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Die Erfindung betrifft ein Auswerte- und Regelungsverfahren für Mehrstoffbrenner und eine Auswerte- und Regelungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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In der Zementindustrie, vor allem im Bereich der Klinkerherstellung müssen Rohmaterialien zunächst thermisch umgewandelt werden. Die thermische Umwandlung von Rohmaterial zum Klinker erfolgt dabei mithilfe eines Drehrohrofens. Die thermische Energie an den unterschiedlichen Stellen der Zementanlage wird durch Mehrstoffbrenner zur Verfügung gestellt, die es ermöglichen, den Anteil alternativer Brennstoffe (z. B. Fluff, Plastikschnipsel, Reifenflusen oder Tiermehl) zu erhöhen und so Kosten zu senken und Emissionen zu reduzieren.
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Bisher konnte der Anteil von Ersatzbrennstoffen am Gesamtbrennstoff nicht stabil bei hohen Anteilen (> 70%) gehalten werden, da alternative Brennstoffe Eigenschaften wie einen stark schwankenden Feuchtegehalt haben, der einen großen Einfluss auf die Verbrennung und die erzeugten Brenngase und das Endprodukt haben. Herabfallender, nicht vollständig verbrannter Brennstoff landet bei diesem Herstellungsprozess direkt im Reaktionsbereich der Rohmaterialien und wirkt sich dadurch sogar direkt auf den chemischen Umwandlungsprozess und damit auf das entsprechende Endprodukt aus. Für einen konstant hohen Anteil an alternativen Brennstoffen ist eine dauerhafte Überwachung des Brennstoffes und des Prozesszustandes notwendig. Bisher vorhandene Messsysteme konnten den Prozesszustand nur zeitverzögert erfassen, was einen schnellen Eingriff bei schwankenden Brennstoff-Eigenschaften nicht möglich macht. So sind zum Beispiel sich ändernde Brennstoffeigenschaften im Brennstoffflugverhalten mit Kameras im visuell sichtbaren Wellenlängenbereich, wie sie häufig zu Prozessüberwachungsleitständen verwendet werden, nicht zu erkennen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Auswerte- und Regelungsverfahren für Mehrstoffbrenner bereitzustellen, um den Anteil an Ersatzbrennstoffen erhöhen bzw. hoch halten zu können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Auswerte- und Regelungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch die entsprechende Auswerte- und Regelungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
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Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungsformen des Auswerte- und Regelungsverfahrens sowie der Auswerte- und Regelungsanordnung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Auswerte- und Regelungsverfahrens wird mit einem Mehrstoffbrenner für alternative Brennstoffe ausgeführt, der eine Mess- und Regelungsanordnung aufweist, die eine Infrarotkamera hat, die einem Brennermund des Mehrstoffbrenners zugeordnet ist. Ferner ist dem Mehrstoffbrenner eine Datenverarbeitungseinheit und eine Regelungs- und Steuerungseinheit zugeordnet, die miteinander und mit der Infrarotkamera operativ verbunden sind.
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In einem Schritt a) wird mit der Infrarotkamera während eines Brennvorganges ein aktuelles Brennbild im Infrarotspektralbereich aufgenommen, wobei das Brennbild Bilddaten eines Aufnahmeabschnittes, der den Brennermund umfasst und der Ersatzbrennstoff-Partikel enthält, zeigt.
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In dem nachfolgenden Schritt b) werden die Bilddaten des Brennbildes an die Datenverarbeitungseinheit gesendet und dort werden in Schritt c) mit der Datenverarbeitungseinheit aus den Bilddaten die Ersatzbrennstoff-Partikel sowie Größe und Position einer Mehrzahl oder auch aller Partikel ermittelt.
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Aus den in Schritt c) erfassten Daten werden in Schritt d) hiernach aktuelle charakteristische Brennparameter bestimmt und diese werden mit vorgegebenen Soll-Brennparametern verglichen.
