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EP1851481B1 - Verfahren zur erhöhung des gebindedurchsatzes in drehrohranlagen - Google Patents

Verfahren zur erhöhung des gebindedurchsatzes in drehrohranlagen Download PDF

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Publication number
EP1851481B1
EP1851481B1 EP06707048.2A EP06707048A EP1851481B1 EP 1851481 B1 EP1851481 B1 EP 1851481B1 EP 06707048 A EP06707048 A EP 06707048A EP 1851481 B1 EP1851481 B1 EP 1851481B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
rotary kiln
combustion chamber
measurements
loop control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP06707048.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1851481A1 (de
Inventor
Michael Nolte
Bernhard Oser
Mark Eberhard
Thomas Kolb
Helmut Seifert
Rolf Kerpe
Hubert Gramling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP1851481A1 publication Critical patent/EP1851481A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1851481B1 publication Critical patent/EP1851481B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/50—Control or safety arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/08—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating
    • F23G5/14—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating including secondary combustion
    • F23G5/16—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating including secondary combustion in a separate combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/20—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having rotating or oscillating drums
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M11/00—Safety arrangements
    • F23M11/04—Means for supervising combustion, e.g. windows
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/22—Flame sensors the sensor's sensitivity being variable

Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the container throughput in rotary kiln systems according to the first claim.
  • Rotary kilns are combustion plants with a combustion chamber, which is designed as a preferably horizontal, rotating about its axis of symmetry tube (motor-driven rotary tube). At one end, the rotary tube opens into the secondary combustion chamber and into the exhaust gas line, while at the other end the fuel is supplied via burners, lances and solids chute. Containers containing (liquid, highly calorific) waste are discontinuously charged via the solids chute and incinerated in the rotary kiln.
  • Rotary kiln plants are used in particular for the combustion of heterogeneous fuels such as industrial waste and waste requiring special monitoring. Such rotary kilns are for example off DE 4224571 A1 and from US 4,782,766 known.
  • the gas phase burnout of a combustion plant is essentially determined by conditions such as residence time, temperature and mixing, and stoichiometry. Without optimization of the combustion process by these variables, both strands with excess air and those with local air deficiency can already form in the combustion chamber, ie the oxygen content varies greatly with time and place.
  • the mixture mainly affects the formation of local strands, the unsteady combustion in containers due to the stoichiometry (O 2 supply), the formation of temporal strands. Both pathways of streaks lead to inconsistent and incomplete combustion in the combustion chamber and emissions of pollutants such as hydrocarbons, soot or carbon monoxide (CO). In particular, the content of carbon monoxide serves as an indicator of the quality of the burnout.
  • the CO concentration at the flue gas outlet with respect to the half-hourly or daily mean value is at the same time the limiting factor for the throughput of containers in the rotary kiln (half-hourly mean: 100 mg / Nm 3 CO, daily average: 50 mg / Nm 3 according to 17. BImSchV).
  • DE 100 55 832 A1 describes such a control of the fuel-combustion air mixture of oil and gas burners based on a photosensor, which optically detects the flame radiation.
  • DE 197 46 786 C2 further discloses an optical flame detector with two semiconductor detectors for oil and gas burners for flame monitoring and for controlling the fuel-air ratio or the fuel supply, wherein the spectral distribution of the flame radiation serves as an input signal for the control.
  • the DE 196 50 972 C2 includes such a control, namely for monitoring and control of combustion processes by means of radiation measurement by sensory detection of both narrow and broadband spectral range of a flame.
  • the aim is to maintain a high combustion efficiency while minimizing pollutant emissions.
  • the object of the invention is therefore to propose a method for increasing the throughput of high-calorie containers in rotary kilns of the type mentioned in compliance with emission limits, which does not have the aforementioned limitations.
  • the invention includes an overall concept for a furnace (rotary kiln plant), in the in-situ measurement techniques (optical measuring methods such as photodiode, IR camera, laser, ...) for quick detection (short response times) of the incomplete Burning be used in the rotary tube. In this way, especially discontinuously occurring soot or carbon monoxide concentration peaks are detected early (in the rotary tube).
