Kurzreferat

Gegenstand der Diplomarbeit ist die Verbrennungsführung einer Sondermüll-Verbrennungsanlage (SAVA) nach dem Drehrohrprinzip. Spezielle Aufgabe ist es, für die eingesetzten Stützbrenner eine Brenner-Trimmregelung zu entwickeln, wobei Trimmung hier für die Aufteilung des Brennermassenstroms auf die Medien Heizöl und heizwertreicher Flüssigabfall steht. Durch die Regelung des Trimm-faktors wird die Medienaufteilung an den variierenden Energiegehalt des Flüssig-abfalls angepaßt.

Die Arbeit unterteilt sich in die Bereiche theoretische Prozeßanalyse / Model-lierung der Verbrennungsräume, Reglerentwurf und -dimensionierung sowie Bewertung

des Regelkreisverhaltens durch Simulation.

Als Simulationswerkzeug kam das am Institut für Prozeßautomatisierung und Meß- technik der HTWS-Zittau entwickelte Programm „DynStar“ zum Einsatz.

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis   5

Indexverzeichnis...............................................................................................................   7

Konstanten  - / Variablenverzeichnis.  9

Verzeichnis  konstruktiver Parameter.  11

0  Einleitung.  12

1  Technologien der thermischen Abfallbehandlung.  13

1.1  Historischer Abriß.  13

1.2  Heutiger Entwicklungsstand  13

1.3  Entwicklungstendenzen.  13

2  Das Projekt SAVA.  15

2.1  Verfahrensbeschreibung  16

2.2  Regelungstechnische Struktur.  18

2.2.1  Verbrennungführung.  20

2.2.2  Brennermassenstromregelungen.  21

3  Modellierung der Regelstrecken  26

3.1  Bilanzraum Drehrohr  26

3.1.1  Stoffliche Ein- und Austräge  27

3.1.2  Stoffliche Komponenten im System  29

3.1.3  Energetisches Modell.  30

3.1.4  Beschreibende Differentialgleichungen  37

3.2  Bilanzraum Nachbrennkammer.  47

3.2.1  Stoffliche Ein- und Austräge  48

3.2.2  Stoffliche Komponenten im System  48

3.2.3  Energetisches Modell  49

Inhaltsverzeichnis

3.2.4  Beschreibende Differentialgleichungen  51

3.3  Zusammenfassung  56

Inhaltsverzeichnis

4  Brennstofftrimmregelung.  57

4.1  Einordnung des Modells Drehrohr in den Stofffluß  57

4.2  Einordnung des Modells Nachbrennkammer in den Stofffluß.  64

4.3  Konzepte der Trimmregelung.  68

4.3.1  Bisheriges Konzept.  68

4.3.2  Neues Konzept  69

4.3.3  Reglerdimensionierung.  78

4.3.4  Simulation und Bewertung  89

5.  Zusammenfassung und weiterführende Vorschläge  102

6.  Simulationsprogramm.  104

Literaturverzeichnis   107

Eidesstattliche  Erklärung  109

Abbildungsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  2.01 Prinzipdarstellung der Anlage SAVA.  

Abb.  2.02 Konzept der Verbrennungsführung bei SAVA.  

Abb.  2.03 Prinzip der Brenner-Medienversorgung in der Nachbrennkammer  

Abb.  2.04 Prinzip der Brenner-Medienversorgung im Drehrohr.  

Abb.  3.01 Verlauf Rauchgas- und Brennguttemperatur im Drehrohr  

Abb.  3.02 Stationärer Temperaturverlauf Drehrohrinnenwand zur Umgebung  

Abb.  3.03 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Drehrohrwandung  

Abb.  3.04 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Gesamtsystem Drehrohr  

Abb.  3.05 Vereinfachtes Ersatzschaltbild Drehrohrwandung  

Abb.  3.06 Langzeitverhalten des vollständigen Modells Drehrohrwandung.  

Abb.  3.07 Kurzzeitverhalten der Modelle (Drehrohrwandung)  

Abb.  3.08 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Drehrohrinnenraum  

Abb.  3.09 Signalflußbild Gesamtsystem Drehrohr.  

Abb.  3.10 Stationärer Temperaturverlauf Nachbrennkammer zur Umgebung.  

