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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung zur Verbrennung von festen organischen Brennstoffen in einer Hausfeuerungsanlage, wobei der Verbrennungsvorgang während verschiedener Brennphasen mittels einer Steuerung zumindest einer Luftzufuhreinrichtung abhängig von einer Zusammensetzung des Abgases der Hausfeuerungsanlage mittels Sensoren geregelt wird.
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Hausfeuerungsanlagen dienen der Wärmegewinnung für Heizung, Warmwasserzubereitung und dergleichen in Gebäuden mittels organischer fester Brennstoffe wie beispielsweise Stückholz, Pellets, Hackschnitzeln und dergleichen. Zu Beginn des Verbrennungsprozesses erfolgt die Entzündung wie Anzünden des Brennstoffs bei beginnender Zufuhr von Luft mittels einer Luftzufuhreinrichtung. Nach dem Zünden des Brennstoffs erhöht sich die Verbrennungstemperatur innerhalb der Zündphase. Bei oder kurz vor Erreichen einer Maximaltemperatur geht die Zündphase in eine Hochtemperaturphase über, die bei diskontinuierlicher Beschickung einer Hausfeuerungsanlage, beispielsweise bei einem Stückholzofen nach Abbrand des Brennguts in eine Ausbrandphase übergeht. In den einzelnen Brennphasen liegen unterschiedliche Verbrennungsbedingungen für den Brennstoff vor, die jeweils zu einer unterschiedlichen Energieausbeute und Abgaszusammensetzung führen.
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Zur Verminderung der Abgasbelastung und Steuerung einer Energieausbeute erfolgt daher eine Steuerung der Zufuhr von Luft mittels Regelgrößen, beispielsweise der Verbrennungstemperatur und der zugeführten Luftmenge. Zusätzlich kann die Schadstoffemission als Regelparameter für die Steuerung der Hausfeuerungsanlage dienen. Beispielsweise ist aus der
WO 2008/037413 A2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoffen in einem Ofen mit einer Primärbrennkammer und einer Sekundärbrennkammer mit jeweils einer Luftzufuhreinrichtung bekannt. Um eine verbesserte Verbrennung abhängig von den einzelnen Brennphasen zu erzielen, wird die erste Zufuhreinrichtung in der Zündphase abhängig von der Verbrennungstemperatur und in der Hochtemperaturphase abhängig von der Temperatur und einem Gehalt an Sauerstoff im Abgas geregelt. Die zweite Luftzufuhreinrichtung wird anhand der Temperatur und des Gehalts an nachverbrennbaren Reaktionsprodukten im Abgas geregelt. Hierbei wird ein einziger Sensor eingesetzt, der ein Summensignal für alle nachverbrennbaren Gase, also Kohlenmonoxid, oxidierbare Kohlenwasserstoffe und dergleichen bildet.
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Desweiteren ist aus Henrick Petersson, Martin Holberg: „Initial studies on the possibility to use chemical sensors to monitor and control boilers", Sensors & Actuators B 111–112 (2005), 487–493 bekannt, mittels eines Sensorarrays mit Sensoren unterschiedlicher Querempfindlichkeit für unterschiedliche Komponenten eine Zusammensetzung eines Abgases aus Holzverbrennungsprozessen zu bestimmen.
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Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Verbrennung von festen organischen Brennstoffen. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, den Schadstoffausstoß einer Hausfeuerungsanlage zu verringern.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruchs 1 und die Vorrichtung des Anspruchs 8 gelöst. Die von dem Anspruch 1 beziehungsweise dem Anspruch 8 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung wieder.
