EP1687566A2 - Vorrichtung und verfahren zur optimierung des abgasausbrandes in verbrennungsanlagen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur optimierung des abgasausbrandes in verbrennungsanlagen

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Publication number
EP1687566A2
EP1687566A2 EP04765784A EP04765784A EP1687566A2 EP 1687566 A2 EP1687566 A2 EP 1687566A2 EP 04765784 A EP04765784 A EP 04765784A EP 04765784 A EP04765784 A EP 04765784A EP 1687566 A2 EP1687566 A2 EP 1687566A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
signals
gas
burnout zone
burnout
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04765784A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Hunsinger
Hubert Keller
Stephan Zipser
Hans-Heinz Frey
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP1687566A2 publication Critical patent/EP1687566A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L9/00—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel 
    • F23L9/02—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel  by discharging the air above the fire
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/50—Control or safety arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2207/00—Control
    • F23G2207/10—Arrangement of sensing devices
    • F23G2207/104—Arrangement of sensing devices for CO or CO2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2900/00—Special features of, or arrangements for incinerators
    • F23G2900/55—Controlling; Monitoring or measuring
    • F23G2900/55011—Detecting the properties of waste to be incinerated, e.g. heating value, density
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/20—Camera viewing

Definitions

  • the invention relates to a device for optimizing the exhaust gas burnout in combustion plants with a fixed bed burnout zone and an exhaust gas burnout zone, comprising a plurality of controllable nozzles for introducing an oxygen-containing secondary air into an effective area in the exhaust gas burnout zone, an oxygen measuring device and / or combustion chamber temperature measurement for determining the total amount of secondary and primary air is provided in the exhaust gas.
  • the exhaust gas that emerges from the combustion chamber (fixed bed burn-out zone) of such an uneven combustion has locally high concentrations of incompletely burned compounds, e.g. CO, hydrocarbons or soot.
  • the gas flow emerging from the combustion bed shows a pronounced formation of strands with enormous local and temporal fluctuation ranges. These strands of unburned exhaust gas species extend through the exhaust gas burnout zone into the first radiation train.
  • the oxygen concentrations in the exhaust gas burnout zone are very low and additionally distributed inhomogeneously. For homogeneous mixing and complete combustion of the exhaust gas, not out for time and turbulence. A complete burnout of the exhaust gases can therefore only be achieved with a targeted local introduction of secondary air in the exhaust gas burnout zone, the
  • Technical devices for optimizing the exhaust gas burnout in incineration plants serve in particular to reduce the emission of pollutants, with the targeted injection of the oxygen-containing secondary gas into the exhaust gas burnout zone serving as a smoke extractor to reduce pollutants.
  • the oxygen-containing secondary gas For example, more or less oxygen-containing air, recycled flue gas or even water vapor (with over-stoichiometric primary air) serves as the secondary gas.
  • the secondary gas is injected into the exhaust gas burnout zone with high impulses and to ensure good penetration of the exhaust gas flow in large excess.
  • the intensive mixing of unburned exhaust gas components with oxygen-containing secondary air at high temperatures is the prerequisite for an effective exhaust gas burnout.
  • the object of the invention is to propose a device and a method for optimizing the exhaust gas burnout, which ensures complete burnout even with unsteady combustion processes with a minimum of secondary gas.
  • the object is achieved by a device with the features of claim 1 and by a method with the features from claim 8.
  • Subordinate claims relate to advantageous refinements of the device and the method.
  • a device for optimizing the exhaust gas burnout in combustion plants with a fixed bed burnout zone and an exhaust gas burnout zone comprising several controllable nozzles for the targeted introduction of oxygen-containing secondary gas into an effective area in the exhaust gas burnout zone, is proposed, an oxygen measuring device and / or combustion chamber temperature measurement to determine the total amount of secondary and primary gas is provided in the exhaust gas.
  • the nozzles can be controlled individually or in groups. With this design, secondary air can be individually metered in segments into the effective range divided into segments.
  • the essential features of the device include means for the temporally resolved selective detection of local concentrations of individual incompletely burned gas components in the effective range. If the local distribution of these gas components in the effective range is known, an individual injection of the secondary gas into each segment can advantageously be used to achieve an optimal burnout of the exhaust gas even without the enormous secondary gas excess required in the prior art.
  • the local and temporal resolution of the selective acquisition is determined from the geometric conditions and the fluid dynamics of the combustion exhaust gases in the exhaust gas burnout zone.
  • the secondary air is mixed into the exhaust gas volume flow in the effective range, which must be dimensioned and arranged in the exhaust gas burnout zone such that the entire exhaust gas volume flow is preferably, though not necessarily, passed through it.
  • the nozzles are to be arranged in such a way that a targeted segment-wise injection of secondary gas into the entire effective range is possible.
