DE202014004495U1 - Einspritzvorrichtung und System zur Rauchgasentstickung - Google Patents

Abstract

Einspritzvorrichtung (1) zur gezielten Einspritzung eines Reaktionsmittels (2) in die Reaktionszone (3) eines Brennraums (4) zur Rauchgasentstickung durch selektive nicht-katalytische Reduktion, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1) eine Austrittsdüse (5) oder mehrere Austrittsdüsen (5) zur Einspritzung des Reaktionsmittels (2) in einen Einspritzbereich (6) und eine Bewegungsvorrichtung (7) zur geregelten Bewegung der Austrittsdüse(n) (5) umfasst, sodass der Einspritzbereich (6) in der Reaktionszone (3) des Brennraums (4) liegt oder auf die Reaktionszone (3) gerichtet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht-katalytische Reduktion. Ferner betrifft die Erfindung eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Reaktionsmittels zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht-katalytische Reduktion. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System, ein Verfahren sowie eine Lanze zur Entstickung des Verbrennungsgases bzw. des Rauchgases in einem Brennraum einer Feuerungsanlage, in einem Brennraum einer Großfeuerungsanlage, in einem Brennraum einer Müllverbrennungsanlage, in einem Brennraum einer Feuerungsanlage zur Zementherstellung oder in einem Brennraum eines Kessels zur Dampferzeugung, wobei die maximale Brennraumtemperatur bevorzugt über 800° Celsius, 1000°C, 1200°C oder 1500°C beträgt.
• In derartigen Brennräumen, insbesondere bei Temperaturen von über 1000°, entstehen Stickoxide, die in weiterer Folge als NO_X abgekürzt werden. Insbesondere entsteht bei erhöhten Brennraumtemperaturen von über 1000° sogenanntes thermisches NO_x durch Oxidation des in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoffs. Immer strenger werdende NO_x Abgasbestimmungen führen zu dem technischen Problem, die NO_x-Emissionen von Industriefeuerungsanlagen zu verringern.
• Dazu gibt es gemäß Stand der Technik beispielsweise Katalysatoren, bei denen in einer katalytischen Reaktion NO_x in Stickstoff und andere, nicht reglementierte Oxide umgewandelt werden.
• Nachteil an der selektiven katalytischen Reduktion durch Katalysatoren ist, dass derartige Katalysatoren für Großfeuerungsanlagen mit erheblichen Kosten verbunden sind. Insbesondere der hohe Durchsatz an Rauchgas erfordert aufwendige Konstruktionen zur Gewährleistung der Funktionalität des Katalysators. Weiters unterliegen RG-Katalysatoren einem Verschleiß und erzeugen einen zusätzlichen Druckverlust im Abgassystem der überwunden werden muss und somit zusätzlich elektrische Energie benötigt.
• Ferner sind dem Stand der Technik Systeme zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion zu entnehmen. Bei diesem System wird Ammoniak (NH3) oder Harnstoff (CH4N2O) in den Brennraum eingespritzt, um eine Rauchgasentstickung zu bewirken. Nachteilig an den herkömmlichen Konstruktionen ist, dass die herkömmlichen Verfahren zur nicht-katalytische Reduktion durch Einspritzung eines Reaktionsmittels ineffizient sind und die geforderten Emissionsgrenzwerte teilweise nicht oder nur mit erheblichem NH3 Schlupf erreichen.
• Die optimalen Reaktionstemperaturen des Reaktionsmittels mit dem Brennraumgas zur nicht-katalytischen Reduktion liegen in einem Temperaturfenster zwischen 800°C und 1100°C und bevorzugt zwischen 950°C und 1050°C oder gegebenenfalls zwischen 850 und 1000°C.
• Die Lage des Rauchgasbereichs, der dieses Temperaturfenster aufweist, ist im Brennraum jedoch nicht ortsfest angeordnet, sondern verschiebt sich innerhalb des Brennraums abhängig beispielsweise von der Last, von dem verwendeten Brennstoff und von anderen Prozessparametern. Auch die Form dieser Reaktionszone ist insbesondere von Strömungsverhältnissen abhängig, die nicht konstant, sondern gegebenenfalls stark wechselnd sind.
• Um dennoch eine ausreichende Entstickung zu bewirken, wird gemäß Stand der Technik das Reaktionsmittel großflächig in den Brennraum eingebracht. Überschüssiges Reaktionsmittel wird dabei über das Rauchgas abgegeben und erzeugt dadurch weitere Emissionen. Ammoniakschlupf und Lachgasemissionen sind die unerwünschten Folgen dieser ineffizienten Stand-der-Technik-Verfahren.
• Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein System, eine Anlage und eine Einspritzvorrichtung zur Entstickung in einem Brennraum zu schaffen, deren Effizienz gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Dies beinhaltet insbesondere, dass das Reaktionsmittel gezielt in die Reaktionszone (RG-Temperaturprofil) eingebracht wird. Es umfasst ferner, dass eine optimale Menge des Reduktionsmittels in die Reaktionszone eingebracht wird. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Aufgabe, dass eine effiziente und gegebenenfalls möglichst vollständige Entstickung des Rauchgases erfolgt.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
• Die Erfindung betrifft insbesondere eine Einspritzvorrichtung zur gezielten Einspritzung eines Reaktionsmittels in die Reaktionszone eines Brennraums zur Rauchgasentstickung durch selektive nicht-katalytische Reduktion, wobei die Einspritzvorrichtung eine Austrittsdüse oder mehrere Austrittsdüsen zur Einspritzung des Reaktionsmittels in einen Einspritzbereich und eine Bewegungsvorrichtung zur geregelten oder gesteuerten Bewegung der Austrittsdüse(n) umfasst, sodass der Einspritzbereich in der Reaktionszone des Brennraums liegt oder auf die Reaktionszone gerichtet ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Austrittsdüse(n) an einer über die Bewegungsvorrichtung bewegbaren Lanze und insbesondere an der Spitze der Lanze vorgesehen ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Bewegungsvorrichtung einen Grundkörper zur ortsfesten Verbindung mit dem Brennraum umfasst, und dass ein geregelter Antrieb oder mehrere geregelte Antriebe vorgesehen sind, über die die Lanze und/oder die Austrittsdüse(n) gegenüber dem Grundkörper linear und/oder rotatorisch bewegbar sind, sodass die Austrittsdüse(n) in eine Stellung bringbar sind, in der eine gezielte Einspritzung des Reaktionsmittels in die Reaktionszone erfolgt.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Lanze einfahrbar und ausfahrbar mit dem Grundkörper gekoppelt ist, wobei die maximale Ausfahrlänge der Lanze bevorzugt zumindest 0,2 m bis 6 m oder mehr beträgt, und/oder dass die Lanze einfahrbar oder eingefahren ist, sodass die Spitze der Lanze bzw. die Austrittsdüse in der Brennraumwand versenkt ist oder plan mit der Brennraumwand abschließt.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Austrittsdüse(n) an einem von der Lanze um einen Einspritzwinkel abgewinkelten Abschnitt angeordnet sind oder dass die Einspritzrichtung der Einspritzdüsen um einen Einspritzwinkel von der Längsachse der Lanze abweicht, wobei gegebenenfalls der Einspritzwinkel etwa 15° bis 90° von der Längsachse der Lanze und/oder von der Ausfahrrichtung abgewinkelt ist und insbesondere 15°, 30°, 45°, 60° oder 90° beträgt, sodass durch Drehung der Lanze um ihre Längsachse die Position und die Richtung des Einspritzbereiches veränderbar ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Einspritzvorrichtung einen Brennraumabschnitt umfasst, in dem das heiße Brennraumgas in Kontakt mit Teilen der Einspritzvorrichtung steht und in den insbesondere zumindest ein Teil der Lanze ragt, dass die Einspritzvorrichtung einen Außenabschnitt umfasst in dem insbesondere ein Antrieb für die Lanze und ein Teil der Lanze selbst vorgesehen sind, und dass eine Dichtungsanordnung vorgesehen ist, durch die der Außenabschnitt vor einem Eindringen des Brennraumgases abgedichtet ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung eine oder mehrere Lanzenöffnungen zur Durchführung der Lanze aufweist, oder dass die Dichtungsanordnung eine oder mehrere Lanzenöffnungen aufweist, durch die die Lanze hindurchgeführt ist, und dass zumindest eine Lanzenöffnung durch die Dichtungsanordnung abgedichtet ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung eine Sperrluftkammer umfasst, durch die die Lanze hindurchgeführt ist und in die eine Leitung zur Zuführung von Sperrluft mündet, wobei die Lanze bevorzugt durch zwei Lanzenöffnungen geführt ist, sodass die Lanze im Bereich der Dichtungsanordnung und insbesondere in der Sperrluftkammer von Sperrluft umspült ist und/oder dass in der Sperrluftkammer ein Überdruck gegenüber dem Brennraum herrscht, sodass ein Eindringen des Brennraumgases in die Sperrluftkammer durch eine Lanzenöffnung verhindert oder verringert ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung einen Abscherkörper umfasst, der spielbehaftet oder anliegend an der Lanze anliegt, oder der sich ringförmig um die Lanze herum erstreckt, wobei der Abscherkörper in Richtung der Längsachse der Lanze im Wesentlichen starr mit dem Grundkörper verbunden oder gehaltert ist, sodass bei einer Bewegung der Lanze entlang der Längsachse eine Relativbewegung zwischen der Lanze und dem Abscherkörper erfolgt und an der Außenseite der Lanze anhaftende Verschmutzungen, wie beispielsweise an der Lanze kondensierte Brennrückstandsansammlungen, abgeschert werden.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Einspritzvorrichtung eine Reaktionsmittelleitung umfasst, die sich insbesondere von einem Reaktionsmitteltank durch die Lanze bis zu der Austrittsdüse erstreckt, dass die Einspritzvorrichtung gegebenenfalls eine Zerstäubermediumsleitung umfasst, die sich insbesondere von einem Zerstäubermediumstank durch die Lanze bis zu der Austrittsdüse erstreckt, und dass die Einspritzvorrichtung eine geregelte und/oder gesteuerte Fördervorrichtung zur Förderung des Reaktionsmittels und/oder des Zerstäubermediums und zur Einspritzung des Reaktionsmittels und/oder des Zerstäubermediums in die Reaktionszone des Brennraums umfasst, wobei das Zerstäubermedium beispielsweise Pressluft, Dampf oder Erdgas ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Einspritzvorrichtung eine mit einem Kühlmedium wie beispielsweise Luft oder Gas durchströmte Kühlleitung umfasst, die insbesondere kammer- oder rohrförmig im Bereich der Außenseite der Lanze vorgesehen ist, um die Außenseite der Lanze zu kühlen.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Reaktionsmittelleitung und gegebenenfalls die Zerstäubermediumsleitung in der Lanze innerhalb der Kühlleitung angeordnet ist, sodass die Reaktionsmittelleitung und gegebenenfalls die Zerstäubermediumsleitung in der Lanze von der Kühlleitung umgeben und gekühlt ist oder sind.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass in der Lanze die Reaktionsmittelleitung innerhalb der Zerstäubermediumsleitung angeordnet ist und die Zerstäubermediumsleitung in der Kühlleitung angeordnet ist, und dass die Reaktionsmittelleitung und die Zerstäubermediumsleitung in die Austrittsdüse münden, sodass das Reaktionsmittel zerstäubt durch die Austrittsdüse in die Reaktionszone abgegeben wird.