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Das vorgeschlagene Verfahren dient der Verbrennung von festen organischen Brennstoffen in einer Hausfeuerungsanlage. Hausfeuerungsanlagen können Brennkessel oder Öfen wie beispielsweise Kachelöfen, sogenannte Schwedenöfen oder dergleichen sein. Der Brennstoff kann vereinzelt als Stückholz, beispielsweise zur diskontinuierlichen Beschickung oder als Pellets, Hackschnitzel oder dergleichen zur kontinuierlichen Beschickung vorgesehen sein. Der Verbrennungsvorgang kann mittels der Steuereinrichtung während verschiedener Brennphasen mittels einer von einer Zusammensetzung des Abgases und der Hausfeuerungsanlage und gegebenenfalls der Verbrennungstemperatur geregelten Luftzufuhr geregelt werden. Hierzu sind zumindest zwei Abgaskomponenten erfassende Sensoren zur Ermittlung von Komponenten des Abgases im Abgasstrom und zumindest ein Temperaturfühler vorgesehen, wobei der im Abgas vorhandene Restsauerstoff mittels eines Sauerstoffsensors ermittelt werden kann. Weiterhin kann ein Temperaturfühler zur Erfassung der Verbrennungstemperatur vorgesehen sein. Dieser kann direkt am Brennbett oder im Abgasraum, beispielsweise in einer Sekundärbrennkammer einer Hausfeuerungsanlage mit Nachverbrennung der Abgase angeordnet sein. Alternativ kann aus beispielsweise empirisch ermittelten Eigenschaften des Brennraums die Verbrennungstemperatur aus Messwerten eines entfernt, beispielsweise im Abgasraum angeordneten Temperaturfühlers rückgeschlossen werden.
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Als Sensoren zur Ermittlung von Gehalten unterschiedlicher Komponenten der Abgaszusammensetzung können beispielsweise Halbleitersensoren, beispielsweise Zinndioxidsensoren, Hochtemperaturgassensoren wie beispielsweise nach dem Mischpotentialprinzip arbeitende Mischpotentialsensoren und/oder dergleichen vorgesehen sein. Die Sensoren können kontinuierlich oder getaktet messend betrieben werden. Beispielsweise können ein oder mehrere Sensoren während einzelnen Messvorgängen mit einem Temperaturprofil betrieben werden.
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Derartige Sensoren weisen in der Regel Querempfindlichkeiten zwischen den im Abgas der Hausfeuerungsanlage vorkommenden Abgasen wie beispielsweise Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff, beispielsweise gesättigte Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Methan, ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Ethen sowie weitere teiloxidierte Kohlenwasserstoffe mit funktionellen Gruppen wie beispielsweise Alkohole, Aldehyde, Ketone und dergleichen auf. Wird dabei ein einziger Sensor eingesetzt, ergibt sich ein Summensignal über alle Komponenten in jeder Brennphase, so dass eine Regelung zur Abgasminimierung relativ ungenau ist. Desweiteren hat sich gezeigt, dass die Abgaszusammensetzung über die Brennphasen in charakteristischer Art und Weise variiert. Es wird daher vorgeschlagen, mehrere, bevorzugt zwei Sensoren einzusetzen und deren Messsignale zu einer Stellgröße der zumindest einen Luftzufuhreinrichtung zu kombinieren. Unter Kombination ist hierbei jede mathematische Verknüpfung wie beispielsweise Addition, Produktbildung und dergleichen zu verstehen. In besonders vorteilhafter Weise wird dabei die Querempfindlichkeit der Sensoren in der Weise ausgenutzt, dass Sensoren verwendet werden, die eine unterschiedliche Querempfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxid und den im Abgas auftretenden Kohlenwasserstoffen aufweisen.
