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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur photospektrometrischen Messung der Konzentration von schädlichen
Gasen in Abgasen einer wärmeproduzierenden
Anlage von der Art, die aufweist einen ersten Raum zur Verbrennung
eines Brennstoffs, eine Vorrichtung, die sich in einem stromabwärts vom
Verbrennungsraum gelegenen zweiten Raum befindet, wobei die Vorrichtung im
zweiten Raum Rohre aufweist, durch die ein Medium, wie z.B. Wasser,
Luft oder Dampf, hindurch strömen
kann, um durch Wärmeübertragung
aus den während
der Verbrennung gebildeten Gasen erhitzt zu werden, und einen stromabwärts von
der Rohrvorrichtung befindlichen Kamin zum Auslass der Abgase aus
der Anlage.
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Hintergrund
der Erfindung und Stand der Technik
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Die
gleichzeitige Erzeugung von Wärme
und Dampf durch Verbrennung von sogenannten Biobrennstoff d.h.,
einem festen Brennstoff, der aus Holz oder Biomasse besteht, wurde
in letzter Zeit mehr und mehr üblich,
unter anderem aufgrund der Fakten, dass eine solche Herstellung
leistungseffizient ist, im Langzeitbetrieb beständig ist, auf örtlichen Ausgangsmaterialien
basieren kann und die Umwelt minimal belastet. Es hat sich jedoch
herausgestellt, dass die Verbrennung von Biobrennstoff ein Verfahren
ist, das in gewisser Hinsicht komplizierter und schwieriger zu handhaben
ist als die Verbrennung anderer fester Brennstoffe, wie z.B. Kohle.
Eine Komplikation ist es, dass die Asche von Biobrennstoff eine
andere Zusammensetzung und andere Schmelzeigenschaften aufweist
als z.B. Kohlenasche. Dieser Unterschied ruft unter anderem Kostenprobleme durch
Korrosion und Aschenablagerung an den in den existierenden Überhitzungsanlagen
vorhandenen Rohren. So wurde bei den meisten kombinierten Energie-
und Wärmekraftwerken
in Schweden nach einigen Jahren des Betriebs mit 100% Biobrennstoff eine
schwerwiegend hohe Temperaturkorrosion festgestellt. Die Probleme
treten insbesondere dann verstärkt
auf, wenn zum Brennstoff solche Materialien, wie z.B. Abrissbauholz
und sortierter Abfall verschiedener Art, zugegeben wird. In der
Praxis zeigt sich die Korrosion darin, dass die üblicherweise hochlegierten
und deshalb teuren Überhitzungsrohre
mit massiven stark anhaftenden Schichten zur gleichen Zeit, bei
der die Rohroberfläche
darunter korrosiven Schmelzen ausgesetzt ist, die zu einem Verlust
an Metall führen,
bedeckt sind.
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Unter
den Fachleuten herrscht Uneinigkeit darüber, ob Chlor im vorstehend
genannten Zusammenhang den Hauptkorrosionsbeschleuniger bildet. Eine
konventionelle Theorie ist die, dass Chlor in die Aschenablagerung
auf den Überhitzerrohren
in Form von gasförmigem
Kaliumchlorid (KCl), alternativ als sehr kleine Aerosole von Kaliumchlorid,
die unmittelbar stromaufwärts
der Überhitzungsvorrichtung
kon densiert wurden, transportiert wird. Danach findet eine Umsetzung
mit dem Schwefel in der auf der Rohroberfläche befindlichen Aschenablagerung statt,
wodurch sich Kaliumsulfat und freies Chlor bildet, das in dieser
Form sehr korrosiv ist. Obgleich diese Theorie plausibel ist, sind
in der Praxis große Schwierigkeiten
vorhanden, nicht nur, um diese Theorie zu verifizieren, sondern
auch, um Messungen zur Lösung
des Problems durchzuführen,
insbesondere aufgrund des Fehlens einer geeigneten Messtechnik.
In SE 8502946-0 wird allgemein beschrieben, wie Photospektrometrie
verwendet werden kann, um bestimmte Parameter, z.B. die Konzentration
von gasförmigen
Substanzen, die in solchen Verbrennungsprozessen, die bei hohen
Temperatur durchgeführt
werden, auftreten, zu bestimmen, aber in diesem Fall richtet sich
die Technik in erster Linie auf das Messen in Flammen, und das Dokument
enthält
keine Instruktionen darüber,
wie man die Technik in der Praxis zur Messung in Anlagen des vorstehend beschriebenen
Typs verwenden könnte.
