NL1012239C1

NL1012239C1 - Systeem voor thermische processor zoals bijvoorbeeld afvalverbranding voorzien van een computer voor het meten van parameters van de verbranding van de materie.

Info

Publication number: NL1012239C1
Application number: NL1012239A
Authority: NL
Inventors: Lambertus Bernardus Mar Kessel; Gerrit Brem
Original assignee: Tno
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2000-12-06

Description

. »

Titel: Systeem voor thermische processor zoals bijvoorbeeld afvalverbranding voorzien van een computer voor het meten van parameters van de verbranding van de materie.

De uitvinding heeft betrekking op een systeem voor thermische verbrandingsprocessen van materie , zoals bijvoorbeeld afvalverbranding voorzien van een computer voor het meten van parameters van de verbranding van de 5 materie in het systeem, waarbij, in gebruik, materie zoals bijvoorbeeld afval, met een brandbaar deel CHyOz aan het systeem wordt toegevoerd en verbrand onder vorming van rookgas.

De bedrijfsvoering van de bestaande systemen voor 10 afvalverbranding wordt bemoeilijkt door de wisselende samenstelling van het afval dat aan een oven van het systeem wordt toegevoerd. Doordat veranderingen in de eigenschappen van het afval niet op tijd in het procesgedrag worden herkend, zijn de bestaande 15 regelsystemen niet goed in staat het proces te regelen.

Indien echter de afvalsamenstelling van het afval in de oven on-line zou kunnen worden afgeleid, kan beter op de wisselingen in de afvalsamenstelling worden ingespeeld, zodat het afvalverbrandingsproces beter beheersbaar wordt. 20 Een dergelijke afleiding is echter zeer gecompliceerd.

De uitvinding komt aan het bovengenoemde nadeel tegemoet en heeft als kenmerk, dat het systeem verder is voorzien van middelen voor het meten van de concentraties C02, 02 en H20 in het rookgas, alsmede voor het meten van 25 een verbrandingsluchtdebiet, waarbij de computer is ingericht om op basis van de gemeten concentraties en het verbrandingsluchtdebiet de verbrandingssnelheid (mol/s) en/of de samenstelling (y/z) van het brandbare deel CHyOz van de aan het systeem toegevoerde materie te bepalen.

30 Door overeenkomstig de uitvinding slechts de concentraties C02, 02 en H20 in het rookgas en het verbrandingsluchtdebiet te meten, kunnen de voor het 1012239 « * 2 eventueel regelen van de materieverbranding relevante parameters (de verbrandingssnelheid en/of de samenstelling van het brandbare deel) worden bepaald.

In gebruik, bepaalt de computer de verbrandings-5 snelheid en de samenstelling van het brandbare deel van het aan het systeem toegevoerde afval op basis van een massabalans van het systeem. Doordat overeenkomstig de uitvinding gebruik wordt gemaakt van een massabalans in plaats van een energiebalans, kunnen de genoemde relevante 10 parameters verrassenderwijs eenvoudig worden bepaald.

In het bijzonder geldt dat het systeem verder is voorzien van middelen om een vochtfractie van het rookgas te bepalen waarbij de computer is ingericht om aan de hand van het verbrandingsluchtdebiet en de vochtfractie van het 15 rookgas het vochtgehalte in het systeem te bepalen. De vochtfractie van de materie kan, in gebruik, eenvoudig worden bepaald op basis van een koolstof-/waterstof-verhouding van de materie.

Volgens een nadere uitwerking van de uitvinding 20 bepaalt de computer op basis van de vergelijkingen van

Michel de stookwaarde en/of waterproductie op basis van de bepaalde vochtfractie, verbrandingssnelheid en samenstelling. Op basis van deze waarden kan de computer, in gebruik, het asvrije vochtgehalte, de asvrije stookwaarde, 25 en de asvrije verbrandingssnelheid bepalen. Aan de hand van een of meer van deze parameters kan op, op zich bekende wijze, het systeem dusdanig worden geregeld dat de verbranding optimaal is.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan 30 de hand van een tekening. Hierin toont:

Fig. 1 een mogelijke uitvoeringsvorm van een systeem voor afvalverbranding overeenkomstig de uitvinding; fig. 2 een responsie van stoomproductie; en fig. 3 een responsie van percentage zuurstof.

35 In fig. 1 is met verwijzingscijfer 1 een systeem voor afvalverbranding aangeduid. Het systeem is voorzien 1Ö12239 • s 3 van een op zich bekende oven 2, omvattende een ingang 4 waaraan het afval wordt toegevoerd. De oven 2 is voorts voorzien van een uitgang 6 voor afvoer van de na verbranding ontstane verbrandinsproducten.