Abb.  3.11 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Nachbrennkammerwandung  

Abb.  3.12 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Nachbrennkammerinnenraum.  

Abb.  3.13 Kurzzeitverhalten der Modelle (Nachbrennkammerwandung)  

Abb.  3.14 Signalflußbild Gesamtsystem Nachbrennkammer.  

Abb.  4.01 Einordnung des Modells Drehrohr in den Stofffluß.  

Abb.  4.02 Prinzip der Gegenkopplung durch den energetischen Austrag.  

Abb.  4.03 Einordnung des Modells Nachbrennkammer in den Stofffluß.  

Abb.  4.04 Allgemeine Zuordnung der Stell- und Störgrößen.  

Abb  4 05 Erstes Konzept paralleler Trimm- und Brennstoffregler  

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  4.06 Zweites Konzept paralleler Trimm- und Brennstoffregler  

Abb.  4.07 Konzept der unterlagerten Trimm- und Brennstoffregler.  

Abb.  4.08 Vereinfachte Struktur der Temperaturregelung  

Abb.  4.09 Energiefreisetzung nach einmaligem Festmülleintrag von 1kg  

Abb.  4.10 Energiefreisetzung bei periodischem Festmülleintrag von 250kg.  

Abb.  4.11 Übertragungsverhalten eines PT1-Gliedes mit T R TR 550s  

Abb.  4.12 Zeitlicher Verlauf der Störgröße Flüssigabfallheizwert.  

Abb.  4.13 Verlauf der Rauchgastemperatur  

bei  Änderung des Flüssigabfallheizwertes  

Abb.  4.14 Verlauf der Brennermassenströme  

  (Drehrohr) bei Änderung des Flüssigabfallheizwertes  

Abb.  4.15 Verlauf der Brennermassenströme  

  (Nachbrennkammer) bei Änderung des Flüssigabfallheizwertes.  

Abb.  4.16 Verlauf der Trimmfaktoren  

bei  Änderung des Flüssigabfallheizwertes  

Abb.  4.17 Öl- und Flüssigabfallumsatz  

als  Funktion des Flüssigabfallheizwertes.  

Abb.  4.18 Zeitlicher Verlauf der Störgröße Flüssigabfallheizwert.  

Abb.  4.19 Verlauf der Rauchgastemperaturen bei Änderung des  

Fl  üssigabfallheizwertes und verschiedenen Luftmassenströmen  

Indexverzeichnis 7

Indexverzeichnis   

A  Asche  

a  außen  

ab  abfließend  

Am  Ausmauerung  

AP  Arbeitspunkt  

AW  Abwasser  

B  Brenngut  

BL  Brennerluft  

Br  Brennstoff (flüssig)  

D  Drehrohr  

F  Festmüll  

grenz  Grenzwert  

ha  Flüssigmüll (heizwertarm)  

hr  ’ (heizwertreich)  

I  Isolierung  

i  innen  

K  Konvektion  

K  ö Körper  

L  Luft  

N  Nachbrennkammer  

OL  Ofenluft  

  Ö Heizöl  

p  isobar  

R  Regler  

RG  Rauchgas  

S  Stahlmantel  

SL  Sekundärluft  

Sp  Speicherung  

St  Strahlung  

Str  Strecke  

TR  Trimmung  

U  Umgebung  

W  Wandung  

WL  Wärmeleitung  

W  Ü Wärmeübergang  

Z  Zündung  

zu  zufließend  

Konstanten- / Variablenverzeichnis

Bezeichnung Bedeutung [Einheit / Wert]

² ] A Fläche [m

a Amplitude einer sprungförmigen Störung

C

c

D Durchmesser [m]

d Dicke [m]

H

h Höhe [m]

K Koppelfaktor; stat. Übertragungsfaktor; Reglerverstärkung

l Länge [m]

m Masse [kg]

& Q Wärmestrom [MW]

R

Bezeichnung Bedeutung [Einheit / Wert]

Zeitkonstante [ ]

s T

TR Trimmverhältnis bzw. -faktor

³ ] V Volumen [m

W Regelabweichung (allgemein)

X Regelgröße (allgemein)

Y Stellgröße (allgemein)

Z Störgröße (allgemein)