  • the effective range should to be positioned in the exhaust gas burnout zone as part of a radiation train with at least one finite cross section such that it completely spans at least this cross section in the radiation train.
  • the means convert the measured concentrations into signals and pass them on to a control unit, which converts the signals into control signals for each of the controllable nozzles or groups thereof for the targeted introduction of secondary gas. It makes sense to combine the means and the control unit to form a measurement and control unit. If the local and time-varying concentrations are to be recorded, it is advisable to equip the measuring and control unit with a computer unit, which then not only converts the measured concentration values into control signals via suitable computer programs, but also the interactions of the exhaust gases in one segment with the exhaust gases of others Segments or the temporal dynamics of the exhaust gases, the burns and afterburns as well as the inertias and dead times of the secondary injections are recorded and taken into account for the control of the individual nozzles.
  • the measurement and control system mentioned forms a closed control loop with the secondary gas injection, the exhaust gases and the afterburning.
  • the individual segments in the effective range are only in simple expansion stages, i.e. without considering the aforementioned calculation, as independent systems. It is also advisable to first design and optimize the measuring and control system, the effective range and the injection system using computer-aided simulation processes with corresponding model considerations before application to the afterburning chamber in the computer.
  • the quantity, ie the integral volume flow of injected secondary air is not distributed uniformly but is dependent on the determined local concentrations of incompletely burned gas components in the exhaust gas.
  • the qualitative determination of the local concentration of carbon monoxide, hydrocarbons and / or soot is completely sufficient to determine the required secondary gas quantities.
  • a spectral camera is particularly suitable for the determination, which is directed in the area of the combustion chamber wall into the exhaust gas burnout zone and thereby completely covers the effective range. By appropriately focusing the camera lens, certain distance intervals can also be selected for concentration detection.
  • An infrared camera for wavelength ranges between 3 and 12 ⁇ m is advantageously suitable for recording the characteristic radiation spectra of the aforementioned unburned exhaust gas components.
  • Hydrocarbons with the characteristic wavelength maxima in the range of 3 ⁇ m (for methane), carbon monoxide with the characteristic wave maxima in the range around 4.8 ⁇ m and soot can be determined qualitatively using image evaluation methods. This method can also be used to measure carbon dioxide and water.
  • carbon monoxide fractions can be detected using the optical detection method described, the radiation spectrum of carbon monoxide becoming more intense with increasing temperature and thus also being able to be detected better and more clearly.
  • Carbon monoxide below this temperature range on the other hand, not only has a considerably lower IR emission intensity, but also cannot be oxidized further by injecting secondary air without a separate energy supply to carbon dioxide. In this respect, only the carbon monoxide which is really with secondary air is advantageously recorded is burned.
  • a method for optimizing the exhaust gas burnout in combustion plants with a fixed bed burnout zone and an exhaust gas burnout zone is also proposed.
  • the device described above is required to carry out the method. sary. Consequently, there is also a targeted introduction of oxygen-containing secondary air into an effective area in the exhaust gas burnout zone via several controllable nozzles and an oxygen measurement to determine the total amount of secondary and primary air in the exhaust gas.
  • the method comprises recording local concentrations of individual incompletely burned gas components in the exhaust gas burnout zone at least in the effective range, converting the locally recorded concentrations into signals, and converting the signals into control commands for each of the controllable secondary air nozzles, as in the manner previously described in more detail with reference to the device.
  • FIG. 1 shows an overview of a waste incineration plant with a fixed bed and exhaust gas burnout zone, IR camera, measuring and control unit and effective range
  • Fig. 2 shows the characteristic IR radiation spectra of carbon monoxide, carbon dioxide and water as well
  • FIG. 1 The system diagram and structure of the method for optimizing the exhaust gas burnout can best be illustrated using the overview shown in FIG. 1. It shows a fixed bed burnout zone 1 with combustion grate 2, through which primary gas 3 is supplied. The actual combustion takes place in the fixed bed burnout zone 1, from where the exhaust gases are discharged into an exhaust gas burnout zone 4. To achieve complete post-combustion of the exhaust gas, an oxygen-containing secondary gas 6 is introduced into the exhaust gas burnout zone via controllable nozzles. The area in the exhaust gas burnout zone in which the injection takes place effectively is the effective area 5; it preferably covers a narrowest transverse cut off the exhaust gas burnout zone 4, the entire exhaust gas flow flows through it and is monitored by an IR camera 7.
  • the IR camera 7 detects the infrared radiation emitted by the unburned components of the combustion exhaust gases in the effective range of the exhaust gas burnout zone within selected spectral range intervals and in the form of infrared signals 8 passes it on to a processing unit 9 (part of a measurement and control device).
  • the infrared signals qualitatively determine the concentration distribution of unburned exhaust gas components over the cross section in the effective range.
