WO2015177339A1 - Einspritzvorrichtung, system und verfahren zur rauchgasentstickung - Google Patents

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WO2015177339A1
WO2015177339A1 PCT/EP2015/061377 EP2015061377W WO2015177339A1 WO 2015177339 A1 WO2015177339 A1 WO 2015177339A1 EP 2015061377 W EP2015061377 W EP 2015061377W WO 2015177339 A1 WO2015177339 A1 WO 2015177339A1
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combustion chamber
lance
injection
reaction zone
injection device
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PCT/EP2015/061377
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Johannes PRIOR
Wladimir PICHLER
Christian Helmreich
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M.A.L. Umwelttechnik - Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/003—Arrangements of devices for treating smoke or fumes for supplying chemicals to fumes, e.g. using injection devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/54—Nitrogen compounds
    • B01D53/56—Nitrogen oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23J2219/00—Treatment devices
    • F23J2219/20—Non-catalytic reduction devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2900/00—Special arrangements for conducting or purifying combustion fumes; Treatment of fumes or ashes
    • F23J2900/11002—Modelling systems adapted for designing arrangements for conducting or purifying combustion fumes, e.g. flues
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2900/00—Special features of, or arrangements for controlling combustion
    • F23N2900/05003—Measuring NOx content in flue gas

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for flue gas denitration in a combustion chamber by selective non-catalytic reduction. Furthermore, the invention relates to an injection device for injecting a reagent for
  • Flue gas denitration in a combustion chamber by selective non-catalytic reduction relates to a system, a method and a lance for denitrification of the combustion gas and the flue gas in a combustion chamber of a furnace, in a combustion chamber of a large combustion plant, in a
  • Combustion chamber of a waste incineration plant in a combustion chamber of a combustion plant for cement production or in a combustion chamber of a boiler for steam generation, wherein the maximum combustion chamber temperature is preferably above 800 ° Celsius, 1000 ° C, 1200 ° C or 1500 ° C.
  • RG catalysts are subject to wear and generate an additional pressure loss in the exhaust system which must be overcome and thus additionally requires electrical energy.
  • the optimum reaction temperatures of the reaction medium with the combustion gas for non-catalytic reduction are in a temperature window between 800 ° C and 1100 ° C and preferably between 950 ° C and 1050 ° C or optionally between 850 and 1000 ° C.
  • combustion chamber not arranged stationary, but shifts within the combustion chamber depending, for example, on the load, the fuel used and other process parameters.
  • the shape of this reaction zone is particularly dependent on flow conditions that are not constant, but possibly strongly changing.
  • the reaction medium is introduced over a large area into the combustion chamber.
  • the object of the invention is now, a system, a system and a
  • Reaction zone is introduced. Furthermore, the object of the invention comprises that an efficient and possibly complete removal of denitrification of the flue gas takes place.
  • the invention particularly relates to an injection device for the targeted injection of a reagent into the reaction zone of a combustion chamber
  • Injector comprises one or more outlet nozzles for injecting the reaction agent in an injection region and a movement device for controlled or controlled movement of the outlet nozzle (s), so that the injection region is located in the reaction zone of the combustion chamber or directed to the reaction zone.
  • outlet nozzle (s) at one over the
  • Moving device movable lance and in particular at the top of the lance is provided.
  • the movement device comprises a main body for stationary connection with the combustion chamber, and that a regulated drive or several controlled drives are provided, via which the lance and / or the Outlet nozzle (s) relative to the base body are linearly and / or rotationally movable, so that the outlet nozzle (s) can be brought into a position in which a targeted injection of the reagent takes place in the reaction zone.
  • the lance is retractable and extendable coupled to the body, wherein the maximum extension length of the lance is preferably at least 0.2m to 6m or more, and / or that the lance is retractable or retracted, so that the tip of the lance or the outlet nozzle in the
  • Combustion chamber wall is recessed or flush with the combustion chamber wall.
  • outlet nozzle (s) are arranged on a section which is angled away from the lance by an injection angle, or in that the
  • Injection direction of the injection nozzles deviates by an injection angle of the longitudinal axis of the lance, wherein optionally the injection angle is angled approximately 15 ° to 90 ° from the longitudinal axis of the lance and / or from the extension direction, and
  • the injection device a
  • Combustion chamber portion comprises, in which the hot combustion gas is in contact with parts of the injection device and projects into the particular at least a portion of the lance, that the injection device comprises an outer portion in which a drive for the lance and a part of the lance itself are provided, and a sealing arrangement is provided, through which the outer section is in front of a
  • the seal arrangement has one or more lance openings for the passage of the lance, or that the
  • Sealing arrangement has one or more lance openings through which the lance is passed, and that at least one lance opening through the
  • the sealing arrangement comprises a sealing air chamber through which the lance is passed and into which a line for feeding opens by blocking air, wherein the lance is preferably guided through two lance openings, so that the lance is surrounded by sealing air in the region of the seal assembly and in particular in the sealing air chamber and / or that in the sealing air chamber, an overpressure against the combustion chamber prevails, so that penetration of the
  • Combustion gas is prevented or reduced in the sealing air chamber by a lance opening.
  • the sealing arrangement comprises a shearing body which rests against the lance with play, or which extends annularly around the lance, wherein the shearing body is connected or held substantially rigidly with the main body in the direction of the longitudinal axis of the lance. so that during a movement of the lance along the longitudinal axis, a relative movement between the lance and the shearing takes place and adhering to the outside of the lance adhering dirt, such as condensed on the lance
  • the injection device a
  • Reactant line which extends in particular from a reactant tank through the lance to the outlet nozzle
  • the injection device optionally comprises a Zerstäubermediumstechnisch extending in particular from a Zerstäubermediumstank through the lance to the outlet nozzle
  • the injection device is a regulated and / or controlled conveying device for conveying the reaction medium and / or the Zerstäubermediums and to
  • Reaction zone of the combustion chamber wherein the Zerstäubermedium example, compressed air, steam or natural gas.
  • the injection device with a
  • Cooling medium such as air or gas flowed through cooling line comprises, which is provided in particular chamber or tubular in the region of the outside of the lance to cool the outside of the lance.
  • reaction medium line and optionally the Zerstäubermediums is arranged in the lance within the cooling line, so that the reactant line and optionally the Zerstaubermediumstechnisch in the lance of the cooling line is surrounded and cooled or are.
  • the reagent line is disposed within the Zerstaubermediumstechnisch and the Zerstaubermediumstechnisch is arranged in the cooling line, and that the reagent line and the
  • Atomizer medium line open into the outlet nozzle, so that the reagent is atomized discharged through the outlet nozzle in the reaction zone.
  • the invention relates to a system for flue gas denitration in a combustion chamber by selective non-catalytic reduction comprising: a dynamic real-time simulation model, which in a temporal update interval a current three-dimensional temperature distribution in the combustion chamber and the
  • Input variables are supplied to the dynamic real-time simulation model or, one or more injectors which are each movable via one or more drives, via the injectors, a reagent selectively injected into the reaction zone and is or is and / or a
  • Control arrangement that determines the position and amount of injection of the
  • the combustion chamber is a combustion chamber of a
  • Furnace a combustion chamber of a large combustion plant, a combustion chamber of a waste incineration plant, a combustion chamber of a combustion plant for cement production or a combustion chamber of a boiler for steam generation, the maximum combustion chamber temperature is above 800 ° C or above 1000 ° C.
  • the combustion chamber temperature and the temperature of the combustion chamber gas located in the combustion chamber starting from a
  • Burner assembly decreases in the course of the combustion chamber and in the course of the flow of the combustion gas, and that the reaction zone is a temperature range in the combustion chamber or the combustion gas, in which the reaction of the reactant is optimized for denitrification, and / or that the reaction zone is that region of the combustion chamber in which the combustion chamber gas temperatures between 800 ° C and 1 100 ° C, preferably temperatures between 950 ° C and 1050 ° C or optionally between 850 ° C and 1000 ° C, between 850 ° C and 950 ° C between 800 ° C and 1200 ° C.
  • the reaction zone is preferably a single contiguous zone in the combustion chamber.
  • reaction zone is a zone of the combustion chamber, the position and the shape of the reaction zone changing over time
  • Sensor data is calculated and determined, wherein the update interval is preferably between 1 and 60 seconds, more preferably between 5 and 30 seconds.
  • the reagent contains ammonia or urea and in particular ammonia water or urea solution.
  • the sensors comprise a plurality of real-time heat flow sensors arranged spaced apart from one another along the combustion chamber and along the flow of the combustion chamber gas.
  • the sensors comprise one or more flame cameras or pyrometers for optical thermography, wherein a flame camera or a pyrometer is preferably provided in the region of the burner arrangement for determining the flame temperatures.
  • the dynamic real-time simulation model is or is executed on a computer or on a data processing device.
  • the speed of the combustion chamber gas is calculated and determined at different points, preferably at all points of the combustion chamber, by the dynamic real-time simulation model. If necessary, it is provided that process data such as flue gas temperature,
  • Nitrogen oxide concentration in the exhaust gas carbon monoxide content in the exhaust gas
  • Control arrangement are supplied, this process data are used in particular for calculating a real-time raw NO x - prediction, for calibrating the sensors and / or for calibrating the real-time simulation model.
  • the invention relates to a method for flue gas denitration in a combustion chamber by selective non-catalytic reduction comprising the following steps: Determination and calculation of a current three-dimensional temperature distribution in the combustion chamber and the three-dimensional position and the three-dimensional course of a reaction zone by a dynamic real-time simulation model in a temporal update interval ; Recording and in particular real-time recording of
  • Injectors is controlled by a control arrangement; targeted
  • the combustion chamber temperature and the temperature of the combustion chamber gas located in the combustion chamber starting from a
  • Combustion chamber or the combustion chamber gas is at which the reaction of the reaction agent is optimized for denitrification, or that the reaction zone that portion of the combustion chamber in which the combustion chamber gas temperatures between 800 ° C and 1 100 ° C, preferably temperatures between 950 ° C and 1050 ° C, and that the reactant is injected into this reaction zone.
  • the reaction zone is a zone of the combustion chamber, wherein the position and the shape of the reaction zone over the time and / or change in the load changes, and that the position and the shape of the reaction zone by the dynamic real-time simulation model in an update interval including sensor data is calculated and determined, the
  • Refresh interval preferably between 1 and 60 seconds, more preferably between 5 and 30 seconds.
  • the reagent contains ammonia or urea and optionally additives and in particular ammonia water or
  • sensor data are optionally recorded by one or more flame cameras or pyrometers for optical thermography, wherein a
  • Burner assembly is provided for determining the flame temperature.
  • the dynamic real-time simulation model is executed on a computer or on a data processing device.
  • the dynamic real-time simulation model calculates and determines the speed of the combustion chamber gas at different points, preferably at all points of the combustion chamber.
  • process data such as flue gas temperature
  • Nitrogen oxide concentration in the exhaust gas carbon monoxide content in the exhaust gas
  • Control arrangement to be supplied, said process data in particular for Calculation of a real-time raw NO x prediction, to calibrate the sensors and / or to calibrate the real-time simulation model.
  • the volume of flue gas which can be reached by an injection device is calculated in the reaction zone such that the control arrangement aligns the injection device via one or more drives,
  • Reactant is calculated, and that the control arrangement causes a promotion of the optimum amount or the optimum volume flow, so that the
  • Reactant is injected in an optimal amount in the calculated volume of flue gas.
  • the invention relates, for example, to a method for reducing nitrogen oxide emissions by means of a highly efficient SNCR (DeNOx) system for
  • the invention relates to a method for denitrification of flue gases in combustion chambers of high-temperature industrial plants.
  • Water (H20) is made using ammonia (NH3) or ammonia-containing
  • Tank system measuring and mixing system, flue gas temperature measurement and the injection system for the reagent.
  • flue gas temperature measurement and the injection system for the reagent.
  • lances are used which inject liquid NH4OH to achieve the following reaction:
  • the prerequisite for this reaction is optionally an oxidizing atmosphere (superstoichiometric) in the flue gas stream.
  • Reaction is for example at 850 ° C to 1050 ° C, so that, for example, a
  • Nitrogen oxide degradation rate of up to 60% can be achieved.
  • the method is preferably characterized by an online or real-time 3D thermography for determining the ideal temperature window in the flue gas.
  • This system calculates from input data such as fuel,
  • Flue gas temperature profile and its composition in the combustion chamber Another feature to optimize the system is the superposition of the calculated
  • Flue gas temperature values with the measured actual values This optimizes and calibrates the calculation of the 3D temperature profile online.
  • the adjustable SNCR nozzle sticks in particular the lances, are preferably characterized by a motor-driven axial displacement and rotating device, about the longitudinal axis rotatable (for example +/- 75 °) and longitudinally displaceable nozzle sticks controlled by the reagent in the middle or in an optimal range of the 3-dimensional calculated temperature window.
  • the electrically adjustable SNCR nozzle sticks are further characterized possibly by an angled nozzle head whose angle can be, for example, between 15 ° and 90 °. Due to the electrically controlled rotary motion around the
  • the longitudinal axis of the nozzle block can be the correct usable 3-dimensional
  • the adjustable SNCR nozzles are also characterized by an angled nozzle head having at least one, but preferably two to five, nozzle orifices at the nozzle tip to produce a fan-like jet which sprays the flue gas over a large area.
  • the method is preferably further characterized in that, by means of online 3D thermography, the above-mentioned SNCR nozzle sticks are operated in a map-controlled manner become.
  • the calculated operating values of the flue gas flow and its position in the combustion chamber control accordingly the SNCR nozzle sticks. It is preferred in each case the amount of reactant and the axial position (immersion depth) and the position
  • Reduction can be done. This results in a total higher nitrogen oxide degradation rate, for example, up to 80% or higher in relation to rigid systems.
  • Flue gas is injected and not over the entire RG cross-section of the combustion chamber, which has different temperature zones.
  • the invention preferably comprises a real-time 3-dimensional temperature analysis for combustion chambers: As the combustion process in combustion chambers permanently changes over time (inter alia due to different fuels and system states), different raw NOx values and locally changing flue gas temperatures are produced. A more comprehensive observation of the process allows early detection of the changes and thus an early response of the SNCR system to the changes.
  • all process parameters are continuously used to calculate a continuous raw NOx prediction. This is used to calculate the ideal injection rate in real time, taking into account future and current values of: NOx emission, 02 in the smoke, flue gas temperature, NO-precipitation rate and / or NH3-slip.
  • This system preferably comprises the following process devices:
  • At least two real-time heat flow sensors heat flux measurement using recording head with, for example, 5 measuring surfaces of different directions
  • a CCD camera1 for optical thermography for video surveillance of the furnace or combustion chambers.
  • CCD sensors are photosensitive
  • CCD charge-coupled device
  • a system computer serves as an evaluation and visualization unit.
  • the real-time 3-dimensional temperature analysis calculates and preferably continuously shows the 3D temperature distribution in the combustion chamber.
  • Intelligent software in combination with permanent flue gas heat flow analysis enables new real-time Process knowledge with refresh rates of, for example, between 5 and 30 seconds.
  • the process model may use simpler approaches with a coarser discretization. As a result, the system expects much faster and allows refresh rates in the range of, for example, 5 to 30 seconds.
  • the system preferably integrates real-time measurements from the process control technology in order to lean as close as possible to the real process.
  • the modeling of the firebox may include the following steps:
  • Temperature distribution based on the CFD analysis If necessary, the associated visualization provides new insights into the fuel and load-related changes in the combustion chamber.
  • the analysis of the local temperature distribution or temperature profile makes it possible to determine the ideal positioning of the SNCR lance. Furthermore, the ideal spray angle can be determined and calculated for the ideal penetration depth and / or the correct amount of reagent injection.
  • an intelligent SNCR control is provided.
  • the optionally arranged self-learning, non-linear and adaptive controller based on, for example, "Model Predictive Control” (MPC) 2, allows the multidimensional control of complex processes .
  • the Model Predictive Control usually Model Predictive
  • MPC Receding Horizon Control
  • RHC Receding Horizon Control
  • the system continuously trains itself, continuously adapting its optimization strategy. It adapts itself to process changes autonomously without external support. Process parameters such as fuel properties, slagging, wear, drift, etc. are thus automatically taken into account.
  • the system automatically detects any changes in the process, determines their influence on the process results, updates their own process model and automatically corrects the process
  • a NOx soft sensor is provided.
