EP4571187A1 - Mobile heizanlage für thermoprozessanlage und verfahren zum betreiben einer mobilen heizanlage - Google Patents

Mobile heizanlage für thermoprozessanlage und verfahren zum betreiben einer mobilen heizanlage Download PDF

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Publication number
EP4571187A1
EP4571187A1 EP24169951.1A EP24169951A EP4571187A1 EP 4571187 A1 EP4571187 A1 EP 4571187A1 EP 24169951 A EP24169951 A EP 24169951A EP 4571187 A1 EP4571187 A1 EP 4571187A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating system
mobile heating
fuel
air
control unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24169951.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Schwarzenau
Norbert Pfitzner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robur Industry Service Group GmbH
Original Assignee
Robur Industry Service Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robur Industry Service Group GmbH filed Critical Robur Industry Service Group GmbH
Publication of EP4571187A1 publication Critical patent/EP4571187A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/022—Regulating fuel supply conjointly with air supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06041—Staged supply of oxidant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D15/00—Other domestic- or space-heating systems
    • F24D15/02—Other domestic- or space-heating systems consisting of self-contained heating units, e.g. storage heaters

Definitions

  • the present invention relates to a mobile heating system for at least one thermal processing system and a method for operating a mobile heating system.
  • thermoprocessing plants which can also be referred to as industrial furnaces, are used in industry for the treatment of various materials.
  • thermoprocessing plants are used for the treatment of cement, glass, steel or for waste incineration.
  • thermoprocessing plants can be reactors or gasifiers, for example.
  • Thermoprocessing plants can be used for industrial firing, melting, drying, and tempering.
  • the process chamber of the thermoprocessing plant which can also be referred to as the furnace chamber, is equipped with refractory material for this purpose.
  • the refractory material serves, on the one hand, to protect the outer shell of the thermoprocessing plant and, on the other hand, to ensure only minimal heat loss from the process chamber.
  • the refractory material can be provided in the thermoprocessing plant as a lining with refractory bricks or a sprayed-on or poured refractory concrete layer.
  • a thermal processing system typically requires at least one burner for operation.
  • the burner(s) are permanently installed on the system.
  • Such burners are also referred to as stationary burners.
  • This low temperature range is particularly important during initial commissioning or recommissioning after repair or reconstruction of the thermal processing plant.
  • the refractory material must be heated slowly to expel the water present in the lining formed by the refractory material and to compensate for thermal expansion.
  • a high excess air ratio for example (1:5-1:20)
  • a disadvantage of heating or drying the systems using the stationary burner at low temperatures is that it causes pollutant and noise emissions.
  • the object of the present invention is therefore to provide a solution by means of which the disadvantages of the prior art can at least be reduced.
  • the invention therefore relates to a mobile heating system for at least one thermal processing system.
  • the mobile heating system is characterized in that the heating system has an electronic fuel-air control unit.
  • a mobile heating system is a heating system that can be used flexibly for changing local and technological operating conditions.
  • the mobile heating system can be used in a wide variety of applications and locations for heating, drying, combustion, or holding processes.
  • the mobile heating system can be used flexibly on a thermal processing system or on different thermal processing systems.
  • the heating system is also referred to as a heating system because it can be used particularly, although not exclusively, for heating during the initial commissioning and recommissioning of a thermal processing system.
  • the heating system preferably has at least one burner.
  • the burner of the mobile heating system can be inserted into the process chamber opening on the thermal processing system and/or plugged into a corresponding fastening device.
  • the burner is a burner that combusts a fuel-air mixture.
  • the burner can consist of a fuel and air supply and a burner tube and can preferably also have flame monitoring.
  • the fuel can be natural gas, for example.
  • the fuel-air supply in the burner can be at least partially integrated into the burner tube.
  • Media supply channels can be connected to the burner, connecting the burner to the respective media sources for air and fuel.
  • the media supply channels can be designed as flexible hoses.
  • the mobile heating system has an electronic fuel-air compound control unit which can represent a gas-air compound control unit when using gas, for example natural gas, as fuel.
  • the high excess of air significantly reduces the flame temperature in the edge region of the flame burnout in the burner, particularly in the burner tube.
  • the very high flow velocity of the air stream entrains combustion radicals into the process chamber. These combustion radicals generally only undergo post-combustion above 600°C. Up to this temperature, high pollutant loads are created in the exhaust gas stream.
  • the pollutants can include CO, NOx and/or formaldehyde ( CH2O ). These pollutants can escape from joints and openings due to the necessary overpressure in the process chamber.
  • the immediate exterior of the thermal processing plant is therefore contaminated with high pollutant concentrations for a certain period of time, for example 3-10 days.
  • secondary air is added in addition to the primary air required for stoichiometric combustion.
  • the primary air flow and secondary air flow can be generated by dividing the air flow directed to the burner.
  • a fuel-air compound control unit is provided in the mobile heating system.
  • the fuel-air compound control unit serves to specifically adjust the air supply in comparison to the fuel supply during operation of the heating system, in particular of the burner, or to be able to specifically adjust a fuel-air ratio.
