-
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Überwachen der Rauchgasatmosphäre einer Verbrennungsanlage und eine entsprechende Vorrichtung.
-
Um die Effizienz von Verbrennungsprozessen zu optimieren, wird u. a. versucht, dem Verbrennungskessel nur gerade so viel Verbrennungsluft zuzuführen, wie unbedingt nötig ist, um den Brennstoff vollständig zu verbrennen. Dies deshalb, weil die Verbrennungsluft nur 21%Vol. Sauerstoff, aber eben 79%Vol. Stickstoff enthält. Dieser Stickstoffanteil wird im Verbrennungsprozess zwangsläufig mit aufgeheizt und als Abwärme in die Umwelt abgegeben. Man versucht also, nur gerade so viel Verbrennungsluft in den Kessel zu geben, wie unbedingt nötig ist.
-
Diese Zwangslage führt dazu, dass man das Verhältnis Brennstoff zu Verbrennungsluft in einem Grenzbereich fährt, in dem ständig die Gefahr besteht, zu wenig Sauerstoff im Kessel zu haben. Sauerstoffmangel führt zu reduzierender Kesselgasatmosphäre, was bedeutet, dass in erhöhtem Maße CO-Moleküle vorhanden sind, die auf der „Suche” nach O2 sind, um sich mit diesen zu CO2 zu verbinden.
-
Im Bereich der inneren, rauchgasexponierten Kesselwand führt dies dazu, dass das CO sich den Sauerstoff aus der die Kesselwand schützenden Eisenoxidschicht zieht. Die Eisenoxidschicht wird somit zerstört, Fehlstellen entstehen. Diese Fehlstellen bieten dann Angriffspunkte für die Zerstörung der Kesselwand durch komplexe Korrosionsprozesse mit Schwefel- und Chlorverbindungen, sowie mit der mehr oder weniger vorhandenen Asche bzw. deren Bestandteilen. Der Materialabtrag an der Kesselwand schreitet voran.
-
Der initiale Prozess bei der Zerstörung der Kesselwand ist die Zerstörung der Eisenoxid-Schutzschicht, z. B. Fe3O4 (Magnetit) durch Sauerstoffmangel und gleichzeitigem Vorhandensein von CO, als Folge einer unvollständigen Verbrennung. Die Zerstörung der Kesselwand durch Korrosion (mit S und Cl) erfolgt erst nach diesem Initialprozess.
-
Zur Minimierung der Korrosion infolge Sauerstoffmangels ist es also wünschenswert, immer eine bestimmte Menge O2 und so wenig wie möglich CO in Kesselwandnähe zu haben. Ob und wie gut dies durch geeignete Maßnahmen der Luft- und Brennstoffzuführung gelingt, kann man bei laufendem Betrieb des Kessels dadurch verfolgen, indem man die O2- und CO-Konzentrationen an der inneren Kesselwand kontinuierlich misst und dies am besten an vielen Stellen gleichzeitig. Dies ist mit einem Messsystem der Anmelderin möglich, das unter der Produktbezeichnung GM960 im Markt erhältlich ist. Dieses System weist eine Vielzahl von Messsonden, die jeweils O2 und COe messen können, auf. COe bedeutet CO-Äquivalent und ist die Gesamtheit der im Rauchgas noch vorhandenen unverbrannten Gasbestandteile (CO + H2 + CxHy), wobei CO fast immer mengenmäßig am stärksten vertreten ist. Über ein Bussystem sind die Sonden über Anschlusseinheiten mit einem zentralen Auswertegerät verbunden, so dass die Messdaten in gewünschter Weise online dargestellt werden können. Damit kann der Verbrennungsprozess zumindest bezüglich der Parameter CO-Konzentration und O2-Konzentration eingestellt, beobachtet und geregelt werden.
-
Auch werden im Stand der Technik Korrosionsschutzmaßnahmen an der inneren Kesselwand vorgenommen. Diese Form des Korrosionsschutzes wird vor allem bei Müllverbrennungsanlagen angewendet. Zwei Verfahren sind bekannt, nämlich das Auftragsschweißen und das thermische Spritzen von metallischen und keramischen Schutzschichten. Beide Verfahren sind mit hohem technischen und finanziellen Aufwand verbunden. Sie können nur bei Stillstand der Anlage oder beim Neubau erfolgen. Diese Maßnahmen sind deshalb unerwünscht.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Überwachung durchführen zu können.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen einer Rauchgasatmosphäre einer Verbrennungsanlage umfast die Schritte:
- a) Erfassen von COe-Messwerten in zeitlichen Abständen,
- b) Speichern der Messwerte,
- c) Berechnen von CO-Korrosionsniveau-Werten (KN) aus Mittelwerten der COe-Messwerte über einen Zeitraum, der kurz ist gegenüber einem Tag,
- d) Speichern der CO-Korrosionsniveau-Werte,
- e) Ermitteln von Tagesmittelwerten (KNTag) der CO-Korrosionsniveau-Werte,
- f) Speichern der Tagesmittelwerte der CO-Korrosionsniveau-Werte,
- g) Ermitteln eines CO-Korrosionslast-Wertes (KL) durch Bilden des Mittelwertes aller ermittelten Tagesmittelwerte,
- h) Ausgeben des CO-Korrosionslast-Wertes und der Lastdauer (TL), die sich aus der Anzahl Tage, über die die COe-Messwerte erfasst und die Tagesmittelwerte ermittelt wurden, ergibt.
