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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Kohlemasseflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer, insbesondere eines Kohlekraftwerkes.
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In einem Kohlekraftwerk wird Kohle mit Kohlemühlen gemahlen und über Kohlestaubleitungen in die Brennkammer geblasen. Dabei wird der Kohlestaub einer Kohlemühle auf mehrere Staubleitungen verteilt. Um den Verbrennungsprozess zu optimieren, die Energiemenge zu regulieren und an den geforderten Bedarf anzupassen, muss die für den Verbrennungsprozess zur Verfügung stehende Kohlemenge überwacht und gesteuert werden. Gleichzeitig muss die zugeführte Luftmenge kontrolliert werden, um eine optimale Verbrennung zu erzielen. Generell wird dabei ein vorgegebenes, stöchometrisches Brennstoff/Luftverhältnis angestrebt, um eine vollständige Verbrennung des Kohlenstaubs bei minimalen Emissionen sicherzustellen. Dafür ist eine genaue Kenntnis des Kohlemasseflusses in die Brennkammer eines Kohlestaubbrenners essentiell.
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Als Messgröße ist der Kohlemassenfluss jedoch schwer zugänglich. Deshalb werden herkömmlicherweise ersatzweise globale Werte, wie die der Kohlemühle zugeführte Kohlemenge und die zugeführte Luftmenge verwendet. Auf der Grundlage dieser Werte ist jedoch keine zufriedenstellende und optimale Steuerung des Verbrennungsprozesses möglich, da vor allem die Aufteilung der einzelnen Massenflüsse in die Staubleitungen unbekannt bleibt.
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Herkömmlicherweise erfolgt eine globale Messung der in die Kohlemühle zugeführten Kohle- und Luftmenge. Die individuelle Messung des Kohlemassenflusses in den Staubleitungen ist schwierig, da aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeit, die beispielsweise ca. 25 m/s ist, und der hohen Kohlepartikeldichte, beispielsweise bei einem Kohlemassenfluss von ca. 3 kg/s, invasive Sensorik in den Staubleitungen durch Abrasion beziehungsweise Abschleifung geschädigt wird. Zusätzlich tendiert ein Kohlefluss zur Bildung von zeitlich veränderlichen Strängen, die als Roping bezeichnet werden, aufgrund elektrostatischer Anziehung, so dass punktuelle Messungen ungenau sind. Eine weitere mögliche herkömmliche Messmethode der Detektion der Ultraschallemission durch an den Rohrwänden auftretende Kohlepartikel, die als akustische Emission bezeichnet wird, ist ungeeignet, da die zentralen Messgrößen, wie es die Kohlemenge und die Partikelgeschwindigkeit sind, nicht getrennt bestimmt werden können. Weitere herkömmliche nicht invasive Messprinzipien, wie beispielsweise eine Ultraschall-Transmission beziehungsweise Reflexion sind nicht anwendbar.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Kohlemasseflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer, insbesondere eines Kohlekraftwerkes, derart bereit zu stellen, dass der Kohlemassenfluss mit ausreichender Genauigkeit erfasst, gesteuert und/oder geregelt wird, damit ein stöchiometrisches Verhältnis zur zugeführten Luftmenge eingestellt und eine vollständige Verbrennung des Kohlestaubs bei minimalen Emissionen bewirkt werden kann. Es soll der Verbrennungsprozess in der Brennkammer optimiert, die erzeugte Wärmeenergiemenge gesteuert und/oder geregelt und an einen geforderten Bedarf angepasst werden können.