  • Carbon monoxide CO is used as the guiding parameter for unburned exhaust gas species.
  • concentration signals 10 the locally required amount of secondary air per nozzle is determined in a control unit 11 (also part of the measuring and regulating device), i.e.
  • control signals 12 for the controllable secondary air nozzles for injecting the secondary gas are generated.
  • the following parameters are decisive for the assembly of the control signals and thus the injection: location and extent of the targeted injection in the effective range and the associated local CO concentration.
  • the control signals for the nozzles are selected so that the secondary gas is injected as directly as possible into the CO streaks.
  • the intensity of the injection also depends on the CO concentration determined, the amount of secondary gas to be injected in principle being correlated with the determined CO concentration for a complete burnout.
  • the total secondary gas flow available for injection is entered into the control unit as setpoint 13.
  • the radiation emission spectra of the individual exhaust gas components are shown in FIG. 2 as a function of the exciting wavelength 26 between 2 and 6 ⁇ m wavelength (from [2]). They show the spectral lines for carbon dioxide 19, carbon monoxide 20, water vapor 21. 3 shows a spatial distribution in the cross section of the effective area 5 of the exhaust gas burnout zone 4 calculated from the camera signals, for example for CO.
  • the effective area 5 is divided into a plurality of zones 14, each divided by dashed lines, into which secondary gas can be injected via a suitable secondary gas rail 16 via a controlled nozzle 15.
  • FIG. 3 also shows the CO concentration distribution in the effective range 5, an adjustable gray color being assigned to an adjustable concentration interval.
  • a CO strand 17 can be seen in the effective area 5, highlighted by a comparatively dark colored area.
  • the partial gas flows of secondary gas (shown in FIG. 2 by arrows starting from the nozzles 15) are increased in the area of the CO strand 17 (arrows in FIG. 2 are thicker), while at the same time one may be present in the other areas Lowering takes place (arrows in Fig. 2 thinner).
  • the determination of the concentration distribution in the effective area 5 is carried out at short time intervals, if possible in the range between 1 and 5 seconds, so that the success of the injection is permanently checked. Accordingly, there is practically a continuous and automated adjustment of the secondary gas individual flows in accordance with the actual requirements.
  • the control range of the individual secondary gas flows lies within firmly defined limits between a minimum and a maximum injection.
  • the level of the total secondary gas stream 18, which results from the sum of the partial gas streams, is not influenced by the method described here.
  • the corresponding setpoint 13 (FIG. 1) for the entire secondary gas flow is taken over by the higher-level controls which are installed as standard on larger systems.

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Abstract

Vorrichtung zur Optimierung des Abgasausbrandes in Verbrennungsanlagen mit einer Festbettausbrandzone und einer Abgasausbrandzone, umfassend mehrere regelbare Düsen zur Einleitung von sauerstoffhaltigem Sekundärgas in einen Wirkbereich in der Abgasausbrandzone. Aufgabe ist es, eine Vorrichtung sowie ein dazugehöriges Verfahren zur Optimierung des Abgasausbrandes vorzuschlagen, welche einen vollständigen Ausbrand auch bei instationären Verbrennungsvorgängen mit einem Minimum an Sekundärgas sicherstellt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Mittel zur selektiven Bestimmung von einzelnen unvollständig verbrannten Gaskomponenten im Wirkbereich und deren Umsetzung in Signale sowie eine Steuerungseinheit, welche die Signale in Steuerbefehle für jede der regelbaren Düsen zur gezielten Einleitung von Sekundärgas umsetzen, vorgesehen sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Optimierung des Abgasausbrandes in Verbrennungsanlagen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Optimierung des Abgasausbrands in Verbrennungsanlagen mit einer Festbettausbrandzone und einer Abgasausbrandzone, umfassend mehrere regelbare Düsen zur Einleitung eines sauerstoffhaltigen Sekundärluft in einen Wirkbereich in die Abgasausbrandzone, wobei eine Sauerstoffmessvorrichtung und/oder Feuerraumtemperaturmessung zur Ermittlung der Gesamtmenge von Sekundär- und Primärluft im Abgas vorgesehen ist.
Infolge der sehr heterogenen Zusammensetzung von bestimmten Brennstoffen, wie z. B. Abfällen oder Biomassen, schwankt deren Heizwert sehr stark. Bei der Verbrennung in Rostfeuerungen werden daher heute im Brennraum aufwendige Feuerleistungsregelungen mit Infrarotdetektoren (IR-Kamera, Infrarotkamera) eingesetzt. Die Feuerlage in Rostfeuerungen kann anhand der Infrarot-Strahlung des Brennstoffbettes mit Hilfe einer IR-Kamera ermittelt werden. Die Wellenlänge (3,9 μm) liegt in einem Bereich, in dem Verbrennungsgase keine Emissivität aufweisen. Mit Hilfe dieser Informationen erfolgt die Regelung der einzelnen Primärgasströme, die das Festbett durchströmen. Dadurch ist ein nahezu vollständiger Feststoffausbrand der Schlacke erreichbar.
