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Dokumentenidentifikation DE102005008893B4 19.04.2007
Titel Verfahren zur Erhöhung des Gebindedurchsatzes in Drehrohranlagen
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Nolte, Michael, 38642 Goslar, DE;
Oser, Bernhard, 76137 Karlsruhe, DE;
Eberhard, Mark, 76149 Karlsruhe, DE;
Kolb, Thomas, Prof. Dr., 67480 Edenkoben, DE;
Seifert, Helmut, Prof. Dr., 67069 Ludwigshafen, DE;
Kerpe, Rolf, 76356 Weingarten, DE;
Gramling, Hubert, 76676 Graben-Neudorf, DE
DE-Anmeldedatum 26.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005008893
Offenlegungstag 31.08.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse F23G 5/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F27B 7/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F23G 5/50(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Gebindedurchsatzes in Drehrohranlagen.

Drehrohranlagen sind Verbrennungsanlagen mit einer Brennkammer, die als vorzugsweise horizontales, um seine Symmetrieachse drehendes Rohr (motorisch angetriebenes Drehrohr) gestaltet ist. Am einen Ende mündet das Drehrohr in die Nachbrennkammer und in den Abgasstrang, während am anderen Ende die Brennstoffzufuhr über Brenner, Lanzen und Feststoffschurre erfolgt. Über die Feststoffschurre werden Gebinde mit (flüssigem, hochkalorischem) Abfall diskontinuierlich aufgegeben und im Drehrohr verbrannt. Drehrohranlagen dienen insbesondere der Verbrennung von heterogenen Brennstoffen wie industrielle Abfälle und besonders überwachungsbedürftige Abfälle.

Der Gasphasenausbrand einer Verbrennungsanlage wird im Wesentlichen durch Bedingungen wie Verweilzeit, Temperatur und Vermischung sowie Stöchiometrie bestimmt. Ohne Optimierung des Verbrennungsprozesses durch diese Größen können sich bereits im Feuerraum sowohl Strähnen mit Luftüberschuss als auch solche mit lokalem Luftmangel bilden, d.h. der Sauerstoffgehalt variiert örtlich und zeitlich stark. Die Mischung (Turbulenz) beeinflusst dabei vor allem die Bildung lokaler Strähnen, die instationäre Verbrennung bei Gebinden aufgrund der Stöchiometrie (O2-Angebot) die Bildung zeitlicher Strähnen. Beide Bildungswege von Strähnen führen zu einer ungleichmäßigen und unvollständigen Verbrennung im Feuerraum sowie zur Emission von Schadstoffen wie Kohlenwasserstoffe, Ruß oder Kohlenmonoxid (CO). Vor allem der Gehalt an Kohlenmonoxid dient dabei als Indikator für die Ausbrandqualität.

Die Bildung zeitlicher Strähnen im Feuerraum ist vor allem ein Problem bei der Gebindeverbrennung in Drehrohren, da die Gebinde der Verbrennung nur diskontinuierlich zugeführt werden können. Gelangt ein Gebinde über die Aufgabevorrichtung an der Drehrohrstirnwand (Brennstoffzufuhr) in das Drehrohr, so zerreißt das Gebinde je nach Inhalt (Heizwert) und Temperaturführung mehr oder weniger schlagartig. Durch die thermische Umsetzung des schlagartig freigesetzten hochkalorischen Gebindeinhalts wird die thermische Drehrohrbelastung kurzzeitig stark erhöht und die verfügbare Sauerstoffmenge kurzzeitig lokal stark herabgesetzt.

Doch auch andere zur Beschreibung des gasseitigen Ausbrandes relevante Rauchgasspezieskonzentrationen wie von Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2) oder Kohlenmonoxid (CO) werden bei der Gebindeverbrennung kurzzeitig stark verändert. So können aufgrund des verbrennungsbedingten Sauerstoffverzehrs zum Teil auch erhebliche Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß und vor allem CO (als Konzentrationsspitzen) im Drehrohr entstehen, die auch durch die Brenner in der Nachbrennkammer nicht mehr vollständig abgebaut werden. Anschließend durchlaufen die Schadstoffe die Anlage einschließlich Rauchgasreinigung nahezu ungehindert und werden über den Kamin an die Atmosphäre abgegeben.

