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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Optimierung des Abgasausbrands
in Verbrennungsanlagen mit einer Festbettausbrandzone und einer Abgasausbrandzone,
umfassend mehrere regelbare Düsen
zur Einleitung eines sauerstoffhaltigen Sekundärluft in einen Wirkbereich
in die Abgasausbrandzone, wobei eine Sauerstoffmessvorrichtung und/oder Feuerraumtemperaturmessung
zur Ermittlung der Gesamtmenge von Sekundär- und Primärluft im Abgas vorgesehen ist.
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Infolge
der sehr heterogenen Zusammensetzung von bestimmten Brennstoffen,
wie z. B. Abfällen oder
Biomassen, schwankt deren Heizwert sehr stark. Bei der Verbrennung
in Rostfeuerungen werden daher heute im Brennraum aufwendige Feuerleistungsregelungen
mit Infrarotdetektoren (IR-Kamera, Infrarotkamera) eingesetzt. Die
Feuerlage in Rostfeuerungen kann anhand der Infrarot-Strahlung des
Brennstoffbettes mit Hilfe einer IR-Kamera ermittelt werden. Die
Wellenlänge
(3,9 μm)
liegt in einem Bereich, in dem Verbrennungsgase keine Emissivität aufweisen.
Mit Hilfe dieser Informationen erfolgt die Regelung der einzelnen
Primärgasströme, die
das Festbett durchströmen.
Dadurch ist ein nahezu vollständiger
Feststoffausbrand der Schlacke erreichbar.
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Das
Abgas welches aus dem Brennraum (Festbettausbrandzone) einer solchen
ungleichmäßigen Verbrennung
austritt, weist lokal hohe Konzentrationen an unvollständig verbrannten
Verbindungen, wie z.B. CO, Kohlenwasserstoffe oder Ruß auf. Dabei
zeigt die aus dem Brennbett austretende Gasströmung eine ausgeprägte Bildung
von Strähnen
mit enormen örtlichen
und zeitlichen Schwankungsbreiten. Diese Strähnen von unverbrannten Abgasspezies
ziehen sich bis durch die Abgasausbrandzone in den ersten Strahlungszug.
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Die
Sauerstoffkonzentrationen in der Abgasausbrandzone sind sehr niedrig
und zusätzlich
inhomogen verteilt. Für
eine homogene Vermischung und einen vollständigen Ausbrand des Abgases
reicht hierfür
die Zeit und Turbulenz nicht aus. Ein vollständiger Ausbrand der Abgase
ist daher nur mit einer gezielten lokalen Einleitung von Sekundärluft in
der Abgasausbrandzone realisierbar, wobei die Sekundärluft möglichst
gut mit dem Abgas zu vermischen ist.
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Bedingt
durch die Inhomogenität
des Brennstoffes und der Schwankungen der Primärgaszufuhr in die Festbettausbrandzone,
aber auch durch die unterschiedliche Beladung sind die räumliche
Verteilung und absoluten Konzentrationen der nachzuverbrennenden
Abgasspezies sehr heterogen verteilt und zusätzlich starken Fluktuationen
unterworfen. Messungen in der Gasausbrandzone belegen, dass Strähnen mit
sehr hohen Konzentrationen von unvollständig verbrannten Verbindungen
auftreten. Dies führt
insgesamt zu einem unvollständigen
Gasausbrand mit z. B. hohen CO-Spitzen. Ferner führt insbesondere der unvollständige Ausbrand
von Russpartikeln zu erhöhten
Kohlenstoffgehalten in den Kesselbelägen und verursachen erhöhte Bildungsraten
von PCDD/F (de-novo Synthese).
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Technische
Vorrichtungen zur Optimierung des Abgasausbrandes in Verbrennungsanlagen
dienen insbesondere der Reduzierung des Schadstoffausstoßes, wobei
mit der gezielten Eindüsung
des sauerstoffhaltigen Sekundärgases
in die als Rauchabzug dienende Abgasausbrandzone eine Minderung
von Schadstoffen bewirkt. Als Sekundärgas dient beispielsweise mehr
oder weniger Sauerstoffhaltige Luft, rezykliertes Rauchgas oder
auch Wasserdampf (bei überstöchiometrischer
Primärluft).