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Ferner wird in Schritt e) bei Abweichen der aktuellen charakteristischen Brennparameter von den Soll-Brennparametern in der Regelungs- und Steuerungseinheit die Regelungs- und/oder Steuerungsparameter angepasst, die mit den charakteristischen Brennparametern korrelieren, und dadurch die charakteristischen Brennparameter geändert, bis die aktuellen charakteristischen Brennparameter den Soll-Brennparametern entsprechen.
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Schließlich kann das Verfahren kontinuierlich ausgeführt werden, wozu die vorgenannten Schritte a) bis e) kontinuierlich wiederholt werden.
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Mittels des Verfahrens kann eine Verbrennung von Ersatzbrennstoff umfänglich überwacht, vermessen und ausgewertet und zur Bewertung der Verbrennung genutzt werden. Dabei kann der gesamte Zeitraum der Verbrennung, d. h. von Eintritt des Brennstoffes in den Brenner, Austritt des Brennstoffes aus dem Brennermund, dessen Flugverhalten bis hin zu Verbrennung des Ersatzbrennstoffes im Brennraum, beobachtet werden.
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Dabei geht ein Brennstoff von einem kalten, ungezündeten Zustand zu einer Zündung innerhalb des Brenners über und verbrennt schließlich, im Idealfall vollständig. Manche Brennstoffe verbrennen nicht oder nur teilweise – auch dies kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren detektiert werden, so dass das Brennverhalten von Ersatzbrennstoffen besser verstanden werden kann und der Anteil in einem Brennprozess wesentlich erhöht werden kann.
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„Brennparameter” oder auch Verbrennungsparameter im Sinne der Erfindung sind alle bildbasierten Kenngrößen, die aus den Bilddaten bzw. der Aufnahme durch die Infrarotkamera aufgenommen bzw. durch die nachfolgende Auswertung bestimmt werden können. Die Brennparameter beschreiben den Zustand bzw. können den Zustand der Verbrennung aktuell und über eine bestimmte Zeit abbilden. „Regelungs- und/oder Steuerungsparameter” im Sinne der Erfindung sind alle bekannten Stellgrößen, die dazu dienen können, den Brenner einzustellen und den Brennprozess nachhaltig zu beeinflussen.
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Die Erfindung betrifft ein Auswerte- und Regelungsverfahren, wobei eine Vorsteuerung bezüglich der Brennstoffzusammensetzung beinhaltet sein kann.
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„Anpassen der Brennparameter” bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Brennparameter an Sollvorgaben angenähert werden können. Sie bilden daher dynamische Werte, die sich ständig ändern und sich im Idealfall Sollvorgaben annähern. Der Begriff „aktuell” ist immer zu einer bestimmten Zeit zu sehen, und ändert sich im Laufe der Zeit bzw. passt sich an. Aktuelle Werte zu einem ersten Zeitpunkt bei bestimmten Brennereinstellungen können ohne weiteres anders sein als aktuelle Werte zu einem zweiten Zeitpunkt bei bestimmten Brennereinstellungen. Der „Brennvorgang” im Sinne der Erfindung ist jeder Zünd- und Verbrennungsvorgang sowie jedes Austritt- und Flugverhalten von Ersatzbrennstoff. Ein „Brennbild” im Sinne der Erfindung zeigt ein Bild des gesamten Verbrennungsvorgangs – so Brennstoffzuführung aus dem Brennermund, Zündungsverhalten des Brennstoffes und dessen Verbrennungsverhalten.