  • the fuel-air compound purification unit represents an electronic fuel-air compound control unit.
  • An electronic fuel-air compound control unit refers to a control system in which the control elements are electronically interconnected. In particular, control is achieved via fuel and air quantity measurements.
  • control elements are also referred to as adjustment elements.
  • an electronic fuel-air ratio control offers several advantages.
  • the adjustment of the control elements can be carried out on a control unit in which characteristic curves for the positions of the control elements can be stored depending on the power requirement.
  • This advantage also applies compared to a constant-pressure controller, in which the static air pressure is recorded as the reference variable and the The static pressure of the fuel is regulated to the same value, since adjustment with this control is usually done manually.
  • the electronic fuel-air ratio control offers the possibility of incorporating additional feedback from the process. For example, sensor signals that can indicate pollutant levels, for example, can be incorporated into the control system.
  • the air flow especially the primary air flow at the burner of the mobile heating system, can be adjusted to ensure a permanently defined fuel-air mixture and complete combustion of the combustion gases.
  • the secondary air supply can be used to maintain the overpressure in the process chamber and the outlet temperature of the gas mixture from the combustion exhaust gases and the secondary air at a specified holding temperature, or to set a targeted heating rate, for example, of 1 K/h.
  • the electronic fuel-air ratio control unit is used in particular for control in the power range of 0.25–3.5 MW.
  • the power range refers in particular to the thermal power range of the mobile heating system, in particular of at least one burner of the mobile heating system.
  • the power can also be referred to as the firing power or burner power.
  • the power range can be continuously modulated.
  • the present invention thus provides a solution in which, for example, drying, tempering and/or heating of a thermal processing system can be carried out flexibly and yet the release of pollutants can be reliably kept at a low level even in the low temperature range.
  • the heating system comprises at least one burner connected to the fuel-air control unit.
  • the heating system it is also within the scope of the invention for the heating system to have multiple burners. In this case, each burner is preferably connected to its own fuel-air control unit.
  • the burner has a burner mouth through which the mixture of primary air and fuel or the combustion product of primary air and fuel can exit, and an additional secondary air outlet opening.
  • the secondary air outlet opening is provided at the burner mouth.
  • the fuel-air compound control unit is preferably designed to control the primary air flow, the fuel flow and/or the secondary air flow of the burner.
  • the mobile heating system has at least one adjustment element in the form of a fuel control valve having a linear control characteristic.
  • the fuel control valve is, in particular, a gas control valve.
  • a linear characteristic refers, in particular, to the linear relationship between the relative flow rate of the fuel, in particular gas, and the relative opening of the valve, in particular under the condition that the pressure difference between the inlet and outlet of the valve is kept constant.
  • the fuel control valve has a control ratio of 1:10 from minimum flow rate to maximum flow rate for fuel.
  • the mobile heating system has at least one adjustment element in the form of an air damper in the primary air flow of the burner, which has a control ratio of 1:7 minimum flow rate to maximum flow rate for air.
  • the air damper is a linearized air damper.
  • a linearized air damper is an air damper that exhibits a linear relationship between flow rate and damper opening, even at low flow rates.
  • suitable means can be used to prevent increased average pressure when opening the damper and even at low flow rates.
  • the mobile heating system has at least one servomotor for at least one adjustment element, in particular a fuel control valve and/or air damper.
  • the servomotor and the adjustment element are designed so that the increment or setting of the fuel/air flow rate can be specifically adjusted in the low-load range.
  • a transmission gear is preferably provided between the actual servomotor and the drive shaft of the adjustment element, i.e., the actual fuel control valve/air damper. This transmission gear enables the smallest movements of the adjustment element and thus the precise adjustment of the linear characteristic curve and the metering of fuel, in particular gas, or air in the low-load range.
  • the transmission gear is preferably integrated into a "fuel control valve with servomotor” or "air damper with servomotor” component.
  • the mobile heating system has a control unit.
  • the control unit can also be referred to as a heat-up management unit.
  • the fuel-air compound control unit is provided with a communication interface for communication with the control unit.
  • the communication interface is an interface that serves for wireless communication.
  • the control unit can also be referred to as a remote heat-up management unit.
  • the control unit, the communication interface, and the fuel-air composite control unit can together also be referred to as a heat-up management system, and in the case of an interface for wireless communication, also as a remote heat-up management system.
  • the remote heat-up management system comprises a control unit and a plurality of communication interfaces, each of the communication interfaces being connected to a fuel-air composite control unit.
  • a processing unit can be provided in the connection between the communication interface and the fuel-air composite control unit. Via this processing unit, information on technological parameters can be output, in particular displayed and/or saved, measured values can be recorded, user inputs can be made, and/or process data can be received.
  • the wireless communication interface can be used for communication via mobile radio, WLAN and/or the Internet.
  • the present invention relates to a method for operating a mobile heating system according to the invention.
  • the electronic fuel-air compound control unit controls at least one setting element of the mobile heating system.