• Gegebenenfalls betrifft die Erfindung ein System zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht-katalytische Reduktion umfassend: ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell, das in einem zeitlichen Aktualisierungsintervall eine aktuelle dreidimensionale Temperaturverteilung im Brennraum und die dreidimensionale Lage und den dreidimensionalen Verlauf einer Reaktionszone berechnet und bestimmt, Sensoren zur Aufnahme und gegebenenfalls zur Echtzeit-Aufnahme von Wärmedaten im Brennraum, wobei diese Sensordaten als Eingangsgrößen dem dynamischen Echtzeit-Simulationsmodell zugeführt werden oder sind, eine oder mehrere Einspritzvorrichtungen die jeweils über einen oder mehrere Antriebe bewegbar sind, wobei über die Einspritzvorrichtungen ein Reaktionsmittel gezielt in die Reaktionszone einspritzt und verteilt wird oder ist, und/oder eine Regelungsanordnung, die die Position und die Menge der Einspritzung des Reaktionsmittels regelt.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Brennraum ein Brennraum einer Feuerungsanlage, ein Brennraum einer Großfeuerungsanlage, ein Brennraum einer Müllverbrennungsanlage, ein Brennraum einer Feuerungsanlage zur Zementherstellung oder ein Brennraum eines Kessels zur Dampferzeugung ist, wobei die maximale Brennraumtemperatur insbesondere über 800°C oder über 1000°C beträgt
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Brennraumtemperatur und die Temperatur des im Brennraum befindlichen Brennraumgases ausgehend von einer Brenneranordnung im Verlauf des Brennraumes und im Verlauf der Strömung des Brennraumgases abnimmt, und dass die Reaktionszone ein Temperaturbereich im Brennraum oder des Brennraumgases ist, bei der die Reaktion des Reaktionsmittels zur Entstickung optimiert ist, und/oder dass die Reaktionszone jener Bereich des Brennraums ist, in dem das Brennraumgas Temperaturen zwischen 800°C und 1100°C, bevorzugt Temperaturen zwischen 950°C und 1050°C aufweist oder gegebenenfalls zwischen 850°C und 1000°C, zwischen 850°C und 950°C zwischen 800°C und 1200°C. Die Reaktionszone ist bevorzugt eine einzige zusammenhängende Zone im Brennraum.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Reaktionszone eine Zone des Brennraums ist, wobei sich die Lage und die Form der Reaktionszone über die Zeit verändert, und dass die Lage und die Form der Reaktionszone durch das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell in einem Aktualisierungsintervall unter Einbeziehung von Sensordaten berechnet und bestimmt wird, wobei das Aktualisierungsintervall bevorzugt zwischen 1 und 60 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 Sekunden beträgt.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Reaktionsmittel Ammoniak oder Harnstoff enthält und insbesondere Ammoniakwasser oder Harnstofflösung ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Sensoren mehrere entlang des Brennraums und entlang der Strömung des Brennraumgases beabstandet voneinander angeordnete Echtzeit-Wärmeflusssensoren umfassen.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Sensoren eine oder mehrere Flammkameras oder Pyrometer zur optischen Thermographie umfassen, wobei eine Flammkamera oder ein Pyrometer bevorzugt im Bereich der Brenneranordnung zur Bestimmung der Flammtemperaturen vorgesehen ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell auf einem Computer oder auf einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt wird oder ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass durch das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell die Geschwindigkeit des Brennraumgases an unterschiedlichen Stellen, bevorzugt an allen Stellen des Brennraums berechnet und bestimmt wird.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass Prozessdaten wie Rauchgastemperatur, Brennstoffregelung, Rauchgasgeschwindigkeit, Rauchgasverweilzeit, Sekundärluftsteuerung, Tertiärluftsteuerung, Sauerstoffgehalt im Abgas, Stickstoffoxidkonzentration im Abgas, Kohlenmonoxidgehalt im Abgas, Ammoniakschlupf, Staubkonzentrationen, Stickstoffoxidabscheiderate und/oder die zugeführte Brennstoffmenge dem Echtzeit-Simulationsmodell und/oder der Regelungsanordnung zugeführt werden, wobei diese Prozessdaten insbesondere zur Berechnung einer Echtzeit-roh-NO_x-Vorhersage, zur Kalibrierung der Sensoren und/oder zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells dienen.
• Gegebenenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht-katalytische Reduktion umfassend folgende Schritte: Bestimmung und Berechnung einer aktuellen dreidimensionalen Temperaturverteilung im Brennraum und der dreidimensionale Lage und des dreidimensionalen Verlaufs einer Reaktionszone durch ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell in einem zeitlichen Aktualisierungsintervall; Aufnahme und insbesondere Echtzeit-Aufnahme von Wärmedaten des Brennraums durch Sensoren; Zuführen der Sensordaten als Eingangsgrößen für das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell; Antreiben und Bewegen der Einspritzvorrichtungen, wobei das Antreiben und Bewegen der Einspritzvorrichtungen von einer Regelungsanordnung geregelt wird; gezieltes Einspritzen eines Reaktionsmittels in die Reaktionszone, wobei das Einspritzen und insbesondere die Einspritzmenge von einer Regelungsanordnung geregelt wird.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Brennraumtemperatur und die Temperatur des im Brennraum befindlichen Brennraumgases ausgehend von einer Brenneranordnung im Verlauf des Brennraumes und im Verlauf der Strömung des Brennraumgases abnimmt, dass die Reaktionszone einen Temperaturbereich im Brennraum oder des Brennraumgases ist, bei der die Reaktion des Reaktionsmittels zur Entstickung optimiert ist, oder dass die Reaktionszone jener Bereich des Brennraums ist, in dem das Brennraumgas Temperaturen zwischen 800°C und 1100°C, bevorzugt Temperaturen zwischen 950°C und 1050°C aufweist, und dass das Reaktionsmittel in diese Reaktionszone eingespritzt wird.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Reaktionszone eine Zone des Brennraums ist, wobei sich die Lage und die Form der Reaktionszone über die Zeit und/oder bei Veränderung der Last verändert, und dass die Lage und die Form der Reaktionszone durch das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell in einem Aktualisierungsintervall unter Einbeziehung von Sensordaten berechnet und bestimmt wird, wobei das Aktualisierungsintervall bevorzugt zwischen 1 und 60 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 Sekunden, beträgt.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Reaktionsmittel Ammoniak oder Harnstoff und gegebenenfalls Additive enthält und insbesondere Ammoniakwasser oder Harnstofflösung ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass Sensordaten von mehreren entlang des Brennraums und entlang der Strömung des Brennraumgases beabstandet voneinander vorgesehene Echtzeit-Wärmeflusssensoren aufgenommen werden, und dass Sensordaten gegebenenfalls von einer oder mehreren Flammkameras oder Pyrometer zur optischen Thermographie aufgenommen werden, wobei eine gegebenenfalls vorgesehene Flammkamera bevorzugt im Bereich der Brenneranordnung zur Bestimmung der Flammtemperatur vorgesehen ist.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell auf einem Computer oder auf einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt wird.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell die Geschwindigkeit des Brennraumgases an unterschiedlichen Stellen, bevorzugt an allen Stellen des Brennraums berechnet und bestimmt.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass Prozessdaten wie Rauchgastemperatur, Brennstoffregelung, Rauchgasgeschwindigkeit, Rauchgasverweilzeit, Sekundärluftsteuerung, Tertiärluftsteuerung, Sauerstoffgehalt im Abgas, Stickstoffoxidkonzentration im Abgas, Kohlenmonoxidgehalt im Abgas, Ammoniakschlupf, Staubkonzentrationen, Stickstoffoxidabscheiderate und/oder die zugeführte Brennstoffmenge dem Echtzeit-Simulationsmodell und/oder der Regelungsanordnung zugeführt werden, wobei diese Prozessdaten insbesondere zur Berechnung einer Echtzeit-roh-NO_x-Vorhersage, zur Kalibrierung der Sensoren und/oder zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells dienen.
• Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das von einer Einspritzvorrichtung erreichbare Rauchgasvolumen in der Reaktionszone errechnet wird, dass die Regelungsanordnung die Einspritzvorrichtung über einen oder mehrere Antriebe ausrichtet, dass die optimale Menge oder der Volumenstrom des einzuspritzenden Reaktionsmittels errechnet wird, und dass die Regelungsanordnung eine Förderung der optimalen Menge oder des optimalen Volumenstroms bewirkt, sodass das Reaktionsmittel in optimaler Menge in das errechnete Rauchgasvolumen eingespritzt wird.
• In weiterer Folge wird eine mögliche Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Erfindung betrifft beispielsweise ein Verfahren zur Reduzierung von Stickoxid-Emissionen mittels hocheffektiver SNCR (DeNOx) Anlage für Industriefeuerungsanlagen. Die Erfindung bezieht sich dabei auf ein Verfahren zur Entstickung von Rauchgasen in Verbrennungsräumen von Hochtemperatur-Industrieanlagen. Die Reduzierung von Stickoxiden (NOx) zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) erfolgt mit Hilfe von Ammoniak (NH3) oder ammoniakhaltigen Verbindungen (NH4OH, bzw. Harnstoff). Anlagenteile einer selektiven nicht-katalytische Reduktion (SNCR) Anlage zur Reduzierung der Stickoxide-Emissionen sind die Tankanlage, Mess- und Mischanlage, Rauchgas-Temperaturmessung sowie das Eindüsungssystem für das Reaktionsmittel. Zur Reduzierung der NO Emissionen in SNCR Anlagen werden Lanzen verwendet, die flüssiges NH4OH eindüsen um die folgende Reaktion zu erzielen: 2NO + 2NH3 + 0,5O2 → 2N2 + 3H2O
• Voraussetzung dieser Reaktion ist gegebenenfalls eine oxidierende Atmosphäre (überstöchiometrisch) im Rauchgasstrom. Das optimale Temperaturfenster der Reaktion liegt beispielsweise bei 850°C bis 1050°C, damit beispielsweise eine Stickoxid-Abbaurate von bis zu 60% erreicht werden kann.
• Die chemische Umwandlung der Reduktionsmittel funktioniert örtlich nur dort, wo das Reduktionsmittel auf NO Emissionen trifft. Wenn die Eindüsung nicht optimal getroffen wird, kommt es zum NH3 Schlupf, d. h. Ammoniak der nicht an der chemischen Reaktion teilnimmt und somit ungenutzt im Rauchgas emittiert.
• Apparative Einrichtungen der erfindungsgemäßen Technologie:
• Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch eine online- bzw. Echtzeit-3D-Thermographie zur Ermittlung des idealen Temperaturfensters im Rauchgas aus. Dieses System berechnet aus Eingabedaten wie beispielsweise Brennstoff, Verbrennungsluft, Brennraumgeometrie, etc. das theoretische Rauchgastemperaturprofil und dessen Zusammensetzung im Brennraum. Eine weitere Eigenschaft zur Optimierung des Systems ist die Überlagerung der errechneten Rauchgas-Temperaturwerte mit den gemessenen Istwerten. Damit wird die Berechnung des 3D-Temperaturprofils online optimiert und kalibriert.
• Die einstellbaren SNCR Düsenstöcke, insbesondere die Lanzen, zeichnen sich bevorzugt durch eine motorisch betriebene axiale Verschiebung und Dreheinrichtung aus, um die Längsachse drehbare (beispielsweise +/–75°) und längs verschiebbare Düsenstöcke um das Reaktionsmittel gesteuert in die Mitte oder in einen optimale Bereich des 3 dimensional berechneten Temperaturfenster einzudüsen.
• Die elektrisch einstellbaren SNCR Düsenstöcke zeichnen sich weiters gegebenenfalls durch einen abgewinkelten Düsenkopf aus, dessen Winkel beispielsweise zwischen 15° und 90° betragen kann. Durch die elektrisch gesteuerte Drehbewegung um die Längsachse des Düsenstocks kann dem korrekt nutzbaren 3-dimensionalen Temperaturfenster des Rauchgasstromes nachgefahren werden, um das Reaktionsmittel optimal eindüsen zu können.
