EP3322936B1 - Verfahren zur regelung eines brennprozesses - Google Patents

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EP3322936B1
EP3322936B1 EP16741262.6A EP16741262A EP3322936B1 EP 3322936 B1 EP3322936 B1 EP 3322936B1 EP 16741262 A EP16741262 A EP 16741262A EP 3322936 B1 EP3322936 B1 EP 3322936B1
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EP
European Patent Office
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fuel
analysis
substitute
spectroscopic analysis
substitute fuel
Prior art date
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Active
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EP16741262.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3322936A1 (de
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Reinhard Teutenberg
Jürgen Schneberger
Marc BORNEFELD
Oliver Maier
Uwe Bendig
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.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Industrial Solutions AG filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP3322936A1 publication Critical patent/EP3322936A1/de
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Publication of EP3322936B1 publication Critical patent/EP3322936B1/de
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    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/001—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals for sludges or waste products from water treatment installations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23G5/20—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having rotating or oscillating drums
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    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2900/00—Special features of, or arrangements for incinerators
    • F23G2900/55—Controlling; Monitoring or measuring
    • F23G2900/55011—Detecting the properties of waste to be incinerated, e.g. heating value, density
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2221/00—Pretreatment or prehandling
    • F23N2221/10—Analysing fuel properties, e.g. density, calorific
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/48—Learning / Adaptive control

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a combustion process, wherein at least one substitute fuel in the form of an airworthy fraction is used.
  • raw waste such as scrap tires, plastics, industrial and commercial waste, as well as animal meal and animal fats, are suitable for use in the refuse-derived fuel industry for use in the cement industry.
  • waste oil, solvents and municipal waste are used for treatment, among other things.
  • the available alternative fuels are often very inhomogeneous in their material quality.
  • impurities such as sulfur, heavy metals and chlorine
  • substitute fuels with a certain quality are sold.
  • a near infrared spectroscopy (NIR) or X-ray fluorescence analyzes (RFA) are used for analyzing the fuels used in particular.
  • NIR near infrared spectroscopy
  • RMA X-ray fluorescence analyzes
  • the material composition, the moisture content and the pollutant contents can be analyzed.
  • wet-chemical analyzes are also used, but they are very expensive due to the strongly fluctuating composition of the substitute fuels.
  • a method for controlling a combustion device in which a biomass fuel having a particle size of less than 1 to 500 mm is used.
  • an analysis is carried out with an NIR spectrometer, the values determined during the analysis being used to control the incinerator.
  • the invention is therefore based on the object to improve the method for compliance with emission limits in a combustion process.
  • this object is achieved by the features of claim 1 by the method for controlling a combustion process, at least one substitute fuel in the form of an airworthy fraction is used, wherein at least a portion of the substitute fuel is subjected in a first analysis device of a vibration spectroscopic analysis and at used in the analysis to control the firing process. Furthermore, the vibration spectroscopic analysis is performed by means of terahertz spectroscopy, whereby, depending on the values determined during the vibration spectroscopic analysis and / or at certain times, a part of the substitute fuel already analyzed in the first analysis device is discharged and fed to a second chemical analysis.
  • a vibrational spectroscopic analysis is a group of analytical measuring methods based on the excitation of the normal vibrations of molecules. These include, in particular, infrared spectroscopy, UV / VIS spectroscopy and Raman spectroscopy. However, terahertz spectroscopy is used here.
  • Molecular spectroscopic analysis methods are particularly suitable for checking the substitute fuel, in particular during its promotion to a combustion zone, especially since it can be done without contact and no further treatment of the fuel is required.
  • Terahertz spectroscopy is distinguished from near-infrared spectroscopy primarily by a higher penetration depth, so that overlapping fuel fractions can also be detected.
  • the calorific value, the moisture, the carbon content and the chlorine content of the substitute fuel or substitute fuel mixture can be determined in particular by means of terahertz spectroscopy.
  • Terahertz Time Domain Spectroscopy is a reliable method for non-contact and nondestructive testing. By the fuel or the fuel mixture point by point
  • images in 2D format (imaging) or even 3D format (tomography) can be obtained.
  • Terahertz waves are electromagnetic waves in the frequency range between 100 GHz and 10 THz. Many molecules in this spectral region show characteristic signatures in their absorption spectra (chemical fingerprint). In addition, many are transparent to visible light or infrared (IR) impenetrable materials for terahertz waves.
  • the terahertz (time domain) spectroscopy is based on the generation of broadband electromagnetic radiation by ultrashort femtosecond laser pulses and on the detection with the pump-probe principle.
  • the advantages are a coherent detection of the terahertz waves and thus a high-resolution amplitude and phase recording of the electric terahertz field in the time domain.
  • This measurement technique suppresses incoherent radiation, i. H. there is no interference from room temperature and ambient light.
  • terahertz spectroscopy provides information on intermolecular motion.
  • IR and Raman spectroscopy which are sensitive to intramolecular vibrational and rotational motion
  • terahertz spectroscopy provides information on intermolecular motion.