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Um
einen vollständigen
Ausbrand sicherzustellen, wird das Sekundärgas mit hohen Impulsen und
zur Sicherstellung einer guten Durchdringung der Abgasströmung im
hohen Überschuss
in die Abgasausbrandzone eingedüst.
Die intensive Durchmischung von unverbrannten Abgasbestandteilen
mit sauerstoffhaltiger Sekundärluft
bei hohen Temperaturen ist die Voraussetzung für einen effektiven Abgasausbrand.
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In
[1] werden unterschiedliche Konzepte und Vorrichtungen zur Eindüsung von
Sekundärluft
unabhängig
von den örtlichen
und sich zeitlich ändernden Gegebenheiten
beschrieben. Die Eindüsung
erfolgt bei einem ersten Konzept mit Düsen, angeordnet ausschließlich in
der Feuerraumwand. Eine möglichst
effektive Verwirbelung und damit eine Durchmischung der eingedüsten Sekundärluft mit
der Strömung
wird durch eine optimierte Anordnung und Ausrichtung der Düsen in der
Feuerraumwand angestrebt. Grundsätzlich
versucht man also, allein durch Anordnung und Ausrichtung der Düsen bestimmte zwei-
oder dreidimensionale Strömungsmuster,
wie z.B. Strömungswalzen
oder Wirbelströmungen,
zu erhalten. In einem zweiten Konzept wird im engsten Querschnitt,
d. h. im Übergang
von der Brennkammer zum Strahlungszug, zusätzlich ein Balken mit zusätzlichen
Düsen eingesetzt.
Eine erste Variante dieses Konzeptes verwendet einen rotierenden
Balken, Bauart Temelli, während
eine zweite Variante auf einem strömungsoptimierten feststehenden
Balken, Bauart Kümmel,
basiert.
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Eine
zuverlässige
Einmischung von Sekundärgas über Düsen, welche
ausschließlich
in der Feuerraumwand angeordnet sind, setzt bestimmte einzuhaltende
Strömungsmuster
für einen
homogenisierenden Mischungsprozess voraus. Derartige Konzepte eignen
sich daher nur bedingt für
instationäre
Verbrennungsvorgänge,
wie sie beispielsweise in der thermischen Abfallbehandlung auftreten.
Eine inhomogene Konsistenz von Abfall oder Müll als Brennstoff verstärkt diesen
Einflussfaktor in besonderem Maße.
Auch tritt diese Einschränkung
mit zunehmendem Querschnitt der Strömung in der Abgasausbrandzone
zunehmend in den Vordergrund, da die zu überbrückenden Wegstrecken der Strömung und
dem Sekundärgas
bei einer Vermischung mit den Abmessungen steigen.
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Ausgehend
davon liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur Optimierung des Abgasausbrandes vorzuschlagen, welche
einen vollständigen
Ausbrand auch bei in stationären
Verbrennungsvorgängen
mit einem Minimum an Sekundärgas
sicherstellt.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch
1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 8 gelöst. Rückbezogene
Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens an.
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Zur
Lösung
wird eine Vorrichtung zur Optimierung des Abgasausbrandes in Verbrennungsanlagen
mit einer Festbettausbrandzone und einer Abgasausbrandzone, umfassend
mehrere regelbare Düsen
zur gezielten Einleitung von sauerstoffhaltigem Sekundärgas in
einen Wirkbereich in der Abgasausbrandzone vorgeschlagen, wobei
eine Sauerstoffmessvorrichtung und/oder Feuerraumtemperaturmessung
zur Ermittlung der Gesamtmenge von Sekundär- und Primärgas im Abgas vorgesehen ist. Dabei
können
die Düsen
jeweils einzeln oder auch in Gruppen zusammengefasst angesteuert
werden. Durch diese Gestaltung lässt
sich nämlich
in den in Segmente unterteilten Wirkbereich Sekundärluft segmentweise
individuell dosieren.
