DE102013207720B4 - Verfahren zur Überwachung von Verbrennungsanlagen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Überwachung einer Kleinfeuerungsanlage zur Verarbeitung fester Brennstoffe, bei dem durch Erfassung und Auswertung ausgewählter Kenndaten eine von der Kleinfeuerungsanlage ausgehende Emissionsbelastung ermittelt wird, wobei der Zusammenhang zwischen den ausgewählten Kenndaten und der Emissionsbelastung unter Benutzung von aus Referenzmessungen gewonnenen Daten rechnerisch ermittelt wird, wobei der CO-Gehalt im Abgas (5) zu den ausgewählten Kenndaten gehört dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Referenzmessung genutzte Kleinfeuerungs-anlage baugleich mit der zu überwachenden Kleinfeuerungsanlage ist oder zumindest hinreichend ähnlich ist.

Description

• Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Verbrennungsanlage und eine entsprechend ausgestaltete Verbrennungsanlage.
• Von Verbrennungsanlagen können unerwünschte Emissionen ausgehen. Daher sollten die Emissionen überwacht werden. Da bei Kleinfeuerungsanlagen der Überwachungsaufwand vergleichsweise hoch ist, begnügt man sich häufig mit einer einmal jährlichen Überwachung. Bisweilen begnügt man sich auch damit die Kleinfeuerungsanlagen einmal bei der Inbetriebsetzung zu prüfen und auf weitere Prüfungen zu verzichten. Eine unerwünschte Zunahme der Emissionen etwa durch technische Verschlechterung der Kleinfeuerungsanlage, unsachgemäße Bedienung, Auswahl ungeeigneter Brennstoffe und dergleichen wird so nicht erkannt. Daher gibt es die Forderung nach einer verbesserten Überwachung. Diese ist bisher unter anderem daran gescheitert, dass der Aufwand für die Überwachung vergleichsweise hoch war.
• Aus der DE 694 18 199 T2 , also der deutschen Patentschrift zur EP 0 712 463 B1 , ist eine virtuelle Emissionsüberwachungseinrichtung für Verbrennungsmaschinen bekannt. Dazu sind eine Mehrzahl an Sensoren, insbesondere Temperatursensoren vorhanden. Ferner ist ein Rechner vorhanden, der anhand von Modellparametern aus den Sensorwerten Emissionen vorhersagt.
• Aus der EP 2 246 624 A2 ist eine Hausfeuerungsanlage - beispielweise für Pellets - bekannt. An eine Zündphase schließt sich zeitlich eine Anfahrphase an, bevor der stationäre Betrieb erreicht wird. Zur Begrenzung des Schadstoffausstoßes während der Zünd- und Anfahrphase wird vorgeschlagen den Primärluftstrom während der Zündphase konstant und während der Anfahrphase abhängig vom Brennstoffvolumenstrom zu regeln und den Sekundärluftstrom während der Zünd- und Anfahrphase abhängig vom Restsauerstoffgehalt und von der Verbrennungstemperatur nach in beiden Phasen verschiedenen Funktionen zu regeln.
• Aus der EP 1 002 997 B1 ist ein Verfahren zur Luftzahlregelung eines teilvormischenden Gasbrenners bekannt. Der Gasbrenner weist einen Lüfter und ein Gas-Regelventil auf. Aus lonisationssignalen, die im Flammenbereich mit einer lonisationselektrode gemessen werden, wird unter Berücksichtigung einer erfassten Lüfterdrehzahl ein für die aktuelle Luftzahl repräsentatives erstes Signal ermittelt. Aus dem Vergleich mit einem Sollwert wird ein Stellsignal für das Gas-Regelventil abgeleitet wird. Dabei wird ein für die aktuelle Brennerleistung repräsentatives zweites Signal erfasst und mit einem vorgegebenen Wert verglichen, um aus diesem Vergleich Informationen für den Betriebszustand des Gasbrenners abzuleiten.
• Aus der AT 413 440 B ist ein Verfahren zur Anpassung des Brenngas-Luftverhältnisses an die Gasart bei einem Gasbrenner bekannt. Der Gasbrenner weist eine Regelung, Mittel zur Einstellung des Verbrennungsluftvolumenstroms, Mittel zur Einstellung des Brenngasvolumenstroms und einen Sensor zur Erfassung der Kohlenmonoxydkonzentration im Abgasweg auf. Bei einer vorgegebenen Stellung der Mittel zur Einstellung des Verbrennungsluftvolumenstroms und der Mittel zur Einstellung des Brenngasvolumenstroms erfolgt eine Messung der Gaskonzentration im Abgasweg. Das Messergebnis wird mit einem Referenzwert oder einem weiteren Messergebnis verglichen und ausgehend davon stellt die Regelung das Verhältnis von Brenngasvolumenstrom zum Verbrennungsluftvolumenstrom ein.
• Die DE 43 15 969 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung einer Kleinfeuerungsanlage zur Verarbeitung fester Brennstoffe, bei welchem der CO_e-Gehalt im Abgas zu den erfassten Kenndaten gehört.