  • the above-mentioned process model may be used to create a permanent NOx (soft sensor) prognosis. This provides the SNCR system with the NOx values in the combustion chamber, locally and chronologically before the NOx clean gas measurement. Although this calculated NOx value
  • the NOx emissions prognosis is based on neural networks if necessary, continuously uses all relevant data of the process control system, uses the information of the additional temperature sensors, is created on the basis of learned plant-specific models and current system parameters and permanently adjusted to the system and fuel status, is calibrated against the raw NOx emissions, adapts itself on the basis of one to two daily determined raw NOx values, allows an estimation of the actually required consumption and thus adjustment of the amount of reactant and / or prevents burning of the reagent and self-generated NOx.
  • a SNCR control is provided in combination with the real-time CFD.
  • the real-time CFD is preferably used as the information source.
  • Process data and process results are continuously used to simulate the process in a constantly adapting model, to predict process results (eg NOx) and to find on this basis the best possible variation of the manipulated variables and to lead the process to the optimum. Optimization goals are preferably achieved in the closed loop.
  • the neural network is preferably a self-organizing, adaptive adaptive controller.
  • the SNCR control may therefore be able to adapt fully automatically to changed process and plant conditions.
  • the SNCR control concept can be carried out, for example, as follows:
  • Flue gas volume and a corresponding selection and control of the SNCR lance in the appropriate flue gas temperature window is optionally carried out accordingly.
  • the 3D temperature-controlled SNCR system comprises, for example, one or more of the following advantages:
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an injection device according to the invention and a system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a system according to the invention or of an injection device according to the invention.
  • Fig. 3 is a view for explaining the 3D simulation model.
  • FIG. 4 shows an oblique view of an embodiment of an injection device according to the invention.
  • 5 and 6 show schematic sectional views of details of a
  • Fig. 7 shows a detail of an injection device according to the invention.
  • Fig. 8 shows an oblique view of an injection device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a combustion chamber 4 with a combustion chamber wall. Into the combustion chamber 4 protrude according to this embodiment, a plurality of injectors. 1 The
  • Injectors 1 are preferably not shown
  • the injection device 1 preferably comprises a lance 8.
  • This lance comprises a tip 9, which is preferably angled at 15-90 ° and in particular at the free end of the projecting into the combustion chamber 4 lance 8 and projecting into the combustion chamber 4
  • Injection device is arranged, and preferably motorized about the axis or in the longitudinal direction of the
  • the injection devices each comprise one or more outlet nozzles 5. Through these outlet nozzles 5, the reactant 2 can escape.
  • the reaction medium 2 is atomized or distributed, and this atomization and distribution is preferably effected by the outlet nozzles 5. That area in which the
  • Reactant is injected or is, is defined as injection area 6.
  • this injection region can be fan-shaped, conical and / or pyramid-shaped in all embodiments.
  • the injection region may also be hemispherical in shape.
  • the injection region may be formed almost spherical. Preferred are several
  • the injection devices or the lances protrude into the combustion chamber 4 in the present embodiment.
  • the injection devices or the lances are preferably designed to be movable.
  • the injection devices comprise movement devices 7, not illustrated, or in each case a movement device 7, via which the position of the outlet nozzles, the position of the injection region and the direction of the injection and preferably the process conditions can be changed.
  • a plurality of sensors 33 are provided in the combustion chamber 4 or on its wall. These sensors 33 may be provided, for example, in all embodiments on the wall of the combustion chamber 4.
  • the sensors 33 protrude into the combustion chamber 4. If necessary, in all embodiments, the sensors are designed to be movable and can be retracted and extended so that they protrude into different positions further, less or not at all into the combustion chamber.
  • a sensor or sensors 33 are formed as a flame camera or pyrometer 36. At least one flame camera or a pyrometer 36 is provided in particular in the region of the burner assembly 35. By the flame camera or the pyrometer, in particular the flame temperature of a burner assembly 35 and / or the flue gas temperature can be determined. Furthermore, a can also
  • the burner arrangement 35 is, for example, a gas burner arrangement or solid fuel burner arrangements and / or, for example, grate firing, etc.
  • a sensor 33 or a plurality of sensors 33 are designed as heat flow sensors 37.
  • the sensors 33 are preferably arranged at a distance from each other along the flow direction of the combustion chamber gas.
  • a plurality of sensors 33 are arranged distributed along the combustion chamber 4.
  • Temperatures in the combustion chamber 4 or the gas located in the combustion chamber 4 are measured at different locations.
  • the heat flow at different locations of the combustion chamber 4 can be measured via the sensors 33.
  • combustion plants such as large combustion plants
  • the hot combustion gas is moved along the combustion chamber and optionally passes through a heat exchanger 39. This first
  • Heat exchanger is for example the superheater tube bundle of a steam generator. In other embodiments, for example in a system for
  • this heat exchanger can also be omitted.
  • the reactant should be injected as specifically as possible into a reaction zone 3. This can be done in a first step, the location and the course of the optimal
  • Reaction zone 3 can be determined. This determination is preferably carried out by a dynamic real-time simulation model, which in a temporal
  • Update interval calculated and determined a current three-dimensional temperature distribution in the combustion chamber 4 and the three-dimensional position and the three-dimensional course of the reaction zone.
  • the sensors 33 which are designed, in particular, as sensors 33 for real-time recording of heat data in the combustion chamber, serve to determine input variables which are fed to the dynamic real-time simulation model. If the position and the course of the reaction zone are determined, the reactant can be injected into the reaction zone 3 in a targeted manner via the injection device 1. Those injection devices whose possible injection region 6 lies outside the reaction zone 3 are preferably inactive. This means that no reactant is injected through these injectors.
  • the three-dimensional position and the course of the reaction zone 3 usually changes over time.
  • the location and the course of the reaction zone 3 usually changes over time.
  • Reaction zone 3 depends on the load, the fuel and other parameters. However, even with constant operation, the position and course of the reaction zone 3 may fluctuate.
  • the injection devices 1 can be guided, for example, through the side wall of the combustion chamber 4 into the combustion chamber.
  • a Injector 1 also be guided from above into the combustion chamber.
  • the lances 8 of the injection devices 1 preferably have at least one, preferably several
  • the injection region 6 can be moved into the reaction zone 3 in such a way that optimal flue gas denitrification takes place.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the control arrangement 34 of
  • a burner assembly 35 is provided in the combustion chamber 4. Starting from this burner arrangement 35, the combustion chamber gas is conducted in the direction of the flue.
  • One or more sensors 33 in particular one or more flame cameras or
  • Pyrometer and / or one or more heat flow sensors 37 are arranged so that the combustion chamber temperatures of individual areas or the entire
  • Combustion chamber 4 can be determined.
  • the sensor data will be sent to the
  • the real-time simulation model is preferably on a computer or a
  • Data processing device 38 executed.
  • the sensor data serve as an input variable for adaptation and possibly for calibration of the real-time simulation model.
  • the data of further sensors 33 may be routed to the control arrangement and / or the real-time simulation model.
  • exhaust components such as O 2 , CO, NOx, unburned
  • Components are transmitted. These sensor data can also be used, for example, to adjust or calibrate the real-time simulation model. If necessary, these data are also a measure of the efficiency of
  • a plurality of injection devices 1 are provided along the combustion chamber 4. These preferably have at least one degree of freedom and can thus change the position of the respective injection region 6. The change of the situation
  • Injection areas 6 and in particular the outlet nozzles 5 of the lances 8 takes place via the regulation or control of one or more drives, in particular motor Actuators for moving the lances, in particular around their axis or in the longitudinal direction. Also the amount of injected or per unit time
  • Injected reactant 2 may preferably be separately controlled or controlled for each injector.
  • control valves 40 are preferably provided, by means of which the volume flow of the reaction agent discharged through the nozzles can be changed and, if appropriate, stopped.
  • the reactant 2 contains, for example, ammonia or urea.
  • the reaction medium 2 is stored in a reagent tank 26 and is pumped from there via a Retechnischsstoff 25 direction injector 1 and / or promoted.
  • a Zerstäubermedium is provided, which has a
  • Atomizer medium line 27 is supplied. If necessary this is
  • the sputtering medium 27 is water, steam, natural gas or compressed air.
  • a mixing device 41 is provided, in which the reactant 2, a Deonatwasser Wegteil is added.
  • This mixing device 41 may in particular also comprise a measuring device in which, for example, the
  • volumetric flow of the individual components and / or the entire mixture can be measured.
  • a Zerstäubermedium such as compressed air, natural gas or steam is provided.
  • This atomizer medium is supplied via a Zerstäubermediumstechnisch 27.
  • a Zerstäubermediumstank 28 is provided.
  • this Zerstäubermediumstank 28 is designed as a pressure accumulator for a gas.
  • this Zerstäubermediumstank 28 is designed as a pressure accumulator for a gas.
  • this Zerstäubermediumstank 28 is also a compressor directly to the
  • Atomizer medium line 27 connected.
  • the atomizer medium is preferably supplied to the injection devices 1 in order to atomize the reaction medium 2 and to bring about the desired distribution of the reaction medium 2 into the combustion chamber 4.
  • a conveying device 29 is provided for conveying the reaction medium 2.
  • 3 shows a schematic representation of the modeled system of a combustion chamber of the dynamic real-time simulation model.
  • the combustion chamber 4
  • this model in particular defines the shape of the combustion chamber 4 in a computer model and mapped mathematically.
  • this model may be the model of a CFD model or a dynamic finite element model.
  • the model of the considered or the relevant region of the combustion chamber 4 is divided into a plurality of volume elements 42. For each volume element 42, the modeling of the flue gas or combustion gas parameters takes place, for example, in FIG.
  • Carbon monoxide content and / or oxygen content, etc. are included in the modeling.
  • the models or parameters are preferably adjusted and / or calibrated in real time with existing measurement data from the process control system such as, in particular, flue gas temperatures, oxygen concentration etc. and / or the sensor data.
  • This adaptation and / or calibration preferably takes place continuously or in an update interval.
  • a real-time temperature distribution in the combustion chamber can subsequently be determined and calculated on the basis of the real-time simulation model.
  • this temperature distribution and other data of the real-time simulation model is visualized via visualization algorithms and optionally displayed on an image output device.
  • the reaction zone 3 can subsequently be determined and / or calculated. In particular, the location and shape of this reaction zone can be calculated.
  • Data processing device can set the refresh interval and the size of the
  • volume elements are adjusted. The higher the number of volume elements and the higher the update interval, the more computing power is required in order to be able to calculate or determine a real-time determination of the combustion chamber parameters.
  • the update interval between one and sixty seconds.
  • the update interval is five to thirty seconds.
  • the volume elements have a diameter of about 10 cm to 100 cm.
  • the volume elements preferably have a diameter of, for example, 50 cm. Likewise, it corresponds to the inventive idea
  • volume elements less than 10 cm in size.
  • the injection device comprises one or more outlet nozzles 5. Furthermore, the injection device 1 comprises a movement device 7. The movement device is designed and / or suitable for changing the position of the outlet nozzle 5. Furthermore, the injection device comprises a lance 8. At the tip 9 of the lance 8, which is preferably arranged at an angle, at least one outlet nozzle 5 is preferably arranged. The lance is according to the foregoing description movable, in particular motorized, arranged.
  • the injection device 1 comprises a base body 10. This base body 10 is preferably rigidly connected to the combustion chamber 4 and / or the combustion chamber wall, so that this body in
  • the injection device comprises a movement device 7, which contains in particular at least one drive 1 1.
  • the lance can be extended or retracted, for example, along an extension direction 16.
  • the lance can be extended or retracted, for example, along an extension direction 16.
  • the lance can be extended or retracted, for example, along an extension direction 16.
  • the lance 8 can preferably be rotated. The rotation of the lance is preferably done about the longitudinal axis 15 of the lance.
  • the lance 8 preferably comprises an angled portion 14. By this angled portion 14, the injection direction is optionally angled by an injection angle 13 from the direction of the longitudinal axis. The injection angle 13, by which the outlet nozzle 5 with respect to the
  • Longitudinal axis 15 of the lance is angled, for example, between 15 ° and 90 ° degrees.
  • this angle is unchangeable and predetermined by the geometric conditions.
  • the angle can be made changeable.
  • the angle deviates from the longitudinal axis 15 of the lance, so that the Injection region 6 at a rotation of the lance 8 in particular about the longitudinal axis 15 of the lance 8 can be changed and moved.
  • Outlet nozzles protrude at an injection angle 13 of the lance and the
  • the outer side 24 of the lance is substantially rotationally symmetrical and in particular cylindrically shaped.
  • a permanent seal or at least a guide of the lance 8 in the base body 10 take place upon rotation of the lance, in particular about the longitudinal axis 15 of the lance 8.
  • Fig. 5 shows a sectional view of a part of the invention
  • Injector 1 This comprises a lance 8 with a tip 9 and a
  • the injection device 1 comprises a base body 10, which is preferably arranged fixed relative to the combustion chamber according to the preceding description. Furthermore, the injection device 1 comprises a
  • Moving device 7 with a drive 1 1 or more drives 1 1.
  • the Drives are particularly suitable and / or adapted to move the lance and / or the outlet nozzle 5.
  • a movement in the extension direction 16 of the lance is preferably along the longitudinal axis 15 of the lance.
  • the outlet nozzle 5 can be introduced deeper or less deeply into the combustion chamber 4, in order also to position the injection region 6 deeper in the combustion chamber or closer to the wall of the combustion chamber.
  • the lance and in particular the outlet nozzle 5 are preferably moved rotationally. In particular, the rotation takes place about the longitudinal axis 15 of the lance 8.
  • the injection device 1 preferably comprises a combustion chamber section 17 and an outer section 18
  • Combustion chamber section 17 is in particular that region of the injection device which is in contact with hot combustion gas and possibly projects into the combustion chamber 4.
  • the outer portion is that portion of the injector which is located substantially outside of the combustion chamber and not in contact with the hot one
  • Combustion chamber gas is.
  • the Moving devices In the outer portion of the injector are in particular the Moving devices and, for example, the connections for the supply of discharged through the outlet nozzle substances or means.
  • one or more lines are preferably led to the outlet nozzle 5.
  • the invention is a
  • Reactant line 25 led to the outlet nozzle 5.
  • the reactant line is adapted to convey a reactant 2 to the outlet nozzle 5 in order to
  • a Zerstäubermediumstechnisch 27 is further provided.
  • This atomizer medium may be, for example, compressed air, natural gas or steam.
  • the Zerstäubermediumstechnisch 27 preferably extends through the lance 8 to the outlet nozzle 5.
  • a cooling line 32 is provided. This cooling line 32 can serve, for example, for supplying compressed air or another cooling medium.
  • This cooling line 32 also preferably extends at least in the combustion chamber section 17 of the injection device 1 or the lance 8.
  • the cooling line 32 is in particular adapted and / or suitable for effecting cooling of the lance 8 to damage the lance 8 due to the high combustion chamber temperatures to prevent.
  • the cooling line 32 extends to the outlet nozzle 5, so that the cooling medium optionally exits through the outlet nozzle 5.
  • the cooling line is also encapsulated or equipped with a return line, so that the cooling medium does not enter the combustion chamber.
  • the cooling line is provided on the outside 24 of the lance. As a result, in particular the outside 24 of the lance is cooled.
  • the reaction medium line 25 and / or the Zerstäubermediums Koch 27 are guided within the cooling line 32 and at least partially surrounded by the cooling line 32. This prevents overheating of the atomizing medium line 27 and the reaction line 25.
  • the reagent conduit 25 is provided within or surrounded by the atomizing medium conduit 27.
  • the reaction medium line 25, the Zerstäubermediumstechnisch 27 and the cooling line 32 are formed as concentrically arranged in each other pipelines.
  • the reaction medium line 25, the Zerstäubermediumstechnisch 27 and / or the cooling line 32 are at least partially rigidly connected to the lance 8, so that these lines are moved with movement of the lance 8.
  • the Exit nozzle is preferably rigidly connected to the lance in this embodiment. As a result, the injection region 6 can be displaced by movement of the lance.
  • FIG. 6 shows a schematic sectional illustration of a partial region of the lance 8 and in particular of the outlet nozzle 5.
  • the concentrically arranged lines of the reagent tube 25, atomizer medium line 27 and the cooling line 32 are shown.
  • the lines are preferably open in the region of the outlet nozzle 5.
  • Fig. 7 shows a further detail of an embodiment of the invention
  • FIG. 7 is a detail for sealing and optionally for guiding the outer portion 18 relative to the
  • the lance 8 is preferably arranged rotatably about the longitudinal axis of the lance 15.
  • the lance protrudes to suffocation according to the invention through the wall of the combustion chamber 4 in the combustion chamber.