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Mit dem erfindungsgemäßen Auswerte- und Regelungsverfahren wird es möglich, durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Infrarotkamera einen Brenner während des Brennvorgangs nahezu nahtlos zu überwachen. Die Verbrennungsgase werden beim Einsatz einer Infrarotkamera mit speziellem Spektralfilter sehr viel durchlässiger für Strahlung (quasi fast transparent). Dadurch ist es erst möglich den Brennstoff in den Aufnahmen zu erkennen. Bei Messung im visuellen Spektralbereich würde die Flamme den Blick auf den Ersatzbrennstoff versperren. Daher bietet die Kamera Einblick in den Verbrennungsprozess, indem die vorhandenen Verbrennungsgase durch die Erfassung mittels Infrarot und damit Erfassung eines nicht unmittelbar sichtbaren Partikelanteils aufgezeigt werden. Es kann ermöglicht werden, die Veränderung der Brennstoffeigenschaften nachzuvollziehen und im Bedarfsfall sofort zu korrigieren. Es kann händisch geregelt bzw. gesteuert werden, wobei durch Anzeigen des Kamerabildes in einem Leitstand und der bestimmten Brennparameter die erforderlichen Auswerte- und Regelungsparameter in einer Ausführungsform manuell eingestellt werden können. Alternativ kann die Steuerung bzw. Regelung auch automatisch erfolgen, wozu die Brennparameter durch das erfindungsgemäße Verfahren mittels der Auswerte- und Regelungseinheit nach und nach angepasst werden können.
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Die aus einem bildgebenden Verfahren bestimmten resultierenden Kenngrößen bzw. Brennparameter können für eine Regelung bzw. Steuerung des Brennprozesses verwendet werden, wodurch die Brennerparameter weiter angepasst werden können. Die sich ändernden Brennstoffeigenschaften zeigen sich in den Infrarotkameraaufnahmen unter anderem durch Intensitätsunterschiede innerhalb der Aufnahme, dynamische Änderungen über die Zeit und durch Modellabweichungen. Hierzu werden verschiedene Parameter verwendet, um beispielsweise die Intensitätsunterschiede und dynamischen Änderungen der Partikelpositionen über die Zeit abzubilden und weiteren Berechnungen zuzuführen. So kann die Erfindung vorsehen, dass zum Ermitteln bzw. Detektieren oder auch Segmentieren der Ersatzbrennstoff-Partikel aus Bilddaten eines oder mehrerer Bildes/Bilder ein oder mehrere Parameter Temperatur, Intensität, Geschwindigkeitsbetrag, Geschwindigkeitsrichtung und wahrscheinlicher Position eines Partikels aufgrund vorbekannter Temperatur- bzw. Wahrscheinlichkeits- bzw. Geschwindigkeitsmodellen bestimmt wird und ferner aus Bilddaten zweier oder mehr Bilder eine Geschwindigkeit des Brennprozesses bestimmt wird. Die verwendeten Modelle basieren auf Prozesswissen, dass einem dem Fachmann vorbekannten Wissen über Verbrennungsprozesse entspricht und sich aus dem Anwendungsbereich der Verbrennung ergibt.
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Verschiedene Bildverarbeitungsverfahren können eingesetzt werden. Dabei kann bevorzugt ein Verfahren verwendet werden, nach dem zunächst eine Bildvorverarbeitung stattfindet, in der auf einem Einzelbild zunächst kontrastverstärkende Bildverarbeitungsverfahren angewendet werden und eine Reduzierung auf eine Interessensregion („Region of Interest”) stattfindet, in der bspw. eine Mehrzahl der Partikel statistisch vermutet wird.
