DE102011114292A1

DE102011114292A1 - Thermische Nachverbrennungsanlage sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen

Info

Publication number: DE102011114292A1
Application number: DE102011114292A
Authority: DE
Inventors: Katefidis Apostolos
Original assignee: Eisenmann SE
Current assignee: Eisenmann SE
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-03-28
Also published as: CN103814253A; EP2758712B1; US20140322657A1; WO2013041185A1; US9523500B2; EP2758712A1; CN103814253B

Abstract

Es wird eine thermische Nachverbrennungsanlage sowie ein Verfahren zu deren Betreiben beschrieben, bei welcher bzw. welchem in bekannter Weise einem dem Brennraum (13) einer Brennkammer (1) aufheizenden Brenner (2) Brennergas und dem Brennraum (13) der Brennkammer (1) mit Schadstoff beladene Abluft zugeführt wird. Die bei den Verbrennungsprozessen innerhalb des Brennraums (13) entstandene Reinluft wird abgeführt. Dabei wird deren Kohlenmonoxid-Gehalt gemessen. Die Zufuhr von Brennergas zum Brenner (2) wird so geregelt, dass ein vorgegebener Soll-Wert für den Kohlenmonoxid-Gehalt aufrecht erhalten wird. Auf diese Weise wird die Temperatur im Brennraum (13) nur so hoch gehalten, wie dies bei der jeweiligen Beladung der Abluft mit Schadstoffen zur Erzielung der gewünschten Reinheit des Reingases erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Nachverbrennungsanlage mit

a) einer Brennkammer, die ihrerseits aufweist:
aa) einen Brennraum;
ab) einen Brenner, der den Brennraum der Brennkammer aufzuheizen in der Lage ist;
ac) einen Einlass für schadstoffhaltige Abluft;
ad) einen Auslass für Reinluft;
b) einer Versorgungsleitung, über welche dem Brenner Brennergas zuführbar ist;
c) einem Gasregelventil in der Versorgungsleitung;
d) einer Auslassleitung, über welche das Reingas abführbar ist;
e) einer Steuereinrichtung, welche das Gasregelventil zur Einstellung einer gewünschten Temperatur im Brennraum ansteuert;

a) einem einen Brennraum einer Brennkammer aufheizenden Brenner Brennergas zugeführt wird;
b) dem Brennraum der Brennkammer mit Schadstoff belastete Abluft zugeführt wird;
c) Reingas aus dem Brennraum der Brennkammer abgeführt wird.

Bei bekannten thermischen Nachverbrennungsanlagen sowie Verfahren der eingangs genannten Art, wie sie derzeit auf dem Markt befindlich sind, wird folgendermaßen vorgegangen: Bei der maximal zu erwartenden und zugelassenen Beladung der Abluft wird diejenige Temperatur ermittelt, bei welcher die Reinluft die gewünschte Reinheit, insbesondere einen bestimmten Maximalwert des Kohlenmonoxid-Gehaltes, aufweist. Diese Temperatur wird dann im Betrieb der thermischen Nachverbrennungsanlage ständig eingeregelt, und zwar unabhängig davon, welche Schadstoffbeladung die zugeführte Abluft tatsächlich besitzt. Dies hat im Allgemeinen zur Folge, dass über größere Betriebsdauern hinweg eine höhere Temperatur im Brennraum der Brennkammer herbeigeführt wird, als dies eigentlich angesichts der aktuell vorliegenden Schadstoffbeladung der Abluft zur Erzielung der gewünschten Reinheit erforderlich wäre.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermische Nachverbrennungsanlage bzw. ein Verfahren zu deren Betreiben der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher bzw. welchem ein kostengünstigerer und schonenderer Betrieb der Brennkammer möglich ist.
Diese Aufgabe wird, was die thermische Nachverbrennungsanlage selbst angeht, dadurch gelöst, dass

f) in der Auslassleitung ein Kohlenmonoxid-Sensor vorgesehen ist, welcher ein für den Kohlenmonoxid-Gehalt des Reingases repräsentatives Ausgangssignal erzeugt, das der Steuereinrichtung zuführbar ist;
g) in der Steuereinrichtung ein Sollwert für den Kohlenmonoxid-Gehalt der Reinluft speicherbar ist;

h) die Steuereinheit so programmiert ist, dass sie bei einer Abweichung des von dem Kohlenmonoxid-Sensors gemessenen Ist-Wert von dem Soll-Wert des Kohlenmonoxid-Gehaltes der Reinluft das Gasregelventil so verstellt, dass sich in dem Brennraum der Brennkammer eine Temperatur einstellt, bei welcher der Ist-Wert mit dem Soll-Wert übereinstimmt.