• Die einstellbaren SNCR Düsenstöcke zeichnen sich außerdem gegebenenfalls durch einen abgewinkelten Düsenkopf aus, der an der Düsenspitze mindestens eine, jedoch bevorzugt zwei bis fünf Düsenöffnungen besitzt, um einen fächerartigen Strahl zu erzeugen, der großflächig das Rauchgas besprüht.
• Das Verfahren ist bevorzugt weiters dadurch gekennzeichnet, dass mittels online 3D-Thermographie, die eingesetzten o. a. SNCR Düsenstöcke kennfeldgesteuert betrieben werden. Die errechneten Betriebswerte des Rauchgasstroms und dessen Lage im Brennraum steuert entsprechend die SNCR Düsenstöcke. Es wird bevorzugt jeweils die Reaktionsmittelmenge sowie die axiale Position (Eintauchtiefe) und die Lage (Drehwinkel) der SNCR Düsenstöcke berechnet und durch einen Regelkreis nachgefahren bzw. optimiert.
• Exemplarische Vorteile dieser Ausführungsform der Erfindung sind:
• – Reduzierung des Reaktionsmittels bei gleichen oder niedrigeren NOx-Emissionswerten: Durch die erfindungsgemäße Anlagentechnik wird der Einsatz der Menge des Reaktionsmittels im Verhältnis zur Rauchgasmenge optimiert. Durch die kennfeldgesteuerte Einspritzung wird das Reaktionsmittel im geeigneten Temperaturfeld optimiert, Zonen mit ungenügender Rauchgastemperatur werden nicht mit Reaktionsmittel beaufschlagt und daher die Reaktionsmittelmenge reduziert. Somit wird auf das inhomogene RG-Temperaturprofil Rücksicht genommen, wodurch eine örtliche höhere Reduzierung erfolgen kann. Dies erwirkt in Summe eine höhere Stickoxid-Abbaurate von beispielsweise bis zu 80% oder höher im Verhältnis zu starren Systemen.
• – Reduzierung des Ammoniakschlupfes: Als Folge der Optimierung der Eindüsung des Reaktionsmittels, lässt sich der entstehende NH3 Schlupf (dies ist der Anteil der nicht reagierenden Reaktionsmittel-Anteile im Rauchgas) entsprechend optimieren, da nur mehr in Zonen des korrekten Temperaturfensters des Rauchgases eingedüst wird und nicht über den gesamten RG-Querschnitt des Brennraumes, welcher unterschiedliche Temperaturzonen aufweist.
• – Reduzierung der Eindüsestellen (Installations- und Betriebskosten): Durch die zuvor beschriebene Anlagenoptimierung bzw. das neuartige System, erfolgt eine Reduktion der Vielzahl von Eindüsestellen für das Reakionsmittel in den Rauchgasstrom. Dadurch werden weniger Öffnungen in der Brennkammerwand (Kesselwand) benötigt. Als Folge der geringeren Anzahl der elektrisch, positionierten Düsenstöcke wird die Installation der Anlage vereinfacht, sowie auch die Steuerung der Anlage effizienter. Die Installationskosten werden im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert.
• – Reduzierung der Gesamtanlagenkosten: Durch die erfindungsgemäße Anlagenoptimierung werden gegebenenfalls weniger SNCR Düsenstöcke eingesetzt und in Folge durch die weitere NOx Reduzierung zum Stand der Technik ggf. der Einsatz einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) d. h. Rauchgaskatalysators nicht notwendig oder deutlich verkleinert werden, da mit der effizienteren SNCR Technik die gesetzlichen Grenzwerte eingehalten werden können. Es ergibt sich eine wesentliche Einsparung in Investitions-, Montagekosten und Betriebskosten, neben der höheren Anlagenverfügbarkeit.
• – Reduktion bzw. Eliminierung des Deonatwassers: Um die Zerstäubungsqualität und dessen Druck bei reduziertem Reaktionsmitteleinsatz (Angleichung an den tatsächlichen Verbrauch) an der Düse zu gewähren, wird bei herkömmlichen Anlagen ein Deonatwasser eingesetzt, welches die reduzierte Reaktionsmittel-Menge, durch ein Zusatzwasser (Deonatwasser) kompensiert. Durch die neuartigen, dreh- und ausfahrbaren SNCR Düsenstocke ist dies nicht notwendig, da die Eindringtiefe des Sprühstrahles mit dem Düsenstock überwunden wird und somit direkt ins Zentrum eingespritzt werden kann. Damit wird das Deonatwasser eingespart.
• Die Erfindung umfasst bevorzugt eine Echtzeit 3-Dimensionale Temperaturanalyse für Brennräume: Da sich der Prozess der Verbrennung in Brennräumen zeitlich permanent verändert (u. a. durch unterschiedliche Brennstoffe und Anlagenzustände) werden unterschiedliche Roh-NOx-Werte und sich lokal verändernde Rauchgastemperaturen erzeugt. Eine umfangreichere Beobachtung des Prozesses ermöglicht eine frühzeitige Erkennung der Veränderungen und dadurch eine frühzeitige Reaktion der SNCR Anlage auf die Veränderungen.
• Der sich in zeitlicher Abhängigkeit verändernden Temperaturverteilung des Rauchgases muss im Rahmen der SNCR-Regelung besonders Rechnung getragen werden. Detaillierte Prozessbeobachtung liefern gegebenenfalls die notwendigen Informationen des sich verändernden RG-Temperaturprofiles für ein optimiertes Entstickungsverfahren in einem drei-dimensionalen Brennraum.
• Auf dieser Basis kann eine Echtzeit-CFD erstellt werden, die dann die sich in Abhängigkeit von Last und aktuellem Brennstoff verändernden RG-Temperaturprofils berechnet. Mit diesen so erzeugten Eingangsparametern wird eine effiziente und intelligente Regelung und Steuerung der SNCR Anlage ermöglicht.
• Außerdem werden bevorzugt kontinuierlich sämtliche Prozessparameter genutzt, um eine kontinuierliche Roh-NOx Vorhersage zu berechnen. Diese wird genutzt, um in Echtzeit die ideale Eindüsmenge unter Berücksichtigung künftiger und aktueller Werte von: NOx Emission, O2 im Rauchas, Rauchgas-Temperatur, NO-Abscheiderate und/oder NH3-Schlupf zu berechnen.
• Dieses System umfasst bevorzugt folgende Prozessgeräte:
• – Mindestens zwei Echtzeit-Wärmeflusssensoren (Wärmeflussmessung mittels Aufnahmekopf mit beispielsweise 5 Messflächen verschiedener Richtungen) und ggf. eine CCD-Kamera 1 für optische Thermografie zur Videoüberwachung der Feuerung bzw. Brennräume. CCD-Sensoren sind lichtempfindliche elektronische Bauelemente, die auf dem inneren Photoeffekt beruhen. „CCD” ist hierbei die Abkürzung des englischen „charge-coupled device”.
• – Echtzeit 3-dimensionale Temperaturanalyse mittels CFD zur Bestimmung der lokalen Temperatur und der Rauchgasgeschwindigkeit im Brennraum.
• – Alternativ mindestens zwei Online Brennraum-Temperaturmessungen mittels Pyrometer die im Anschluss als 3D Temperaturprofil im Brennraum hochgerechnet wird.
• – Gegebenenfalls eine selbstlernende, sich selbstständig anpassende und auf einer permanenten NOx-Vorhersage basierende, somit intelligente prädiktive Regelung der SNCR Anlage. Ein Systemrechner dient als Auswerte- und Visualisierungseinheit.
• Zur Simulation der Temperaturverteilung sind verschiedene CFD Verfahren bzw. Produkte verfügbar. Diese Systeme lösen entsprechende Gleichungssysteme zum Stoff-, Energie-, und Impulstransport in diskretisierten Bilanzräumen. Die Echtzeit 3-dimensionalen Temperaturanalysen berechnet und zeigt bevorzugt kontinuierlich die 3D-Temperaturverteilung im Brennraum. Intelligente Software in Kombination mit permanenter Rauchgas-Wärmefluss-Analyse ermöglicht neue Echtzeit-Prozesserkenntnisse mit Aktualisierungsraten von beispielsweise zwischen 5 und 30 Sekunden.
• Im Gegensatz zu den bekannten Simulationssystemen nutzt das Prozessmodell gegebenenfalls einfachere Ansätze mit einer gröberen Diskretisierung. Dadurch rechnet das System deutlich schneller und erlaubt Aktualisierungsraten im Bereich von beispielsweise 5 bis 30 Sekunden. Darüber hinaus integriert das System bevorzugt in Echtzeit vorhandene Messungen aus der Prozessleittechnik, um sich möglichst eng an den realen Prozess anzulehnen.
• Zur Echtzeit-Modellierung der 3-dimensionalen Temperaturverteilung ist gegebenenfalls eine Modellierung des Brennstoffs mit dem thermischen und dynamischen Verhalten des Brennstoffs in Abhängigkeit von Lastschwankungen, Brennstoffverteilung und Heizwert nötig. Hierzu werden neben allgemein bekannten Turbulenzmodellierungen, Strömungsmodellen, Diskrete Elemente Methode, bekannte Daten des Prozessleitsystems sowie die Informationen der o. a. Sensoren zur Modellstützung eingesetzt.
• Die Modellierung des Feuerraums umfasst gegebenenfalls folgende Schritte: Herstellung eines 3-dimensionalen CFD Modelles der Anlage. Unterteilung des relevanten Bereichs in eine Vielzahl von Volumenelemente. Je Volumenelement erfolgt die Modellierung der Rauchgasparameter beispielsweise in:
  Temperatur, Masse, Dichte, Geschwindigkeit in x, y und z-Richtung, CO und O2.
  Gegebenenfalls Bilanzierung des eingedüsten Reaktionsmittels und des Tropfenspektrums.
  Gegebenenfalls Modellierung der Brennraumverschmutzung (Anpackungen).
• Diese Modelle werden bevorzugt in Echtzeit mit vorhandene Messdaten aus dem Prozessleitsystem (z. B. RG-Temperaturen, Sauerstoffkonzentration im Racuhgas, etc..) und der o. a. Sensoren kalibriert. Daraus entsteht in Echtzeit eine grobe Temperaturverteilung auf Basis der CFD-Analyse. Die zugehörige Visualisierung liefert gegebenenfalls neue Einblicke in die brennstoff- und lastbedingten Veränderungen im Brennraum.
• Die Analyse der örtlichen Temperaturverteilung bzw. Temperaturprofil ermöglicht die Bestimmung der idealen Positionierung der SNCR-Lanze. Ferner können der ideale Sprühwinkel die ideale Eindringtiefe und/oder die korrekte Reaktionsmittel-Eindüsemenge bestimmt und errechnet werden.
• Bevorzugt ist eine Intelligente SNCR-Regelung vorgesehen. Der gegebenenfalls dazu angeordnete selbstlernende, nichtlineare und adaptive Regler basierend beispielsweise auf „Model Predictive Control” (MPC) 2, ermöglicht die mehrdimensionale Regelung komplexer Prozesse. Die Modellprädiktive Regelung, zumeist Model Predictive Control (MPC) oder auch Receding Horizon Control (RHC) genannt, ist eine moderne Methode zur prädiktiven Regelung von komplexen, i. d. R. multi-variablen Prozessen. Im Gegensatz zu vielen anderen modernen Regelungsverfahren wurde MPC aufgrund seiner Fähigkeit, Beschränkungen explizit zu berücksichtigen, bereits vielfach in der Industrie angewendet. MPC-Regler werden bevorzugt in verfahrenstechnischen Prozessen (auch Verbrennungsprozesse in Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen, Papiermaschinen, Walzwerken und Zementwerken) genutzt, in welchen klassische Regler (P-, D-, PID-Regler) und Fuzzy-Regler eine nicht ausreichende Regelgüte erlangen. Das System trainiert sich unter kontinuierlicher Anpassung seiner Optimierungsstrategie, fortlaufend selbst. Er passt sich so Prozess-Veränderungen ohne weitere Unterstützung von außen autark an. Prozessparameter wie Brennstoffeigenschaften, Verschlackung, Verschleiß, Anlagendrift etc. werden somit automatisiert berücksichtigt. Das System erkennt somit gegebenenfalls Veränderungen im Prozess automatisch, bestimmt deren Einfluss auf die Prozessergebnisse, aktualisiert das eigene Prozessmodell und korrigiert den Prozess automatisch in Richtung der vorgegebenen Optimierungsziele.
• Gegebenenfalls ist ein NOx Softsensor vorgesehen. Das oben erwähnte Prozessmodell wird gegebenenfalls genutzt, um eine permanente NOx Prognose (Softsensor) zu erstellen. Diese liefert der SNCR Anlage die NOx-Werte im Feuerraum, örtlich und zeitlich vor der NOx-Reingasmessung. Obwohl dieser berechnete NOx-Wert gegebenenfalls nicht die Genauigkeit der NOx-Messung erreicht, stützt das Prognoseergebnis die prädiktive Regelung.