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Ziemlich
allgemein treten in Wärme-produzierenden
Anlagen neben den vorstehend erwähnten Korrosionsproblemen
auch andere ähnliche
Probleme auf, die durch die Gegenwart von gasförmigen Metallchloriden oder
Metallen in elementarer Form verursacht werden. In den Anlagen können auch
andere Einrichtungen als bloße Überhitzungsvorrichtungen
vorhanden sein, die Serien oder Gruppen von Rohren aufweisen, durch
die z.B. Luft zirkuliert wird, um erhitzt zu werden (in der Praxis
bestehen solche Einrichtungen üblicherweise
aus Luftvorerhitzern oder sogenannten Ekonomisern). Wenn Metalle,
wie z.B. Schwermetalle in Form von Zink und Blei in gasförmiger Form,
durch die Verbrennungsgase transportiert werden und auf die Einrichtungen
treffen, werden sie an den Oberflächen der Rohre abgelagert,
wodurch sich Ablagerungen bilden, die nicht notwendigerweise korrosiv
sind, die aber die Wärmeübertragung
von den Verbrennungsgasen zu dem in den Rohren zirkulierenden Medium
verschlechtern.
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WO
8607455 beschreibt eine Vorrichtung und Methode zur Messung der
Parameter von in den Verbrennungsprozessen vorhandenen Gasen, die eine
Lampe auf einer Seite eines zu messenden Objekts, wie z.B. einer
Flamme, ein Empfangsgerät,
ein Spektrometer und ein Registriergerät, aufweisen. Die D1 sagt ganz
allgemein, dass die Vorrichtung verwendet werden kann, um das Spektrum über den
gesamten optischen Bereich von IR bis UV zu bestimmen.
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Aufgabenstellungen und
Merkmale der Erfindung
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Aufgabenstellung
der vorliegenden Erfindung ist es, die mit bisher bekannten Messtechniken verbundenen
Nachteile zu überwinden
und auf zielstrebige Weise die Korrosions- und Abscheidungsprobleme,
die bei Rohre enthaltenden Vorrichtungen für den Wärmeaustausch, z.B. Überhitzungsvorrichtungen,
Ekonomisern oder Luftvorerhitzern, die stromabwärts vom Verbrennungsraum in
Verbrennungsanlagen vorhanden sind, zu eliminieren oder ihnen entgegen
zu wirken. Eine primäre
Aufgabenstellung der Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines
Verfahrens und einer Vorrichtung, die es beim praktischen Betrieb
unter schwierigen äußeren Verhältnissen
möglich
machen, die Gegenwart und Konzentration von genau diesen gasförmigen Substanzen
in den Verbrennungsgasen des Verbrennungsverfahrens, die zu einer
schwerwiegenden Korrosion oder schädlichen Ablagerungen an den
Rohren, die in diesen Vorrichtungen vorhanden sind, zu bestimmen.
Eine andere Aufgabenstellung ist die Bereitstellung eines Verfahrens,
mit dem die Bildung von korrosiven oder schädlichen Gasen in den Verbrennungsgasen,
die durch die Rohrvorrichtungen hindurch laufen sollen, verhindert
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird zumindest
die primäre
Aufgabenstellung durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und
5 angegebenen Merkmale erzielt. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
werden in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Kurze Beschreibung der
anliegenden Zeichnungen
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In
den Zeichnungen bedeuten:
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1 eine
schematische Darstellung, die den allgemeinen Aufbau einer kombinierten
Wärme- und
Kraftanlage zeigt, bei der dem die Erfindung anwendbar ist;
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2 ist
ein vergrößerter Detailgrundriss, der
eine in einer erfindungsgemäßen Einrichtung
eingebaute Vorrichtung zum Aussenden und Empfangen von Licht zeigt,
wobei die Vorrichtung mit einem Spektrometer zusammenwirkt;
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3 ist
eine schematische Darstellung des Spektrometers und einer Vorrichtung
zur Kalibrierung des Spektrometers; und
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4 ist
eine schematische Darstellung in verringertem Maßstab einer alternativen Ausführungsform
einer kombinierten Wärme-
und Kraftanlage und einer erfindungsgemäßen damit verbundenen Einrichtung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
eine Dampf-produzierende Verbrennungsanlage, die aus einem industriellen Dampferzeuger
mit dem Hauptzweck der Dampferzeugung bestehen kann, z.B. für die Produktion
von Elektrizität,
die aber auch aus einer kombinierten Kraft- und Wärmeanlage
des Typs bestehen kann, die nicht nur Dampf, sondern auch Wärme erzeugt. Als
Hauptkomponenten weist die Anlage einen Dampferzeuger 1 und
einen Kamin 2 auf. Im Dampferzeuger 1 befindet
sich ein erster Raum 3 in Form einer Verbrennungskammer,
in dem eingespeister Brennstoff verbrannt wird. Bei der praktischen
Durchführung
kann der Dampferzeuger mit einer konventionellen Wirbelschichttechnik
betrieben werden (unter Fachleuten BFB = "Gasblasenwirbelschicht (Bubbling Fluidized
Bed)" genannt).