5 Het systeem is voorts voorzien van een computer 8 voor het regelen van de afvalverbranding. Hiermee kan de computer 8 diverse instellingen van de oven regelen. Zo kan de oven bijvoorbeeld zijn voorzien van een transportinrichting 10 die het afval van de ingang 4 naar de uitgang 10 6 transporteert. De snelheid waarmee het afval wordt getransporteerd kan bijvoorbeeld via leiding 12 door de computer worden ingesteld. Tevens kan de oven zijn voorzien van op zich bekende middelen 14 voor het regelen van de hoeveelheid lucht die aan de oven wordt toegevoerd. De 15 computer 8 kan de middelen 14 bijvoorbeeld via een leiding 16 van de oven instellen. De oven kan verder nog zijn voorzien van een schoorsteen 18 met een regelbare uitlaat 20. De uitlaat 20 kan bijvoorbeeld wederom via leiding 22 door de computer 8 worden gestuurd. Voorts kan de oven nog 20 zijn voorzien van andere door de computer 8 bestuurde op zich bekende regelingen, die voor de eenvoud in dit voorbeeld zijn weggelaten. De computer bepaalt eveneens op welke wij ze de afvalverbranding moet worden geregeld door instelling van bijvoorbeeld de hiervoor genoemde transport-25 snelheid en luchttoevoer.

Hiertoe is het systeem voorzien van middelen 26 voor het meten van de natte concentraties C02/ 02 en H20 in het rookgas 28 dat wordt ontwikkeld door verbranding van het afval 30, alsmede voor het meten van een verbrandingslucht-30 debiet.

Uitgangspunt voor de rookgasanalyse is de molaire verbrandingsvergelijking van het brandbare deel van het afval, waarbij wordt uitgegaan dat geen char wordt gevormd: 35 CHyOz + 0.5 · (2+0.5-y-z) O2 = CC>2 + 0.5’y ' H20 [1] 1012239 4 waarin de molaire verhouding y van het brandbare afval als een constante wordt beschouwd. Hiermee is de verhouding tussen verbrandingssnelheid en de percentages C02 en H20 in het rookgas vastgelegd. Uit het gemeten percentage C02 5 nat in het rookgas en het rookgasdebiet is de verbrandingssnelheid van het (brandbare) afval dus af te leiden: Φϊ>Γ3η<^3βι:_ιηο1 — 2 Φιχχ^ββ-ιηοΐ [2] waarin het rookgasdebiet met de N2 balans volgens de onderstaande vergelijking is te bepalen: 15 1000 (l-Xoj-iucht) '-----' Piucht ' Φ verbrandingslucht-vol

Mh2 Φ rookgas-mol “ --------------------------- [3] (1-%C0 - %02 - %H20) 20 met Xq2_lucht = massafractie Oz in de lucht M = molmassa (in dit geval van N2) 25 Vervolgens valt de molaire verhouding z met de zuurstof-balans af te leiden: 1000· XO lucht 2“ %<V ΦιτοοΚαββ-πιοΙ ~ P ΦνβΛΓβπε1ίη98ΐυΰΗ& · -vol “0*5 (2+0.5.y-z) Ψικβηβ^αΓ-ιηοΙ 3 0 2 . M0

De verbrandingssnelheid en samenstelling van het brandbare deel van het (verbrandende) afval kunnen dus vrij eenvoudig op basis van het percentage CC>2, het percentage 35 02 en de luchttoevoer worden bepaald. De molaire verhouding y dient hiervoor wel als bekend te worden verondersteld.

Aan de hand van de concentraties C02, 02 en H20 in het rookgas (%C02, %02 en %H20) en het verbrandingslucht-debiet bepaalt de computer op basis van de bovengenoemde 40 formules derhalve de verbrandingssnelheid mol/s en de samenstelling van het brandbare deel CHyOz. Omdat de molaire verhouding y als een constante wordt beschouwd, 10122 39 5 waarbij de molaire verhouding z wordt bepaald, bepaalt de verhouding (y/z) de samenstelling van het brandbare deel CHyO,.

Zoals hiervoor uiteengezet bepaalt de computer 5 derhalve, in gebruik, de verbrandingssnelheid (mol/S) en de samenstelling (y/z) van het brandbare deel CHyOz.van het aan het systeem toegevoerde afval 30 op basis van een massabalans van het systeem.

Als de samenstelling en de verbrandingssnelheid van 10 het brandbare deel van het afval bekend is, kan het vochtgehalte op twee manieren worden berekend: 1) met behulp van de energiebalans over de oven, zodat het vochtgehalte uit de stookwaarde van het afval is af te leiden.

15 2) met behulp van de vochtbalans over de oven, waarin rekening wordt gehouden met het vocht dat ontstaat in bij de verbranding en het verdampende vocht.