• Die NOx-Emissions Prognose basiert gegebenenfalls auf neuronalen Netzen, verwendet kontinuierlich alle relevanten Daten des Prozessleitsystems, nutzt die Informationen der zusätzlichen Temperatur-Sensoren, wird auf Basis gelernter anlagenspezifischer Modelle und aktueller Anlagenparameter erstellt und permanent an den Anlagen- und Brennstoffstatus angepasst, wird kalibriert gegen die Roh-NOx Emissionen, passt sich selbständig auf Basis ein bis zwei täglich ermittelter Roh-NOx Werte an, ermöglicht eine Abschätzung des tatsächlich benötigten Verbrauchs und damit Anpassung der Reaktionsmittelmenge und/oder verhindert ein Verbrennen des Reaktionsmittel und selbsterzeugtes NOx.
• Bevorzugt ist eine SNCR Regelung in Kombination mit der Echtzeit-CFD vorgesehen. Zur Regelung der SNCR wird bevorzugt die Echtzeit-CFD als Informationsquelle benutzt. Die Daten der zusätzlichen o. a. Sensoren werden gegebenenfalls mit den vorhandenen Prozessleitsystem-Daten korreliert. Kontinuierlich werden Prozessdaten und Prozessergebnisse genutzt, um den Prozess in einem sich stetig anpassenden Modell zu simulieren, Prozessergebnisse (z. B. NOx) vorherzusagen und auf dieser Basis die bestmögliche Variation der Stellgrößen zu finden und den Prozess zum Optimum zu führen. Optimierungsziele werden bevorzugt im geschlossenen Regelkreis erzielt.
• Das Neuronale Netz ist bevorzugt ein selbst organisierender, lernfähiger adaptiver Regler. Die SNCR Regelung ist also gegebenenfalls in der Lage, sich voll automatisch an veränderte Prozess- und Anlagen-Bedingungen anzupassen.
• Das SNCR-Regelungskonzept kann beispielsweise wie folgt ausgeführt sein:
• – Nutzung vorhandener Prozess-Signale (Beispielhaft: NOX, CO und O2).
• – Nutzung ergänzter Sensorsignale zur Gewinnung aktueller weiterer Informationen aus dem Prozess
• – Entwickeln von Gray-Box-Modellen: Kombination von Verfahrensmodell, gelerntem, Wissen, Messdaten und Regeln mit dem Vorteil der Nutzung zeitlicher und örtlicher Prozessbeschreibung unter Berücksichtigung von Rauschen und Prozess-Drift
• Die Bestimmung der RG-Temperatur des von jeder SNCR-Düse erreichbaren Rauchgasvolumens und eine entsprechende Auswahl und Regelung der SNCR-Lanze im geeigneten Rauchgastemperaturfenster erfolgt gegebenenfalls entsprechend.
• Die erfindungsgemäße 3D temperaturgeführte SNCR Anlage umfasst beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Vorteile:
• – Einhaltung der NOx Emissions-Grenzwerte und Sollwerte für NOx und Schlupf im Dauerbetrieb für alle Lastfälle
• – verbesserte Temperatur-Informationen aus dem relevanten Brennraum mit angepasster SNCR-Lanzen Regelung um eine verbesserte Entstickung zu erreichen.
• – Dazu soll die angepasste Menge des Reaktionsmittels zur richtigen Zeit am passenden Ort eingebracht werden, ohne Überdosierung, die NH3 Schlupf erzeugt.
• – Eine sich an Prozess-Veränderungen (Brennstoffqualitäten, Verschlackung, Temperaturen, etc.) selbständig anpassende Regelung.
• – Regelung der richtig positionierten SNCR Lanze passend zum richtigen Temperaturprofil mit der passenden Reduktionsmittelmenge.
• – Vergleichsweise geringe Investitionskosten bei geringem Druckluftverbrauch (verglichen z. B. mit akustischer Temperaturmessung oder Laser-Spektroskopie)
• – Hohe örtliche und zeitliche (beispielsweise alle 5 bis 30 Sekunden) Auflösung des Rauchgas-Istzustandes
• – System erzielt durch NOx-Prognose in Kombination mit Echtzeit-CFD eine optimale zeitliche und örtliche SNCR Anlagensteuerung.
• – System passt sich selbständig an Prozess-Veränderungen an (Brennstoffqualitäten, Last, Verschlackung, Rußbläser, Temperaturen, etc.),
• – Geringere Investitions- und Verbrauchskosten, verglichen mit akustischer oder Laser-basierter Messung.
• – maximierte NOx-Abscheidung bei reduziertem Reaktionsmittelverbrauch.
• – Minimaler Instandhaltungsaufwand
• In weiterer Folge wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsformen und anhand der Figuren weiter beschrieben.
• 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung und eines erfindungsgemäßen Systems.
• 2 zeigt eine schematische Abbildung eines erfindungsgemäßen Systems bzw. einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
• 3 zeigt eine Ansicht zur Erklärung des 3D-Simulationsmodells.
• 4 zeigt eine Schrägansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
• 5 und 6 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Details einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
• 7 zeigt ein Detail einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
• 8 zeigt eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
• 1 zeigt einen Brennraum 4 mit einer Brennraumwand. In den Brennraum 4 ragen gemäß dieser Ausführungsform mehrere Einspritzvorrichtungen 1. Die Einspritzvorrichtungen 1 sind bevorzugt über eine nicht dargestellte Regelungsanordnung 34 regelbar. Durch diese Regelungsanordnung 34 sind beispielsweise die Position der Einspritzung des Reaktionsmittels 2 und/oder beispielsweise die Menge des eingespritzten Reaktionsmittels 2 geregelt oder gesteuert. Zur Einspritzung des Reaktionsmittels umfasst die Einspritzvorrichtung 1 bevorzugt eine Lanze 8. Diese Lanze umfasst eine Spitze 9, die bevorzugt 15–90° abgewinkelt ist und die insbesondere am freien Ende der in den Brennraum 4 ragenden Lanze 8 bzw. der in den Brennraum 4 ragenden Einspritzvorrichtung angeordnet ist, und bevorzugt motorisch betrieben um die Achse oder in Längsrichtung den Prozessbedingungen folgt. An der Lanze 8, insbesondere an der Spitze 9 der Lanze 8 umfassen die Einspritzvorrichtungen jeweils eine oder mehrere Austrittsdüsen 5. Durch diese Austrittsdüsen 5 kann das Reaktionsmittel 2 austreten. Das Reaktionsmittel 2 tritt insbesondere zerstäubt oder verteilt aus, wobei diese Zerstäubung und Verteilung bevorzugt durch die Austrittsdüsen 5 bewirkt wird. Jener Bereich, in den das Reaktionsmittel eingespritzt wird oder ist, ist als Einspritzbereich 6 definiert. Insbesondere kann dieser Einspritzbereich in allen Ausführungsformen fächerförmig, kegelförmig und/oder pyramidenförmig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Einspritzbereich auch halbkugelförmig ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann der Einspritzbereich nahezu kugelförmig ausgebildet sein. Bevorzugt sind mehrere Austrittsdüsen pro Lanze oder pro Einspritzvorrichtung vorgesehen.
• Die Einspritzvorrichtungen bzw. die Lanzen ragen in der vorliegenden Ausführungsform in den Brennraum 4. Die Einspritzvorrichtungen bzw. die Lanzen sind dazu bevorzugt bewegbar ausgeführt. Insbesondere umfassen die Einspritzvorrichtungen nicht dargestellte Bewegungsvorrichtungen 7 oder jeweils eine Bewegungsvorrichtung 7, über die die Lage der Austrittsdüsen, die Lage des Einspritzbereichs und die Richtung der Einspritzung und bevorzugt den Prozessbedingungen folgend verändert werden kann.
• Ferner sind im Brennraum 4 oder an dessen Wand mehrere Sensoren 33 vorgesehen. Diese Sensoren 33 können beispielsweise in allen Ausführungsformen an der Wand des Brennraums 4 vorgesehen sein. Gegebenenfalls ragen die Sensoren 33 in den Brennraum 4. Gegebenenfalls sind in allen Ausführungsformen die Sensoren bewegbar ausgeführt und können ein- und ausgefahren werden, sodass sie in unterschiedlichen Stellungen weiter, weniger weit oder gar nicht in den Brennraum ragen. Gegebenenfalls ist ein Sensor oder sind mehrere Sensoren 33 als Flammkamera oder Pyrometer 36 ausgebildet. Zumindest eine Flammkamera oder ein Pyrometer 36 ist insbesondere im Bereich der Brennanordnung 35 vorgesehen. Durch die Flammkamera oder das Pyrometer kann insbesondere die Flammtemperatur einer Brenneranordnung 35 und/oder die Rauchgastemperatur bestimmt werden. Ferner kann auch ein dreidimensionaler oder zweidimensionaler Verlauf der Flammtemperaturen bestimmt werden. Die Brenneranordnung 35 ist beispielsweise eine Gasbrenneranordnung oder Feststoffbrenneranordnungen und/oder beispielsweise eine Rostfeuerung etc.
• Gegebenenfalls ist ein Sensor 33 oder mehrere Sensoren 33 als Wärmeflusssensoren 37 ausgebildet. Bevorzugt sind die Sensoren 33 entlang der Strömungsrichtung des Brennraumgases beabstandet voneinander angeordnet. Gegebenenfalls sind mehrere Sensoren 33 entlang des Brennraums 4 verteilt angeordnet. Dadurch können Temperaturen im Brennraum 4 oder des im Brennraum 4 befindlichen Gases an unterschiedlichen Stellen gemessen werden. Gegebenenfalls kann über die Sensoren 33 der Wärmefluss an unterschiedlichen Stellen des Brennraums 4 gemessen werden.
• Im Brennraum herrschen im Normalbetrieb in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Temperaturen. So nimmt üblicher Weise die Temperatur des Brennraums oder des Brennraumgases im Verlauf der Strömung des Brennraumgases ausgehend von der Brenneranordnung 25 ab. Im Bereich der Brenneranordnungen können bei Feuerungsanlagen wie beispielsweise bei Großfeuerungsanlagen Temperaturen von über 1500, gegebenenfalls über 2000° auftreten. Ausgehend von diesem Bereich wird das heiße Brennraumgas entlang des Brennraums weiterbewegt und passiert dabei gegebenenfalls einen Wärmetauscher 39. Dieser erste Wärmetauscher ist beispielsweise das Überhitzerrohrbündel eines Dampferzeugers. Bei anderen Ausführungsformen, beispielsweise bei einer Anlage zur Zementherstellung, kann dieser Wärmetauscher auch entfallen.
• Zur effizienten Rauchgasentstickung soll gemäß der vorliegenden Erfindung das Reaktionsmittel so gezielt wie möglich in eine Reaktionszone 3 eingespritzt werden. Dazu kann in einem ersten Schritt die Lage und der Verlauf der optimalen Reaktionszone 3 ermittelt werden. Diese Ermittlung geschieht bevorzugt durch ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell, das in einem zeitlichen Aktualisierungsintervall eine aktuelle dreidimensionale Temperaturverteilung im Brennraum 4 und die dreidimensionale Lage und den dreidimensionalen Verlauf der Reaktionszone berechnet und bestimmt. Ferner dienen die Sensoren 33, die insbesondere als Sensoren 33 zur Echtzeitaufnahme von Wärmedaten im Brennraum ausgebildet sind, zur Ermittlung von Eingangsgrößen, die dem dynamischen Echtzeit-Simulationsmodell zugeführt werden. Ist die Lage und der Verlauf der Reaktionszone bestimmt, so kann das Reaktionsmittel über die Einspritzvorrichtung 1 gezielt in die Reaktionszone 3 eingespritzt werden. Jene Einspritzvorrichtungen, deren möglicher Einspritzbereich 6 außerhalb der Reaktionszone 3 liegt, sind bevorzugt inaktiv. Dies bedeutet, dass durch diese Einspritzvorrichtungen kein Reaktionsmittel eingespritzt wird.
• Die dreidimensionale Lage und der Verlauf der Reaktionszone 3 verändert sich für gewöhnlich über die Zeit. Insbesondere sind die Lage und der Verlauf der Reaktionszone 3 von der Last, dem Brennstoff und anderen Parametern abhängig. Jedoch kann es auch bei konstantem Betrieb zu Schwankung der Lage und des Verlaufs der Reaktionszone 3 kommen.
• Die Einspritzvorrichtungen 1 können beispielsweise durch die Seitenwand des Brennraums 4 in den Brennraum geführt sein. Gegebenenfalls kann eine Einspritzvorrichtung 1 auch von oben in den Brennraum geführt sein. Bevorzugt weisen die Lanzen 8 der Einspritzvorrichtungen 1 zumindest einen, bevorzugt mehrere Freiheitsgrade auf. Dadurch kann der Einspritzbereich 6 derart in die Reaktionszone 3 bewegt werden, dass eine optimale Rauchgasentstickung erfolgt.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung der Regelungsanordnung 34 der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung 1 und/oder des erfindungsgemäßen Systems.