• In der ersten Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes, Ausfertigungsdatum 26.01.2010, werden Kleinfeuerungsanlagen zur Verarbeitung fester Brennstoffe mit folgenden Eigenschaften behandelt: Durch Erfassung und Auswertung ausgewählter Kenndaten wird eine von der Kleinfeuerungsanlage ausgewählte Emissionsbelastung ermittelt. Dabei wird der Zusammenhang zwischen den ausgewählten Kenndaten und der Emissionsbelastung unter Benutzung von aus Referenzmessungen gewonnenen Daten rechnerisch ermittelt, wobei der CO-Gehalt im Abgas zu den ausgewählten Kenndaten gehört.
• Aus der US 2010/0028819 A1 ist bekannt Sauerstoff und Kohlenmonoxid als Indikatoren für die Verbrennung zu nutzen. Es ist auch eine Messung weiterer Komponenten bekannt.
• Aus der US 2012/0031167 A1 , zu der die korrespondierende deutschsprachige WO 2010/003890 A2 , existiert, ist bekannt, bei einem Gasbrenner für Haushalte den Gehalt an Kohlenmonoxid und Methan zu erkennen.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher ein einfaches Überwachungsverfahren bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe ist insbesondere in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Weitere Ausführungsformen und Einzelheiten finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
• Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Überwachung einer Verbrennungsanlage, bei dem durch Erfassung und Auswertung ausgewählter Kenndaten eine von der Verbrennungsanlage ausgehende Emissionsbelastung ermittelt wird. Der Zusammenhang zwischen den ausgewählten Kenndaten und der Emissionsbelastung wird unter Benutzung von aus Referenzmessungen gewonnenen Daten rechnerisch ermittelt. Es hat sich herausgestellt, dass eine hinreichende Bestimmung der Emissionen bereits durch die Erfassung und Auswertung ausgewählter Kenndaten erfolgen kann, indem aus diesen Kenndaten durch rechnerische Bestimmung und Nutzung von Referenzmessungen, bei denen neben den ausgewählten Kenndaten auch eine Vielzahl weiterer, die Emissionsbelastung genauer wiedergebender Daten, gemessen worden sind. Damit ist es mit eingeschränktem Messaufwand hinreichend genau möglich die Emissionen zu bestimmen.
• Vorliegend interessant sind Kleinfeuerungsanlagen mit einer Leistung bis zu 1 MW. Bei größeren Anlagen wird die Emissionsbelastung zumeist ohnehin genauer erfasst. Die Leistung kann dabei wenige kW betragen, wie etwa bei Verbrennungsanlagen in Privtahaushalten, aber auch deutlich höher sein und wie erwähnt bis zu 1 MW betragen. In Betracht kommen verschiedene Arten, vor allem zur Verbernnung nachwchsender Rohstoffe, wie Hackschnitzel, Scheitholz, Pellets und dergleichen mehr. Häufig geht es um Vergasungskessel, also um Anlagen, in denen fester Brennstoff zunächst zur Bereitstellung von Brenngas vergast wird und das Brenngas nachfolgend verbrannt wird.
• In einer Ausführungsform der Erfindung sind die ausgewählten Kenndaten der Sauerstoffgehalt im Abgas und/oder die Temperatur im Abgas und/oder die Temperatur in einem Feuerungsraum der Verbrennungsanlage und/oder der Co_e -Gehalt im Abgas. Der Aufwand diese Kenndaten zu erfassen ist niedrig. Der Sauerstoffgehalt des Abgases wird üblicherweise zur Regelung der Kleinfeuerungsanlage ohnehin erfasst. Ebenso werden Temperaturen im Abgas und im Feuerungsraum erfasst. Bereits durch eine Auswertung dieser Daten sind brauchbare Rückschlüsse auf die Emissionsbelastung möglich. Eine Verbesserung ergibt sich, wenn zusätzlich der CO_e -Gehalt im Abgas erfasst wird. Beim CO_e -Gehalt handelt es sich um die Summe von CO, CH₄ und anderer nicht vollständig verbrannter kohlenstoffhaltiger Verbrennungsprodukte. Zur Erfassung sind vergleichsweise preisgünstige Sensoren erhältlich. Die Erfindung gestattet damit eine im Vergleich zum Preis einer Kleinfeuerungsanlage relativ preisgünstige, hinreichend genaue Bestimmung der Emissionsbelastung einer Verbrennungsanlage. Damit ist ein wesentliches Hindernis für die kontinuierliche Bestimmung der Emissionsbelastung von Kleinfeuerungsanlagen beseitigt.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine zur Referenzmessung genutzte Verbrennungsanlage baugleich mit der zu überwachenden Verbrennungsanlage oder zumindest hinreichend ähnlich. Bei Referenzmessungen mit einer baugleichen Verbrennungsanlage sind die Messungen von vernachlässigbaren Einzelfällen abgesehen in jedem Fall brauchbar. Dies gilt gegebenenfalls auch für hinreichend ähnliche Verbrennungsanlagen. Im Zweifelsfall sind freilich baugleiche Verbrennungsanlagen für Referenzmessungen bevorzugt.
