WO2013107509A1 - System for determining an energy content of a fuel - Google Patents

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Heinrich Unland
Hans WÖRMCKE
Klaus Seeger
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Heinrich Unland
Woermcke Hans
Klaus Seeger
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Definitions

  • the invention relates to a system for determining the primary energy content of a non-fossil fuel.
  • a fuel is a solid biomass fuel or a substitute fuel.
  • the solid biomass fuel in particular comprises wood residues, twigs and bark.
  • This solid biomass fuel is usually available as wood chips (wood chips) or as shredded material.
  • the substitute fuel (EBS) consists of a mixture of highly combustible
  • Components of packaging or the like such as sorted household waste (yellow bag) may be such a substitute fuel, which may be present in a suitable, optionally comminuted form as well as in the form of waste and other waste materials.
  • An essential parameter for controlling the performance of a burner or boiler or any other type of combustion device is the amount of fuel supplied to the burner.
  • Fossil fuels generally have a constant calorific value for the respective fuel type, so that the fuel quantity supplied suffices as a parameter for determining the amount of primary energy supplied.
  • the primary energy content in a constant amount of fuel supplied can fluctuate significantly, so that based solely on the amount of fuel supplied fuel control / control of the burner can not ensure reliable power control of the burner.
  • the invention has for its object to propose a system for determining a primary energy content of a solid biomass fuel or a substitute fuel as a fuel, so that it can be concluded from a fuel quantity on the amount of primary energy.
  • a system for determining a primary energy content of solid biomass fuel or a substitute fuel as a fuel which comprises a water content measuring device which determines the water content of the fuel without contact from a beam echo from the fuel to the water content measuring device, and an evaluation device which the primary energy content of the fuel, taking into account at least the determined water content of the fuel.
  • the water content measuring device is provided with an NIR spectrometer which determines at least the water content chemometrically from the IR echo received by the fuel.
  • the chemical composition of the fuel can be completely or partially determined with the aid of NIR spectrometry; Such a chemometric analysis can be taken into account when determining the primary energy content.
  • the determination of the water content of the fuel may alternatively be carried out by a water content measuring device having a microwave radiation source and a microwave receiver, wherein from the absorption behavior, which shows the fuel, the water content of the fuel is determined.
  • the power control In addition to the water content of the fuel, it is also important for the power control with which density the fuel is present in order to be able to deduce from the relationship between the relative primary energy content and the fuel mass to a fuel mass flow which can supply the primary energy flow predetermined by the power control to the burner.
  • the system is provided with a bulk density meter which determines the bulk density of the fuel from camera images of the fuel using automatic image recognition techniques.
  • the image recognition method preferably comprises a pattern recognition method that recognizes patterns that are typical for the respective fuel in the camera images and that indicates a bulk density and / or grain size distribution typical for these patterns.
  • the bulk density of the solid fuel can be estimated without contact, for example, by comparing previously deposited patterns in a similarity comparison with the camera image or the camera images and concluding the comparison of the data deposited with the samples on the bulk density.
  • intelligent evaluation systems which are independent of color differences and surface relations of the individual different colors between, for example, cavity and solid or more solids and thus determine the bulk density, preferably also taking into account the determined water content, rough estimate.
  • Non-combustible fractions of a fuel that do not occur in the fuel itself but in the fuel-forming mixture are also referred to as foreign sanding.
  • the total non-combustible fraction of a fuel is referred to as sanding, which merely increases the bulk density but does not contribute to the primary energy content of the fuel. Depending on quality of fuel sanding can make up to one-fifth of dry weight.
  • the system is further equipped with a sanding measuring device which determines the incombustible fraction of the biomass fuel without contact from a radiation echo from the biomass fuel to the sanding measuring device.
  • a NIR spectrometer is used in the Besandungsmes-, which determines the content of incombustible fractions in the biomass fuel from the chemometrically measured total composition of the biomass fuel.
  • the sanding measuring device uses the NIR spectrometer of the water content measuring device and determines the sanding thus organic and / or inorganic material directly or indirectly with a corresponding evaluation.
  • the sanding measuring device can be configured such that a sanding proportion of the fuel is determined from camera images using image recognition methods and / or pattern recognition methods and / or color pattern recognition methods.
  • the system preferably also contains a fuel flow measuring device which determines a fuel mass flow on a fuel feed device from camera images, taking account of bulk density and conveying speed, and determines a primary energy flow taking into account the determined primary energy content of the conveyed fuel.
  • an interface for connection to a process control system is provided, which is the combustion the fuel in a combustion device controls, wherein an indication of the primary energy content of the fuel is provided via the interface to the process control system.
  • Fig. 1 shows schematically functional units of a fuel supply, which cooperate with a system for determining the primary energy content of a solid fuel.
  • Reference numeral 1 denotes a fuel delivery device, which is shown here as a conveyor belt. It is also possible to use other conveying devices, such as, for example, chain conveyors, vibrating troughs or other suitable, preferably continuously conveying devices.
  • a layer of solid fuel is schematically indicated, which is to be supplied to a combustion device (not shown) and burnt there.
  • the fuel is a solid biomass fuel, which consists essentially of untreated wood, wood waste, tree bark, etc.
  • this biomass fuel is generally referred to as fuel 2.
  • Fuel 2 can be present as wood chips (wood chips) or as shredded material. The range of possible grain size of the individual pieces or parts of the fuel is less than 1 to 500 mm.
  • the conveying direction is indicated by an arrow 5.
  • the conveyed fuel 2 passes through a camera system 3 and then an NIR spectrometer 4.