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Kohlemassenflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer eines Kohlestaubbrenners beansprucht, wobei in jeder Staubleitung in einem jeweiligen Messvolumen mittels einer jeweils zugeordneten optischen Bildmesseinrichtung ein Erfassen einer jeweiligen Partikelgrößenverteilung, einer Partikelgeschwindigkeit und einer von der Partikelgröße abhängigen Partikeldichteverteilung eines Partikelstroms erfolgt; und mittels einer Rechnereinrichtung für jede Staubleitung ein Berechnen eines dem Partikelstrom zugeordneten Kohlemassenflusses durch die Querschnittsfläche der Staubleitung in Kenntnis der spezifischen Dichte der Kohle und des Partikelvolumens erfolgt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Kohlemassenflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer eines Kohlestaubbrenners mit den folgenden Schritten beansprucht:
In jeder Staubleitung erfolgt in einem Messvolumen mittels einer jeweils zugeordneten optischen Bildmesseinrichtung ein Erfassen einer jeweiligen Partikelgrößenverteilung, einer Partikelgeschwindigkeit und einer von der Partikelgröße abhängigen Partikeldichteverteilung eines Partikelstroms; mittels einer Rechnereinrichtung erfolgt für jede Staubleitung ein Berechnen eines dem Partikelstrom zugeordneten Kohlemassenflusses durch eine Querschnittsfläche der Staubleitung in Kenntnis der spezifischen Dichte der Kohle und des Partikelvolumens.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass für eine vollständige Verbrennung des Kohlenstaubs eine genaue Kenntnis der Kohlemassenflüsse in den einzelnen Staubleitungen wesentlich ist. Ansatzpunkt bildet daher die Messung des Kohlemassenflusses in den einzelnen Staubleitungen. Dies ist eine notwendige Voraussetzung zur Überwachung und Regelung des Verbrennungsprozesses für die Gewährleistung eines optimalen Betriebs der Kohlestaubbrenner. Das dieser Erfindung zugrunde liegende Messverfahren beruht auf der Verwendung einer Bildverarbeitung und zeichnet sich durch die Möglichkeit der quantitativen Bestimmung des Kohlemassenflusses bei einer hohen Wiederholgenauigkeit aus.
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Wesentlicher Bestandteil zur Bestimmung des Kohlemassenflusses mittels optischer Methoden ist die Verwendung einer Beleuchtungs- und Kameratechnik, wobei eine optische Bildmesseinrichtung, insbesondere eine Kameraeinrichtung ist. Auf dieser Grundlage kann mittels anschließender Bildverarbeitung die Partikelgrößenverteilung und die Partikelgeschwindigkeit bzw. die Geschwindigkeit der Größenverteilung der Kohlepartikel sowie die Partikeldichteverteilung in einem kleinen Testvolumen der Staubleitung gewonnen werden, das zu einer derartigen Bestimmung eine ausreichende Größe aufweist. Das Messvolumen kann ein relativ zum Gesamtvolumen einer Staubleitung kleines Testvolumen sein. Durch die Kombination der ermittelten Partikelgrößenverteilung und der Partikelgeschwindigkeit mit einer zusätzlichen Bestimmung einer von der Partikelgröße abhängigen Partikeldichteverteilung eines Partikelstroms kann dann der Kohlemassenstrom errechnet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Partikeldichteverteilung alternativ als bekannt vorausgesetzt oder mittels zusätzlicher Verfahren bestimmt werden. Die separate Kenntnis von Partikelgeschwindigkeit, Partikelgrößenverteilung, Dichte und Kohlemassenfluss pro Staubleitung ermöglicht eine optimale Steuerung des Kohleeintrags. Zum Beispiel könnte eine entsprechende Prozessregelung für eine gleichmäßige Verteilung des Kohlemassenflusses in den verschiedenen Staubleitungen einer Kohlemühle durch Veränderung von Ventilstellungen sorgen. Weiterhin könnte das Verhältnis von Blasluft und Kohle für die verschiedenen Lastbetriebe optimal eingestellt werden.
