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(11) | EP 1 785 669 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Brennmaterial in einen Verbrennungsofen |
| (57) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Brennmaterial in
einen Verbrennungsofen über zumindest eine angetriebene Zuführeinrichtung, wobei zumindest
ein den Verbrennungsvorgang betreffender Parameter erfaßt, mit einem Sollwert verglichen
und entweder beim Überschreiten oder beim Unterschreiten des entsprechenden Sollwertes
die Brennmaterialzufuhr automatisch gedrosselt wird. |
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Brennmaterial in einen Verbrennungsofen, wobei es sich bei dem Verbrennungsofen bevorzugt um einen Wirbelschichtofen handelt.
[0002] Verbrennungsöfen der vorgenannten Art werden beispielsweise zur Abfall- oder Klärschlammverbrennung eingesetzt. Bei der Verbrennung im Verbrennungsofen entsteht Rauchgas, das zur Nutzung der im Rauchgas enthaltenen thermischen Energie durch einen Abhitzekessel geleitet wird. In der Abhitzenutzung, also im Dampfkessel, wird das Rauchgas abgekühlt, wobei im Abhitzekessel überhitzter Dampf erzeugt wird. Ein Teil des Dampfes wird häufig für den anlageneigenen Verbrauch eingesetzt, wobei die Hauptmenge des Dampfes jedoch in ein Dampfnetz eines Kraftwerkes eingespeist wird.
[0003] Bekannte Wärmeleistungsregelungen solcher Verbrennungsöfen regeln die Wärmeleistung häufig basierend auf dem in der Abhitzenutzung erzeugten Dampfvolumenstrom, der proportional zur im Verbrennungsofen erzeugten Wärmeleistung ist. Der Dampfvolumenstrom wird an geeigneter Stelle mit Hilfe entsprechender Sensorik erfaßt und mit einem voreingestellten Dampfvolumenstrom-Sollwert verglichen, der den Sollwert der Wärmeleistung repräsentiert. Basierend auf der Differenz zwischen dem Soll- und dem Istwert des Dampfvolumenstroms wird dann die Wärmeleistung geregelt.
[0004] Soll die Wärmeleistung des Verbrennungsofens beispielsweise konstant gehalten werden, so muß die Wärmeleistung erhöht werden, wenn der Istwert des Dampfvolumenstroms geringer als der vorbestimmte Sollwert ist. Ist der gemessene Wert des Dampfvolumenstroms hingegen größer als der Sollwert, so ist die Wärmeleistung des Verbrennungsofens entsprechend zu verringern. Entsprechen der gemessene Wert des Dampfvolumenstroms und der vorbestimmte Sollwert einander, so ist die Wärmeleistung des Verbrennungsofens konstant zu halten.
[0005] Eine Änderung der Wärmeleistung eines Verbrennungsofens erfolgt dabei durch die Regelung eines die Wärmeleistung beeinflussenden Parameters. Dabei kann als Regelparameter der Brennstoffvolumenstrom verwendetet werden, der dem Verbrennungsofen beispielsweise über Brenner in Form eines Stützbrennstoffes zugeführt wird. Der Stützbrennstoff wird normalerweise nur zum Anfeuern des Verbrennungsofens verwendet. Er kann natürlich auch zur Stützung der Wärmeleistung genutzt werden. Schließlich kann als Regelparameter auch der dem Verbrennungsofen zugeführte Brennmaterialvolumenstrom dienen. Je mehr Brennmaterial pro Zeiteinheit in Form von Abfall, Klärschlamm oder dergleichen in den Verbrennungsofen eingebracht wird, desto höher ist die Wärmeleistung des Verbrennungsofens.
[0006] Die zuvor beschriebenen bekannten Wärmeleistungsregelungen für Verbrennungsöfen haben sich in der Vergangenheit bewährt. Es ist jedoch stets wünschenswert und somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem der Wirkungsgrad die Verbrennungsqualität von Verbrennungsöfen verbessert werden können.
[0007] Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Brennmaterial in einen Verbrennungsofen über zumindest eine angetriebene Zuführeinrichtung nach Anspruch 1 und durch eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach Anspruch 10 gelöst.