  • the measuring signals are applied to the burners in the rotary kiln and the afterburner, which then adjust the combustion conditions (stoichiometry and mixing momentum) in the rotary kiln and the afterburner to meet the requirements of complete burnout in the kiln combustion.
  • the control comprises both a control of the fuel side (stoichiometry) via the burners and a control of the air side (mixing pulse, stoichiometry) via the burners as well as via chutes or lances.
  • the advantage of this method is to achieve a significant increase in the throughput of cans in rotary kilns by optimizing the fuel / air volumes and distribution in rotary kiln and afterburner without simultaneously obtaining problems with respect to the gas phase burnout and the pollutant emission (CO). There is no influence (increase) of the flue gas volume flow and no additional load on the flue gas cleaning.
  • a control of the burners in the afterburner chamber of a rotary kiln plant to reduce the amount of CO produced during the combustion of cans has already been tested on the pilot scale THERESA pilot plant.
  • a significant reduction in the CO concentration of the flue gas was achieved and thus a significant increase in the throughput of the can in the rotary kiln was achieved. Further optimization measures are planned.
  • Fig.1 exemplifies the apparatus design of a rotary kiln plant at the research facility THERESA (thermal plant for the incineration of special waste) of theticians scholar Düsseldorf. It shows the entire combustion system a rotary tube 4 as a combustion chamber 1 for the combustion of solid and pasty starting materials including containers, a Nachbrennhunt 2 to ensure a Gasphasenausbrands and a flue 3, the flue gases in the waste heat boiler and the downstream flue gas cleaning (both in Fig.1 not shown).
  • the rotary tube 4 is driven by a motor.
  • the containers and other solid starting materials are fed via a water-cooled chute 5 (fuel supply) to the rotary tube end wall 6 together with a portion of the combustion air in the rotary tube 4 .
  • a rotary kiln burner for combustion of combustible liquids and gases is located on the rotary tube end wall 6, a rotary kiln burner, in which the other part of the combustion air (combustion gas) is abandoned (see burner flame 7 ).
  • the solid and pasty starting materials including containers are burned in the combustion chamber (rotary tube). By the rotational movement and an inclination of the rotary tube, the residence time of the solid and pasty starting materials is determined.
  • the combustion residues 8 are at the rotary tube end 9 via a conveyor belt 10 (in Fig.1 partly placed under a liquid such as water) into a slag trough (in Fig.1 not shown).
  • the introduced via the chute into the combustion chamber bundles burn in the rotary tube, the resulting combustion gases - partially burned out insufficiently - leave the rotary tube at the rotary tube end 9 in the afterburner 2 .
  • the secondary combustion chamber takes place in the area of action 11 of the two Nachbrennhuntbrenner 12 of the gas phase burnout.
  • the afterburner burners allow the supply of combustible liquids and gases and combustion air.
  • an optical in situ measurement of the combustion progress in the rotary tube that is provided in the combustion chamber.
  • an optical sensor was used as sensor unit 13 .
  • the sensor was not installed behind the burner, contrary to the standard installation of an optical monitoring unit, but opposite the rotary kiln burner. This arrangement realizes monitoring the combustion chamber in the rotary tube and at the lower part of the afterburner.
  • the sensor unit 13 is arranged in the lower region of the afterburner in an axial extension to the rotary tube (see. Fig.1 ), wherein the beam path 14 of the sensor completely detects the combustion chamber 1 .
  • the sensor unit is located outside a combustion or afterburning and outside of an immediate flow of the combustion gases, for example at the end of a storage area (trough or pipe).
  • a risk of contamination, for example by soot deposition is effectively reduced.
  • the sensor unit 13 detects the combustion progress and forwards the information as a measurement signal 15 to the process control system 16 on.
  • a pollutant content silicates
  • control signals 17 for the afterburner combustors 12 , wherein in principle the supply of oxygen-containing gas and / or fuel is regulated
  • the control path advantageously remains the time for the implementation of the measure, which corresponds to the duration of the combustion gases from the combustion chamber 1 in the effective region 11 (depending on the embodiment in the range of a few seconds, preferably between 1 and 5 seconds).
