Sauerstoffmessung in Rauchgasströmen verstehen

Die Betrachtung der Gesamtmenge an O2 im Gasstrom kann irreführend sein, da die stöchiometrische überschüssige O2-Menge die wichtigere Messung ist.

Automatisierte Verbrennungsprozesse sind überall um uns herum, von Haushaltsgeräten und HVAC-Systemen bis hin zu großen Industriekesseln, befeuerten Heizgeräten und Kraftwerken. Trotz aller Unterschiede in Größe und Zweck ist das gemeinsame Ziel, das alle erreichen wollen, eine hohe Effizienz durch effektive Verbrennungskontrolle. Die Kraftstoffkosten sind ein wichtiger Faktor und daher liegt der Schwerpunkt auf Effizienz, aber auch Sicherheits- und Emissionsaspekte stehen im Vordergrund, insbesondere Letzteres bei industriellen Anwendungen. Die in diesem Artikel diskutierte Art der Verbrennung ist eine chemische Reaktion zwischen dem Kraftstoff und Sauerstoff (O2) und unterliegt daher grundlegenden stöchiometrischen Faktoren. Es muss die richtige Anzahl an O2-Molekülen zur Verfügung stehen, um mit der entsprechenden Anzahl an Kraftstoffmolekülen reagieren zu können. Aus praktischen Gründen verwenden die meisten Brennkammern atmosphärische Luft, wobei der Luftstrom zur Steuerung der O2-Zufuhr gemessen wird. Ein Ungleichgewicht des Luftstroms in beide Richtungen ist problematisch. Bei unzureichender Luftmenge (unter dem stöchiometrischen Bedarf oder brennstoffreicher Verbrennung) gelangt unverbrannter Brennstoff aus dem Schornstein. Dadurch wird Treibstoff verschwendet, es entstehen Emissionen und gefährliche Luftschadstoffe. Es stellt auch ein potenzielles Sicherheitsproblem dar, wenn sich anschließend genügend Kraftstoff mit O2 vermischt und sich entzündet. Erschwerend kommt hinzu, dass die Verbrennung in der realen Welt selten hundertprozentig abgeschlossen ist. Typischerweise ist eine gewisse Menge an unverbranntem Brennstoff im Rauchgas enthalten, obwohl Spurenmengen keinen wesentlichen Einfluss auf den Gesamt-O2-Gehalt im Vergleich zu überschüssigem O2-Gehalt haben. Irgendwann im Laufe der Betriebsdauer einer Anlage ist jedoch mit erheblichen Mengen an unverbranntem Brennstoff zu rechnen und kommt häufiger vor als angenommen. Dies ist selbst bei den effizientesten Brennern unvermeidbar. Mehr dazu, was das bedeutet, gleich. Wenn zu viel Luft vorhanden ist (über dem stöchiometrischen Bedarf, was zu einer brennstoffarmen Verbrennung führt), verringert sich der Wirkungsgrad aufgrund der Energieverschwendung, die durch die Erwärmung der unnötigen Luftmenge entsteht. Dies ist bis zu einem gewissen Grad unvermeidbar, da etwa 80 % der Luft aus Stickstoff bestehen. Überschüssige Luft ist jedoch weniger problematisch für die Effizienz und sicherer für den Betrieb, obwohl die Stickoxidemissionen (NOx) mit zunehmendem Luftüberschuss zunehmen können. Bei den meisten Brennkammern herrscht ein idealer Luftüberschuss, um eine gute Verbrennung, geringe Emissionen und einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Sowohl überschüssige Luft als auch überschüssiger Kraftstoff verringern die Effizienz, aber überschüssige Luft verringert die Effizienz nicht so stark wie die gleiche Menge überschüssigen Kraftstoffs.