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Gleichzeitig wird zur besseren Steuerung der Verbrennung in den einzelnen Brennphasen jeweils ein Sensor gegenüber dem oder den anderen Sensoren bei der Bildung der Stellgröße gewichtet, der in der entsprechenden Brennphase die größere Sensitivität, also die größere Empfindlichkeit gegenüber den in dieser Brennphase gehäuft auftretenden Gaskomponenten aufweist. Dies bedeutet, dass aus einer Kombination von Messsignalen zumindest zweier beispielsweise auf Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe oder zwei oder mehrere unterschiedliche Kohlenwasserstoffe unterschiedlich querempfindlicher Sensoren eine Stellgröße für die zumindest eine Luftzufuhreinrichtung gebildet wird, wobei die Messsignale der einzelnen Sensoren abhängig von der Brennphase unterschiedlich gewichtet werden. Zur Festlegung kann beispielsweise einmalig vor einer Erstinbetriebnahme der Hausfeuerungsanlage bei festgelegtem Brennstoff beziehungsweise bei der Auslegung einer Hausfeuerungsanlage brennphasenspezifisch eine Abgasanalyse vorgenommen werden. Hieraus kann einerseits eine Auswahl geeigneter Sensoren und andererseits die Festlegung der phasenselektiven Wichtungsfaktoren über die vorgesehenen Brennphasen erfolgen. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass in der Zündphase bevorzugt leicht flüchtige, bevorzugt nachverbrennbare, beispielsweise ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie Ethen und dergleichen, Aldehyde, Alkohole und dergleichen bei der Verbrennung entstehen, während in der Hochtemperaturphase vorwiegend Kohlenmonoxid und Methan entstehen. Es wird daher vorgeschlagen, zumindest einen für Kohlenmonoxid höher sensitiven, das heißt gegenüber den anderen Komponenten weniger querempfindlichen ersten Sensor und zumindest einen insbesondere für nicht gesättigte Kohlenwasserstoffe und/oder Alkohole, Aldehyde und/oder dergleichen höher sensitiven, das heißt, gegenüber Kohlenmonoxid weniger querempfindlichen zweiten Sensor einzusetzen, um die Gehalts- wie beispielsweise Konzentrationsbestimmung der gasförmigen Abgaskomponenten in den verschiedenen Brennphasen genauer bestimmen zu können.
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Hierbei wird in vorteilhafter Weise in einer kontinuierlich mit Brennstoff beschickten Hausfeuerungsanlage mit zwei in eine Zündphase und eine Hochtemperaturphase gegliederten Brennphasen in der Zündphase der zweite Sensor mit höherer Wichtung und in der Hochtemperaturphase mit geringerer Wichtung gegenüber dem ersten Sensor und der erste Sensor in der Hochtemperaturphase mit höherer und in der Zündphase mit geringerer Wichtung gegenüber dem zweiten Sensor versehen, um in Kombination die Stellgröße zu bilden.
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Entsprechend können in einer diskontinuierlich mit Brennstoff beschickten Hausfeuerungsanlage mit drei in eine Zündphase, eine Hochtemperaturphase und eine Ausbrandphase gegliederten Brennphasen die Signale der zumindest zwei Sensoren in jeder Brennphase unterschiedlich, das heißt phasenspezifisch zur Bildung der Stellgröße gewichtet sein.
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Der Übergang der einzelnen Brennphasen ineinander, beispielsweise der Übergang von der Zündphase in die Hochtemperaturphase und der Übergang von der Hochtemperaturphase in die Ausbrandphase werden systemspezifisch beispielsweise anhand fester oder vom Verbrennungsverlauf abhängiger Messgrößen ermittelt. Beispielsweise kann zur Ermittlung des Übergangs zwischen Zündphase und Hochtemperaturphase der Ablauf eines bei Zündung gestarteten Zeitintervalls vorgesehen sein. Weiterhin kann eine eine Temperaturschwelle über- beziehungsweise unterschreitende Verbrennungstemperatur oder Abgastemperatur als Messgröße zur Festlegung eines Übergangs zwischen Zündphase und Hochtemperaturphase und/oder zwischen Hochtemperaturphase und/oder Ausbrandphase vorgesehen werden. Weiterhin kann als Messgröße ein eine Temperaturgradientenschwelle unterschreitender Temperaturgradient zur Festlegung eines Übergangs zwischen Zündphase und Hochtemperaturphase vorgesehen sein, während ein Übergang von der Hochtemperaturphase in die Ausbrandphase mittels eines eine Temperaturgradientenschwelle überschreitenden