  • an NIR spectrometer 4 is shown and described as part of a water content measuring device; Alternatively, a microwave system (not shown) may be provided instead of or in addition to the NIR spectrometer 4.
  • the order of arrangement of the camera 3 and the NIR spectrometer 4 is basically arbitrary, the two can be arranged one after another in any order; but they can also be mounted side by side, so that the always the same portion of the fuel 2 passed underneath is measured.
  • the camera 3 which may also be a system of multiple cameras working / working with visible light or other light invisible to the human eye.
  • the image taken by the camera 3 is forwarded in electrical form to an evaluation device 6 and evaluated there.
  • an image of the fuel by means of image processing methods, which may include pattern comparisons or the evaluation of color differences and the weighting of the same color area proportions evaluated to evaluate the bulk density and / or the sanding of the fuel.
  • the conveying speed of the fuel can be measured without contact and independently of the conveyor system. If several such picture elements are tracked, mixing effects, e.g. may occur in the promotion by vibratory conveyors. The detection of the conveying speed becomes more accurate.
  • the fuel 2 is illuminated with light in the near infrared range and the spectrum of the reflected light is examined in the evaluation device 6.
  • NIRS Nahlnfra Red Spectroscopy.
  • the substance to be examined is irradiated with light in the wavelength range 900 nm-2500 nm (NIR) (reflection) or transilluminated (transmission) and the interaction of the light with the substance is investigated and analyzed.
  • the relatively low-energy IR or NIR radiation excites atoms at their molecular bonds to oscillations or rotation and contractions. As is usual with oscillatory systems, there are certain resonance states, which in turn correspond to discrete energies.
  • NIRS one primarily investigates the so-called harmonics. Due to the fact that the relatively wide absorption bands At first glance, these spectra may not show any distinctive characteristics.
  • chemometrics software meaningful qualitative as well as quantitative results are generated from such spectra using statistical methods such as cluster analysis and multi-linear regression.
  • the spectral analysis of the NIR spectrometer can be carried out with regard to the sanding of the fuel 2 and the quantitatively determined sanding then flows into the calculation of the primary energy content of the fuel 2.
  • the water content of the fuel 2 can be determined quantitatively and related to the determined by means of camera 3 and the image evaluation bulk density.
  • the primary energy content can be determined even more accurately by taking into account the sanding in the evaluation unit 6. If the speed of the fuel delivery is taken into account, the data record 7 also contains an indication of the current primary energy flow which has passed under the measuring devices 3, 4, or in any case has run through very shortly before.
  • the data set 7 is supplied (if desired) in a suitable form via an interface 9 to the controller of the combustion device (not shown).
  • the data acquisition / evaluation takes place as follows:
  • the primary energy content or the amount of primary energy currently being supplied from the evaluation device is possible to output as a standardized signal to 4 to 20 mA, or a system-specific interface as the measured value for the amount of primary energy to the control of the combustion device.

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Abstract

In order to propose a system for determining a primary energy content of a solid biomass fuel (2) or of a substitute fuel as a fuel in such a way that the primary energy quantity of a fuel can be deduced from the quantity thereof, provision has been made of a system having a water content measuring device, which determines the water content of the fuel in a contactless manner from a beam echo from the fuel to the water content measuring device, and an evaluation device (6), which determines the primary energy content of the fuel (2) taking at least the determined water content of the fuel (2) into account.

Description

SYSTEM ZUR BESTI MMU NG EI N ES EN ERGI EGEHALTS EIN ES BRENNSTOFFS Beschreibung  BESTI MMU NG EI N ES EN ERGI ESTABLISHMENT SYSTEM A DEVICE DESCRIPTION
Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung des Primärenergie- gehaltes eines nicht-fossilen Brennstoffs. Ein solcher Brennstoff ist ein fester Biomassebrennstoff oder ein Ersatzbrennstoff.  The invention relates to a system for determining the primary energy content of a non-fossil fuel. Such a fuel is a solid biomass fuel or a substitute fuel.
Der feste Biomassebrennstoff umfasst insbesondere Holzreste, Zweige und Rinde. Dieser feste Biomassebrennstoff ist üblicherweise als Hackgut (Hackschnitzel) oder als Schreddergut verfügbar.  The solid biomass fuel in particular comprises wood residues, twigs and bark. This solid biomass fuel is usually available as wood chips (wood chips) or as shredded material.
Der Ersatzbrennstoff (EBS) besteht aus einem Gemisch gut brennbarer The substitute fuel (EBS) consists of a mixture of highly combustible
Bestandteile von Verpackungen o. ä., etwa sortierter Hausmüll (gelber Sack) kann ein solcher Ersatzbrennstoff sein, der in geeigneter ggf. zerkleinerter Form als auch in Form von Abfällen und andere Entsorgungsstoffe vorliegen kann. Components of packaging or the like, such as sorted household waste (yellow bag) may be such a substitute fuel, which may be present in a suitable, optionally comminuted form as well as in the form of waste and other waste materials.
In der Energieerzeugung werden zunehmend auch alternative Brenn- Stoffe technisch eingesetzt, z. B. auch in Kraftwerken sowie Biomasse- oder Ersatzbrennstoffheizkraftwerken etc. Biomasse wie auch Ersatzbrennstoffe werden auch in Anlagen, die herkömmlich mit Kohle befeuert werden, als Brennstoffbeimischungen eingesetzt. Solche Anlagen waren bisher eher auf den Betrieb mit fossilen Brennstoffen, wie Kohle Erdöl oder Gas ausgelegt und opti- miert.  In energy production, alternative fuels are increasingly being used technically, eg. B. also in power plants and biomass or Ersatzbrennstoffheizkraftwerken etc. Biomass as well as substitute fuels are also used in plants that are conventionally fired with coal, as fuel admixtures. Such systems have previously been designed and optimized for operation with fossil fuels, such as coal, crude oil or gas.
