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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung der Abgasausbrandqualität in Verbrennungsanlagen
gemäß des ersten
Patentanspruchs.
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Ein
Ziel von technischen Verbrennungsprozessen ist die Erzielung eines
möglichst
vollständigen
effizienten Abgasausbrands. Ein effizienter Abgasausbrand wird durch
niedrige Konzentrationen an Produkten unvollständiger Verbrennung wie CO, Kohlenwasserstoffe
und partikulärer
Kohlenstoff (Rußpartikel)
charakterisiert. Emissionsgrenzwerte hierzu sind meist in einschlägigen Verordnungen festgelegt.
In Deutschland sind beispielsweise in der 17. BImSchV (Bundesimmissionsschutzverordnung) die
Grenzwerte für
Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffe CnHm festgeschrieben.
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Brennstoffe
wie Hausmüll,
Biomasse oder Kohle mit schwankenden Feuchtegehalten, sind sehr inhomogene
Brennstoffe. Infolge deren sehr heterogenen Zusammensetzung schwankt
deren Heizwert sehr stark. Bei der Verbrennung in technischen Feuerungen
werden daher heute im Brennraum aufwendige Feuerleistungsregelungen
mit Infrarotdetektoren (IR-Kamera, Infrarotkamera) eingesetzt. Die
Feuerlage des festen Brennbetts in Rostfeuerungen wird dabei anhand
der Infrarot-Strahlung des Brennstoffbettes mit Hilfe einer IR-Kamera
ermittelt. Die hierbei erfasste Wellenlänge (z.B. 3,9 μm) liegt
in einem Bereich, in dem Verbrennungsgase selbst keine Emissivität aufweisen.
Mit Hilfe dieser Informationen erfolgt die Regelung der Rostkinematik
und/oder der einzelnen Primärgasströme, die
das Festbett durchströmen.
Dadurch ist ein nahezu vollständiger
Feststoffausbrand der Schlacke erreichbar.
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Ein
Abgas welches aus einem Brennraum, beispielsweise einer Festbettausbrandzone
ungleichmäßig verbrannt
austritt, weist in der Regel lokal hohe Konzentrationen an unvollständig verbrannten
Verbindungen, wie z.B. CO, Kohlenwasserstoffe und Ruß auf. Dabei
zeigt die aus dem Brennbett austretende Gasströmung eine ausgeprägte Bildung
von Strähnen
mit enormen örtlichen
und zeit lichen Konzentrationsschwankungen der vorgenannten unvollständig verbrannten
Verbindungen wie auch der Sauerstoffkonzentration. Diese Strähnen ziehen
sich bis durch die Abgasausbrandzone im ersten Strahlungszug. Für eine homogene
Vermischung und damit einen vollständigen Ausbrand des Abgases
reicht oftmals die zur Verfügung
stehende Vermischungszeit oder auch die Vermischungsturbulenz nicht
aus. Einem unvollständigen
Ausbrand der Abgase begegnet man daher mit einer Einleitung eines
sauerstoffhaltigen Sekundärgases
in der Abgasausbrandzone. Die Gesamtmenge dieses Sekundärgases wird
dabei so gewählt,
dass hinter der Abgasausbrandzone stets ein definierter Sauerstoffüberschuss
(Mindestsauerstoffkonzentration) eingehalten wird. Die Mindestsauerstoffkonzentration
wird von den erforderlichen Mindestverbrennungstemperaturen nach
der Abgasausbrandzone begrenzt.
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In
[1] wird eine Vorrichtung zur Optimierung des Abgasausbrands in
Verbrennungsanlagen mit einer Festbettausbrandzone und einer Abgasausbrandzone
offenbart. Sie umfasst mehrere regelbare Düsen zur Einleitung von sauerstoffhaltigem
Sekundärgas
in einen Wirkbereich in der Abgasausbrandzone. Die Erfassung der
einzelnen unvollständig
verbrannten Gaskomponenten (CO und Kohlenwasserstoffe) im Wirkbereich
erfolgt über
eine Erfassung der Strahlungsintensität mittels Infrarotkamera oder
einer anderen spektral messenden Einrichtung. Die dabei ermittelten
Informationen werden in Steuerbefehle für jede der regelbaren Düsen zur
gezielten Einleitung von Sekundärgas
umgesetzt.