α

∆ϑ Temperaturdifferenz zur Umgebung [°C ; K]

ε Strahlungsbeiwert

ϑ Temperatur [°C]

λ

ρ

σ

Verzeichnis konstruktiver Parameter

Bezeichnung Bedeutung Wert

² A D innere Drehrohroberfläche 186.045m

² A N innere Nachbrennkammeroberfläche 369.050m

d Am Ausmauerungsdicke 0.15m

D D Drehrohrinnendurchmesser 4.2m

D N Nachbrennkammerinnendurchmesser 5.4m

d S D Dicke des Drehrohrstahlmantels 0.025m

l D Drehrohrlänge 12m

l N Nachbrennkammerhöhe 20m

m Am D Ausmauerungsmasse Drehrohr 66.186t

m Am N Ausmauerungsmasse Nachbrennkammer 132.858t

m S D Stahlmantelmasse Drehrohr 36.744t

³ V D Drehrohrvolumen 166.253m

³ V N Nachbrennkammervolumen 458.044m

0 Einleitung

Müll ist als Endergebnis jedes Stoffflusses in unserer Gesellschaft heutzutage ebenso selbstverständlich wie problematisch. Während seit dem Beginn industrieller Produktion bis hinein in die siebziger Jahre unseres Jahrhunderts die Entsorgung des Abfallstoffes Müll weitgehend durch Deponierung erfolgte, wird in letzter Zeit der intelligentere Umgang mit dem nun als Wertstoff erkannten Müll immer eindringlicher ge-fordert. Hauptursache ist neben ökologischen Gesichtspunkten hauptsächlich die starke Verknappung geeigneten Deponieraums. Die Planung neuer Deponien scheitert oft an der sinkenden Akzeptanz in der Bevölkerung oder an den strengen Stand-ortforderungen.

Zur nachhaltigen Gestaltung unserer Wirtschaftskreisläufe wurden deshalb vom Gesetzgeber entsprechende Prämissen in der Reihenfolge

• Müllvermeidung (Materialeinsparung, Verpackungsreduzierung, ...) • Müllverminderung (Recycling, Kompostierung, Rotte etc.) • Müllverwertung (energetische Verwertung, Sekundärrohstoffgewinnung, ...) • Müllbeseitigung (Restmülldeponien)

gesetzt. Die Verwertung nicht recyclebaren Mülls soll dabei sowohl ökologisch als auch ökonomisch optimal erfolgen. Die thermische Abfallbehandlung mittels moderner Verfahren [7] erweist sich dabei oftmals als eine sehr günstige Variante, da entsprechende Alternativen meist energetisch nicht sinnvoll bzw. großtechnisch noch nicht beherrschbar sind.

Die Anwendung neuster Verfahrenstechnik sowie moderner Leittechnikkonzepte ermöglicht einerseits eine stetige Verbesserung der Anlagen und Optimierung der Prozeßführung, erhöht aber andererseits deren Komplexität und ist dadurch eine ständi- ge Herausforderung an die betreffenden ingenieurtechnischen Disziplinen.

1 Technologien der thermischen Abfallbehandlung

Die folgenden Absätze geben einen kurzen Überblick der technologischen Entwicklung von Müllverbrennungsanlagen, ihren heutigen Stand sowie einen tendenziellen Ausblick. Für umfassendere Informationen insbesondere zur Verfahrens- und Automatisierungstechnik sei auch auf [3] sowie [4] verwiesen.

1.1 Historischer Abriß

In den hochindustrialisierten Ländern werden Müllverbrennungsanlagen als großtechnische Systeme seit ca. 1960 realisiert. Die betrieblichen Zielstellungen beschränkten sich anfänglich auf den maximalen Mülldurchsatz sowie die Erzielung hoher Anla-genstandzeiten. Eine energetische Nutzung der Abwärme sowie die Behandlung der Rauchgase war meist nicht vorgesehen. Die Prozeßführung bestand in der Überwachung betrieblicher Parameter und die Regelung / Steuerung des Verbrennungsvorganges im Hinblick auf die o.g. Prämissen per Handeingriff oder durch einfache Automatisierungslösungen.