• Im Brennraum 4 ist eine Brenneranordnung 35 vorgesehen. Ausgehend von dieser Brenneranordnung 35 wird das Brennraumgas Richtung Rauchabzug geleitet. Ein oder mehrere Sensoren 33, insbesondere eine oder mehrere Flammkameras bzw. Pyrometer und/oder ein oder mehrere Wärmeflusssensoren 37 sind derart angeordnet, sodass die Brennraumtemperaturen einzelner Bereiche bzw. des gesamten Brennraums 4 bestimmt werden können. Die Sensordaten werden an die Regelungsanordnung 34 und/oder an das Echtzeit-Simulationsmodell geleitet. Das Echtzeit-Simulationsmodell wird bevorzugt auf einen Computer bzw. einen Datenverarbeitungsgerät 38 ausgeführt. Insbesondere dienen die Sensordaten als Eingangsgröße zur Anpassung und gegebenenfalls zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells.
• In allen Ausführungsformen können gegebenenfalls die Daten weiterer Sensoren 33 an die Regelungsanordnung und/oder das Echtzeit-Simulationsmodell geleitet sein. Beispielsweise können Abgasbestandteile wie O₂, CO, NOx, unverbrannte Kohlenwasserstoffe etc. durch Sensoren gemessen und an die genannten Komponenten übermittelt werden. Auch diese Sensordaten können beispielsweise zum Abgleich bzw. zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells herangezogen werden. Gegebenenfalls sind diese Daten auch ein Maß für die Effizienz der Rauchgasentstickung.
• Ferner sind entlang des Brennraums 4 mehrere Einspritzvorrichtungen 1 vorgesehen. Diese weisen bevorzugt zumindest einen Freiheitsgrad auf und können somit die Lage des jeweiligen Einspritzbereichs 6 verändern. Die Veränderung der Lage der Einspritzbereiche 6 und insbesondere der Austrittsdüsen 5 der Lanzen 8 geschieht über die Regelung oder Steuerung eines oder mehrerer Antriebe, insbesondere motorischer Antriebe, zur Bewegung der Lanzen, insbesondere um Ihre Achse oder in Längsrichtung. Auch die Menge des eingespritzten oder des pro Zeiteinheit eingespritzten Reaktionsmittels 2 kann bevorzugt für jede Einspritzvorrichtung getrennt geregelt oder gesteuert werden. Dazu sind bevorzugt Regelventile 40 vorgesehen, durch die der Volumenstrom des durch die Düsen ausgegebenen Reaktionsmittels verändert und gegebenenfalls gestoppt werden kann.
• Das Reaktionsmittel 2 enthält beispielsweise Ammoniak oder Harnstoff. Bevorzugt ist das Reaktionsmittel 2 in einem Reaktionsmitteltank 26 gelagert und wird von dort über eine Rektionsmittelleitung 25 Richtung Einspritzvorrichtung 1 gepumpt und/oder gefördert. Gegebenenfalls ist ein Zerstäubermedium vorgesehen, das über eine Zerstäubermediumsleitung 27 zugeführt wird. Gegebenenfalls ist das Zerstäubermedium in einem Zerstäubermediumstank vorgesehen. Gegebenenfalls ist das Zerstäubermedium 27 Wasser, Dampf, Erdgas oder Druckluft.
• Gegebenenfalls ist eine Mischvorrichtung 41 vorgesehen, in der dem Reaktionsmittel 2 ein Deonatwasserbestandteil beigemischt wird. Diese Mischvorrichtung 41 kann insbesondere auch eine Messvorrichtung umfassen, in der beispielsweise der Volumenstrom der einzelnen Komponenten und/oder der gesamten Mischung gemessen werden kann.
• Bevorzugt ist ein Zerstäubermedium wie beispielsweise Druckluft, Erdgas oder Dampf vorgesehen. Dieses Zerstäubermedium wird über eine Zerstäubermediumsleitung 27 zugeführt. Gegebenenfalls ist ein Zerstäubermediumstank 28 vorgesehen. Gegebenenfalls ist dieser Zerstäubermediumstank 28 als Druckspeicher für ein Gas ausgebildet. Gegebenenfalls ist jedoch auch ein Kompressor direkt an die Zerstäubermediumsleitung 27 angeschlossen.
• Das Zerstäubermedium wird bevorzugt den Einspritzvorrichtungen 1 zugeführt, um das Reaktionsmittel 2 zu zerstäuben und die gewünschte Verteilung des Reaktionsmittels 2 in Brennraum 4 zu bewirken. Bevorzugt ist eine Fördervorrichtung 29 zur Förderung des Reaktionsmittels 2 vorgesehen.
• 3 zeigt eine schematische Darstellung des modellierten Systems eines Brennraums des dynamischen Echtzeit-Simulationsmodells. Dazu wird der Brennraum 4, insbesondere die Form des Brennraums 4 in einem Computermodell definiert und mathematisch abgebildet. Insbesondere kann dieses Modell das Modell eines CFD-Modells oder eines dynamischen Finite-Elemente-Modells sein. Dazu wird der das Modell des betrachteten beziehungsweise des relevanten Bereichs des Brennraums 4 in eine Vielzahl von Volumenelementen 42 zerteilt. Je Volumenelement 42 erfolgt die Modellierung der Rauchgas- oder Brennraumgasparameter beispielsweise in Temperatur, Masse, Dichte, Geschwindigkeit in X-, Y- und Z-Richtung, Kohlenmonoxidgehalt und/oder Sauerstoffgehalt etc. Bevorzugt werden mehrere dieser Parameter in die Modellierung mit einbezogen.
• Ferner wird die Bilanzierung des eingedüsten Reaktionsmittels und dessen Tropfenspektrums modelliert. Ferner kann auch eine Modellierung der Brennraumverschmutzung, wie beispielsweise der Anpackungen, berücksichtigt werden. Die Modelle bzw. Parameter werden bevorzugt in Echtzeit mit vorhandenen Messdaten aus dem Prozessleitsystem wie insbesondere Rauchgastemperaturen, Sauerstoffkonzentration etc. und/oder der Sensordaten angepasst und/oder kalibriert. Bevorzugt geschieht diese Anpassung und/oder Kalibrierung laufend oder in einem Aktualisierungsintervall. Aus all diesen Daten kann in weiterer Folge eine Echtzeit-Temperaturverteilung im Brennraum auf Basis des Echtzeit-Simulationsmodells bestimmt und berechnet werden. Gegebenenfalls wird diese Temperaturverteilung und weitere Daten des Echtzeit-Simulationsmodells über Visualisierungsalgorithmen visualisiert und gegebenenfalls auf einem Bildausgabegerät dargestellt. Aus dem bestimmten bzw. errechneten Temperaturprofil in dem Brennraum kann in weiterer Folge die Reaktionszone 3 bestimmt und/oder errechnet werden. Insbesondere kann die Lage und die Form dieser Reaktionszone berechnet werden.
• Je nach Rechenleistung des verwendeten Computers bzw. des Datenverarbeitungsgeräts kann das Aktualisierungsintervall und die Größe der Volumenelemente angepasst werden. Umso höher die Anzahl der Volumenelemente und umso höher das Aktualisierungsintervall, desto mehr Rechenleistung wird benötigt, um eine Echtzeitbestimmung der Brennraumparameter errechnen bzw. bestimmen zu können. Gegebenenfalls beträgt das Aktualisierungsintervall zwischen einer und sechzig Sekunden. Bevorzugt beträgt das Aktualisierungsintervall fünf bis dreißig Sekunden. Gegebenenfalls weisen die Volumenelemente einen Durchmesser von etwa 10 cm bis 100 cm auf. Bevorzugt weisen die Volumenelemente einen Durchmesser von beispielsweise 50 cm auf. Ebenfalls entspricht es dem Erfindungsgedanken Volumenelemente von einer Größe unterhalb von 10 cm zu verwenden. Für eine herkömmliche Anlage umfassend einen herkömmlichen Computer und eine ausreichende Qualität der Entstickung sind die bevorzugten Parameter des Aktualisierungsintervalls und der Volumenelemente in der Regel ausreichend.
• 4 zeigt eine Schrägansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung 1. Die Einspritzvorrichtung umfasst eine oder mehrere Austrittsdüsen 5. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung 1 eine Bewegungsvorrichtung 7. Die Bewegungsvorrichtung ist dazu eingerichtet und/oder geeignet, die Lage der Austrittsdüse 5 zu verändern. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung eine Lanze 8. An der Spitze 9 der Lanze 8, die bevorzugt abgewinkelt angeordnet ist, ist bevorzugt zumindest eine Austrittsdüse 5 angeordnet. Die Lanze ist gemäß der vorangegangenen Beschreibung bewegbar, insbesondere motorisch bewegbar, angeordnet. Dazu umfasst die Einspritzvorrichtung 1 einen Grundkörper 10. Dieser Grundkörper 10 ist bevorzugt starr mit dem Brennraum 4 und/oder der Brennraumwand verbunden, sodass dieser Grundkörper im Wesentlichen ortsfest gegenüber dem Brennraum 4 angeordnet ist. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung eine Bewegungsvorrichtung 7, die insbesondere zumindest einen Antrieb 11 enthält. Über einen Antrieb 11 kann die Lanze beispielsweise entlang einer Ausfahrrichtung 16 ein- oder ausgefahren werden. Bevorzugt entspricht die Ausfahrrichtung 16 der Lanze der Längsachse 15 der Lanze. Ferner kann die Lanze 8 bevorzugt verdreht werden. Die Verdrehung der Lanze geschieht bevorzugt um die Längsachse 15 der Lanze. Ferner umfasst die Lanze 8 bevorzugt einen abgewinkelten Abschnitt 14. Durch diesen abgewinkelten Abschnitt 14 ist die Einspritzrichtung gegebenenfalls um einen Einspritzwinkel 13 von der Richtung der Längsachse abgewinkelt. Der Einspritzwinkel 13, um den die Austrittsdüse 5 gegenüber der Längsachse 15 der Lanze abgewinkelt ist, beträgt beispielsweise zwischen 15° und 90° Grad. Gegebenenfalls ist dieser Winkel unveränderbar und durch die geometrischen Verhältnisse vorgegeben. Gegebenenfalls kann der Winkel veränderbar ausgeführt sein. Bevorzugt weicht der Winkel von der Längsachse 15 der Lanze ab, sodass der Einspritzbereich 6 bei einer Verdrehung der Lanze 8 insbesondere um die Längsachse 15 der Lanze 8 verändert und verlagert werden kann.
• Gegebenenfalls ist jedoch kein angewinkelter Abschnitt vorhanden, sondern die Austrittsdüsen ragen in einem Einspritzwinkel 13 von der Lanze und von der Längsachse 15 der Lanze 8 weg. Gegebenenfalls entspricht die Einspritzrichtung der Längsachse 15 der Lanze 8.
• Bevorzugt ist die Außenseite 24 der Lanze im Wesentlichen rotationssymmetrisch und insbesondere zylinderförmig ausgebildet. Dabei kann bei Verdrehung der Lanze, insbesondere um die Längsachse 15 der Lanze 8, eine ständige Abdichtung oder zumindest eine Führung der Lanze 8 im Grundkörper 10 erfolgen.
• 5 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung 1. Diese umfasst eine Lanze 8 mit einer Spitze 9 und einer Austrittsdüse 5. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung 1 einen Grundkörper 10, der entsprechend der vorangegangenen Beschreibung bevorzugt ortsfest gegenüber dem Brennraum angeordnet ist. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung 1 eine Bewegungsvorrichtung 7 mit einem Antrieb 11 oder mehreren Antrieben 11. Die Antriebe sind insbesondere dazu geeignet und/oder eingerichtet, die Lanze und/oder die Austrittsdüse 5 zu bewegen. Eine Bewegung in Ausfahrrichtung 16 der Lanze geschieht bevorzugt entlang der Längsachse 15 der Lanze. Durch diese Bewegung kann die Austrittsdüse 5 tiefer oder weniger tief in den Brennraum 4 eingebracht werden, um auch den Einspritzbereich 6 tiefer im Brennraum oder näher an der Wand des Brennraums zu positionieren. Darüber hinaus kann die Lanze und insbesondere die Austrittsdüse 5 bevorzugt rotatorisch bewegt werden. Insbesondere geschieht die Rotation um die Längsachse 15 der Lanze 8. Die Einspritzvorrichtung 1 umfasst bevorzugt einen Brennraumabschnitt 17 und einen Außenabschnitt 18. Der Brennraumabschnitt 17 ist insbesondere jener Bereich der Einspritzvorrichtung, der in Kontakt mit heißem Brennraumgas steht und gegebenenfalls in den Brennraum 4 ragt. Der Außenabschnitt ist jener Abschnitt der Einspritzvorrichtung, der im Wesentlichen außerhalb des Brennraums angeordnet ist und nicht in Kontakt mit dem heißen Brennraumgas steht. Im Außenabschnitt der Einspritzvorrichtung sind insbesondere die Bewegungsvorrichtungen und beispielsweise auch die Anschlüsse für die Zuführung der durch die Austrittsdüse abgegebenen Stoffe bzw. Mittel.