-
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die so definierten Werte CO-Korrosionslast und Lastdauer dem Problem der Kesselwandkorrosion angepasste Größen sind, durch die dem Betreiber eines Verbrennungskessels aussagekräftige und leicht verständliche Informationen über die bisherige korrosive Belastung des Kessels zur Verfügung stehen. Derartige Informationen, die die Historie berücksichtigen und anhand derer der Betreiber auf mögliche zukünftige Probleme aufmerksam gemacht wird, weil z. B. in einem Bereich des Kessels über die Lastdauer, das könnte die Betriebsdauer seit Inbetriebnahme sein, eine sehr hohe Korrosionslast vorliegt, standen bisher nicht zur Verfügung.
-
Anhand solcher Daten, die die bisherige Belastung eines Kessels beschreiben, können fundiertere Wartungs- und Überprüfungspläne erstellt werden. Die Betriebssicherheit kann dadurch erhöht werden. Potentielle Gefahren wie z. B. das Platzen von Rohren können antizipiert und dadurch verhindert werden.
-
Vorteilhaft ist auch, dass die Werte aller Messpunkte online und permanent vorliegen und numerisch oder grafisch aufbereitet immer vorhanden und abrufbar sind, wobei keine unüberschaubar große Anzahl von Einzeldaten vorliegt, sondern nur ein Satz von zwei Werten, nämlich die CO-Korrosionslasten und die zugehörigen Lastdauern, die zudem noch aussagekräftig sind.
-
Die bisherigen Vorteile des bekannten und eingangs beschriebenen Messsystems, dass nämlich
- – die aktuellen Messwerte von CO und O2 online vorliegen und direkt für die Justage des Verbrennungsanlage z. B. bei veränderter Verbrennungsgassituationen (z. B. nach Justage der Brenner und Lufteindüsungen) sofort ablesbar sind,
- – der Einbau während des Betriebes der Verbrennungsanlage erfolgen kann und
- – der Einbau an jeder Stelle der Verbrennungsanlage erfolgen kann, sind weiterhin nutzbar.
-
In Weiterbildung der Erfindung werden auch O2-Messwerte erfasst und diese zur Wichtung der gleichzeitig gemessenen COe-Messwerte herangezogen. Das ist sinnvoll, denn ein hoher COe-Wert hat bzgl. Korrosion eine weniger schädigende Wirkung wenn gleichzeitig ein hoher O2-Wert vorliegt und eine entsprechend stärker schädigende Wirkung, wenn ein niedriger O2-Wert vorliegt. Die Wichtung erfolgt beispielsweise nach einer empirisch ermittelten Funktion, die nach kundenspezifischer Anforderung auch modifiziert werden kann.
-
Es ist vorteilhaft, wenn die COe-Messwerte und die O2-Messwerte am gleichen Ort erfasst werden, so dass jedem COe-Wert sein eigener O2-Wichtungswert zugeordnet ist. Damit werden lokale Variationen im Verbrennungsprozess berücksichtigt.
-
In Weiterbildung der Erfindung werden die COe-Messwerte mit anlagenspezifischen oder brennstoffspezifischen Korrekturfaktoren korrigiert, so dass auch applikationsspezifische Besonderheiten Berücksichtigung finden und der Wert für die mittlere CO-Korrosionslast aussagekräftiger ist.
-
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden an mehreren Messstellen eines Verbrennungskessels der Verbrennungsanlage die COe-Messwerte erfasst und für jede Messstelle ein Wert für die Korrosionslast bereitgestellt. Damit erhält man einen guten Überblick über die korrosive Situation der Verbrennungsanlage. Im Gegensatz zu bekannten Systemen hat man somit quasi eine flächenhafte Analyse. Problemzonen des Kessels können schneller und überhaupt erkannt werden.