1.2 Heutiger Entwicklungsstand

Aus bereits einleitend genannten Gründen, sehen viele der heute in Betrieb befindlichen Müllverbrennungsanlagen Deutschlands als Müll(heiz)kraftwerke eine energetische Verwertung des Abfalls vor. Die Behandlung der Abprodukte (Rauchgasreinigung, Staubabscheidung, etc.) ist obligatorisch. Reststoffe werden recycled oder sicher endgelagert. Weiterhin wird zunehmend versucht, die früher vornehmlich durch Handbedienung geführten Prozesse stärker zu automatisieren. Aufgrund der stark schwankenden Müllzusammensetzung ist der Entwicklungsaufwand in Bezug auf die Prozeßleit- und Regelungstechnik dabei sehr hoch.

1.3 Entwicklungstendenzen

Die Technologien des Wasserdampfkreisprozesses sowie der Abgasreinigung werden heute anlagen- und prozeßtechnisch weitgehend beherrscht. Die Führung des Verbrennungsprozesses bereitet hingegen noch erhebliche Schwierigkeiten. Dabei ist gerade dieser für das Gesamtverhalten der Anlage maßgeblich. Eine mangelhafte Verbrennungsführung ist durch die nachfolgenden Prozeßstufen meist gar nicht oder nur schwer zu kompensieren.

Aus Sicht der Automatisierungstechnik zeigen sich dabei insbesondere die folgenden Problempunkte:

• Die Analyse und Modellierung des Verbrennungsprozesses ist aufgrund der Viel-

falt ablaufender Vorgänge und deren gegenseitige Beeinflussung schwierig.

• Der Verbrennungsvorgang ist örtlich nicht homogen. Eine optimale Verbrennungs-

führung ist somit nur über lokale Eingriffe (Luftzufuhr, Glutbettdicke, Verweilzeit, ...) möglich. Moderne Verfahren, wie z.B. die Walzenrostfeuerung, bieten diese Möglichkeit. Dem entgegen steht jedoch, daß heutige Regelungskonzepte häufig nur durch Einzelsensoren bestimmte globale Prozeßgrößen wie z.B. die Frischdampfmenge oder die Feuerraumtemperatur heranziehen.

• Die komplexe und häufig variierende Zusammensetzung des Mülls verschärft die

Problematik der Inhomogenitäten zusätzlich. Eine kontinuierliche Bestimmung von Heizwerten oder stofflicher Zusammensetzungen ist z.B. unmöglich.

Um diese Problematik besser zu beherrschen, kommen zunehmend neue nichtklassische Konzepte der Verbrennungsführung zum Einsatz. In [1] und [2] werden praktisch bereits erprobte Ansätze vorgestellt. Sie basieren auf dem Einsatz einer Vielzahl von Strahlungssensoren bzw. Kameras, welche den Verbrennungsvorgang global erfassen. Die Autoren sprechen deshalb hier von einer nicht signal- sonder infor-mationsorientierten Prozeßführung. Die Stellgrößenbildung erfolgt über ein Expertensystem oder auch fest verdrahtete Logiken. Obgleich hervorgehoben wird, daß mittels dieser Verfahren eine nahezu optimale Verbrennungsführung möglich ist, muß der enorme Entwicklungsaufwand für solche Systeme als nachteilig eingeschätzt werden. Weitere Ansatzpunkte liegen deshalb auch im Einsatz von Fuzzy-Methoden, die bei relativ einfacher Struktur und Handhabung ebenfalls eine bessere Führbarkeit der komplexen Verbrennungsprozesse verglichen mit konventionellen Regelungskon- zepten erwarten lassen. Ein Beispiel dazu findet sich in [13].

2 Das Projekt SAVA

Beim Projekt SAVA handelt es sich um eine Verbrennungsanlage für gewerbliche Sonderabfälle mit Abwärmenutzung. Die angelieferten Abfälle werden nach Konsistenz und Heizwert getrennt, wobei die Einteilung in Festmüll, heizwertreichen und heizwertarmen Flüssigmüll sowie Dickstoffe und Sonderchargen erfolgt. Die nachstehende Auflistung gibt einen kurzen Überblick der wichtigsten Anlagendaten für den Vollastbetrieb. Quelle sind Angaben des Verfahrenslieferanten.