Da sämtliche Abfallverbrennungsanlagen strengen Emissionsgrenzwerten unterliegen, ist die CO-Konzentration am Rauchgasabzug bezogen auf den Halbstunden- bzw. Tagesmittelwert zugleich der limitierende Faktor für den Durchsatz von Gebinden im Drehrohr (Halbstundenmittelwert: 100 mg/Nm3 CO, Tagesmittelwert: 50 mg/Nm3 gemäß 17. BImSchV).

Es ist bekannt, dass zur Reduzierung der CO-Bildung bei der Gebindeverbrennung stark überstöchiometrische Luftmengen dem Drehrohr zugeführt werden, um Brennstofffreisetzungspeaks in Form von Ruß, organisch C und CO abfangen zu können (Beeinflussung der Stöchiometrie durch Erhöhung der zugeführten Verbrennungsluftmenge). Da der Rauchgasvolumenstrom in der Regel kapazitätsbegrenzend ist, wird der Abfalldurchsatz durch diese Fahrweise erheblich reduziert. Der mit einer stark überstöchiometrischen Luftzufuhr im Drehrohr verbundene kühlende Luftüberschuss führt außerdem zu geringeren Verbrennungstemperaturen und damit zu einer Verschlechterung der Reaktionsbedingungen im Feuerraum.

Bekannt ist auch, die Stöchiometrie bei der Verbrennung von Gebinden durch Zugabe von sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft oder durch Zusatz von Sauerstoff über separate Lanzen so zu beeinflussen, dass ein erhöhter Abfalldurchsatz in Form von Gebinden möglich ist: Bei der Substitution der Verbrennungsluft durch sauerstoffangereicherte Luft bzw. bei der Zugabe von zusätzlichem Sauerstoff in den Brennraum wird zunächst die Stöchiometrie (O2-Angebot) deutlich erhöht, Temperatur und Rauchgasvolumenstrom bleiben weitgehend konstant.

Erfolgt anschließend die Aufgabe von hochkalorischen Gebinden, so nimmt die Gesamtstöchiometrie (O2-Angebot) wieder ab, während der Rauchgasvolumenstrom nahezu konstant bleibt. Durch die Erhöhung des Sauerstoffanteils in der Verbrennungsluft erfolgt für die Gebindeverbrennung bei gleich bleibendem Rauchgasvolumenstrom jedoch auch eine deutliche Erhöhung der Verbrennungstemperatur im Drehrohr, da die Menge des mitgeführten Luftballastes (Luftstickstoff) reduziert wird und somit nicht auf die Verbrennungstemperatur/Rauchgastemperatur aufgeheizt werden muss. Eine erhöhte Verbrennungstemperatur führt wiederum zu einer stärkeren Belastung des Drehrohres (Aufschmelzen des Schlackepelzes). Ein weiterer wesentlicher Nachteil bei der Verwendung von mit Sauerstoff angereicherter Verbrennungsluft bzw. zusätzlicher Sauerstoffeindüsung in den Verbrennungsraum ist die Frage der Wirtschaftlichkeit (Zusatzkosten durch O2-Anreicherung) und der Sicherheit.

Eine separate Regelung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses einzelner Gas- oder Ölbrenner auf Grund eines Signals von optischen Sensoren ist ebenfalls bekannt.

DE 100 55 832 A1 beschreibt eine derartige Regelung des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches von Öl- und Gasbrennern auf der Basis eines Fotosensors, der optisch die Flammenstrahlung erfasst.

DE 197 46 786 C2 offenbart ferner einen optischen Flammenwächter mit zwei Halbleiterdetektoren für Öl- und Gasbrenner zur Flammenüberwachung und zur Regelung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses bzw. der Brennstoffzufuhr, wobei die spektrale Verteilung der Flammenstrahlung als Eingangssignal für die Regelung dient.

Auch die DE 196 50 972 C2 beinhaltet eine derartige Regelung, und zwar zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen mittels Strahlungsmessung durch sensorische Detektierung eines sowohl schmal- als auch breitbandigen Spektralbereiches einer Flamme. Ziel ist Einhaltung eines hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrads bei gleichzeitig minimaler Schadstoffemission.

In der DE 199 50 981 A1 wird ebenfalls eine on-line Regelung für einen Brenner in einem Drehrohrofen vorgeschlagen, bei er die Flamme spektroskopisch mittels einer auf diese gerichteten Glasfaser erfasst wird.