Für den Betrieb mit alternativen Brennstoffen, wie fester Biomassebrennstoff und Ersatzbrennstoff, bestehen jedoch grundsätzlich dieselben Anforderungen hinsichtlich optimierter Betriebsweise, um auch dort das beste Kosten/Nutzen Verhältnis sowie einen möglichst umweltschonenden Betrieb zu erreichen.  For operation with alternative fuels, such as solid biomass fuel and substitute fuel, but there are basically the same requirements for optimized operation in order to achieve the best cost / benefit ratio and the most environmentally friendly operation there.
Ein wesentlicher Parameter zur Steuerung der Leistung eines Brenners oder Kessels oder jeder anderen Art von Verbrennungseinrichtung (in dieser Beschreibung nachfolgend durchgehend als Brenner bezeichnet) ist die dem Brenner zugeführte Brennstoffmenge. Fossile Brennstoffe haben in der Regel einen für den jeweiligen Brennstofftyp konstanten Heizwert, so dass die zugeführte Brenn stoff menge als Parameter für die Bestimmung der zugeführten Primärenergiemenge ausreicht. Im Falle der Verwendung anderer, insbesondere nicht-fossiler Brennstoffe kann der Primärenergiegehalt in einer konstant zugeführten Brennstoffmenge jedoch erheblich schwanken, so dass eine allein auf der zugeführten Brenn stoff menge basierende Regelung/Steuerung des Brenners keine zuverläs- sige Leistungssteuerung des Brenners gewährleisten kann. An essential parameter for controlling the performance of a burner or boiler or any other type of combustion device (hereafter referred to as burner in this specification) is the amount of fuel supplied to the burner. Fossil fuels generally have a constant calorific value for the respective fuel type, so that the fuel quantity supplied suffices as a parameter for determining the amount of primary energy supplied. In the case of the use of other, in particular non-fossil fuels, the primary energy content in a constant amount of fuel supplied, however, can fluctuate significantly, so that based solely on the amount of fuel supplied fuel control / control of the burner can not ensure reliable power control of the burner.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile  DESCRIPTION OF THE INVENTION: Problem, Solution, Advantages
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System zur Bestimmung eines Primärenergiegehalts eines festen Biomassebrennstoffs oder eines Ersatzbrennstoffs als Brennstoff vorzuschlagen, so dass aus einer Brennstoffmenge auf deren Primärenergiemenge geschlossen werden kann.  In contrast, the invention has for its object to propose a system for determining a primary energy content of a solid biomass fuel or a substitute fuel as a fuel, so that it can be concluded from a fuel quantity on the amount of primary energy.
Diese Aufgabe wird mit einem System mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.  This object is achieved with a system having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are shown in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist ein System zur Bestimmung eines Primärenergie- gehaltes von festem Biomassebrennstoff oder einem Ersatz brenn stoff als einem Brennstoff vorgeschlagen, das eine Wassergehaltsmesseinrichtung, die den Wassergehalt des Brennstoffs berührungsfrei aus einem Strahlenecho von dem Brennstoff zu der Wassergehaltsmesseinrichtung bestimmt, und eine Auswerteeinrichtung aufweist, die den Primärenergiegehalt des Brennstoffs unter Be- rücksichtigung von mindestens dem bestimmten Wassergehalt des Brennstoffs bestimmt.  According to the invention, a system for determining a primary energy content of solid biomass fuel or a substitute fuel as a fuel is proposed which comprises a water content measuring device which determines the water content of the fuel without contact from a beam echo from the fuel to the water content measuring device, and an evaluation device which the primary energy content of the fuel, taking into account at least the determined water content of the fuel.
In der erfindungsgemäßen Lösung wurde erkannt, dass ein wesentlicher den Heizwert oder den tatsächlich nutzbaren Primärenergiegehalt des Brennstoffs (Biomassebrennstoff/ Ersatzbrennstoff) bestimmender Faktor des- sen Wassergehalt ist. Anders als typische fossile Brennstoffe ist im Fall von festem Biomassebrennstoff stets Wasser in dem Brennstoff vorhanden; z.B. bei Holzabfällen allein das Zellwasser des Materials selbst, das einen beachtlichen Anteil bei frischem Holz oder in Rinde erreicht. Der Ersatzbrennstoff enthält Papier/Pappe die ebenfalls eine nicht unbeachtliche Wassermenge im Material selbst enthalten können und damit den Primärenergiegehalt bei diesem Brennstoff deutlich beeinflussen. Vorzugsweise ist die Wassergehaltsmesseinrichtung mit einem NIR- Spektrometer versehen, das aus dem von dem Brennstoff empfangenen IR-Echo mindestens den Wassergehalt chemometrisch bestimmt. In the solution according to the invention, it was recognized that a significant factor determining the calorific value or the actual usable primary energy content of the fuel (biomass fuel / substitute fuel) is its water content. Unlike typical fossil fuels, in the case of solid biomass fuel, water is always present in the fuel; For example, in wood waste alone the cell water of the material itself, which reaches a considerable proportion of fresh wood or bark. The substitute fuel contains paper / cardboard which can also contain a not inconsiderable amount of water in the material itself and thus significantly affect the primary energy content of this fuel. Preferably, the water content measuring device is provided with an NIR spectrometer which determines at least the water content chemometrically from the IR echo received by the fuel.