  • a seal assembly 19 is provided in order to prevent leakage of the hot combustion gas and, where appropriate, to prevent elements of the injection device, which are not temperature-resistant, from damage.
  • the lance is passed through one or more lance openings 20.
  • the seal assembly comprises a shear body 23.
  • This shear body is preferably used for shearing off adhering to the lance contaminants such as packing by the combustion chamber gas.
  • one or more shearing bodies can be arranged around the lance.
  • the shear body can be designed for example as a rigid one-piece or multi-part shear ring. For example, this ring extends around the longitudinal axis of the lance.
  • the shear body 23 is applied to the lance.
  • a small gap is kept between the lance and the shear body.
  • the gap is so narrow that the lance can be passed substantially unhindered through the shear body, but still a
  • the shear body is designed brush-shaped.
  • a plurality of brush-shaped shear body are provided. If necessary, the
  • Shear body formed roller-shaped.
  • the roller body can be designed such that the lance can be moved in accordance with its kinematic specifications and still shearing off the dirt from the
  • the injection device and in particular includes the
  • the barrier air chamber is a chamber through which an airflow can pass or is passed. In particular, there is a slight overpressure in the chamber, so that combustion chamber gas can not penetrate into the chamber.
  • the chamber is traversed by the sealing air, so that the sealing air chamber is cooled or is.
  • a portion of the lance 8 is passed through the sealing air chamber and / or of the
  • Sealing air chamber at least partially surrounded, so that upon injection of the sealing air, a cooling of the lance in this area.
  • the sealing air chamber is
  • the seal assembly 19 has a conduit 22 for supplying the sealing air in the
  • a further seal is provided which abuts the outside of the lance 8.
  • This seal 43 may, for example, in the area or next to
  • Shearing body 23 may be provided.
  • a seal 43 spaced from the shear body, in particular on the other side of the sealing air chamber 21 may be provided.
  • the outer portion 18, then a seal 43, then the sealing air chamber 21, then optionally a further seal 43, then the shear body 23 and then the combustion chamber portion 17 are provided.
  • the sealing air chamber, the shear body and the Seal 43 and in particular the entire seal arrangement are preferably arranged in the region of the wall or outside the wall of the combustion chamber 4.
  • Fig. 8 shows an oblique view of an injection device according to the invention.
  • This comprises an outlet nozzle 5, which is provided at the tip 9 of a lance 8.
  • the lance is arranged movable relative to a base body 10 via a drive 1 1 or via the movement device 7.
  • the injection device 1 comprises a reagent line 25, optionally a Zerstäubermediumstechnisch 27 and optionally a cooling line 32. These lines extend in one or more parts up to the outlet nozzle 5 or at least into the lance 8.
  • the supply lines can be made at least partially flexible.
  • the supply lines 25, 27 and / or 32 are looped, so that they can be tightened in an extension of the lance 8.
  • the injection device also in the embodiment of FIG. 8 comprises a sealing arrangement 19 and in particular a sealing air chamber 21.
  • the lance in the present embodiment comprises a plurality of outlet nozzles 5. Due to the design of the outlet nozzles, the injection region 6 or the shape of the injection region 6 can be changed and determined.
  • the reducing agent may be or include, for example, urea or ammonia. In all embodiments, the
  • Atomizer medium optionally contain compressed air, steam and / or other gases.
  • the drive for extending or retracting the lance may include a belt drive, a chain drive, a gear drive, a screw drive, a cable or similar elements.
  • the drive is pneumatically, hydraulically or electrically executed.
  • Injection devices according to FIGS. 4 to 8 formed. These injectors may have alternative details.
  • the outlet nozzles may be provided in different numbers and shapes on the injection device.
  • outlet nozzles For example, several outlet nozzles or one can be provided.
  • Longitudinal direction of the lance can be arranged.
  • the injection direction of an outlet nozzle may deviate from the direction of the longitudinal axis of the lance.
  • several outlet nozzles are at different angles to the lance from this.
  • the exit nozzle is disposed on an angled portion of the lance. If necessary, the
  • Seal arrangement provided with a sealing air chamber.
  • the leadership of the lance is effected by the seal assembly.
  • a separate guide is provided, which is formed for example in the region of the drive or by the drive.
  • Typical data for adjusting or calibrating the real-time simulation model and / or the control arrangement may serve different data as input data for the real-time simulation model and / or the control arrangement.
  • This data is transmitted, for example, continuously or at a certain update interval to the system components mentioned.
  • Such data may be, for example, heat data such as heat flow, flame temperature or combustion chamber gas temperature of different areas.
  • heat data such as heat flow, flame temperature or combustion chamber gas temperature of different areas.
  • Flame spectral ranges a radiance measurement or other parameters.
  • fuel parameters such as fuel mass flow and calorific value can be supplied as data to the relevant system components.
  • the update interval of the real-time simulation model may coincide with the update interval of the data supplied. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

System, Verfahren und Einspritzvorrichtung zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht-katalytische Reduktion umfassend ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell, das in einem zeitlichen Aktualisierungsintervall eine aktuelle dreidimensionale Temperaturverteilung im Brennraum und die dreidimensionale Lage und den dreidimensionalen Verlauf einer Reaktionszone berechnet und bestimmt, Sensoren zur Aufnahme und gegebenenfalls zur Echtzeit-Aufnahme von Wärmedaten im Brennraum, wobei diese Sensordaten als Eingangsgrößen dem dynamischen Echtzeit-Simulationsmodell zugeführt werden oder sind, eine oder mehrere Einspritzvorrichtungen die jeweils über einen oder mehrere Antriebe bewegbar sind, wobei über die Einspritzvorrichtungen ein Reaktionsmittel gezielt in die Reaktionszone einspritzt und verteilt wird oder ist, und eine Regelungsanordnung, die die Position und die Menge der Einspritzung des Reaktionsmittels regelt.

Description

Einspritzvorrichtung, System und Verfahren zur Rauchgasentstickung
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht-katalytische Reduktion. Ferner betrifft die Erfindung eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Reaktionsmittels zur
Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht-katalytische Reduktion. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System, ein Verfahren sowie eine Lanze zur Entstickung des Verbrennungsgases bzw. des Rauchgases in einem Brennraum einer Feuerungsanlage, in einem Brennraum einer Großfeuerungsanlage, in einem
Brennraum einer Müllverbrennungsanlage, in einem Brennraum einer Feuerungsanlage zur Zementherstellung oder in einem Brennraum eines Kessels zur Dampferzeugung, wobei die maximale Brennraumtemperatur bevorzugt über 800° Celsius, 1000°C, 1200°C oder 1500 °C beträgt.
In derartigen Brennräumen, insbesondere bei Temperaturen von über 1000°, entstehen Stickoxide, die in weiterer Folge als ΝΟχ abgekürzt werden. Insbesondere entsteht bei erhöhten Brennraumtemperaturen von über 1000° sogenanntes thermisches NOx durch Oxidation des in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoffs. Immer strenger werdende NOx Abgasbestimmungen führen zu dem technischen Problem, die NOx- Emissionen von Industriefeuerungsanlagen zu verringern. Dazu gibt es gemäß Stand der Technik beispielsweise Katalysatoren, bei denen in einer katalytischen Reaktion NOx in Stickstoff und andere, nicht reglementierte Oxide umgewandelt werden.
Nachteil an der selektiven katalytischen Reduktion durch Katalysatoren ist, dass derartige Katalysatoren für Großfeuerungsanlagen mit erheblichen Kosten verbunden sind. Insbesondere der hohe Durchsatz an Rauchgas erfordert aufwendige
Konstruktionen zur Gewährleistung der Funktionalität des Katalysators. Weiters unterliegen RG-Katalysatoren einem Verschleiß und erzeugen einen zusätzlichen Druckverlust im Abgassystem der überwunden werden muss und somit zusätzlich elektrische Energie benötigt.
Ferner sind dem Stand der Technik Systeme zur selektiven nicht-katalytischen
Reduktion zu entnehmen. Bei diesem System wird Ammoniak (NH3) oder Harnstoff (CH4N2O) in den Brennraum eingespritzt, um eine Rauchgasentstickung zu bewirken. Nachteilig an den herkömmlichen Konstruktionen ist, dass die herkömmlichen
Verfahren zur nicht-katalytische Reduktion durch Einspritzung eines Reaktionsmittels ineffizient sind und die geforderten Emissionsgrenzwerte teilweise nicht oder nur mit erheblichem NH3 Schlupf erreichen.
Die optimalen Reaktionstemperaturen des Reaktionsmittels mit dem Brennraumgas zur nicht-katalytischen Reduktion liegen in einem Temperaturfenster zwischen 800 °C und 1 100°C und bevorzugt zwischen 950 °C und 1050°C oder gegebenenfalls zwischen 850 und 1000°C.
Die Lage des Rauchgasbereichs, der dieses Temperaturfenster aufweist, ist im
Brennraum jedoch nicht ortsfest angeordnet, sondern verschiebt sich innerhalb des Brennraums abhängig beispielsweise von der Last, von dem verwendeten Brennstoff und von anderen Prozessparametern. Auch die Form dieser Reaktionszone ist insbesondere von Strömungsverhältnissen abhängig, die nicht konstant, sondern gegebenenfalls stark wechselnd sind. Um dennoch eine ausreichende Entstickung zu bewirken, wird gemäß Stand der Technik das Reaktionsmittel großflächig in den Brennraum eingebracht.
Überschüssiges Reaktionsmittel wird dabei über das Rauchgas abgegeben und erzeugt dadurch weitere Emissionen. Ammoniakschlupf und Lachgasemissionen sind die unerwünschten Folgen dieser ineffizienten Stand-der-Technik-Verfahren.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein System, eine Anlage und eine
Einspritzvorrichtung zur Entstickung in einem Brennraum zu schaffen, deren Effizienz gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Dies beinhaltet insbesondere, dass das Reaktionsmittel gezielt in die Reaktionszone (RG-Temperaturprofil) eingebracht wird. Es umfasst ferner, dass eine optimale Menge des Reduktionsmittels in die
Reaktionszone eingebracht wird. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Aufgabe, dass eine effiziente und gegebenenfalls möglichst vollständige Entstickung des Rauchgases erfolgt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der
unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Einspritzvorrichtung zur gezielten Einspritzung eines Reaktionsmittels in die Reaktionszone eines Brennraums zur
Rauchgasentstickung durch selektive nicht-katalytische Reduktion, wobei die
Einspritzvorrichtung eine Austrittsdüse oder mehrere Austrittsdüsen zur Einspritzung des Reaktionsmittels in einen Einspritzbereich und eine Bewegungsvorrichtung zur geregelten oder gesteuerten Bewegung der Austrittsdüse(n) umfasst, sodass der Einspritzbereich in der Reaktionszone des Brennraums liegt oder auf die Reaktionszone gerichtet ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Austrittsdüse(n) an einer über die
Bewegungsvorrichtung bewegbaren Lanze und insbesondere an der Spitze der Lanze vorgesehen ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Bewegungsvorrichtung einen Grundkörper zur ortsfesten Verbindung mit dem Brennraum umfasst, und dass ein geregelter Antrieb oder mehrere geregelte Antriebe vorgesehen sind, über die die Lanze und/oder die Austrittsdüse(n) gegenüber dem Grundkörper linear und/oder rotatorisch bewegbar sind, sodass die Austrittsdüse(n) in eine Stellung bringbar sind, in der eine gezielte Einspritzung des Reaktionsmittels in die Reaktionszone erfolgt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Lanze einfahrbar und ausfahrbar mit dem Grundkörper gekoppelt ist, wobei die maximale Ausfahrlänge der Lanze bevorzugt zumindest 0,2m bis 6m oder mehr beträgt, und/oder dass die Lanze einfahrbar oder eingefahren ist, sodass die Spitze der Lanze bzw. die Austrittsdüse in der
Brennraumwand versenkt ist oder plan mit der Brennraumwand abschließt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Austrittsdüse(n) an einem von der Lanze um einen Einspritzwinkel abgewinkelten Abschnitt angeordnet sind oder dass die
Einspritzrichtung der Einspritzdüsen um einen Einspritzwinkel von der Längsachse der Lanze abweicht, wobei gegebenenfalls der Einspritzwinkel etwa 15° bis 90° von der Längsachse der Lanze und/oder von der Ausfahrrichtung abgewinkelt ist und
insbesondere 15°, 30°, 45°, 60° oder 90° beträgt, sodass durch Drehung der Lanze um ihre Längsachse die Position und die Richtung des Einspritzbereiches veränderbar ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Einspritzvorrichtung einen
Brennraumabschnitt umfasst, in dem das heiße Brennraumgas in Kontakt mit Teilen der Einspritzvorrichtung steht und in den insbesondere zumindest ein Teil der Lanze ragt, dass die Einspritzvorrichtung einen Außenabschnitt umfasst in dem insbesondere ein Antrieb für die Lanze und ein Teil der Lanze selbst vorgesehen sind, und dass eine Dichtungsanordnung vorgesehen ist, durch die der Außenabschnitt vor einem
Eindringen des Brennraumgases abgedichtet ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung eine oder mehrere Lanzenöffnungen zur Durchführung der Lanze aufweist, oder dass die
Dichtungsanordnung eine oder mehrere Lanzenöffnungen aufweist, durch die die Lanze hindurchgeführt ist, und dass zumindest eine Lanzenöffnung durch die
Dichtungsanordnung abgedichtet ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung eine Sperrluftkammer umfasst, durch die die Lanze hindurchgeführt ist und in die eine Leitung zur Zuführung von Sperrluft mündet, wobei die Lanze bevorzugt durch zwei Lanzenöffnungen geführt ist, sodass die Lanze im Bereich der Dichtungsanordnung und insbesondere in der Sperrluftkammer von Sperrluft umspült ist und/oder dass in der Sperrluftkammer ein Überdruck gegenüber dem Brennraum herrscht, sodass ein Eindringen des
Brennraumgases in die Sperrluftkammer durch eine Lanzenöffnung verhindert oder verringert ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung einen Abscherkörper umfasst, der spielbehaftet oder anliegend an der Lanze anliegt, oder der sich ringförmig um die Lanze herum erstreckt, wobei der Abscherkörper in Richtung der Längsachse der Lanze im Wesentlichen starr mit dem Grundkörper verbunden oder gehaltert ist, sodass bei einer Bewegung der Lanze entlang der Längsachse eine Relativbewegung zwischen der Lanze und dem Abscherkörper erfolgt und an der Außenseite der Lanze anhaftende Verschmutzungen, wie beispielsweise an der Lanze kondensierte
Brennrückstandsansammlungen, abgeschert werden.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Einspritzvorrichtung eine
Reaktionsmittelleitung umfasst, die sich insbesondere von einem Reaktionsmitteltank durch die Lanze bis zu der Austrittsdüse erstreckt, dass die Einspritzvorrichtung gegebenenfalls eine Zerstäubermediumsleitung umfasst, die sich insbesondere von einem Zerstäubermediumstank durch die Lanze bis zu der Austrittsdüse erstreckt, und dass die Einspritzvorrichtung eine geregelte und/oder gesteuerte Fördervorrichtung zur Förderung des Reaktionsmittels und/oder des Zerstäubermediums und zur
Einspritzung des Reaktionsmittels und/oder des Zerstäubermediums in die
Reaktionszone des Brennraums umfasst, wobei das Zerstäubermedium beispielsweise Pressluft, Dampf oder Erdgas ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Einspritzvorrichtung eine mit einem
Kühlmedium wie beispielsweise Luft oder Gas durchströmte Kühlleitung umfasst, die insbesondere kammer- oder rohrförmig im Bereich der Außenseite der Lanze vorgesehen ist, um die Außenseite der Lanze zu kühlen.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Reaktionsmittelleitung und gegebenenfalls die Zerstäubermediumsleitung in der Lanze innerhalb der Kühlleitung angeordnet ist, sodass die Reaktionsmittelleitung und gegebenenfalls die Zerstaubermediumsleitung in der Lanze von der Kühlleitung umgeben und gekühlt ist oder sind.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass in der Lanze die Reaktionsmittelleitung innerhalb der Zerstaubermediumsleitung angeordnet ist und die Zerstaubermediumsleitung in der Kühlleitung angeordnet ist, und dass die Reaktionsmittelleitung und die
Zerstaubermediumsleitung in die Austrittsdüse münden, sodass das Reaktionsmittel zerstäubt durch die Austrittsdüse in die Reaktionszone abgegeben wird.