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Nach dieser Bildvorverarbeitung erfolgt eine so genannte Segmentierung. Über die Interessensregion wird ein Texturfilter gelegt, wonach eine weitergehende Segmentierung nach Partikeln oder Partikelagglomerationen stattfinden kann. Hierbei gibt es die Möglichkeit, dass bereits eine Region aus der Segmentierung entfernt wird, wenn in dieser weitere, zu prüfende Eigenschaften, wie z. B. Größe, Position, Entfernung zum Brennermund, etc. zu sehen sind. Auch können in bestimmten Regionen die vorgenannten Eigenschaften separat überprüft werden und, falls die Vorgaben zu den Eigenschaften nicht erfüllt werden, die Region aus der Segmentierung entfernt werden. Weiter besteht die Möglichkeit, zeitliche Filterungen der Bilddaten durchzuführen (z. B. zeitlicher Mittelwertfilter), um Bildbereiche mit Brennstoff von anderen Bildbereichen deutlicher abgrenzen zu können. Die Segmentierung des Brennstoffs auf Basis von Einzelbildern und die Segmentierung auf Basis der zeitlichen Filterung einer Bildsequenz können in vorteilhafter Weise, beispielsweise mit Hilfe einer Maximum-A-Posteriori-Schätzung kombiniert werden, um eine Verbesserung der Segmentierungsgenauigkeit zu erzielen.
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Nach dieser Segmentierung kann eine Kenngrößenextraktior erfolgen. Es können Eigenschaften einzelner Partikel auf Basis der Segmentierung in Einzelbildern berechnet werden (z. B. Größe, Abstand zum nächsten Partikel, Aufenthaltsort/Position, Agglomeration ja/nein). Auf Basis der Segmentierung zeitlich gefilterter Bilddaten und auf Basis der Kombination aus beiden Segmentierungen können weitere Kenngrößen rechnerisch bestimmt werden. Es kann für jede Bildspalte eine Normalverteilung (Mittelwert und Standardabweichung) für den Aufenthalt von Brennstoff berechnet werden. Auf Basis dieser Verteilungen lassen sich dann unter anderem die mittlere Flugbahn des Brennstoffs und das Verteilungsverhalten bzw. Streuverhalten des Brennstoffs in der Flugphase berechnen.
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Die Erfindung sieht vor, dass einer oder mehrere charakteristische Brennparameter wie Position, Größe, Verteilung, mittlere Flugbahn, Verbrennungszeitpunkt, Verteilungsverhalten bzw. Streuverhalten der Ersatzbrennstoff-Partikel im Brennraum ausgewählt werden können. Vorteilhaft werden aus den Bilddaten zusätzliche Informationen bestimmt, die für eine Analyse des Brennvorgangs innerhalb des Brennraumes genutzt werden können.
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Die Erfindung sieht ferner in einer Weiterführung vor, dass in einem Schritt c') aus den Bilddaten weitere, die charakteristischen Brennparameter ergänzende Kenngrößen bestimmt werden, wie bspw. Agglomerationen der Ersatzbrennstoff-Partikel oder auch eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Ersatzbrennstoff-Partikel in einem Brennraum des Brenners. Ferner kann ein Verbrennungszeitpunkt der Ersatzbrennstoffpartikel nach Verlassen des Brennermundes bzw. eine Auftreffposition bzw. eine Auftreffzeit der Ersatzbrennstoff-Partikel in einem Feststoffbett in dem Brennerraum festgestellt werden. Auch die Verteilung der Ersatzbrennstoff-Partikel während einer Flugphase derselben kann aus den Bilddaten bestimmt werden. Das Verfahren kann somit dazu dienen, einen Brennvorgang sicher und umfassend zu überwachen und eine Menge Daten über verschiedene Brennstoffanteile und -zusammensetzungen zu erhalten.
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Ferner kann für die Regelung bzw. Steuerung des Brenners zumindest ein Regelungs- und/oder Steuerungsparameter wie Primärluftmenge, Sekundärluftmenge, Anteil des Ersatzbrennstoffes, Winkel eines Pneumodeflektors bzw. Verdrallung der Luft (auch „swirl” genannt) eingestellt werden. Vorzugsweise können diese Stellgrößen den Brennprozess beeinflussen; für geeignete Einstellungen werden u. a. Erfahrungswerte genutzt.