Hier ist anzumerken, dass weitere zusätzliche Parameter für die Be- Stimmung des Primärenergiegehalts des Brennstoffs bestimmbar sind, die hier nicht im Einzelnen aufgeführt sind. Es ist mit Hilfe der NIR-Spektrometrie beispielsweise die chemische Zusammensetzung des Brennstoff ganz oder teilweise bestimmbar; eine solche chemometrische Analyse kann bei der Ermittlung des Primärenergiegehalts mit berücksichtigt werden.  It should be noted that further additional parameters can be determined for the determination of the primary energy content of the fuel, which are not detailed here. For example, the chemical composition of the fuel can be completely or partially determined with the aid of NIR spectrometry; Such a chemometric analysis can be taken into account when determining the primary energy content.
Die Ermittlung des Wassergehalts des Brennstoffs kann alternativ durch eine Wassergehaltsmesseinrichtung erfolgen, die eine Mikrowellenstrah- lungsquelle und einen Mikrowellenempfänger aufweist, wobei aus dem Absorptionsverhalten, das der Brennstoff zeigt, der Wassergehalt des Brennstoffs bestimmt wird.  The determination of the water content of the fuel may alternatively be carried out by a water content measuring device having a microwave radiation source and a microwave receiver, wherein from the absorption behavior, which shows the fuel, the water content of the fuel is determined.
Neben dem Wassergehalt des Brennstoffs ist für die Leistungssteuerung auch wichtig, mit welcher Dichte der Brennstoff vorliegt, um aus dem Zusammenhang zwischen relativem Primärenergiegehalt und Brennstoffmasse auf einen Brennstoffmassenstrom schließen zu können, der den durch die Leistungssteuerung vorgegebenen Primärenergiestrom an den Brenner liefern kann.  In addition to the water content of the fuel, it is also important for the power control with which density the fuel is present in order to be able to deduce from the relationship between the relative primary energy content and the fuel mass to a fuel mass flow which can supply the primary energy flow predetermined by the power control to the burner.
Vorzugsweise ist das System mit einer Schüttdichtemesseinrichtung versehen, die die Schüttdichte des Brennstoffs aus Kamerabildern des Brennstoffs unter Verwendung automatischer Bildererkennungsverfahren bestimmt. Das Bilderkennungsverfahren umfasst vorzugsweise ein Mustererkennungsver- fahren, das für den jeweiligen Brennstoff typische Muster in den Kamerabildern erkennt und eine für diese Muster typische Schüttdichte und/oder Korngrößenverteilung angibt.  Preferably, the system is provided with a bulk density meter which determines the bulk density of the fuel from camera images of the fuel using automatic image recognition techniques. The image recognition method preferably comprises a pattern recognition method that recognizes patterns that are typical for the respective fuel in the camera images and that indicates a bulk density and / or grain size distribution typical for these patterns.
Auf diese Weise kann berührungslos die Schüttdichte des festen Brennstoffs abgeschätzt werden, indem beispielsweise zuvor hinterlegte Muster in einem Ähnlichkeitsvergleich mit dem Kamerabild oder den Kamerabildern abgeglichen werden und aus dem Vergleich aus den zu den Mustern hinterlegten Daten auf die Schüttdichte geschlossen wird.  In this way, the bulk density of the solid fuel can be estimated without contact, for example, by comparing previously deposited patterns in a similarity comparison with the camera image or the camera images and concluding the comparison of the data deposited with the samples on the bulk density.
Es ist alternativ auch möglich, intelligente Auswertungssysteme einzusetzen, die selbständig aus Farbunterschieden und Flächenrelationen der ein- zelnen Farben zwischen bspw. Hohlraum und Feststoff oder mehreren Feststoffen unterscheiden und so die Schüttdichte, vorzugsweise auch unter Berücksichtigung des ermittelten Wassergehalts, überschlägig ermitteln. Alternatively, it is also possible to use intelligent evaluation systems which are independent of color differences and surface relations of the individual different colors between, for example, cavity and solid or more solids and thus determine the bulk density, preferably also taking into account the determined water content, rough estimate.
Nahezu alle Brennmaterialien (Holz, Papier etc.) enthalten unbrennba- re Anteile. Unbrennbare Anteile eines Brennstoffs, die nicht in dem Brennmaterial an sich, sondern in der den Brennstoff bildenden Mischung vorkommen, werden auch als Fremdbesandung bezeichnet. Der gesamte unbrennbare Anteil eines Brennstoffs wird als Besandung bezeichnet, die lediglich das Schüttgewicht erhöht, jedoch zum Primärenergiegehalt des Brennstoffs nicht beiträgt. Je nach Qualität des Brennstoffs kann die Besandung bis zu einem Fünftel der der Trockenmasse ausmachen.  Almost all fuel materials (wood, paper, etc.) contain non-combustible components. Non-combustible fractions of a fuel that do not occur in the fuel itself but in the fuel-forming mixture are also referred to as foreign sanding. The total non-combustible fraction of a fuel is referred to as sanding, which merely increases the bulk density but does not contribute to the primary energy content of the fuel. Depending on quality of fuel sanding can make up to one-fifth of dry weight.