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Die
Vorrichtung und das damit einhergehende Verfahren dienen jedoch
der nicht selektiven Erkennung von unvollständig verbrannten gasförmigen Komponenten
im Abgas. Es werden sowohl unvollständig verbrannte Gase wie auch
Feststoffanteile (z.B. Ruß)
als Summensignal erfasst, wobei eine Wichtung zwischen einzelnen
Komponenten nicht möglich
ist. Außerdem
kann es vorkommen, dass Bereiche, in denen mangels Brenngase überhaupt
keine Verbrennungsaktivitäten
stattfinden, auch als unvollständig
verbrannte Abgasbereiche erkannt werden (Querempfindlichkeiten Emissivität von CO2 zu H2O). Im zuletzt
genannten Fall würde
eine Eindüsung eines
sauerstoffhaltigen Sekundärgases
keine Nachverbrennung, sondern lediglich eine Verdünnung und
Kühlung
der Gase hervorrufen.
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Ausgehend
davon liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Charakterisierung der
Abgasausbrandqualität
hinsichtlich Rußausbrand in
Verbrennungsanlagen als Basis für
eine Optimierung des Abgasausbrandes insbesondere für eine vollständigen Rußausbrand
auch bei instationären Verbrennungsvorgängen mit
einem Minimum an Sekundärgas
vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Rückbezogene
Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens an.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein Verfahren zur Charakterisierung des Abgasausbrandqualität einer
Verbrennung in Verbrennungsanlagen mit einer Gasausbrandzone vorgeschlagen,
bei dem Rußsträhnen, d.
h. Feststoffpartikel im Abgas selektiv erfassbar sind.
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Ein
wesentlicher Grundgedanke des Verfahrens beinhaltet den Zusammenhang,
dass in einem Strömungsquerschnitt
der Gasausbrandzone rußarme
Verbrennungsbereiche (vorzugsweise ohne Rußbildung), Bereiche ohne Verbrennung
und Bereiche mit Rußbildung
im sichtbaren Wellenlängenbereich optisch
erfassbar sind. Die rußarmen
Verbrennungsbereiche erscheinen dabei grundsätzlich hell (hohe Strahlungsintensität), während die
Bereiche ohne Verbrennung (kalte Rostbereiche) und rußende Bereiche
grundsätzlich
dunkel erscheinen (niedrige Strahlungsintensität). Die Verbrennungsbereiche dunkeln
sich mit zunehmenden Rußanteilen
zunehmend ein, d.h. die Strahlungsintensität nimmt kontinuierlich mit
dem Rußanteil
ab. Dabei kennzeichnen sich die Bereiche ohne Verbrennung und die
rußenden
Bereiche durch eine unterschiedliche Dynamik in ihrem zeitlichen
Verhalten aus, welche durch eine Bewertung, vorzugsweise eine Mittelung
oder einen Vergleich mehrerer aufeinander folgender Einzelaufnahmen
detektierbar sind.
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Grundvoraussetzung
für das
Verfahren ist mindestens ein im sichtbaren Wellenlängenbereich (ca.
400 bis 1000 nm) messendes Kamerasystem mit Kamera, beispielsweise
eine Videokamera, welches so an eine Gasausbrandzone adaptiert ist,
dass sie einen Strömungsquerschnitt
in dieser möglichst
vollständig
erfasst. Im Gegensatz zu Detektionssystemen für den Infrarotbereich oder
anderen nicht sichtbare Wellenlängenbereiche
sind derartige Kamerasysteme als ausgereifte Standardsysteme für unterschiedliche
Anwendungen vergleichsweise preiswert und auch in hoher Qualität und hohem
Auflösungsvermögen auf
dem Markt erhältlich.
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Das
Kamerasystem dient zur Aufnahme der Verbrennung im Strömungsquerschnitt
mit einer Abfolge von Einzelaufnahmen. Die Einzelaufnahmen sind
Momentaufnahmen des Abgasausbrands im gesamten Strömungsquerschnitt,
wobei Kameraeinstellung und Bildausschnitt zwischen den Einzelaufnahmen
nicht verändert
werden. Der Bildausschnitt entspricht vorzugsweise dem Strömungsquerschnitt
im Bereich der Abgasausbrandzone. Dieser Strömungsquerschnitt wird für eine Bewertung
der Aufnahmen (Bildverarbeitung) in Segmente mit einer Anzahl von Bildpunkten
(Pixel) unterteilt. Die Bewertung umfasst im Wesentlichen eine Zuordnung
der Segmente zu einem der vorgenannten Bereiche oder zu Übergangsbereichen
zwischen zwei Bereichen mittels im Folgenden beschriebener Verfahrensschritten.