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Beides ist für eine Optimierung des Brennstoffeintrages wichtig. Es ergeben sich folgende Vorteile: 1. Ein reduzierter Brennstoffverbrauch. Durch die genaue und reproduzierbare Brennstoffdosierung kann auch bei Lastwechsel die Verbrennung im Kessel optimiert und der Brennstoffeinsatz reduziert werden. 2. Reduktion von Korrosion im Kessel. Durch die gleichmäßige Brennstoffzufuhr zu den Brennern wird das Risiko der Bildung von Reduktionszonen im Kessel und damit Korrosion an den Kesselwänden reduziert. 3. Reduzierte Schlackebildung im Kessel. Die genaue Brennstoffdosierung zu den Brennern führt zu einem gleichmäßigeren Temperaturprofil im Kessel, was die Schlackebildung erheblich reduziert. Auf diese Weise kann eine deutliche Produktivitätssteigerung bewirkt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die optische Bildmesseinrichtung eine Messzelle mit einer gepulsten Lasereinrichtung aufweisen, von der ein gepulster Laserstrahl ausgesendet, durch eine Linseneinrichtung aufgeweitet, durch eine transparente Abdeckung hindurch in das im Partikelstrom angeordnete Messvolumen eingestrahlt wird, wobei dieses durch die transparente Abdeckung hindurch mittels einer ein Mikroskopobjektiv aufweisenden Kameraeinrichtung als Bild erfasst wird, das mittels der Rechnereinrichtung ausgewertet wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die optischen Bildmesseinrichtungen und die Rechnereinrichtung in regelmäßigen Zeitabständen jeweilige Kohlemassenflüsse bestimmen und eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung kann den Brennvorgang in der Brennkammer steuern oder regeln.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels der Lasereinrichtung für jedes erfasste Bild zwei Laserpulse mit einer jeweiligen Pulslänge und einer zeitlichen Verzögerung ausgesendet und, mittels der Kameraeinrichtung, auf einem Bild zwei zeitlich und durch die Partikelgeschwindigkeit räumlich versetzte Abbildungen der Partikel erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Rechnereinrichtung die zwei Abbildungen eines Bildes trennen und eine räumliche Verschiebung von Partikelmustern berechnen bzw. bestimmen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Rechnereinrichtung mittels der Verschiebung der Partikelmuster und in Kenntnis der zeitlichen Laserpulsabfolge die Partikelgeschwindigkeit im Messvolumen bestimmen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Rechnereinrichtung mittels der Strömungstheorie eine Verteilung der Partikelgeschwindigkeit oder mittels eines Korrekturfaktors eine mittlere Partikelgeschwindigkeit bestimmen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Rechnereinrichtung für jedes Bild die zwei Abbildungen des Bildes auswerten und die Partikelgrößenverteilung bestimmen. Dazu kann die Anzahl von Partikeln einer jeweiligen Partikelgröße erfasst werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Rechnereinrichtung für jedes Bild die zwei Abbildungen eines Bildes auswerten und aus der Anzahl der in einem Bild erfassten Partikel und dem Messvolumen die Partikeldichteverteilung bestimmen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in einer Speichereinrichtung der Rechnereinrichtung die Partikeldichteverteilung unabhängig von dem Erfassen als bereits bekannt gespeichert sein. Beispielsweise kann die Partikeldichteverteilung mittels alternativer Verfahren bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Partikelvolumina als kugelförmig angenommen werden und ein sich damit ergebender Faktor aus der Partikelgrößenverteilung mittels der Rechnereinrichtung mittels Integration und/oder Simulation hergeleitet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können jeweilige Partikelströme mittels einer in eine jeweilige Staubleitung stromaufwärts zum Messvolumen integrierte Verwirbelungseinrichtung verwirbelt werden.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ein Ausführungsbeispiel zum erfindungsgemäßen Verfahren;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Partikelgeschwindigkeit vpart, einer Partikelgrößenverteilung rpart und einer Partikeldichteverteilung n(rpart). Es erfolgt eine optische Erfassung mittels einer Kameraeinrichtung 42. Es soll der Kohlemassenstrom bzw. Kohlemassenfluss 1 durch eine Staubleitung 3 bestimmt werden, die in eine Brennkammer mit Kohlestaubbrennern führt. Die Bestimmung erfolgt mittels einer optischen Messmethode.
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1 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung dar. In der Staubleitung 3 in einem jeweiligen Messvolumen 4 kann ein Erfassen eines Partikelstroms 9 mittels Bildern ausgeführt werden. Der Partikelstrom 9 ist der im Messvolumen 4 erfasste Kohlemassenfluss 1. Da das Messvolumen 4 lediglich ein kleiner Ausschnitt des gesamten Volumens des Kohlemassenflusses 1 in der Staubleitung 3 ist, muss dies bei der Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit, der Partikelgrößenverteilung und der Partikeldichteverteilung berücksichtigt werden.
