Verbrennungsverfahren für Brennstoffe beliebiger Art mittels einer Rostfeuerung

Abstract

 Verfahren zur Zuführung der Verbrennungsluft in Verbrennungsverfahren für Brennstoffe beliebiger Art mittels einer Rostfeuerung, welche in n Primärluftzonen unterteilt ist, wobei in den einzelnen Primärluftzonen Sauerstoffmengen in Form von Primärluft oder Reziluft oder als Gemisch aus beiden zugegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass den einzelnen Primärluftzonen zur Einhaltung einer Temperatur im Bereich der gewünschten adiabaten Verbrennungstemperatur des gesamten Verbrennungssystems unterschiedliche Sauerstoffmengen zugeführt werden, wobei für die Primärluftzone 1 im Bereich der Brennstoffaufgabe ein tatsächlicher Sauerstoffbedarf des Brennstoffes von λ_u = (0,2 - 0,4) + K (Heizwert, Wassergehalt, A-scheanteil) eingestellt wird, für die nachfolgenden Primärluftzonen 2 bis n -1 ein Sauerstoffbedarf von λ_u = 0,1 - 0,8 besteht und der Primärluftzone n ein Sauerstoffbedarf von λ_o = 1,5 - 2,8 entspricht.

Beschreibung

[0001] Die Luftverteilung im Verbrennungsverfahren einer modernen Müllverbrennungsanlage (MVA) ist seit längerer Zeit ein viel diskutiertes Thema. Mit dem Aufkommen der sogenannten Feuerungsleistungsregelung sind hier neue Diskussionspunkte gegeben. Neben den konventionellen Luftverteilungen mit fest eingestellten Luftvolumenströmen, die für Primärluft, Seitenwandluft (wenn vorhanden), Sekundärluft und Tertiärluft als weitere Eindüsebene über der Sekundärluft (wenn vorhanden) existieren Anlagen mit theoretischer Unterstöchiometrie im Bereich des Müllbettes über dem Verbrennungsrost. Bei diesen Anlagen wird meist die Primärluft über einzelne Primärluftzonen (häufig sind es 5 Primärluftzonen) zugeführt. Bei beiden Systemen sind lokale Überhitzungen im Feuerraum bekannt geworden, die zu erheblichen Schädigungen des Rostes und der Feuerraumauskleidung führen können bzw. bereits geführt haben.

[0002] Die quantitative Aufteilung in Primär- und Sekundärluft und die Aufteilung der Primärluft auf die einzelnen Primärluftzonen erfolgt empirisch. Die damit verbundenen thermodynamischen Vorgänge im Bereich der Feuerung können somit nicht überblickt werden.

[0003] Das Ziel einer optimalen Feuerungsführung muss eine gleichmäßige Verteilung der Feuerraumtemperaturen über den gesamten Feuerraum sein. Nur so können lange Standzeiten der Feuerraumelemente, verbunden mit

• geringen Schadstoffemissionen,
• vollständigem Ausbrand,

erreicht werden.

[0004] Bisher sind keine Feuerungsführungskonzepte bekannt geworden, die auf analytischen Grundlagen beruhen und das Ziel verfolgen, eine über den gesamten Bereich des Feuerraumes gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten Verbrennungsverfahren für Brennstoffe beliebiger Art mittels Rostfeuerung hinsichtlich einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über den Feuerraum zu verbessern.

[0006] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass den einzelnen Primärluftzonen zur Einhaltung einer Temperatur im Bereich der gewünschten adiabaten Verbrennungstemperatur des gesamten Verbrennungssystems unterschiedliche Sauerstoffmengen zugeführt werden, wobei für die Primärluftzone 1 im Bereich der Brennstoffaufgabe ein tatsächlicher Sauerstoffbedarf des Brennstoffes von λ_u = (0,2 - 0,4) + K ( Heizwert, Wassergehalt, Ascheanteil ) eingestellt wird. K entspricht hier einem Korrekturfaktor als Funktion des Einflusses des Heizwertes, des Ascheanteils und des Wassergehaltes sowie evtl. weiterer, das Brenngut beeinflussender Faktoren.
Für die nachfolgenden Primärluftzonen 2 bis n-1 wird ein Sauerstoffbedarf von λ_u = 0,1 - 0,8 und für die Primärluftzone n ein Sauerstoffbedarf von λ_o = 1,5 - 2,8 eingestellt.
Die Luftverteilung bei einer Rostfeuerung wird dabei derart durch die Luftaufteilung von Primärluft, Sekundärluft und/oder Reziluft und die Aufteilung der Primärluft auf die einzelnen Primärluftzonen gestaltet, dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den Feuerraum vorliegt.
Die Feuerraumtemperatur ist zweckmäßigerweise im Bereich der adiabaten Verbrennungstemperatur des Gesamtsystems anzusiedeln und kann damit auf einem gewünschten, entsprechend niedrigen Niveau gewählt werden.