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Mindestens
zwei der aufeinander folgenden Einzelaufnahmen werden (vorzugsweise
pixelweise) gemittelt, um daraus ein Mittelwertbild zu generieren. In
diesem Mittelwertbild werden rußarme
Verbrennungsbereiche dadurch erkannt, dass ihr Intensitätswert (Strahlungsintensität) oberhalb
eines einstellbaren Intensitätsschwellwerts
liegt. Der Intensitätsschwellwert
wird dabei relativ zur maximalen Intensität im erfassten Bild (z.B. 50,
60 oder 70% bezogen auf den jeweiligen Maximalwert) manuell oder
automatisch ermittelt oder als absolute Größe manuell vorgegeben. Ein
manuell vorgegebener Intensitätsschwellwert
kann sich aus bisherigen Erfahrungswerten zusammensetzen und verbleibt
bei aufeinander folgenden Messungen zugunsten einer verbesserten Ver gleichbarkeit
dieser Messungen z.B. für
eine Systemüberwachung
bevorzugt unverändert.
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Nachfolgend
erfolgt die Lokalisierung der Übergangsbereiche
als die Bildpunkte, die zum russarmen Verbrennungsbereich zugeordnet
wurden, jedoch mindestens einen angrenzenden Bildpunkt aufweisen,
der nicht zum russarmen Verbrennungsbereich gehört. Danach werden diese Übergangsbereiche
den Übergangssegmenten
zugeordnet. Dabei wird jedes Segment dahingehend bewertet, ob es
zu einem oder als Übergangssegment
mindestens zwei der vorgenannten Bereiche, also zu einem Übergangsbereich
zugerechnet werden muss. Ein Übergangsbereich
liegt dann vor, wenn in diesem die ermittelte Intensität dem Intensitätsschwellwert
entspricht oder ein Übergang
zwischen einem Wert kleiner als dem Schwellwert zu einem Wert größer als dem
Schwellwert auftritt. In einer Einzelaufnahme oder einem Mittelwertbild
lassen sich die meist linienförmigen Übergangsbereiche
als Linien z.B. farblich hervorheben (z.B. Falschfarbendarstellung).
Ein Übergangssegment
liegt grundsätzlich
dann vor, wenn in diesem der Intensitätsschwellwert sowohl über- als
auch unterschritten wird. Die Zuordnung von Segmenten zu Übergangssegmenten
erfolgt üblicherweise
anhand einstellbarer Flächenanteilsschwellwerte
für die
Flächenanteile
der vorgenannten einzelnen Bereiche.
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Anschließend erfolgt
eine Zuordnung der Übergangssegmente
zu den beteiligten Bereichen. Ein Übergang zeigt sich durch einen
Helligkeitsunterschied. Dieser ist beispielsweise durch Helligkeitsgradienten
oder segmentweise durch eine Ermittlung eines Kontrastes, der mittels
einer Cooccurrence-Matrix (vgl. [2]) berechnet wird, bestimmbar.
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Grundsätzlich kennzeichnen
sich Übergänge von
einem rußarmen
Verbrennungsbereich zu einem Bereich ohne Verbrennung durch eine
geringere Bewegungsdynamik als Rußübergänge, d.h. Übergängen von rußarmen Verbrennungsbereichen
zu rußenden
Bereichen. Bei aus mehreren Einzelaufnahmen gebildeten Mittelwertbildern
zeichnen sich Rußübergänge grundsätzlich durch
eine geringe Trennschärfe oder
einen geringeren Kontrast aus, d.h. sie erscheinen wesentlich verschwommener
als Übergänge von
einem rußarmen
Verbrennungsbereich zu einem Bereich ohne Verbrennung (Rostübergänge), auch
wenn dies bei Einzelaufnahmen nicht der Fall sein muss.
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Eine
Zuordnung der Übergangssegmente
zu der Fraktion der Rußübergänge oder
Rostübergänge erfolgt
vorzugsweise über
die Ermittlung des Kontrastes für
jedes Übergangssegment
separat. Eine Zuordnung der Übergangssegmente
erfolgt mit Kontrastwerten im Vergleich zu einem Kontrastschwellwert.