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Gemäß 1 weist eine optische Bildeinrichtung 5 eine Messzelle 21 mit einer gepulsten Lasereinrichtung 23 auf, von der ein gepulster Laserstrahl ausgesendet wird, durch eine Linseneinrichtung 25 aufgeweitet, durch eine transparente Abdeckung 15 hindurch in das im Partikelstrom 9 angeordnete Messvolumen 4 eingestrahlt wird, wobei dieses durch die transparente Abdeckung 15 hindurch mittels einer ein Mikroskopobjektiv 14 aufweisender Kameraeinrichtung 42 als Bilder erfasst wird, die mittels einer Rechnereinrichtung 11 ausgewertet werden. Die Messzelle 21 kann an einer seitlichen Öffnung an der Staubleitung 3 beispielsweise angeflanscht sein. Die Messzelle 21 ist beispielsweise mittels Glasfenstern als transparente Abdeckung 15 von der Staubleitung 3 getrennt. In der Messzelle 21 befindet sich die Kameraeinrichtung 42, mit der über das hoch auflösende Mikroskopobjektiv 40 mit einem langen Arbeitsabstand in die Staubleitung 3 geblickt wird. Die Auflösung des Systems Kameraeinrichtung 42 und Objektiv 40 sollte beispielsweise bei 1–5 μm liegen. Das Messvolumen 4, das von dem Objektiv 40 erfasst wird, liegt mit einer Messtiefe TM von ca. 25 mm in der Staubleitung 3 und ist beispielsweise ca. 5·6·0,1mm3 groß. Die Beleuchtung des Messbereiches bzw. Messvolumens wird durch seitliche Einstrahlung mit dem Laserstrahl vorgenommen. Dieser wird mittels der Linseneinrichtung 25, das als ein Linsensystem erzeugt sein kann, entsprechend aufgeweitet. Die Lasereinrichtung 23 wird gepulst, sodass eine stroboskopische Beleuchtung bewirkt wird. Mittels der optischen Bildmesseinrichtung 5 und der Rechnereinrichtung 11 können in regelmäßigen Zeitabständen jeweilige Kohlemassenflüsse 1 bestimmt werden. Mittels der bestimmten Kohlemassenflüsse 1 kann mittels einer Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 19 der Brennvorgang in der Brennkammer gesteuert oder geregelt werden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zu einem erfindungsgemäßen Verfahren. 2 zeigt ein Bild eines Partikelstroms 9, wobei das Bild zwei Abbildungen A und B der Partikel aufweist. Wie es in Verbindung mit 1 bereits beschrieben wurde, wird die Lasereinrichtung 23 gepulst, sodass eine stroboskopische Beleuchtung erzielt wird. Auf diese Weise wird die Bewegung der Partikel des Partikelstroms 9 mit Pulslängen von beispielsweise ca. 40 ns eingefroren. Es soll ein statisches Bild der Partikel erzeugt werden. Die Kameraeinrichtung 42 wird so getriggert bzw. angesteuert, dass in jedem aufgenommenen Bild zwei Laserpulse mit einer zeitlichen Verzögerung beispielsweise im Bereich von 40–100 μs enthalten sind. So enthält jedes Kamerabild gemäß 2 eine Doppelbelichtung mit zwei zeitlich, und durch die Partikelgeschwindigkeit räumlich versetzten, Abbildungen A und B der Partikel. 2A stellt lediglich ein Bild einer derartigen Doppelbelichtung dar. Bei einer Blitzdauer von beispielsweise 40 Nanosekunden werden zwei Blitze mit beispielsweise einem Abstand von 40–100 μs Zeitabstand erzeugt. Es werden beispielsweise folgende realistische Annahmen bei einem Kohlekraftwerk gemacht:
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Annahmen:
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- Kohlemassefluss Δm/Δt = 3,5kg/s
- Flussgeschwindigkeit vcoal = 25m/s
- Rohrdurchmesser R = 0,3 m Vcyl = 7,07m3
→ Vcoal = 2,33·10–3m3(ρcoal1500kg/m3)
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Ausgegangen wird von einem Kohlemassestrom von ca. 3,5 kg/s, einer Partikelgeschwindigkeit von 25 m/s und einem Rohr mit einem Radius von 0,3 m.