[0008] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest ein den Verbrennungsvorgang betreffender Parameter erfaßt und mit einem zuvor definierten Sollwert verglichen. Bei dem Parameter handelt es sich bevorzugt um den Druck im Verbrennungsofen, die Temperatur im Verbrennungsofen, den O2-Gehalt im Verbrennungsofen, den Volumenstrom der Sekundärluft und/oder des Rezirkulationsgases oder um eine Kombination einzelner oder aller dieser Parameter. Sind der erfaßte Druck größer, die Temperatur höher, der O2-Gehalt geringer oder der Volumenstrom der Sekundärluft und/oder des Rezirkulationsgases größer als der entsprechende Sollwert, so ist dies ein Anzeichen dafür, daß die im Verbrennungsofen stattfindende Verbrennung übermäßig hoch ist. Entsprechend macht es zu einem Zeitpunkt, wenn der zumindest eine erfaßte Parameter seinen Sollwert, wie zuvor beschrieben, entweder über- oder unterschreitet, wenig Sinn, dem Verbrennungsofen viel Brennmaterial zuzuführen. Aus diesem Grund setzt hier die erfindungsgemäße Steuerung ein und drosselt automatisch die Brennmaterialzufuhr. Dazu wird beispielsweise die Drehzahl des Motors der Zuführeinrichtung reduziert, woraufhin sich der in den Verbrennungsofen eingetragene Brennmaterialvolumenstrom entsprechend verringert.
[0009] Die Drosselung der Brennmaterialzufuhr kann beispielsweise schrittweise erfolgen, so daß zum Beispiel nach und nach weniger Brennmaterial in den Verbrennungsofen eingetragen wird, bis ein vorbestimmter minimaler Brennmaterialvolumenstrom erreicht ist. Alternativ kann die Drosselung auch direkt auf einen vorbestimmten Brennmaterialvolumenstrom erfolgen.
[0010] Bevorzugt erfolgt die Drosselung über eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielsweise 30 Sekunden. Nach Ablauf dieser vorbestimmten Zeitdauer wird die Drosselung wieder aufgehoben, so daß die Brennmaterialzufuhr wieder im Normalbetrieb läuft.
[0011] Auch kann die Drosselung erst dann wieder aufgehoben werden, wenn der Sollwert des erfaßten Parameters wieder erreicht ist, woraufhin die Brennmaterialzufuhr in ihren Normalbetrieb zurückkehrt.
[0012] Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Durchführen des zuvor beschriebenen Steuerverfahrens. Die Vorrichtung weist entsprechende Sensoren auf, um den oder die Werte derjenigen Parameter zu erfassen, die für die ordnungsgemäße Durchführung des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens verwendet werden. Zur Messung der Temperatur wird beispielsweise bevorzugt ein Pyrometer verwendet, da Pyrometer quasi verschleißfrei arbeiten und die Durchführung sehr schneller Messungen ermöglichen.
[0013] Nachfolgend wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die Zeichnung genauer beschrieben.
[0014] Die Zeichnung zeigt schematisch einen Abfallverbrennungsofen in Form eines herkömmlichen Wirbelschichtofens 10 mit stationärer Wirbelschicht, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung der Brennmaterialzufuhr in den Wirbelschichtofen 10 ausgestattet ist. Die für die Verbrennung des über eine angetriebene Zuführeinrichtung 11 zugeführten Abfalls und die zum Fluidisieren des Wirbelbetts erforderliche Primärluft 15 wird in einem nicht dargestellten Luftvorwärmer vorgewärmt und gelangt über den Düsenboden 14 in den Wirbelschichtofen 10, was durch den Pfeil 15 gezeigt ist. Im Anfahrbetrieb wird der Wirbelschichtofen 10 über nicht gezeigte Anfahrbrenner, die mit Stützbrennstoff, wie beispielsweise Öl oder Erdgas, betrieben werden, sowie über die aufgeheizte Primärluft auf Betriebstemperatur aufgeheizt. Die Anfahrbrenner dienen ferner der Beheizung des Wirbelschichtofens 10 im sogenannten Warmhaltebetrieb oder können zum Ausgleich kurzfristiger Wärmeleistungsschwankungen eingesetzt werden. Oberhalb der Wirbelschicht 12 wird über Sekundärluftleitungen 16 Sekundärluft zugeführt, um den Ausbrand des durch die Verbrennung des Abfalls erzeugten Rauchgases bei einem O2-Gehalt von vorzugsweise mehr als 6% in einer sogenannten Nachbrennzone 18 sicherzustellen. Das Rauchgas verläßt den Wirbelschichtofen 10 über einen Rauchgaskanal 20 und wird zum Abhitzekessel geleitet, wo die im Rauchgas enthaltene thermischen Energie zur Erzeugung überhitzten Wasserdampfes genutzt wird. Der bei der Wasserdampferzeugung entstehende Dampfvolumenstrom ist proportional zur im Wirbelschichtofen 10 erzeugten Wärmeleistung. Zur Verbesserung des Wirbelverhaltens und zur Optimierung der Verbrennungsführung wird Rauchgas, das hinter einem nicht dargestellten Elektrofilter aus dem Rauchgaskanal 20 entnommen wird, über Rezirkulationsleitungen 22 in den Wirbelschichtofen 10 zurückgeführt. Bei sämtlichen Betriebszuständen wird durch die Regelung eines nicht dargestellten Rauchgasgebläses ein Unterdruck in der Nachbrennzone 18 und somit im nachgeschalteten, nicht gezeigten Rauchgasweg eingestellt. Da ein Teil der durch die Verbrennung erzeugten Asche nicht mit dem Rauchgas aus dem Wirbelschichtofen 10 ausgetragen wird und sich im Wirbelschichtofen 10 anreichert, muß Bettmaterial von Zeit zu Zeit über Austragsschurren 24 und Austragsschnecken 26 entfernt und anschließend einem nicht dargestellten Aschesilo zugeführt werden.