Vorzugsweise ist das System ferner mit einer Besandungsmesseinrich- tung ausgestattet, die den unbrennbaren Anteil des Biomassebrennstoffs berührungslos aus einem Strahlenecho vom dem Biomassebrennstoff zu der Be- sandungsmesseinrichtung bestimmt. Vorzugsweise wird in der Besandungsmes- seinrichtung ein NIR-Spektrometer eingesetzt, das den Gehalt an unbrennbaren Anteilen im Biomassebrennstoff aus der chemometrisch gemessenen Gesamtzusammensetzung des Biomassebrennstoffs bestimmt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung verwendet die Besandungsmesseinrichtung das NIR- Spektrometer der Wassergehaltsmesseinrichtung und bestimmt die Besandung somit organisches und/oder anorganisches Material direkt oder indirekt mit einer entsprechenden Auswertung.  Preferably, the system is further equipped with a sanding measuring device which determines the incombustible fraction of the biomass fuel without contact from a radiation echo from the biomass fuel to the sanding measuring device. Preferably, a NIR spectrometer is used in the Besandungsmes-, which determines the content of incombustible fractions in the biomass fuel from the chemometrically measured total composition of the biomass fuel. In an advantageous embodiment, the sanding measuring device uses the NIR spectrometer of the water content measuring device and determines the sanding thus organic and / or inorganic material directly or indirectly with a corresponding evaluation.
Alternativ oder zusätzlich kann die Besandungsmesseinrichtung so ausgestaltet sein, dass aus Kamerabildern unter Verwendung von Bilderken- nungsverfahren und/oder Mustererkennungsverfahren und /oder Farbmustererkennungsverfahren ein Besandungsanteil des Brennstoffs bestimmt wird.  Alternatively or additionally, the sanding measuring device can be configured such that a sanding proportion of the fuel is determined from camera images using image recognition methods and / or pattern recognition methods and / or color pattern recognition methods.
Vorzugsweise enthält das System ferner eine Brennstoffstrommessein- richtung, die an einer Brennstofffördereinrichtung aus Kamerabildern unter Berücksichtigung von Schüttdichte und Fördergeschwindigkeit einen Brennstoff- massenstrom ermittelt und unter Berücksichtigung des ermittelten Primärenergiegehalts des geförderten Brennstoffs einen Primärenergiestrom bestimmt.  The system preferably also contains a fuel flow measuring device which determines a fuel mass flow on a fuel feed device from camera images, taking account of bulk density and conveying speed, and determines a primary energy flow taking into account the determined primary energy content of the conveyed fuel.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Systems ist eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem Prozessleitsystem vorgesehen, das die Verbrennung des Brennstoffs in einer Verbrennungseinrichtung steuert, wobei eine Angabe über den Primärenergiegehalt des Brennstoffs über die Schnittstelle an das Pro- zessleitsystem bereitgestellt wird. In an advantageous embodiment of the system, an interface for connection to a process control system is provided, which is the combustion the fuel in a combustion device controls, wherein an indication of the primary energy content of the fuel is provided via the interface to the process control system.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen  Brief description of the drawings
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.  The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment with reference to the drawing.
Fig. 1 zeigt schematisch Funktionseinheiten einer Brennstoffzufuhr, die mit einem System zur Bestimmung des Primärenergiegehalts eines festen Brennstoffs zusammenwirken.  Fig. 1 shows schematically functional units of a fuel supply, which cooperate with a system for determining the primary energy content of a solid fuel.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung  Preferred embodiment of the invention
Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Brennstofffördereinrichtung, die hier als Förderband dargestellt ist. Es können auch andere Fördereinrichtungen, wie beispielsweise Kratzkettenförderer, Vibrationsrinnen oder andere geeignete, vorzugsweise kontinuierlich fördernde Einrichtungen eingesetzt werden.  Reference numeral 1 denotes a fuel delivery device, which is shown here as a conveyor belt. It is also possible to use other conveying devices, such as, for example, chain conveyors, vibrating troughs or other suitable, preferably continuously conveying devices.
Auf dem Förderband 1 ist schematisch eine Schicht aus festem Brennstoff angedeutet, der einer Verbrennungseinrichtung (nicht gezeigt) zugeführt und dort verbrannt werden soll. Im erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Brennstoff ein fester Biomassebrennstoff, der im Wesentlichen aus unbehandeltem Holz, Holzabfällen, Baumrinde etc. besteht. Nachfolgend wird dieser Bio- masse brenn stoff generell als Brennstoff 2 bezeichnet. Brennstoff 2 kann als Hackgut (Hackschnitzel) oder als Schreddergut vorliegen. Die Spanne der möglichen Korngröße der Einzelstücke oder -teile des Brennstoffs beträgt weniger als 1 bis 500 mm.  On the conveyor belt 1, a layer of solid fuel is schematically indicated, which is to be supplied to a combustion device (not shown) and burnt there. In the illustrated embodiment, the fuel is a solid biomass fuel, which consists essentially of untreated wood, wood waste, tree bark, etc. In the following, this biomass fuel is generally referred to as fuel 2. Fuel 2 can be present as wood chips (wood chips) or as shredded material. The range of possible grain size of the individual pieces or parts of the fuel is less than 1 to 500 mm.