  • the terahertz technique is faster, requires minimal preparation of the object to be examined and can in principle be used both for inline and online control.
  • the substitute fuel is subjected to the vibration spectroscopic analysis during its promotion via a feed line to a combustion zone.
  • any substitute fuel which is due to its composition (for example, a too high chlorine content) should not enter the combustion zone, be prematurely discharged.
  • the firing process can be adapted directly to a changing composition of the substitute fuel and an associated burning behavior.
  • terahertz spectrometers With terahertz spectrometers, the chemical fingerprint of substances (gases, liquids, solids) can be determined. Measurements are possible both in transmission and in reflection. To investigate powders and liquids, an ATR (Attenuated Total Reflection) arrangement can also be used. The evaluation of the spectroscopy measured values is preferably carried out automatically by means of chemometry. A terahertz spectrometer can also be used to determine the moisture distribution.
  • chemical information is extracted from the data of the terahertz spectroscopy by means of chemometric methods.
  • Chemometrics is the application of mathematical and statistical methods to reliably extract information from experimental data.
  • chemometrics as a basis for automation in a first phase of training or learning phase, mostly known substances are repeatedly measured under many different conditions. Based on this data, expert systems or databases are subsequently set up.
  • the test phase further measurements are taken and tested against the database.
  • PCA Principal Component Analysis
  • the first major axis is in the direction of the highest variance
  • the second major axis is perpendicular to it in the direction of the second highest variance, and so on.
  • the shares of the higher major axes are then disregarded.
  • the presentation of the original measurements in the PCA-transformed room often already shows a visible separation of the data. Ideally, individual clusters are formed for each substance.
  • chemical information is extracted from the data by means of chemometric methods, which information was determined during the oscillation spectroscopic analysis of the substitute fuel.
  • the chemical information obtained can then be summarized and classified in a database using self-learning algorithms, with cluster analysis preferably being used for structuring the data or data records.
  • the data of the substitute fuel determined during the vibration spectroscopic analysis are compared with comparative data in order to automatically detect anomalies.
  • the comparative data can be determined by a vibration spectroscopic analysis of known substitute fuels or known proportions of the substitute fuels. To determine the comparative data, parts of the Substitute fuel is divided into different components and individually examined by means of vibration spectroscopic analysis.
  • the regulation of the fuel may be to affect the amounts of fuel. If it is determined, for example, that the substitute fuel has too low calorific value, the fuel supply can be increased overall or a higher-value fuel can be supplied with a correspondingly larger proportion.
  • the regulation of the combustion process can also consist, for example, in a change in the combustion air or in an adjustment of the flame shape on the burner used.
  • the burning process takes place in the context of a cement production process, wherein the combustion zone is formed by a rotary kiln and / or a precalciner.
  • the fuel or fuel mixture is also fed via at least one burner of the combustion zone.
  • the vibration spectroscopic analysis is designed such that in particular the calorific value and / or the humidity and / or the carbon content and / or the chlorine content of the substitute fuel are determined.
  • the substitute fuel can be formed for example by sewage sludge or preferably by an airworthy fraction (so-called fluff), wherein the flyable fraction expediently has a particle size of 1 to 5 mm. If the substitute fuel used is relatively inhomogeneous, it is advisable to comminute and / or homogenize the substitute fuel on the feed line to the combustion zone in at least one mill. For this purpose, for example, an intermediate eddy current mill is suitable.
  • part of the substitute fuel is discharged on the feed path to the combustion zone and prepared for a second chemical analysis and analyzed. This is done, for example, when large deviations from the standard or large fluctuations are detected by means of the vibration spectroscopic analysis.
  • Fig. 1 shows a block diagram of a preferred embodiment of the method according to the invention, wherein a substitute fuel 1 in the form of an airworthy fraction via a feed line 2 at least one combustion zone 5 is supplied, which is, for example, a rotary kiln and / or a Vorcalcinator with a burner.
  • the substitute fuel 1 is optionally further comminuted and / or homogenized on the feed line 2 to the combustion zone 5, initially in at least one mill 3, for example an eddy-current mill, if this is necessary.
  • the substitute fuel 1 should preferably be in the size of 1 to 5 mm for the task in the combustion zone 5.
  • the airworthy fraction is, for example, fluff wool, flour-shaped fluff or fluff pellets. After pre-shredding, eg in an eddy-current mill, the fluff is in a more homogeneous form. During comminution, the fluff is better mixed and can then be easily transported, analyzed and dosed.
  • suitable transport mechanisms such as conveyor belts, scratches, suction conveyor, etc. are provided.
  • a first analysis device 4 for a vibration spectroscopic analysis is further arranged, which can be formed, for example, by infrared spectroscopy, Raman spectroscopy or UV / VIS spectroscopy.
  • a terahertz spectroscopy is used here.
  • Terahertz spectroscopy is a reliable method for non-contact and non-destructive testing of materials, especially for the substitute fuel of interest here suitable.
  • the substitute fuel 1 is automatically detected in fixed time grids by the first analysis device 4, the recorded data being evaluated accordingly.