In größeren Anlagen kann
der Dampferzeuger eine Höhe
innerhalb eines Bereichs von 10 bis 40 m aufweisen. Im anderen Raum 4,
der als Verbrennungsgasströmungskanal dient,
sind stromabwärts
von der Verbrennungskammer 3 eine oder mehrere Überhitzervorrichtungen vorgesehen.
Im Beispiel nach 1 sind drei solche Überhitzervorrichtungen 5 dargestellt.
Jede dieser Vorrichtungen weist eine Gruppe von Rohren oder Rohrschleifen
auf, durch die Dampf hindurchtreten kann, um durch den Wärmeaustausch
aus den Verbrennungsgasen, die während
der Verbrennung gebildet und durch den Raum 4 hindurchlaufen, überhitzt
zu werden. Zwischen den Räumen 3 und 4 verläuft eine
in einem Separator vorhandene schräge Wand 6, deren Zweck
es ist, feste Teilchen, die aus den Verbrennungsgasen herunter fallen,
zu sammeln und sie zur Verbrennungskammer zurück zu führen. Nachdem die Verbrennungsgase
die Überhitzervorrichtungen 5 passiert
haben, werden sie in einer oder mehreren sogenannten Ekonomisern 5' gekühlt und laufen
dann durch einen Luftvorerhitzer 5'',
um schließlich über den
Kamin 2 ausgelassen zu werden (normalerweise, nachdem sie
zuerst ein oder mehrere Filter, die nicht dargestellt sind, durchlaufen
haben).
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In 1 bedeutet
die Bezugsziffer 7 eine lichtemittierende und lichtempfangende
Vorrichtung, die in der erfindungsgemäßen Einrichtung vorhanden ist.
Wie dies aus der 1 klar ersichtlich ist, ist
diese Vorrichtung 7 in unmittelbarer Nachbarschaft zur Überhitzervorrichtung 5 angeordnet,
das ist die Überhitzervorrichtung,
die als erstes in Kontakt mit den strömenden Verbrennungsgasen kommt.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen, die zeigt,
auf welche Weise die Vorrichtung 7 ein lichtemittierendes
Gerät 7' aufweist, das
in einer oder beiden gegenüber
liegenden Wänden 8,
die den Verbrennungsgaskanal 4 begrenzen, angebracht ist, und
ein lichtempfangendes Gerät 7'', das an der gegenüber liegenden
Wand angeordnet ist. Als Strahlungsquelle wird in dem emittierenden
Gerät 7' vorteilhafterweise
eine Xenonlampe 9 verwendet, die die Fähigkeit zum Emittieren von
ultraviolettem Licht in einem breiten Wellenlängenspektrum innerhalb des
Bereiches von ca. 200 nm bis 3 μm
aufweist. Für denselben
Zweck kann alternativ auch eine Deuteriumlampe verwendet werden.
Das Licht aus der Lampe wird kollimiert, z.B. durch eine Linse,
wonach es durch die Verbrennungsgase im Kanal 4 als Strahl 11 läuft, und
weiter zum Empfangsgerät 7'', wo das Licht auf einer optischen
Faser 12 fokussiert wird. Diese optische Faser leitet das
Licht zu einem in seiner Gesamtheit mit 13 bezeichneten
Spektrometer, in dem die Lichtintensität als Funktion der Wellenlänge des Lichts
analysiert wird. Ein Computer 14 wirkt mit dem Spektrometer
zusammen. Im Spektrometer befindet sich ein die Lichtwellen des
ankommenden Lichts trennendes Element 15, um die verschiedenen
Wellenlänge
des eintreffenden Lichts zu trennen, wodurch die Intensität verschiedener
Wellenbanden mit einem Nicht-Wellenlängen-selektiven Detektor 15' bestimmt werden
kann. In der Praxis kann das die Lichtquellen trennende Element
aus einem Monochromator oder einem Spektrograph bestehen. Der Monochromator
lässt nur
ein enges Wellenlängenband
des ankommenden Lichtes durchtreten und kann als das Wellenlängen-trennende
Element z.B. ein Gitter, ein Prisma oder einen optischen Bandfilter verwenden.