Die Förderrichtung ist mit einem Pfeil 5 angedeutet. Der geförderte Brennstoff 2 passiert ein Kamerasystem 3 und danach ein NIR-Spektrometer 4. Es ist anzumerken, dass hier ein NIR-Spektrometer 4 als Teil einer Wassergehaltsmesseinrichtung gezeigt und beschrieben ist; es kann alternativ auch ein Mikrowellensystem (nicht gezeigt) anstelle oder zusätzlich zu dem NIR Spektro- meter 4 vorgesehen sein. Es ist anzumerken, dass die Reihenfolge der Anord- nung der Kamera 3 und des NIR Spektrometers 4 grundsätzlich frei wählbar ist, die beiden können nacheinander in beliebiger Reihenfolge angeordnet sein; sie können aber auch nebeneinander angebracht sein, so dass der stets der gleiche Abschnitt des darunter hindurch geführten Brennstoffs 2 vermessen wird. In der Kamera 3, die auch ein System mehrerer Kameras sein kann, die mit sichtbarem Licht oder mit anderem, für das menschliche Auge unsichtbarem Licht arbeitet/arbeiten. The conveying direction is indicated by an arrow 5. The conveyed fuel 2 passes through a camera system 3 and then an NIR spectrometer 4. It should be noted that here an NIR spectrometer 4 is shown and described as part of a water content measuring device; Alternatively, a microwave system (not shown) may be provided instead of or in addition to the NIR spectrometer 4. It should be noted that the order of arrangement of the camera 3 and the NIR spectrometer 4 is basically arbitrary, the two can be arranged one after another in any order; but they can also be mounted side by side, so that the always the same portion of the fuel 2 passed underneath is measured. In the camera 3, which may also be a system of multiple cameras working / working with visible light or other light invisible to the human eye.
Das von der Kamera 3 aufgenommene Bild wird in elektrischer Form zu einer Auswerteeinrichtung 6 weitergeleitet und dort ausgewertet. Mit der Kamera 3 und der Auswerteinrichtung 6 wird ein Bild des Brennstoffs mittels Bildverarbeitungsverfahren, die Mustervergleiche oder auch die Auswertung von Farbunterschieden und die Gewichtung gleichfarbiger Flächenanteile umfassen können, ausgewertet, um auf die Schüttdichte und/oder die Besandung des Brennstoffs zu schließen.  The image taken by the camera 3 is forwarded in electrical form to an evaluation device 6 and evaluated there. With the camera 3 and the evaluation device 6, an image of the fuel by means of image processing methods, which may include pattern comparisons or the evaluation of color differences and the weighting of the same color area proportions evaluated to evaluate the bulk density and / or the sanding of the fuel.
Zudem kann durch Verfolgung einzelner charakteristischer Bildelemente auch auf die Fördergeschwindigkeit, mit der der Brennstoff gefördert wird, geschlossen werden; dies kann z.B. bei Vibrationsförderern besonders hilfreich sein, wenn die Zusammensetzung des Brennstoffs sehr unterschiedlich ist. Indem die Bewegung eines auffälligen Bildelements innerhalb mehrerer aufeinanderfolgend aufgenommener Kamerabilder verfolgt wird, kann die Fördergeschwindigkeit des Brennstoffs berührungsfrei und unabhängig von der Förderanlage gemessen werden. Werden mehrere solche Bildelemente verfolgt, können auch Mischeffekte berücksichtigt werden, die z.B. bei der Förderung durch Vibrationsförderer auftreten können. Die Erfassung der Fördergeschwindigkeit wird dadurch genauer.  In addition, by tracking individual characteristic picture elements on the conveying speed, with which the fuel is conveyed closed; this can e.g. be particularly helpful in vibratory conveyors, if the composition of the fuel is very different. By tracking the motion of a conspicuous picture element within a plurality of consecutively captured camera images, the conveying speed of the fuel can be measured without contact and independently of the conveyor system. If several such picture elements are tracked, mixing effects, e.g. may occur in the promotion by vibratory conveyors. The detection of the conveying speed becomes more accurate.
In dem NIR-Spektrometer 4 wird der Brennstoff 2 mit Licht im nahen Infrarotbereich beleuchtet und das Spektrum des reflektierten Lichts wird in der Auswerteeinrichtung 6 untersucht.  In the NIR spectrometer 4, the fuel 2 is illuminated with light in the near infrared range and the spectrum of the reflected light is examined in the evaluation device 6.
NIRS steht für NahlnfraRotSpektroskopie. Typischerweise wird der zu untersuchende Stoff mit Licht im Wellenlängenbereich 900nm-2500nm (NIR) bestrahlt (Reflexion) oder durchleuchtet (Transmission) und die Interaktion des Lichtes mit dem Stoff untersucht und analysiert. Die relativ energiearme IR bzw. NIR Strahlung regt Atome an ihren Molekülbindungen zu Schwingungen bzw. Rotation und Kontraktionen an. Wie bei schwingungsfähigen Systemen üblich gibt es bestimmte Resonanzzustände die wiederum diskreten Energien entsprechen. Bei der NIRS untersucht man vornehmlich die sogenannten Oberschwingungen. Dadurch, dass sich die relativ breiten Absorbtionsbänder stark überla- gern weisen diese Spektren auf den ersten Blick keine ausgeprägten Charakteristika auf. Mit sogenannter Chemometriesoftware werden aus solchen Spektren mittels statistischer Methoden wie Clusteranalyse und Multilineare Regression aussagekräftige sowohl qualitative als auch quantitative Ergebnisse gene- riert. NIRS stands for Nahlnfra Red Spectroscopy. Typically, the substance to be examined is irradiated with light in the wavelength range 900 nm-2500 nm (NIR) (reflection) or transilluminated (transmission) and the interaction of the light with the substance is investigated and analyzed. The relatively low-energy IR or NIR radiation excites atoms at their molecular bonds to oscillations or rotation and contractions. As is usual with oscillatory systems, there are certain resonance states, which in turn correspond to discrete energies. In the case of NIRS, one primarily investigates the so-called harmonics. Due to the fact that the relatively wide absorption bands At first glance, these spectra may not show any distinctive characteristics. With so-called chemometrics software, meaningful qualitative as well as quantitative results are generated from such spectra using statistical methods such as cluster analysis and multi-linear regression.