• In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren dafür genutzt, dass Betriebsdaten ermittelt werden, wobei die Betriebsdaten insbesondere ein Wirkungsgrad der Kleinfeuerungsanlage und/oder die jährlichen Betriebsstunden und/oder verwendete Brennstoffe und/oder die Qualität von eingesetztem Brennstoff und/oder die Menge von eingesetztem Brennstoff und/oder die Qualität der Bedienung sind. Auch hierfür sind im Regelfall Referenzmessungen erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt mit überschaubaren Erweiterungen mithin sehr weite Anwendungen. Im Zusammenhang mit dem Ziel die Emissionsbelastung zu überwachen und letztlich überhöhte Emissionen zu verhindern ist die Ermittlung weiterer Betriebsdaten sehr zielführend. So kann etwa festgestellt werden, dass eine unerwünscht hohe Emissionsbelastung an schlechtem Brennstoff, etwa zu feuchtem Holz, liegt. In diesem Fall kann der Benutzer darauf hingewiesen werden und durch besseren Brennstoff die Emissionsbelastung vermeiden.
• Um das Verfahren durchführen zu können, ist die Verbrennungsanlage am besten mit einer Einheit ausgestattet, die ausgebildet ist, das oben geschilderte Verfahren durchzuführen. Dabei ist zu beachten, dass die Auswertung der erfassten Daten nicht in der Verbrennungsanlage selbst stattfinden muss. Die erfassten Daten könnten auch ausgelesen werden und etwa auf einer Datenverarbeitungsanlage eines Schornsteinfegers ausgewertet werden.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Verbrennungsanlage so ausgebildet, dass nur ein Befugter die Erfassung und/oder die Auswertung der ausgewählten Kenndaten beeinflussen kann. Damit soll eine Manipulation der Verbrennungsanlage durch Benutzer, die überhöhte Emissionsbelastungen hinzunehmen bereit sind, verhindert werden. Hierbei ist etwa an bestimmte Verschlüsselungstechnologien, eine Plombierung eines die Einheit zur Durchführung des Verfahrens bildenden Chips und dergleichen zu denken. Es versteht sich, dass derartige Maßnahmen nur die Wahrscheinlichkeit deutlich senken können, dass Unbefugte die Erfassung und/oder die Auswertung der Kenndaten beeinflussen können. Eine vollständige Sicherheit dies auszuschließen ist aber nicht gegeben.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erfassten und/oder ausgewerteten Kenndaten ausgelesen werden können, insbesondere zu Zwecken einer Überwachung der Kleinfeuerungsanlage. So ist es etwa möglich, dass der Schornsteinfeger regelmäßig die erfassten Kenndaten ausliest und auf seiner mobilen oder stationären Datenverarbeitungsanlage die erfassten Kenndaten auswertet.
• In einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die erfassten und/oder ausgewerteten Kenndaten an eine Überwachungseinheit mit Telekommunikationsmitteln übertragbar sind, wobei insbesondere bei Überschreitung von Grenzwerten eine Übertragung erfolgen kann. Es ist aber normal nicht sinnvoll bei jeder Überschreitung eines Grenzwerts etwa Daten an eine Überwachungszentrale zu senden. Sinnvoll ist hierbei nach Regeln vorzugehen, also etwa erst bei einer Überschreitung eines Grenzwerts um einen gewissen Wert für eine gewisse Zeit. Es ist dabei sowohl möglich erfasste Kenndaten zu übermitteln wie auch das Ergebnis der Auswertung der ausgewählten Kenndaten. Besonders bei einer Übermittlung des Ergebnisses der Auswertung ausgewerteter Kenndaten können ausgefeilte Algorithmen zum Einsatz kommen, um zu entscheiden, ob eine zu übermittelnde Grenzwertüberschreitung vorliegt. Es soll aber nicht unerwähnt bleiben, dass die Telekommunikationsmittel nicht nur zur Übermittlung von Grenzwertüberschreitungen genutzt werden können. So kann etwa beim oben geschilderten Auslesen der erfassten Kenndaten zugleich eine Übermittlung dieser Kenndaten mit Hilfe von Telekommunikationsmitteln erfolgen. Dies erhöht zwar unter Umständen die zu übermittelnden Datenmengen, ermöglicht aber komplexe Auswertungen, die besser mit einer leistungsfähigen Datenverarbeitungsanlage durchgeführt werden als mit einer Einheit in der Verbrennungsanlage.