Das Abgas welches aus dem Brennraum (Festbettausbrandzone) einer solchen ungleichmäßigen Verbrennung austritt, weist lokal hohe Konzentrationen an unvollständig verbrannten Verbindungen, wie z.B. CO, Kohlenwasserstoffe oder Ruß auf. Dabei zeigt die aus dem Brennbett austretende Gasströmung eine ausgeprägte Bildung von Strähnen mit enormen örtlichen und zeitlichen Schwankungsbreiten. Diese Strähnen von unverbrannten Abgasspezies ziehen sich bis durch die Abgasausbrandzone in den ersten Strahlungszug.
Die Sauerstoffkonzentrationen in der Abgasausbrandzone sind sehr niedrig und zusätzlich inhomogen verteilt. Für eine homogene Vermischung und einen vollständigen Ausbrand des Abgases reicht hier- für die Zeit und Turbulenz nicht aus. Ein vollständiger Ausbrand der Abgase ist daher nur mit einer gezielten lokalen Einleitung von Sekundärluft in der Abgasausbrandzone realisierbar, wobei die
Sekundärluft möglichst gut mit dem Abgas zu vermischen ist.
Bedingt durch die Inhomogenität des Brennstoffes und der Schwankungen der Primärgaszufuhr in die Festbettausbrandzone, aber auch durch die unterschiedliche Beladung sind die räumliche Verteilung und absoluten Konzentrationen der nachzuverbrennenden Abgasspezies sehr heterogen verteilt und zusätzlich starken Fluktuationen unterworfen. Messungen in der Gasausbrandzone belegen, dass Strähnen mit sehr hohen Konzentrationen von unvollständig verbrannten Verbindungen auftreten. Dies führt insgesamt zu einem unvollständigen Gasausbrand mit z. B. hohen CO-Spitzen. Ferner führt insbesondere der unvollständige Ausbrand von Russpartikeln zu erhöhten Kohlenstoffgehalten in den Kesselbelägen und verursachen erhöhte Bildungsraten von PCDD/F (de-novo Synthese) .
Technische Vorrichtungen zur Optimierung des Abgasausbrandes in Verbrennungsanlagen dienen insbesondere der Reduzierung des Schadstoffausstoßes, wobei mit der gezielten Eindüsung des sauerstoff- haltigen Sekundärgases in die als Rauchabzug dienende Abgasausbrandzone eine Minderung von Schadstoffen bewirkt. Als Sekundärgas dient beispielsweise mehr oder weniger Sauerstoffhaltige Luft, rezykliertes Rauchgas oder auch Wasserdampf (bei überstöchiometri- scher Primärluft) .
Um einen vollständigen Ausbrand sicherzustellen, wird das Sekundärgas mit hohen Impulsen und zur Sicherstellung einer guten Durchdringung der Abgasströmung im hohen Überschuss in die Abgasausbrandzone eingedüst. Die intensive Durchmischung von unverbrannten Abgasbestandteilen mit sauerstoffhaltiger Sekundärluft bei hohen Temperaturen ist die Voraussetzung für einen effektiven Abgasausbrand .
In [1] werden unterschiedliche Konzepte und Vorrichtungen zur Eindüsung von Sekundärluft unabhängig von den örtlichen und sich zeitlich ändernden Gegebenheiten beschrieben. Die Eindüsung erfolgt bei einem ersten Konzept mit Düsen, angeordnet ausschließlich in der Feuerraumwand. Eine möglichst effektive Verwirbelung und damit eine Durchmischung der eingedüsten Sekundärluft mit der Strömung wird durch eine optimierte Anordnung und Ausrichtung der Düsen in der Feuerraumwand angestrebt. Grundsätzlich versucht man also, allein durch Anordnung und Ausrichtung der Düsen bestimmte zwei- oder dreidimensionale Strömungsmuster, wie z.B. Strömungswalzen oder Wirbelströmungen, zu erhalten. In einem zweiten Konzept wird im engsten Querschnitt, d. h. im Übergang von der Brennkammer zum Strahlungszug, zusätzlich ein Balken mit zusätzlichen Düsen eingesetzt. Eine erste Variante dieses Konzeptes verwendet einen rotierenden Balken, Bauart Temelli, während eine zweite Variante auf einem strömungsopt imierten feststehenden Balken, Bauart Kümmel, basiert.