  • Terahertz spectroscopy makes it possible in particular to determine the calorific value, humidity, carbon and chlorine content.
  • the determined data of the first analysis device 4 are processed, wherein chemometric methods can be used to extract chemical information from the data.
  • the chemical information obtained can then be summarized and classified in particular with self-learning algorithms in one or more databases 9, wherein the cluster analysis can be used for structuring the data or data sets.
  • the values determined during the vibration spectroscopic analysis are evaluated in the evaluation device 8 and used to control the combustion process in the combustion zone 5.
  • a second fuel 6 is used in the combustion zone 5 in addition to the substitute fuel 1
  • the regulation of the firing process on the basis of the vibration spectroscopic analysis for example, in a change in the ratio of the two fuels 1 and 6 consist.
  • the regulation of the combustion process may include a change of the combustion air 7, which is supplied to the combustion zone 5.
  • the combustion zone 5 is part of a cement production plant and the regulation of the combustion process can consist in particular of a change in the distribution of the primary, secondary and tertiary air occurring there.
  • the control may also include an adaptation of the flame shape.
  • a subset 1 "of the substitute fuel can be sorted out beforehand.
  • a part 1 'of the substitute fuel already analyzed in the first analysis device 4 is discharged and fed to a second chemical analysis.
  • the discharged substitute fuel 1 ' is first processed in a processing device 10 ready for analysis samples 11 and then subjected in a second analysis device 12 to a second chemical analysis, for example, one or more of the following analysis methods can be used: X-ray fluorescence analysis, terahertz spectroscopy, Elemental analysis, calorific value determination, etc.
  • the determined data of the second analysis device 12 are further processed, in turn, chemometric methods can be used to extract chemical information from the data.
  • the chemical information obtained can then be summarized and classified, in particular, with self-learning algorithms in the at least one database 9, whereby the cluster analysis can also be used for structuring the data or data sets.
  • the values determined in the second chemical analysis are then also used to control the combustion process in the combustion zone 5. They also serve to review and adapt the first chemical analysis.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Brennprozesses, wobei wenigstens ein Ersatzbrennstoff in Form einer flugfähigen Fraktion zum Einsatz kommt.
  • In vielen Bereichen der Industrie, wie beispielsweise bei Zement-, Kalk- und Braunkohlekraftwerkten und großenteils auch in Industriekraftwerken, werden in zunehmendem Maße Ersatzbrennstoffe, insbesondere aus Hausmüll und Gewerbeabfällen, eingesetzt. Die Aufbereitungsintensität des Brennstoffs ist dabei von seinem Einsatzbereich sowie von unterschiedlichen Qualitätsanforderungen des Abnehmers, die eine eindeutige Spezifikation des abzunehmenden Brennstoffs vorgeben, abhängig. Bedeutende Brennstoffparameter ergeben sich aus der Qualität der bei der Brennstoffherstellung genutzten Rohabfälle. Diese sind insbesondere Heizwert, Glührückstand (Veraschen) und Chlorgehalt. Je nach den emissionsrechtlichen Genehmigungen der Anlage, in der der Brennstoff verwertet wird, werden Mindest- und Höchstwerte für Schwermetallgehalte definiert und verschiedene Forderungen an den Grad der Metallentfrachtung gestellt. An die Korngröße des Brennstoffs werden ebenfalls unterschiedliche Anforderungen gestellt. Besonders wichtig ist hier die Stückigkeit, also die Begrenzung der Stückgröße und Schüttdichte. Auch die Art der Lagerung und des Transportes sind von der Verwertungsweise des Brennstoffes abhängig.
  • Je höher die Qualitätsanforderungen durch die Abnehmer des Brennstoffs (Ersatzbrennstoff) sind, desto selektiver muss die eingesetzte Abfalltrennung vorgenommen werden. Schon bei der Eingangskontrolle muss eine Mindestqualität des Rohabfalls sichergestellt werden, um Verunreinigungen zu minimieren und eine hohe Brennstoffausbeute zu erhalten. Die Aufbereitung eines Abfallgemisches beginnt mit der Vorsortierung bzw. der Störstoffauslese, es folgen die Grobzerkleinerung und darauf die Siebklassierung sowie die Eisen-Magnetscheidung magnetisierbarer Metalle. Zur Abtrennung von hochkalorischen Fraktionen werden Windsichter eingesetzt. Dadurch werden Kunststofffolien und Papier angereichert bzw. flächige und flugfähige Bestandteile im Leichtstoffstrom gesammelt.
  • Um qualitätsgesicherte Ersatzbrennstoffe herzustellen, sind weitere Aufbereitungsschritte notwendig. Für den Einsatz in Zementwerken wird zum Beispiel eine Feinaufbereitung durchgeführt, wobei sensorische Sortierungen durch Nahinfrarotspektroskopie und Bilderkennungssysteme stattfinden. Es können auch weitere Metallsortierungen zur Anwendung kommen, sodass Nichteisenmetalle abgeschieden werden. Durch eine Sensorsortierung können weiterhin Chlorträger entfernt werden. Ein nachgeschalteter Windsichter kann dabei weitere Störstoffe aussortieren und durch Trocknungsschritte werden Lagerstabilität und Heizwert erhöht.