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Neben einer Überwachung und Regelung des Brennvorganges kann die Erfindung vorsehen, dass auf Grundlage der Infrarot-Kameraaufnahmen und einer anschließenden Bildverarbeitung aktuelle und gespeicherte erfasste Brennparameter mit vorbestimmen Soll-Brennparametern verglichen werden können. Daraus kann das Brennverhalten bestimmt werden und dieses nach vorbestimmten Kriterien bewertet werden. So gibt es für verschiedene Materialien Qualitätskriterien – bspw. ist für gebrannten Klinker der Anteil von Freikalk ein solches Qualitätskriterium. Ferner kann auch die Temperatur im Ofen bzw. an bestimmten Bereichen im Ofen oder ein gewünschtes Flugverhalten oder ein Verbrennungszeitpunkt als Qualitätskriterium herangezogen werden und zudem als Sollparameter dienen. Ferner kann auch direkt der Verbrennungszustand berücksichtigt werden, wenn z. B. verhindert werden soll, dass Ersatzbrennstoff im Brennbett landet. Hierzu können auch die Soll-Parameter entsprechend angepasst werden.
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Da sich das tatsächliche Verbrennungsverhalten allein anhand der berechneten Brennparameter zeigt, können die Soll-Parameter alleine nur bedingt zur Bewertung herangezogen werden. Wenn jedoch bspw. eine Abweichung von einem gewünschten Verbrennungszeitpunkt oder eine Abweichung von der gewünschten mittleren Flugkurve zur Bewertung genutzt werden soll, können auch die Soll-Parameter Eingang in die Bewertung finden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Auswertung und anschließende Bewertung durchgeführt werden kann. Diese Informationen können genutzt werden, um Eigenschaften verschiedener Brennstoffzusammensetzungen herauszufinden und Voraussagen über deren Verbrennungsprozess zu treffen.
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Vorteilhaft kann mithilfe der Infrarotkamera-Aufnahme der Brennstoff detektiert werden und es können Eigenschaften wie beispielsweise das Austritts- und Flugverhalten, das sich in einer Flugkurve, Materialstreuung während des Flugs und einer Landezone aufteilt, abgeleitet werden. Auch der Verbrennungszeitpunkt der Partikel kann bestimmt werden. Es kann ein Blick auf den alternativen Brennstoffanteil geworfen werden und somit eine Beurteilung des Streuverhaltens erfolgen. Hierdurch können die Eigenschaften des Brennstoffs und die charakteristischen Brennparameter nahezu in Echtzeit überwacht werden und frühzeitig mit Änderungen reagiert werden. Unterschiedliche Regelungsstrategien können angewandt werden, um den Anteil an alternativen Brennstoffen noch weiter zu erhöhen. Im Gesamten bietet die Erfindung den Vorteil, dass durch die Überwachung ein insgesamt höherer Anteil an alternativen Brennstoffen am Gesamtbrennstoff für industrielle Verbrennungsprozesse verwendet werden kann, ohne einen negativen Einfluss auf den Brennprozess insgesamt und letztendlich auf die Produktqualität zu haben.
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Die Erfindung sieht ferner eine Auswerte- und Regelungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor. Die Anordnung weist einen Brenner mit einem Brennermund und einer Infrarotkamera zur Aufnahme von Ersatzbrennstoff-Partikeln im Infrarotspektralbereich auf, wobei die Infrarotkamera derart vor dem Brennermund angeordnet ist, dass der Brennermund und eine Flamme vor dem Brennermund im Aufnahmeabschnitt der Infrarotkamera liegt. Ferner weist die Anordnung eine Datenverarbeitungseinheit auf, die operativ mit der Infrarotkamera und einer Regelungs- und Steuereinheit des Brenners verbunden ist.
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Vorteilhaft kann durch die Erfindung das Austritts- und Flugverhalten von Ersatzbrennstoffen bei industriellen Mehrstoffbrennern auf Basis von Aufnahmen von Infrarotkameras analysiert werden, da diese Art der Auswerte- und Regelungsanordnung einen Brennprozesszustand durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeitnah erfassen kann.