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Die
wesentlichen Merkmale an der Vorrichtung umfassen Mittel zur zeitlichen
aufgelösten
selektiven Erfassung von lokalen Konzentrationen einzelner unvollständig verbrannter
Gaskomponenten im Wirkbereich. Ist die lokale Verteilung dieser
Gaskomponenten im Wirkbereich bekannt, lässt durch eine individuelle
Eindüsung
des Sekundärgases
in jedes Segment separat in vorteilhafter Weise ein optimierter
Ausbrand des Abgases auch ohne den im Stand der Technik erforderlichen
enormen Sekundärgasüberschuss
bewerkstelligen. Die lokale und zeitliche Auflösung der selektiven Erfassung
bestimmt sich aus den geometrischen Gegebenheiten und der strömungstechnischen
Dynamik der Verbrennungsabgase in der Abgasausbrandzone.
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Die
Einmischung von Sekundärluft
in den Abgasvolumenstrom erfolgt im Wirkbereich, der so zu dimensionieren
und so in der Abgasausbrandzone anzuordnen ist, dass vorzugsweise,
wenn auch nicht zwingend, der gesamte Abgasvolumenstrom zwingend
durch diesen hindurchgeleitet wird. Dabei sind die Düsen so anzuordnen,
dass eine gezielte segmentweise Eindüsung von Sekundärgas in
den gesamten Wirkbereich möglich
ist. Insofern sollte der Wirkbereich vorzugsweise in der Abgasausbrandzone
als Teil eines Strahlungszugs mit mindestens einem endlichen Querschnitt
so zu positionieren, dass er mindestens diesen Querschnitt im Strahlungszug vollständig überspannt.
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Die
Mittel setzten die gemessenen Konzentrationen in Signale um und
leiten diese an eine Steuerungseinheit weiter, welche die Signale
in Stellsignale für
jede der regelbaren Düsen
oder Gruppen hiervon zur gezielten Einleitung von Sekundärgas umsetzen.
Es bietet sich an, die Mittel und die Steuereinheit zu einer Mess-
und Regelungseinheit zusammenzufassen. Sollen die lokalen und zeitlich
veränderlichen
Konzentrationen erfasst werden, bietet es sich an, die Mess- und
Regelungseinheit mit einer Rechnereinheit auszustatten, welche dann über geeignete
Rechenprogramme nicht nur gemessene Konzentrationswerte in Steuersignale
umsetzt sondern auch die Wechselwirkungen der Abgase in einem Segment
mit den Abgasen anderer Segmente oder auch die zeitliche Dynamik
der Abgase, der Verbrennungen und Nachverbrennungen sowie auch der
Trägheiten
und Totzeiten der Sekundäreindüsungen erfasst
und für
die Steuerung der einzelnen Düsen
mit berücksichtigt.
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Das
genannte Mess- und Regelungssystem bildet mit der Sekundärgaseindüsung, den
Abgasen und den Nachverbrennungen einen geschlossenen Regelkreis.
Die einzelnen Segmente im Wirkbereich sind dabei nur in einfachen
Ausbaustufen, d.h. ohne die vorgenannte rechnerische Berücksichtigung,
als eigenständige
Systeme zu betrachten. Auch bietet es sich an, das Mess- und Regelungssystem,
den Wirkbereich und die Eindüsungssysteme
anhand von rechnergestützten
Simulationsabläufen
mit entsprechenden Modellbetrachtungen vor einer Applizierung an
der Nachbrennkammer zunächst
im Rechner auszulegen und zu optimieren.
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Optimierungen
zeigten grundsätzlich
die vorteilhaftesten Resultate, wenn die Menge, d. h. der integrale
Volumenstrom an eingedüster
Sekundärluft nicht
gleichförmig
verteilt sondern abhängig
von den ermittelten lokalen Konzentrationen von unvollständig verbrannten
Gaskomponenten im Abgas eingestellt wird.