  • Anlagen welche Ersatzbrennstoffe nutzen, müssen europaweit mindestens den Anforderungen der EU-Richtlinie 2000/76/EG zur Verbrennung und Mitverbrennung von Abfällen entsprechen. Im Deutschland gilt für die Abfallverbrennung und Mitverbrennungsanlagen außerdem die 17.BlmSchV.
  • Mit Energieanteilen von ungefähr 15% und darüber eignen sich Rohabfälle wie Altreifen, Kunststoffe, Industrie- und Gewerbeabfälle sowie Tiermehl und Tierfette zur Ersatzbrennstoffaufbereitung für den Einsatz in der Zementindustrie. Mit geringeren Energieanteilen werden unter anderem auch Altöl, Lösungsmittel sowie Siedlungsabfälle für die Aufbereitung genutzt.
  • Die zur Verfügung stehenden Ersatzbrennstoffe sind jedoch in ihrer Materialqualität oft sehr inhomogen. Um die immer enger definierten Emissionsgrenzwerte einhalten zu können, ist es von besonderem Interesse den Gehalt an Störstoffen, wie Schwefel, Schwermetallen und Chlor, der zum Einsatz kommenden Ersatzbrennstoffe zu kennen. Aufgrund der Heterogenität der genutzten Ersatzbrennstoffe ist es aber nach wie vor schwierig, belastbare Aussagen über die Materialqualität zu gewinnen.
  • In der Praxis werden entsprechend aufbereitete Ersatzbrennstoffe mit bestimmter Qualität vertrieben. Zur Analyse der eingesetzten Brennstoffe kommen insbesondere eine Nahinfrarotspektroskopie (NIR) oder Röntgenfluoreszenz-Analysen (RFA) zur Anwendung. Dabei lassen sich beispielsweise die Materialzusammensetzung, der Feuchtigkeitsgehalt und die Schadstoffgehalte analysieren. Des Weiteren kommen auch nasschemische Analysen zur Anwendung, die jedoch aufgrund der stark schwankenden Zusammensetzung der Ersatzbrennstoffe sehr aufwendig sind.
  • Stark schwankende Zusammensetzungen der Ersatzbrennstoffe bedingen aber auch entsprechend stark variierende Emissionen. Es kommt hinzu, dass die Ersatzbrennstoffe oftmals aus einem Gemisch unterschiedlicherer Ersatzbrennstoffe bestehen und dadurch bedingt auch der Brennwert innerhalb einer Charge schwanken kann. Für viele Verbrennungsprozesse, wie beispielsweise bei der Zementklinkerherstellung, kommt es jedoch entscheidend auf eine möglichst gleichmäßige Wärmezufuhr an, um die gewünschte Qualität des Endprodukts (Zementklinker) gewährleisten zu können. Die Forderungen an einen möglichst homogenen Brennwert und die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten stehen somit einer Erhöhung des Anteils an Ersatzbrennstoffen in einem Brennprozess entgegen.
  • Aus der WO 2013/107509 A1 ist eine Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungseinrichtung bekannt, bei dem ein Biomassebrennstoff mit einer Korngröße von weniger als 1 bis 500 mm zum Einsatz kommt. Auf dem zu der Verbrennungseinrichtung führenden Förderband wird eine Analyse mit einem NIR-Spektrometer durchgeführt, wobei die bei de Analyse ermittelten Werte zur Steuerung der Verbrennungseinrichtung herangezogen werden.
  • In der US 2012/117815 A1 wird die Ermittlung des Wassergehalts oder Heizwertes eines Brennstoffs mittels Terahertzspektroskopie offenbart.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten in einem Brennprozess zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, indem beim Verfahren zur Regelung eines Brennprozesses, wenigstens ein Ersatzbrennstoff in Form einer flugfähigen Fraktion zum Einsatz kommt, wobei wenigstens ein Teil des Ersatzbrennstoffs in einer ersten Analyseeinrichtung einer schwingungsspektroskopischen Analyse unterzogen wird und die bei der Analyse ermittelten Werte zur Regelung des Brennprozesses verwendet werden. Weiterhin erfolgt die schwingungsspektroskopische Analyse mittels einer Terahertzspektroskopie, wobei in Abhängigkeit der bei der schwingungsspektroskopischen Analyse ermittelten Werte und/oder zu bestimmten Zeiten ein Teil des in der ersten Analyseeinrichtung bereits analysierten Ersatzbrennstoffs ausgeschleust und einer zweiten chemischen Analyse zugeführt wird.
  • Unter einer schwingungsspektroskopischen Analyse ist eine Gruppe von analytischen Messmethoden zu verstehen, die auf der Anregung der Normalschwingungen von Molekülen basiert. Hierzu zählen insbesondere die Infrarotspektroskopie, die UV/VIS-Spektroskopie und die Ramanspektroskopie. Hier kommt jedoch die Terahertzspektroskopie zur Anwendung.