Eine zuverlässige Einmischung von Sekundärgas über Düsen, welche ausschließlich in der Feuerraumwand angeordnet sind, setzt bestimmte einzuhaltende Strömungsmuster für einen homogenisierenden Mischungsprozess voraus. Derartige Konzepte eignen sich daher nur bedingt für instationäre Verbrennungsvorgänge, wie sie beispielsweise in der thermischen Abfallbehandlung auftreten. Eine inhomogene Konsistenz von Abfall oder Müll als Brennstoff verstärkt diesen Einflussfaktor in besonderem Maße. Auch tritt diese Einschränkung mit zunehmendem Querschnitt der Strömung in der Abgasausbrandzone zunehmend in den Vordergrund, da die zu überbrückenden Wegstrecken der Strömung und dem Sekundärgas bei einer Vermischung mit den Abmessungen steigen.
Ausgehend davon liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Optimierung des Abgasausbrandes vorzuschlagen, welche einen vollständigen Ausbrand auch bei instationären Verbrennungsvorgängen mit einem Minimum an Sekundärgas sicherstellt . Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 8 gelöst. Rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens an..
Zur Lösung wird eine Vorrichtung zur Optimierung des Abgasausbrandes in Verbrennungsanlagen mit einer Festbettausbrandzone und einer Abgasausbrandzone, umfassend mehrere regelbare Düsen zur gezielten Einleitung von sauerstoffhaltigem Sekundärgas in einen Wirkbereich in der Abgasausbrandzone vorgeschlagen, wobei eine Sauerstoffmessvorrichtung und/oder Feuerraumtemperaturmessung zur Ermittlung der Gesamtmenge von Sekundär- und Primärgas im Abgas vorgesehen ist. Dabei können die Düsen jeweils einzeln oder auch in Gruppen zusammengefasst angesteuert werden. Durch diese Gestaltung lässt sich nämlich in den in Segmente unterteilten Wirkbereich Sekundärluft segmentweise individuell dosieren.
Die wesentlichen Merkmale an der Vorrichtung umfassen Mittel zur zeitlichen aufgelösten selektiven Erfassung von lokalen Konzentrationen einzelner unvollständig verbrannter Gaskomponenten im Wirkbereich. Ist die lokale Verteilung dieser Gaskomponenten im Wirkbereich bekannt, lässt durch eine individuelle Eindüsung des Sekundärgases in jedes Segment separat in vorteilhafter Weise ein optimierter Ausbrand des Abgases auch ohne den im Stand der Technik erforderlichen enormen Sekundärgasüberschuss bewerkstelligen. Die lokale und zeitliche Auflösung der selektiven Erfassung bestimmt sich aus den geometrischen Gegebenheiten und der strömungstechnischen Dynamik der Verbrennungsabgase in der Abgasausbrandzone .
Die Einmischung von Sekundärluft in den Abgasvolumenstrom erfolg im Wirkbereich, der so zu dimensionieren und so in der Abgasausbrandzone anzuordnen ist, dass vorzugsweise, wenn auch nicht zwingend, der gesamte Abgasvolumenstrom zwingend durch diesen hindurchgeleitet wird. Dabei sind die Düsen so anzuordnen, dass eine gezielte segmentweise Eindüsung von Sekundärgas in den gesamten Wirkbereich möglich ist. Insofern sollte der Wirkbereich Vorzugs- weise in der Abgasausbrandzone als Teil eines Strahlungszugs mit mindestens einem endlichen Querschnitt so zu positionieren, dass er mindestens diesen Querschnitt im Strahlungszug vollständig überspannt .
Die Mittel setzten die gemessenen Konzentrationen in Signale um und leiten diese an eine Steuerungseinheit weiter, welche die Signale in Stellsignale für jede der regelbaren Düsen oder Gruppen hiervon zur gezielten Einleitung von Sekundärgas umsetzen. Es bietet sich an, die Mittel und die Steuereinheit zu einer Mess- und Regelungseinheit zusammenzufassen. Sollen die lokalen und zeitlich veränderlichen Konzentrationen erfasst werden, bietet es sich an, die Mess- und Regelungseinheit mit einer Rechnereinheit auszustatten, welche dann über geeignete Rechenprogramme nicht nur gemessene Konzentrationswerte in Steuersignale umsetzt sondern auch die Wechselwirkungen der Abgase in einem Segment mit den Abgasen anderer Segmente oder auch die zeitliche Dynamik der Abgase, der Verbrennungen und Nachverbrennungen sowie auch der Trägheiten und Totzeiten der Sekundäreindüsungen erfasst und für die Steuerung der einzelnen Düsen mit berücksichtigt.