Der Spektrograph projiziert ein kontinuierliches Wellenlängenband
innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs in seine Brennebene,
wo der Detektor angebracht ist. Als Wellenlängen-trennendes Element im
Spektrograph kann ein Gitter, ein Prisma oder ein sogenanntes "Michaelson-Interferometer" verwendet werden.
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Als
Spektrograph wird üblicherweise
ein Mehrkanal-Detektor verwendet, z.B. eine Photodiodenanordnung
(PDA) oder ein vergrößerter Einkanal-Detektor,
z.B. ein Photomultiplikator, in Kombination mit einem dünnen Spalt,
der sich sequenziell über
die Oberfläche
des Detektors bewegt und auf solche Weise angebracht ist, dass er
mit der Brennebene des Spektrographen zusammenfällt. Aus einem praktischem
Gesichtspunkt kann dieser Spalt an einer rotierenden Scheibe gemäß der in
Platt & Perner, 1983,
beschriebenen Ausführungsform
angeordnet sein (Platt U. & Perner
P., "Optical and
Laser Remote Sensing",
Hg. Killinger, DK, und Mooradian, A., "Springer ser", Optical Sci. 39, 97, 1983). Die Photodiodenanordnung
besteht aus einer Reihe von Photodioden (siehe Kamera), die gleichzeitig
die Intensitätsverteilung
des Lichtes über
der Oberfläche
der Anordnung messen, wonach dieses Spektrum nach einer bestimmten
Belichtungszeit elektronisch abgelesen wird. In Kombination mit
einem Monochromator wird normalerweise ein Einkanal-Lichtdetektor
verwendet, z.B. eine Photodiode.
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In
der Ausführungsform
nach 2 wird ein Spektrograph in Kombination mit einer
Photodiodenanordnung verwendet, was eine vorteilhafte Ausführungsform
darstellt. Die Erfindung kann auch unter Verwendung einer Monochromator-Technik
realisiert werden, aber in diesem Fall sind mindestens zwei Monochromatoren
erforderlich, die auf verschiedene Wellenlängen eingestellt sind, um das
Messsystem spezifisch für
die gesuchten Gaskomponenten, z.B. Alkalimetallchloride, zu machen,
und die nicht durch Breitbanddämpfung
des Lichtes beeinflusst werden.
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Das
Signal aus dem Photodetektor wird mittels einer speziell konstruierten
PC-Messkarte abgelesen, und Software für PC-Windows, die speziell
für diesen
Zweck ausgestaltet ist, wertet das integrierte Spektrum aus.
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Die
Auswertung des registrierten Messspektrums in der Software des Computers
geschieht gemäß den Prinzipien,
die in dem vorstehend erwähnten
Artikel von Platt & Perner,
1983, vorgeschlagen werden. Nach den in diesem Artikel angegebenen
Algorithmen werden quantitative Daten für die gesuchten Gaskomponenten
aus der spektralen Information berechnet durch Korrelieren der gemessenen
Spektren mit Referenzspektren für
verschiedene Gaskomponenten mittels Mehrfach-Zufallsgrößen-Analyse. Diese
Berechnungen können
im Computer kontinuierlich durchgeführt werden (Berechnungszeit < 2 s), was eine
Online-Präsentation
der Messdaten, z.B. auf einem 16-Bildschirm, ermöglicht, und ein Aktualisieren
analoger Output-Signale an einer D/A-Karte in der Rechnereinheit.