Omdat de energiebalans over de oven erg complex is en niet nauwkeurig te bepalen, is ervoor gekozen het 20 vochtgehalte te bepalen op basis van de koolstof-/water-stofverhouding van het afval. De balans ziet er als volgt uit : ΦνβΓάβιπρ-ιηοΙ "^h20 Φ rookgas-mol 0,5 y Φι,ΓβικϋΜβιτ-ιηοΙ (5] 25

Vervolgens kan het vochtgehalte als volgt worden bepaald: ® Φverdamp-mol · ^H20 ^vocht — ~ [6] ΦνβΓΰίπιΡ'ΠίοΙ * ^H20 Φίητβικ&ββΓ-πιοΙ · ^afval

Met behulp van de twee bovenstaande vergelijkingen 35 en de resultaten van de voorafgaande berekeningen, is het vochtgehalte af te leiden. Hiervoor zijn de primaire 1012239 6 lucht toevoer in de le zone, de luchtvoorverwarming en het percentage waterdamp in het rookgas nodig. Voor het inertgehalte, Xinert moet een waarde worden aangenomen.

De middelen 26 zijn tevens ingericht om een 5 verbrandingsluchtdebiet en een vochtfractie van het rookgas te bepalen. De computer is dan ingericht om aan de hand van het verbrandingsluchtdebiet en de vochtfractie van het rookgas het vochtgehalte in het systeem te bepalen, zoals hierboven aan de hand van de formules 5 en 6 is 10 uiteengezet. De computer bepaalt derhalve, in gebruik, de vochtfractie op basis van een koolstofbalans/waterstof-balans.

Als alle afvaleigenschappen van het verbrandende afval en de inbrandsnelheid zijn geschat kunnen de 15 stookwaarde en de warmteproductie volgens de vergelijking van Michel worden afgeleid: 34,03 .Mc.x+102.4 ' M„.y-9.8-M0z IJ _______________________________ •^brandbaar 2 0 Mbrandbaar [7] ^afval “ (1 “ -^“inert ” ^vocht) ^brandbaar* 2444,4 -Xvocht [8]

M

*· ^brandbaar Φbrandbaar-KG Φ brandbaar-mol " (l-Xvocht - Xinert) ^

Qverbranding— Φ verbrand ^ af val [10] 3 0 Hierin is Qverbranding de vrijkomende hoeveelheid energie.

De computer is voorts ingericht om op basis van de genoemde vergelijkingen van Michel, in gebruik, de stookwaarde en de waterproductie te bepalen op basis van de 35 bepaalde vochtfractie, verbrandingssnelheid en samenstelling .

In de afvalverbranding is het gebruikelijk is de verbrandingssnelheid en de verbrandingsenergie van het afval te relateren aan de totale massa van het afval.

40 Hierdoor worden deze verbrandingsvariabelen echter mede 1012239 7 afhankelijk van de fractie inert van het afval (zie bijvoorbeeld vergl. 12).

^afval “ 1 ^vocht ^ inert ^brandbaar (x,y,z)-2.444-Xvoeht [11] 5

Energetisch speelt de inertfractie van het afval nauwelijks een rol. Tijdens het verbranden van het afval wordt het inert enkel opgewarmd. De inertstroom veroorzaakt wel een warmteverlies door de inert af voer van de oven, maar 10 dit warmteverlies is verwaarloosbaar ten opzichte van de warmte-af voer door de rookgassen (minder dan 5 %) i

Qrookgas — Φrookgas ^"Plucht ("^rookgas - Tref) = 10688 [kg/s] [12] 15

Qinert = Φinert CPinert * (Tinert - Tre£) = 548 [kJ /s] [13]

Verbrandingstechnisch heeft de inertfractie in het 20 afval een remmende werking op het inbrandproces. Daarnaast moet er bij een hogere inertfractie meer worden verbrand om dezelfde energieproductie te realiseren. Deze invloeden van de inertfractie op de verbranding en de warmteproductie wordt in de oven echter automatisch gecompenseerd doordat 25 het vuur zich uitstrekt over het rooster indien meer inert aan de oven wordt toegevoerd. Hierdoor wordt het brandend oppervlak vergroot, zodat de warmteproductie hetzelfde is.

Dit wordt door simulatieresultaten onderschreven. In figuur 2 zijn de stoomproductie (~l/warmteproductie) en het 30 percentage 02 (~l/inbrandsnelheid brandbare deel van het afval) weergegeven tijdens een simulatie, waarin de inerttoevoer (en dus ook het inertgehalte) is veranderd, terwijl de toevoer brandbaar en vocht constant is gehouden. De (stap-)verstoringen van Xinert zijn overgenomen uit 35 tabel 5, zodat de maximale en minimale inertfractie wordt toegevoerd.