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Bei diesem angenommen realistischen Verhältnissen in der Staubleitung 3 von Kraftwerken erwartet man beispielsweise 4–30 Partikel mit einem Durchmesser im Bereich von 20–80 μm in dem Messvolumen 4. Die Kameraeinrichtung 42 stellt mit einem Bild zwei relativ zueinander verschobene Kohlepartikelmuster aufweisende Abbildungen des Partikelstroms bereit. 2 zeigt eine erste Abbildung A des Partikelstroms und eine zweite Abbildung B des gleichen Partikelstroms. Abbildung A wurde zu einem Zeitpunkt t = t0 erzeugt, Abbildung B ist zu einem Zeitpunkt t = t0 + 50μs erzeugt. Beide Abbildungen A und B sind in einem Bild der Kameraeinrichtung 42 dargestellt. Durch Bildverarbeitung mittels der Rechnereinrichtung 11 werden die zwei durch Doppelbelichtungen erzeugte Abbildungen A und B getrennt und anschließend die räumliche Verschiebung der Partikelmuster extrahiert. Mittels Bestimmung der verschobenen Strecke und der bekannten Blitzabfolgezeit erhält man als erste Messgröße die Partikelgeschwindigkeit im Messvolumen 4. Da das Messvolumen 4 an der Randzone der rohrförmigen Staubleitung 3 positioniert ist, und die Geschwindigkeit damit geringer als im Zentrum ist, muss mithilfe der Strömungstheorie eine Geschwindigkeitsverteilung oder eine mittlere Geschwindigkeit mittels eines Korrekturfaktors berechnet werden. Mittels der Bildauswertung kann des Weiteren ebenso die Partikelgrößenverteilung bestimmt werden. Als zweite Messgröße wird die Partikelgrößenverteilung aus jedem doppelt belichteten Bild gewonnen. Es kann auf einfache Weise die Größe eines Partikels gemessen und deren prozentuale Aufteilung bestimmt werden. Als dritte Messgröße kann aus der Anzahl der im Bild erfassten Partikel und dem bekannten Messvolumen 4 die Partikeldichte bestimmt werden. Da die Partikelgrößen eine Verteilung bilden, erhält man ebenso für die Partikeldichte eine Verteilung mit der Größe.
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Wird eine Kamerabildfolge von 10–100Hz erreicht, ist eine ausreichende statistische Genauigkeit für Messzeiten von 1–10 s gegeben. Diese Werte eignen sich besonders vorteilhaft für eine nachfolgende Prozessregelung. Die Geschwindigkeit und die Größenverteilung sind ebenso in dem relativ kleinen Messvolumen 4 repräsentativ für den gesamten Massenstrom im Rohr. Auftretendes Roping hat auf diese Messgrößen keinen Einfluss. Dagegen ist die Partikeldichte in diesem Messvolumen 4 lediglich bedingt aussagekräftig, da der Massenstrom sehr inhomogen durch auftretendes Roping ist. Zur Verringerung von Roping kann in einer jeweiligen Staubleitung 3 stromaufwärts zum Messvolumen 4 eine Verwirbelungseinrichtung integriert sein, die den Kohlemassenstrom 1 verwirbelt. Alternativ kann die Partikeldichte bereits als bekannt angenommen oder auf eine andere Weise bestimmt werden. Beispielsweise kann eine unabhängige Messung der Partikeldichte alternativ in einem größeren Messvolumen als Messvolumen 4 ausgeführt werden. Eine derartig gemessene Partikeldichte kann mit der vorstehend gemessenen Geschwindigkeit der Kohlepartikel und der Größenverteilung kombiniert werden, sodass eine genauere Bestimmung des Kohlemassenstroms 1 ausgeführt werden kann. Zusätzlich können zur Verbesserung der Berechnung des Kohlemassenstroms 1 Simulationen zur Geschwindigkeitsverteilung von Strömungen im Rohr verwendet werden. Da gemäß der vorliegenden Erfindung keine Intensitätsunterschiede gemessen werden, sind mögliche Verunreinigungen der transparenten Abdeckung 15, die beispielsweise eine Glasfläche ausbildet, vor der Messzelle 21 unkritisch.