  • Molekülspektroskopische Analysemethoden eignen sich in besonderem Maße zur Überprüfung des Ersatzbrennstoffs, insbesondere während seiner Förderung zu einer Brennzone, zumal sie berührungslos erfolgen kann und keine weitere Aufbereitung des Brennstoffes erforderlich ist. Die Terahertzspektroskopie zeichnet sich gegenüber einer Nahinfrarotspektroskopie vor allem durch eine höhere Eindringtiefe aus, so dass auch überlappende Brennstofffraktionen detektiert werden können. Außerdem können mittels der Terahertzspektroskopie insbesondere der Heizwert, die Feuchte, der Kohlenstoffgehalt und der Chlorgehalt des Ersatzbrennstoffs bzw. Ersatzbrennstoffgemisches ermittelt werden.
  • Die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie (engl. Time Domain Spectroscopy TDS) eignet sich als eine zuverlässige Methode zur berührungslosen und zerstörungsfreien Untersuchung. Indem der Brennstoff bzw. das Brennstoffgemisches Punkt für Punkt durchleuchtet wird, lassen sich zusätzlich zur Spektroskopie auch Abbildungen im 2D-Format (Imaging) oder sogar 3D-Format (Tomographie) gewinnen. Terahertz-Wellen sind elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 10 THz. Viele Moleküle zeigen in diesem Spektralbereich charakteristische Signaturen in ihren Absorptionsspektren (chemischer Fingerabdruck). Darüber hinaus sind viele für sichtbares Licht oder Infrarot (IR) undurchdringliche Stoffe für Terahertz-Wellen transparent.
  • Die Terahertz-(Zeitbereichs)spektroskopie (THz-TDS) beruht auf der Erzeugung breitbandiger elektromagnetischer Strahlung durch ultrakurze Femtosekunden-Laserpulse und auf dem Nachweis mit dem Pump-Probe-Prinzip. Die Vorteile dabei sind eine kohärente Detektion der Terahertz-Wellen und damit eine hochaufgelöste Amplituden- und Phasenaufnahme des elektrischen Terahertz-Feldes im Zeitbereich. Diese Messtechnik unterdrückt inkohärente Strahlung, d. h. es gibt keine Störung durch Raumtemperatur und Umgebungslicht.
  • Im Unterschied zur IR- und Raman-Spektroskopie, die empfindlich für intramolekulare Schwingungs- und Rotationsbewegungen sind, gibt die Terahertzspektroskopie Aufschluss zu den intermolekularen Bewegungen. So lassen sich neben dem bloßen Nachweis von Makromolekülen Aussagen über den Aggregatszustand, polymorphe Strukturen sowie die Kristalllinität der Substanzen treffen. Die Terahertz-Technik ist schneller, erfordert eine minimale Präparation des zu untersuchenden Objektes und kann prinzipiell sowohl für eine Inline- als auch eine Online-Kontrolle genutzt werden.
  • Aufgrund der Inhomogenität der oftmals zur Verfügung stehenden Ersatzbrennstoffe ist es von Vorteil, wenn der Ersatzbrennstoff während seiner Förderung über eine Zuführstrecke zu einer Verbrennungszone der schwingungsspektroskopischen Analyse unterzogen wird. Auf diese Weise kann etwaiger Ersatzbrennstoff, der aufgrund seiner Zusammensetzung (beispielsweise ein zu hoher Chlorgehalt) nicht in die Verbrennungszone gelangen soll, vorzeitig ausgeschleust werden. Außerdem kann der Brennprozess unmittelbar an eine sich ändernde Zusammensetzung des Ersatzbrennstoffs und ein damit einhergehendes Brennverhalten angepasst werden.
  • Mit Terahertz-Spektrometern kann der chemische Fingerabdruck von Substanzen (Gasen, Flüssigkeiten, Festkörpern) bestimmt werden. Messungen sind sowohl in Transmission als auch in Reflexion möglich. Zur Untersuchung von Pulvern und Flüssigkeiten kann auch eine ATR (Attenuated Total Reflexion) - Anordnung eingesetzt werden. Die Auswertung der Spektroskopie-Messwerte erfolgt vorzugsweise automatisiert mittels Chemometrie. Auch zur Ermittlung der Feuchtigkeitsverteilung kann ein Terahertz-Spektrometer genutzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden mittels chemometrischer Methoden chemische Informationen aus den Daten der Terahertz-Spektroskopie extrahiert. Unter Chemometrie versteht man die Anwendung mathematischer und statistischer Methoden, um zuverlässig Informationen aus experimentellen Messdaten zu extrahieren. Bei der Chemometrie werden als Grundlage für eine Automatisierung in einer ersten Phase des Trainings oder Lernphase meist bekannte Stoffe unter vielen verschiedenen Bedingungen wiederholt gemessen. Auf Basis dieser Daten werden anschließend Expertensysteme oder Datenbanken aufgebaut. In der zweiten Phase, der Testphase werden dann weitere Messungen durchgeführt und gegen die Datenbank getestet.