Temperaturgradienten erkannt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein Übergang zwischen den verschiedenen Brennphasen mittels der Messsignale der Sensoren selbst erkannt werden, indem beispielsweise Absolutwerte dieser ausgewertet werden. Unterschreitet beispielsweise ein Messsignal eines auf Kohlenmonoxid höher sensitiven Sensors eine vorgegebene Schwelle und/oder unterschreitet ein Messsignal eines auf ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Aldehyde oder dergleichen höher sensitiven Sensors eine vorgegebene Schwelle, kann ein Übergang von der Zündphase in die Hochtemperaturphase erkannt werden und eine Änderung der Wichtung der zu der Stellgröße der zumindest einen Luftzufuhreinrichtung kombinierten Messsignale der einzelnen Sensoren vorgenommen werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens und einer zugehörigen Hausfeuerungsanlage kann diese eine Primärbrennkammer mit einer ersten Luftzufuhreinrichtung und eine mit dieser verbundene Sekundärbrennkammer mit einer zweiten Luftzufuhreinrichtung aufweisen, wobei die erste Luftzufuhreinrichtung zumindest in der Zündphase abhängig von der Verbrennungstemperatur und die zweite Luftzufuhreinrichtung mittels der vorgeschlagenen Stellgröße aus den zumindest zwei Sensoren mit abhängig von der Brennphase gewichteten Messsignalen geregelt wird. In vorteilhafter Weise kann die erste Luftzufuhreinrichtung in der Hochtemperaturphase und in der Ausbrandphase abhängig von der Verbrennungstemperatur und abhängig von dem Sauerstoffgehalt des Abgases geregelt werden. Hierzu kann zusätzlich zu den zumindest zwei Sensoren ein Sauerstoffsensor, beispielsweise ein potentiometrisch betriebener Sensor, beispielsweise eine Lambdasonde, ein amperometrisch betriebener elektrochemischer Sensor, ein paramagnetisch messender Sensor oder ein optischer, eine Fluoreszenzlöschung oder eine Absorption messender Sauerstoffsensor vorgesehen sein. Desweiteren kann die Stellgröße zusätzlich zu den Messsignalen der beiden Sensoren abhängig von weiteren Parametern, beispielsweise einem Sauerstoffgehalt im Abgas, der Verbrennungstemperatur, der Temperatur in der Sekundärbrennkammer und/oder dergleichen abhängig gebildet sein. Es versteht sich, dass auch weitere, in anderer Weise technisch ausgebildete Hausfeuerungsanlagen beispielsweise mit drei oder mehr Verbrennungsluftströmen von der Erfindung umfasst sind.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung dient der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens und enthält eine Hausfeuerungsanlage mit zumindest einer Beschickungsöffnung zur Zufuhr von festem, vereinzeltem organischem Brennstoff auf einen Brennrost, zumindest einer Luftzufuhreinrichtung, einem Abgasbereich zur Abfuhr von Verbrennungsgas sowie zumindest zwei gegenüber verschiedenen Abgaskomponenten, beispielsweise gegenüber Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff querempfindlichen Sensoren. Die Sensoren können einzeln, das heißt jeweils in einem eigenen Gehäuse konfektioniert in dem Abgasraum untergebracht sein. Alternativ können zumindest die zumindest zwei Sensoren zu einem Sensorarray zusammengefasst sein. Dies bedeutet, dass die einzelnen sensorisch aktiven Oberflächenschichten in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein können oder jeweils ein Sensor mit Oberflächenschicht in einem eigenen Gehäuse untergebracht ist und die Gehäuse zusammengefasst in einem diese umgebenden Gehäuse untergebracht sind. Das Sensorarray ist dabei im Abgasraum untergebracht. Alternativ können beispielsweise zum Schutz der Sensoren vor hohen Temperaturen und aggressiven Bedingungen im Abgasstrom im Bypass-Verfahren betrieben werden, wobei die Sensoren parallel oder seriell in ein Leitungssystem eingebunden sind, über welches Leitungssystem Abgas transportiert, beispielsweise angesaugt oder durchgepumpt, die Sensoren passiert und anschließend ins Freie oder in den Abgasstrom abgegeben wird.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung enthält zumindest einen Sensor mit einer höheren Querempfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxid als gegenüber den übrigen Verbrennungsgasen und einen weiteren Sensor mit einer höheren Querempfindlichkeit gegenüber Kohlenwasserstoffen als gegenüber Kohlenmonoxid.
