auch als Verbund aus zwei separaten Rohren realisiert sein.
– Die Gasdurchführung kann als Teleskoprohr ausgestaltet sein. Hierdurch ist eine vereinfachte Anpassung an die Bauform der Feuerungsanlage möglich.
– Vorteilhaft ist es, wenn die Feuerungsanlage eine Einrichtung zur Erzeugung eines Druckluftstoßes umfasst, die mit der Gasdurchführung verbunden ist. Damit können die Filter gereinigt werden.
– Die Feuerungsanlage kann eine Einrichtung zur Beheizung der Sensorkammer und außerhalb der Feuerraums und der Feuerraumwand gelegener Teile der Gasdurchführung auf wenigstens 100°C aufweisen. Beispielsweise können Teile der Gasdurchführung und die Sensorkammer mit Heizwendeln ausgestattet sein. Damit wird erreicht, dass die Bildung von Kondenswasser im Inneren der Sensoreinrichtung verhindert wird.

The following refinements and developments of the firing plant are possible:

- The gas passage is advantageously arranged at an angle of at least 5 ° and at most 20 ° to the horizontal. In this case, the bottom surface direction is designated by the horizontal. In other words, the gas passage easily rises from the inside of the combustion chamber to the outside. At these angles, an ideal convection is achieved in which the hot process gas rises towards the sensor chamber and the cooled, already measured gas flows back into the combustion chamber.
- The internal cross-sectional area can be at least 10 cm ² . An enlarged cross-section ensures accelerated gas exchange.
The sensor element is preferably a high-temperature gas sensor, in particular a gallium oxide-based semiconductor gas sensor. These sensors work at particularly high temperatures of more than 800 ° C, so they are insensitive to very hot process gases from the furnace.
- The sensor element may be designed to be heated.
- In the opening to the interior of the furnace, a stainless steel net is preferably arranged. This protects the sensor device from large particles in the furnace. Preferably, a porous filter, in particular comprising a sintered metal or a gas-permeable ceramic is arranged at the connection between the gas feedthrough and the sensor chamber. This keeps soot and fly ash from the sensor element and thereby increases its life.
Preferably, the gas feedthrough has along its length an internal partition wall for separating an upward and a downward gas flow. This prevents mixing of the inflowing and outflowing gas streams and thus improves the convection behavior. Alternatively, the gas feedthrough can also be realized as a composite of two separate tubes.
- The gas passage can be designed as a telescopic tube. As a result, a simplified adaptation to the design of the furnace is possible.
- It is advantageous if the furnace comprises a device for generating a blast of compressed air, which is connected to the gas passage. This allows the filters to be cleaned.
- The firing system may have a device for heating the sensor chamber and parts of the gas passage located outside of the firebox and the firebox wall to at least 100 ° C. For example, parts of the gas feedthrough and the sensor chamber may be equipped with heating coils. This ensures that the formation of condensation in the interior of the sensor device is prevented.

Vorteilhaft ist es, wenn die Verbindung zwischen der Gasdurchführung und der Sensorkammer steck- oder schraubbar ausgeführt ist. Damit ist ein einfacher Wechsel des Sensorelements ermöglicht. Dies kann sogar im laufenden Betrieb passieren, wenn im Feuerraum ein Unterdruck herrscht. It is advantageous if the connection between the gas feedthrough and the sensor chamber is made pluggable or screwable. This allows a simple change of the sensor element. This can even happen during operation, if there is a negative pressure in the combustion chamber.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen A preferred, but by no means limiting embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing. The features are shown schematically. Show it

1 einen Ausschnitt aus der Feuerraumwand einer Feuerungsanlage mit Stöchiometriesensor 1 a section of the combustion chamber wall of a furnace with stoichiometric sensor

1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Feuerungsanlage 10. Die Feuerungsanlage 10 weist einen Feuerraum 11 auf, der von einer Feuerraumwand 12 umschlossen ist. Im Feuerraum 11 findet beispielsweise eine Kohleverbrennung statt. Zur Prüfung, ob die Verbrennung in geeigneter Weise abläuft, ist eine Sensoreinrichtung 13 in die Feuerraumwand 12 eingelassen. 1 shows a section of a firing system 10 , The firing plant 10 has a firebox 11 up from a firebox wall 12 is enclosed. In the firebox 11 For example, a coal combustion takes place. To check whether the combustion proceeds in a suitable manner, is a sensor device 13 into the firebox wall 12 admitted.

Die Sensoreinrichtung 13 umfasst ein Röhrchen 14 als Gasdurchführung durch die Feuerraumwand 12. Das Röhrchen 14 ist in diesem Beispiel zylindrisch und hat einen Durchmesser von 2,5 cm. Es ist gegenüber der Horizontalen in diesem Ausführungsbeispiel um 15° geneigt in die Feuerraumwand 12 eingebracht, wobei es nach außen hin ansteigt. Das Röhrchen 14 ist zum Feuerraum 11 hin für Gase offen, aber gegen Eindringen größerer Störkörper mit einem Edelstahlnetz geschützt. The sensor device 13 includes a tube 14 as a gas passage through the firebox wall 12 , The tube 14 is cylindrical in this example and has a diameter of 2.5 cm. It is inclined relative to the horizontal in this embodiment by 15 ° in the furnace wall 12 introduced, wherein it rises to the outside. The tube 14 is to the firebox 11 open for gases, but protected against ingress of larger objects with a stainless steel net.