Ein Verfahren zum Steuern einer Rostverbrennung von Brennstoff speziell mit variablen Heizwert wird in der DE 199 19 222 C1 offenbart. Die Verbrennung wird hierbei über eine oder mehrere Kameras erfasst, rechnergestützt analysiert und zu Steuerungssignalen für Verbrennungsparameter umgesetzt. Auch in der DE 197 10 206 A1 findet sich eine rechnergestützte Verbrennungsanalyse sowie eine Flammenüberwachung in einem Verbrennungsraum. Auch in der WO 04/018940 A1 wird ein bildgestütztes Überwachungsverfahren von thermodynamischen Prozessen offenbart.

In der DE 39 15 992 A1 wird dagegen ein Verfahren zur Reduktion von Stickstoff auf einem Verbrennungsrost vorgeschlagen, wobei die Sauerstoffmenge durch die entlang der Verbrennungsstrecke zugeführte Verbrennungsluft örtlich variiert wird, dass an keiner Stelle der Strecke die Verbrennungstemperatur im Wesentlichen einen Maximalwert übersteigt, bei dem die Bildung von Stickoxiden einsetzt. Eine Verbrennungsüberwachung erfolgt über thermische Messelemente.

Andererseits ist aus der EP 0 579 987 A1 ein Drehrohrofen mit Primärlufteindüsung bekannt, wobei es im Drehrohr zu Verwirbelungen und dadurch zu einer Verbrennungsoptimierung kommt.

Der zitierte Stand der Technik umfasst jedoch nur Lösungen für Einzelprobleme hinsichtlich der Einstellung einzelner Öl- oder Gasbrenner und nicht den Gesamtprozess einer Feuerungsanlage (Drehrohr).

Um eine deutliche Verbesserung der Anlageneffizienz durch Optimierung der Drehrohr-/Nachbrennkammerfahrweise zu erreichen, ist eine schnelle (und simultane) Erfassung der den Verbrennungsvorgang im Drehrohr beschreibenden Größen (CO, Ruß, O2, CO2 oder H2O) notwendig. Herkömmliche Sensoren bzw. probennehmende Verfahren, bei denen Rauchgas aus dem Prozess abgesaugt wird, führen zu hohen Antwortzeiten (Ansprechzeiten).

Diese Messverfahren sind nicht dazu geeignet, die unvollständige Verbrennung (z.B. über die Änderungen der Konzentrationen einzelner Spezies wie Ruß, CO, O2, H2O oder CO2) im Drehrohr schnell zu erfassen. Eine Signalgebung für eine schnelle Regelung des Verbrennungsprozesses ist nur mit einer in-situ-Erfassung der verbrennungsrelevanten Spezies wie O2, CO2, H2O, CO oder Ruß (optische Messverfahren) im Feuerraum mit gleichzeitig kurzen Antwortzeiten (tAntwort « tReaktion) und hohen Selektivitäten möglich. Ist die Detektion dieser Komponenten zu langsam, besteht keine Möglichkeit, die Produkte der unvollständigen Verbrennung im Drehrohr durch entsprechende Maßnahmen vollständig abzubauen. Die Geschwindigkeit mit der die Konzentrationsspitzen durch die Anlage laufen und die damit verbundene erforderliche Reaktionszeit des Steuerungsprozesses hängen vom Anlagendurchsatz ab.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Erhöhung des Durchsatzes hochkalorischer Gebinde in Drehrohranlagen der eingangs genannten Art unter Einhaltung von Emissionsgrenzwerten vorzuschlagen, das die vorgenannten Einschränkungen nicht aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung beinhaltet ein Gesamtkonzept für eine Feuerungsanlage (Drehrohranlage), bei der in-situ Messtechniken (optische Messverfahren wie Photodiode, IR-Kamera, Laser, ...) zur schnellen Detektion (kurze Antwortzeiten) der unvollständigen Verbrennung im Drehrohr eingesetzt werden. Auf diese Weise werden vor allem diskontinuierlich auftretende Ruß- oder Kohlenmonoxidkonzentrationsspitzen bereits frühzeitig (im Drehrohr) erkannt. Die Messsignale werden aufgeschaltet auf die Brenner in Drehrohr und Nachbrennkammer, die anschließend die Verbrennungsbedingungen (Stöchiometrie und Mischimpuls) in Drehrohr und Nachbrennkammer den Anforderungen des vollständigen Ausbrands bei der Gebindeverbrennung angleichen. Die Regelung umfasst dabei sowohl eine Regelung der Brennstoffseite (Stöchiometrie) über die Brenner als auch eine Regelung der Luftseite (Mischimpuls, Stöchiometrie) über die Brenner sowie über Schurre oder Lanzen.