• In der Einspritzvorrichtung 1 bzw. in der Lanze 8 sind bevorzugt eine oder mehrere Leitungen bis zur Austrittsdüse 5 geführt. Erfindungsgemäß ist eine Reaktionsmittelleitung 25 bis zur Austrittsdüse 5 geführt. Die Reaktionsmittelleitung ist dazu eingerichtet, ein Reaktionsmittel 2 zur Austrittsdüse 5 zu befördern, um im Einspritzbereich 6 und im Brennraum 4 eine Entstickung zu bewirken. Bevorzugt ist ferner eine Zerstäubermediumsleitung 27 vorgesehen. Dieses Zerstäubermedium kann beispielsweise Druckluft, Erdgas oder Dampf sein. Auch die Zerstäubermediumsleitung 27 erstreckt sich bevorzugt durch die Lanze 8 zur Austrittsdüse 5. Bevorzugt ist eine Kühlleitung 32 vorgesehen. Diese Kühlleitung 32 kann beispielsweise zur Zuführung von Druckluft oder einem anderen Kühlmedium dienen. Auch diese Kühlleitung 32 erstreckt sich bevorzugt zumindest im Brennraumabschnitt 17 der Einspritzvorrichtung 1 bzw. der Lanze 8. Die Kühlleitung 32 ist insbesondere dazu eingerichtet und/oder geeignet, eine Kühlung der Lanze 8 zu bewirken, um eine Beschädigung der Lanze 8 durch die hohen Brennraumtemperaturen zu verhindern. Gegebenenfalls erstreckt sich die Kühlleitung 32 bis zur Austrittsdüse 5, sodass das Kühlmedium gegebenenfalls durch die Austrittsdüse 5 austritt. Gegebenenfalls ist die Kühlleitung jedoch auch gekapselt oder mit einer Rückführleitung ausgestattet, sodass das Kühlmedium nicht in den Brennraum gelangt. Bevorzugt ist die Kühlleitung an der Außenseite 24 der Lanze vorgesehen. Dadurch wird insbesondere die Außenseite 24 der Lanze gekühlt. Bevorzugt sind die Reaktionsmittelleitung 25 und/oder die Zerstäubermediumsleitung 27 innerhalb der Kühlleitung 32 geführt bzw. von der Kühlleitung 32 zumindest teilweise umgeben. Dadurch wird eine Überhitzung der Zerstäubermediumsleitung 27 und der Reaktionsmittelleitung 25 verhindert. Gegebenenfalls ist die Reaktionsmittelleitung 25 innerhalb der Zerstäubermediumsleitung 27 vorgesehen oder von dieser umgeben. Bevorzugt sind die Reaktionsmittelleitung 25, die Zerstäubermediumsleitung 27 und die Kühlleitung 32 als konzentrisch ineinander angeordnete Rohrleitungen ausgebildet.
• Bevorzugt sind die Reaktionsmittelleitung 25, die Zerstäubermediumsleitung 27 und/oder die Kühlleitung 32 zumindest teilweise starr mit der Lanze 8 verbunden, sodass diese Leitungen bei Bewegung der Lanze 8 mitbewegt werden. Auch die Austrittsdüse ist in dieser Ausführungsform bevorzugt starr mit der Lanze verbunden. Dadurch kann durch Bewegung der Lanze der Einspritzbereich 6 verlagert werden.
• 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs der Lanze 8 und insbesondere der Austrittsdüse 5. Darin sind die konzentrisch angeordneten Leitungen Reaktionsmittelleitung 25, Zerstäubermediumsleitung 27 sowie die Kühlleitung 32 dargestellt. Die Leitungen sind bevorzugt im Bereich der Austrittsdüse 5 geöffnet. Dadurch kommt es zu einer Vermischung der in diesen Leitungen vorgesehenen Mitteln und zu der gewünschten Einspritzung des Reaktionsmittels 2 in den Einspritzbereich 6.
• 7 zeigt ein weiteres Detail einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Einspritzvorrichtung 1. Insbesondere ist in 7 ein Detail zur Abdichtung und gegebenenfalls zur Führung des Außenabschnitts 18 gegenüber dem Brennraumabschnitt 17 der Einspritzvorrichtung 1 dargestellt. Die Lanze 8 ist insbesondere entlang der Ausfahrrichtung 16 ein- und ausfahrbar angeordnet. Darüber hinaus ist die Lanze 8 bevorzugt um die Längsachse der Lanze 15 drehbar angeordnet. Die Lanze ragt zur erfindungsgemäßen Erstickung durch die Wand des Brennraums 4 in den Brennraum. Um einen Austritt des heißen Brennraumgases zu verhindern und gegebenenfalls, um Elemente der Einspritzvorrichtung, die nicht temperaturbeständig sind, vor einem Schaden zu bewahren, ist eine Dichtungsanordnung 19 vorgesehen. Die Lanze ist durch eine oder mehrere Lanzenöffnungen 20 geführt. Die Lanzenöffnungen 20 können dabei eine mechanische Führung der Lanze bewirken. Gegebenenfalls sind die Lanzenöffnungen jedoch lediglich zur Durchführung der Lanze in den Brennraum 4 eingerichtet. Gegebenenfalls umfasst die Dichtungsanordnung einen Abscherkörper 23. Dieser Abscherkörper dient bevorzugt der Abscherung von an der Lanze anhaftenden Verschmutzungen wie beispielsweise Anpackungen durch das Brennraumgas. Dazu kann ein oder können mehrere Abscherkörper rund um die Lanze angeordnet sein. Bei einer Relativbewegung zwischen Lanze 8 und Abscherkörper 23 kommt es dabei zu einem Abscheren der Außenseite der Lanze 8, um Verschmutzungen von der Lanzenaußenseite zu entfernen. Der Abscherkörper kann beispielsweise als starrer einstückiger oder mehrteiliger Abscherring ausgeführt sein. Dieser Ring erstreckt sich beispielsweise rund um die Längsachse der Lanze herum. Gegebenenfalls ist der Abscherkörper 23 an die Lanze angelegt. Gegebenenfalls ist zwischen der Lanze und dem Abscherkörper ein geringer Spalt freigehalten.
• Gegebenenfalls ist der Spalt so schmal, dass die Lanze im Wesentlichen ungehindert durch den Abscherkörper hindurchgeführt werden kann, jedoch dennoch eine Abdichtung und Abscherung erfolgt.
• Gegebenenfalls ist der Abscherkörper bürstenförmig ausgeführt. Gegebenenfalls sind mehrere bürstenförmige Abscherkörper vorgesehen. Gegebenenfalls ist der Abscherkörper walzenförmig ausgebildet. Insbesondere kann der Walzenkörper derart ausgebildet sein, sodass die Lanze gemäß ihrer kinematischen Vorgaben bewegt werden kann und dennoch ein Abscheren der Verschmutzungen von der Lanzenaußenseite ermöglicht ist.
• Gegebenenfalls umfasst die Einspritzvorrichtung und insbesondere die Dichtungsanordnung 19 eine Sperrluftkammer 21. Bei der Sperrluftkammer handelt es sich um eine Kammer, durch die ein Luftstrom hindurch geleitet werden kann oder ist. Insbesondere herrscht in der Kammer ein leichter Überdruck, sodass Brennraumgas nicht in die Kammer eindringen kann. Gegebenenfalls ist die Kammer mit der Sperrluft durchströmt, sodass die Sperrluftkammer gekühlt ist oder wird. Gegebenenfalls ist ein Teil der Lanze 8 durch die Sperrluftkammer hindurchgeführt und/oder von der Sperrluftkammer zumindest teilweise umgeben, sodass bei Einblasung der Sperrluft eine Kühlung der Lanze in diesem Bereich erfolgt. Die Sperrluftkammer ist insbesondere zwischen oder im Übergang zwischen dem Brennraumabschnitt 17 und dem Außenabschnitt 18 der Einspritzvorrichtung angeordnet. Bevorzugt weist die Dichtungsanordnung 19 eine Leitung 22 zur Zuführung der Sperrluft in die Sperrluftkammer 21 auf.
• Gegebenenfalls ist eine weitere Dichtung vorgesehen, die außen an der Lanze 8 anliegt. Diese Dichtung 43 kann beispielsweise im Bereich oder neben dem Abscherkörper 23 vorgesehen sein. Gegebenenfalls oder zusätzlich kann eine Dichtung 43 beabstandet von dem Abscherkörper, insbesondere auf der anderen Seite der Sperrluftkammer 21 vorgesehen sein. Gegebenenfalls sind entlang der Lanze 8 der Außenabschnitt 18, dann eine Dichtung 43, dann die Sperrluftkammer 21, dann gegebenenfalls eine weitere Dichtung 43, dann der Abscherkörper 23 und dann der Brennraumabschnitt 17 vorgesehen. Die Sperrluftkammer, der Abscherkörper und die Dichtung 43 und insbesondere die gesamte Dichtungsanordnung sind bevorzugt im Bereich der Wand oder außerhalb der Wand des Brennraums 4 angeordnet.
• 8 zeigt eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung. Diese umfasst eine Austrittsdüse 5, die an der Spitze 9 einer Lanze 8 vorgesehen ist. Die Lanze ist über einen Antrieb 11 bzw. über die Bewegungsvorrichtung 7 bewegbar gegenüber einem Grundkörper 10 angeordnet. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung 1 eine Reaktionsmittelleitung 25, gegebenenfalls eine Zerstäubermediumsleitung 27 und gegebenenfalls eine Kühlleitung 32. Diese Leitungen erstrecken sich ein- oder mehrteilig bis zu der Austrittsdüse 5 oder zumindest bis in die Lanze 8. Um die Bewegbarkeit der Lanze bei gleichzeitiger Zuführung eines der vorgenannten Medien zu ermöglichen, können die Zuführungsleitungen zumindest teilweise flexibel ausgeführt sein. Gegebenenfalls sind die Zuführungsleitungen 25, 27 und/oder 32 schleifenförmig gelegt, sodass diese bei einem Ausfahren der Lanze 8 nachgezogen werden können.
• Gegebenenfalls umfasst die Einspritzvorrichtung auch in der Ausführungsform der 8 eine Dichtungsanordnung 19 und insbesondere eine Sperrluftkammer 21.
• Wie dem Detailausschnitt der 8 zu entnehmen ist, umfasst die Lanze in der vorliegenden Ausführungsform mehrere Austrittsdüsen 5. Durch die Ausgestaltung der Austrittsdüsen kann der Einspritzbereich 6 bzw. die Form des Einspritzbereichs 6 verändert und bestimmt werden.
• In allen Ausführungsformen kann das Reduktionsmittel beispielsweise Harnstoff oder Ammoniak sein oder enthalten. In allen Ausführungsformen kann das Zerstäubermedium gegebenenfalls Druckluft, Dampf und/oder andere Gase enthalten.
• In allen Ausführungsformen kann der Antrieb zum Aus- oder Einfahren der Lanze einen Riementrieb, einen Kettentrieb, einen Zahnradtrieb, einen Gewindetrieb, einen Seilzug oder ähnliche Elemente enthalten. Gegebenenfalls ist der Antrieb pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch ausgeführt.
• Bevorzugt sind die Einspritzvorrichtungen der 1 und 2 als Einspritzvorrichtungen gemäß der 4 bis 8 ausgebildet. Diese Einspritzvorrichtungen können alternative Details aufweisen. So können beispielsweise die Austrittsdüsen in unterschiedlicher Anzahl und Form an der Einspritzvorrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise können mehrere Austrittsdüsen oder eine vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Einspritzrichtung einer Austrittsdüse entlang der Längserstreckungsrichtung der Lanze angeordnet sein. Gegebenenfalls kann die Einspritzrichtung einer Austrittsdüse von der Richtung der Längsachse der Lanze abweichen. Gegebenenfalls stehen mehrere Austrittsdüsen in unterschiedlichen Winkeln zur Lanze von dieser ab. Gegebenenfalls ist die Austrittsdüse an einem abgewinkelten Abschnitt der Lanze angeordnet. Gegebenenfalls ist die Dichtungsanordnung mit einer Sperrluftkammer vorgesehen. Gegebenenfalls ist die Führung der Lanze durch die Dichtungsanordnung bewirkt. Gegebenenfalls ist eine getrennte Führung vorgesehen, die beispielsweise im Bereich des Antriebs oder durch den Antrieb ausgebildet ist.
• Typische zum Abgleich oder zur Kalibrierung des Echtzeitsimulationsmodells und/oder der Regelungsanordnung können unterschiedliche Daten als Eingangsdaten für das Echtzeitsimulationsmodell und/oder die Regelungsanordnung dienen. Diese Daten werden beispielsweise laufend oder in einem gewissen Aktualisierungsintervall an die genannten Systemkomponenten übermittelt. Derartige Daten können beispielsweise Wärmedaten wie Wärmefluss, Flammtemperatur oder Brennraumgastemperatur unterschiedlicher Bereiche sein. Diese Daten können jedoch auch Abgaszusammensetzungen, Brennraumgaszusammensetzungen, Flammenspektralbereiche, eine Strahldichtemessung oder andere Parameter sein. Beispielsweise können auch Brennstoffparameter wie Brennstoffmassenstrom und Brennwert als Daten den relevanten Systemkomponenten zugeführt werden. Das Aktualisierungsintervall des Echtzeitsimulationsmodells kann gegebenenfalls mit dem Aktualisierungsintervall der zugeführten Daten übereinstimmen.
• Gegebenenfalls kann in allen Ausführungsformen als Kühlmedium eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Wasser eingesetzt und insbesondere durch die Kühlleitung der Lanze befördert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Einspritzvorrichtung