Analog kann die Spektralanalyse des NIR-Spektrometers im Hinblick auf die Besandung des Brennstoffs 2 erfolgen und die quantitativ ermittelte Be- sandung fließt dann in die Berechnung des Primärenergiegehalts des Brennstoffs 2 mit ein.  Analogously, the spectral analysis of the NIR spectrometer can be carried out with regard to the sanding of the fuel 2 and the quantitatively determined sanding then flows into the calculation of the primary energy content of the fuel 2.
Aus der eben beschrieben Vorgehensweise lässt sich der Wassergehalt des Brennstoffs 2 quantitativ ermitteln und mit der mittels Kamera 3 und der Bildauswertung ermittelten Schüttdichte in Beziehung setzen. Somit ist die Brennstoff menge, die Wassermenge darin sowie der verbleibende Primärenergiegehalt am Ausgang der Auswertungseinrichtung 6 als ein Datensatz 7 verfüg- bar. Der Primärenergiegehalt kann durch Berücksichtigung der Besandung in der Auswerteeinheit 6 noch genauer bestimmt sein. Wird die Geschwindigkeit der Brennstoffförderung mit berücksichtigt, so enthält der Datensatz 7 auch eine Angabe über den aktuellen Primärenergiestrom, der unter den Messeinrichtungen 3,4, hindurch läuft oder jedenfalls vor sehr kurzer Zeit hindurch gelaufen ist.  From the procedure just described, the water content of the fuel 2 can be determined quantitatively and related to the determined by means of camera 3 and the image evaluation bulk density. Thus, the amount of fuel, the amount of water therein and the remaining primary energy content at the output of the evaluation device 6 as a record 7 available bar. The primary energy content can be determined even more accurately by taking into account the sanding in the evaluation unit 6. If the speed of the fuel delivery is taken into account, the data record 7 also contains an indication of the current primary energy flow which has passed under the measuring devices 3, 4, or in any case has run through very shortly before.
Der Datensatz 7, der in regelmäßigen Intervallen aktualisiert bereitgestellt wird, wird gemäß Fig. 1 dann zu einer Anzeigeeinrichtung 8 überspielt. Parallel dazu wird (wenn dies gewünscht ist) der Datensatz 7 in geeigneter Form über eine Schnittstelle 9 der Steuerung der Verbrennungseinrichtung (nicht gezeigt) zugeführt.  The data record 7, which is provided updated at regular intervals, is then transferred to a display device 8 according to FIG. 1. In parallel, the data set 7 is supplied (if desired) in a suitable form via an interface 9 to the controller of the combustion device (not shown).
Zusammengefasst erfolgt in dem geschilderten Ausführungsbeispiel die Datenerfassung/Auswertung wie folgt:  In summary, in the described exemplary embodiment, the data acquisition / evaluation takes place as follows:
Aus der NIR Spektroskopie der Wassergehalt und die Besandung. Aus den Kamerabildern (optisch in sichtbarem Licht) die Materialstruktur und die From the NIR spectroscopy the water content and the sanding. From the camera images (visually in visible light) the material structure and the
Geschwindigkeit, daraus die Schüttdichte, daraus den Volumenstrom. Der (Ge- samt) Massenstrom ergibt sich aus Schüttdichte, Volumenstrom, Wassergehalt und Besandung. Speed, from which the bulk density, from it the volumetric flow. The (total) mass flow results from bulk density, volume flow, water content and sanding.
Aus den ermittelten Werten für Wassergehalt, Besandung und Massenstrom lässt sich der Primärenergiestrom ermitteln, der der Verbrennungs- einrichtung zugeführt wird. Die Angabe der zugeführten Primärenergiemenge kann für die Leistungssteuerung der Verbrennungseinrichtung direkt in deren Steuerung eingespeist werden. From the values determined for water content, sanding and mass flow, it is possible to determine the primary energy flow, which corresponds to the combustion device is supplied. The indication of the supplied amount of primary energy can be fed directly into the controller for the power control of the combustion device.
Es ist möglich den Primärenergiegehalt bzw. die gerade zugeführte Primärenergiemenge aus der Auswerteeinrichtung als ein auf 4 bis 20 mA genormtes Signal, oder einer anlagenspezifischen Schnittstelle als Messwert für die die Primärenergiemenge an die Steuerung der Verbrennungseinrichtung herauszugeben.  It is possible to output the primary energy content or the amount of primary energy currently being supplied from the evaluation device as a standardized signal to 4 to 20 mA, or a system-specific interface as the measured value for the amount of primary energy to the control of the combustion device.