Erfindungsgemäß wird also die Brennraumtemperatur nicht auf einen festen, maximalen Wert eingeregelt; vielmehr wird die Regelung der Brennraumtemperatur den für das Reingas gefordeten Emissionswerten untergeordnet. Auf diese Weise stellt sich unter allen Betriebsbedingungen, insbesondere also unterschiedlichen Beladungen der verarbeiteten Abluft, die optimale Brennkammertemperatur automatisch ein. Sind in der zugeführten Abluft viele Schadstoffe enthalten, entsprechend den Produktionsabläufen in den der thermischen Nachverbrennungsanlage vorgeschalteten Prozessschritten, so wird die Brennraumtemperatur angehoben, um eine Erhöhung der Emissionswerte im Reingas zu verhindern. Wenn umgekehrt in den vorhergehenden Prozessschritten oder gar in Pausezeiten weniger oder gar keine Schadstoffe in der zugeführten Abluft anfallen, so wird die Brennraumtemperatur abgesenkt und insoweit dem Schadstoffgehalt in der Abluft angepasst.
Aufgrund der im Mittel niedrigeren Temperaturen, die sich in dem Brennraum der erfindungsgemäßen thermischen Nachverbrennungsanlage einstellen, wird nicht nur Energie eingespart; es werden ausserdem die dort eingesetzten Materialien geschont, was die Lebensdauer der Anlage verlängert.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der thermischen Nachverbrennungsanlage hat eine Verringerung der Schadstoffbeladung der zugeführten Abluft, wie oben schon erwähnt, eine niedrigere Temperatur in dem Brennraum zur Folge. Dies führt entsprechend auch zu einer niedrigeren Temperatur der abgeführten Reinluft. Dies ist durchaus erwünscht, da bei einer geringerern Produktion oder in Pausen der gesamten Prozesslinie auch weniger Energie in den von der Nachverbrennungsanlage versorgten Anlagenteilen benötigt wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Schadstoff-Sensor vorgesehen, welcher die Beladung der zugeführten Abluft mit Schadstoffen misst und bei einer Änderung der Beladung den in der Steuereinrichtung abgespeicherten Sollwert und/oder das von dem Kohlenmonoxid-Sensor abgegebene Ausgangssignal so modifiziert, dass die Temperatur im Brennraum der Brennkammer vorauseilend in der Richtung verändert wird, die zur Aufrechterhaltung des Sollwertes des Kohlenmonoxids im Reingas erforderlich ist.
Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung hat es folgende Bewandtnis: Dadurch, dass erfindungsgemäß die Brennraumtemperatur in erster Linie nach dem Kohlenmonoxid-Gehalt in dem abgeführten Reingas geregelt wird, kann es bei sehr starken Änderungen der Beladung der verarbeiteten Abluft aus regeltechnischen Gründen zu einem Über- oder Unterschießen des Schadstoffgehaltes in der Reinluft kommen. Um dem vorzubeugen, wird die Schadstoffbeladung der Abluft bereits bei deren Einlass in die Brennkammer gemessen und die Brennraumtemperatur bereits zu diesem Zeitpunkt in einer Richtung verändert, wie dies zur Aufrechterhaltung der gewünschten Emissionswerte in der Reinluft erforderlich ist. In welchem Ausmaße eine bestimmte Änderung in der Beladung der Abluft diese vorauseilende Veränderung der Brennraumtemperatur erforderlich macht, kann durch einfache Versuche ermittelt und, beispielsweise durch eine entsprechende Kennlinie, in der Steuereinrichtung hintergelegt werden.
Zweckmäßig ist bei dieser letztgenannten Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Modifikation des in der Steuereinrichtung gespeicherten Soll-Wertes und/oder des Ausgangssignales des Kohlenmonoxid-Sensors nach einer gewissen Zeitspanne wieder zurückführbar ist. Die Modifikation des Soll-Wertes und/oder des Steuersignales hat ja nur den Sinn, trägheitsbedingte Regelschwankungen in dem Kohlenmonoxid-Gehalt des Reingases gering zu halten. Derartige Regelschwankungen treten jedoch einige Zeit nach Eintritt der Änderung der Abluftbeladung nicht mehr auf, so dass eine vorauseilende Einstellung der Brennraumtemperatur nicht mehr erforderlich ist.
Alternativ und aus demselben Grunde ist eine temperaturgesteuerte Rücknahme der Modifikation möglich, nämlich in der Weise, dass die Modifikation nur erfolgt, wenn die Temperatur im Brennraum der Brennkammer unterhalb eines bestimmten Wertes, insbesondere unterhalb von 700°C, liegt.
Die oben genannte Aufgabe wird, was das Verfahren zum Betreiben einer thermischen Nachverbrennungsanlage angeht, dadurch gelöst, dass

d) der Kohlenmonoxid-Gehalt in dem Reingas gemessen wird;
e) die Zufuhr von Brennergas zum Brenner so geregelt wird, dass ein vorgegebener Sollwert für den Kohlenmonoxid-Gehalt im Reingas aufrecht erhalten wird.