2

Reaktionsmittel

3

Reaktionszone

4

Brennraum

5

Austrittsdüse

6

Einspritzbereich

7

Bewegungsvorrichtung

8

Lanze

9

Spitze der Lanze

10

Grundkörper der Einspritzvorrichtung

11

Antrieb der Lanze

12

maximale Ausfahrlänge

13

Einspritzwinkel

14

abgewinkelter Abschnitt der Lanze

15

Längsachse der Lanze

16

Ausfahrrichtung der Lanze

17

Brennraumabschnitt der Einspritzvorrichtung

18

Außenabschnitt der Einspritzvorrichtung

19

Dichtungsanordnung

20

Lanzenöffnung

21

Sperrluftkammer

22

Leitung zur Zuführung von Sperrluft

23

Abscherkörper

24

Außenseite der Lanze

25

Reaktionsmittelleitung

26

Reaktionsmitteltank

27

Zerstäubermediumsleitung

28

Zerstäubermediumstank

29

Fördervorrichtung zur Förderung des Reaktionsmittels/Zerstäubermediums

30

Zerstäubermedium

31

Kühlmedium

32

Kühlleitung

33

Sensor

34

Regelungsanordnung

35

Brenneranordnung

36

Flammkamera/Pyrometer

37

Wärmeflusssensor

38

Computer/Datenverarbeitungsgerät

39

Wärmetauscher

40

Regelventil

41

Mischvorrichtung

42

Volumenelement

43

Dichtung

Claims (23)