Im Gegensatz zu Techniken mit Sauerstoffanreicherung erfolgt zur Beeinflussung der Stöchiometrie allerdings primär keine Steuerung der Luft-/Sauerstoffseite sondern eine Steuerung der Brennstoffseite (kurzzeitige Rücknahme des Brennstoffdurchsatzes in den Brennern des Drehrohres und der Nachbrennkammer). Für eine Optimierung des Brennstoff-/Sauerstoffverhältnisses ist sekundär eine zusätzliche Steuerung der Luftzufuhr/Luftverteilung (kombinierte Luft-/Brennstoffzufuhr) denkbar, wenn die Rücknahme des Brennstoffdurchsatzes an den Brennern allein nicht ausreicht, um die im Drehrohr gebildete CO-Menge bei der Gebindeverbrennung hinreichend abzubauen (Emissionsgrenzwerte).

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, durch Optimierung der Brennstoff-/Luftmengen und Verteilung in Drehrohr und Nachbrennkammer eine deutliche Erhöhung des Gebindedurchsatzes bei Drehrohranlagen zu erreichen, ohne gleichzeitig Probleme hinsichtlich des Gasphasenausbrandes bzw. der Schadstoffemission (CO) zu erhalten. Dabei erfolgt keine Beeinflussung (Erhöhung) des Rauchgasvolumenstroms und keine Zusatzbelastung der Rauchgasreinigung.

Eine Steuerung der Brenner in der Nachbrennkammer einer Drehrohranlage zur Reduzierung der bei der Gebindeverbrennung entstehenden CO-Mengen ist an der halbtechnischen Versuchsanlage THERESA bereits erprobt worden. In ersten Betriebsversuchen konnte eine deutliche Reduzierung in der CO-Konzentration des Rauchgases erreicht und damit eine deutliche Erhöhung des Gebindedurchsatzes im Drehrohr erzielt werden. Weitere Optimierungsmaßnahmen sind geplant.

Ausführungsbeispiele des Verfahrens werden im Folgenden anhand von Figuren erläutert, wobei dargestellte Merkmale der Ansprüche beispielhaft für die Erfindung offenbart und nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt sind. Es zeigen

1 den prinzipiellen Aufbau einer Drehrohranlage mit den erfindungsrelevanten Komponenten am Beispiel der halbtechnischen Versuchsanlage THERESA,

2 die Darstellung der Ventilverschaltung in der Brennstoffversorgungsleitung am Beispiel eines Nachbrennkammerbrenners sowie

3a bis d die Ergebnisse eines Durchführungsbeispiels mit Reduzierung der CO-Spitzen bei der Gebindeverbrennung im Drehrohr ohne (a und b) und mit (c und d) Regelung der Verbrennungsbedingungen auf der Basis von in-situ Messungen des Verbrennungsvorgangs,

1 gibt den apparativen Aufbau einer Drehrohranlage beispielhaft an der Versuchsanlage THERESA (thermische Anlage zur Verbrennung spezieller Abfälle) des Forschungszentrums Karlsruhe wieder. Sie zeigt die gesamte Verbrennungsanlage einem Drehrohr 4 als Brennkammer 1 für die Verbrennung von festen und pastösen Einsatzstoffen einschließlich Gebinde, einer Nachbrennkammer 2 zur Gewährleistung eines Gasphasenausbrands und einem Abzug 3, der Rauchgase in den Abhitzekessel und die nachgeschaltete Rauchgasreinigung (Beides in 1 nicht weiter dargestellt). Das Drehrohr 4 ist motorisch angetrieben. Die Gebinde und andere feste Einsatzstoffe werden über eine wassergekühlte Schurre 5 (Brennstoffzufuhr) an der Drehrohrstirnwand 6 zusammen mit einem Teil der Verbrennungsluft in das Drehrohr 4 aufgegeben. Zur Verbrennung von brennbaren Flüssigkeiten und Gasen befindet sich an der Drehrohrstirnwand 6 ein Drehrohrbrenner, in dem der andere Teil der Verbrennungsluft (Verbrennungsgas) aufgegeben wird (vgl. Brennerflamme 7). Die festen und pastösen Einsatzstoffe einschließlich Gebinde werden in der Brennkammer (Drehrohr) verbrannt. Durch die Drehbewegung und eine Neigung des Drehrohrs wird die Verweilzeit der festen und pastösen Einsatzstoffe bestimmt. Die Verbrennungsrückstände 8 werden am Drehrohrende 9 über ein Förderband 10 (in 1 z.T. unter einer Flüssigkeit wie Wasser angeordnet) in eine Schlackemulde abgeworfen (in 1 nicht weiter dargestellt).