Gegebenenfalls betrifft die Erfindung ein System zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht-katalytische Reduktion umfassend: ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell, das in einem zeitlichen Aktualisierungsintervall eine aktuelle dreidimensionale Temperaturverteilung im Brennraum und die
dreidimensionale Lage und den dreidimensionalen Verlauf einer Reaktionszone berechnet und bestimmt, Sensoren zur Aufnahme und gegebenenfalls zur Echtzeit- Aufnahme von Wärmedaten im Brennraum, wobei diese Sensordaten als
Eingangsgrößen dem dynamischen Echtzeit-Simulationsmodell zugeführt werden oder sind, eine oder mehrere Einspritzvorrichtungen die jeweils über einen oder mehrere Antriebe bewegbar sind, wobei über die Einspritzvorrichtungen ein Reaktionsmittel gezielt in die Reaktionszone einspritzt und verteilt wird oder ist, und/oder eine
Regelungsanordnung, die die Position und die Menge der Einspritzung des
Reaktionsmittels regelt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Brennraum ein Brennraum einer
Feuerungsanlage, ein Brennraum einer Großfeuerungsanlage, ein Brennraum einer Müllverbrennungsanlage, ein Brennraum einer Feuerungsanlage zur Zementherstellung oder ein Brennraum eines Kessels zur Dampferzeugung ist, wobei die maximale Brennraumtemperatur insbesondere über 800°C oder über 1000°C beträgt
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Brennraumtemperatur und die Temperatur des im Brennraum befindlichen Brennraumgases ausgehend von einer
Brenneranordnung im Verlauf des Brennraumes und im Verlauf der Strömung des Brennraumgases abnimmt, und dass die Reaktionszone ein Temperaturbereich im Brennraum oder des Brennraumgases ist, bei der die Reaktion des Reaktionsmittels zur Entstickung optimiert ist, und/oder dass die Reaktionszone jener Bereich des Brennraums ist, in dem das Brennraumgas Temperaturen zwischen 800 °C und 1 100°C, bevorzugt Temperaturen zwischen 950 °C und 1050°C aufweist oder gegebenenfalls zwischen 850 °C und 1000°C, zwischen 850 °C und 950 °C zwischen 800 °C und 1200°C. Die Reaktionszone ist bevorzugt eine einzige zusammenhängende Zone im Brennraum.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Reaktionszone eine Zone des Brennraums ist, wobei sich die Lage und die Form der Reaktionszone über die Zeit verändert,
und dass die Lage und die Form der Reaktionszone durch das dynamische Echtzeit- Simulationsmodell in einem Aktualisierungsintervall unter Einbeziehung von
Sensordaten berechnet und bestimmt wird, wobei das Aktualisierungsintervall bevorzugt zwischen 1 und 60 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 Sekunden beträgt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Reaktionsmittel Ammoniak oder Harnstoff enthält und insbesondere Ammoniakwasser oder Harnstofflösung ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Sensoren mehrere entlang des Brennraums und entlang der Strömung des Brennraumgases beabstandet voneinander angeordnete Echtzeit-Wärmeflusssensoren umfassen.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Sensoren eine oder mehrere Flammkameras oder Pyrometer zur optischen Thermographie umfassen, wobei eine Flammkamera oder ein Pyrometer bevorzugt im Bereich der Brenneranordnung zur Bestimmung der Flammtemperaturen vorgesehen ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell auf einem Computer oder auf einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt wird oder ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass durch das dynamische Echtzeit- Simulationsmodell die Geschwindigkeit des Brennraumgases an unterschiedlichen Stellen, bevorzugt an allen Stellen des Brennraums berechnet und bestimmt wird. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass Prozessdaten wie Rauchgastemperatur,
Brennstoffregelung, Rauchgasgeschwindigkeit, Rauchgasverweilzeit,
Sekundärluftsteuerung, Tertiärluftsteuerung, Sauerstoffgehalt im Abgas,
Stickstoffoxidkonzentration im Abgas, Kohlenmonoxidgehalt im Abgas,
Ammoniakschlupf, Staubkonzentrationen, Stickstoffoxidabscheiderate und/oder die zugeführte Brennstoffmenge dem Echtzeit-Simulationsmodell und/oder der
Regelungsanordnung zugeführt werden, wobei diese Prozessdaten insbesondere zur Berechnung einer Echtzeit-roh-NOx- Vorhersage, zur Kalibrierung der Sensoren und/oder zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells dienen.
Gegebenenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht-katalytische Reduktion umfassend folgende Schritte: Bestimmung und Berechnung einer aktuellen dreidimensionalen Temperaturverteilung im Brennraum und der dreidimensionale Lage und des dreidimensionalen Verlaufs einer Reaktionszone durch ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell in einem zeitlichen Aktualisierungsintervall; Aufnahme und insbesondere Echtzeit-Aufnahme von
Wärmedaten des Brennraums durch Sensoren; Zuführen der Sensordaten als
Eingangsgrößen für das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell; Antreiben und
Bewegen der Einspritzvorrichtungen, wobei das Antreiben und Bewegen der
Einspritzvorrichtungen von einer Regelungsanordnung geregelt wird; gezieltes
Einspritzen eines Reaktionsmittels in die Reaktionszone, wobei das Einspritzen und insbesondere die Einspritzmenge von einer Regelungsanordnung geregelt wird.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Brennraumtemperatur und die Temperatur des im Brennraum befindlichen Brennraumgases ausgehend von einer
Brenneranordnung im Verlauf des Brennraumes und im Verlauf der Strömung des Brennraumgases abnimmt, dass die Reaktionszone einen Temperaturbereich im
Brennraum oder des Brennraumgases ist, bei der die Reaktion des Reaktionsmittels zur Entstickung optimiert ist, oder dass die Reaktionszone jener Bereich des Brennraums ist, in dem das Brennraumgas Temperaturen zwischen 800 °C und 1 100°C, bevorzugt Temperaturen zwischen 950 °C und 1050°C aufweist, und dass das Reaktionsmittel in diese Reaktionszone eingespritzt wird. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Reaktionszone eine Zone des Brennraums ist, wobei sich die Lage und die Form der Reaktionszone über die Zeit und/oder bei Veränderung der Last verändert, und dass die Lage und die Form der Reaktionszone durch das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell in einem Aktualisierungsintervall unter Einbeziehung von Sensordaten berechnet und bestimmt wird, wobei das
Aktualisierungsintervall bevorzugt zwischen 1 und 60 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 Sekunden, beträgt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Reaktionsmittel Ammoniak oder Harnstoff und gegebenenfalls Additive enthält und insbesondere Ammoniakwasser oder
Harnstofflösung ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass Sensordaten von mehreren entlang des
Brennraums und entlang der Strömung des Brennraumgases beabstandet voneinander vorgesehene Echtzeit-Wärmeflusssensoren aufgenommen werden,
und dass Sensordaten gegebenenfalls von einer oder mehreren Flammkameras oder Pyrometer zur optischen Thermographie aufgenommen werden, wobei eine
gegebenenfalls vorgesehene Flammkamera bevorzugt im Bereich der
Brenneranordnung zur Bestimmung der Flammtemperatur vorgesehen ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell auf einem Computer oder auf einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt wird.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell die Geschwindigkeit des Brennraumgases an unterschiedlichen Stellen, bevorzugt an allen Stellen des Brennraums berechnet und bestimmt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass Prozessdaten wie Rauchgastemperatur,
Brennstoffregelung, Rauchgasgeschwindigkeit, Rauchgasverweilzeit,
Sekundärluftsteuerung, Tertiärluftsteuerung, Sauerstoffgehalt im Abgas,
Stickstoffoxidkonzentration im Abgas, Kohlenmonoxidgehalt im Abgas,
Ammoniakschlupf, Staubkonzentrationen, Stickstoffoxidabscheiderate und/oder die zugeführte Brennstoffmenge dem Echtzeit-Simulationsmodell und/oder der
Regelungsanordnung zugeführt werden, wobei diese Prozessdaten insbesondere zur Berechnung einer Echtzeit-roh-NOx- Vorhersage, zur Kalibrierung der Sensoren und/oder zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells dienen.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das von einer Einspritzvorrichtung erreichbare Rauchgasvolumen in der Reaktionszone errechnet wird, dass die Regelungsanordnung die Einspritzvorrichtung über einen oder mehrere Antriebe ausrichtet,
dass die optimale Menge oder der Volumenstrom des einzuspritzenden
Reaktionsmittels errechnet wird, und dass die Regelungsanordnung eine Förderung der optimalen Menge oder des optimalen Volumenstroms bewirkt, sodass das
Reaktionsmittel in optimaler Menge in das errechnete Rauchgasvolumen eingespritzt wird.
In weiterer Folge wird eine mögliche Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Die Erfindung betrifft beispielsweise ein Verfahren zur Reduzierung von Stickoxid- Emissionen mittels hocheffektiver SNCR (DeNOx) Anlage für
Industriefeuerungsanlagen. Die Erfindung bezieht sich dabei auf ein Verfahren zur Entstickung von Rauchgasen in Verbrennungsräumen von Hochtemperatur- Industrieanlagen. Die Reduzierung von Stickoxiden (NOx) zu Stickstoff (N2) und
Wasser (H20) erfolgt mit Hilfe von Ammoniak (NH3) oder ammoniakhaltigen
Verbindungen (NH40H, bzw. Harnstoff). Anlagenteile einer selektiven nicht-katalytische Reduktion (SNCR) Anlage zur Reduzierung der Stickoxide-Emissionen sind die
Tankanlage, Mess- und Mischanlage, Rauchgas-Temperaturmessung sowie das Eindüsungssystem für das Reaktionsmittel. Zur Reduzierung der NO Emissionen in SNCR Anlagen werden Lanzen verwendet, die flüssiges NH4OH eindüsen um die folgende Reaktion zu erzielen:
2 NO + 2 NH3 + 0,5 02 2 N2 + 3 H20
Voraussetzung dieser Reaktion ist gegebenenfalls eine oxidierende Atmosphäre (überstöchiometrisch) im Rauchgasstrom. Das optimale Temperaturfenster der
Reaktion liegt beispielsweise bei 850 °C bis 1050°C, damit beispielsweise eine
Stickoxid-Abbaurate von bis zu 60% erreicht werden kann.
Die chemische Umwandlung der Reduktionsmittel funktioniert örtlich nur dort, wo das Reduktionsmittel auf NO Emissionen trifft. Wenn die Eindüsung nicht optimal getroffen wird, kommt es zum NH3 Schlupf, d.h. Ammoniak der nicht an der chemischen
Reaktion teilnimmt und somit ungenutzt im Rauchgas emittiert.
Apparative Einrichtungen der erfindungsgemäßen Technologie:
Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch eine online- bzw. Echtzeit- 3D- Thermographie zur Ermittlung des idealen Temperaturfensters im Rauchgas aus.
Dieses System berechnet aus Eingabedaten wie beispielsweise Brennstoff,
Verbrennungsluft, Brennraumgeometrie, etc. das theoretische
Rauchgastemperaturprofil und dessen Zusammensetzung im Brennraum. Eine weitere Eigenschaft zur Optimierung des Systems ist die Überlagerung der errechneten
Rauchgas-Temperaturwerte mit den gemessenen Istwerten. Damit wird die Berechnung des 3D-Temperaturprofils online optimiert und kalibriert.
Die einstellbaren SNCR Düsenstöcke, insbesondere die Lanzen, zeichnen sich bevorzugt durch eine motorisch betriebene axiale Verschiebung und Dreheinrichtung aus, um die Längsachse drehbare (beispielsweise +/- 75°) und längs verschiebbare Düsenstöcke um das Reaktionsmittel gesteuert in die Mitte oder in einen optimale Bereich des 3 dimensional berechneten Temperaturfenster einzudüsen.
Die elektrisch einstellbaren SNCR Düsenstöcke zeichnen sich weiters gegebenenfalls durch einen abgewinkelten Düsenkopf aus, dessen Winkel beispielsweise zwischen 15° und 90° betragen kann. Durch die elektrisch gesteuerte Drehbewegung um die
Längsachse des Düsenstocks kann dem korrekt nutzbaren 3-dimensionalen
Temperaturfenster des Rauchgasstromes nachgefahren werden, um das
Reaktionsmittel optimal eindüsen zu können.
Die einstellbaren SNCR Düsenstöcke zeichnen sich außerdem gegebenenfalls durch einen abgewinkelten Düsenkopf aus, der an der Düsenspitze mindestens eine, jedoch bevorzugt zwei bis fünf Düsenöffnungen besitzt, um einen fächerartigen Strahl zu erzeugen, der großflächig das Rauchgas besprüht.
Das Verfahren ist bevorzugt weiters dadurch gekennzeichnet, dass mittels online 3D- Thermographie, die eingesetzten o.a. SNCR Düsenstöcke kennfeldgesteuert betrieben werden. Die errechneten Betriebswerte des Rauchgasstroms und dessen Lage im Brennraum steuert entsprechend die SNCR Düsenstöcke. Es wird bevorzugt jeweils die Reaktionsmittelmenge sowie die axiale Position (Eintauchtiefe) und die Lage
(Drehwinkel) der SNCR Düsenstöcke berechnet und durch einen Regelkreis
nachgefahren bzw. optimiert.
Exemplarische Vorteile dieser Ausführungsform der Erfindung sind:
- Reduzierung des Reaktionsmittels bei gleichen oder niedrigeren NOx- Emissionswerten: Durch die erfindungsgemäße Anlagentechnik wird der Einsatz der Menge des Reaktionsmittels im Verhältnis zur Rauchgasmenge optimiert. Durch die kennfeldgesteuerte Einspritzung wird das Reaktionsmittel im
geeigneten Temperaturfeld optimiert, Zonen mit ungenügender
Rauchgastemperatur werden nicht mit Reaktionsmittel beaufschlagt und daher die Reaktionsmittelmenge reduziert. Somit wird auf das inhomogene RG- Temperaturprofil Rücksicht genommen, wodurch eine örtliche höhere
Reduzierung erfolgen kann. Dies erwirkt in Summe eine höhere Stickoxid- Abbaurate von beispielsweise bis zu 80% oder höher im Verhältnis zu starren Systemen.
- Reduzierung des Ammoniakschlupfes: Als Folge der Optimierung der Eindüsung des Reaktionsmittels, lässt sich der entstehende NH3 Schlupf (dies ist der Anteil der nicht reagierenden Reaktionsmittel-Anteile im Rauchgas) entsprechend optimieren, da nur mehr in Zonen des korrekten Temperaturfensters des
Rauchgases eingedüst wird und nicht über den gesamten RG-Querschnitt des Brennraumes, welcher unterschiedliche Temperaturzonen aufweist.
- Reduzierung der Eindüsestellen (Installations- und Betriebskosten): Durch die zuvor beschriebene Anlagenoptimierung bzw. das neuartige System, erfolgt eine Reduktion der Vielzahl von Eindüsestellen für das Reakionsmittel in den
Rauchgasstrom. Dadurch werden weniger Öffnungen in der Brennkammerwand (Kesselwand) benötigt. Als Folge der geringeren Anzahl der elektrisch, positionierten Düsenstöcke wird die Installation der Anlage vereinfacht, sowie auch die Steuerung der Anlage effizienter. Die Installationskosten werden im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert. - Reduzierung der Gesamtanlagenkosten: Durch die erfindungsgemäße Anlagenoptimierung werden gegebenenfalls weniger SNCR Düsenstöcke eingesetzt und in Folge durch die weitere NOx Reduzierung zum Stand der Technik ggf. der Einsatz einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) d.h. Rauchgaskatalysators nicht notwendig oder deutlich verkleinert werden, da mit der effizienteren SNCR Technik die gesetzlichen Grenzwerte eingehalten werden können. Es ergibt sich eine wesentliche Einsparung in Investitions-,
Montagekosten und Betriebskosten, neben der höheren Anlagenverfügbarkeit.
- Reduktion bzw. Eliminierung des Deonatwassers: Um die Zerstäubungsqualität und dessen Druck bei reduziertem Reaktionsmitteleinsatz (Angleichung an den tatsächlichen Verbrauch) an der Düse zu gewähren, wird bei herkömmlichen Anlagen ein Deonatwasser eingesetzt, welches die reduzierte Reaktionsmittel- Menge, durch ein Zusatzwasser (Deonatwasser) kompensiert. Durch die neuartigen, dreh- und ausfahrbaren SNCR Düsenstocke ist dies nicht notwendig, da die Eindringtiefe des Sprühstrahles mit dem Düsenstock überwunden wird und somit direkt ins Zentrum eingespritzt werden kann. Damit wird das
Deonatwasser eingespart.