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Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung,
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2 eine schematische Seitenansicht eines Aufnahmeabschnitts der Infrarot-Kamera mit detektierten Ersatzbrennstoff-Partikeln,
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3 eine schematische Ansicht einer Verteilung der Ersatzbrennstoff-Partikel,
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4a–f fotografische Ansicht eines Brennermundes mit austretenden Ersatzbrennstoff-Partikeln bei unterschiedlichen Brennereinstellungen,
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5 eine fotografische Ansicht einer bildbearbeiteten Aufnahme,
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6 eine bearbeitete fotografische Aufnahme mit erfassten Partikeln, und
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7 einen Graphen mit der Verteilung der Partikel.
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In 1 zeigt die Überwachungsanordnung 10 einen Mehrstoffbrenner 1 mit einem Brennraum 2 sowie einem Brennermund 3. Dem Brennraum 2 ist eine Infrarotkamera 4 vorgeordnet, die einen Aufnahmeabschnitt A aufnehmen kann. Die Infrarotkamera 4 ist über Datenleitungen 9 operativ mit einer Datenverarbeitungseinheit 6 verbunden. Diese weist einen Speicher 6a auf, in dem die für die Auswertung und Steuerung bzw. Regelung erforderlichen Parameter, Werte und Modelle gespeichert sind. Ferner ist die Datenverarbeitungseinheit 6 mit der Steuerungs- und Regelungseinheit 7 verbunden. Diese wiederum ist operativ mit dem Brenner 1 verbunden, so dass die Regelung- und Steuerungseinheit 7 durch ändern bzw. anpassen von Steuerungs- und Regelungsparametern Einfluss auf die Brennparameter des Brennprozesses nehmen kann.
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In 2 ist der Aufnahmebereich A der Infrarotkamera 4 schematisch dargestellt, wobei sich eine Flamme 11 aus dem Brennermund 3 in den Brennraum 2 hinein erstreckt. Innerhalb dieser Flamme 11 liegen Ersatzbrennstoff-Partikel 5 vor, die in einer bestimmten Flugbahn F aus dem Brennermund 3 hinaus getragen werden. Nach einer bestimmten Zeit, die von der Beschaffenheit und dem Material des jeweilig verwendeten Ersatzbrennstoffes abhängt, verbrennen diese Partikel 5 bzw. Reste des Ersatzbrennstoffes fallen auf den Boden des Brennraumes 2 und bilden ein Feststoffbett 8.
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In 3 ist eine beispielhafte Verteilung der Ersatzbrennstoff-Partikel 5 schematisch dargestellt, wobei die Partikel 5 innerhalb einer strahlförmigen Flugbahn F mit einer mittleren Flugbahn F' aus dem Brennermund 3 heraus in den Brennerraum 2 fliegen. Die Partikel 5 können sich alleine bewegen oder auch Agglomerationen 5' bilden. Ferner bilden sich am Brennermund 3 Kohlebereiche K. Der dargestellte Mehrstoffbrenner 1 hat beispielsweisezwei Brennstoffzuführungen. Eine mittig im Brennermund angeordnete Zuführung für den Ersatzbrennstoff. Eine weitere Brennstoffzuführung befindet sich koaxial um die in der Mitte angeordnete Ersatzbrennstoffzuführung und dient als Zuführung für den Standardbrennstoff Kohle. Es sind zwei Zuführungen notwendig, da oft Kohle und Ersatzbrennstoffe gemeinsam verbrannt werden. Die Kohlebereiche K zeigen die Bereiche, in denen die Kohle aus dem Brenner austritt und dann im Ofen verbrennt. Sie verbrennt recht schnell, so dass der Bereich K im Vergleich zu dem langsamer verbrennenden Ersatzbrennstoff seitlich direkt vor dem Brennermund liegt. Wird keine Kohle verbrannt, z. B. wenn 100% Ersatzbrennstoff verwendet wird, gibt es keinen Kohlebereich K. 3 zeigt ein Schema einer Verbrennung mit einem gewissen Anteil Kohle, so dass sich die Kohlebereiche K ausbilden.