Claims

Patentansprüche claims
1. System zur Bestimmung eines Primärenergiegehaltes von festem Biomassebrennstoff oder einem Ersatzbrennstoff als einem Brennstoff, mit 1. System for determining a primary energy content of solid biomass fuel or a substitute fuel as a fuel, with
einer Wassergehaltmesseinrichtung, die den Wassergehalt des Brennstoffs berührungsfrei aus einem Strahlenecho von dem Brennstoff zu der Wassergehaltsmesseinrichtung bestimmt, und  a water content measuring device which determines the water content of the fuel without contact from a radiation echo from the fuel to the water content measuring device, and
einer Auswerteeinrichtung, die den Primärenergiegehalt des Brennstoffs unter Berücksichtigung von mindestens dem bestimmten Wassergehalt des Brennstoffs bestimmt.  an evaluation device which determines the primary energy content of the fuel, taking into account at least the determined water content of the fuel.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassergehaltsmesseinrichtung ein NIR-Spektrometer aufweist, das aus dem von dem Brennstoff empfangenen IR-Echo mindestens den Wassergehalt chemometrisch bestimmt. 2. System according to claim 1, characterized in that the water content measuring device has an NIR spectrometer which determines chemometrically from the received from the fuel IR echo at least the water content.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassergehaltsmesseinrichtung eine Mikrowellenstrahlungsquelle und einen Mikrowellenempfänger aufweist, wobei aus dem Absorptionsverhalten, das der Brenn- stoff zeigt, der Wassergehalt des Brennstoffs bestimmt wird. 3. System according to claim 1, characterized in that the water content measuring device comprises a microwave radiation source and a microwave receiver, wherein the water content of the fuel is determined from the absorption behavior, which shows the fuel.
4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner mit einer Schüttdichtemesseinrichtung, die die Schüttdichte des Brennstoffs aus Kamerabildern des Brennstoffs unter Verwendung automatischer Bildererkennungsverfahren be- stimmt. 4. The system of claim 1, 2 or 3, further comprising a bulk density meter that determines the bulk density of the fuel from camera images of the fuel using automatic image recognition techniques.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderkennungsverfahren ein Mustererkennungsverfahren umfasst, das für den jeweiligen Brennstoff typische Muster in den Kamerabildern erkennt und eine für diese Muster typische Korngrößenverteilung und/oder Schüttdichte angibt. 5. System according to claim 4, characterized in that the image recognition method comprises a pattern recognition method which recognizes typical patterns in the camera images for the respective fuel and indicates a grain size distribution and / or bulk density typical for these patterns.
6. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit einer Besandungsmesseinrichtung, die den unbrennbaren Anteil des Biomasse- brennstoffs berührungslos aus einem Strahlenecho vom dem Biomassebrennstoff zu der Besandungsmesseinrichtung bestimmt. 6. System according to one or more of claims 1 to 5, further comprising a Besandungsmesseinrichtung, the incombustible fraction of the biomass fuel contactless determined from a beam echo of the biomass fuel to the Besandungsmesseinrichtung.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Besan- dungsmesseinrichtung ein NIR-Spektrometer umfasst, das den Gehalt an unbrennbaren Anteilen im Biomassebrennstoff aus der chemometrisch gemessenen Gesamtzusammensetzung des Biomassebrennstoffs bestimmt. 7. System according to claim 6, characterized in that the measurement measuring device comprises an NIR spectrometer, which determines the content of incombustible fractions in the biomass fuel from the chemometrically measured total composition of the biomass fuel.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Besan- dungsmesseinrichtung das NIR-Spektrometer der Wassergehaltsmesseinrichtung gemäß Anspruch 2 ist. 8. System according to claim 7, characterized in that the boundary measuring device is the NIR spectrometer of the water content measuring device according to claim 2.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Besandungsmesseinrichtung aus Kamerabildern unter Verwendung von Bilderken- nungsverfahren und/oder Mustererkennungsverfahren und /oder Farbmustererkennungsverfahren einen Besandungsanteil des Biomassebrennstoffs bestimmt. 9. System according to claim 8, characterized in that the sanding measuring device determines a sanding fraction of the biomass fuel from camera images using image recognition methods and / or pattern recognition methods and / or color pattern recognition methods.
10. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü- che, ferner mit einer Brennstoff-Stoffstrommesseinrichtung, die an einer Brennstofffördereinrichtung aus Kamerabildern unter Berücksichtigung von Schüttdichte und Fördergeschwindigkeit einen Brennstoffmassenstrom ermittelt und unter Berücksichtigung des ermittelten Primärenergiegehalts des geförderten Brennstoffs die Primärenergiemenge bzw. einen Primärenergiestrom bestimmt. 10. The system according to one or more of the preceding claims che, further comprising a fuel mass flow meter which determines a fuel mass flow on a fuel conveyor camera images taking into account bulk density and conveying speed and taking into account the determined primary energy content of the subsidized fuel, the primary energy or a primary energy flow certainly.
11. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Schnittstelle zur Verbindung mit einem Prozessleitsystem, das die Verbrennung des Brennstoffs in einer Verbrennungseinrichtung steuert, wobei eine Angabe über den Primärenergiegehalt des Brennstoffs über die Schnittstelle an das Prozessleitsystem bereitgestellt wird. The system of one or more of the preceding claims, further comprising an interface for connection to a process control system that controls the combustion of the fuel in a combustor, wherein an indication of the primary energy content of the fuel is provided to the process control system via the interface.
12. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Biomassebrennstoff Holz und/oder holz- artige Materialien umfasst, und in Form von Hackgut und/oder Schreddergut vorliegt. 12. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that the biomass fuel wood and / or wood includes such materials, and is in the form of wood chips and / or shredded material.
13. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass Ersatzbrennstoff zum Einsatz kommt, der einer Aufbereitung der hochkalorischen Fraktion aus aufbereitetem, gesammeltem Müll oder anderen Entsorgungsstoffen ist. 13. The system according to one or more of the preceding claims, characterized in that substitute fuel is used, which is a treatment of the high-calorific fraction of processed, collected waste or other disposal materials.
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