-
Wie eingangs erwähnt, erfolgt die eigentliche Zerstörung der Kesselwand durch komplexe Korrosionsprozesse mit Schwefel- und Chlorverbindungen, wobei die Zerstörung der Eisenoxid-Schutzschicht, z. B. Fe3O4 (Magnetit) durch Sauerstoffmangel und gleichzeitigem Vorhandensein von CO, nur der initiale Prozess bei der Zerstörung der Kesselwand ist. Deshalb ist es auch sinnvoll, wenn zusätzlich zu den COe-Messwerten auch Schwefel- und Chlor-Komponenten gemessen werden. Die Messwerte für Schwefel- und Chlor-Komponenten können wie die O2-Messwerte als Wichtungsfaktoren für die COe-Messwerte herangezogen werden, denn bei hohen Konzentrationen von Schwefel und Chlor tritt vermehrt Korrosion auf und bei niedrigeren eine entsprechend geringere Korrosion, so dass die CO-Korrosionsniveau-Werte und die mittleren CO-Korrosionslast-Werte dann noch genauere Aussagemöglichkeiten über die erfolgte Korrosion erlauben. Oder es kann für die Schwefel- und für die Chlor-Komponenten nach dem gleichen erfindungsgemäßen Verfahren in analoger Weise eigenständige Schwefel-Korrosionslast-Werte und Chlor-Korrosionslast-Werte definiert und ermittelt werden.
-
Mit Vorteil sind die COe-Messwerte, CO-Korrosionsniveau-Werte und/oder CO-Korrosionslast-Werte aller Messstellen online und/oder grafisch an einer Anzeige darstellbar, so dass sich schnell und einfach ein guter Überblick gewinnen lässt.
-
Eine entsprechende Vorrichtung zum Überwachen einer Rauchgasatmosphäre einer Verbrennungsanlage umfasst wenigstens eine COe-Messsonde mit Anschlusseinheit und eine Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit umfasst einen Messwertespeicher zur Speicherung der COe-Messwerte, eine erste Berechnungseinheit zum Berechnen von CO-Korrosionsniveau-Werten (KN) aus Mittelwerten der COe-Messwerte über einen Zeitraum, der kurz ist gegenüber einem Tag, einen CO-Korrosionniveau-Werte-Speicher zum Speichern der CO-Korrosionsniveau-Werte, eine zweite Berechnungseinheit zum Ermitteln von Tagesmittelwerten (KNTTag) der CO-Korrosionsniveau-Werte, einen Tagesmittelwertespeicher zum Speichern der Tagesmittelwerte der CO-Korrosionsniveau-Werte, eine dritte Berechnungseinheit zum Ermitteln eines CO-Korrosionslast-Wertes (KL) durch Bilden des Mittelwertes aller ermittelten Tagesmittelwerte (KNTag) und eine Anzeige zum Anzeigen des CO-Korrosionslast-Wertes und der Lastdauer (TL), die sich aus der Anzahl Tage, über die die COe-Messwerte erfasst und gültige Tagesmittelwerte (KNTag) ermittelt wurden, bestimmt.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 eine stark schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
3 Beispiele für funktionale Abhängigkeiten eines O2-Korrekturfaktors von der O2-Konzentration.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 dient zur Überwachung einer Rauchgasatmosphäre einer Verbrennungsanlage. Die Verbrennungsanlage weist einen Kessel 12 auf mit einer Kesselwand 14. An der Kesselwand 14 sind COe-Messsonden 16 installiert, mithilfe derer der CO-Äquivalent-Gehalt in der Rauchgasatmosphäre innerhalb des Kessels 12 am Ort des Anschlusses der Messsonden 16 gemessen werden kann. Derartige Messsonden 16 sind aus dem Stand der Technik bekannt und können neben dem COe-Gehalt auch den Sauerstoffgehalt messen. „COe” bedeutet CO-Äquivalent und ist die Gesamtheit der im Rauchgas noch vorhandenen unverbrannten Gasbestandteile (CO + H2 + CxHy), wobei CO fast immer mengenmäßig am stärksten vertreten ist. Die Messsonden 16 sind über Anschlusseinheiten 17 an eine Busleitung 18 gekoppelt, um die entsprechenden Messdaten einer Auswerteeinheit 20 zuführen zu können. In der Auswerteeinheit 20 werden die so gewonnenen COe-Messwerte und die O2-Messwerte erfindungsgemäß verarbeitet.
-
Zunächst werden die von den Messsonden 16 erfassten COe-Messwerte, die zyklisch immer wieder ermittelt werden, in einem Messwertespeicher 22 gespeichert. In einer ersten Berechnungseinheit 24 werden – beispielsweise stündlich – aus den gespeicherten COe-Messwerten der letzten Stunde Mittelwerte gebildet. Diese Mittelwerte werden als CO-Korrosionsniveau-Werte KN definiert. Die so ermittelten CO-Korrosionsniveau-Werte KN werden in einem Korrosionsniveau-Werte-Speicher 26 gespeichert. Aus diesen gespeicherten CO-Korrosionniveau-Werten KN werden in einer zweiten Berechnungseinheit 28 Tagesmittelwerte KNTag aus den CO-Korrosionsniveau-Werte KN des laufenden Tages ermittelt. Die so ermittelten Tagesmittelwerte KNTAG wiederum werden in einem Tagesmittelwertespeicher 30 gespeichert. Schließlich wird in einer dritten Berechnungseinheit 32 aus den gespeicherten Tagesmittelwerten KNTag der CO-Korrosionsniveau-Werte KN ein Mittelwert gebildet und dieser als CO-Korrosionslast-Wert KL definiert.