[0007] Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Primärluftzone n eine weitere Primärluftzone als Ausbrandzone angeschlossen.

[0008] Die Differenz zwischen der für die gesamte Verbrennung gewünschten Sauerstoffmenge, enthalten in der Verbrennungsluft und der durch die Primärluft zugegebenen Sauerstoffmenge, erfolgt nach einem besonderen Merkmal über die Zugabe von Sekundärluft und - wenn vorhanden - von Tertiärluft.

Ausführungsbeispiel

[0009] Grundsätzlich ist von der in Figur 1 gezeigten schematischen Darstellung einer Rostfeuerung auszugehen. Diese verfügt im Wesentlichen über 5 Primärluftzonen, 2 Sekundärlufteindüsungen und - wenn vorhanden - eine Rezilufteindüsung. Nachfolgend soll gezeigt werden, wie die Luftaufteilung auf die einzelnen Primärluftzonen unter dem Primat einer festgelegten Feuerraumtemperatur vorgenommen werden kann.

[0010] In der Figur 2 wird der charakteristische Funktionsverlauf der Reaktionstemperatur für einen weiten Bereich der bekannten Brennstoffe in Abhängigkeit vom gewählten λ - Wert gezeigt. Der λ - Wert ist der Quotient aus zugeführtem Luftsauerstoff und dem Sauerstoffbedarf für die vollständige Verbrennung.