  • the invention relates to a use of a mobile heating system for heating a thermal processing system, wherein the mobile heating system represents a mobile heating system according to the invention and/or the mobile heating system is operated according to the method according to the invention.
  • FIG 1 is shown schematically an embodiment of a mobile heating system 1.
  • the heating system 1 comprises two burner stations 2 and a control unit 3.
  • Each of the burner stations 2 comprises an electronic fuel-air compound control unit 21 and a burner 20.
  • Each burner 20 comprises a burner tube 202 and air and fuel guides 201.
  • the burner station 2 and in particular the burner, preferably additionally comprises a flame monitoring unit.
  • the air and fuel guides 201 can comprise supply lines and channels in the burner tube 202.
  • the supply lines are preferably formed by hoses.
  • the channels in the burner tube 202 can be designed, for example, as parallel tubes or as concentric channels.
  • Each burner 20 is assigned an electronic fuel-air ratio control unit 21.
  • the electronic fuel-air ratio control unit 21 is connected to the burner 20 for transmitting signals.
  • Each electronic fuel-air ratio control unit 21 is connected to the control unit 3.
  • the control unit 3 thus represents a common control unit 3 for the two burner stations 2.
  • the mobile heating system 1 can have more than two burner stations 2.
  • the mobile heating system 1 may comprise only one burner station 2.
  • the fuel-air ratio control unit 21 can be integrated into the control unit 3.
  • the control unit 3 can be provided in the burner station 2 separately from the fuel-air ratio control unit 21 or separately from the burner station 2.
  • the mobile heating system 1 can also have, for example, a processing unit (not shown) at each burner station 2, which can include an input/output unit.
  • Adjustment elements in particular valves, can also preferably be provided in the air-fuel ducts, via which the amount of air or fuel can be adjusted. The adjustment elements are preferably controlled by the fuel-air compound control unit 21.
  • the present invention makes it possible to carry out the drying, tempering and heating of a process chamber even in the low temperature range in accordance with the legally valid limit values for stationary systems, in particular the Technical Instructions for Air Quality Control (TA-Luft).
  • TA-Luft Technical Instructions for Air Quality Control
  • the present invention can be used to reliably heat up a thermal processing plant with a new lining.
  • Heating the thermal processing plant includes the processes of drying the refractory material and tempering the wall, basin, and vault structures up to process temperature.
  • the present invention allows the thermal processing plant to heat up very slowly so that, among other things, the displaced water for the lining can be removed non-destructively (5 °K/h). Only once the water has been completely removed can significantly greater temperature increases be achieved (up to 50 °K/h). The temperature increases during heating in the critical temperature range are only approximately 3-5 K/h in order to safely remove free and chemically bound water components. This reduces the risk of a steam explosion or thermal shock. The refractory material can thus be optimally protected.
  • thermal expansion of the refractory components in particular the protection of the vaults and arches, since changes in shape must be compensated by countermeasures (e.g. readjustment of the steel anchorages).
  • the increased air volume leads to suboptimal combustion of the fuel, especially gas, in terms of the resulting emissions.
  • the components CH2O and CO are of particular importance, as they significantly exceed the values specified in the TA-Luft (Technical Instructions on Air Quality Control) for stationary systems and are significantly higher than the emissions occurring during normal operation of the burner.
  • Nitrogen oxides as nitrogen dioxide are Nitrogen oxides as nitrogen dioxide:
  • the present invention provides, in particular, a solution which, through a staggered air addition within the burner station, creates conditions which only achieve the desired emissions even with strongly varying excess air.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mobile Heizanlage für mindestens eine Thermoprozessanlage, die eine Luftzufuhr und eine Brennstoffzuführung (201) aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Heizanlage (1) eine elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit (21) aufweist. Zudem werden ein Verfahren zum Betreiben einer solchen mobilen Heizanlage und die Verwendung der mobilen Heizanlage zum Aufheizen einer Thermoprozessanlage beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine mobile Heizanlage für mindestens eine Thermoprozessanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer mobilen Heizanlage.
  • Thermoprozessanlagen, die auch als Industrieöfen bezeichnet werden können, werden in der Industrie für die Behandlung unterschiedlicher Materialien verwendet. Beispielsweise werden Thermoprozessanlagen für die Behandlung von Zement, Glas, Stahl oder zur Müllverbrennung verwendet. In der chemischen Industrie können die Thermoprozessanlagen beispielsweise Reaktoren oder Vergaser sein. Thermoprozessanlagen können beispielsweise zum industriellen Brennen, Schmelzen, Trocknen und Tempern verwendet werden. Der Prozessraum der Thermoprozessanlage, der auch als Ofenraum bezeichnet werden kann, ist hierzu mit Feuerfestmaterial ausgerüstet. Das Feuerfestmaterial dient einerseits zum Schutz der Außenhülle der Thermoprozessanlage und andererseits zur Realisierung nur geringer Wärmeverluste vom Prozessraum. Das Feuerfestmaterial kann als einer Ausmauerung mit Feuerfest-Ziegeln, einer aufgespritzten oder gegossenen Feuerfest-Betonschicht in der Thermoprozessanlage vorgesehen sein.