  • Da es unmöglich ist, Messungen unter allen dankbaren Bedingungen durchzuführen, sollte es das Ziel beim Aufbau der Datenbank sein, weitestgehend nur substanzspezifische Informationen aufzunehmen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass der nicht-substanzspezifische Informationsanteil aus den gemessenen Spektren entfernt werden muss. Hierzu gehören unter anderen die Einflüsse von Wasserdampflinien und der Partikelstreuung. Der Einfluss der nichtsubstanzspezifischen Informationsanteile kann durch eine geschickte Abfolge von spektralen Filtern minimiert werden. Nachdem alle Messdaten die informationsschärfende Filterfolge durchlaufen haben, wird eine Eigenschaftsreduktion durchgeführt. Als exploratives Werkzeug kann zum Beispiel die Hauptkomponentenanalyse "Principal Component Analysis" (PCA) verwendet werden. Die PCA beschreibt die hochdimensionalen Merkmale in einem alternativen, orthogonalen Raum. Die erste Hauptachse liegt in Richtung der höchsten Varianz, die zweite Hauptachse liegt rechtwinklig dazu in Richtung der zweithöchsten Varianz und so weiter. Oft genügen schon wenige Hauptachsen um einen Großteil der Informationen zu charakterisieren. Die Anteile der höheren Hauptachsen bleiben anschließend unberücksichtigt. Die Darstellung der ursprünglichen Messungen in den PCA-transformierten Raum zeigt oft schon eine sichtbare Trennung der Daten. Im Idealfall bilden sich für jedes Substanz einzelne Cluster.
  • Bei der Hauptkomponentenanalyse werden die umfangreichen Datensätze strukturiert, vereinfacht und veranschaulicht, indem eine Vielzahl statistischer Variablen durch eine geringere Zahl möglichst aussagekräftiger Linearkombinationen (die Hauptkomponenten) genährt wird. Wendet man dieses Verfahren auf die hier interessierende Analyse der Ersatzbrennstoffe an, so können beispielsweise Beziehungen zwischen den PVC-Anteilen und dem Chlorgehalt oder dem PVC-Anteil und dem Heizwert oder dem Chlorgehalt und dem Heizwert und dergleichen erkennbar und erlernbar sein.
  • Vorzugsweise werden daher mittels chemometrischer Methoden chemische Informationen aus den Daten extrahiert, die bei der schwingungsspektroskopischen Analyse des Ersatzbrennstoffs ermittelt wurden. Die dabei gewonnenen chemischen Informationen können dann mit selbstlernenden Algorithmen in einer Datenbank zusammengefasst und klassifiziert werden, wobei zur Strukturierung der Daten bzw. Datensätze vorzugsweise die Clusteranalyse angewendet wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die bei der schwingungsspektroskopischen Analyse ermittelten Daten des Ersatzbrennstoffs mit Vergleichsdaten verglichen, um Anomalien automatisch zu erkennen. Die Vergleichsdaten können dabei durch eine schwingungsspektroskopische Analyse bekannter Ersatzbrennstoffe oder bekannter Anteile der Ersatzbrennstoffe ermittelt werden. Zur Ermittlung der Vergleichsdaten können im Vorfeld Teile des Ersatzbrennstoffs gezielt in unterschiedliche Bestandteile aufgeteilt und einzeln mittels schwingungsspektroskopischer Analyse untersucht werden.
  • Kommt beispielsweise ein erster und ein zweiter Brennstoff in der Verbrennungszone zum Einsatz, wobei es sich bei einem der Brennstoffe um einen Ersatzbrennstoff handelt, kann die Regelung des Brennstoffs in einer Beeinflussung der Brennstoffmengen bestehen. Wird beispielsweise festgestellt, dass der Ersatzbrennstoff einen zu niedrigen Brennwert hat, kann die Brennstoffzufuhr insgesamt erhöht werden bzw. ein höherwertiger Brennstoff mit einem entsprechend größeren Anteil zugeführt werden. Die Regelung des Brennprozesses kann aber beispielsweise auch in einer Veränderung der Verbrennungsluft oder in einer Verstellung der Flammenform am eingesetzten Brenner bestehen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung findet der Brennprozess im Rahmen eines Zementherstellungsprozesses statt, wobei die Verbrennungszone durch einen Drehrohrofen und/oder einen Vorcalcinator gebildet wird. Der Brennstoff oder das Brennstoffgemisch wird zudem über wenigstens einen Brenner der Verbrennungszone zugeführt. Die schwingungsspektroskopische Analyse ist derart ausgestaltet, dass insbesondere der Heizwert und/oder die Feuchte und/oder der Kohlenstoffgehalt und/oder der Chlorgehalt des Ersatzbrennstoffs ermittelt werden.
  • Der Ersatzbrennstoff kann beispielsweise durch Klärschlamm oder vorzugsweise durch eine flugfähige Fraktion (so genannter Fluff) gebildet werden, wobei die flugfähige Fraktion zweckmäßigerweise eine Korngröße von 1 bis 5 mm aufweist. Ist der verwendete Ersatzbrennstoff relativ inhomogen, bietet es sich an, den Ersatzbrennstoff auf der Zuführstrecke zu der Verbrennungszone in wenigstens einer Mühle zu zerkleinern und/oder zu homogenisieren. Dazu eignet sich beispielsweise eine zwischengeschaltete Wirbelstrommühle.