Das genannte Mess- und Regelungssystem bildet mit der Sekundärgas- eindüsung, den Abgasen und den Nachverbrennungen einen geschlossenen Regelkreis. Die einzelnen Segmente im Wirkbereich sind dabei nur in einfachen Ausbaustufen, d.h. ohne die vorgenannte rechnerische Berücksichtigung, als eigenständige Systeme zu betrachten. Auch bietet es sich an, das Mess- und Regelungssystem, den Wirkbereich und die Eindüsungssysteme anhand von rechnergestützten Simulationsabläufen mit entsprechenden Modellbetrachtungen vor einer Applizierung an der Nachbrennkammer zunächst im Rechner auszulegen und zu optimieren.
Optimierungen zeigten grundsätzlich die vorteilhaftesten Resultate, wenn die Menge, d. h. der integrale Volumenstrom an einge- düster Sekundärluft nicht gleichförmig verteilt sondern abhängig von den ermittelten lokalen Konzentrationen von unvollständig verbrannten Gaskomponenten im Abgas eingestellt wird. Für eine Bestimmung der erforderlichen Sekundärgasteilmengen ist die qualitative Bestimmung der lokalen Konzentration von Kohlen- monoxid, Kohlenwasserstoffe und/oder Ruß vollkommen ausreichend. Für die Bestimmung eignet sich insbesondere eine Spektralkamera, welche im Bereich der Brennkammerwandung in die Abgasausbrandzone gerichtet ist und dabei den Wirkbereich vollständig erfasst. Durch eine entsprechende Fokussierung des Kameraobjektivs lassen sich zudem bestimmte Abstandsintervalle für eine Konzentrationserfassung herausselektieren.
Für die Erfassung der charakteristischen Strahlungsspektren der zuvor genannten unverbrannter Abgaskomponenten eignet sich in vorteilhafter Weise eine Infrarotkamera für Wellenlängenbereiche zwischen 3 und 12 μm. Kohlenwasserstoffe sind mit den charakteristischen Wellenlängenmaxima von im Bereich von 3 μm (für Methan), Kohlenmonoxid mit den charakteristischen Wellenmaxima im Bereich um 4,8 μm und Ruß über Bildauswerteverfahren qualitativ erfassbar. Ferner lassen sich durch diese Methode auch Kohlendioxid und Wasser erfassen.
Insbesondere Kohlenmonoxidanteile lassen sich mit der beschriebenen optischen Erfassungsmethode erfassen, wobei das Strahlungsspektrum von Kohlenmonoxid mit zunehmender Temperatur intensiver wird und dadurch auch zunehmend besser und deutlicher erfassbar ist. Kohlenmonoxid unterhalb dieses Temperaturbereichs weist dagegen nicht nur eine erheblich geringeres IR-Emissionsintensität auf, sondern lässt sich auch nicht durch eine Eindüsung von Sekundärluft ohne separate Energiezufuhr zu Kohlendioxid weiteroxidie- ren. Insofern wird in vorteilhafter Weise nur das Kohlenmonoxid erfasst, welches auch wirklich mit Sekundärluft nachverbrannt wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Optimierung des Abgasausbrands in Verbrennungsanlagen mit einer Festbettausbrandzone und einer Abgasausbrandzone vorgeschlagen. Für die Durchführung des Verfahrens ist die zuvor beschriebene Vorrichtung erfor- derlich. Folglich erfolgt auch hier eine gezielte Einleitung von sauerstoffhaltiger Sekundärluft in einen Wirkbereich in der Abgasausbrandzone über mehrere regelbare Düsen sowie eine Sauerstoffmessung zur Ermittlung der Gesamtmenge von Sekundär- und Primärluft im Abgas. Das Verfahren umfasst eine Erfassung von lokalen Konzentrationen einzelner unvollständig verbrannter Gaskomponenten in der Abgasausbrandzone zumindest im Wirkbereich, eine Umsetzung der lokal erfassten Konzentrationen in Signale, sowie Umsetzung der Signale zu Steuerbefehlen für jede der regelbaren Sekundärluftdüsen wie in der zuvor anhand der Vorrichtung ausführlicher beschriebenen Weise.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung einer Müllverbrennungsanlage mit Festbett- und Abgasausbrandzone, IR-Kamera, Mess- und Regelungseinheit und Wirkbereich,
Fig. 2 die charakteristischen IR-Strahlungsspektren von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser sowie
Fig. 3 schematisch eine Konzentrationsverteilung über den Wirkbereich und der daraufhin abgeleiteten Sekundärgaseindüsung .