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Für eine Bestimmung
der erforderlichen Sekundärgasteilmengen
ist die qualitative Bestimmung der lokalen Konzentration von Kohlenmonoxid,
Kohlenwasserstoffe und/oder Ruß vollkommen
ausreichend. Für
die Bestimmung eignet sich insbesondere eine Spektralkamera, welche
im Bereich der Brennkammerwandung in die Abgasausbrandzone gerichtet
ist und dabei den Wirkbereich vollständig erfasst. Durch eine entsprechende
Fokussierung des Kameraobjektivs lassen sich zudem bestimmte Abstandsintervalle
für eine
Konzentrationserfassung herausselektieren.
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Für die Erfassung
der charakteristischen Strahlungsspektren der zuvor genannten unverbrannter
Abgaskomponenten eignet sich in vorteilhafter Weise eine Infrarotkamera
für Wellenlängenbereiche
zwischen 3 und 12 μm.
Kohlenwasserstoffe sind mit den charakteristischen Wellenlängenmaxima
von im Bereich von 3 μm
(für Methan),
Kohlenmonoxid mit den charakteristischen Wellenmaxima im Bereich
um 4,8 μm
und Ruß über Bildauswerteverfahren
qualitativ erfassbar. Ferner lassen sich durch diese Methode auch
Kohlendioxid und Wasser erfassen.
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Insbesondere
Kohlenmonoxidanteile lassen sich mit der beschriebenen optischen
Erfassungsmethode erfassen, wobei das Strahlungsspektrum von Kohlenmonoxid
mit zunehmender Temperatur intensiver wird und dadurch auch zunehmend
besser und deutlicher erfassbar ist. Kohlenmonoxid unterhalb dieses
Temperaturbereichs weist dagegen nicht nur eine erheblich geringeres
IR-Emissionsintensität
auf, sondern lässt
sich auch nicht durch eine Eindüsung von
Sekundärluft
ohne separate Energiezufuhr zu Kohlendioxid weiteroxidieren. Insofern
wird in vorteilhafter Weise nur das Kohlenmonoxid erfasst, welches
auch wirklich mit Sekundärluft
nachverbrannt wird.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Optimierung des Abgasausbrands
in Verbrennungsanlagen mit einer Festbettausbrandzone und einer
Abgasausbrandzone vorgeschlagen. Für die Durchführung des
Verfahrens ist die zuvor beschriebene Vorrichtung erforderlich.
Folglich erfolgt auch hier eine gezielte Einleitung von sauerstoffhaltiger
Sekundärluft
in einen Wirkbereich in der Abgasausbrandzone über mehrere regelbare Düsen sowie eine
Sauerstoffmessung zur Ermittlung der Gesamtmenge von Sekundär- und Primärluft im
Abgas. Das Verfahren umfasst eine Erfassung von lokalen Konzentrationen
einzelner unvollständig
verbrannter Gaskomponenten in der Abgasausbrandzone zumindest im
Wirkbereich, eine Umsetzung der lokal erfassten Konzentrationen
in Signale, sowie Umsetzung der Signale zu Steuerbefehlen für jede der
regelbaren Sekundärluftdüsen wie
in der zuvor anhand der Vorrichtung ausführlicher beschriebenen Weise.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles
mit den folgenden Figuren näher
erläutert.
Es zeigen
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1 eine Übersichtsdarstellung
einer Müllverbrennungsanlage
mit Festbett- und Abgasausbrandzone, IR-Kamera, Mess- und Regelungseinheit und
Wirkbereich,
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2 die
charakteristischen IR-Strahlungsspektren von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid
und Wasser sowie
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3 schematisch
eine Konzentrationsverteilung über
den Wirkbereich und der daraufhin abgeleiteten Sekundärgaseindüsung.