Liegt der Kontrastwert eines Segments unterhalb des Kontrastschwellwertes,
liegt ein Rußübergangssegment
vor, liegt er darüber,
ein Rostübergang.
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Die
Kontrastwerte beziehen sich vorzugsweise auf die Lichtintensität (Hell
Dunkel-Kontrast). Andere Kontraste, wie z.B. Farbkontraste z.B.
in Verbindung einer Farbmanipulation der Aufnahmen eignen sich zwar
grundsätzlich
auch für
vorgenannte Klassifizierung, erfordern aber möglicherweise einen höheren Rechnungsaufwand
und sind aus diesem Grunde für
eine zeitnahe Charakterisierung der Abgasausbrandqualität nur in
Sonderfällen
zu bevorzugen.
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Alternativ
ist im Rahmen einer Bewertung eine Unterscheidung von Rußübergängen und Rostübergängen über einen
Vergleich einzelner Übergangssegmente
oder einer anderen Gruppe von Bildpunkten der Übergangsbereiche aus aufeinander folgenden
Einzelaufnahmen denkbar. Größere und schnellere Änderungen
der Intensitätswerte
eines Segmentes oder einer Pixelgruppe aus mehreren aufeinander
folgenden Einzelaufnahmen deuten auf eine erhöhte Dynamik im Übergangsbereich
und damit auf Rußübergänge hin.
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Werden
zusammenhängende Übergangssegmente
eines linienförmigen Übergangsbereichs nicht
einheitlich bewertet, sondern gemischt sowohl der Fraktion der Rußübergänge als
der der Röstübergänge, erfolgt
optional eine Gewichtung der einzelnen Fraktionen. Ein möglicher
Verfahrensschritt umfasst dabei die Erkennung von zusammenhängenden Übergangssegmenten
einer Fraktion und von ein zelnen Übergangssegmenten einer Fraktion,
die von der jeweiligen Fraktion umgeben sind. Dabei kann bei einem
deutlichen Übergewicht
von Übergangssegmenten
einer der Fraktionen alle Übergangssegmente
dieser Fraktion zugeordnet werden. Auch einzelne Segmente einer
Fraktion können über eine
Nachbarschaftsanalyse den Fraktionen der Nachbarsegmente zugeordnet
werden. Zusammenhängende Übergangssegmente
einer Fraktion dagegen werden ausschließlich nur dann der anderen Fraktion
zugeordnet, wenn diese als mögliche
Fehlmessungen ein Einzelereignis darstellen (Plausibilitätsüberprüfung).
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Im
Anschluss der vorgenannten Zuordnung der Übergangssegmente erfolgt eine
iterative Zuordnung aller Segmente, bei denen die Intensität von mehr
als der Hälfte
der Bildpunkte unterhalb des Intensitätsschwellwerts liegt, zum rußenden Bereich oder
zum Bereich ohne Verbrennung durch Auswertung von Nachbarschaftsbeziehungen
zu Übergangssegmenten
und bereits zugeordneten Segmenten. Die Zuordnung dieser Segmente
erfolgt jeweils einzeln in iterativen Verfahrensschritten durch Übernahme
der Zugehörigkeit
der jeweils angrenzenden, bereits schon identifizierten Segmente
oder Übergangssegmente
(Nachbarschaftsanalyse). Bei einer nicht einheitlichen Zugehörigkeit
der bereits zugeordneten benachbarten Segmente wird das Segment
dem Bereich zugeordnet, zu dem die meisten benachbarten Segmente
bereits zugeordnet wurden. Jeder der Iterationsschritte erfolgt
vorzugsweise an den Segmenten, die an eine möglichst große Zahl bereits zugeordneter Übergangssegmente
oder bereits zugeordneter Segmente möglichst einer Fraktion angrenzen.
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Schließlich werden
im Rahmen der Charakterisierung der Abgasqualität die einzelnen Lagen, die
Flächenausdehnungen
und die Intensitätsverteilungen
aller identifizierten Bereiche ermittelt. Aus diesen Kenngrößen lassen
sich Steuergrößen für Maßnahmen
zur Verbesserung der Abgasausbrandqualität, wie z.B. eine gezielte,
vorzugsweise eine örtlich differenzierte
(vorzugsweise segmentweise oder segmentgruppenweise), an den lokalen
Verbrennungszustand angepasste Eingabe von sauerstoffhaltigen Gasen
(z.B. Se kundärgas,
bei rußenden
Bereichen) oder auch von zusätzlichen
Brennstoffen (bei Bereichen ohne Verbrennung) rechnerisch ermitteln.