  • a soot release during a container combustion causes turbidity in the combustion chamber 1 and thus a reduction in the light intensity at the sensor.
  • Gain, offset and averaging time (integration) of the sensor were set to maximum detection speed to ensure a fast response of the control signal.
  • other optical measuring devices emission and absorption measurement / IR, VIS or UV, which achieve sufficient signal speed.
  • the control signals 17 are recorded in the automation system (PLC) of the control system TELEPERM (process control system 16 ) for plant control and further processed there (cf. Fig.1 ).
  • the essential dynamic function blocks are processed within this control in the cycle of 400ms.
  • the response time of the controller is greater than / equal to 400ms.
  • the time-critical functions were implemented separately from the time-critical functions, the system was repackaged and the sampling and shift times optimized.
  • Fig.2 indicates the interconnection of the valves of the Nachbrennhuntbrenner 12 again. Since the shutter speeds of the control valves 18 of the afterburner chamber burner 12 do not reach the necessary speed, two further control valves (high-speed fire valve 19 and minimum flow valve 20 ) were inserted into the fuel supply line 21 to implement the control (cf. Fig.2 ). All three valves are controlled via the process control system 16 by means of control signals 17 . A hysteresis function can be used to set the threshold for tripping and the threshold for resetting the controller. A triggering of the control causes a shutdown of the main liquid fuel quantity at the two Nachbrennhuntbrennern via high-speed valve 19.
  • the amount of air and an adjustable minimum fuel through minimum flow valve 20 remain constant.
  • the resulting oxygen enrichment in the afterburning chamber allows burnout of the pollutants carbon black, organic C and CO, thus compliance with the emission limit values can be realized with a simultaneous increase in throughput.
  • the valve is removed from the control by the process control system when the control is activated and operated at constant flow. Optimizations are moving towards faster control valves to replace two-point control with finer-step control.
  • the control for reducing CO peaks thus comprises an optical measuring unit for detecting the bundle burnout (sensor unit 13 ), the processing of a measuring signal 15 in the process control system 16 of the incinerator to control signals 17 and a hardware-side valve interconnection in the fuel supply line 21 of the afterburner combustors 12 according to Fig.2 ,
  • 3a and c are directly comparable with each other (measuring range and resolution) and show the CO concentration curve 22 in the clean gas at the chimney when throwing in 1.0 liter containers fuel oil EL, each time over the current time t, with a throw every two minutes (see rash of the measuring signal 15 in 3 d as well as flue gas volume flow 24 in 3b and d ).
  • the averaged CO concentrations result in 180 mg / Nm 3 without and 11.5 mg / Nm 3 with regulation of the combustion process according to the invention (reduction of the CO concentration over 90%), the in 3a recognizable CO concentration peaks are virtually completely suppressed by the invention.
  • 3b and d are also directly comparable (measuring range and resolution) and show the unregulated ( 3b ) and regulated ( 3 d ) Heating oil flow rate 23 for the afterburner burners when throwing in 1.0 liter containers of fuel oil EL, in each case over the running time t.
  • the regulated fuel oil flow is directly to the also in 3 d coupled Meßsig- nal 15 and follows this always with minimum delay.
  • the burner air flow rate 25 and the flue gas volume flow 24 both in the 3b and d reproduced, no influence by the control of the combustion process.
  • the implementation example shows that the container throughput in the rotary tube and thus also the proportion of container combustion at the rotary thermal load still significant increases are possible because in the illustrated operating experiments with burner control in the afterburner CO emissions were achieved (11.5 mg CO / Nm 3 ), which are still well below the emission limit values according to 17th BImSchV (daily mean value: 50 mg CO / Nm 3 ).

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Gebindedurchsatzes in Drehrohranlagen gemäß dem ersten Patentanspruch.
  • 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. Derartige Drehrohranlagen sind beispielweise aus DE 4224571 A1 und aus US 4 782 766 bekannt.
  • 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.