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Unter
Fachleuten wird die vorstehend beschriebene Messtechnik als DOAS-Technik
(Differential Optical Absorption Spectroscopy) bezeichnet. Diese
Technik wird allgemein auch in der vorstehend erwähnten SE
8502946-0 beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Feststellung, dass eine DOAS-Technik
spezifisch zur Messung der Konzentration gasförmiger Metalle und/oder Metallchloride,
insbesondere Alkalimetallchloride (Kaliumchlorid sowie Natriumchlorid)
in den Verbrennungsgasen verwendet werden kann. Spezifischer ausgedrückt wird
dies durch Kalibrieren des Spektrometers 13 zur Registrierung
der spektralen Intensitätsverteilung
des Lichts innerhalb des Wellenlängenbereichs
200 bis 310 nm erreicht. Für
diesen Zweck wird eine Kalibriervorrichtung der in 3 dargestellten
Art verwendet. Diese Vorrichtung umfasst einen Ofen 17,
worin eine Gasküvette 18 mit zwei
Quarzfenstern 19 eingebracht werden kann, zu der aus einer
Quelle 20 über
eine Zufuhrleitung 21 Gas zugeführt und über eine Evakuierungsleitung 22 evakuiert
werden kann. Lichtemittierende bzw. lichtempfangende Geräte 7', 7'' sind an beiden Seiten des Ofens
angebracht, damit der Lichtstrahl 11 durch die Küvette, genauer
gesagt durch ihre Fenster 19, laufen kann. Der Ofen wird
auf eine bestimmte Temperatur eingestellt, vorzugsweise eine Temperatur, bei
der nachher eine Gasmessung im Raum 4 durchzuführen ist.
Gas einer bestimmten Zusammensetzung, die die Gaskomponente enthält, z.B.
Kaliumchlorid oder Natriumchlorid, das im Verbrennungsgaskanal 4 gemessen
werden soll, wird aus der Gasquelle 20 über das Kontrollventil 23,
das den Gasstrom konstant hält,
und dann durch die Gasküvette 18 zudosiert.
Für den
Fall, dass Kaliumchlorid oder Natriumchlorid zu messen ist, wird
dann das Salz der entsprechenden Verbindung in einen Löffel 24 gegeben,
der in das Einlassrohr 21 zur Küvette eingeführt wird.
Durch Einstellen der Temperatur des Ofens werden oberhalb des Salzes
verschiedene Dampfdrücke
erhalten, und Alkalimetallchlorid-Dämpfe mit einem bestimmten Partialdruck
strömen
durch die Messküvette.
Wenn die Gaskonzentration der in Frage stehenden Gaskomponente (und
anderer möglicher
Gaskomponenten, die im Wellenlängenbereich, der
zur Messung verwendet wird, Licht absorbieren) stabilisiert ist,
wird das Absorptionsspektrum der Komponente gemessen und nach dem
gleichen Prinzip wie bei der regulären Messung im Verbrennungsgaskanal 4 gespeichert.
Auf diese Weise wird ein Referenzspektrum erhalten, das als Basis
zur automatischen spektralen Bewertung verwendet wird, die später erfolgt,
wenn die unbekannte Gaskonzentration im Verbrennungsgaskanal gemessen
wird.
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Die
spektrale Struktur von KCl und NaCl weist eine breite Bande (= der
Bereich von 230 bis 280 nm) auf und befindet sich bei einer solchen
Wellenlänge,
dass zur Durchführung
der Messung eine einfache und nicht teure Spektrometer-Art verwendet werden
kann. Genauer gesagt kann man vorteilhafterweise einen modernen
Typ eines nicht teuren Minispektrometers verwenden, das auf der
vorstehend erwähnten
Verwendung einer in der optischen Bank integrierten Diodenanordnung
(Halbleitersensor) basiert.