  • Neben der schwingungsspektroskopischen Analyse wird erfindungsgemäss ein Teil des Ersatzbrennstoffs auf der Zuführstrecke zu der Verbrennungszone ausgeschleust und für eine zweite chemische Analyse aufbereitet und analysiert. Dies wird beispielsweise dann durchgeführt, wenn mittels der schwingungsspektroskopischen Analyse große Abweichungen von der Norm oder große Schwankungen erkannt werden.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein Ersatzbrennstoff 1 in Form einer flugfähigen Fraktion über eine Zuführstrecke 2 wenigstens einer Verbrennungszone 5 zugeführt wird, bei der es sich beispielsweise um einen Drehrohrofen und/oder einen Vorcalcinator mit einem Brenner handelt. Der Ersatzbrennstoff 1 wird dabei auf der Zuführstrecke 2 zur Verbrennungszone 5 optional zunächst in wenigstens einer Mühle 3, beispielsweise einer Wirbelstrommühle, weiter zerkleinert und/oder homogenisiert, sofern dies erforderlich ist. Der Ersatzbrennstoff 1 sollte für die Aufgabe in der Verbrennungszone 5 vorzugsweise in einer Größe von 1 bis 5 mm vorliegen. Bei der flugfähigen Fraktion handelt es sich beispielsweise um Fluff-Wolle, mehlförmigen Fluff oder Fluff-Pellets. Nach einer Vorzerkleinerung, z.B. in einer Wirbelstrommühle, liegt der Fluff in einer homogeneren Form vor. Beim Zerkleinern wird der Fluff besser durchmischt und kann anschließend gut transportiert, analysiert und dosiert werden.
  • Zur Förderung des Ersatzbrennstoffs 1 auf der Zuführstrecke 2 sind geeignete Transportmechanismen, wie Transportbänder, Kratzer, Saugförderer, etc. vorgesehen.
  • Zwischen der Mühle 3 und der Verbrennungszone 5 ist ferner eine erste Analyseeinrichtung 4 für eine schwingungsspektroskopische Analyse angeordnet, die beispielsweise durch eine Infrarotspektroskopie, eine Ramanspektroskopie oder eine UV/VIS-Spektroskopie gebildet werden kann. Vorzugsweise kommt hier jedoch eine Terahertz-Spektroskopie zur Anwendung. Die Terahertz-Spektroskopie stellt eine zuverlässige Methode zur berührungslosen und zerstörungsfreien Untersuchung von Materialien dar, die sich insbesondere für den hier interessierenden Ersatzbrennstoff eignet. Dabei wird der Ersatzbrennstoff 1 in festen Zeitrastern automatisch von der ersten Analyseeinrichtung 4 erfasst, wobei die erfassten Daten entsprechend ausgewertet werden. Die Terahertz-Spektroskopie ermöglicht insbesondere die Bestimmung von Heizwert, Feuchte, Kohlenstoff- und Chlorgehalt.
  • In einer Auswertungseinrichtung 8 werden die ermittelten Daten der ersten Analyseeinrichtung 4 verarbeitet, wobei chemometrische Methoden angewandt werden können, um aus den Daten chemische Informationen zu extrahieren. Die gewonnenen chemischen Informationen können dann insbesondere mit selbstlernenden Algorithmen in ein oder mehreren Datenbanken 9 zusammengefasst und klassifiziert werden, wobei zur Strukturierung der Daten bzw. Datensätze auch die Clusteranalyse zur Anwendung kommen kann.
  • Die bei der schwingungsspektroskopischen Analyse ermittelten Werte werden in der Auswertungseinrichtung 8 ausgewertet und zur Regelung des Brennprozesses in der Verbrennungszone 5 genutzt. Kommt in der Verbrennungszone 5 neben dem Ersatzbrennstoff 1 ein zweiter Brennstoff 6 zur Anwendung, kann die Regelung des Brennprozesses aufgrund der schwingungsspektroskopischen Analyse beispielsweise in einer Veränderung des Mengenverhältnisses der beiden Brennstoffe 1 und 6 bestehen. Des Weiteren kann die Regelung des Brennprozesses eine Veränderung der Verbrennungsluft 7 umfassen, welche der Verbrennungszone 5 zugeführt wird. Gemäß einer bevorzugten Anwendung ist die Verbrennungszone 5 Teil einer Zementherstellungsanlage und die Regelung des Brennprozesses kann insbesondere in einer Veränderung der Verteilung der dort anfallenden Primär-, Sekundär- und Tertiärluft bestehen. Kommt in der Verbrennungszone ein Brenner zum Einsatz, kann die Regelung auch eine Anpassung der Flammenform beinhalten.