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Dient
das Verfahren der Generierung von Steuersignalen für eine Maßnahme,
mit dem Ziel, den Rußausbrand
laufend zu verbessern (z.B. gezielte Eindüsung von sauerstoffhaltigem
Gas), muss die Ermittlung der Kenngrößen basierend auf den Einzelaufnahmen
im Rahmen der Verfahrensdurchführung
in Echtzeit erfolgen. Durch eine Vielzahl von Gasdüsen lässt sich
auch eine Nachverbrennung in jedem Segment individuell durch eine
Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases beeinflussen.
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Die
Erfindung wird mit Beispielen anhand von Figuren näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
mittels einer CMOS-Kamera aufgenommenen Einzelaufnahme eines Querschnitts
einer Gasausbrandzone,
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2 eine
aus 20 aufeinander folgenden, innerhalb einer Sekunde erfassten
Einzelaufnahmen wie 1 gemittelte Aufnahme,
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3 den
Ausschnitt gemäß 2,
jedoch mit Übergangssegmenten
zwischen rufarmen Verbrennungsbereich und rußenden Bereich (helle Umrandung)
sowie zwischen rußarmen
Verbrennungsbereich und Bereich ohne Verbrennung (dunkle Umrandung),
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4 den
Ausschnitt gemäß 2 und 3 nach über Nachbarschaftsbeziehung
erfolgter iterativer Zuordnung der dunklen Segmente in kalte Rostbereiche
(Bereich ohne Verbrennung, dunkle Umrandung) und rußende Bereiche
(helle Umrandung) sowie
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5 ein
Kennfeld mit Bereichen mit effizientem Abgasausbrand am Beispiel
von Kohlenmonoxid CO als Funktion von Verbrennungstemperatur und
Sauerstoffgehalt. Die Charakteristik der Rußkonzentrationen verhält sich ähnlich wie
die von CO.
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Im
Rahmen des folgenden Versuchsbeispiels wurde der Abgasausbrand einer
Müllverbrennung
mit Rostfeuerung charakterisiert. Der Bildausschnitt der Kamera
gemäß 1 bis 4 erfasst dabei
von oben entgegen der Gasströmungsrichtung den
Strahlungszugquerschnitt der Abgasausbrandzone zwischen Verbrennungsrost
und einer nachgeschalteten Nachbrennkammer mit Sekundärgaseingabemöglichkeit.
Als Kamera kommt eine im sichtbaren Wellenlängenbereich messende Kamera,
beispielsweise eine CMOS-Kamera zum Einsatz.
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1 zeigt
eine Einzelaufnahme des Abgasausbrands mit hellem rußarmen Verbrennungsbereich 1 sowie
je einem dunklen Rostbereich 2 (Bereich ohne Verbrennung)
sowie einem stark rußenden
Verbrennungsbereich 3 (rußender Bereich) mit geringer
Strahlungsintensität.
Die Übergangsbereiche
zwischen diesen Bereichen zeigen auf dieser Einzelaufnahme ähnliche
Helligkeitsgradienten, die eine eindeutige Zuordnung des jeweils
angrenzenden dunklen Bereichs zum Bereich ohne Verbrennung oder
zum rußenden
Bereich nicht zulassen.
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Ziel
der Erfindung ist es, zum einen diese Bereiche mit geringer Strahlungsintensität automatisch auf
Basis von mehreren Einzelaufnahmen zu identifizieren und zu klassifizieren,
ob es sich um Bereiche mit starkem Rußanteil (rußender Bereich) oder um kalte
Rostbereiche handelt. Vorzugweise sollte dies zwecks Einleitung
gezielter Maßnahmen
wie einer zusätzlichen
Gaseindüsung
in Echtzeit erfolgen.
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2 zeigt
eine aus 20, innerhalb einer Sekunde aufeinander folgenden
Einzelaufnahmen entsprechend 1 gemittelte
Aufnahme. In diesem Mittelwertbild sind im Gegensatz zu einem Einzelbild (vgl. 1)
die Grenzen zwischen Verbrennung 1 (Flamme) und rußendem Bereich 3 sehr
unscharf, was auf die hohe Dynamik der Rußpartikelbewegung im Strömungsfeld
zurückzuführen ist.