1012239 8

Tabel 5: Ingevoerde veranderingen van afval-eigenschappen tijdens onderstaande simulatie.

tiid_Minnorm Xvocht Mvocht Xinert Minert Xburn 5 t=0 2.124 0.268 0.569 0.217 0.461 0.515 t=20000 1.992 0.286 0.569 0.165 0.329 0.549 t=40000 2.316 0.246 0.569 0.282 0.653 0.472 t=60000 2.124 0.268 0.569 0.217 0.461 0.515 10 Uit de simulatieresultaten blijkt dat de inertfractie zoals verwacht een te verwaarlozen invloed heeft op het verbrandingsproces in de oven. De stoom-productie en het 02 percentage wijken door de stappen op de inertstroom maximaal slechts 2.7 % af van de beginwaarde.

15 De invloed van de stappen op de stoomproductie en het percentage 02 is nauwelijks te herkennen.

Op basis van het voorgaande is geconcludeerd dat de inertfractie een verwaarloosbare invloed heeft op het verbrandingsproces. Daarom is gezocht naar een 20 karakterisering van het verbrandingsproces, waarop de inertfractie geen invloed heeft. Met een dergelijke karakterisering is het gedrag van het verbrandingsproces met behulp van de rookgasanalyse te bepalen, zonder dat de schatting door de onzekerheid van de aangenomen inert-25 fractie nadelig wordt beïnvloed.

Om de invloed van de inertfractie op de karakterisering van het verbrandingsproces te elimineren is gekozen het verbrandingsproces te karakteriseren op basis van een asvrije afvalsamenstelling. Dit wil zeggen dat het 30 inerte deel uit de schatting van de procesvariabelen wordt weggelaten. Met de rookgasanalyse wordt op deze manier een 'asvrij vochtgehalte', 'asvrije stookwaarde' en 'asvrije verbrandingssnelheid' geschat (zie vergl. 14 t/m 16) om het verbrandingsproces te karakteriseren. Er geldt: 10122 39 35 * * 9 ^vocht ^vocht * =_ ^vocht ^brandbaar 5 Hafval* = (l“Xvocht*) -Xvocht* [14,15,16,] ΦνβιφΓβηά — ΦνβΓάβπιρ Φbrandbaar-verbrand

Met behulp van de asvrije procesvariabelen is de 10 warmteproductie te berekenen door de asvrije verbrandingssnelheid te vermenigvuldigen met de asvrije verbrandingswaarde.

De computer is ingericht om, in gebruik, het asvrije vochtgehalte, de asvrije stookwaarde en de asvrije 15 verbrandingssnelheid te bepalen op basis van het bepaalde vochtgehalte, de bepaalde stookwaarde, de bepaalde verbrandingssnelheid en de fractie Mvocht ^vocht ^brandbaar 20 zoals het aan de hand van de formules [14,15,16,] is uiteengezet.

1012239

Claims

1. Systeem voor thermische verbrandingsprocessen van materie zoals bijvoorbeeld afvalverbranding voorzien van een computer voor het meten van de parameters van de verbranding van de materie in het systeem, waarbij, in 5 gebruik, materie zoals bijvoorbeeld afval met een brandbaar deel CHyOz aan het systeem wordt toegevoerd en verbrand onder vorming van rookgas, met het kenmerk, dat het systeem verder is voorzien van middelen voor het meten van de concentraties C02, 02 en H20 in het rookgas, alsmede voor 10 het meten van een verbrandingsluchtdebiet, waarbij de computer is ingericht om op basis van de gemeten concentraties en het verbrandingsluchtdebiet de verbrandingssnelheid (mol/s) en/of de samenstelling (y/z)van het brandbare deel CHyOz van de aan het systeem 15 toegevoerde materie te bepalen.

2. Systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de computer, in gebruik, de verbrandingssnelheid (mol/s) en/of de samenstelling (y/z)van het brandbare deel CHyOz van het aan het systeem toegevoerde afval bepaalt op basis van een 20 massabalans van het systeem.

3. Systeem volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat verder is voorzien van middelen om een vocht fractie van het rookgas te bepalen waarbij de computer is ingericht om aan de hand van het verbrandingsluchtdebiet en de 25 vochtfractie van het rookgas het vochtgehalte in het systeem te bepalen.

4. Systeem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de computer, in gebruik, de vochtfractie op basis van een een koolstofbalans/waterstofbalans bepaalt.

5. Systeem volgens conclusies 2 en 4, met het kenmerk, dat de computer op basis van de vergelijkingen van Michel, in gebruik, de stookwaarde en/of de warmteproduktie bepaalt <01223* 4 * op basis van de bepaalde vochtfractie, verbrandingssnelheid en samenstelling.

6. Systeem volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de computer, in gebruik, het asvrije vochtgehalte, asvrije 5 stookwaarde en asvrije verbrandingssnelheid bepaalt op basis van het bepaalde vochtgehalte, de bepaalde stookwaarde, de bepaalde verbrandingssnelheid en de fractie ^vocht! ^vocht ^brandbaar · 1012239