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Obwohl
es per se von beträchtlichem
Wert ist, wenn nur die Bestimmung der Konzentration in situ von
gasförmigen
Alkalimetallchloriden in den Abgasen möglich ist, insbesondere kontinuierlich
während
des Betriebs der Anlage, ist es besonders interessant, registrierte
Daten zu verwenden, um den Verlauf der Brennstoffverbrennung zu
steuern. 4 veranschaulicht schematisch
eine Anlage, in der diese Möglichkeit
realisiert wurde. In diesem Fall wird beispielhaft eine alternative
Ausführungsform
einer kombinierten Kraft- und Wärmeanlage
gezeigt, in der der Dampferzeuger 1 der Anlage mit einem
Zyklonseparator 25 zusammenwirkt, der zwischen dem Verbrennungsraum 3 und
dem Verbrennungsgaskanal 4, in dem eine Anzahl von Überhitzervorrichtungen 5 angebracht
sind (in diesem Fall wurde der Kamin der Anlage aus raumtechnischen
Gründen
weggelassen), angeordnet ist. In der Praxis wird diese Art von Dampferhitzer
mit CFB (= "zirkulierendes
Wirbelschichtbett (Circulating Fluidized Bed)") bezeichnet. Auch in dieser Anlage
ist mindestens ein Ekonomiser 5' und ein Luftvorerhitzer 5'' vorhanden. Ähnlich zur Gasmessanordnung
nach 1 bis 3 weist die Anordnung nach 4 ein
lichtemittierendes Gerät 7' und ein Lichtempfangsgerät 7'' auf, das über eine optische Faser 12 mit
eine Spektrometer 13 und einem damit kooperierenden Computer 14 verbunden ist. Über ein
Kabel 26 kann ein Output-Signal vom Computer zu einer zentralen
mit 27 bezeichneten Steuereinheit gesendet werden, mit
dem verschiedene Parameter, die den Verbrennungsverlauf bestimmen,
gesteuert werden können.
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Verbunden
mit dem Verbrennungsraum 3 des Dampferhitzers ist ein Brennstoff-Zuführungsschacht 28 dargestellt,
zu dem Brennstoff mittels einer geeigneten Brennstoffzuführung zugeführt werden
kann, was schematisch in Form eines Transportbandes 29 angezeigt
wird. Über
dem Transportband wird eine Anzahl von Behältern 30, 31, 32 gezeigt, von
denen jeder Brennstoff-Ausgabe-Einrichtungen 33, z.B. in
Form einer Zuführschnecke,
aufweist. In den zwei ersten Behältern 30, 31 können zwei
verschiedene Brennstoffarten enthalten sein, z.B. Biobrennstoff
bzw. brennbarer Abfall. Im dritten Behälter 32 wird ein Chlor-reduzierendes
Material gespeichert, das, wenn erforderlich, dem Brennstoff oder der
Brennstoffmischung zur Verbrennungskammer zugeführt werden kann. Das Material
im Behälter 32 besteht
somit aus einem Additiv, dessen primärer Zweck die Verringerung
der Menge an Alkalimetallchloriden in den Verbrennungsgasen ist.
In der Praxis kann diese Substanz aus Schwefel oder einem Schwefelenthaltenden
Material bestehen, obwohl es auch möglich ist, Mineralien, wie
z.B. Kaolinit, zu verwenden. Der Betrieb der drei Zuführvorrichtungen kann
mittels getrennter Steuervorrichtungen 34, die mit der
zentralen Steuereinheit 27 verbunden sind, individuell
reguliert werden. Mittels dieser Steuervorrichtungen können die
Zuführvorrichtungen 33 aktiviert
oder inaktiviert werden, um die Zufuhr des in Frage stehenden Materials
auf dem Transportband 29 zu initiieren oder zu beenden,
und andererseits, um die Geschwindigkeit der Zuführvorrichtung und damit die
Menge des Materials, das dem Transportband pro Zeiteinheit zugeführt wird,
zu steuern.
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Das
sogenannte Luftregistriersystem ist ebenfalls in hohem Maße für den Verlauf
des Verbrennungsprozesses verantwortlich, und dieses Steuersystem
ist auf konventionelle Weise in den Verbrennungsanlagen des in Frage
stehenden Typs vorhanden. In der Praxis können solche Luftregistriersysteme
verschiedene auf einander folgende Luftzuführungen zum Dampferhitzer aufweisen.
Im Beispiel sind jedoch nur zwei solcher Zuführungen gezeigt, nämlich eine
erste Zuführung 35 für Primärluft zum
unteren Teil der Verbrennungskammer, und eine Zuführung 36 für Sekundärluft, die
stromabwärts von
der Brennstoffzufuhr 28 angebracht ist. Ein zentrales Gebläse 37 kann über Leitungen 38, 39 Luft
zu den Zuführungen 35, 36 liefern,
genauer gesagt, über Flügelklappen 40, 41 in
den Leitungen 38, 39. Die Funktion dieser Flügelklappen 40, 41 kann
mittels getrennter Steuereinrichtungen 42, 43 gesteuert
werden, die selbst durch die zentrale Steuereinheit 27 gesteuert
werden. Abhängig
von den in Frage stehenden das Vorhandensein bzw. die Konzentration von
Alkalimetallchloriden in den Verbrennungsgasen betreffenden Messdaten
kann die Zufuhr von Luft zum Inneren des Dampferhitzers so gesteuert
werden, insbesondere, um die Menge der Alkalimetallchloride im Bereich
der Überhitzeranordnungen
im höchsten
möglichen
Ausmaß zu
verringern. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die
Relation zwischen dem Einstellen der Luftregistriersysteme und dem
Gehalt an Alkalimetallchloriden von einer Anlage zur anderen, abhängig von
der Konstruktion und dem Verbrennungsprinzip des Damperhitzers,
variiert.