  • Wird bei der schwingungsspektroskopischen Analyse festgestellt, dass der untersuchte Ersatzbrennstoff 1 aufgrund seiner Eigenschaften (beispielsweise ein zu hoher Chlorgehalt) nicht zur Verbrennungszone 5 gelangen soll, kann eine Teilmenge 1" des Ersatzbrennstoffs vorher aussortiert werden.
  • In Abhängigkeit der bei der schwingungsspektroskopischen Analyse ermittelten Werte und/oder zu bestimmten Zeiten, die auch dynamisch angepasst werden können, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass ein Teil 1' des in der ersten Analyseeinrichtung 4 bereits analysierten Ersatzbrennstoffs ausgeschleust und einer zweiten chemischen Analyse zugeführt wird.
  • Dazu wird der ausgeschleuste Ersatzbrennstoff 1' zunächst in einer Aufbereitungseinrichtung 10 zu analysefertigen Proben 11 aufbereitet und anschließend in einer zweiten Analyseeinrichtung 12 einer zweiten chemischen Analyse unterzogen, wobei beispielsweise ein oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Analyseverfahren zur Anwendung kommen können: Röntgenfluoreszenzanalyse, Terahertz-Spektroskopie, Elementaranalyse, Heizwertbestimmung, etc.
  • In einer Auswertungseinrichtung 13 werden die ermittelten Daten der zweiten Analyseeinrichtung 12 weiter verarbeitet, wobei wiederum chemometrische Methoden angewandt werden können, um aus den Daten chemische Informationen zu extrahieren. Die gewonnenen chemischen Informationen können dann insbesondere mit selbstlernenden Algorithmen in der wenigstens einen Datenbank 9 zusammengefasst und klassifiziert werden, wobei zur Strukturierung der Daten bzw. Datensätze auch die Clusteranalyse zur Anwendung kommen kann.
  • Die bei der zweiten chemischen Analyse ermittelten Werte werden dann ebenfalls zur Regelung des Brennprozesses in der Verbrennungszone 5 genutzt. Sie dienen aber auch zur Überprüfung und Anpassung der ersten chemischen Analyse dienen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Regelung eines Brennprozesses, wobei wenigstens ein Ersatzbrennstoff (1) in Form einer flugfähigen Fraktion zum Einsatz kommt,
    wobei wenigstens ein Teil des Ersatzbrennstoffs (1) in einer ersten Analyseeinrichtung (4) einer schwingungsspektroskopischen Analyse unterzogen wird und die bei der Analyse ermittelten Werte zur Regelung des Brennprozesses verwendet werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass die schwingungsspektroskopische Analyse mittels einer Terahertzspektroskopie erfolgt, wobei in Abhängigkeit der bei der schwingungsspektroskopischen Analyse ermittelten Werte und/oder zu bestimmten Zeiten ein Teil (1') des in der ersten Analyseeinrichtung (4) bereits analysierten Ersatzbrennstoffs ausgeschleust und einer zweiten chemischen Analyse zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ersatzbrennstoff (1) über eine Zuführstrecke (2) wenigstens einer Verbrennungszone (5) zugeführt und während seiner Förderung zu der Verbrennungszone der schwingungsspektroskopischen Analyse unterzogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels chemometrischer Methoden chemische Informationen aus Daten extrahiert werden, die bei der schwingungsspektroskopischen Analyse des Ersatzbrennstoffs (1) ermittelt wurden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels chemometrischer Methoden gewonnenen chemischen Informationen mit selbstlernenden Algorithmen in einer Datenbank (9) zusammengefasst und klassifiziert werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der schwingungsspektroskopischen Analyse des Ersatzbrennstoffes (1) zur Strukturierung der Daten bzw. Datensätze eine Clusteranalyse angewendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der schwingungsspektroskopischen Analyse der Heizwert und/oder die Feuchte und/oder der Kohlenstoffgehalt und/oder der Chlorgehalt des Ersatzbrennstoffs ermittelt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der schwingungsspektroskopischen Analyse ermittelten Daten des Ersatzbrennstoffs (1) mit Vergleichsdaten verglichen werden, um Anomalien automatisch zu erkennen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsdaten durch eine schwingungsspektroskopische Analyse bekannter Ersatzbrennstoffe oder bekannter Anteile der Ersatzbrennstoffe ermittelt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Vergleichsdaten Teile des Ersatzbrennstoffs gezielt in unterschiedliche Bestandteile aufgeteilt und einzeln mittels schwingungsspektroskopischer Analyse untersucht werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennprozess im Rahmen eines Zementherstellungsprozesses stattfindet und die Verbrennungszone (5) vorsieht, die durch einen Drehrohrofen und/oder einen Vorcalcinator gebildet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ersatzbrennstoff über wenigstens einen Brenner einer Verbrennungszone zugeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Ersatzbrennstoff (1) ein zweiter Brennstoff (6) in einer Verbrennungszone (5) zum Einsatz kommt, wobei die Regelung des Brennprozesses eine Veränderung des Verhältnisses der beiden Brennstoffe umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Brennprozesses eine Veränderung einer Verbrennungsluft (7) umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Brennprozesses eine Verstellung der Flammenform an einem Brenner umfasst.
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