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erfassten und/oder ausgewerteten Kenndaten zur Steuerung oder Regelung der Verbrennungsanlage nutzbar sind. Damit kann die Regelung der Verbrennungsanlage verbessert werden. So kann die Steuerung oder Regelung der Verbrennungsanlage besser dahingehend optimiert werden Emissionsbelastungen zu vermeiden. Ferner ist es möglich, den apparativen Aufwand einzuschränken, da Synergieeffekte zwischen der Erfassung und Auswertung der Kenndaten und der Regelung oder Steuerung der Verbrennungsanlage möglich sind.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einheit, die ausgebildet ist das oben geschilderte Verfahren durchzuführen, Bestandteil einer Regelungseinrichtung der Kleinfeuerungsanlage ist. Dabei ist es möglich, dass die Hardware identisch ist oder zumindest gemeinsam genutzte Komponenten aufweist. Im Regelfall sind die Messwerte, zumindest der Sauerstoffgehalt im Abgas und Temperaturen in Feuerungsraum und Abgas ohnehin sowohl für die Regelung der Verbrennungsanlage als auch für die Ermittlung der Emissionsbelastung zu erfassen. Auch die Erfassung des CO_e-Gehalts im Abgas, welche für die Ermittlung der Emissionsbelastung sinnvoll ist, kann für die Regelung der Verbrennungsanlage hilfreich sein.
• Auch kann eine gemeinsame Software für die Regelung der Verbrennungsanlage und für die Ermittlung der Emissionsbelastung vorteilhaft sein. Ergibt sich aus der Bestimmung der Emissionsbelastung etwa, dass der CO-Wert im Abgas zu hoch ist, so ist dem durch die Regelung entgegenzuwirken. Hierbei ist es für eine sinnvolle Regelung sinnvoll die Ursache dafür zu kennen. Ein erhöhter CO-Wert kann Folge einer zu niedrigen Sauerstoffzufuhr sein. Es kann aber auch Folge einer zu niedrigen Verbrennungstemperatur sein. Würde man im letzteren Fall die Sauerstoffzufuhr steigern fiele die Temperatur bei der Verbrennung weiter ab und der CO-Wert würde weiter ansteigen. Diese beispielhafte Betrachtung macht klar, dass die Bestimmung der Emissionsbelastung und die Regelung der Verbrennungsanlage auf gemeinsamer Hardware und/oder Software beruhen sollten, da es sich um ineinandergreifende Maßnahmen und Überlegungen handelt.
• Generell ist es möglich die Regelung und Steuerung der Verbrennungsanlage sowie die Überwachung der Emissionsbelastung sowohl hinsichtlich der Hardware wie auch der Software zu kombinieren. Es ist aber auch eine integrierte Lösung möglich, das heißt vor allem, dass die Einheit zur Überwachung der Emissionsbelastung Teil der Regel-und Steuereinheit der Verbrennungsanlage ist. Normalerweise ist es sinnvoll hierfür eine, Rechnereinheit, gewöhnlich, einen Mikrochip vorzusehen, wobei freilich zusätzlich Sensoren zur Erfassung der ausgewählten Kenndaten erforderlich sind.
• Weitere Einzelheiten sollen nachfolgend anhand der 1 beschrieben werden.
• Dabei zeigt
• 1 eine schematische Darstellung der Überwachung und Regelung einer Verbrennungsanlage
• Im Mittelpunkt steht die Regel- und Steuereinheit 1 der Verbrennungsanlage. Die Regel und Steuereinheit 1 dient zugleich als Überwachungseinheit. Ein Sauerstoffsensor 2 erfasst den Sauerstoffgehalt des aus der Verbrennungsanlage abströmenden Abgases. Ein Temperatursensor 3 erfasst die Temperatur des Abgases. Ein weiterer Temperatursensor 4 erfasst die Temperatur im Verbrennungsbereich. Bei Bedarf können weitere Temperatursensoren vorgesehen werden, um an verschiedenen Stellen im Verbrennungsbereich Temperaturen zu erfassen. Ferner ist ein CO_e-Sensor 5 vorhanden, der den CO_e-Gehalt des Abgases erfasst. Die von den Sensoren kommenden Daten werden an die Regel- und Steuereinheit 1 übergeben. Dort werden die Daten in einer integrierten Rechnereinheit 6 mit Daten verglichen, die aus Referenzmessungen mit einer identischen Verbrennungsanlage stammen. Aus diesem Vergleich und zusätzlichen ergänzenden Berechnungen wird die Emissionsbelastung ermittelt. Bei einer zu hohen Emissionsbelastung wird ferner die Ursache ermittelt und an die Steuer- und Regeleinheit 1 übergeben. Dort wird entsprechend ein Gebläse 7 der Verbrennungsanlage gesteuert. Die ermittelte Emissionsbelastung wird in regelmäßigen Abständen mit Telekommunikationsmitteln 8 an eine Zentrale übermittelt. Ferner erfolgt eine Übermittlung wenn eine relevante Grenzwertüberschreitung vorliegt.
• Bezugszeichenliste

