Thermoakustische Sensorik für Erdgas-Wasserstoff-Flammen

Eine Hauptquelle der Lärmemissionen in Industrieanlagen sind Feuerungen. Das Geräuschspektrum hat zwei charakteristische Frequenz-Bereiche: der niederfrequente Bereich (von bis zu einigen hundert Herz) ist durch das Verbrennungsgeräusch turbulenter Flammen gekennzeichnet, während der hochfrequente Beitrag von Strömungsgeräuschen stammt.

Das turbulente Geräusch, charakterisiert durch ein variierendes und breitbandiges Spektrum, lässt sich nicht unterbinden. Schallemissionen über diesen Geräuschpegel hinaus können auf Brennkammerpulsationen oder Schwingungen hindeuten. Diese Pulsationen treten gelegentlich in Form von niederfrequenten Vibrationen in industriellen Kesseln und Öfen auf und können sich durch Brumm- oder Pfeifgeräusche äußern. Diese Schwingungen gehen auf einem dynamischen Rückkopplungsprozess zwischen dem Brenner und den akustischen Moden in den gasgefüllten Hohlräumen wie der Hauptbrennkammer oder dem Verbindungsrohrsystem zurück. Die Rückkopplung können entweder zu instabilem Flammenverhalten führen oder zu Grenzzyklus-Schwingungen, wobei die Flamme stabil erscheint, aber durch eine erhöhte Lärmentwicklung und häufig auch erhöhte Schadstoff-Emissionen auffällt.

Zukünftig ist zu erwarten, dass höhere Anteile erneuerbarer Gase in schwankenden Anteilen in das Erdgasnetz eingespeist werden oder in industriellen Thermoprozessanlagen zum Einsatz kommen. Die Veränderungen des Hauptenergieträgers haben erhebliche Auswirkungen auf die Verbrennungen industrieller Feuerungsanlagen. Als charakteristische verbrennungstechnische Eigenschaft ist hier die höhere Brenngeschwindigkeit und damit die Flammendimensionen sowie die spezifische Abgasmenge zu nennen. Die daraus resultierenden Änderungen des Flammenverhaltens stellen eine Herausforderung sowohl für den Anlagenbetreiber als auch für Hersteller von Flammenüberwachungssensorik dar.

Ein gutes Verständnis der Einsatzgrenzen und Performance verfügbarer Sensorik und die Entwicklung neuer Sensoren, insbesondere akustische Sensoren, zur Erkennung und Überwachung von Erdgas-Wasserstoffflammen hinsichtlich Stabilität und Betriebsparametern, wird der Ofenbauindustrie helfen, sich auf zukünftige Herausforderungen in Bezug auf die Brennstoffzusammensetzung einzustellen. Die Ergebnisse dieses Projekts sollen einen Beitrag zur Behebung von Problemen in Industrieöfen liefern, die durch die Zumischung von Wasserstoff entstehen.

Ziele sind daher die Optimierung und Entwicklung einer neuen Flammenüberwachungseinrichtung – thermoakustischer Sensor – für den Einsatz mit wasserstoffhaltigem Gas und für die Regelung von Brennersystemen im Zusammenhang mit thermoakustischen Problemen und zur Verbrennungsoptimierung. Weiterhin soll Basiswissen für innovative Systeme zur Verhinderung und Detektion von ungünstigen Betriebszuständen in Industrieöfen geschaffen werden.

Eine vielversprechende Alternative zu optischen- und Ionisationssensoren sind akustische Sensoren. Das Verbrennungsgeräusch wird mit einem geeigneten Mikrofon z.B. einem Sondenmikrofon oder einem Messmikrofon aufgenommen und in analoger Weise zu den anderen Sensorsignalen analysiert. Erfahrungsgemäß ändert sich das Verbrennungsgeräusch bei Änderung des Betriebszustands. Diese hörbare Veränderung gilt es durch geeignete Signalanalyseschritte in messbare Größen zu überführen, um diese später als zusätzliche Regelgröße einsetzen zu können.

In der Regel stellt ein Flammwächter lediglich das digitale Signal „Flamme brennt“ oder „Flamme brennt nicht“ zur Verfügung. Für die Suche nach neuen Bewertungskriterien für die Qualität der Verbrennung sind die meisten handelsüblichen Flammwächter deshalb ungeeignet. Für die Suche nach neuen Kriterien sollte das Rohsignal des Sensors betrachtet und mit Hard- und Software eine detaillierte Signalanalyse durchführt werden.

• OWI Science for Fuels gGmbH
• TU Bergakademie Freiberg, Lehrstuhl für gas- und wärmetechnische Anlagen