Die Vorteile dieses Verfahres entsprechen sinngemäß den oben erläuterten Vorteilen einer erfindungsgemäßen thermischen Nachverbrennungsanlage.
Zweckmäßig ist, wenn die Schadstoffbeladung in der dem Brennraum zugeführten Abluft gemessen wird und bei Änderungen der Beladung vorab die Zufuhr von Brennergas zum Brenner so geändert wird, wie dies voraussichtlich zur Aufrechterhaltung des Sollwertes des Kohlenmonoxid-Gehaltes im Reingas erforderlich ist. Auch der Sinn dieser Maßnahme und die hierdurch erwähnten Vorteile wurden oben schon erklärt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt das Layout einer thermischen Nachverbrennungsanlage.
Hauptbestandteil der thermischen Nachverbrennungsanlage ist eine Brennkammer 1, in deren Innerem sich ein Brennraum 13 befindet. Dieser bzw. die in ihm befindliche Atmosphäre kann mit Hilfe eines Brenners 2 auf eine gewünschte Temperatur erhitzt werden. Hierzu wird dem Brenner 2 über eine Leitung 3 Brennergas zugeführt. In dieser Leitung 3 liegt ein Gasregelventil 4, das in später noch zu beschreibender Weise angesteuert wird.
Der Brennkammer 1 wird außerdem über eine Leitung 5 mit Hilfe eines Gebläses 6 die zu reinigende, mit Schadstoffen beladene Abluft zugeleitet. Die Abluft wird über ein inneres Leitungsystem 7 innerhalb der Brennkammer 1, auf dessen Ausgestaltung es im Einzelnen hier nicht ankommt, in den Brennraum 13 und dort in die vom Brenner 2 erzeugte Flamme eingebracht. Dort werden die Schadstoffe in der Abluft verbrannt. Die so erzeugten Reingase werden über eine Leitung 8 einem Wärmeverbraucher zugeführt. Letztendlich können sie dann in die Außenatmosphäre entlassen werden.
Soweit bisher beschrieben, stimmt der Aufbau der thermischen Nachverbrennungsanlage mit demjenigen nach dem Stande der Technik überein.
Nicht mehr dem Stande der Technik entspricht, wie verschiedene Betriebsparameter der thermischen Nachverbrennungsanlage mit verschiedenen Sensoren überwacht werden:
Ein Temperatursensor 9 misst die in dem Brennraum 13 herrschende Betriebstemperatur. Eine Schadstoff-Sensor 10 erfasst die Beladung der durch die Leitung 5 dem Brennraum 1 zugeführten Abluft mit Schadstoffen, insbesondere mit Kohlenwasserstoffen. Ein Kohlenmonoxid-Sensor 11 schließlich misst den Kohlenmonoxid-Gehalt des über die Leitung 8 strömenden Reingases.
Die Ausgangssignale des Temperatursensors 9, des schadstoff-Sensors 10 sowie der Kohlenmonoxid-Sensors 11 werden einer Steuereinrichtung 12 zugeführt. Die Steuereinrichtung 12 bestimmt den Öffnungsgrad des Gasregelventils 4 nach folgender Logik:
In der Steuereinrichtung 12 ist ein Soll-Wert für den Kohlenmonoxid-Gehalt in der Leitung 8 abgelegt. Übersteigt der von der Kohlenmonoxid-Sensor 11 gemessene Ist-Wert des Kohlenmonoxid-Gehaltes in der Leitung 8 diesen Soll-Wert, so bedeutete dies, dass die Betriebstemperatur im Inneren des Brennraums 13 noch nicht ausreicht. Die Steuereinrichtung 12 öffnet nunmehr das Gasregelventil 4 etwas weiter, so dass der Brenner 2 den Brennraum 13 der Brennkammer 1 auf eine etwas höhere Betriebstemperatur bringt. Bei dieser sinkt dann bei gleicher Verweildauer der Gase innerhalb des Brennraums 13 der Kohlenmonoxid-Gehalt des Reingases, bis der von dem Kohlenmonoxid-Sensor 11 erfasste Gehalt an Kohlenmonoxid in der Leitung 8 wieder dem abgespeicherten Soll-Wert entspricht.
Wenn umgekehrt der Kohlenmonoxid-Sensor 11 feststellt, dass der Kohlenmonoxid-Gehalt in der Leitung 8 unter den vorgegebenen Soll-Wert sinkt, so reduziert die Steuereinrichtung 12 die Zufuhr von Brennergas zum Brenner 2, indem sie das Gasregelventil 4 etwas mehr schließt. Folge ist, dass die Betriebstemperatur im Brennraum 13 der Brennkammer 1 abnimmt und der Gehalt an Kohlenmonoxid im Reingas anwächst, bis dann wieder von dem Kohlenmonoxid-Sensor 11 der gewünschte Kohlenmonoxid-Gehalt in der Leitung 8 festgestellt wird.