Die Erfindung umfasst bevorzugt eine Echtzeit 3-Dimensionale Temperaturanalyse für Brennräume: Da sich der Prozess der Verbrennung in Brennräumen zeitlich permanent verändert (u. a. durch unterschiedliche Brennstoffe und Anlagenzustände) werden unterschiedliche Roh-NOx-Werte und sich lokal verändernde Rauchgastemperaturen erzeugt. Eine umfangreichere Beobachtung des Prozesses ermöglicht eine frühzeitige Erkennung der Veränderungen und dadurch eine frühzeitige Reaktion der SNCR Anlage auf die Veränderungen.
Der sich in zeitlicher Abhängigkeit verändernden Temperaturverteilung des Rauchgases muss im Rahmen der SNCR-Regelung besonders Rechnung getragen werden.
Detaillierte Prozessbeobachtung liefern gegebenenfalls die notwendigen Informationen des sich verändernden RG-Temperaturprofiles für ein optimiertes
Entstickungsverfahren in einem drei-dimensionalen Brennraum. Auf dieser Basis kann eine Echtzeit-CFD erstellt werden, die dann die sich in
Abhängigkeit von Last und aktuellem Brennstoff verändernden RG-Temperaturprofils berechnet. Mit diesen so erzeugten Eingangsparametern wird eine effiziente und intelligente Regelung und Steuerung der SNCR Anlage ermöglicht.
Außerdem werden bevorzugt kontinuierlich sämtliche Prozessparameter genutzt, um eine kontinuierliche Roh-NOx Vorhersage zu berechnen. Diese wird genutzt, um in Echtzeit die ideale Eindüsmenge unter Berücksichtigung künftiger und aktueller Werte von: NOx Emission, 02 im Rauchas, Rauchgas-Temperatur, NO-Abscheiderate und/oder NH3-Schlupf zu berechnen.
Dieses System umfasst bevorzugt folgende Prozessgeräte:
- Mindestens zwei Echtzeit-Wärmeflusssensoren (Wärmeflussmessung mittels Aufnahmekopf mit beispielsweise 5 Messflächen verschiedener Richtungen) und ggf. eine CCD-Kamera1 für optische Thermografie zur Videoüberwachung der Feuerung bzw. Brennräume. CCD-Sensoren sind lichtempfindliche
elektronische Bauelemente, die auf dem inneren Photoeffekt beruhen.„CCD" ist hierbei die Abkürzung des englischen„charge-coupled device".
- Echtzeit 3-dimensionale Temperaturanalyse mittels CFD zur Bestimmung der lokalen Temperatur und der Rauchgasgeschwindigkeit im Brennraum.
- Alternativ mindestens zwei Online Brennraum-Temperaturmessungen mittels Pyrometer die im Anschluss als 3D Temperaturprofil im Brennraum
hochgerechnet wird.
- Gegebenenfalls eine selbstlernende, sich selbstständig anpassende und auf einer permanenten NOx-Vorhersage basierende, somit intelligente prädiktive Regelung der SNCR Anlage. Ein Systemrechner dient als Auswerte- und Visualisierungseinheit.
Zur Simulation der Temperaturverteilung sind verschiedene CFD Verfahren bzw.
Produkte verfügbar. Diese Systeme lösen entsprechende Gleichungssysteme zum Stoff-, Energie-, und Impulstransport in diskretisierten Bilanzräumen. Die Echtzeit 3- dimensionalen Temperaturanalysen berechnet und zeigt bevorzugt kontinuierlich die 3D-Temperaturverteilung im Brennraum. Intelligente Software in Kombination mit permanenter Rauchgas-Wärmefluss-Analyse ermöglicht neue Echtzeit- Prozesserkenntnisse mit Aktualisierungsraten von beispielsweise zwischen 5 und 30 Sekunden.
Im Gegensatz zu den bekannten Simulationssystemen nutzt das Prozessmodell gegebenenfalls einfachere Ansätze mit einer gröberen Diskretisierung. Dadurch rechnet das System deutlich schneller und erlaubt Aktualisierungsraten im Bereich von beispielsweise 5 bis 30 Sekunden. Darüber hinaus integriert das System bevorzugt in Echtzeit vorhandene Messungen aus der Prozessleittechnik, um sich möglichst eng an den realen Prozess anzulehnen.
Zur Echtzeit-Modellierung der 3-dimensionalen Temperaturverteilung ist gegebenenfalls eine Modellierung des Brennstoffs mit dem thermischen und dynamischen Verhalten des Brennstoffs in Abhängigkeit von Lastschwankungen, Brennstoffverteilung und Heizwert nötig. Hierzu werden neben allgemein bekannten Turbulenzmodellierungen, Strömungsmodellen, Diskrete Elemente Methode, bekannte Daten des
Prozessleitsystems sowie die Informationen der o.a. Sensoren zur Modellstützung eingesetzt.
Die Modellierung des Feuerraums umfasst gegebenenfalls folgende Schritte:
Herstellung eines 3-dimensionalen CFD Modelles der Anlage.
Unterteilung des relevanten Bereichs in eine Vielzahl von Volumenelemente.
Je Volumenelement erfolgt die Modellierung der Rauchgasparameter beispielsweise in:
Temperatur, Masse, Dichte, Geschwindigkeit in x, y und z-Richtung, CO und 02.
Gegebenenfalls Bilanzierung des eingedüsten Reaktionsmittels und des
Tropfenspektrums.
Gegebenenfalls Modellierung der Brennraumverschmutzung (Anpackungen).
Diese Modelle werden bevorzugt in Echtzeit mit vorhandene Messdaten aus dem Prozessleitsystem (z. B. RG-Temperaturen, Sauerstoffkonzentration im Racuhgas, etc..) und der o.a. Sensoren kalibriert. Daraus entsteht in Echtzeit eine grobe
Temperaturverteilung auf Basis der CFD-Analyse. Die zugehörige Visualisierung liefert gegebenenfalls neue Einblicke in die brennstoff- und lastbedingten Veränderungen im Brennraum. Die Analyse der örtlichen Temperaturverteilung bzw. Temperaturprofil ermöglicht die Bestimmung der idealen Positionierung der SNCR-Lanze. Ferner können der ideale Sprühwinkel die ideale Eindringtiefe und/oder die korrekte Reaktionsmittel- Eindüsemenge bestimmt und errechnet werden.
Bevorzugt ist eine Intelligente SNCR-Regelung vorgesehen. Der gegebenenfalls dazu angeordnete selbstlernende, nichtlineare und adaptive Regler basierend beispielsweise auf „Model Predictive Control" (MPC)2, ermöglicht die mehrdimensionale Regelung komplexer Prozesse. Die Modellprädiktive Regelung, zumeist Model Predictive
Control (MPC) oder auch Receding Horizon Control (RHC) genannt, ist eine moderne Methode zur prädiktiven Regelung von komplexen, i.d.R. multi-variablen Prozessen. Im Gegensatz zu vielen anderen modernen Regelungsverfahren wurde MPC aufgrund seiner Fähigkeit, Beschränkungen explizit zu berücksichtigen, bereits vielfach in der Industrie angewendet. MPC-Regler werden bevorzugt in verfahrenstechnischen
Prozessen (auch Verbrennungsprozesse in Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen, Papiermaschinen, Walzwerken und Zementwerken) genutzt, in welchen klassische Regler (P-, D-, PID-Regler) und Fuzzy-Regler eine nicht
ausreichende Regelgüte erlangen. Das System trainiert sich unter kontinuierlicher Anpassung seiner Optimierungsstrategie, fortlaufend selbst. Er passt sich so Prozess- Veränderungen ohne weitere Unterstützung von außen autark an. Prozessparameter wie Brennstoffeigenschaften, Verschlackung, Verschleiß, Anlagendrift etc. werden somit automatisiert berücksichtigt. Das System erkennt somit gegebenenfalls Veränderungen im Prozess automatisch, bestimmt deren Einfluss auf die Prozessergebnisse, aktualisiert das eigene Prozessmodell und korrigiert den Prozess automatisch in
Richtung der vorgegebenen Optimierungsziele.
Gegebenenfalls ist ein NOx Softsensor vorgesehen. Das oben erwähnte Prozessmodell wird gegebenenfalls genutzt, um eine permanente NOx Prognose (Softsensor) zu erstellen. Diese liefert der SNCR Anlage die NOx-Werte im Feuerraum, örtlich und zeitlich vor der NOx-Reingasmessung. Obwohl dieser berechnete NOx-Wert
gegebenenfalls nicht die Genauigkeit der NOx-Messung erreicht, stützt das
Prognoseergebnis die prädiktive Regelung. Die NOx-Emissions Prognose basiert gegebenenfalls auf neuronalen Netzen, verwendet kontinuierlich alle relevanten Daten des Prozessleitsystems, nutzt die Informationen der zusätzlichen Temperatur-Sensoren, wird auf Basis gelernter anlagenspezifischer Modelle und aktueller Anlagenparameter erstellt und permanent an den Anlagen- und Brennstoffstatus angepasst, wird kalibriert gegen die Roh-NOx Emissionen, passt sich selbständig auf Basis ein bis zwei täglich ermittelter Roh-NOx Werte an, ermöglicht eine Abschätzung des tatsächlich benötigten Verbrauchs und damit Anpassung der Reaktionsmittelmenge und/oder verhindert ein Verbrennen des Reaktionsmittel und selbsterzeugtes NOx.
Bevorzugt ist eine SNCR Regelung in Kombination mit der Echtzeit-CFD vorgesehen. Zur Regelung der SNCR wird bevorzugt die Echtzeit-CFD als Informationsquelle benutzt. Die Daten der zusätzlichen o.a. Sensoren werden gegebenenfalls mit den vorhandenen Prozessleitsystem-Daten korreliert. Kontinuierlich werden Prozessdaten und Prozessergebnisse genutzt, um den Prozess in einem sich stetig anpassenden Modell zu simulieren, Prozessergebnisse (z. B. NOx) vorherzusagen und auf dieser Basis die bestmögliche Variation der Stellgrößen zu finden und den Prozess zum Optimum zu führen. Optimierungsziele werden bevorzugt im geschlossenen Regelkreis erzielt.
Das Neuronale Netz ist bevorzugt ein selbst organisierender, lernfähiger adaptiver Regler. Die SNCR Regelung ist also gegebenenfalls in der Lage, sich voll automatisch an veränderte Prozess- und Anlagen-Bedingungen anzupassen.
Das SNCR-Regelungskonzept kann beispielsweise wie folgt ausgeführt sein:
- Nutzung vorhandener Prozess-Signale (Beispielhaft: NOX, CO und 02).
- Nutzung ergänzter Sensorsignale zur Gewinnung aktueller weiterer
Informationen aus dem Prozess
- Entwickeln von Gray-Box-Modellen: Kombination von Verfahrensmodell,
gelerntem, Wissen, Messdaten und Regeln mit dem Vorteil der Nutzung zeitlicher und örtlicher Prozessbeschreibung unter Berücksichtigung von
Rauschen und Prozess-Drift Die Bestimmung der RG-Temperatur des von jeder SNCR-Düse erreichbaren
Rauchgasvolumens und eine entsprechende Auswahl und Regelung der SNCR-Lanze im geeigneten Rauchgastemperaturfenster erfolgt gegebenenfalls entsprechend.
Die erfindungsgemäße 3D temperaturgeführte SNCR Anlage umfasst beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Vorteile:
- Einhaltung der NOx Emissions-Grenzwerte und Sollwerte für NOx und Schlupf im Dauerbetrieb für alle Lastfälle
- verbesserte Temperatur-Informationen aus dem relevanten Brennraum mit
angepasster SNCR-Lanzen Regelung um eine verbesserte Entstickung zu erreichen.
- Dazu soll die angepasste Menge des Reaktionsmittels zur richtigen Zeit am
passenden Ort eingebracht werden, ohne Überdosierung, die NH3 Schlupf erzeugt.
- Eine sich an Prozess-Veränderungen (Brennstoffqualitäten, Verschlackung, Temperaturen, etc.) selbständig anpassende Regelung.
- Regelung der richtig positionierten SNCR Lanze passend zum richtigen
Temperaturprofil mit der passenden Reduktionsmittelmenge.
- Vergleichsweise geringe Investitionskosten bei geringem Druckluftverbrauch (verglichen z. B. mit akustischer Temperaturmessung oder Laser-Spektroskopie)
- Hohe örtliche und zeitliche (beispielsweise alle 5 bis 30 Sekunden) Auflösung des Rauchgas-Istzustandes
- System erzielt durch NOx-Prognose in Kombination mit Echtzeit-CFD eine
optimale zeitliche und örtliche SNCR Anlagensteuerung.
- System passt sich selbständig an Prozess-Veränderungen an
(Brennstoffqualitäten, Last, Verschlackung, Rußbläser, Temperaturen, etc.),
- Geringere Investitions- und Verbrauchskosten, verglichen mit akustischer oder Laser-basierter Messung.
- maximierte NOx-Abscheidung bei reduziertem Reaktionsmittelverbrauch.
- Minimaler Instandhaltungsaufwand
In weiterer Folge wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsformen und anhand der Figuren weiter beschrieben. Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung und eines erfindungsgemäßen Systems.
Fig. 2 zeigt eine schematische Abbildung eines erfindungsgemäßen Systems bzw. einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht zur Erklärung des 3D-Simulationsmodells.
Fig. 4 zeigt eine Schrägansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
Fig. 5 und 6 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Details einer
erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
Fig. 7 zeigt ein Detail einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
Fig. 8 zeigt eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
Fig. 1 zeigt einen Brennraum 4 mit einer Brennraumwand. In den Brennraum 4 ragen gemäß dieser Ausführungsform mehrere Einspritzvorrichtungen 1 . Die
Einspritzvorrichtungen 1 sind bevorzugt über eine nicht dargestellte
Regelungsanordnung 34 regelbar. Durch diese Regelungsanordnung 34 sind
beispielsweise die Position der Einspritzung des Reaktionsmittels 2 und/oder
beispielsweise die Menge des eingespritzten Reaktionsmittels 2 geregelt oder gesteuert. Zur Einspritzung des Reaktionsmittels umfasst die Einspritzvorrichtung 1 bevorzugt eine Lanze 8. Diese Lanze umfasst eine Spitze 9, die bevorzugt 15-90° abgewinkelt ist und die insbesondere am freien Ende der in den Brennraum 4 ragenden Lanze 8 bzw. der in den Brennraum 4 ragenden Einspritzvorrichtung angeordnet ist, und bevorzugt motorisch betrieben um die Achse oder in Längsrichtung den
Prozessbedingungen folgt. An der Lanze 8, insbesondere an der Spitze 9 der Lanze 8 umfassen die Einspritzvorrichtungen jeweils eine oder mehrere Austrittsdüsen 5. Durch diese Austrittsdüsen 5 kann das Reaktionsmittel 2 austreten. Das Reaktionsmittel 2 tritt insbesondere zerstäubt oder verteilt aus, wobei diese Zerstäubung und Verteilung bevorzugt durch die Austrittsdüsen 5 bewirkt wird. Jener Bereich, in den das
Reaktionsmittel eingespritzt wird oder ist, ist als Einspritzbereich 6 definiert.
Insbesondere kann dieser Einspritzbereich in allen Ausführungsformen fächerförmig, kegelförmig und/oder pyramidenförmig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Einspritzbereich auch halbkugelförmig ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann der Einspritzbereich nahezu kugelförmig ausgebildet sein. Bevorzugt sind mehrere
Austrittsdüsen pro Lanze oder pro Einspritzvorrichtung vorgesehen. Die Einspritzvorrichtungen bzw. die Lanzen ragen in der vorliegenden Ausführungsform in den Brennraum 4. Die Einspritzvorrichtungen bzw. die Lanzen sind dazu bevorzugt bewegbar ausgeführt. Insbesondere umfassen die Einspritzvorrichtungen nicht dargestellte Bewegungsvorrichtungen 7 oder jeweils eine Bewegungsvorrichtung 7, über die die Lage der Austrittsdüsen, die Lage des Einspritzbereichs und die Richtung der Einspritzung und bevorzugt den Prozessbedingungen folgend verändert werden kann.