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Funktion und Vorteile
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Metallchloride
mit Ultraviolettlicht bei hohen Temperaturen spektralanalysiert
werden können.
Indem man die lichtemittierenden und lichtempfangenden Geräte der beschriebenen
Messanordnung in unmittelbarer Nachbarschaft der Überhitzervorrichtung(en),
die einer Korrosion unterliegt/unterliegen, und worin die Temperatur
der Verbrennungsgase im Bereich von 600 bis 1400°C liegt, anordnet, kann das
Vorhandensein und die Konzentration von Alkalimetallchloriden in
situ spezifisch an der Stelle bestimmt werden, wo das Vorhandensein
von Chloriden kritisch ist, nämlich
unmittelbar bevor sie auf die Oberflächen der Überhitzerrohre auftreffen und
mit Schwefel unter Bildung von Alkalimetallsulfat und freiem Chlor
reagieren. Das ist insofern von beträchtlicher Bedeutung, weil,
wenn Gasproben für
eine extraktive Analyse entnommen würden, oder wenn Messungen stromabwärts von
den Überhitzervorrichtungen – wo die
Verbrennungsgastemperatur geringer ist – vorgenommen würden, die
sehr aktiven Chloride Zeit haben würden, um zu kondensieren und/oder
mit anderen Verbindungen zu reagieren, und deshalb würde es nicht
möglich
sein, sie auf geeignetem Weg zu bestimmen. Die Messung würde somit
vollständig
ihre Relevanz verlieren, wenn die Chloride kondensiert sind. Es
soll auch betont werden, dass es nicht zweckmäßig ist, den Chloridgehalt früher im Verfahren
zu bestimmen, d.h., in der Verbrennungskammer, weil die Chloride
auf ihrem Weg zur Überhitzervorrichtung
reagieren. Außerdem
ist es von großer
Bedeutung, dass die Bestimmung der Alkalimetallchlorid-Konzentration
in den Verbrennungsgasen der Anlage im wesentlichen kontinuierlich
erfolgt. Es ist richtig, dass es möglich ist, intermittierend individuelle
Messungen durchzuführen,
weil Zeitunterbrechungen zwischen sich wiederholenden Messgelegenheiten
möglich
sind. Wenn man diese Unterbrechungen kurz macht, z.B. im Bereich
von 10 bis 60 Sekunden, wird eine im wesentlichen kontinuierliche
Untersuchung des Vorhandenseins und der Konzentration von Korrosions-initiierenden
Chloriden sichergestellt. Durch Verwenden von kontinuierlich erhaltenen
Messdaten in Bezug auf die Chlorid-Konzentration in den Verbrennungsgasen
wird außerdem gemäß der bevorzugten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
zur Kontrolle des Verbrennungsvorgangs ein effektives Mittel während der
praktischen Durchführung
erhalten, um Korrosionsattacken an den Überhitzerrohren gegen zu steuern.
Eine Kontrolle der verschiedenen Parameter, die den Verbrennungsverlauf
bestimmen, und der in den Gasen entwickelten Alkalimetallchlorid-Mengen
kann auf verschiedenen Wegen erzielt werden. Ein effektiver Weg
ist es – wie
vorstehend in Verbindung mit 4 beschrieben – ein Chlor-verringerndes
Additiv zuzugeben, z.B. in Form von Schwefel oder einem Schwefel
enthaltenden Material. Durch Zuführen
von moderaten, wenn auch wirksamen Mengen von Schwefel zum Brennstoff
wird bereits während
des Verbrennungsprozesses zwischen dem Schwefel und den Alkalimetallchloriden
eine Umsetzung erzielt, wodurch unter anderem Chlorwasserstoff gebildet
wird, was mit sich bringt, dass freies Chlor im Bereich der Überhitzervorrichtungen
nicht entwickelt wird. Die Chlormengen werden in diesem Bereich
zumindest auf ein absolutes Minimum verringert. Ein anderer Weg
besteht darin, die Zusammensetzung der Brennstoffmischung zu verändern, z.B.
durch Verringern der Brennstoffkomponente(n), die zu hohen Gehalten
an Alkalimetallchloriden führt/führen. In Kombination
mit diesen Maßnahmen
kann auch das Luftregistrierungssystem so eingestellt werden, dass es
die Menge reaktiver Chloride im Bereich der Überhitzerrohre minimiert.