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Die 4a bis 4f zeigen fotografische Aufnahmen einer Infrarotkamera 4 für verschiedene Einstellungen des Brenners 1. Aus dem Brennermund 3 erstreckt sich die Flamme 11 in den Brennerraum 2 hinein, worin sich die Partikel 5 befinden. In den Infrarotaufnahmen zeigen sich die Partikel 5 in dunklem, fast schwarzen Grau; die Flamme 11 ist dort herum in mittlerem Grau zu sehen.
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Die sechs fotografischen Einzelbilder der
4a bis
4f stellen eine Folge eines laufenden Brennprozesses dar, wobei am Brenner
1 verschiedene Voreinstellungen vorgenommen wurden, die zu den unterschiedlichen Brennbildern führen. Die Einstellungen des Brenners
1 sind hierbei die Parameter EBS (Anteil des Ersatzbrennstoffes in Prozent), der Druck des Pneumodeflektors in mbar sowie eine Verdrallung (auch „swirl” genannt). Die Verdrallung oder auch Luftverwirbelung ist einheitslos und bezieht sich im nachfolgenden Zahlenbeispiel auf eine Einstellung an dem Brenner
1 und kann zwischen einem Wert 1 und einem Wert 9 liegen. Diese drei Parameter sind in der folgenden Tabelle kurz zusammengefasst, und zeigen, wie mittels der Parametereinstellungen ein Partikelstrahl in seiner Flugbahn beeinflusst und auch fokussiert werden kann.
| Fig. | EBS [%] | Druck Pneumodeflektor [mbar] | Swirl |
| 4a | 60 | 40 | 2 |
| 4b | 65 | 40 | 4 |
| 4c | 100 | 40 | 4 |
| 4d | 60 | 40 | 8 |
| 4e | 65 | 200 | 4 |
| 4f | 100 | 200 | 4 |
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Mittels eines bildgebenden Verfahren, das u. a. auf der Auswertung verschiedener Größen, wie der Temperatur, der Helligkeit, Intensität der Flamme 11 sowie einer allgemeinen Verteilung der Partikel 5 im Infrarotbereich basiert, können Größe sowie Position und damit die einzelnen Partikel 5 selbst (die als kleine Kreuze dargestellt sind) erfasst werden, wie 5 zeigt, eine fotografische Aufnahme des Aufnahmebereichs für eine beispielhafte Brennereinstellung. Aus der Position und der Größe der Partikel 5 lässt sich eine Verteilung errechnen, woraus ihre Flugbahn F und auch eine mittlere Flugbahn 5' bestimmt werden kann. Daneben können auch der maximale Austrittswinkel W des Gesamtbrennstoffs am Brennermund 3 (in 5 mittels zweier Linien W links und rechts des Brennermundes 3 dargestellt) analysiert werden. Das eingezeichnete Rechteck bezeichnet eine Interessenregion R, auf die sich in der Bildanalyse beschränkt wird, wobei in diesem Bereich nach den Partikeln 5 „gesucht” und analysiert wird.
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Die 6 zeigt ein bereits verarbeitetes Bild, das es ermöglicht, einen Blick auf den alternativen Brennstoffanteil (Partikel 5) und eine Beurteilung deren Streuverhaltens zu werfen. Aufbauend auf diesem Bild können z. B. einzelne Partikel 5 detektiert werden. Hierbei wird nur der Bereich vor dem Brennermund 3, d. h. in einem realistischen Flugbereich des Brennstoffes, betrachtet.