  • Für den Betrieb einer Thermoprozessanlage ist an diesem in der Regel mindestens ein Brenner vorgesehen. Der oder die Brenner sind dabei fest an der Thermoprozessanlage installiert. Solche Brenner werden auch als stationäre Brenner bezeichnet.
  • Das Einstellen einer gleichmäßigen Temperaturverteilung in allen Bereichen des Prozessraums, beispielsweise auch am Boden des Prozessraums oder in Kanälen oder für den Brenner nicht unmittelbar erreichbare Bereiche ist bei stationären Brennern schwierig. Dies trifft insbesondere für den unteren Temperaturbereich von beispielsweise 50-600°C zu.
  • Dieser niedrige Temperaturbereich ist insbesondere bei der Erstinbetriebnahme oder einer Wiederinbetriebnahme nach einer Reparatur oder Rekonstruktion der Thermoprozessanlage von Bedeutung. Bei der Erstinbetriebnahme und der Wiederinbetriebnahme muss das Feuerfestmaterial langsam aufgeheizt werden, um das in der durch das Feuerfestmaterial gebildeten Auskleidung vorhandene Wasser auszutreiben beziehungsweise Wärmedehnungen kompensieren zu können.
  • Um eine gleichmäßige Temperaturverteilung, insbesondere in dem unteren Temperaturbereich zu erzielen, wird bisher ein hoher Luftüberschuss, beispielsweise (1:5-1:20) bei dem Betrieb des stationären Brenners eingestellt. Ein Nachteil bei einem solchen Aufheizen beziehungsweise Trocknen der Anlagen über den stationären Brenner im niedrigen Temperaturverlauf ist, dass dieses Schadstoff- und Lärmemissionen verursacht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Lösung zu schaffen, mittels derer die Nachteile des Standes der Technik zumindest verringert werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine mobile Heizanlage gemäß Anspruch 1 ein Verfahren gemäß Anspruch 14 und eine Verwendung gemäß Anspruch 16.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung daher eine mobile Heizanlage für mindestens eine Thermoprozessanlage. Die mobile Heizanlage ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizanlage eine elektronische Brennstoff-Luftverbund-Regelungseinheit aufweist.
  • Als mobile Heizanlage wird eine Heizanlage bezeichnet, die flexibel für wechselnde örtliche und technologische Einsatzbedingungen verwendet werden kann. Insbesondere kann die mobile Heizanlage in den unterschiedlichsten Anwendungen und Orten für Aufheiz-, Trocknungs-, Abbrand- oder Warmhalteprozesse verwendet werden. Hierbei kann die mobile Heizanlage flexibel an einer Thermoprozessanlage oder an unterschiedlichen Thermoprozessanlagen eingesetzt werden kann. Die Heizanlage wird auch als Aufheizanlage bezeichnet, da diese insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, für das Aufheizen während der Erstinbetriebnahme und der Wiederinbetriebnahme einer Thermoprozessanlage verwendet werden kann. Die Heizanlage weist vorzugsweise mindestens einen Brenner auf. Der Brenner der mobilen Heizanlage kann an der Thermoprozessanlage in die Prozessraumöffnung eingebracht und/oder an einem entsprechenden Befestigungsmittel eingesteckt werden. Der Brenner stellt einen Brenner dar, durch den ein Brennstoff-Luftgemisch verbrannt wird. Hierbei kann der Brenner aus einer Brennstoff- und Luftzuführung und einem Brennerrohr bestehen und vorzugsweise zusätzlich eine Flammenüberwachung aufweisen. Der Brennstoff kann beispielsweise Erdgas sein. Die Brennstoff-Luftzuführung in dem Brenner kann zumindest teilweise in dem Brennerrohr integriert sein. An dem Brenner können Medienversorgungskanälen angeschlossen sein, die den Brenner mit den jeweiligen Medienquellen für Luft und Brennstoff verbinden. Die Medienversorgungskanäle können als flexible Schläuche ausgestaltet sein.
  • Erfindungsgemäß weist die mobile Heizanlage eine elektronische Brennstoff-Luftverbund-Regelungseinheit auf, die bei Verwendung von Gas, beispielsweise Erdgas, als Brennstoff, eine Gas-Luftverbund-Regelungseinheit darstellen kann.
  • Wie bereits angegeben, kann es für eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Prozessraum erforderlich sein den Brenner mit einem hohen Luftüberschuss zu betreiben. Durch den hohen Luftüberschuss wird im Randbereich des Flammenausbrandes im Brenner, insbesondere im Brennerrohr, die Flammentemperatur stark abgesenkt. Zudem werden gleichzeitig durch die sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit des Luftstromes Verbrennungsradikale in den Prozessraum mitgerissen. Diese Verbrennungsradikale unterliegen in der Regel erst ab 600°C einer Nachverbrennung. Bis zu dieser Temperatur entstehen hohe Schadstofffrachten im Abgasstrom. Die Schadstoffe können CO, NOx und/oder Formaldehyd (CH2O) umfassen. Diese Schadstoffe können durch den notwendigen Überdruck in dem Prozessraum aus Fugen und Öffnungen austreten. Der unmittelbare Außenbereich der Thermoprozessanlage ist daher für einen gewissen Zeitraum von beispielsweise 3-10 Tagen, mit hohen Schadstoffkonzentrationen belastet.
  • Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung adressiert. Hierzu wird erfindungsgemäß zusätzlich zu einer für die stöchiometrische Verbrennung notwendigen Primärluft auch Sekundärluft zugegeben. Der Primarluftstrom und Sekundärluftstrom kann durch Aufteilung des Luftstroms, der zu dem Brenner geleitet wird, erzeugt werden. Zudem ist erfindungsgemäß eine Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit in der mobilen Heizanlage vorgesehen. Die Brennstoff-Luft- Verbund-Regelungseinheit dient dazu die Luftzufuhr im Vergleich zu der Brennstoffzufuhr während des Betriebs der Heizanlage, insbesondere des Brenners, gezielt einzustellen beziehungsweise ein Brennstoff-Luft-Verhältnis gezielt einstellen zu können.
  • Die Brennstoff-Luft-Verbund-Reinigungseinheit stellt erfindungsgemäß eine elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit dar. Als elektronischer Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit wird hierbei eine Regelung bezeichnet, bei der die Stellelemente elektronisch miteinander verbunden sind. Insbesondere erfolgt die Regelung über Mengenmessungen für Brennstoff und Luft. Im Folgenden werden die Stellelemente auch als Einstellelemente bezeichnet.
  • Die Verwendung einer elektronischen Brennstoff-Luft-Verbund-Regelung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann bei der Inbetriebnahme einer thermischen Anlage die Justierung der Stellelemente an einer Steuereinheit erfolgt, in der Kennlinien für die Positionen der Stellelemente abhängig von der Leistungsanforderung hinterlegt sein können. Dieser Vorteil liegt auch gegenüber einem Gleichdruckregler vor, bei dem der statische Luftdruck als Führungsgröße erfasst und der statische Druck des Brennstoffes auf den gleichen Wert geregelt wird, da die Justierung bei dieser Regelung in der Regel über Handeinstellung erfolgt. Zudem bietet die elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelung die Möglichkeiten zur Einbindung weiterer Rückmeldungen aus dem Prozess. Beispielsweise können Sensorsignale, die beispielsweise Schadstoffgehalte angeben können, in die Regelung einbezogen werden.
  • Mit der elektronischen Brennstoff-Luft-Verbund-Regelung kann der Luftstrom, insbesondere der Primärluftstrom an dem Brenner der mobilen Heizanlage so eingestellt werden, dass permanent ein definiertes Brennstoff-Luft-Gemisch und ein vollständiger Ausbrand der Brenngase erzielt wird. Zudem kann durch die Sekundärluftzuführung der Überdruck in dem Prozessraum und die Austrittstemperatur des Gasgemisches aus den Abgasen der Verbrennung und der Sekundärluft auf einer vorgegebenen Haltetemperatur gehalten werden oder eine gezielte Aufheizgeschwindigkeit, beispielsweise von 1 K/h eingestellt werden.
  • Die elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit dient erfindungsgemäß insbesondere für eine Regelung im Leistungsbereich von 0,25-3,5 MW. Der Leistungsbereich bezeichnet hierbei insbesondere den thermischen Leistungsbereich der mobilen Heizanlage, insbesondere mindestens eines Brenners der mobilen Heizanlage. Die Leistung kann auch als Feuerungsleistung oder Brennerleistung bezeichnet werden. Der Leistungsbereich kann stetig moduliert werden.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird somit eine Lösung geschaffen, bei der beispielsweise Trocknen, Tempern und/oder Aufheizen einer Thermoprozessanlage flexibel erfolgen kann und dennoch der Austritt von Schadstoffen auch im niedrigen Temperaturbereich zuverlässig auf einem geringen Niveau gehalten werden kann.
  • Vorzugsweise umfasst die Heizanlage mindestens einen Brenner, der mit der Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit verbunden ist. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass die Heizanlage mehrere Brenner aufweist. In diesem Fall ist vorzugsweise jeder Brenner mit einer eigenen Brennstoff-Luft-Verbund-Regeleinheit verbunden.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist der Brenner einen Brennermund, über den das Gemisch aus Primärluft und Brennstoff oder das Verbrennungsprodukt aus Primärluft und Brennstoff austreten kann, und eine zusätzliche Sekundärluft-Auslassöffnung auf. Vorzugsweise ist die Sekundärluft-Auslassöffnung am Brennermund vorgesehen.