Auf der vom Feuerraum 11 abgewandten Seite des Röhrchens 14 mündet dieses in eine Sensorkammer 21, die das Röhrchen 14 gasdicht abschließt. Zur Sensorkammer 21 hin ist im Röhrchen 14 ein Sintermetallfilter 17 zur Russfilterung angebracht. In der Sensorkammer 21 ist ein Gassensor, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Galliumoxidsensor 16 angebracht. Der Galliumoxidsensor 16 umfasst eine Heiz- und Regeleinrichtung, die die Temperatur des Galliumoxidsensors 16 auf 850°C regelt. On the from the firebox 11 opposite side of the tube 14 this leads into a sensor chamber 21 holding the tube 14 gas-tight. To the sensor chamber 21 There is a tube in the tube 14 a sintered metal filter 17 attached for soot filtration. In the sensor chamber 21 is a gas sensor, in the present embodiment, a gallium oxide sensor 16 appropriate. The gallium oxide sensor 16 includes a heating and regulating device which controls the temperature of the gallium oxide sensor 16 regulated to 850 ° C.

Außerhalb der Feuerraumwand 12 sind das Röhrchen 14 und die Sensorkammer 21 von einer Heizwendel 18 umhüllt. Diese wird so betrieben, dass die betroffenen Komponenten auf einer Temperatur von wenigstens 100°C gehalten werden. Dadurch wird eine Kondensation von Wasser im Inneren der Sensorkammer 21 verhindert. Outside the firebox wall 12 are the tube 14 and the sensor chamber 21 from a heating coil 18 envelops. This is operated in such a way that the affected components are kept at a temperature of at least 100 ° C. This will cause a condensation of water inside the sensor chamber 21 prevented.

Der Galliumoxidsensor 16 ist mit einer Sensorelektronik 19 zur Steuerung und Auslesung verbunden. Die Sensorelektronik 19 ist ggfs. mehrfach vorhanden, um eine Mehrzahl an Sensoreinrichtungen 13 anzusteuern. Die Signale der Sensorelektronik 19 werden in einem Auswertesystem 20 gesammelt und ausgewertet und fließen in die Steuerung der Feuerungsanlage 10 ein. Wird anhand des Signals einer der Sensorelektroniken 19 festgestellt, dass lokal die Verbrennung nahe oder in den mageren Bereich geht, regelt die Steuerung der Feuerungsanlage beispielsweise die Zuführung der Edukte der Verbrennung, um gegenzusteuern und so eine Feuerraumkorrosion zu verhindern. The gallium oxide sensor 16 is with a sensor electronics 19 connected to the control and reading. The sensor electronics 19 is possibly multiple times available to a plurality of sensor devices 13 head for. The signals of the sensor electronics 19 be in an evaluation system 20 collected and evaluated and flow into the control of the furnace 10 one. Is based on the signal of one of the sensor electronics 19 If it is determined that local combustion is close to or within the lean range, control of the combustion system regulates, for example, the supply of the educts of the combustion in order to counteract and thus prevent combustion chamber corrosion.

Claims

Firing plant ( 10 ) for combustion of a fuel, comprising a combustion chamber ( 11 ) enclosing firebox wall ( 12 ), the firewall wall ( 12 ) penetrates at least one sensor device ( 13 ), wherein The sensor device ( 13 ) a tubular gas passage ( 14 ) with an opening to the interior of the firebox ( 11 ) and a sensor chamber ( 21 ) outside the firebox ( 11 ), - in the sensor chamber ( 21 ) a sensor element ( 16 ) for detecting the stoichiometry of a in the combustion chamber ( 11 ) is arranged combustion, characterized in that - the gas passage ( 14 ) in the area of the furnace wall ( 12 ) consistently has an internal cross-sectional area of at least 5 cm ² and - the gas feedthrough ( 14 ) to the sensor chamber ( 21 ) rising in the firebox wall ( 12 ) is arranged.

Firing plant ( 10 ) according to claim 1, wherein the gas feedthrough ( 14 ) is arranged at an angle of at least 5 ° and at most 20 ° to the horizontal.

Firing plant ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the internal cross-sectional area is at least 10 cm ² .

Firing plant ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the sensor element ( 16 ) a high-temperature gas sensor, in particular a gallium oxide-based semiconductor gas sensor ( 16 ).

Firing plant ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which in the opening of the gas feedthrough ( 14 ) to the interior of the firebox ( 11 ) a stainless steel net ( 15 ) is arranged.

Firing plant ( 10 ) according to one of the preceding claims with a porous filter ( 17 ), in particular comprising a sintered metal ( 17 ) or a gas-permeable ceramic at the connection between the gas feedthrough ( 14 ) and the sensor chamber ( 21 ).

Firing plant ( 10 ) according to one of the preceding claims with a length along the length of the gas feedthrough ( 14 ) arranged in the gas passage ( 14 ) for separating an upward and a downward gas flow.

Firing plant ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the gas feedthrough ( 14 ) is designed as a telescopic tube.

Firing plant ( 10 ) according to one of the preceding claims with a device for generating a blast of compressed air, which is connected to the gas feedthrough ( 14 ) connected is.

Firing plant ( 10 ) according to claim 4 with a device for heating the gas sensor ( 16 ).

Firing plant ( 10 ) according to one of the preceding claims with a device ( 18 ) for heating the sensor chamber ( 21 ) and outside the firebox ( 11 ) and the firebox wall ( 12 ) located parts of the gas feedthrough ( 14 ) to at least 100 ° C.

Firing plant ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the connection between the gas feedthrough ( 14 ) and the sensor chamber ( 21 ) is plugged or screwed.