Anlagenschema und Struktur des Verfahrens zur Optimierung des Abgasausbrandes lassen sich am besten anhand der Übersichtsdarstellung gemäß Fig. 1 darstellen. Sie zeigt eine Festbettausbrandzone 1 mit Verbrennungsrost 2, durch den eine Zufuhr von Primärgas 3 erfolgt. In der Festbettausbrandzone 1 erfolgt die eigentliche Verbrennung, von wo die Abgase in eine Abgasausbrandzone 4 abgeleitet werden. Für die Erzielung einer vollständigen Nachverbrennung des Abgases wird ein sauerstoffhaltiges Sekundärgas 6 über regelbare Düsen in die Abgasausbrandzone eingeleitet. Der Bereich in der Abgasausbrandzone, in der die Eindüsung wirksam erfolgt, ist der Wirkbereich 5; er deckt vorzugsweise einen engsten Quer- schnitt der Abgasausbrandzone 4 ab, wird vom gesamten Abgasstrom durchströmt und wird von einer IR-Kamera 7 überwacht.
Mittels der IR-Kamera 7 wird die von den unverbrannten Komponenten der Verbrennungsabgase emittierte Infrarotstrahlung im Wirkbereich der Abgasausbrandzone innerhalb ausgewählter Spektralbereichsintervalle erfasst und in Form von Infrarotsignalen 8 an eine Verarbeitungseinheit 9 (Teil einer Mess- und Regelungseinrichtung) weitergegeben. In dieser werden die Infrarotsignale die Konzentrationsverteilung von unverbrannten Abgasbestandteilen über den Querschnitt im Wirkbereich qualitativ bestimmt. Als Leitparameter für unverbrannte Abgasspezies wird hierbei Kohlenmonoxid CO herangezogen. Ausgehend von diesen Informationen (repräsentiert durch Konzentrationssignale 10) wird in einer Steuerungseinheit 11 (ebenfalls Teil der Mess- und Regelungseinrichtung) die jeweils lokal erforderliche Sekundärluftmenge pro Düse ermittelt, d.h. es werden die entsprechenden Stellsignale 12 für die regelbaren Se- kundärluftdüsen zum Eindüsen des Sekundärgases generiert. Für die Konfektionierung der Stellsignale und damit der Eindüsung sind folgende Parameter maßgebend: Ort und Ausdehnung der gezielten Eindüsung im Wirkbereich sowie die dazu gehörige lokale CO-Konzentration. Die Stellsignale für die Düsen werden so gewählt, dass eine Eindüsung des Sekundärgases möglichst direkt in die CO-Sträh- nen erfolgt. Auch hängt die Intensität der Eindüsung von der ermittelten CO-Konzentration ab, wobei die einzudüsende Sekundärgasmenge für einen vollständigen Ausbrand prinzipiell mit der ermittelten CO-Konzentration zu korrelieren ist. Der insgesamt für eine Eindüsung zur Verfügung stehende Sekundärgasstrom wird als Sollwert 13 in die Steuerungseinheit eingegeben.
Die Strahlungsemissionsspektren der einzelnen Abgaskomponenten (Emissionsintensitäten 27 in W/ (moleküle*sr*μm) , sr = Raumwinkel) sind in Fig. 2 in Abhängigkeit zu der anregenden Wellenlänge 26 zwischen 2 und 6 μm Wellenlänge wiedergegeben (aus [2] ) . Sie zeigen die Spektrallinien für Kohlendioxid 19, Kohlenmonoxid 20, Wasserdampf 21. Fig. 3 zeigt eine aus den Kamerasignalen berechnete räumliche Verteilung im Querschnitt des Wirkbereiches 5 der Abgasausbrandzone 4 beispielhaft für CO. Der Wirkbereich 5 ist dabei in mehrere, jeweils durch gestrichelte Linien unterteilte Zonen 14 unterteilt, in die über jeweils eine geregelte Düse 15 Sekundärgas über eine geeignete Sekundärgasschiene 16 eindüsbar ist.
Ferner ist in Fig. 3 die CO-Konzentrationsverteilung im Wirkbereich 5 wiedergegeben, wobei eine einstellbare Graufärbung jeweils einem einstellbaren Konzentrationsintervall zugeordnet wird. Im vorliegenden Fall ist im Wirkbereich 5 eine CO-Strähne 17 zu erkennen, hervorgehoben durch einen vergleichsweise dunkel gefärbten Bereich.
Zur Erzielung eines vollständigen Abbrands werden die Teilgasströme von Sekundärgas (dargestellt in Fig. 2 durch Pfeile ausgehend von den Düsen 15) im Bereich der CO-Strähne 17 erhöht (Pfeile in Fig. 2 dicker), während gleichzeitig in den anderen Bereichen ggf. eine Erniedrigung erfolgt (Pfeile in Fig. 2 dünner) .
Die Bestimmung der Konzentrationsverteilung im Wirkbereich 5 erfolgt in kurzen Zeitabständen möglichst im Bereich zwischen 1 bis 5 Sekunden, so dass eine permanente Kontrolle des Erfolgs der Eindüsung durchgeführt wird. Dementsprechend findet praktisch eine kontinuierliche und automatisierte Anpassung der Sekundärgaseinzelströme entsprechend den tatsächlichen Anforderungen statt.