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Mittels der Bildverarbeitung von statischen Abbildungen A und B erfolgt eine Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit. Mittels einer der Abbildungen A oder B erfolgt ein Bestimmen der Größenverteilung der Partikel. Die jeweiligen Partikelgrößen können auf einfache Weise messtechnisch erfasst werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Abbildungsfaktors der Optik und/oder mittels Kalibrierung der Bildgebung ausgeführt werden. Mittels einer der Abbildungen A oder B kann eine Bestimmung der Partikeldichte im Messvolumen 4 erfolgen.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren ermöglicht eine Bestimmung eines Kohlemassenflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer eines Kohlestaubbrenners, wobei mit einem Schritt S1 in jeder Staubleitung in einem jeweiligen Messvolumen mittels einer jeweils zugeordneten optischen Bildmesseinrichtung ein Erfassen einer jeweiligen Partikelgrößenverteilung rpart, einer Partikelgeschwindigkeit vpart und einer von der Partikelgröße abhängigen Partikeldichteverteilung n(rpart) eines Partikelstroms ausgeführt wird. Mit einem zweiten Schritt S2 erfolgt mittels einer Rechnereinrichtung für jede Staubleitung ein Berechnen eines dem Partikelstrom zugeordneten Kohlemassenflusses Δm/Δt durch eine Querschnittsfläche A der Staubleitung in Kenntnis der spezifischen Dichte ρ der Kohle, der Partikelgeschwindigkeit vpart des Partikelvolumens Vpart und der Partikeldichteverteilung n(rpart). Die Berechnung des Koh
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lemassenflusses mittels der Rechnereinrichtung 11 kann folgendermaßen berechnet werden. Der Kohlemassenfluss Δm/Δt durch eine Fläche A berechnet sich allgemein aus: Δm/Δt = A·ρ·vpart·n·Vpart (1)
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Dabei ist A die durchströmte Fläche A, ρ die spezifische Dichte der Kohle, vpart die Geschwindigkeit, n die Dichte und Vpart das Partikelvolumen. Unter der Annahme, dass die Partikel kugelförmig sind, ergibt sich eine Endformel für die Berechnung des Kohlemassenflusses aus den folgenden Messgrößen: Δm/(Δt) = 4/3·π·A·ρ·vpart·n(rpart)·r3 part (2)
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Die ersten Faktoren sind konstant, die spezifische Dichte der Kohle ρ ist von der Kohlequalität abhängig, ändert sich lediglich geringfügig und muss anderweitig bestimmt werden. Die Partikelgeschwindigkeit vpart und der Faktor r3part, der aus der Partikelgrößenverteilung berechenbar ist, sind bekannt oder werden mittels anderer hier nicht näher beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Dichteverteilung der Partikel n(rpart)
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wird entsprechend dem beschriebenen zweiten Schritt S2 gewonnen. Da hier Verteilungen vorkommen, wird die Berechnung mittels Integration oder evtl. mittels Simulation vorgenommen. Im einfachsten Fall wird eine Mittelwertbildung durchgeführt und mit Mittelwerten gerechnet.
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Für eine Simulation können realistische Parameter verwendet werden, wie sie in einem typischen Kraftwerk auftreten. Die Parameter und Annahmen zur Simulation entsprechen realistischen Werten aus einem Kraftwerk. Diese sind beispielsweise: Partikeldurchmesser (dpart = 2·rpart)80μm → min. Partikelvolumen (Kugelform) Vpart ≈ 4/3π·(40.10–6m)3 = 2,68·10–13m3
→ n = Partikel/m3 = (Vcoal/Vcly)/Vpart = 1,23·109 Partikel/m3
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Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist eine sichere Bestimmung des Kohlemassenflusses möglich. Die Messungen und Berechnungen werden beispielsweise mit Messkarten und einem Personal Computer PC durchgeführt. Es werden im Takt von 1 bis 10 s neue berechnete Werte von Geschwindigkeit, Partikeldichte und Kohlemassenstrom ausgegeben, die für eine nachfolgende Prozesssteuerung oder Prozessregelung einer Kohlestaubverbrennung geeignet sind.
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Zur Bestimmung eines Kohlemassenflusses 1 durch Staubleitungen 3 in eine Brennkammer werden in jeder Staubleitung 3 in einem jeweiligen Messvolumen 4 mittels einer jeweils zugeordneten optischen Beleuchtungs- und Kameraeinrichtung und anschließender Bildverarbeitung insbesondere eine Partikelgeschwindigkeit und eine Partikelgrößenverteilung bestimmt. Eine Rechnereinrichtung 11 berechnet in Kenntnis von verbleibenden Parametern den entsprechenden Kohlemassenfluss 1. Auf diese Weise kann der Brennvorgang in einer Brennkammer optimiert werden, beispielsweise derart, dass ein stöchiometrisches Verhältnis angesteuert wird. Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Kohlemassenflüsse in Kohlekraftwerken.