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Mögliche Modifikationen der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
kann auch zur Messung des Vorhandenseins und der Konzentration von
Schwefeldioxid (SO2) innerhalb des bestimmten
Wellenlängenbereichs
(200 bis 310 nm) verwendet werden, insbesondere, um eine Überdosierung
von Schwefelzusätzen
bzw. Schwefel enthaltenden Brennstoffen zu vermeiden oder ihr entgegen zu
steuern, oder um, alternativ, anderen operativen Maßnahmen,
die den SO2-Gehalt im Verbrennungsgaskanal
auf Werte oberhalb der festgesetzten Grenzen erhöhen könnten, entgegen zu steuern.
Es ist auch darauf hinzuweisen, dass die Erfindung zur Messung der
Konzentration anderer gasförmiger
Metallchloride als nur von Kalium- und Natriumchloriden, z.B. Schwermetallchloriden,
wie z.B. Zink- bzw. Bleichlorid, verwendet werden kann, weil auch
diese eine charakteristische Lichtabsorption innerhalb des Wellenlängenbereichs
von 200 bis 310 nm aufweisen. Im Rahmen der Erfindung ist es auch
möglich, die
Konzentration von gasförmigen
Metallen in elementarer Form, z.B. von elementarem Zink, zu bestimmen.
Es ist zu erwarten, dass verschiedene Zustandsformen von Zink und
Blei besonders häufig
bei der Verbrennung von Brennstoffen auf Abfallbasis vorhanden sind.
Zink- und Bleichloride können Aschenablagerungen
mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt, z.B. 300°C, auf der
Wärme-übertragenden
Rohrvorrichtung bilden; das erhöht
die Korrosion so wie das Ablagerungswachstum. Insbesondere können sie
Ablagerungen an den Rohren, die ein Teil eines Ekonomisers sind,
ausbilden. Durch Installieren einer erfindungsgemäßen Messanordnung
in der Nachbarschaft von dieser Art von Rohren enthaltenden Vorrichtungen
kann die Konzentration dieser Substanzen auf geeignetem Weg gemessen
werden, worauf die Messergebnisse verwendet werden können, um
Maßnahmen
zu ergreifen, um die Menge von schädlichen Substanzen zu verringern,
z.B. durch Verändern
der Zusammensetzung des Brennstoffs.
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In
diesem Zusammenhang soll auch darauf hingewiesen werden, dass Fachleute
auf dem in Frage stehenden Gebiet die Theorie bestätigen, dass
ein mögliches
Vorhandensein von Dioxinen in den Verbrennungsgasen von der Menge
an Alkalimetallchloriden abhängt.
Innerhalb des Rahmens der Erfindung ist es deshalb möglich, die
beschriebene Messanordnung zu verwenden, um indirekt – nämlich durch
Bestimmen der Konzentration an Alkalimetallchloriden – das Vorhandensein
und die Konzentration von Dioxinen zu bestimmen, die für die Umgebung
gefährlich sind.
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Es
soll auch darauf hingewiesen werden, dass die Erfindung unabhängig davon,
ob die Wärmeproduzierende
Anlage Überhitzervorrichtungen aufweist
oder nicht, angewendet werden kann. Die Erfindung kann, wie vorstehend
erwähnt,
exklusiv für Messungen
im Zusammenhang mit einem Ekonomiser oder einem Luftvorerhitzer
verwendet werden.
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Obwohl
die Erfindung in den Zeichnungen in Verbindung mit zwei konventionellen
Arten von kombinierten Kraft- und Wärmeanlagen, nämlich Anlagen mit
Wirbelschicht-Dampferhitzern vom BFB- bzw. CFB-Typ, veranschaulicht
wurde, ist sie auch auf andere Arten von Verbrennungsanlagen anwendbar, z.B.
auf solche, die Rostfeuerungsverfahren oder Öfen zur Verbrennung pulverisierter
Brennstoffe verwenden.