DE102006044114A1 - Verfahren zur Charakterisierung der Abgasausbrandqualität in Verbrennungsanlagen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Charakterisierung der Abgasausbrandqualität einer Verbrennung in Verbrennungsanlagen mit einer Gasausbrandzone. Aufgabe ist es, ein derartiges Verfahren als Basis für eine Optimierung des Abgasausbrandes vorzuschlagen, welches einen vollständigen Ausbrand auch bei instationären Verbrencherstellt und insbesondere Bereiche, in denen mangels Brenngase überhaupt keine Verbrennungsaktivitäten stattfinden, grundsätzlich auch als solche erkennt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verfahren in einem Strömungsquerschnitt der Gasausbrandzone Verbrennungsbereiche, Bereiche ohne Verbrennung und Rußbereiche im sichtbaren Wellenlängenbereich optisch erfasst, wobei sich die Bereiche ohne Verbrennung und die Rußbereiche durch eine unterschiedliche Dynamik auszeichnen und durch eine Mittelung mehrerer aufeinander folgender Einzelaufnahmen in ihren Übergangsbereichen zu den Verbrennungsbereichen unterscheidbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung der Abgasausbrandqualität in Verbrennungsanlagen gemäß des ersten Patentanspruchs.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens an.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird mit Beispielen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine mittels einer CMOS-Kamera aufgenommenen Einzelaufnahme eines Querschnitts einer Gasausbrandzone,
  • 2 eine aus 20 aufeinander folgenden, innerhalb einer Sekunde erfassten Einzelaufnahmen wie 1 gemittelte Aufnahme,
  • 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),
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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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    • [2] http://www.weblearn.hs-bremen.de/risse/AWI/TEXTUR/merkmale.htm, Stand 13.09.2006
    • 1
    Rußarmer Verbrennungsbereich
    2
    Rostbereich
    3
    Rußender Bereich
    4
    Übergangslinie
    5
    Übergangssegment
    6
    Rostübergangssegment
    7
    Rußübergangssegment
    8
    Rostsegment
    9
    Rußsegment

Claims (3)

  1. Verfahren zur Charakterisierung der Abgasausbrandqualität einer Verbrennung in Verbrennungsanlagen mit einer Gasausbrandzone, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Strömungsquerschnitt der Gasausbrandzone rußarme Verbrennungsbereiche, Bereiche ohne Verbrennung und rußende Bereiche im sichtbaren Wellenlängenbereich optisch erfasst werden, wobei sich die Bereiche ohne Verbrennung und die rußenden Bereiche durch eine unterschiedliche Dynamik auszeichnen und durch eine Bewertung mehrerer aufeinander folgender Einzelaufnahmen in ihren Übergangsbereichen zu den rußarmen Verbrennungsbereichen unterscheidbar sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellung einer den Strömungsquerschnitt in der Gasausbrandzone entgegen der Strömung erfassenden Kamera für einen sichtbaren Wellenlängenbereich, b) Unterteilung des Strömungsquerschnitts in Segmente mit jeweils einer Anzahl von Bildpunkten, c) Aufnahme der Verbrennung im Strömungsquerschnitt mit der Kamera mit mindestens zwei zeitlich aufeinander folgenden Einzelaufnahmen, d) Lokalisierung der rußarmen Verbrennungsbereiche im Strömungsquerschnitt, in denen ein Intensitätswert oberhalb eines einstellbaren Intensitätsschwellwerts, der relativ zur maximalen Intensität im Strömungsquerschnitt automatisch oder manuell eingestellt wird, auftritt, e) Lokalisierung der Übergangsbereiche als die Bildpunkte, die zum russarmen Verbrennungsbereich zugeordnet wurden, jedoch mindestens einen angrenzenden Bildpunkt aufweisen, der nicht zum russarmen Verbrennungsbereich gehört, f) Zuordnung der Übergangsbereiche zu Übergangssegmenten, g) Bestimmung eines Kontrastwertes für jedes Übergangssegment, h) Zuordnung der Übergangssegmente mit Kontrastwerten über einem Kontrastschwellwert zu einem Übergang zwischen rußarmen Verbrennungsbereich und Bereich ohne Verbrennung und unterhalb dem Kontrastschwellwert zu einem Übergang zwischen rußarmen Verbrennungsbereich und rußenden Bereich, i) 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, j) Bestimmung und Lokalisierung der rußenden Bereiche über die Anteile und Anordnung von den zum rußenden Bereich zugeordneten Segmenten.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Bestimmung und Lokalisierung der rußenden Bereiche in Steuersignale für eine örtlich differenzierte, an den lokalen Verbrennungszustand angepasste Eindüsung von einem sauerstoffhaltigen Gas in die Abgasausbrandzone umgesetzt werden.
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