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Werden diese Partikeldetektionen über einen längeren Zeitraum beobachtet, kann eine Art Trefferliste erstellt werden, wie in 7 zu sehen. Die Partikel 5 sind bestimmt und ihre Eigenschaften, wie Größe, Position und Verteilung können rechnerisch weiter verarbeitet werden, wie in 7 dargestellt. Die einzelnen Partikeldetektionen von Ersatzbrennstoffpartikeln sind als kleine Kreuze gekennzeichnet. Aus diesen Detektionen kann des Weiteren eine spaltenweise Schätzung für den Aufenthaltsort des Brennstoffes durchgeführt werden, wobei für eine kleine Anzahl an Spalten der Partikeldetektionen wird der Mittelwert (dicke Kreuze mittig) und die Standardabweichung (Kreuze oberhalb und unterhalb der Mittelwerte) gebildet. Daraus wird jeweils eine Normalverteilung abgeleitet. Die Abmessungen an den Graphenachsen entsprechen denen einer sogenannten Interessensregion oder auch „region of interest”. 7 zeigt einen Ausschnitt aus einer solchen Interessensregion und die mittels Gaußabschätzung ermittelten Verläufe (Linien G) von ausgewählten Schätzungen innerhalb der Interessensregion R, die den zugehörigen Mittelwerten und oberhalb und unterhalb davon dem 1σ-Intervall dieser Schätzungen der Partikeldetektionen entsprechen. Die kontinuierlichen Kurven stellen geschätzte Normalverteilungen für den Aufenthaltsort von Partikeln in der jeweiligen Spalte dar (auf Basis der Mittelwerte und Standardabweichungen). Mit Hilfe der Detektionen kann in einem weiteren Schritt auch eine Flugbahnschätzung durchgeführt werden. Aus dem Graphen kann daher auf die Flugbahn F und die mittlere Flugbahn F' der Partikel 5 geschlossen werden.
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Zur kamerabasierten Erfassung des Austritts-und Flugverhaltens von Ersatzbrennstoffpartikeln eines industriellen Mehrstoffbrenners 1 sowie dessen Regelung und Steuerung kann mittels der Infrarotkamera 4 und unter zu Hilfenahme eines bildgebenden Verfahrens die Ersatzbrennstoff-Partikel 5 detektiert werden.
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Auf Grund der berechneten bildbasierten Kenngrößen der Ersatzbrennstoff-Partikel 5, können Kenngrößen ermittelt werden, die sich zur Charakterisierung des Austritts-Flugverhaltens der Partikel 5 eignen. Diese Kenngrößen können hiernach ohne weiteres in die Regelung des Mehrstoffbrenners 1 Eingang finden und von der Steuerungs- und Regelungseinheit 7 umgesetzt werden.
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Vorteilhaft ist insbesondere, dass mittels des bildgebenden Verfahrens vorzugsweise eine Kameratechnologie eingesetzt wird, die im Infrarotspektrum sensitiv ist. Die Infrarot-Technik bietet hierbei den besonderen Vorteil, dass Rauchbildung sowie weitere im sichtbaren Spektrum hinderliche Bildanteile nicht erfasst werden, sondern nur die ebenfalls im Infrarotspektrum reflektierenden Bildbestandteile, wie Partikel 5 oder andere Feststoffe erfasst und deren Verhalten im Brennraum 2 überwacht und bewertet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrstoffbrenner
- 2
- Brennraum
- 3
- Brennermund
- 4
- Infrarotkamera
- 5
- Ersatzbrennstoff-Partikel
- 5'
- Agglomerationen
- 6
- Datenverarbeitungseinheit
- 6a
- Speicher
- 7
- Regelungs- und Steuerungseinheit
- 8
- Feststoffbett
- 9
- Datenleitungen
- 10
- Überwachungsanordnung
- 11
- Flamme
- A
- Aufnahmeabschnitt
- F
- Flugbahn
- F'
- Mittlere Flugbahn
- K
- Kohlebereich
- R
- Interessensregion
- G
- Linie der Gaußabschätzung
- W
- Austrittswinkel