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Anlagenschema
und Struktur des Verfahrens zur Optimierung des Abgasausbrandes
lassen sich am besten anhand der Übersichtsdarstellung gemäß 1 darstellen.
Sie zeigt eine Festbettausbrandzone 1 mit Verbrennungsrost 2,
durch den eine Zufuhr von Primärgas 3 erfolgt.
In der Festbettausbrandzone 1 erfolgt die eigentliche Verbrennung,
von wo die Abgase in eine Abgasausbrandzone 4 abgeleitet werden.
Für die
Erzielung einer vollstän digen
Nachverbrennung des Abgases wird ein sauerstoffhaltiges Sekundärgas 6 über regelbare
Düsen in
die Abgasausbrandzone eingeleitet. Der Bereich in der Abgasausbrandzone,
in der die Eindüsung
wirksam erfolgt, ist der Wirkbereich 5; er deckt vorzugsweise
einen engsten Querschnitt der Abgasausbrandzone 4 ab, wird
vom gesamten Abgasstrom durchströmt
und wird von einer IR-Kamera 7 überwacht.
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Mittels
der IR-Kamera 7 wird die von den unverbrannten Komponenten
der Verbrennungsabgase emittierte Infrarotstrahlung im Wirkbereich
der Abgasausbrandzone innerhalb ausgewählter Spektralbereichsintervalle
erfasst und in Form von Infrarotsignalen 8 an eine Verarbeitungseinheit 9 (Teil
einer Mess- und Regelungseinrichtung) weitergegeben. In dieser werden
die Infrarotsignale die Konzentrationsverteilung von unverbrannten
Abgasbestandteilen über
den Querschnitt im Wirkbereich qualitativ bestimmt. Als Leitparameter
für unverbrannte
Abgasspezies wird hierbei Kohlenmonoxid CO herangezogen. Ausgehend
von diesen Informationen (repräsentiert
durch Konzentrationssignale 10) wird in einer Steuerungseinheit 11 (ebenfalls
Teil der Mess- und Regelungseinrichtung) die jeweils lokal erforderliche Sekundärluftmenge
pro Düse
ermittelt, d.h. es werden die entsprechenden Stellsignale 12 für die regelbaren
Sekundärluftdüsen zum
Eindüsen
des Sekundärgases
generiert. Für
die Konfektionierung der Stellsignale und damit der Eindüsung sind
folgende Parameter maßgebend:
Ort und Ausdehnung der gezielten Eindüsung im Wirkbereich sowie die
dazu gehörige
lokale CO-Konzentration. Die Stellsignale für die Düsen werden so gewählt, dass
eine Eindüsung des
Sekundärgases
möglichst
direkt in die CO-Strähnen
erfolgt. Auch hängt
die Intensität
der Eindüsung von
der ermittelten CO-Konzentration ab, wobei die einzudüsende Sekundärgasmenge
für einen
vollständigen
Ausbrand prinzipiell mit der ermittelten CO-Konzentration zu korrelieren
ist. Der insgesamt für
eine Eindüsung
zur Verfügung
stehende Sekundärgasstrom
wird als Sollwert 13 in die Steuerungseinheit eingegeben.
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Die
Strahlungsemissionsspektren der einzelnen Abgaskomponenten (Emissionsintensitäten 27 in
W/(moleküleμ·sr·μm), sr =
Raumwinkel) sind in 2 in Abhängigkeit zu der anregenden
Wellenlänge 26 zwischen
2 und 6 μm
Wellenlänge
wiedergegeben (aus [2]). Sie zeigen die Spektrallinien für Kohlendioxid 19,
Kohlenmonoxid 20, Wasserdampf 21.
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3 zeigt
eine aus den Kamerasignalen berechnete räumliche Verteilung im Querschnitt
des Wirkbereiches 5 der Abgasausbrandzone 4 beispielhaft
für CO.
Der Wirkbereich 5 ist dabei in mehrere, jeweils durch gestrichelte
Linien unterteilte Zonen 14 unterteilt, in die über jeweils
eine geregelte Düse 15 Sekundärgas über eine
geeignete Sekundärgasschiene 16 eindüsbar ist.