Aufgrund der im Vergleich zum Ruß geringen Dynamik der Grenze zwischen
kaltem Rostbereich und rußarmen
Verbrennungsbereich ist diese folglich auch im Mittelwertbild noch
relativ scharf ausgeprägt.
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Dieser
Unterschied in der Ausprägung
der Übergansgebereiche
zwischen Verbrennung und rußendem
Bereich bzw. Bereich ohne Verbrennung wird im weiteren Verfahren
dazu genutzt, rußende Bereiche 3 von
Bereichen ohne Verbrennung (kalte Rostbereiche 2) voneinander
zu unterscheiden. Dazu wird zunächst
eine Grenze zwischen dem mit hoher Intensität strahlenden rußarmen Verbrennungsbereich
und Bereich ohne Verbrennung oder den rußenden Bereichen auf der Basis
eines relativen Schwellwertes der Strahlungsintensität bestimmt und
im Mittelwertbild als Übergangslinie 4 (Übergangsbereich)
eingegeben (vgl. 3, graue Linie). Das Mittelwertbild
wird in Segmente unterteilt, und es werden diejenigen Segmente bestimmt,
die als Übergangssegmente 5 die Übergangslinie 4 zwischen stark
und schwach strahlenden Bereichen abdecken.
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Für die genannten Übergangssegmente 5 wird
nun durch eine Kontrastanalyse ermittelt, ob es sich jeweils um
ein Segment mit einer Grenze zwischen Bereich ohne Verbrennung (Rostbereich)
und rußarmen
Verbrennungsbereich, einem Rostübergangssegment 6 (3,
schwarz umrandete Segmente) oder um ein Segment mit einer Grenze
zwischen rußendem
Bereich und rußarmen
Verbrennungsbereich, einem Rußübergangssegment 7 (3,
weiß umrandete
Segmente) handelt.
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Vorzugsweise
wird zu einem späteren
Zeitpunkt zudem die integrale Intensität jedes der Übergangssegmente
mit dem Intensitätsschwellwert überprüft und die Übergangssegmente über dem Schwellwert
den rußarmen
Verbrennungsbereichen zugeordnet. Alternativ kann auch jedes Übergangssegment
dem rußarmen
Verbrennungsbereich zugeordnet werden, wenn die Intensität von mindestens der
Hälfte
der Bildpunkte dieses Segments über
dem Intensitätsschwellwert
liegt.
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Darauf
folgend wird iterativ für
alle weiteren Segmente außerhalb
der Übergangssegmente,
die die Bereiche mit schwacher Strahlungsintensität überspannen,
durch Auswertung der jeweiligen Nachbarschaftsbeziehungen zu den Übergangssegmenten
ermittelt, ob sie zu einem kalten Rostbereich oder zu einem stark
rußenden
Bereich gehören
(vgl. 4). Die dunklen Bereiche des Bildausschnitts des
Mittelwertbildes werden somit in Rostsegmente 8 (inkl.
den Rostübergangssegmenten 6)
und Rußsegmente 9 (inkl.
den Rußübergangssegmenten 7)
unterteilt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wurden die Bereiche in eindeutiger Weise identifiziert. Eine Plausibilitätsüberprüfung war
hier nicht erforderlich.
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Grundsätzlich sind
Hausmüll,
aber auch Biomasse mit schwankenden Feuchtegehalten, sehr inhomogene
Brennstoffe (und dadurch bedingten starken Schwankungen im Heizwert),
die nicht nur die verbrennungsarmen kalten Rostbereiche (Bereiche ohne
Verbrennung), sondern auch unvollständige Verbrennung (rußende Bereiche)
begünstigen.
Diese Brennstoffeigenschaften führen
zu einem unterschiedlichen Zünd-
und Abbrandverhalten. In technischen Feuerungen (z.B. Rostfeuerungen,
Wirbelschicht, Drehrohr) kommt es, bedingt durch diese Brennstoffcharakteristik,
zu örtlichen
Inhomogenitäten
beim Feststoffausbrand und der Abgaszusammensetzung (Abgassträhnen) innerhalb
der Brennkammer und im Bereich der Abgasausbrandzone. Lage und Intensität dieser
Abgassträhnen
weisen zusätzlich
ausgeprägte
zeitliche und örtliche
Fluktuationen auf, wobei die rußende
Bereiche grundsätzlich eine
erheblich höhere
Dynamik aufweisen.