[0015] Die Wärmeleistung des Wirbelschichtofens 10 wird vorliegend im Normalbetrieb unter Einsatz einer herkömmlichen Wärmeleistungsregelung der eingangs beschriebenen Art geregelt. Der in der Abhitzenutzung erzeugte Dampfvolumenstrom wird mittels geeigneter Sensorik erfaßt und mit einem vorbestimmten Sollwert verglichen. Basierend auf dem Vergleichsergebnis wird dann der Brennmaterialvolumenstrom eingestellt, indem die Drehzahl des Motors der Zuführeinrichtung 11 wahlweise erhöht oder verringert wird.
[0016] An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Wärmeleistung des in der Zeichnung dargestellten Wirbelschichtofens 10 im Normalbetrieb auch unter Einsatz einer anderen bekannten Wärmeleistungsregelung geregelt werden kann. Alternativ können die die Wärmeleistung des Wirbelschichtofens 10 betreffenden Parameter fest eingestellt sein, ohne überhaupt eine Wärmeleistungsregelung zu verwenden, worauf nachfolgend jedoch nicht näher eingegangen wird.
[0017] Ein Problem hinsichtlich einer solchen Wärmeleistungsregelung, bei der der Brennmaterialvolumenstrom basierend auf dem erfaßten Dampfvolumenstrom verändert wird, um eine konstante Wärmeleistung des Wirbelschichtofens einzustellen, besteht darin, daß der Brennwert des zugeführten Brennmaterials normalerweise nicht konstant ist, sondern sich mit der Zusammensetzung des als Brennmaterial verwendeten Abfalls ändert. So kann die in dem Wirbelschichtofen 10 erzeugte Wärmeleistung trotz konstant eingestelltem Brennmaterialvolumenstrom aufgrund des unterschiedlichen Brennwertes des Abfalls variieren, was zu ungewollten Wärmeleistungsschwankungen führen kann, die durch die Wärmeleistungsregelung kaum abgefangen werden können.
[0018] Erfindungsgemäß wird nun innerhalb des Wirbelschichtofens 10 mit einem nicht dargestellten Pyrometer die Temperatur erfaßt und mit einem vorbestimmten Temperatursollwert verglichen. Ist die erfaßte Temperatur höher als der vorbestimmte Sollwert, so wird davon ausgegangen, daß die derzeit in dem Wirbelschichtofen 10 stattfindende Verbrennung zu hoch ist, weshalb die erfindungsgemäße Steuerung einsetzt und die Brennmaterialzufuhr durch Drosselung der Drehzahl des Motors der Zuführeinrichtung 11 verringert. Die erfindungsgemäße Steuerung ersetzt dabei die Wärmeleistungsregelung temporär, d.h. sobald die erfindungsgemäße Steuerung einsetzt, wird der Regelausgang der Wärmeleistungsregelung auf den Wert Null gesetzt, so daß diese zeitweise keinen Einfluß auf den Brennmaterialvolumenstrom hat, der von der Zuführeinrichtung 11 in den Verbrennungsofen gefördert wird. Anstelle der Temperatur können auch der Druck im Verbrennungsofen, der O2-Gehalt im Verbrennungsofen, der Volumenstrom der Sekundärluft und/oder des Rezirkulationsgases oder eine Kombination einzelner oder aller dieser Parameter erfaßt und mit entsprechenden Sollwerten verglichen werden, wobei die erfindungsgemäße Steuerung die Brennmaterialzufuhr steuert, sobald diese Sollwerte entsprechend entweder über- oder unterschritten werden, was eingangs bereits beschrieben wurde.