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Ferner
ist in 3 die CO-Konzentrationsverteilung im Wirkbereich 5 wiedergegeben,
wobei eine einstellbare Graufärbung
jeweils einem einstellbaren Konzentrationsintervall zugeordnet wird.
Im vorliegenden Fall ist im Wirkbereich 5 eine CO-Strähne 17 zu
erkennen, hervorgehoben durch einen vergleichsweise dunkel gefärbten Bereich.
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Zur
Erzielung eines vollständigen
Abbrands werden die Teilgasströme
von Sekundärgas
(dargestellt in 2 durch Pfeile ausgehend von
den Düsen 15)
im Bereich der CO-Strähne 17 erhöht (Pfeile
in 2 dicker), während
gleichzeitig in den anderen Bereichen ggf. eine Erniedrigung erfolgt
(Pfeile in 2 dünner).
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Die
Bestimmung der Konzentrationsverteilung im Wirkbereich 5 erfolgt
in kurzen Zeitabständen möglichst
im Bereich zwischen 1 bis 5 Sekunden, so dass eine permanente Kontrolle
des Erfolgs der Eindüsung
durchgeführt
wird. Dementsprechend findet praktisch eine kontinuierliche und
automatisierte Anpassung der Sekundärgaseinzelströme entsprechend
den tatsächlichen
Anforderungen statt.
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Der
Regelbereich der Einzelsekundärgasströme liegt
dabei innerhalb fest definierter Grenzen zwischen einer minimalen
und einer maximalen Eindüsung.
Die Höhe
des gesamten Sekundärgasstroms 18,
der sich aus der Summe der Teilgasströme ergibt, wird durch das hier
beschriebene Verfahren nicht beeinflusst. Der entsprechende Sollwert 13 (1)
für den
gesamten Sekundärgasstrom
wird von den überlagerten
Regelungen, die standardmäßig an größeren Anlagen
installiert sind, übernommen.
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Literatur
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- [1] K. Görner,
Th. Klasen: Sekundärluftprisma
zur Optimierung der Sekundärlufteindüsung; Umdruck zum
VDI-Seminar: BAZ- und preisorientierte Dioxin-/Gesamtemissionsminderungstechniken
2000 (14./15.9.2000 in München)
- [2] Rawlins, W.T. Lawrence, W. G. Marinelli, W. J. Allen, M.G.:
Hyperspectral Infrared Imaging of Flames Using a Spectrally Scanning
Fabry-perot Filter; Proc. 6. Int. Microgravity Combustion Workshop,
NASA Glenn Research Center, Cleveland, 5.57-60, 2001
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- 1
- Festbettausbrandzone
- 2
- Verbrennungsrost
- 3
- Zufuhr
von Primärgas
- 4
- Abgasausbrandzone
- 5
- Wirkbereich
- 6
- Zufuhr
von Sekundärgas
- 7
- IR-Kamera
- 8
- Infrarotsignale
- 9
- Verarbeitungseinheit
- 10
- Konzentrationssignale
- 11
- Steuerungseinheit
- 12
- Stellsignale
- 13
- Sollwert
- 14
- Zone
- 15
- regelbare
Düse
- 16
- Sekundärgasschiene
- 17
- CO-Strähne
- 18
- gesamter
Sekundärgasstrom
- 19
- Spektrallinie
für Kohlendioxid
- 20
- Spektrallinie
für Kohlenmonoxid
- 21
- Spektrallinie
für Wasser
- 22
- Wellenlängenintervall
für Kohlendioxid
- 23
- Wellenlängenintervall
für Kohlenmonoxid
- 24
- Wellenlängenintervall
für Wasser
- 25
- Wellenlängenintervall
für Ruß
- 26
- Wellenlänge in [μm]
- 27
- Emissionsintensität in [W/(moleküle·sr·μm)], sr =
Raumwinkel