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Durch
die Erfindung werden diese Inhomogenitäten im Abgas oder Brenngas
vorzugsweise in vorgenannter Echtzeit im Bereich der Brennkammer-/Abgasausbrandzone
messtechnisch, d.h. optisch erfasst und durch geregelte gezielt örtliche
sauerstoffhaltige Gaszufuhr und/oder effektive Vermischung so kompensiert,
sodass bei hohen Temperaturen und ausreichendem Sauerstoffangebot
(oberhalb ca. 5 Vol.% trocken Sauerstoff im Rohgas, T > 850°C, vgl. 5)
eine praktisch vollständige
Oxidation der unvollständig
verbrannten Abgaskomponenten in kurzer Zeit möglich ist.
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Die
in 5 offenbarten Konzentration von Kohlenmonoxid
CO im Brenngas sind wie die Rußkonzentration
ein Indikator für
den Ausbrand. Die Charakteristik für den Rußausbrand ist ähnlich.
Ein guter Ausbrand kennzeichnet sich durch geringe Konzentrationen
an CO, CnHm und
Ruß aus.
Sie sind im Wesentlichen von dem lokalen Sauerstoffangebot und von
der Temperatur in der im Bereich der Abgasausbrandzone abhängig. Die
Messwerte in 5 zeigen jeweils signifikante
Anstiege der Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff bei Temperaturen
unter 800°C
(in 5 linke Messwerte) und bei Sauerstoffanteilen
unter 5 Vol.% (in 5 rechte Messwerte), während die
in der Mitte dargestellten Messwerte einen zufrieden stellenden
Ausbrand signalisieren (ideal: T > 850°C und O2 > 5
Vol.%). Die letztgenannten Werte entsprechen z.B. der für die Abfallverbrennung gemäß 17. BImSchV
vorgeschriebenen Temperatur von mindestens 850°C innerhalb einer Verweilzeit von über 2 Sekunden
nach der letzten sauerstoffhaltigen Luftzugabe. Diese Bedingungen
müssen
an jedem Ort und zu jeder Zeit über
den gesamten Querschnitt der Abgasausbrandzone aufrechterhalten werden.
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Insbesondere
die Minimierung der Konzentration von Rußpartikeln durch einen effizienten
Ausbrand hat in der Abfallverbrennung eine sehr wichtige Bedeutung.
Rußpartikel
lagern sich zusammen mit chloridhaltigen Flugaschen auf der Kesseloberfläche ab oder
werden bei der Entstaubung (z. B. Elektrofilter) abgeschieden. Im
Temperaturbereich > 200°C kommt es
dann durch Oxychlorierungsreaktionen dieser Rußpartikel zur Bildung von polychlorierten
Dibenzo-p-dioxinen und -furanen (PCDD/F) durch die so genannte de-novo
Synthese. Der partikuläre
Kohlenstoff (Rußpartikel)
ist hierbei die dominierende Kohlenstoffquelle. Die PCDD/F Bildung
erfolgt selbst bei kurzzeitigen Störungen über einen sehr langen Zeitraum.
Die maximale PCDD/F-Bildung hängt
von der Höhe
der Rußablagerungrate
ab. Auch wenn die Feuerung wieder kontrolliert verläuft erfolgt
die PCDD/F Bildung noch so lange wie Kohlen stoffpartikel in den
Kesselablagerungen vorhanden sind (Memory-Effekt).
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Derartige
Störungen
können
durch die vorgenannten Echtzeitmessungen der lokalen Rußkonzentration
erkannt und gezielt durch eine zeitnahe geregelte Luftzufuhr und
intensive Vermischung im Bereich der Abgasausbrandzone vermindert/vermieden
werden.
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Ferner
lassen sich durch die Erfindung generell die Feinstaubemissionen
(Rußpartikel)
von Verbrennungen, insbesondere von inhomogenen Brennstoffen detektieren
und anhand daraus abgeleiteter Steuergrößen wirksam reduzieren.
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Literatur:
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- [1] DE 103
47 340 A1
- [2] http://www.weblearn.hs-bremen.de/risse/AWI/TEXTUR/merkmale.htm,
Stand 13.09.2006
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- 1
- Rußarmer Verbrennungsbereich
- 2
- Rostbereich
- 3
- Rußender Bereich
- 4
- Übergangslinie
- 5
- Übergangssegment
- 6
- Rostübergangssegment
- 7
- Rußübergangssegment
- 8
- Rostsegment
- 9
- Rußsegment