1

Regel- und Steuereinheit

2

Sauerstoffsensor zur Messung im Abgas

3

Temperatursensor zur Messung im Abgas

4

Temperatursensor zur Messung im Verbrennungsbereich

5

CO_e-Sensor zur Messung im Abgas

6

Rechnereinheit

7

Gebläse der Verbrennungsanlage

8

Telekommunikationsmittel

Claims (9)

1. Verfahren zur Überwachung einer Kleinfeuerungsanlage zur Verarbeitung fester Brennstoffe, bei dem durch Erfassung und Auswertung ausgewählter Kenndaten eine von der Kleinfeuerungsanlage ausgehende Emissionsbelastung ermittelt wird, wobei der Zusammenhang zwischen den ausgewählten Kenndaten und der Emissionsbelastung unter Benutzung von aus Referenzmessungen gewonnenen Daten rechnerisch ermittelt wird, wobei der CO_e -Gehalt im Abgas (5) zu den ausgewählten Kenndaten gehört dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Referenzmessung genutzte Kleinfeuerungs-anlage baugleich mit der zu überwachenden Kleinfeuerungsanlage ist oder zumindest hinreichend ähnlich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Kenndaten zusätzlich der Sauerstoffgehalt im Abgas (2) und/oder die Temperatur im Abgas (3) und/oder die Temperatur in einem Feuerungsraum (4) der Kleinfeuerungsanlage sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsdaten ermittelt werden, wobei die Betriebsdaten insbesondere ein Wirkungsgrad der Kleinfeuerungsanlage und/oder die jährlichen Betriebsstunden und/oder verwendete Brennstoffe und/oder Qualität von eingesetztem Brennstoff und/oder Menge von eingesetztem Brennstoff und/oder Qualität der Bedienung sind.
4. Kleinfeuerungsanlage zur Verarbeitung fester Brennstoffe ausgestattet mit einer Einheit (1, 6), die ausgebildet ist ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
5. Kleinfeuerungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinfeuerungsanlage so ausgebildet ist, dass nur ein Befugter die Erfassung und/oder die Auswertung der ausgewählten Kenndaten beeinflussen kann.
6. Kleinfeuerungsanlage nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten und/oder ausgewerteten Kenndaten ausgelesen werden können, insbesondere zu Zwecken einer Überwachung der Kleinfeuerungsanlage.
7. Kleinfeuerungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten und/oder ausgewerteten Kenndaten an eine Überwachungseinheit mit Telekommunikationsmitteln (8) übertragbar sind, wobei insbesondere bei Überschreitung von Grenzwerten eine Übertragung erfolgen kann.
8. Kleinfeuerungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten und/oder ausgewerteten Kenndaten zur Steuerung oder Regelung der Kleinfeuerungsanlage nutzbar sind.
9. Kleinfeuerungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit, die ausgebildet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durchzuführen, Bestandteil einer Regel- und Steuerungseinrichtung (1) der Kleinfeuerungsanlage ist.

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