Ferner sind im Brennraum 4 oder an dessen Wand mehrere Sensoren 33 vorgesehen. Diese Sensoren 33 können beispielsweise in allen Ausführungsformen an der Wand des Brennraums 4 vorgesehen sein. Gegebenenfalls ragen die Sensoren 33 in den Brennraum 4. Gegebenenfalls sind in allen Ausführungsformen die Sensoren bewegbar ausgeführt und können ein- und ausgefahren werden, sodass sie in unterschiedlichen Stellungen weiter, weniger weit oder gar nicht in den Brennraum ragen. Gegebenenfalls ist ein Sensor oder sind mehrere Sensoren 33 als Flammkamera oder Pyrometer 36 ausgebildet. Zumindest eine Flammkamera oder ein Pyrometer 36 ist insbesondere im Bereich der Brennanordnung 35 vorgesehen. Durch die Flammkamera oder das Pyrometer kann insbesondere die Flammtemperatur einer Brenneranordnung 35 und/oder die Rauchgastemperatur bestimmt werden. Ferner kann auch ein
dreidimensionaler oder zweidimensionaler Verlauf der Flammtemperaturen bestimmt werden. Die Brenneranordnung 35 ist beispielsweise eine Gasbrenneranordnung oder Feststoffbrenneranordnungen und/oder beispielsweise eine Rostfeuerung etc.
Gegebenenfalls ist ein Sensor 33 oder mehrere Sensoren 33 als Wärmeflusssensoren 37 ausgebildet. Bevorzugt sind die Sensoren 33 entlang der Strömungsrichtung des Brennraumgases beabstandet voneinander angeordnet. Gegebenenfalls sind mehrere Sensoren 33 entlang des Brennraums 4 verteilt angeordnet. Dadurch können
Temperaturen im Brennraum 4 oder des im Brennraum 4 befindlichen Gases an unterschiedlichen Stellen gemessen werden. Gegebenenfalls kann über die Sensoren 33 der Wärmefluss an unterschiedlichen Stellen des Brennraums 4 gemessen werden.
Im Brennraum herrschen im Normalbetrieb in unterschiedlichen Bereichen
unterschiedliche Temperaturen. So nimmt üblicher Weise die Temperatur des
Brennraums oder des Brennraumgases im Verlauf der Strömung des Brennraumgases ausgehend von der Brenneranordnung 25 ab. Im Bereich der Brenneranordnungen können bei Feuerungsanlagen wie beispielsweise bei Großfeuerungsanlagen
Temperaturen von über 1500, gegebenenfalls über 2000° auftreten. Ausgehend von diesem Bereich wird das heiße Brennraumgas entlang des Brennraums weiterbewegt und passiert dabei gegebenenfalls einen Wärmetauscher 39. Dieser erste
Wärmetauscher ist beispielsweise das Überhitzerrohrbündel eines Dampferzeugers. Bei anderen Ausführungsformen, beispielsweise bei einer Anlage zur
Zementherstellung, kann dieser Wärmetauscher auch entfallen.
Zur effizienten Rauchgasentstickung soll gemäß der vorliegenden Erfindung das Reaktionsmittel so gezielt wie möglich in eine Reaktionszone 3 eingespritzt werden. Dazu kann in einem ersten Schritt die Lage und der Verlauf der optimalen
Reaktionszone 3 ermittelt werden. Diese Ermittlung geschieht bevorzugt durch ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell, das in einem zeitlichen
Aktualisierungsintervall eine aktuelle dreidimensionale Temperaturverteilung im Brennraum 4 und die dreidimensionale Lage und den dreidimensionalen Verlauf der Reaktionszone berechnet und bestimmt. Ferner dienen die Sensoren 33, die insbesondere als Sensoren 33 zur Echtzeitaufnahme von Wärmedaten im Brennraum ausgebildet sind, zur Ermittlung von Eingangsgrößen, die dem dynamischen Echtzeit- Simulationsmodell zugeführt werden. Ist die Lage und der Verlauf der Reaktionszone bestimmt, so kann das Reaktionsmittel über die Einspritzvorrichtung 1 gezielt in die Reaktionszone 3 eingespritzt werden. Jene Einspritzvorrichtungen, deren möglicher Einspritzbereich 6 außerhalb der Reaktionszone 3 liegt, sind bevorzugt inaktiv. Dies bedeutet, dass durch diese Einspritzvorrichtungen kein Reaktionsmittel eingespritzt wird.
Die dreidimensionale Lage und der Verlauf der Reaktionszone 3 verändert sich für gewöhnlich über die Zeit. Insbesondere sind die Lage und der Verlauf der
Reaktionszone 3 von der Last, dem Brennstoff und anderen Parametern abhängig. Jedoch kann es auch bei konstantem Betrieb zu Schwankung der Lage und des Verlaufs der Reaktionszone 3 kommen.
Die Einspritzvorrichtungen 1 können beispielsweise durch die Seitenwand des Brennraums 4 in den Brennraum geführt sein. Gegebenenfalls kann eine Einspritzvorrichtung 1 auch von oben in den Brennraum geführt sein. Bevorzugt weisen die Lanzen 8 der Einspritzvorrichtungen 1 zumindest einen, bevorzugt mehrere
Freiheitsgrade auf. Dadurch kann der Einspritzbereich 6 derart in die Reaktionszone 3 bewegt werden, dass eine optimale Rauchgasentstickung erfolgt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Regelungsanordnung 34 der
erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung 1 und/oder des erfindungsgemäßen Systems.
Im Brennraum 4 ist eine Brenneranordnung 35 vorgesehen. Ausgehend von dieser Brenneranordnung 35 wird das Brennraumgas Richtung Rauchabzug geleitet. Ein oder mehrere Sensoren 33, insbesondere eine oder mehrere Flammkameras bzw.
Pyrometer und/oder ein oder mehrere Wärmeflusssensoren 37 sind derart angeordnet, sodass die Brennraumtemperaturen einzelner Bereiche bzw. des gesamten
Brennraums 4 bestimmt werden können. Die Sensordaten werden an die
Regelungsanordnung 34 und/oder an das Echtzeit-Simulationsmodell geleitet. Das Echtzeit-Simulationsmodell wird bevorzugt auf einen Computer bzw. einen
Datenverarbeitungsgerät 38 ausgeführt. Insbesondere dienen die Sensordaten als Eingangsgröße zur Anpassung und gegebenenfalls zur Kalibrierung des Echtzeit- Simulationsmodells.
In allen Ausführungsformen können gegebenenfalls die Daten weiterer Sensoren 33 an die Regelungsanordnung und/oder das Echtzeit-Simulationsmodell geleitet sein.
Beispielsweise können Abgasbestandteile wie 02, CO, NOx, unverbrannte
Kohlenwasserstoffe etc. durch Sensoren gemessen und an die genannten
Komponenten übermittelt werden. Auch diese Sensordaten können beispielsweise zum Abgleich bzw. zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells herangezogen werden. Gegebenenfalls sind diese Daten auch ein Maß für die Effizienz der
Rauchgasentstickung.
Ferner sind entlang des Brennraums 4 mehrere Einspritzvorrichtungen 1 vorgesehen. Diese weisen bevorzugt zumindest einen Freiheitsgrad auf und können somit die Lage des jeweiligen Einspritzbereichs 6 verändern. Die Veränderung der Lage der
Einspritzbereiche 6 und insbesondere der Austrittsdüsen 5 der Lanzen 8 geschieht über die Regelung oder Steuerung eines oder mehrerer Antriebe, insbesondere motorischer Antriebe, zur Bewegung der Lanzen, insbesondere um Ihre Achse oder in Längsrichtung. Auch die Menge des eingespritzten oder des pro Zeiteinheit
eingespritzten Reaktionsmittels 2 kann bevorzugt für jede Einspritzvorrichtung getrennt geregelt oder gesteuert werden. Dazu sind bevorzugt Regelventile 40 vorgesehen, durch die der Volumenstrom des durch die Düsen ausgegebenen Reaktionsmittels verändert und gegebenenfalls gestoppt werden kann.
Das Reaktionsmittel 2 enthält beispielsweise Ammoniak oder Harnstoff. Bevorzugt ist das Reaktionsmittel 2 in einem Reaktionsmitteltank 26 gelagert und wird von dort über eine Rektionsmittelleitung 25 Richtung Einspritzvorrichtung 1 gepumpt und/oder gefördert. Gegebenenfalls ist ein Zerstäubermedium vorgesehen, das über eine
Zerstäubermediumsleitung 27 zugeführt wird. Gegebenenfalls ist das
Zerstäubermedium in einem Zerstäubermediumstank vorgesehen. Gegebenenfalls ist das Zerstäubermedium 27 Wasser, Dampf, Erdgas oder Druckluft.
Gegebenenfalls ist eine Mischvorrichtung 41 vorgesehen, in der dem Reaktionsmittel 2 ein Deonatwasserbestandteil beigemischt wird. Diese Mischvorrichtung 41 kann insbesondere auch eine Messvorrichtung umfassen, in der beispielsweise der
Volumenstrom der einzelnen Komponenten und/oder der gesamten Mischung gemessen werden kann.
Bevorzugt ist ein Zerstäubermedium wie beispielsweise Druckluft, Erdgas oder Dampf vorgesehen. Dieses Zerstäubermedium wird über eine Zerstäubermediumsleitung 27 zugeführt. Gegebenenfalls ist ein Zerstäubermediumstank 28 vorgesehen.
Gegebenenfalls ist dieser Zerstäubermediumstank 28 als Druckspeicher für ein Gas ausgebildet. Gegebenenfalls ist jedoch auch ein Kompressor direkt an die
Zerstäubermediumsleitung 27 angeschlossen.
Das Zerstäubermedium wird bevorzugt den Einspritzvorrichtungen 1 zugeführt, um das Reaktionsmittel 2 zu zerstäuben und die gewünschte Verteilung des Reaktionsmittels 2 in Brennraum 4 zu bewirken. Bevorzugt ist eine Fördervorrichtung 29 zur Förderung des Reaktionsmittels 2 vorgesehen. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des modellierten Systems eines Brennraums des dynamischen Echtzeit-Simulationsmodells. Dazu wird der Brennraum 4,
insbesondere die Form des Brennraums 4 in einem Computermodell definiert und mathematisch abgebildet. Insbesondere kann dieses Modell das Modell eines CFD- Modells oder eines dynamischen Finite-Elemente-Modells sein. Dazu wird der das Modell des betrachteten beziehungsweise des relevanten Bereichs des Brennraums 4 in eine Vielzahl von Volumenelementen 42 zerteilt. Je Volumenelement 42 erfolgt die Modellierung der Rauchgas- oder Brennraumgasparameter beispielsweise in
Temperatur, Masse, Dichte, Geschwindigkeit in X-, Y- und Z-Richtung,
Kohlenmonoxidgehalt und/oder Sauerstoffgehalt etc. Bevorzugt werden mehrere dieser Parameter in die Modellierung mit einbezogen.
Ferner wird die Bilanzierung des eingedüsten Reaktionsmittels und dessen
Tropfenspektrums modelliert. Ferner kann auch eine Modellierung der
Brennraumverschmutzung, wie beispielsweise der Anpackungen, berücksichtigt werden. Die Modelle bzw. Parameter werden bevorzugt in Echtzeit mit vorhandenen Messdaten aus dem Prozessleitsystem wie insbesondere Rauchgastemperaturen, Sauerstoffkonzentration etc. und/oder der Sensordaten angepasst und/oder kalibriert. Bevorzugt geschieht diese Anpassung und/oder Kalibrierung laufend oder in einem Aktualisierungsintervall. Aus all diesen Daten kann in weiterer Folge eine Echtzeit- Temperaturverteilung im Brennraum auf Basis des Echtzeit-Simulationsmodells bestimmt und berechnet werden. Gegebenenfalls wird diese Temperaturverteilung und weitere Daten des Echtzeit-Simulationsmodells über Visualisierungsalgorithmen visualisiert und gegebenenfalls auf einem Bildausgabegerät dargestellt. Aus dem bestimmten bzw. errechneten Temperaturprofil in dem Brennraum kann in weiterer Folge die Reaktionszone 3 bestimmt und/oder errechnet werden. Insbesondere kann die Lage und die Form dieser Reaktionszone berechnet werden.
Je nach Rechenleistung des verwendeten Computers bzw. des
Datenverarbeitungsgeräts kann das Aktualisierungsintervall und die Größe der
Volumenelemente angepasst werden. Umso höher die Anzahl der Volumenelemente und umso höher das Aktualisierungsintervall, desto mehr Rechenleistung wird benötigt, um eine Echtzeitbestimmung der Brennraumparameter errechnen bzw. bestimmen zu können. Gegebenenfalls beträgt das Aktualisierungsintervall zwischen einer und sechzig Sekunden. Bevorzugt beträgt das Aktualisierungsintervall fünf bis dreißig Sekunden. Gegebenenfalls weisen die Volumenelemente einen Durchmesser von etwa 10 cm bis 100 cm auf. Bevorzugt weisen die Volumenelemente einen Durchmesser von beispielsweise 50 cm auf. Ebenfalls entspricht es dem Erfindungsgedanken
Volumenelemente von einer Größe unterhalb von 10 cm zu verwenden. Für eine herkömmliche Anlage umfassend einen herkömmlichen Computer und eine
ausreichende Qualität der Entstickung sind die bevorzugten Parameter des
Aktualisierungsintervalls und der Volumenelemente in der Regel ausreichend.
Fig. 4 zeigt eine Schrägansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung 1 . Die Einspritzvorrichtung umfasst eine oder mehrere Austrittsdüsen 5. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung 1 eine Bewegungsvorrichtung 7. Die Bewegungsvorrichtung ist dazu eingerichtet und/oder geeignet, die Lage der Austrittsdüse 5 zu verändern. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung eine Lanze 8. An der Spitze 9 der Lanze 8, die bevorzugt abgewinkelt angeordnet ist, ist bevorzugt zumindest eine Austrittsdüse 5 angeordnet. Die Lanze ist gemäß der vorangegangenen Beschreibung bewegbar, insbesondere motorisch bewegbar, angeordnet. Dazu umfasst die Einspritzvorrichtung 1 einen Grundkörper 10. Dieser Grundkörper 10 ist bevorzugt starr mit dem Brennraum 4 und/oder der Brennraumwand verbunden, sodass dieser Grundkörper im
Wesentlichen ortsfest gegenüber dem Brennraum 4 angeordnet ist. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung eine Bewegungsvorrichtung 7, die insbesondere zumindest einen Antrieb 1 1 enthält. Über einen Antrieb 1 1 kann die Lanze beispielsweise entlang einer Ausfahrrichtung 16 ein- oder ausgefahren werden. Bevorzugt entspricht die
Ausfahrrichtung 16 der Lanze der Längsachse 15 der Lanze. Ferner kann die Lanze 8 bevorzugt verdreht werden. Die Verdrehung der Lanze geschieht bevorzugt um die Längsachse 15 der Lanze. Ferner umfasst die Lanze 8 bevorzugt einen abgewinkelten Abschnitt 14. Durch diesen abgewinkelten Abschnitt 14 ist die Einspritzrichtung gegebenenfalls um einen Einspritzwinkel 13 von der Richtung der Längsachse abgewinkelt. Der Einspritzwinkel 13, um den die Austrittsdüse 5 gegenüber der
Längsachse 15 der Lanze abgewinkelt ist, beträgt beispielsweise zwischen 15° und 90° Grad. Gegebenenfalls ist dieser Winkel unveränderbar und durch die geometrischen Verhältnisse vorgegeben. Gegebenenfalls kann der Winkel veränderbar ausgeführt sein. Bevorzugt weicht der Winkel von der Längsachse 15 der Lanze ab, sodass der Einspritzbereich 6 bei einer Verdrehung der Lanze 8 insbesondere um die Längsachse 15 der Lanze 8 verändert und verlagert werden kann.
Gegebenenfalls ist jedoch kein angewinkelter Abschnitt vorhanden, sondern die
Austrittsdüsen ragen in einem Einspritzwinkel 13 von der Lanze und von der
Längsachse 15 der Lanze 8 weg. Gegebenenfalls entspricht die Einspritzrichtung der Längsachse 15 der Lanze 8.
Bevorzugt ist die Außenseite 24 der Lanze im Wesentlichen rotationssymmetrisch und insbesondere zylinderförmig ausgebildet. Dabei kann bei Verdrehung der Lanze, insbesondere um die Längsachse 15 der Lanze 8, eine ständige Abdichtung oder zumindest eine Führung der Lanze 8 im Grundkörper 10 erfolgen.
Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teils der erfindungsgemäßen
Einspritzvorrichtung 1 . Diese umfasst eine Lanze 8 mit einer Spitze 9 und einer
Austrittsdüse 5. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung 1 einen Grundkörper 10, der entsprechend der vorangegangenen Beschreibung bevorzugt ortsfest gegenüber dem Brennraum angeordnet ist. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung 1 eine
Bewegungsvorrichtung 7 mit einem Antrieb 1 1 oder mehreren Antrieben 1 1 . Die
Antriebe sind insbesondere dazu geeignet und/oder eingerichtet, die Lanze und/oder die Austrittsdüse 5 zu bewegen. Eine Bewegung in Ausfahrrichtung 16 der Lanze geschieht bevorzugt entlang der Längsachse 15 der Lanze. Durch diese Bewegung kann die Austrittsdüse 5 tiefer oder weniger tief in den Brennraum 4 eingebracht werden, um auch den Einspritzbereich 6 tiefer im Brennraum oder näher an der Wand des Brennraums zu positionieren. Darüber hinaus kann die Lanze und insbesondere die Austrittsdüse 5 bevorzugt rotatorisch bewegt werden. Insbesondere geschieht die Rotation um die Längsachse 15 der Lanze 8. Die Einspritzvorrichtung 1 umfasst bevorzugt einen Brennraumabschnitt 17 und einen Außenabschnitt 18. Der
Brennraumabschnitt 17 ist insbesondere jener Bereich der Einspritzvorrichtung, der in Kontakt mit heißem Brennraumgas steht und gegebenenfalls in den Brennraum 4 ragt. Der Außenabschnitt ist jener Abschnitt der Einspritzvorrichtung, der im Wesentlichen außerhalb des Brennraums angeordnet ist und nicht in Kontakt mit dem heißen
Brennraumgas steht. Im Außenabschnitt der Einspritzvorrichtung sind insbesondere die Bewegungsvorrichtungen und beispielsweise auch die Anschlüsse für die Zuführung der durch die Austrittsdüse abgegebenen Stoffe bzw. Mittel.
In der Einspritzvorrichtung 1 bzw. in der Lanze 8 sind bevorzugt eine oder mehrere Leitungen bis zur Austrittsdüse 5 geführt. Erfindungsgemäß ist eine
Reaktionsmittelleitung 25 bis zur Austrittsdüse 5 geführt. Die Reaktionsmittelleitung ist dazu eingerichtet, ein Reaktionsmittel 2 zur Austrittsdüse 5 zu befördern, um im
Einspritzbereich 6 und im Brennraum 4 eine Entstickung zu bewirken. Bevorzugt ist ferner eine Zerstäubermediumsleitung 27 vorgesehen. Dieses Zerstäubermedium kann beispielsweise Druckluft, Erdgas oder Dampf sein. Auch die Zerstäubermediumsleitung 27 erstreckt sich bevorzugt durch die Lanze 8 zur Austrittsdüse 5. Bevorzugt ist eine Kühlleitung 32 vorgesehen. Diese Kühlleitung 32 kann beispielsweise zur Zuführung von Druckluft oder einem anderen Kühlmedium dienen. Auch diese Kühlleitung 32 erstreckt sich bevorzugt zumindest im Brennraumabschnitt 17 der Einspritzvorrichtung 1 bzw. der Lanze 8. Die Kühlleitung 32 ist insbesondere dazu eingerichtet und/oder geeignet, eine Kühlung der Lanze 8 zu bewirken, um eine Beschädigung der Lanze 8 durch die hohen Brennraumtemperaturen zu verhindern. Gegebenenfalls erstreckt sich die Kühlleitung 32 bis zur Austrittsdüse 5, sodass das Kühlmedium gegebenenfalls durch die Austrittsdüse 5 austritt. Gegebenenfalls ist die Kühlleitung jedoch auch gekapselt oder mit einer Rückführleitung ausgestattet, sodass das Kühlmedium nicht in den Brennraum gelangt. Bevorzugt ist die Kühlleitung an der Außenseite 24 der Lanze vorgesehen. Dadurch wird insbesondere die Außenseite 24 der Lanze gekühlt.
Bevorzugt sind die Reaktionsmittelleitung 25 und/oder die Zerstäubermediumsleitung 27 innerhalb der Kühlleitung 32 geführt bzw. von der Kühlleitung 32 zumindest teilweise umgeben. Dadurch wird eine Überhitzung der Zerstäubermediumsleitung 27 und der Reaktionsmittelleitung 25 verhindert. Gegebenenfalls ist die Reaktionsmittelleitung 25 innerhalb der Zerstäubermediumsleitung 27 vorgesehen oder von dieser umgeben. Bevorzugt sind die Reaktionsmittelleitung 25, die Zerstäubermediumsleitung 27 und die Kühlleitung 32 als konzentrisch ineinander angeordnete Rohrleitungen ausgebildet.
Bevorzugt sind die Reaktionsmittelleitung 25, die Zerstäubermediumsleitung 27 und/oder die Kühlleitung 32 zumindest teilweise starr mit der Lanze 8 verbunden, sodass diese Leitungen bei Bewegung der Lanze 8 mitbewegt werden. Auch die Austrittsdüse ist in dieser Ausführungsform bevorzugt starr mit der Lanze verbunden. Dadurch kann durch Bewegung der Lanze der Einspritzbereich 6 verlagert werden.
Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs der Lanze 8 und insbesondere der Austrittsdüse 5. Darin sind die konzentrisch angeordneten Leitungen Reaktionsmittelleitung 25, Zerstäubermediumsleitung 27 sowie die Kühlleitung 32 dargestellt. Die Leitungen sind bevorzugt im Bereich der Austrittsdüse 5 geöffnet.
Dadurch kommt es zu einer Vermischung der in diesen Leitungen vorgesehenen Mitteln und zu der gewünschten Einspritzung des Reaktionsmittels 2 in den Einspritzbereich 6.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Detail einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der
Einspritzvorrichtung 1 . Insbesondere ist in Fig. 7 ein Detail zur Abdichtung und gegebenenfalls zur Führung des Außenabschnitts 18 gegenüber dem
Brennraumabschnitt 17 der Einspritzvorrichtung 1 dargestellt. Die Lanze 8 ist
insbesondere entlang der Ausfahrrichtung 16 ein- und ausfahrbar angeordnet. Darüber hinaus ist die Lanze 8 bevorzugt um die Längsachse der Lanze 15 drehbar angeordnet. Die Lanze ragt zur erfindungsgemäßen Erstickung durch die Wand des Brennraums 4 in den Brennraum. Um einen Austritt des heißen Brennraumgases zu verhindern und gegebenenfalls, um Elemente der Einspritzvorrichtung, die nicht temperaturbeständig sind, vor einem Schaden zu bewahren, ist eine Dichtungsanordnung 19 vorgesehen. Die Lanze ist durch eine oder mehrere Lanzenöffnungen 20 geführt. Die
Lanzenöffnungen 20 können dabei eine mechanische Führung der Lanze bewirken. Gegebenenfalls sind die Lanzenöffnungen jedoch lediglich zur Durchführung der Lanze in den Brennraum 4 eingerichtet. Gegebenenfalls umfasst die Dichtungsanordnung einen Abscherkörper 23. Dieser Abscherkörper dient bevorzugt der Abscherung von an der Lanze anhaftenden Verschmutzungen wie beispielsweise Anpackungen durch das Brennraumgas. Dazu kann ein oder können mehrere Abscherkörper rund um die Lanze angeordnet sein. Bei einer Relativbewegung zwischen Lanze 8 und Abscherkörper 23 kommt es dabei zu einem Abscheren der Außenseite der Lanze 8, um
Verschmutzungen von der Lanzenaußenseite zu entfernen. Der Abscherkörper kann beispielsweise als starrer einstückiger oder mehrteiliger Abscherring ausgeführt sein. Dieser Ring erstreckt sich beispielsweise rund um die Längsachse der Lanze herum. Gegebenenfalls ist der Abscherkörper 23 an die Lanze angelegt. Gegebenenfalls ist zwischen der Lanze und dem Abscherkörper ein geringer Spalt freigehalten. Gegebenenfalls ist der Spalt so schmal, dass die Lanze im Wesentlichen ungehindert durch den Abscherkörper hindurchgeführt werden kann, jedoch dennoch eine
Abdichtung und Abscherung erfolgt.
Gegebenenfalls ist der Abscherkörper bürstenförmig ausgeführt. Gegebenenfalls sind mehrere bürstenförmige Abscherkörper vorgesehen. Gegebenenfalls ist der
Abscherkörper walzenförmig ausgebildet. Insbesondere kann der Walzenkörper derart ausgebildet sein, sodass die Lanze gemäß ihrer kinematischen Vorgaben bewegt werden kann und dennoch ein Abscheren der Verschmutzungen von der
Lanzenaußenseite ermöglicht ist.
Gegebenenfalls umfasst die Einspritzvorrichtung und insbesondere die
Dichtungsanordnung 19 eine Sperrluftkammer 21 . Bei der Sperrluftkammer handelt es sich um eine Kammer, durch die ein Luftstrom hindurch geleitet werden kann oder ist. Insbesondere herrscht in der Kammer ein leichter Überdruck, sodass Brennraumgas nicht in die Kammer eindringen kann. Gegebenenfalls ist die Kammer mit der Sperrluft durchströmt, sodass die Sperrluftkammer gekühlt ist oder wird. Gegebenenfalls ist ein Teil der Lanze 8 durch die Sperrluftkammer hindurchgeführt und/oder von der
Sperrluftkammer zumindest teilweise umgeben, sodass bei Einblasung der Sperrluft eine Kühlung der Lanze in diesem Bereich erfolgt. Die Sperrluftkammer ist
insbesondere zwischen oder im Übergang zwischen dem Brennraumabschnitt 17 und dem Außenabschnitt 18 der Einspritzvorrichtung angeordnet. Bevorzugt weist die Dichtungsanordnung 19 eine Leitung 22 zur Zuführung der Sperrluft in die
Sperrluftkammer 21 auf.
Gegebenenfalls ist eine weitere Dichtung vorgesehen, die außen an der Lanze 8 anliegt. Diese Dichtung 43 kann beispielsweise im Bereich oder neben dem
Abscherkörper 23 vorgesehen sein. Gegebenenfalls oder zusätzlich kann eine Dichtung 43 beabstandet von dem Abscherkörper, insbesondere auf der anderen Seite der Sperrluftkammer 21 vorgesehen sein. Gegebenenfalls sind entlang der Lanze 8 der Außenabschnitt 18, dann eine Dichtung 43, dann die Sperrluftkammer 21 , dann gegebenenfalls eine weitere Dichtung 43, dann der Abscherkörper 23 und dann der Brennraumabschnitt 17 vorgesehen. Die Sperrluftkammer, der Abscherkörper und die Dichtung 43 und insbesondere die gesamte Dichtungsanordnung sind bevorzugt im Bereich der Wand oder außerhalb der Wand des Brennraums 4 angeordnet.
Fig. 8 zeigt eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung. Diese umfasst eine Austrittsdüse 5, die an der Spitze 9 einer Lanze 8 vorgesehen ist. Die Lanze ist über einen Antrieb 1 1 bzw. über die Bewegungsvorrichtung 7 bewegbar gegenüber einem Grundkörper 10 angeordnet. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung 1 eine Reaktionsmittelleitung 25, gegebenenfalls eine Zerstäubermediumsleitung 27 und gegebenenfalls eine Kühlleitung 32. Diese Leitungen erstrecken sich ein- oder mehrteilig bis zu der Austrittsdüse 5 oder zumindest bis in die Lanze 8. Um die
Bewegbarkeit der Lanze bei gleichzeitiger Zuführung eines der vorgenannten Medien zu ermöglichen, können die Zuführungsleitungen zumindest teilweise flexibel ausgeführt sein. Gegebenenfalls sind die Zuführungsleitungen 25, 27 und/oder 32 schleifenförmig gelegt, sodass diese bei einem Ausfahren der Lanze 8 nachgezogen werden können.
Gegebenenfalls umfasst die Einspritzvorrichtung auch in der Ausführungsform der Fig. 8 eine Dichtungsanordnung 19 und insbesondere eine Sperrluftkammer 21 .
Wie dem Detailausschnitt der Fig. 8 zu entnehmen ist, umfasst die Lanze in der vorliegenden Ausführungsform mehrere Austrittsdüsen 5. Durch die Ausgestaltung der Austrittsdüsen kann der Einspritzbereich 6 bzw. die Form des Einspritzbereichs 6 verändert und bestimmt werden.
In allen Ausführungsformen kann das Reduktionsmittel beispielsweise Harnstoff oder Ammoniak sein oder enthalten. In allen Ausführungsformen kann das
Zerstäubermedium gegebenenfalls Druckluft, Dampf und/oder andere Gase enthalten.
In allen Ausführungsformen kann der Antrieb zum Aus- oder Einfahren der Lanze einen Riementrieb, einen Kettentrieb, einen Zahnradtrieb, einen Gewindetrieb, einen Seilzug oder ähnliche Elemente enthalten. Gegebenenfalls ist der Antrieb pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch ausgeführt.
Bevorzugt sind die Einspritzvorrichtungen der Figuren 1 und 2 als
Einspritzvorrichtungen gemäß der Fig. 4 bis 8 ausgebildet. Diese Einspritzvorrichtungen können alternative Details aufweisen. So können beispielsweise die Austrittsdüsen in unterschiedlicher Anzahl und Form an der Einspritzvorrichtung vorgesehen sein.
Beispielsweise können mehrere Austrittsdüsen oder eine vorgesehen sein.
Beispielsweise kann eine Einspritzrichtung einer Austrittsdüse entlang der
Längserstreckungsrichtung der Lanze angeordnet sein. Gegebenenfalls kann die Einspritzrichtung einer Austrittsdüse von der Richtung der Längsachse der Lanze abweichen. Gegebenenfalls stehen mehrere Austrittsdüsen in unterschiedlichen Winkeln zur Lanze von dieser ab. Gegebenenfalls ist die Austrittsdüse an einem abgewinkelten Abschnitt der Lanze angeordnet. Gegebenenfalls ist die
Dichtungsanordnung mit einer Sperrluftkammer vorgesehen. Gegebenenfalls ist die Führung der Lanze durch die Dichtungsanordnung bewirkt. Gegebenenfalls ist eine getrennte Führung vorgesehen, die beispielsweise im Bereich des Antriebs oder durch den Antrieb ausgebildet ist.
Typische zum Abgleich oder zur Kalibrierung des Echtzeitsimulationsmodells und/oder der Regelungsanordnung können unterschiedliche Daten als Eingangsdaten für das Echtzeitsimulationsmodell und/oder die Regelungsanordnung dienen. Diese Daten werden beispielsweise laufend oder in einem gewissen Aktualisierungsintervall an die genannten Systemkomponenten übermittelt. Derartige Daten können beispielsweise Wärmedaten wie Wärmefluss, Flammtemperatur oder Brennraumgastemperatur unterschiedlicher Bereiche sein. Diese Daten können jedoch auch
Abgaszusammensetzungen, Brennraumgaszusammensetzungen,
Flammenspektralbereiche, eine Strahldichtemessung oder andere Parameter sein. Beispielsweise können auch Brennstoffparameter wie Brennstoffmassenstrom und Brennwert als Daten den relevanten Systemkomponenten zugeführt werden. Das Aktualisierungsintervall des Echtzeitsimulationsmodells kann gegebenenfalls mit dem Aktualisierungsintervall der zugeführten Daten übereinstimmen. Bezugszeichenliste
1 . Einspritzvorrichtung
2. Reaktionsmittel
3. Reaktionszone
4. Brennraum
5. Austrittsdüse
6. Einspritzbereich
7. Bewegungsvorrichtung
8. Lanze
9. Spitze der Lanze
10. Grundkörper der Einspritzvorrichtung
1 1 . Antrieb der Lanze
12. maximale Ausfahrlänge
13. Einspritzwinkel
14. abgewinkelter Abschnitt der Lanze
15. Längsachse der Lanze
16. Ausfahrrichtung der Lanze
17. Brennraumabschnitt der Einspritzvorrichtung
18. Außenabschnitt der Einspritzvorrichtung
19. Dichtungsanordnung
20. Lanzenöffnung
21 . Sperrluftkammer
22. Leitung zur Zuführung von Sperrluft
23. Abscherkörper
24. Außenseite der Lanze
25. Reaktionsmittelleitung
26. Reaktionsmitteltank
27. Zerstäubermediumsleitung
28. Zerstäubermediumstank
29. Fördervorrichtung zur Förderung des Reaktionsmittels / Zerstäubermediums
30. Zerstäubermedium
31 . Kühlmedium
32. Kühlleitung
33. Sensor
34. Regelungsanordnung
35. Brenneranordnung
36. Flammkamera / Pyrometer
37. Wärmeflusssensor
38. Computer/Datenverarbeitungsgerät
39. Wärmetauscher
40. Regelventil
41 . Mischvorrichtung
42. Volumenelement
43. Dichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Einspritzvorrichtung (1 ) zur gezielten Einspritzung eines Reaktionsmittels (2) in die Reaktionszone (3) eines Brennraums (4) zur Rauchgasentstickung durch selektive nicht-katalytische Reduktion, dadurch gekennzeichnet, dass
die Einspritzvorrichtung (1 ) eine Austrittsdüse (5) oder mehrere Austrittsdüsen (5) zur Einspritzung des Reaktionsmittels (2) in einen Einspritzbereich (6) und eine Bewegungsvorrichtung (7) zur geregelten Bewegung der Austrittsdüse(n) (5) umfasst, sodass der Einspritzbereich (6) in der Reaktionszone (3) des
Brennraums (4) liegt oder auf die Reaktionszone (3) gerichtet ist.