[0011] Bei einem λ - Wert = 1 (Zuführung der Menge an Luftsauerstoff, die für eine vollständige Verbrennung notwendig ist) ergibt sich die höchste adiabate Verbrennungstemperatur. Durch die Zuführung von mehr Verbrennungsluft (λ > 1) erreicht man bekanntermaßen eine Kühlung des Verbrennungsprozesses.
Bei einem λ - Wert < 1 befindet man sich im Vergasungsbereich, der ganz allgemein durch die thermodynamische Gleichgewichtslage der Reaktionspartner C, CO, CO₂, H₂, H₂O etc. beschrieben ist.
Der Energieumsatz erfolgt entsprechend dem in Figur 2 gezeigten Funktionsverlauf für den Vergasungsbereich. Dieser charakteristische Funktionsverlauf wurde durch eine Vielzahl von Beispielrechnungen mit den verschiedensten Müll- und anderen Brennstoffarten nachgewiesen.
Legt man eine für eine bestimmte Feuerungsführung geeignete Feuerraumtemperatur fest, so ergeben sich beim Eintragen dieser Temperatur (T_zul) in Figur 2 als Konstante (horizontaler Funktionsverlauf) zwei Schnittpunkte mit der dargestellten "Glockenkurve".
Lotet man diese Schnittpunkte auf die Abszisse, so erhält man die λ-Werte λ_u und λ_o. Bei einem λ ≤ λ_u wird die gewünschte Temperatur erreicht bzw. unterschritten. Äquivalent gilt das für λ ≥ λ_o.
Die Festlegung der Primärluftmenge λ_u für die Primärluftzone 1 kann bei Kenntnis des Funktionsverlaufes gemäß Figur 2 für den in die Zone 1 eingeführten Müll exakt ermittelt werden. Die Berechnung des Funktionsverlaufes ist effektiv mit einfachen Mitteln möglich. In dieser Verbrennungszone findet in der Regel die Erwärmung, die Wasserverdampfung sowie die Entgasung und die Vergasung des eingeführten Mülls statt. Da diese Vorgänge erheblichen Schwankungen unterliegen können, ist hier ein Korrekturfaktor K als Funktion des Einflusses des Heizwertes, des Ascheanteils und des Wassergehaltes sowie evtl. weiterer Faktoren zu berücksichtigen.
Gasförmige Reaktionsprodukte verlassen diese Zone nach oben in den Feuerraum, ein veränderter Müll wird an die Primärluftzone 2 übergeben. Zu diesem veränderten Müll muss wiederum die Funktion gemäß Figur 2 berechnet werden, damit λ_u für die
Primärluftzone 2 bestimmt werden kann. Es liegt somit die Primärluftmenge für die Zone 2 vor.
Dieser Vorgang wird dann äquivalent über die weiteren Primärluftzonen durchgeführt. Um einen vollständigen Ausbrand über die gesamte Rostlänge zu erreichen, ist es notwendig, in der letzten (oder auf Wunsch auch vorletzten) Primärluftzone nach der Ermittlung der Funktion gemäß Figur 2 für den dort ankommenden Müll/Brennstoff die Primärluft mit λ_o festzulegen. Das heißt, bei Einhaltung der gewählten Feuerraumtemperatur wird hier überstöchiometrisch verbrannt.
Selbstverständlich kann mit zunehmender Massereduktion über die Rostlänge hinweg die Transportgeschwindigkeit des Mülls/Brennstoffes angepasst werden.
Damit ist die Primärluftmenge und deren Aufteilung analytisch festgelegt.
An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass man bei einer empirischen Festlegung der Primärluftmenge für eine Zone in den Bereich λ = 1 "rutschen" kann. Dabei können extrem hohe Temperaturen auftreten, die dann zu entsprechenden Schäden am Rost bzw. der Feuerraumauskleidung führen können.
Mit der oben beschriebenen Verfahrensführung ist es möglich, durch eine zweckmäßige Wahl der gewünschten Temperatur in den einzelnen Primärluftzonen auf entsprechend niedrigem Niveau ein bestimmtes "Sicherheitspolster" für Heizwertund/oder Müllmengenschwankungen zu schaffen.
Zudem besteht die Möglichkeit, durch die Messung der Temperatur oberhalb der Verbrennungszonen eine Regelung der Primärluftmengen für die einzelnen Zonen in dem Bereich der analytisch ermittelten Luftmengen vorzunehmen und somit auf Störgrößen zu reagieren.
Letztlich sei darauf verwiesen, dass mit dieser Verfahrensführung eine "ideale" Feuerlänge auf dem Rost zwangsläufig gegeben ist.
Mit der Festlegung der gesamten Primärluftmenge ergibt sich anhand der Gesamtluftmenge (ermittelt aus der gewählten adiabaten Verbrennungstemperatur des Gesamtsystems) die verbleibende Sekundärluftmenge und - wenn vorhanden - Tertiärluft- und/oder Plattenluftmengen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Zuführung der Verbrennungsluft in Verbrennungsverfahren für Brennstoffe beliebiger Art mittels einer Rostfeuerung, welche in n Primärluftzonen unterteilt ist, wobei in den einzelnen Primärluftzonen Sauerstoffmengen in Form von Primärluft oder Reziluft oder als Gemisch aus beiden zugegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass
den einzelnen Primärluftzonen zur Einhaltung einer Temperatur im Bereich der gewünschten adiabaten Verbrennungstemperatur des gesamten Verbrennungssystems unterschiedliche Sauerstoffmengen zugeführt werden, wobei für die Primärluftzone 1 im Bereich der Brennstoffaufgabe ein tatsächlicher Sauerstoffbedarf des Brennstoffes von λ_u = (0,2 - 0,4) + K (Heizwert, Wassergehalt, Ascheanteil) eingestellt wird, für die nachfolgenden
Primärluftzonen 2 bis n -1 ein Sauerstoffbedarf von λ_u = 0,1 - 0,8 besteht und der Primärluftzone n ein Sauerstoffbedarf von λ_o = 1,5- 2,8 entspricht.

2. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Primärluftzone n eine weitere Primärluftzone als Ausbrandzone angeschlossen ist.

3. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Differenz zwischen der für die gesamte Verbrennung gewünschten Sauerstoffmenge, enthalten in der Verbrennungsluft, und der durch die Primärluft zugegebenen Sauerstoffmenge über die Zugabe von Sekundärluft, und - wenn vorhanden - über Zugabe von Tertiär- und/oder Plattenluft erfolgt.

Zeichnung