Jeder, der mit einem altmodischen Gasherd oder einer Gasheizung gearbeitet hat, kann sehen, wie der Mischvorgang funktioniert, indem er den Lufteinlass des Brenners so anpasst, dass eine perfekt blaue Flamme entsteht. Es stellt sich jedoch die Frage: Was ist der praktischste Weg, um die Verbrennung in großem Maßstab im Hinblick auf Sicherheit, Effizienz und Emissionen zu optimieren? Die häufigste Antwort besteht darin, die im Rauchgas verbleibende O2-Menge zu messen und zu steuern, aber was ist ideal? Wie gerade erwähnt, ist die Verbrennung oft nicht vollkommen vollständig, so dass etwas unverbrannter Brennstoff und O2 aus dem Schornstein austreten, selbst wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch, das in den Brenner gelangt, genau richtig ist. Der Bereich, der Anlass zur Sorge gibt, ist die Menge an O2, die über das hinausgeht, was zur Verbrennung der Brennstoffmenge erforderlich ist. Der Blick auf den Gesamt-O2-Gehalt im Rauchgasstrom kann jedoch trügerisch sein, wenn die Bediener nicht vollständig verstehen, was die Messung darstellt. Die Herausforderung besteht darin, festzustellen, wie viel O2 im Rauchgas über der stöchiometrischen Menge liegt. Betreiber wünschen sich normalerweise eine gewisse Menge an überschüssigem O2, da es unerwünscht ist, den Luftstrom unter die stöchiometrische Menge zu reduzieren (Abbildung 1), aber die genaue Menge hängt vom Kraftstoff und dem Verbrennungssystem ab. In den meisten Situationen ist es wünschenswerter, den Kraftstoff zu mager zu wählen, als zu fett zu fahren.

Für Industrieanlagen gibt es vielfältige Regelungsstrategien. Es wird mindestens ein Instrument zur Überwachung des Kraftstoffflusses vorhanden sein. Der Luftstrom wird entsprechend dem Kraftstoffdurchfluss dosiert oder zumindest gesteuert. Diese Art von Schema kann mit einer Formel (Luftvolumen pro Kraftstoffeinheit) für eine grobe Berechnung implementiert werden, aber die Schwankung des Sauerstoffbedarfs verschiedener Kraftstoffquellen und die Präzision der Kraftstoff- und Luftstrommessungen führen dazu, dass der tatsächliche Wert überwacht werden muss Auch der O2-Gehalt des Rauchgases. Für die O2-Messung von Rauchgasen werden üblicherweise zwei Techniken eingesetzt: ein TDL-Analysator (Tunable Diode Laser) und ein Zirkonoxid-Sensoranalysator. Ein TDL-Analysator verwendet zwei Sensorkomponenten (Abbildung 2), eine Laserquelle und einen Detektor.

Steuerungen für Kessel, befeuerte Heizgeräte und andere Verbrennungsprozesse regeln die Verbrennungsluft, um einen Betrieb mit ausreichend, aber nicht zu viel Luftüberschuss sicherzustellen. Zirkoniumsensoren messen überschüssiges O2, nicht das Gesamt-O2, das in direktem Zusammenhang mit überschüssiger Luft steht. Andere Technologien wie TDL messen den Gesamt-O2-Gehalt, was bei Vorhandensein von unverbranntem Kraftstoff kein direktes Maß für den Luftüberschuss liefert. Der Gesamt-O2-Wert entspricht nur dann dem O2-Überschuss, wenn die Verbrennung zu 100 % abgeschlossen ist und kein unverbrannter Kraftstoff vorhanden ist. Auch wenn ein Betrieb niemals mit unverbranntem Kraftstoff betrieben werden soll, bleibt das Risiko bestehen und tritt in gewissem Maße bei praktisch allen Anwendungen auf. Bei Verwendung eines TDL-Analysators kann dessen Gesamt-O2-Messung daher dazu führen, dass Bediener oder automatisierte Steuerungen unter unsicheren, kraftstoffreichen Bedingungen fahren. Ein einfacher und langlebiger Zirkoniumsensor löst dieses Problem, indem er nur überschüssiges O2 misst und es dem Bediener ermöglicht, Verbrennungsprozesse zu steuern und gleichzeitig sichere und optimale Bedingungen aufrechtzuerhalten.

Neil Widmer ist Business Development Manager für Verbrennungsmotoren bei Emerson. Er verfügt über 30 Jahre Erfahrung in der Verbrennungs- und Wärmeenergiebranche. Neil verfügt über 13 US-Patente, 2 von Experten begutachtete Veröffentlichungen und hat zahlreiche Aufsätze und Präsentationen verfasst. Er hat einen BSME-Abschluss von der University of California-Davis. Jesse Sumstad ist globaler Produktmanager für das Messlösungsgeschäft von Emerson. Er verwaltet das Verbrennungsportfolio für Analyseinstrumente, das aus In-situ-Sauerstoffanalysatoren, extraktiven Sauerstoff- und Brennstofftransmittern sowie Zubehör besteht. Jesse schloss sein Studium mit einem Bachelor of Science in Wirtschaftsingenieurwesen an der University of Iowa und einem MBA an der University of St. Thomas ab.

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