2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Austrittsdüse(n) (5) an einer über die Bewegungsvorrichtung (7) bewegbaren Lanze (8) und insbesondere an der Spitze (9) der Lanze (8) vorgesehen ist oder sind.
3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (7) einen Grundkörper (10) zur ortsfesten Verbindung mit dem Brennraum (4) umfasst, und dass ein geregelter Antrieb (1 1 ) oder mehrere geregelte Antriebe (1 1 ) vorgesehen sind, über die die Lanze (8) und/oder die Austrittsdüse(n) (5) gegenüber dem Grundkörper (10) linear und/oder rotatorisch bewegbar sind, sodass die Austrittsdüse(n) (5) in eine Stellung bringbar sind, in der eine gezielte Einspritzung des Reaktionsmittels (2) in die Reaktionszone (3) erfolgt.
4. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (8) einfahrbar und ausfahrbar mit dem Grundkörper (10) gekoppelt ist, wobei die maximale Ausfahrlänge (12) der Lanze (8) bevorzugt zumindest 0,2m bis 6m oder mehr beträgt,
oder dass die Lanze einfahrbar oder eingefahren ist, sodass die Spitze der Lanze bzw. die Austrittsdüse in der Brennraumwand versenkt ist oder plan mit der Brennraumwand abschließt. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsdüse(n) (5) an einem von der Lanze (8) um einen
Einspritzwinkel (13) abgewinkelten Abschnitt (14) angeordnet sind oder dass die Einspritzrichtung der Einspritzdüsen um einen Einspritzwinkel (13) von der Längsachse (15) der Lanze (8) abweicht, wobei der Einspritzwinkel etwa 15° bis 90° von der Längsachse (15) der Lanze (8) und/oder von der Ausfahrrichtung (16) abgewinkelt ist und insbesondere 15°, 30°, 45°, 60° oder 90° beträgt, sodass durch Drehung der Lanze (8) um ihre Längsachse (15) die Position und die Richtung des Einspritzbereiches (6) veränderbar ist.
Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1 ) einen Brennraumabschnitt (17) umfasst, in dem das heiße Brennraumgas in Kontakt mit Teilen der Einspritzvorrichtung (1 ) steht und in den insbesondere zumindest ein Teil der Lanze (8) ragt,
dass die Einspritzvorrichtung (1 ) einen Außenabschnitt (18) umfasst in dem insbesondere ein Antrieb (1 1 ) für die Lanze (8) und ein Teil der Lanze (8) selbst vorgesehen sind,
und dass eine Dichtungsanordnung (19) vorgesehen ist, durch die der
Außenabschnitt (18) vor einem Eindringen des Brennraumgases abgedichtet ist.
Einspritzvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Dichtungsanordnung (19) eine oder mehrere Lanzenöffnungen (20) zur
Durchführung der Lanze (8) aufweist, oder dass die Dichtungsanordnung (19) eine oder mehrere Lanzenöffnungen (20) aufweist, durch die die Lanze (8) hindurchgeführt ist, und dass zumindest eine Lanzenöffnung (20) durch die Dichtungsanordnung (19) abgedichtet ist.
Einspritzvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (19) eine Sperrluftkammer (21 ) umfasst, durch die die Lanze (8) hindurchgeführt ist und in die eine Leitung (22) zur Zuführung von Sperrluft mündet, wobei die Lanze (8) bevorzugt durch zwei Lanzenöffnungen (20) geführt ist, sodass die Lanze (8) im Bereich der Dichtungsanordnung (19) und insbesondere in der Sperrluftkammer (21 ) von Sperrluft umspült ist und/oder dass in der Sperrluftkammer (21 ) ein Überdruck gegenüber dem Brennraum (4) herrscht, sodass ein Eindringen des Brennraumgases in die Sperrluftkammer (21 ) durch eine Lanzenöffnung (20) verhindert oder verringert ist.
9. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (19) einen Abscherkörper (23) umfasst, der spielbehaftet oder anliegend an der Lanze (8) anliegt, oder der sich ringförmig um die Lanze (8) herum erstreckt, wobei der Abscherkörper (23) in Richtung der Längsachse (15) der Lanze (8) im Wesentlichen starr mit dem Grundkörper (10) verbunden ist, sodass bei einer Bewegung der Lanze (8) entlang der
Längsachse (15) eine Relativbewegung zwischen der Lanze (8) und dem
Abscherkörper (23) erfolgt und an der Außenseite (24) der Lanze (8) anhaftende Verschmutzungen, wie beispielsweise an der Lanze (8) kondensierte
Brennrückstandsansammlungen, abgeschert werden.
10. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1 ) eine Reaktionsmittelleitung (25) umfasst, die sich insbesondere von einem Reaktionsmitteltank (26) durch die Lanze (8) bis zu der Austrittsdüse (5) erstreckt,
dass die Einspritzvorrichtung gegebenenfalls eine Zerstäubermediumsleitung (27) umfasst, die sich insbesondere von einem Zerstäubermediumstank (28) durch die Lanze (8) bis zu der Austrittsdüse (5) erstreckt,
und dass die Einspritzvorrichtung (1 ) eine geregelte und/oder gesteuerte
Fördervorrichtung (29) zur Förderung des Reaktionsmittels (2) und/oder des Zerstäubermediums (30) und zur Einspritzung des Reaktionsmittels (2) und/oder des Zerstäubermediums (30) in die Reaktionszone (3) des Brennraums (4) umfasst, wobei das Zerstäubermedium beispielsweise Pressluft, Dampf oder Erdgas ist.
1 1 . Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (1 ) eine mit einem Kühlmedium (31 ) wie beispielsweise Luft oder Gas durchströmte Kühlleitung (32) umfasst, die insbesondere kammer- oder rohrförmig im Bereich der Außenseite (24) der Lanze (8) vorgesehen ist, um die Außenseite (24) der Lanze (8) zu kühlen.
12. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmittelleitung (25) und gegebenenfalls die Zerstäubermediumsleitung (27) in der Lanze (8) innerhalb der Kühlleitung (32) angeordnet ist, sodass die Reaktionsmittelleitung (25) und gegebenenfalls die Zerstäubermediumsleitung (27) in der Lanze (8) von der Kühlleitung (32) umgeben und gekühlt ist oder sind.
13. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass in der Lanze (8) die Reaktionsmittelleitung (25) innerhalb der Zerstäubermediumsleitung (27) angeordnet ist und die
Zerstäubermediumsleitung (27) in der Kühlleitung (32) angeordnet ist, und dass die Reaktionsmittelleitung (25) und die Zerstäubermediumsleitung (27) in die Austrittsdüse (5) münden, sodass das Reaktionsmittel (2) zerstäubt durch die Austrittsdüse (5) in die Reaktionszone (3) abgegeben wird.
14. System zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum (4) durch selektive nicht- katalytische Reduktion umfassend:
- ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell, das in einem zeitlichen
Aktualisierungsintervall eine aktuelle dreidimensionale Temperaturverteilung im Brennraum (4) und die dreidimensionale Lage und den dreidimensionalen Verlauf einer Reaktionszone (3) berechnet und bestimmt,
- Sensoren (33) zur Aufnahme und gegebenenfalls zur Echtzeit-Aufnahme von Wärmedaten im Brennraum (4), wobei diese Sensordaten als Eingangsgrößen dem dynamischen Echtzeit-Simulationsmodell zugeführt werden oder sind,
- eine oder mehrere Einspritzvorrichtungen (1 ) die jeweils über einen oder mehrere Antriebe (1 1 ) bewegbar sind, wobei über die Einspritzvorrichtungen (1 ) ein Reaktionsmittel (2) gezielt in die Reaktionszone (3) einspritzt und verteilt wird oder ist,
- und eine Regelungsanordnung (34), die die Position und die Menge der Einspritzung des Reaktionsmittels (2) regelt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung(en) (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist oder sind.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (4) ein Brennraum (4) einer Feuerungsanlage, ein Brennraum einer
Großfeuerungsanlage, ein Brennraum einer Müllverbrennungsanlage, ein Brennraum einer Feuerungsanlage zur Zementherstellung oder ein Brennraum eines Kessels zur Dampferzeugung ist, wobei die maximale
Brennraumtemperatur insbesondere über 800°C oder über 1000°C beträgt
16. System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennraumtemperatur und die Temperatur des im Brennraum (4) befindlichen Brennraumgases ausgehend von einer Brenneranordnung (35) im Verlauf des Brennraumes (4) und im Verlauf der Strömung des Brennraumgases abnimmt, und dass die Reaktionszone (3) ein Temperaturbereich im Brennraum (4) oder des Brennraumgases ist, bei der die Reaktion des Reaktionsmittels (2) zur Entstickung optimiert ist, und/oder dass die Reaktionszone (3) jener Bereich des Brennraums (4) ist, in dem das Brennraumgas Temperaturen zwischen 800°C und 1 100°C, bevorzugt Temperaturen zwischen 950 °C und 1050°C aufweist.
17. System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone (3) eine Zone des Brennraums (4) ist, wobei sich die Lage und die Form der Reaktionszone (3) über die Zeit verändert,
und dass die Lage und die Form der Reaktionszone durch das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell in einem Aktualisierungsintervall unter Einbeziehung von Sensordaten berechnet und bestimmt wird, wobei das
Aktualisierungsintervall bevorzugt zwischen 1 und 60 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 Sekunden beträgt.
18. System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmittel (2) Ammoniak oder Harnstoff enthält und insbesondere
Ammoniakwasser oder Harnstofflösung ist.
19. System nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (33) mehrere entlang des Brennraums (4) und entlang der Strömung des Brennraumgases beabstandet voneinander angeordnete Echtzeit- Wärmeflusssensoren (37) umfassen.
20. System nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (33) eine oder mehrere Flammkameras oder Pyrometer (36) zur optischen Thermographie umfassen, wobei eine Flammkamera oder ein
Pyrometer (36) bevorzugt im Bereich der Brenneranordnung (35) zur
Bestimmung der Flammtemperaturen vorgesehen ist.
21 . System nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell auf einem Computer (38) oder auf einem Datenverarbeitungsgerät (38) ausgeführt wird oder ist.
22. System nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass durch das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell die Geschwindigkeit des Brennraumgases an unterschiedlichen Stellen, bevorzugt an allen Stellen des Brennraums (4) berechnet und bestimmt wird.
23. System nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessdaten wie Rauchgastemperatur, Brennstoffregelung,
Rauchgasgeschwindigkeit, Rauchgasverweilzeit, Sekundärluftsteuerung,
Tertiärluftsteuerung, Sauerstoffgehalt im Abgas, Stickstoffoxidkonzentration im Abgas, Kohlenmonoxidgehalt im Abgas, Ammoniakschlupf,
Staubkonzentrationen, Stickstoffoxidabscheiderate und/oder die zugeführte Brennstoffmenge dem Echtzeit-Simulationsmodell und/oder der
Regelungsanordnung zugeführt werden,
wobei diese Prozessdaten insbesondere zur Berechnung einer Echtzeit-roh-NOx- Vorhersage, zur Kalibrierung der Sensoren und/oder zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells dienen.
24. Verfahren zur Rauchgasentstickung in einem Brennraum durch selektive nicht- katalytische Reduktion umfassend folgende Schritte:
- Bestimmung und Berechnung einer aktuellen dreidimensionalen
Temperaturverteilung im Brennraum und der dreidimensionale Lage und des dreidimensionalen Verlaufs einer Reaktionszone durch ein dynamisches Echtzeit-Simulationsmodell in einem zeitlichen Aktualisierungsintervall;
- Aufnahme und insbesondere Echtzeit-Aufnahme von Wärmedaten des
Brennraums durch Sensoren;
- Zuführen der Sensordaten als Eingangsgrößen für das dynamische Echtzeit- Simulationsmodell;
- Antreiben und Bewegen der Einspritzvorrichtungen, wobei das Antreiben und Bewegen der Einspritzvorrichtungen von einer Regelungsanordnung geregelt wird, und wobei die Einspritzvorrichtungen nach einem der
vorangegangenen Ansprüche ausgebildet sind,
- gezieltes Einspritzen eines Reaktionsmittels in die Reaktionszone, wobei das Einspritzen und insbesondere die Einspritzmenge von einer
Regelungsanordnung geregelt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennraumtemperatur und die Temperatur des im Brennraum befindlichen Brennraumgases ausgehend von einer Brenneranordnung im Verlauf des Brennraumes und im Verlauf der Strömung des Brennraumgases abnimmt, dass die Reaktionszone einen Temperaturbereich im Brennraum oder des Brennraumgases ist, bei der die Reaktion des Reaktionsmittels zur Entstickung optimiert ist, oder dass die Reaktionszone jener Bereich des Brennraums ist, in dem das Brennraumgas Temperaturen zwischen 800°C und 1 100°C, bevorzugt Temperaturen zwischen 950 °C und 1050°C aufweist, und dass das
Reaktionsmittel in diese Reaktionszone eingespritzt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone eine Zone des Brennraums ist, wobei sich die Lage und die Form der Reaktionszone über die Zeit und/oder bei Veränderung der Last verändert,
und dass die Lage und die Form der Reaktionszone durch das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell in einem Aktualisierungsintervall unter Einbeziehung von Sensordaten berechnet und bestimmt wird, wobei das
Aktualisierungsintervall bevorzugt zwischen 1 und 60 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 Sekunden, beträgt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmittel Ammoniak oder Harnstoff und gegebenenfalls Additive enthält und insbesondere Ammoniakwasser oder Harnstofflösung ist.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass Sensordaten von mehreren entlang des Brennraums und entlang der Strömung des Brennraumgases beabstandet voneinander vorgesehene Echtzeit- Wärmeflusssensoren aufgenommen werden,
und dass Sensordaten gegebenenfalls von einer oder mehreren Flammkameras oder Pyrometer zur optischen Thermographie aufgenommen werden, wobei eine gegebenenfalls vorgesehene Flammkamera bevorzugt im Bereich der
Brenneranordnung zur Bestimmung der Flammtemperatur vorgesehen ist.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell auf einem Computer oder auf einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Echtzeit-Simulationsmodell die Geschwindigkeit des
Brennraumgases an unterschiedlichen Stellen, bevorzugt an allen Stellen des Brennraums berechnet und bestimmt.
31 . Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessdaten wie Rauchgastemperatur, Brennstoffregelung,
Rauchgasgeschwindigkeit, Rauchgasverweilzeit, Sekundärluftsteuerung,
Tertiärluftsteuerung, Sauerstoffgehalt im Abgas, Stickstoffoxidkonzentration im Abgas, Kohlenmonoxidgehalt im Abgas, Ammoniakschlupf,
Staubkonzentrationen, Stickstoffoxidabscheiderate und/oder die zugeführte Brennstoffmenge dem Echtzeit-Simulationsmodell und/oder der
Regelungsanordnung zugeführt werden,
wobei diese Prozessdaten insbesondere zur Berechnung einer Echtzeit-roh-NOx- Vorhersage, zur Kalibrierung der Sensoren und/oder zur Kalibrierung des Echtzeit-Simulationsmodells dienen.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das von einer Einspritzvorrichtung erreichbare Rauchgasvolumen in der Reaktionszone errechnet wird, dass die Regelungsanordnung die
Einspritzvorrichtung über einen oder mehrere Antriebe ausrichtet,
dass die optimale Menge oder der Volumenstrom des einzuspritzenden Reaktionsmittels errechnet wird,
und dass die Regelungsanordnung eine Förderung der optimalen Menge oder des optimalen Volumenstroms bewirkt,
sodass das Reaktionsmittel in optimaler Menge in das errechnete
Rauchgasvolumen eingespritzt wird.
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