[0019] Die Brennmaterialzufuhr wird bei der für den in der Zeichnung dargestellten Wirbelschichtofen 10 eingesetzten Steuerung schrittweise gedrosselt. Das bedeutet, daß die Drehzahl des die Zuführeinrichtung 11 antreibenden Motors in einer vorbestimmten Anzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten auf eine minimale Drehzahl gedrosselt wird, um auf diese Weise den Brennmaterialvolumenstrom nach und nach zu reduzieren. Ist die minimale Drehzahl erreicht, so schaltet die erfindungsgemäße Steuerung ab, woraufhin die Wärmeleistungsregelung wieder die Kontrolle über den Brennmaterialvolumenstrom übernimmt. Wird der Temperatursollwert daraufhin erneut überschritten, so setzt wieder die erfindungsgemäße Steuerung ein.
[0020] Alternativ kann die erfindungsgemäße Regelung die Drehzahl des die Zuführeinrichtung 11 antreibenden Motors bei Überschreiten der Solltemperatur auch direkt für eine vorbestimmte Zeitdauer auf eine vorbestimmte Drehzahl drosseln. Nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer schaltet die Steuerung dann ab, woraufhin wieder die Wärmeleistungsregelung die Motordrehzahl regelt.
[0021] Auch kann die Steuerung derart eingerichtet sein, daß sie erst dann wieder abschaltet, wenn der Vergleich des erfaßten Parameterwertes mit dem vorbestimmten Sollwert ergibt, daß diese miteinander übereinstimmen. Eine solche Steuerung wäre dann zeitunabhängig.
[0023] Sind mehrere Zuführeinrichtungen 11 vorgesehen, so werden entsprechend mehrere Motoren von der erfindungsgemäßen Steuerung angesteuert. Fällt eine dieser Zuführeinrichtungen aus, so wird die Drehzahl der Motoren der anderen Zuführeinrichtungen um ein entsprechendes Maß erhöht, um den Ausfall zu kompensieren.
[0024] Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Steuerung werden bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Wirkungsgrad und die Verbrennungsqualität (Emissionen) des Wirbelschichtofens verbessert. Sobald der erfaßte Parameter erkennen läßt, daß die Verbrennung innerhalb des Wirbelschichtofens 10 zu hoch ist, beispielsweise aufgrund der Tatsache, daß der Brennwert des derzeit in dem Wirbelschichtofen 10 vorhandenen Abfalls sehr hoch ist, so übemimmt die Steuerung die Kontrolle über die Brennmaterialzufuhr, die im Normalfall der Wärmeleistungsregelung obliegt. Entsprechend wird sichergestellt, daß dem Wirbeischichtofen 10 nicht mehr Abfall als nötig zugeführt wird, um die gewünschte Wärmeleistung zu erzielen.
[0025] Es sollte klar sein, daß die unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht einschränkend ist, sondern daß Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, der durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Steuerung auch dann eingesetzt werden, wenn gar keine Wärmeleistungsregelung vorgesehen ist. Sind hingegen eine oder mehrere Wärmeleistungsregelungen vorgesehen, so ersetzt die erfindungsgemäße Steuerung die Wärmeleistungsregelung temporär, wodurch der Wirkungsgrad, wie unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, verbessert wird.
Bezugszeichenliste:
1. Verfahren zur Steuerung der Zufuhr von Brennmaterial in einen Verbrennungsofen (10)
über zumindest eine angetriebene Zuführeinrichtung (11), wobei zumindest ein den Verbrennungsvorgang
betreffender Parameter erfaßt, mit einem Sollwert verglichen und beim Über- bzw. Unterschreiten
des entsprechenden Sollwertes die Brennmaterialzufuhr automatisch gedrosselt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erfaßte Parameter der Druck im Verbrennungsofen
(10) ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erfaßte Parameter die
Temperatur im Verbrennungsofen (10) ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erfaßte Parameter der
O2-Gehalt im Verbrennungsofen (10) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erfaßten Parameter
der Volumenstrom der Sekundärluft und/oder des Rezirkulationsgases ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Brennmaterialzufuhr
schrittweise gedrosselt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Brennmaterialzufuhr
auf einen vorbestimmten Brennmaterialvolumenstrom gedrosselt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Brennmaterialzufuhr
über eine vorbestimmte Zeitdauer gedrosselt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Brennmaterialzufuhr
so lange gedrosselt wird, bis der Sollwert des Parameters wieder erreicht ist.
10. Vorrichtung zum Durchführen des Steuerverfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.
10. Vorrichtung zum Durchführen des Steuerverfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche,
gekennzeichnet durch ein Pyrometer.