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Die Regelung der Luftzufuhreinrichtung für eine Zufuhr von Luft beispielsweise in eine Primärbrennkammer und/oder Sekundärbrennkammer kann beispielsweise mittels einer Regelung einer Stellklappe zur Zufuhr von Luft, eine Volumenstromregelung der Zuluft oder dergleichen vorgesehen sein.
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Die Erfindung wird anhand des in der einzigen Figur darstellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt eine Ablaufroutine zur Ermittlung der Stellgröße für eine Hausfeuerungsanlage.
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Die Ablaufroutine 1 dient der Ermittlung der Stellgröße SG aus zwei Messsignalen M(S1), M(S2) abhängig von zwei Brennphasen einer Hausfeuerungsanlage anhand der Temperatur T, beispielsweise der Verbrennungstemperatur oder der Abgastemperatur in einem Sekundärbrennraum. Die Stellgröße SG dient in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Regelung der Luftzufuhr in den Sekundärbrennraum der Hausfeuerungsanlage. Die Ablaufroutine 1 wird mit dem Block 2 gestartet und mit dem Block 3 nach einem entsprechenden Interrupt beendet.
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In Block 4 werden die Messsignale M(S1), M(S2) zweier zueinander bezüglich der zu erfassenden Abgaskomponenten der Hausfeuerungsanlage querempfindlicher Sensoren, beispielsweise eines Kohlenmonoxidsensors mit dem Messsignal M(S1) und eines Kohlenwasserstoffsensors mit dem Messsignal M(S2) sowie die Temperatur T, beispielsweise die Verbrennungstemperatur erfasst.
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In der Verzweigung 5 wird beispielsweise anhand von unter- oder überschrittenen Temperaturschwellen der Temperatur T, beispielsweise der Verbrennungstemperatur oder der Temperatur im Sekundärbrennraum abgefragt, ob die Brennphase BP die Zündphase ZP ist. Ist dies nicht der Fall, handelt es sich um die Hochtemperaturphase und Block 6 wird angewählt. Aus dem beispielsweise empirisch ermittelten Verhalten der Hausfeuerungsanlage ist vorab bekannt, dass in der Hochtemperaturphase der Gehalt an Kohlenmonoxid eine übergeordnete Bedeutung aufweist und der Gehalt an Kohlenwasserstoffen unbedeutend ist. Der Wichtungsfaktor K(S1) für das Messsignal M(S1) wird deshalb größer gewählt als der Wichtungsfaktor K(S2) für das Messsignal M(S2).
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Wird in der Verzweigung 5 erkannt, dass die Brennphase BP gleich der Zündphase ZP ist, wird in Block 7 der Wichtungsfaktor K(S1) kleiner als der Wichtungsfaktor K(S2) ausgebildet, da für die Zusammensetzung des Abgases der Gehalt an Kohlenwasserstoffen in der Zündphase ZP die größere Bedeutung aufweist. Es wird dabei darauf hingewiesen, dass in der Zündphase bereits Gehalte an Kohlenmonoxid auftreten können, die größer als die Gehalte an Kohlenwasserstoffen sind, so dass eine entsprechende Wichtung des Messsignals M(S2) des Kohlenwasserstoffsensors von besonderem Vorteil für die Bestimmung der Abgasqualität ist.
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In Block 8 werden die ermittelten Messsignale M(S1), M(S2), die ermittelten Wichtungsfaktoren K(S1), K(S2) und die Temperatur T zu dem Stellsignal SG in einer mathematischen Verknüpfung kombiniert.
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In Block 9 wird die Stellgröße SG an die Einrichtung zur Regelung der Hausfeuerungsanlage ausgegeben und die Ablaufroutine 1 wird bei fehlendem Interrupt mit Block 4 neu gestartet. Die Stellgröße SG kann mittels weiterer Parameter, beispielsweise Kalibrationsparametern, Formparametern und/oder dergleichen sowie anwendungsspezifischen Parametern an den Verbrennungsprozess und an die Hausfeuerungsanlage angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Henrick Petersson, Martin Holberg: „Initial studies on the possibility to use chemical sensors to monitor and control boilers“, Sensors & Actuators B 111–112 (2005), 487–493 [0004]