Die über die Schurre in die Brennkammer eingeschleusten Gebinde verbrennen im Drehrohr, wobei die entstehenden Verbrennungsgase – teilweise nur unzureichend ausgebrannt – das Drehrohr am Drehrohrende 9 in die Nachbrennkammer 2 verlassen. In der Nachbrennkammer erfolgt im Wirkungsbereich 11 der beiden Nachbrennkammerbrenner 12 der Gasphasenausbrand. Die Nachbrennkammerbrenner ermöglichen die Zuführung von brennbaren Flüssigkeiten und Gasen sowie Verbrennungsluft.

Im Rahmen der Erfindung wurde eine optische in situ Messung des Verbrennungsfortschritts im Drehrohr, d.h. im Brennraum vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel wurde als Sensoreinheit 13 ein optischer Sensor verwendet. Der Sensor wurde entgegen der standardmäßigen Installation einer optischen Überwachungseinheit nicht hinter dem Brenner eingebaut, sondern gegenüber dem Drehrohrbrenner. Diese Anordnung realisiert eine Überwachung des Brennraumes im Drehrohr und am unteren Teil der Nachbrennkammer. Idealerweise ist die Sensoreinheit 13 im unteren Bereich der Nachbrennkammer in axialer Verlängerung zum Drehrohr angeordnet (vgl. 1), wobei der Strahlengang 14 des Sensors den Brennraum 1 vollständig erfasst. Vorteilhafterweise befindet sich die Sensoreinheit außerhalb einer Verbrennung oder Nachverbrennung sowie außerhalb einer unmittelbaren Strömung der Verbrennungsgase, beispielsweise am Ende eines Staubereichs (Mulde oder Rohr). Dadurch wird eine Verschmutzungsgefahr, beispielsweise durch Rußablagerung wirksam reduziert.

Die Sensoreinheit 13 erfasst den Verbrennungsfortschritt und leitet die Information als Messsignal 15 an das Prozessleitsystem 16 weiter. In diesem erfolgt eine Zuordnung des Messsignals zu einem Schadstoffgehalt (Ruß, organisch -er/-es C oder CO) der Verbrennungsabgase und mit dieser Zuordnung eine Umsetzung der Informationen in Steuersignale 17 für die Nachbrennkamrnerbrenner 12, wobei grundsätzlich die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas und/oder von Brennstoff geregelt wird. In dieser Konfiguration bleibt der Regelstrecke in vorteilhafter Weise die Zeit für die Umsetzung der Maßnahme, die der Laufzeit der Verbrennungsgase von der Brennkammer 1 in den Wirkbereich 11 entspricht (je nach Ausführungsform im Bereich weniger Sekunden, vorzugsweise zwischen 1 und 5 Sekunden).

Eine Rußfreisetzung während einer Gebindeverbrennung bewirkt eine Trübung im Brennraum 1 und somit eine Herabsetzung der Lichtintensität am Sensor. Die Verstärkung (Gain), die Nulllage (Offset) und die Mittelungszeit (Integration) des Sensors wurden auf maximale Detektionsgeschwindigkeit eingestellt, um ein schnelles Ansprechen des Steuersignals zu gewährleisten. Denkbar sind auch andere optische Messgeräte (Emissions- und Absorptionsmesstechnik/ IR,VIS oder UV), welche ausreichende Signalgeschwindigkeit erreichen.

Die Steuersignale 17 werden in das Automatisierungssystem (SPS) des Leitsystems TELEPERM (Prozessleitsystem 16) zur Anlagensteuerung aufgenommen und dort weiterverarbeitet (vgl. 1). Die wesentlichen dynamischen Funktionsbausteine werden innerhalb dieser Steuerung im Zyklus von 400ms bearbeitet. Dadurch ist die Reaktionszeit der Steuerung größer/gleich 400ms. Um dies zu gewährleisten wurden bei der Implementierung die zeitunkritischen von den zeitkritischen Funktionen getrennt realisiert, das System neu paketiert und die Abtast- und Verschiebezeiten optimiert.