-
Gleichzeitig werden die Tage gezählt, an denen gültige derartige Messwerte KNTag erzeugt wurden, an denen also eine Verbrennung stattfand.
-
Schließlich werden an einer Anzeigeeinheit 34 der CO-Korrosionslast-Wert KL und eine Lastdauer TL angezeigt, wobei die Lastdauer TL definiert ist als die Anzahl Tage, über die die COe-Messwerte erfasst wurden und an denen gültige Tagesmittelwerte KNTag ermittelt wurden. Nur solche Tage, an denen auch tatsächlich eine Verbrennung stattfand, werden somit sinnvollerweise berücksichtigt.
-
Dieser Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch in 2 abgekürzt dargestellt.
-
Da das CO eine stärker schädigende Wirkung hat, wenn weniger Sauerstoff vorhanden ist und eine weniger schädigende Wirkung hat, wenn vermehrt Sauerstoff vorhanden ist, sind die Messsonden 16 auch dazu ausgebildet, den Sauerstoffgehalt in der Kesselgasatmosphäre zu messen und diese O2-Messwerte über die Anschlusseinheiten 17 an die Auswerteeinheit 20 zu geben. Dann können diejenigen CO-Messwerte, bei denen gleichzeitig ein hoher Sauerstoffgehalt gemessen wurde, mit einem Korrekturfaktor FO2 belegt werden, so dass dies letztendlich in dem Wert für die CO-Korrosionslast KL Niederschlag findet.
-
Welchen Wert der Korrekturfaktor FO2 hat, kann von verschiedenen Parameter des Verbrennungsprozesses abhängen. 3 zeigt beispielhaft drei verschiedene Abhängigkeiten des Korrekturfaktors FO2 von der Sauerstoffkonzentration, wobei die durchgezogene Linie den einfachsten linearen Fall darstellt. Eine entsprechende Abhängigkeit des Korrekturfaktors könnte beispielsweise empirisch ermittelt werden.
-
In der Regel sind eine Vielzahl von Messsonden 16 (beispielsweise vierzig) über die Kesselwand 14 verteilt, so dass eine Vielzahl von Messstellen vorliegen, und es sinnvoll ist, für jede dieser Messstellen das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden, so dass für jede Messstelle, also für jeden entsprechenden Bereich der Kesselwand, aussagekräftige Werte der CO-Korrosionslast KL und der Lastdauer TL vorliegen.
-
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform sind weitere Messsonden zur Messung von Schwefel- und Chlor-Komponenten vorgesehen. Die Messwerte für Schwefel- und Chlor-Komponenten können wie die O2-Messwerte als Wichtungsfaktoren für die COe-Messwerte herangezogen werden, denn bei hohen Konzentrationen von Schwefel und Chlor tritt vermehrt Korrosion auf und bei niedrigeren eine entsprechend geringere Korrosion, so dass die CO-Korrosionsniveau-Werte und die mittleren CO-Korrosionslast-Werte dann noch genauere Aussagemöglichkeiten über die erfolgte Korrosion erlauben.
-
Oder es können für die Schwefel- und für die Chlor-Komponenten nach dem gleichen erfindungsgemäßen Verfahren in analoger Weise eigenständige Schwefel-Korrosionslast-Werte und Chlor-Korrosionslast-Werte definiert und ermittelt werden. Dazu werden ganz analog von Messsonden Messwerte für die Schwefel- und Chlor-Komponenten zyklisch, erfasst und gespeichert. Aus den Messwerten werden Mittelwerte gebildet und als S- bzw. Cl-Korrosionsniveau-Werte definiert. Die so ermittelten S- bzw. Cl-Korrosionsniveau-Werte werden gespeichert und aus diesen gespeicherten S- bzw. Cl-Korrosionniveau-Werten werden Tagesmittelwerte S-KNTag bzw. Cl-KNTag gebildet. Die so ermittelten Tagesmittelwerte wiederum werden gespeichert und daraus schließlich ein S-Korrosionslast-Wert bzw. Cl-Korrosionslast-Wert definiert und zwar als Mittelwert der Tagesmittelwerte über die gültigen Tage, die selbst wiederum die Lastdauer TL angeben.