1. Einspritzvorrichtung (1) zur gezielten Einspritzung eines Reaktionsmittels (2) in die Reaktionszone (3) eines Brennraums (4) zur Rauchgasentstickung durch selektive nicht-katalytische Reduktion, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1) eine Austrittsdüse (5) oder mehrere Austrittsdüsen (5) zur Einspritzung des Reaktionsmittels (2) in einen Einspritzbereich (6) und eine Bewegungsvorrichtung (7) zur geregelten Bewegung der Austrittsdüse(n) (5) umfasst, sodass der Einspritzbereich (6) in der Reaktionszone (3) des Brennraums (4) liegt oder auf die Reaktionszone (3) gerichtet ist.
2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsdüse(n) (5) an einer über die Bewegungsvorrichtung (7) bewegbaren Lanze (8) und insbesondere an der Spitze (9) der Lanze (8) vorgesehen ist oder sind.
3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (7) einen Grundkörper (10) zur ortsfesten Verbindung mit dem Brennraum (4) umfasst, und dass ein geregelter Antrieb (11) oder mehrere geregelte Antriebe (11) vorgesehen sind, über die die Lanze (8) und/oder die Austrittsdüse(n) (5) gegenüber dem Grundkörper (10) linear und/oder rotatorisch bewegbar sind, sodass die Austrittsdüse(n) (5) in eine Stellung bringbar sind, in der eine gezielte Einspritzung des Reaktionsmittels (2) in die Reaktionszone (3) erfolgt.
4. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (8) einfahrbar und ausfahrbar mit dem Grundkörper (10) gekoppelt ist, wobei die maximale Ausfahrlänge (12) der Lanze (8) bevorzugt zumindest 0,2 m bis 6 m oder mehr beträgt, oder dass die Lanze einfahrbar oder eingefahren ist, sodass die Spitze der Lanze bzw. die Austrittsdüse in der Brennraumwand versenkt ist oder plan mit der Brennraumwand abschließt.
5. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsdüse(n) (5) an einem von der Lanze (8) um einen Einspritzwinkel (13) abgewinkelten Abschnitt (14) angeordnet sind oder dass die Einspritzrichtung der Einspritzdüsen um einen Einspritzwinkel (13) von der Längsachse (15) der Lanze (8) abweicht, wobei der Einspritzwinkel etwa 15° bis 90° von der Längsachse (15) der Lanze (8) und/oder von der Ausfahrrichtung (16) abgewinkelt ist und insbesondere 15°, 30°, 45°, 60° oder 90° beträgt, sodass durch Drehung der Lanze (8) um ihre Längsachse (15) die Position und die Richtung des Einspritzbereiches (6) veränderbar ist.
6. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1) einen Brennraumabschnitt (17) umfasst, in dem das heiße Brennraumgas in Kontakt mit Teilen der Einspritzvorrichtung (1) steht und in den insbesondere zumindest ein Teil der Lanze (8) ragt, dass die Einspritzvorrichtung (1) einen Außenabschnitt (18) umfasst in dem insbesondere ein Antrieb (11) für die Lanze (8) und ein Teil der Lanze (8) selbst vorgesehen sind, und dass eine Dichtungsanordnung (19) vorgesehen ist, durch die der Außenabschnitt (18) vor einem Eindringen des Brennraumgases abgedichtet ist.
7. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (19) eine oder mehrere Lanzenöffnungen (20) zur Durchführung der Lanze (8) aufweist, oder dass die Dichtungsanordnung (19) eine oder mehrere Lanzenöffnungen (20) aufweist, durch die die Lanze (8) hindurchgeführt ist, und dass zumindest eine Lanzenöffnung (20) durch die Dichtungsanordnung (19) abgedichtet ist.
8. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (19) eine Sperrluftkammer (21) umfasst, durch die die Lanze (8) hindurchgeführt ist und in die eine Leitung (22) zur Zuführung von Sperrluft mündet, wobei die Lanze (8) bevorzugt durch zwei Lanzenöffnungen (20) geführt ist, sodass die Lanze (8) im Bereich der Dichtungsanordnung (19) und insbesondere in der Sperrluftkammer (21) von Sperrluft umspült ist und/oder dass in der Sperrluftkammer (21) ein Überdruck gegenüber dem Brennraum (4) herrscht, sodass ein Eindringen des Brennraumgases in die Sperrluftkammer (21) durch eine Lanzenöffnung (20) verhindert oder verringert ist.
9. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (19) einen Abscherkörper (23) umfasst, der spielbehaftet oder anliegend an der Lanze (8) anliegt, oder der sich ringförmig um die Lanze (8) herum erstreckt, wobei der Abscherkörper (23) in Richtung der Längsachse (15) der Lanze (8) im Wesentlichen starr mit dem Grundkörper (10) verbunden ist, sodass bei einer Bewegung der Lanze (8) entlang der Längsachse (15) eine Relativbewegung zwischen der Lanze (8) und dem Abscherkörper (23) erfolgt und an der Außenseite (24) der Lanze (8) anhaftende Verschmutzungen, wie beispielsweise an der Lanze (8) kondensierte Brennrückstandsansammlungen, abgeschert werden.
10. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1) eine Reaktionsmittelleitung (25) umfasst, die sich insbesondere von einem Reaktionsmitteltank (26) durch die Lanze (8) bis zu der Austrittsdüse (5) erstreckt, dass die Einspritzvorrichtung gegebenenfalls eine Zerstäubermediumsleitung (27) umfasst, die sich insbesondere von einem Zerstäubermediumstank (28) durch die Lanze (8) bis zu der Austrittsdüse (5) erstreckt, und dass die Einspritzvorrichtung (1) eine geregelte und/oder gesteuerte Fördervorrichtung (29) zur Förderung des Reaktionsmittels (2) und/oder des Zerstäubermediums (30) und zur Einspritzung des Reaktionsmittels (2) und/oder des Zerstäubermediums (30) in die Reaktionszone (3) des Brennraums (4) umfasst, wobei das Zerstäubermedium beispielsweise Pressluft, Dampf oder Erdgas ist.
11. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1) eine mit einem Kühlmedium (31) wie beispielsweise Luft oder Gas durchströmte Kühlleitung (32) umfasst, die insbesondere kammer- oder rohrförmig im Bereich der Außenseite (24) der Lanze (8) vorgesehen ist, um die Außenseite (24) der Lanze (8) zu kühlen.
12. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmittelleitung (25) und gegebenenfalls die Zerstäubermediumsleitung (27) in der Lanze (8) innerhalb der Kühlleitung (32) angeordnet ist, sodass die Reaktionsmittelleitung (25) und gegebenenfalls die Zerstäubermediumsleitung (27) in der Lanze (8) von der Kühlleitung (32) umgeben und gekühlt ist oder sind.
13. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lanze (8) die Reaktionsmittelleitung (25) innerhalb der Zerstäubermediumsleitung (27) angeordnet ist und die Zerstäubermediumsleitung (27) in der Kühlleitung (32) angeordnet ist, und dass die Reaktionsmittelleitung (25) und die Zerstäubermediumsleitung (27) in die Austrittsdüse (5) münden, sodass das Reaktionsmittel (2) zerstäubt durch die Austrittsdüse (5) in die Reaktionszone (3) abgegeben wird.
14. System zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum (4) durch selektive nicht-katalytische Reduktion umfassend: – ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell, das in einem zeitlichen Aktualisierungsintervall eine aktuelle dreidimensionale Temperaturverteilung im Brennraum (4) und die dreidimensionale Lage und den dreidimensionalen Verlauf einer Reaktionszone (3) berechnet und bestimmt, – Sensoren (33) zur Aufnahme und gegebenenfalls zur Echtzeit-Aufnahme von Wärmedaten im Brennraum (4), wobei diese Sensordaten als Eingangsgrößen dem dynamischen Echtzeit-Simulationsmodell zugeführt werden oder sind, – eine oder mehrere Einspritzvorrichtungen (1) die jeweils über einen oder mehrere Antriebe (11) bewegbar sind, wobei über die Einspritzvorrichtungen (1) ein Reaktionsmittel (2) gezielt in die Reaktionszone (3) einspritzt und verteilt wird oder ist, – und eine Regelungsanordnung (34), die die Position und die Menge der Einspritzung des Reaktionsmittels (2) regelt.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (4) ein Brennraum (4) einer Feuerungsanlage, ein Brennraum einer Großfeuerungsanlage, ein Brennraum einer Müllverbrennungsanlage, ein Brennraum einer Feuerungsanlage zur Zementherstellung oder ein Brennraum eines Kessels zur Dampferzeugung ist, wobei die maximale Brennraumtemperatur insbesondere über 800°C oder über 1000°C beträgt
16. System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumtemperatur und die Temperatur des im Brennraum (4) befindlichen Brennraumgases ausgehend von einer Brenneranordnung (35) im Verlauf des Brennraumes (4) und im Verlauf der Strömung des Brennraumgases abnimmt, und dass die Reaktionszone (3) ein Temperaturbereich im Brennraum (4) oder des Brennraumgases ist, bei der die Reaktion des Reaktionsmittels (2) zur Entstickung optimiert ist, und/oder dass die Reaktionszone (3) jener Bereich des Brennraums (4) ist, in dem das Brennraumgas Temperaturen zwischen 800°C und 1100°C, bevorzugt Temperaturen zwischen 950°C und 1050°C aufweist.
17. System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (3) eine Zone des Brennraums (4) ist, wobei sich die Lage und die Form der Reaktionszone (3) über die Zeit verändert, und dass die Lage und die Form der Reaktionszone durch das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell in einem Aktualisierungsintervall unter Einbeziehung von Sensordaten berechnet und bestimmt wird, wobei das Aktualisierungsintervall bevorzugt zwischen 1 und 60 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 Sekunden beträgt.
18. System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmittel (2) Ammoniak oder Harnstoff enthält und insbesondere Ammoniakwasser oder Harnstofflösung ist.
19. System nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (33) mehrere entlang des Brennraums (4) und entlang der Strömung des Brennraumgases beabstandet voneinander angeordnete Echtzeit-Wärmeflusssensoren (37) umfassen.
20. System nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (33) eine oder mehrere Flammkameras oder Pyrometer (36) zur optischen Thermographie umfassen, wobei eine Flammkamera oder ein Pyrometer (36) bevorzugt im Bereich der Brenneranordnung (35) zur Bestimmung der Flammtemperaturen vorgesehen ist.
21. System nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell auf einem Computer (38) oder auf einem Datenverarbeitungsgerät (38) ausgeführt wird oder ist.
22. System nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass durch das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell die Geschwindigkeit des Brennraumgases an unterschiedlichen Stellen, bevorzugt an allen Stellen des Brennraums (4) berechnet und bestimmt wird.
23. System nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessdaten wie Rauchgastemperatur, Brennstoffregelung, Rauchgasgeschwindigkeit, Rauchgasverweilzeit, Sekundärluftsteuerung, Tertiärluftsteuerung, Sauerstoffgehalt im Abgas, Stickstoffoxidkonzentration im Abgas, Kohlenmonoxidgehalt im Abgas, Ammoniakschlupf, Staubkonzentrationen, Stickstoffoxidabscheiderate und/oder die zugeführte Brennstoffmenge dem Echtzeit-Simulationsmodell und/oder der Regelungsanordnung zugeführt werden, wobei diese Prozessdaten insbesondere zur Berechnung einer Echtzeit-roh-NO_x-Vorhersage, zur Kalibrierung der Sensoren und/oder zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells dienen.

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