2 gibt die Verschaltung der Ventile der Nachbrennkammerbrenner 12 wieder. Da die Verschlusszeiten der Regelventile 18 der Nachbrennkammerbrenner 12 nicht die notwendige Geschwindigkeit erreichen, wurden zur Realisierung der Steuerung zwei weitere Steuerventile (Schnellschussventil 19 und Minimaldürchflussventil 20) in die Brennstoffversorgungsleitung 21 eingefügt (vgl. 2). Alle drei Ventile werden über das Prozessleitsystem 16 mittels Steuersignalen 17 angesteuert. Durch eine Hysteresefunktion kann der Schwellenwert zur Auslösung und der Schwellenwert zur Rücksetzung der Steuerung vorgegeben werden. Ein Auslösen der Steuerung bewirkt eine Abschaltung der Hauptflüssigbrennstoffmenge an den zwei Nachbrennkammerbrennern über Schnellschussventil 19. Die Luftmenge und eine einstellbare Mindestbrennstoffmenge über Minimaldurchflussventil 20 bleiben konstant. Die damit erreichte Sauerstoffanreicherung in der Nachbrennkammer ermöglicht einen Ausbrand der Schadstoffe Ruß, organisch C und Co, womit die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bei gleichzeitiger Durchsatzsteigerung realisiert werden kann. Um ein Schwingen des Regelventils 18 zu verhindern, wird das Ventil bei Aktivierung der Steuerung vom Prozessleitsystem aus der Regelung herausgenommen und auf konstantem Durchfluss betrieben. Optimierungen gehen in Richtung schneller Regelventile, um die Zwei-Punkt-Steuerung durch eine feiner abgestufte Steuerung zu ersetzen.

Die Steuerung zur Minderung von CO-Peaks (CO-Konzentrationsmaxima) umfasst somit eine optische Messeinheit zur Detektierung des Gebindeausbrandes (Sensoreinheit 13), die Verarbeitung eines Messsignals 15 im Prozessleitsystem 16 der Verbrennungsanlage zu Steuersignalen 17 und eine hardwareseitige Ventilverschaltung in der Brennstoffversorgungsleitung 21 der Nachbrennkammerbrenner 12 gemäß 2.

Durchführungsbeispiel:

Anhand von Betriebsversuchen an der Versuchsanlage THERESA erfolgte eine Reduzierung von CO-Spitzen bei der Gebindeverbrennung im Drehrohr. Die Betriebseinstellungen für die Brennkammer (Drehrohr) und die Nachbrennkammer waren für beide Betriebsversuche identisch (Heizöl DR: 120 kg/h; Verbrennungsluft DR: 2200 Nm3/h; Gebindedurchsatz: 30/h mit je 1 Liter Heizöl EL pro Gebinde). 3a bis d geben die Ergebnisse in Diagrammen mit gleichem Zeitfenster (laufende Zeitt) wieder, wobei 3a und b die Ergebnisse ohne und 3c und d die korrespondierenden Ergebnisse mit der vorgenannten Regelung des Verbrennungsprozesses zeigen.

3a und c sind direkt miteinander vergleichbar (Messbereich und Auflösung) und zeigen den CO-Konzentrationsverlauf 22 im Reingas am Kamin beim Einwurf von 1,0-Liter-Gebinden Heizöl EL, aufgetragen jeweils über die laufende Zeit t, wobei ein Einwurf alle zwei Minuten erfolgte (vgl. Ausschlag des Messsignals 15 in 3d sowie Rauchgasvolumenstrom 24 in 3b und d). Die gemittelten CO-Konzentrationen ergeben sich zu 180 mg/Nm3 ohne und zu 11,5 mg/Nm3 mit Regelung des Verbrennungsprozesses gemäß der Erfindung (Reduzierung der CO-Konzentration über 90%), wobei die in 3a erkennbaren CO-Konzentrationspeaks durch die Erfindung praktisch vollständig unterdrückt werden.