Mit Hilfe des Temperatursensors 9 wird die jeweilige Betriebstemperatur in dem Brennraum 13 bestimmt und, soweit diese nicht aufgrund von Signalen des Kohlenmonoxid-Sensors 11 verändert werden muss, mit Hilfe der Steuereinrichtung 12 auf dem gewünschten Wert gehalten.
Bei der obigen Beschreibung der Funktionsweise der thermischen Nachverbrennungsanlage wurde bisher der Schadstoff-Sensor 10 außer Betracht gelassen. Dieser wird so lange nicht benötigt, wie die Beladung der über die Leitung 5 zuströmende Abluft mit Verunreinigungen nicht sehr stark schwankt. Bei plötzlichen Änderungen in der Beladung dieser Abluft jedoch könnte die Regelung der Betriebstemperatur alleine aufgrund des Ausgangssignales des Kohlenmonoxid-Sensors 11 zu träge sein. Es könnte dann insbesondere zu einem kurzzeitigen Überschießen des Kohlenmonoxid-Gehaltes in der Leitung 8 kommen, bis durch Erhöhung der Leistung des Brenners 2 diejenige Betriebstemperatur in dem Brennraum 13 erreicht ist, die bei dem höheren Anfall an Schadstoffen in der Abluft zur Erreichung des gewünschten Kohlenmonoxid-Gehaltes in der Leitung 8 erforderlich ist.
In einem solchen Falle greift nunmehr der Schadstoffsensor 10 ein. Dieser kann bereits vor Eintritt der schadstoffbeladenen Abluft in den Brennraum 13 feststellen, dass in Kürze eine größere Brennerleistung erforderlich werden wird. Um nunmehr die Verzögerung zu vermeiden, die mit der Messung des Kohlenmonoxid-Gehaltes in der Leitung 8 durch den Kohlenmonoxid-Sensor 11 verbunden ist, gibt der Schadstoff-Sensor 10 an den Kohlenmonoxid-Sensor 11 ein Signal ab, welches dessen Ausgangssignal so beeinflusst, dass es einen höheren als den tatsächlich gemessenen Kohlenmonoxid-Gehalt simuliert. Die Steuereinrichtung 12 interpretiert nunmehr das Ausgangssignal des Kohlenmonoxid-Sensors 11 so, als ob tatsächlich der Kohlenmonoxid-Gehalt in der Leitung 8 zu hoch wäre und fährt die Zufuhr von Brennergas zum Brenner 2 mit Hilfe des Gasregelventiles 4 sowie, in der Folge, die Betriebstemperatur in dem Brennraum 13 entsprechend hoch. Kommt nunmehr die mit mehr Schadstoffen beladene Abluft in der Brennraum 13 an, so trifft sie hier bereits auf eine höhere oder jedenfalls schon im Steigen befindliche Betriebstemperatur, so dass der verstärkten Verbrennung von Schadstoffen in dem Brennraum 13 bereits der Weg bereitet ist.
Die Verschiebung des Ausgangssignales des Kohlenmonoxid-Sensors 11 kann nach einer gewissen Übergangszeit wieder zurückgenommen werden, so dass die Steuereinrichtung 12 wieder den wahren Ist-Wert des Kohlenmonoxid-Gehaltes in der Leitung 8 mit dem abgespeicherten Soll-Wert vergleicht und hiernach die Betriebstemperatur in dem Brennraum 13 regelt.
Alternativ zur Modifikation des Ausgangssignales des Kohlenmonoxid-Sensors 11 kann durch das Ausgangssignal des Schadstoff-Sensors 10 auch der in der Steuereinrichtung 12 abgespeicherte Soll-Wert verschoben werden. Dies geschieht in der Richtung, welche bei erhöhter Schadstoffbeladung der Abluft zu einer Erhöhung der Betriebstemperatur im Brennraum 13 führt, und umgekehrt.
Schließlich ist auch folgende Vorgehensweise möglich: Statt die Rücknahme der Modifikation an eine feste Zeitspanne zu koppeln, kann dies auch temperaturgesteuert erfolgen. Signalisiert der Temperatursensor 9 im Brennraum 13, dass dort eine ausreichend hohe Temperatur vorliegt, kann die vorauseilende Steuerung durch den Schadstoff-Sensor 10 unterbleiben oder abgebrochen werden. Als ausreichend hohe Temperatur kommt insbesondere etwa 700°C in Frage. Knapp unter diesem Wert liegt nämlich die Temperatur, bei welcher die Aufoxidation von CO zu CO₂ beginnt.