Der Regelbereich der Einzelsekundärgasströme liegt dabei innerhalb fest definierter Grenzen zwischen einer minimalen und einer maximalen Eindüsung. Die Höhe des gesamten Sekundärgasstroms 18, der sich aus der Summe der Teilgasströme ergibt, wird durch das hier beschriebene Verfahren nicht beeinflusst. Der entsprechende Sollwert 13 (Fig. 1) für den gesamten Sekundärgasstrom wird von den überlagerten Regelungen, die standardmäßig an größeren Anlagen installiert sind, übernommen. Literatur
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[2] Rawlins, W.T. Lawrence, W. G. Marinelli, W. J. Allen, M.G.: Hy- perspectral Infrared Imaging of Flames Using a Spectrally Scan- ning Fabry-perot Filter; Proc. 6. Int. Microgravity Combustion Workshop, NASA Glenn Research Center, Cleveland, S.57-60, 2001
Bezugszeichenliste :
1 Festbettausbrandzone
2 Verbrennungsrost
3 Zufuhr von Primärgas
4 Abgasausbrandzone
5 Wirkbereich
6 Zufuhr von Sekundärgas
7 IR-Kamera
8 Infrarotsignale
9 Verarbeitungseinheit
10 Konzentrationssignale
11 Steuerungseinheit
12 Stellsignale
13 Sollwert
14 Zone
15 regelbare Düse
16 Sekundärgasschiene
17 CO-Strähne
18 gesamter Sekundärgasstrom
19 Spektrallinie für Kohlendioxid
20 Spektrallinie für Kohlenmonoxid
21 Spektrallinie für Wasser
22 Wellenlängenintervall für Kohlendioxid
23 Wellenlängenintervall für Kohlenmonoxid
24 Wellenlängenintervall für Wasser
25 Wellenlängenintervall für Ruß
26 Wellenlänge in [μm]
27 Emissionsintensität in [W/ (moleküle*sr*μm) ] , sr = Raumwinkel

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung zur Optimierung des Abgasausbrandes in Verbrennungsanlagen mit einer Festbettausbrandzone und einer Abgasausbrandzone, umfassend mehrere regelbare Düsen zur Einleitung von sauerstoffhaltigem Sekundärgas in einen Wirkbereich in der Ab- gasausbrandzone, dadurch gekennzeichnet, dass a) Mittel zur selektiven Bestimmung von einzelnen unvollständig verbrannten Gaskomponenten im Wirkbereich und deren Umsetzung in Signale sowie b) eine Steuerungseinheit, welche die Signale in Steuerbefehle für jede der regelbaren Düsen zur gezielten Einleitung von Sekundärgas umsetzen, vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasausbrandzone ein Teil eines Abgasabzugs oder eines Strahlungszugs ist, einen endlichen Querschnitt aufweist, wobei der Wirkbereich den Querschnitt mindestens einmal vollständig überspannt .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel und die Steuerungseinheit eine Rechnereinheit umfassen, welche lokale Konzentrationen und zeitliche Änderungen der Konzentrationen erfassen und diese bei der Umsetzung in Steuerbefehle mit berücksichtigen.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine spektral messende Einrichtung umfassen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral messende Einrichtung eine Infrarotkamera ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale die lokale Konzentration der Gaskomponenten Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und/oder Ruß wiedergeben und in Stellsignale umrechenbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an lokal eingedüster Sekundärluft in Abhängigkeit von der ermittelten lokalen Konzentration an unvollständig verbrannten Gaskomponenten im Abgas mittels berechenbarer Stellsignale eingestellt wird.
8. Verfahren zur Optimierung des Abgasausbrands in Verbrennungsanlagen mit einer Festbettausbrandzone und einer Abgasausbrandzone, wobei eine gezielte Einleitung von sauerstoffhaltiger Sekundärluft in einen Wirkbereich in der Abgasausbrandzone über eine oder mehrere regelbare Düsen erfolgt, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Bestimmung von lokalen Konzentrationen einzelner unvollständig verbrannter Gaskomponenten in der Abgasausbrandzone zumindest im Wirkbereich, b) Umsetzung der lokal erfassten Spezieskonzentrationen in Signale, sowie c) Umsetzung der Signale zu Stellsignalen für jede regelbare Düse .
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zeitliche Änderungen der Signale oder einer Konzentrationsverteilung in die Umsetzung der Stellsignale einfließen.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Sekundärluftzufuhr abhängig zur ermittelten lokalen Konzentration von unvollständig verbrannten Gaskomponenten im Abgas erfolgt.
1. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der lokalen Konzentrationen eine spektral messende Einrichtung eingesetzt wird, wobei mit Filtern mindestens ein begrenzter Wellenlängenbereich ausgewählt wird.
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