3b und d sind ebenso direkt miteinander vergleichbar (Messbereich und Auflösung) und zeigen für die gleichen Betriebsversuche den ungeregelten (3b) und geregelten (3d) Heizöldurchsatz 23 für die Nachbrennkammerbrenner beim Einwurf von 1,0-Liter-Gebinden Heizöl EL, aufgetragen jeweils über die laufende Zeit t. Der geregelte Heizöldurchsatz ist direkt an das ebenfalls in 3d wiedergegebene Messsignal 15 gekoppelt und folgt diesem immer mit minimaler Verzögerung. Dagegen weisen der Brennerluftdurchsatz 25 und der Rauchgasvolumenstrom 24, beides in den 3b und d wiedergegeben, keinen Einfluss durch die Regelung des Verbrennungsprozesses auf.

Die Versuchsergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • – sichere Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bei der Gebindeverbrennung mit hochkalorischem Abfall.
  • – Reduzierung der CO-Konzentration am Kamin größer 90 %
  • – Erhöhung des Durchsatzes von Gebinden mit hochkalorischem Abfall im Drehrohr in Abhängigkeit von der Taktzeit der Gebindeaufgabe um mindestens den Faktor 3

Das Durchführungsbeispiel zeigt, dass beim Gebindedurchsatz im Drehrohr und damit verbunden auch beim Anteil der Gebindeverbrennung an der thermischen Drehrohrlast noch deutliche Steigerungen möglich sind, da bei den dargestellten Betriebsversuchen mit Brennerregelung in der Nachbrennkammer CO-Emissionswerte erreicht wurden (11,5 mg CO/Nm3), die noch deutlich unterhalb der Emissionsgrenzwerte nach 17. BImSchV liegen (Tagesmittelwert: 50 mg CO/Nm3).

1
Brennkammer
2
Nachbrennkammer
3
Abzug der Rauchgase
4
Drehrohr
5
Schurre
6
Drehrohrstirnwand
7
Brennerflamme
8
Verbrennungsrückstände
9
Drehrohrende
10
Förderband
11
Wirkungsbereich
12
Nachbrennkammerbrenner
13
Sensoreinheit
14
Strahlengang
15
Messsignal
16
Prozessleitsystem
17
Steuersignal
18
Regelventil
19
Schnellschlussventil
20
Minimaldurchflussventil
21
Brennstoffzufuhr
22
CO-Konzentrationsverlauf
23
Heizöldurchsatz
24
Rauchgasvolumenstrom
25
Brennerluftdurchsatz


Anspruch[de]
Verfahren zur Erhöhung des Gebindedurchsatzes in Drehrohranlagen, in denen Gebinde mit Abfall aufgegeben werden, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bereitstellung einer Drehrohranlage mit einem Drehrohr (4) als Brennkammer (1), wobei das Drehrohr (4) an einem Drehrohrende (9) in eine Nachbrennkammer (2) mündet, mit Brennern im Drehrohr (4) und der Nachbrennkammer (2) mit mindestens einer Brennstoffzuführung sowie einem Abgasstrang von im Drehrohr (4) entstehenden Verbrennungsgasen in die Nachbrennkammer (2),

b) Einleitung der Gebinde und sauerstoffhaltigem Gas in die Brennkammer (1),

c) Verbrennung der Gebinde im sich drehenden Drehrohr (4) sowie

d) Ableitung entstehender Verbrennungsgase aus der Brennkammer (1) in die Nachbrennkammer (2) zu einer Nachverbrennung,

wobei

e) im Drehrohr (4) der Verbrennungsfortschritt durch eine den Brennraum (1) vollständig erfassende Sensoreinheit (13) laufend durch optische Messungen erfasst und als Regelgröße für eine Regelung der Verbrennungsbedingungen in Drehrohr und Nachbrennkammer herangezogen wird, wobei

f) die Regelung eine Regelung der Brennstoffzuführung für die Brenner des Drehrohrs und Nachbrennkammer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messungen eine Rußkonzentrationsmessung über Emissionsmessungen oder über optische Transmissionsmessungen umfassen. Verfahren nach Anspruch 2, wobei im Rahmen der Emissionsmessungen eine Messung der Abschwächung der Flammenstrahlung mit einer Photodiode oder einer Infrarotkamera erfolgt. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Messungen eine Kohlenmonoxidkonzentrationsmessung über Absorptionsmessungen oder Emissionsmessungen umfassen. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Messungen eine Sauerstoff-, Kohlendioxid- oder Wasserdampfkonzentrationsmessung über Absorptionsmessungen oder Emissionsmessungen umfassen. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Messungen eine videooptische Bilderfassung und Bildverarbeitung umfassen. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Regelung zusätzlich eine Regelung der Gaszuführungen umfasst.






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