  • Die Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit ist vorzugsweise zur Regelung des Primärluftstroms, des Brennstoffstroms und/oder des Sekundärluftstroms des Brenners ausgelegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die mobile Heizanlage mindestens ein Einstellelement in Form eines Brennstoff-Regelventils auf, das eine lineare Regelkennlinie aufweist. Das Brennstoff-Regelventil stellt insbesondere ein Gas-Regelventil dar. Als lineare Kennlinie wird insbesondere die lineare Beziehung zwischen dem relativen Durchfluss des Brennstoffs, insbesondere Gases, und der relativen Öffnung des Ventils bezeichnet, insbesondere unter der Bedingung, dass die Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass des Ventils konstant gehalten wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoff-Regelventil ein Regelverhältnis von 1:10 von minimalem Durchsatz zu maximalem Durchsatz bei Brennstoff auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die mobile Heizanlage mindestens ein Einstellelement in Form einer Luftklappe in dem Primärluftstrom des Brenners auf, die ein Regelverhältnis von 1:7 minimalem Durchsatz zu maximalem Durchsatz bei Luft, aufweist. Vorzugsweise stellt die Luftklappe eine linearisierte Luftklappe dar. Als linearisierte Luftklappe wird hierbei eine Luftklappe bezeichnet, die auch bei geringen Durchflussmengen eine lineare Beziehung zwischen Durchflussmenge und Öffnung der Klappe aufweist. Insbesondere kann durch geeignete Mittel ein erhöhter mittlerer Druck beim Öffnen der Klappe und auch bei geringen Durchflussmengen verhindert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die mobile Heizanlage mindestens einen Stellmotor für mindestens ein Einstellelement, insbesondere Brennstoff-Regelventil und/oder Luftklappe auf. Vorzugsweise ist der Stellmotor mit dem Einstellelement so ausgelegt, dass im Kleinlastbereich die Schrittweite oder Einstellung des Brennstoff-/Luftdurchsatzes gezielt eingestellt werden kann. Insbesondere ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise zwischen dem eigentlichen Stellmotor und der Antriebswelle des Einstellelementes, das heißt des eigentlichen Brennstoff-Regelventils / Luftklappe ein Übersetzungsgetrieben vorgesehen. Dieses Übersetzungsgetriebe ermöglicht kleinste Bewegungen des Einstellelementes und damit die genaue Einstellung der linearen Kennlinie und die Dosierung von Brennstoff, insbesondere Gas, oder Luft im Kleinlastbereich. Das Übersetzungsgetriebe ist vorzugsweise in einem Bauteil "Brennstoff-Regelventil mit Stellmotor" oder "Luftklappe mit Stellmotor" integriert.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die mobile Heizanlage eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit kann auch als Heat-up Management Einheit bezeichnet werden. Vorzugsweise ist die Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit mit einer Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit der Steuereinheit verbunden. Vorzugsweise ist die Kommunikationsschnittstelle eine Schnittstelle, die zur drahtlosen Kommunikation dient. In diesem Fall kann die Steuereinheit auch als Remote Heat-up Management Einheit bezeichnet werden. Die Steuereinheit, die Kommunikationsschnittstelle und die Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit können zusammen auch als Heat-up Management System und bei einer Schnittstelle zur drahtlosen Kommunikation auch als Remote Heat-up Management System bezeichnet werden. Vorzugsweise umfasst das Remote Heat-up Management System eine Steuereinheit und mehrere Kommunikationsschnittstellen, wobei jede der Kommunikationsschnittstellen jeweils mit einer Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit verbunden ist. In der Verbindung zwischen der Kommunikationsschnittstelle und der Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit kann eine Verarbeitungseinheit vorgesehen sein. über diese Verarbeitungseinheit können Angaben zu technologische Parameter ausgegeben, insbesondere angezeigt und/oder gespeichert werden, Messwerte erfasst werden und/oder Benutzereingaben getätigt werden und/oder Prozessdaten empfangen werden.
  • Die drahtlose Kommunikationsschnittstelle kann zur Kommunikation über Mobilfunk, WLAN und/oder das Internet dienen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen mobilen Heizanlage.
  • Vorteile und Merkmale, die bezüglich der mobilen Heizanlage beschrieben werden, gelten - sofern anwendbar - entsprechend für das Verfahren und die Verwendung der mobilen Heizanlage und jeweils umgekehrt.
  • Vorzugsweise steuert die elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit mindestens ein Einstellelement der mobilen Heizanlage an.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung einer mobilen Heizanlage zum Aufheizen einer Thermoprozessanlage, wobei die mobile Heizanlage eine erfindungsgemäße mobile Heizanlage darstellt und/oder die mobile Heizanlage nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden erneut unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur 1 erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Blockdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mobilen Heizanlage; und
    Figur 2
    eine schematische Blockdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mobilen Heizanlage.
  • In Figur 1 ist schematisch eine Ausführungsform einer mobilen Heizanlage 1 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Heizanlage 1 zwei Brennerstationen 2 und eine Steuereinheit 3. Jede der Brennerstationen 2 umfasst eine elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit 21 und einen Brenner 20. Jeder Brenner 20 umfasst ein Brennerrohr 202 sowie Luft- und Brennstoffführungen 201. Obwohl in der Figur 1 nicht gezeigt, weist die Brennerstation 2 und insbesondere der Brenner vorzugsweise zusätzlich eine Flammenüberwachungseinheit auf. Die Luft- und Brennstoffführungen 201 können Zuleitungen und Kanäle in dem Brennerrohr 202 umfassen. Die Zuleitungen sind hierbei vorzugsweise durch Schläuche gebildet. Die Kanäle in dem Brennerrohr 202 können beispielsweise als parallele Rohre oder als konzentrische Kanäle ausgebildet sein.