Claims

Thermische Nachverbrennungsanlage mit a) einer Brennkammer, die ihrerseits aufweist: aa) einen Brennraum; ab) einen Brenner, der den Brennraum aufzuheizen in der Lage ist; ac) einen Einlass für schadstoffhaltige Abluft; ac) einen Auslass für Reinluft; b) einer Versorgungsleitung, über welche dem Brenner Brennergas zuführbar ist; c) einem Gasregelventil in der Versorgungsleitung; d) einer Auslassleitung, über welche das Reingas abführbar ist; e) einer Steuereinrichtung, welche das Gasregelventil zur Einstellung einer gewünschten Temperatur im Brennraum ansteuert; dadurch gekennzeichnet, dass f) in der Auslassleitung (8) ein Kohlenmonoxid-Sensor (11) vorgesehen ist, welcher ein für den Kohlenmonoxid-Gehalt des Reingases repräsentatives Ausgangssignal erzeugt, das der Steuereinrichtung (12) zuführbar ist; g) in der Steuereinrichtung (12) ein Sollwert für den Kohlenmonoxid-Gehalt der Reinluft speicherbar ist; wobei h) die Steuereinrichtung (12) so programmiert ist, dass sie bei einer Abweichung des von dem Kohlenmonoxid-Sensor (11) gemessenen Ist-Wertes von dem Soll-Wert des Kohlenmonoxid-Gehalts der Reinluft das Gasregelventil (4) so verstellt, dass sich in dem Brennraum (13) der Brennkammer (1) eine Temperatur einstellt, bei welcher der Ist-Wert mit dem Soll-Wert übereinstimmt.
Thermische Nachverbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schadstoff-Sensor (10) vorgesehen ist, welcher die Beladung der zugeführten Abluft mit Schadstoffen misst und bei einer Änderung der Beladung den in der Steuereinrichtung (12) abgespeicherten Soll-Wert und/oder das von dem Kohlenmonoxid-Sensor (11) abgegebene Ausgangssignal so modifiziert, dass die Temperatur im Brennraum (13) der Brennkammer (1) vorauseilend in der Richtung verändert wird, die zur Aufrechterhaltung des Soll-Wertes des Kohlenmonoxid-Gehaltes im Reingas erforderlich ist.
Thermische Nachverbrennungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifizierung des in der Steuereinrichtung (12) gespeicherten Soll-Werts und/oder des Ausgangssignals des Kohlenmonoxid-Sensors (11) nach einer gewissen Zeitspanne wieder zurückführbar ist.
Thermische Nachverbrennungsanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifizierung des in der Steuereinrichtung (12) gespeicherten Soll-Werts und/oder des Ausgangssignals des Kohlenmonoxid-Sensors (11) nur erfolgt, wenn die Temperatur in dem Brennraum (13) der Brennkammer (1) unterhalb eines bestimmten Wertes, insbesondere unterhalb von etwa 700°C, liegt.
Verfahren zum Betreiben einer thermischen Nachverbrennungsanlage, bei welchem a) einem einen Brennraum einer Brennkammer aufheizenden Brenner Brennergas zugeführt wird; b) dem Brennraum der Brennkammer mit Schadstoff beladene Abluft zugeführt wird; c) Reingas aus dem Brennraum der Brennkammer abgeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass d) der Kohlenmonoxid-Gehalt in dem Reingas gemessen wird; e) die Zufuhr von Brennergas zum Brenner so geregelt wird, dass ein vorgegebener Sollwert für den Kohlenmonoxid-Gehalt im Reingas aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schadstoff-Beladung in der dem Brennraum (13) zugeführten Abluft gemessen wird und bei Änderung der Beladung vorab die Zufuhr von Brennergas zum Brenner (2) so geändert wird, wie dies voraussichtlich zur Aufrechterhaltung des Soll-Wertes des Kohlenmonoxid-Gehalts im Reingas erforderlich ist.