  • 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 beispielhaft für die Erfindung offenbart und nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt sind. Es zeigen
    • Fig.1 den prinzipiellen Aufbau einer Drehrohranlage mit den erfindungsrelevanten Komponenten am Beispiel der halbtechnischen Versuchsanlage THERESA,
    • Fig.2 die Darstellung der Ventilverschaltung in der Brennstoffversorgungsleitung am Beispiel eines Nachbrennkammerbrenners sowie
    • Fig.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,
  • Fig.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 Fig.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 befindt 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 Fig.1 z.T. unter einer Flüssigkeit wie Wasser angeordnet) in eine Schlackemulde abgeworfen (in Fig.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. Idealer weise ist die Sensoreinheit 13 im unteren Bereich der Nachbrennkammer in axialer Verlängerung zum Drehrohr angeordnet (vgl. Fig.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 C oder CO) der Verbrennungsabgase und mit dieser Zuordnung eine Umsetzung der Informationen in Steuersignale 17 für die Nachbrennkammerbrenner 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. Fig.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.
  • Fig.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 Minimaldurchflussventil 20) in die Brennstoffversorgungsleitung 21 eingefügt (vgl. Fig.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 ersetzten.
  • 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 Fig.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). Fig.3a bis d geben die Ergebnisse in Diagrammen mit gleichem Zeitfenster (laufende Zeitt) wieder, wobei Fig.3a und b die Ergebnisse ohne und Fig.3c und d die korrespondierenden Ergebnisse mit der vorgenannten Regelung des Verbrennungsprozesses zeigen.
  • Fig.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 Fig.3d sowie Rauchgasvolumenstrom 24 in Fig.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 Fig.3a erkennbaren CO-Konzentrationspeaks durch die Erfindung praktisch vollständig unterdrückt werden.
  • Fig.3b und d sind ebenso direkt miteinander vergleichbar (Messbereich und Auflösung) und zeigen für die gleichen Betriebsversuche den ungeregelten ( Fig.3b ) und geregelten ( Fig.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 Fig.3d wiedergegebene Messsig-nal 15 gekoppelt und folgt diesem immer mit minimaler Verzögerung. Dagegen weisen der Brennerluftdurchsatz 25 und der Rauchgasvolumenstrom 24, beides in den Fig.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).
    • Bezugzeichenliste
    • 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

Claims (9)

  1. Verfahren zur Erhöhung des Gebindedurchsatzes in Drehrohranlagen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
    a) Bereitstellung einer Drehrohranlage mit einem Drehrohr (4) als Brennkammer (1), wobei das Drehrohr an einem Drehrohrende (9) in eine Nachbrennkammer (2) mit mindestens einem Nachbrennkammerbrenner (12) mit mindestens einer Gaszuführung sowie einem Abgasstrang mündet,
    b) Einleitung von Gebinden und sauerstoffhaltigen Gas in die Brennkammer (1),
    c) Verbrennung der Gebinde im sich drehenden Drehrohr (4) sowie
    d) Ableitung eines Rauchgases aus der Brennkammer (4) in die Nachbrennkammer (2) zu einer Nachverbrennung,
    wobei
    e) der Verbrennungsfortschritt durch optische Messungen im Drehrohr (4) laufend erfasst und als Regelgröße für eine Regelung der Verbrennungsbedingungen in Drehrohr und Nachbrennkammer herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messungen eine Rußkonzentrationsmessung über Emissionsmessungen oder über optische Transmissionsmessungen umfassen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei im Rahmen der Emissionsmessungen eine Messung der Abschwächung der Flammenstrahlung mit einer Photodiode oder einer Infrarotkamera erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Messungen eine Kohlenmonoxidkonzentrationsmessung über Absorptionsmessungen oder Emissionsmessungen umfassen.
  5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Messungen eine Sauerstoff-, Kohlendioxid- oder Wasserdampfkonzentrationsmessung über Absorptionsmessungen oder Emissionsmessungen umfassen.
  6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Messungen eine videooptische Bilderfassung und Bildverarbeitung umfassen.
  7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Regelung eine Regelung der Verbrennungsbedingungen in Drehrohr und Nachbrennkammer umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Regelung eine Regelung einer Brennstoffzufuhr für Drehrohrbrenner und Nachbrennkammerbrenner (12) umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Regelung zusätzlich eine Regelung der Gaszuführungen umfasst.
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