  • Jedem Brenner 20 ist eine elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit 21 zugeordnet. Die elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit 21 ist mit dem Brenner 20 zur Übermittlung von Signalen verbunden.
  • Jede elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit 21 ist mit der Steuereinheit 3 verbunden. Die Steuereinheit 3 stellt somit eine gemeinsame Steuereinheit 3 für die beiden Brennerstationen 2 dar.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere kann die mobile Heizanlage 1 mehr als zwei Brennerstationen 2 aufweisen.
  • Alternativ ist es auch möglich, dass die mobile Heizanlage 1 nur eine Brennerstation 2 umfasst. Eine solche Ausführungsform ist in Figur 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform kann die Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit 21 in der Steuereinheit 3 integriert sein. Alternativ kann die Steuereinheit 3 in der Brennerstation 2 separat zu der Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit 21 oder separat zu der Brennerstation 2 vorgesehen sein.
  • Zudem kann die mobile Heizanlage 1 zusätzlich zu den gezeigten Einheiten beispielsweise an jeder Brennerstation 2 eine Verarbeitungseinheit (nicht gezeigt) aufweisen, die eine Eingabe / Ausgabeeinheit umfassen kann. In den Luft-Brennstoffführungen können zudem vorzugsweise Einstellelemente, insbesondere Ventile vorgesehen sein, über die die Menge der Luft beziehungsweise des Brennstoffes eingestellt werden können. Die Einstellelemente werden dabei vorzugsweise durch die Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit 21 angesteuert.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird es ermöglicht, das Trocknen, Tempern und Aufheizen eines Prozessraums auch im niedrigen Temperaturbereich in Anlehnung an die für stationäre Anlagen gesetzlichen gültigen Grenzwerte, insbesondere der Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft), auszuführen.
  • Insbesondere kann mit der vorliegenden Erfindung das Aufheizen einer Thermoprozessanlage mit einer Neuzustellung zuverlässig realisiert werden. Das Aufheizen der Thermoprozessanlage umfasst die Prozesse Trocknen des Feuerfestmaterials, Tempern der Wand-, Bassin- und Gewölbekonstruktion bis auf Prozesstemperatur. Das Aufheizen der Thermoprozessanlagen kann mit der vorliegenden Erfindung sehr langsam erfolgen, damit unter anderem das verdrängte Wasser für die Auskleidung zerstörungsfrei abgeführt werden kann (5 °K/h). Erst wenn das Wasser vollständig entfernt ist, sind deutlich größeren Temperaturerhöhungen realisierbar (bis 50 °K/h). Die Temperatursteigerungen während des Aufheizens im kritischen Temperaturbereich liegen nur bei ca. 3 - 5 K/h, um freie und chemisch gebundene Wasseranteile gefahrfrei auszutragen. So vermindert sich das Risiko einer Dampfexplosion oder eines thermischen Schocks. Das Feuerfestmaterial lässt sich somit optimal schützen.
  • Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist in dieser kritischen Phase auch die thermische Dehnung der Feuerfest-Bauteile, insbesondere der Schutz der Gewölbe und Bögen, da Formveränderungen durch Gegenmaßnahmen (z.B. Nachstellen der Stahlverankerungen) kompensiert werden müssen.
  • Bei herkömmlichen stationären Heizanlagen ergibt sich einerseits eine lange Aufheizzeit (mehrere Tage) und andererseits die Notwendigkeit, die Leistung der eingesetzten Aufheizbrenner drastisch zu drosseln. Gleichzeitig wird das Eindringen der Flammen in den Prozessraum grundsätzlich verhindert, um örtliche Überhitzungen des Feuerfestmaterials ausschließen zu können. Dazu müssen die Brenner in diesem Bereich mit hohem Luftüberschuss betrieben werden, der zu Schadstoffemissionen führt. Insbesondere sind dies die Komponenten NOx, CO und CH2O, die die Bereiche um Anlagen herum belasten. Dazu kommt noch die starke Lärmentstehung von über 100db in Folge von Resonanzen im Brenner im Bereich der kritischen Phase des Aufheizens, in dem mit hohem Luftüberschuss gearbeitet wird. Diese Nachteile können mit der vorliegenden Erfindung ausgeräumt werden.
  • Ein besonderes Problem bei Erstaufheizungen stellen die Beheizungssysteme dar. Dazu zählen die Emissionen innerhalb der Regelbereiche der Brenner, die gegenwärtig machbaren Temperatur-verteilungen und die möglichen Anordnungen der Brenner.
  • Bei bekannten Brennern bestehen spezielle Möglichkeiten, verschiedene Laststufen zu fahren. Deshalb wird im kritischen Aufheizbereich eine Absenkung des Wärmeeintrages in die Thermoprozessanlage durch eine wesentlich erhöhte Luftzugabe erreicht. Diese liegt in einer Größenordnung des etwa 40-fachen vom Normalbetrieb.
  • Die erhöhte Luftmenge führt aber zu einer nichtoptimalen Verbrennung des Brennstoffes, insbesondere Gases, hinsichtlich der dabei entstehenden Emissionen. Insbesondere sind hierbei die Komponenten CH2O und CO zu nennen, die die Werte nach TA-Luft für stationäre Anlagen deutlich überschreiten und deutlich über den im Normalbetrieb des Brenners auftretenden Belastungen liegen.
  • Die für stationäre Anlagen einzuhaltende Vorschrift nach TA Luft Punkt 5.4.1.2.3 (Anlagen zur Erzeugung von Strom, Dampf, Warmwasser, Prozesswärme oder erhitztem Abgas in Feuerungsanlagen durch den Einsatz von gasförmigen Brennstoffen, insbesondere naturbelassenem Erdgas, mit einer Feuerungswärmeleistung von weniger als 50 MW) legt bezogen auf einen Volumengehalt von 8 % Sauerstoff im Abgas folgende Grenzen für die Massenkonzentrationen fest:
    Kohlenmonoxid: 50 mg/m3
    • Stickstoffoxide als Stickstoffdioxid:
  • - unter 110 °C 0,10 g/m3
    - 110 °C bis 210 °C 0,11 g/m3
    - > 210 °C 0,15 g/m3
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird insbesondere eine Lösung geschaffen, die durch eine gestaffelte Luftzugabe innerhalb der Brennerstation solche Verhältnisse schafft, die auch bei stark variierendem Luftüberschuss nur die angestrebten Emissionen erzielt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    mobile Heizanlage
    2
    Brennerstation
    20
    Brenner
    201
    Brenner Luft- / Brennstoffzuführungen
    202
    Brennerrohr
    21
    Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit
    3
    Steuereinheit

Claims (16)

  1. Mobile Heizanlage für mindestens eine Thermoprozessanlage, die eine Luftzufuhr und eine Brennstoffzuführung (201) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizanlage (1) eine elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit (21) aufweist.
  2. Mobile Heizanlage nach Anspruch 1, wobei die elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit (21) eine Regelungseinheit für eine Regelung im Leistungsbereich von 0,25-3,5 MW ist.
  3. Mobile Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Heizanlage (1) mindestens einen Brenner (20) umfasst, der mit der Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit (21) verbunden ist.
  4. Mobile Heizanlage nach Anspruch 3, wobei der Brenner (20) einen Brennermund und eine zusätzliche Sekundärluft-Auslassöffnung aufweist.
  5. Mobile Heizanlage nach Anspruch 4, wobei die Sekundärluft-Auslassöffnung am Brennermund vorgesehen ist.
  6. Mobile Heizanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit (21) zur Regelung des Primärluftstroms, Brennstoffstroms und/oder Sekundärluftstroms des Brenners (20) ausgelegt ist.
  7. Mobile Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mobile Heizanlage (1) mindestens ein Einstellelement in Form eines Brennstoff-Regelventils aufweist, das eine lineare Regelkennlinie aufweist.
  8. Mobile Heizanlage nach Anspruch 7, wobei das Brennstoff-Regelventil ein Regelverhältnis von 1:10 von minimalem Durchsatz zu maximalem Durchsatz bei Brennstoff aufweist.
  9. Mobile Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mobile Heizanlage (1) mindestens ein Einstellelement in Form einer linearisierten Luftklappe in dem Primärluftstrom des Brenners aufweist, die ein Regelverhältnis von 1:7 minimalem Durchsatz zu maximalem Durchsatz bei Luft, aufweist.
  10. Mobile Heizanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die mobile Heizanlage mindestens einen Stellmotor für mindestens eines des mindestens einen Einstellelement aufweist und vorzugsweise zwischen dem Stellmotor und der Antriebswelle des Einstellelementes ein Übersetzungsgetrieben angeordnet ist.
  11. Mobile Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mobile Heizanlage (1) eine Steuereinheit (3) aufweist und die Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit (21) mit einer Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit der Steuereinheit (3) verbunden ist.
  12. Mobile Heizanlage nach Anspruch 11, wobei die Kommunikationsschnittstelle eine Schnittstelle zur drahtlosen Kommunikation darstellt.
  13. Mobile Heizanlage nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei in der Verbindung zwischen der Kommunikationsschnittstelle und der Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit (21) eine Verarbeitungseinheit vorgesehen ist.
  14. Verfahren zum Betreiben einer mobilen Heizanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Heizanlage eine mobile Heizanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 darstellt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die elektronische Brennstoff-Luft-Verbund-Regelungseinheit mindestens ein Einstellelement der mobilen Heizanlage ansteuert.
  16. Verwendung einer mobilen Heizanlage zum Aufheizen einer Thermoprozessanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Heizanlage eine mobile Heizanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 darstellt und/oder die mobile Heizanlage (1) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15 betrieben wird.
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