2.1 Verfahrensbeschreibung

Nachfolgend zeigt Abbildung 2.01 den Aufbau der Anlage im Überblick. Im Gegensatz zu den bei Müllverbrennungsanlagen meist verwendeten Rostfeuerungen, wird bei SAVA ein Drehrohrofen im Gleichstromprinzip eingesetzt. Die Möglichkeit dieses Verfahrens, Müll beliebiger Konsistenz in einer Anlage verbrennen zu können, läßt es für die Sondermüllverwertung besonders geeignet erscheinen. Eine vergleichbare Anlage wird in [4] ausführlich beschrieben.

Eine weitere verfahrenstechnische Besonderheit von SAVA ist die weitgehende Abführung im Prozeß anfallender Reststoffe (z.B. Abluft aus den Müllbunkern, anfallende Abwässer, ...) in die Verbrennungsräume, was zu einer erheblichen Verminderung der Schadstoffemissionen und des Restmüllaufkommens beiträgt.

Der angelieferte Abfall wird, wie bereits erläutert, nach Konsistenz und Heizwert vor-sortiert, um eine bessere Verbrennungsführung zu ermöglichen. Feste Abfälle werden über einen Gebindebeschicker bzw. Faßaufzug, pastöse Gemische und Sonderchargen über Lanzen in der Drehrohrstirnwand aufgegeben. Flüssige Komponenten werden durch Kombibrenner, die gleichzeitig eine Ölstützfeuerung ermöglichen, im Drehrohr und der Nachbrennkammer verbrannt. Dies beschleunigt außerdem die Trocknung und Entzündung des eingetragenen Festmülls. Der Einsatz von Heizöl als zusätzlicher Stützbrennstoff erlaubt es, die geforderten thermischen Bedingungen innerhalb der Verbrennungsräume weitgehend unabhängig von der Müllzusammensetzung aufrecht zu erhalten.

Aufgabe der Nachbrennkammer ist neben dem vollständigen Ausbrand noch zündfähiger Rauchgase und Staubpartikel vor allem auch die Gewährleistung der gesetzlich vorgegebenen Rauchgastemperatur zur Minderung der Schadstoffemission (siehe 17. Bundesimmissionsschutzverordnung).

Im Anschluß an die Nachverbrennung folgt die Abwärmenutzung mittels eines Naturumlaufkessels mit 2 Strahlungszügen und einem Konvektionszug. Der produzierte Heißdampf dient zur Elektroenergieerzeugung. Der nach Abzug des Eigenbedarfes verbleibende Überschuß wird in das öffentliche Netz abgegeben.

Abschließend folgt die Rauchgasreinigung, welche jedoch nicht im Rahmen dieser Diplomarbeit betrachtet wird.

.

2.2 Regelungstechnische Struktur

Die Regelungen und Steuerungen der Anlage SAVA können nach folgenden verfahrenstechnischen Bereichen unterteilt werden:

• Verbrennungsprozeß

• Abwärmenutzung • Rauchgasreinigung • Medienver- und -entsorgung

Auf die für den Verbrennungsprozeß bzw. die Verbrennungsführung relevanten Systeme soll nun näher eingegangen werden. Nachstehend zeigt Abbildung 2.02 verein- facht die automatisierungstechnische Struktur.

Abb. 2.02 Konzept der Verbrennungsführung bei SAVA

2.2.1 Verbrennungführung

Im oberen Bildabschnitt ist die Regelung des Systeminnendrucks dargestellt. Da die Anlage nie völlig abdichtet, ist es zur Vermeidung von Schadstoffausträgen notwendig, im Innern einen Unterdruck gegenüber der Umwelt aufrecht zu erhalten. Dies wird durch ein in der Rauchgasreinigung befindliches Saugzuggebläse erreicht. Es ist in seiner Drehzahl (Förderleistung) stufenlos regelbar. Die Sollwertführung der Drehzahlregelung erfolgt über den Druck in der Nachbrennkammer als Regelgröße und hält ihn geringfügig (ca. 4 mbar) unterhalb des Umgebungsdrucks. So wird sichergestellt, daß auch alle folgenden Komponenten einen Unterdruck aufweisen.

Der mittlere Bildabschnitt zeigt die Regelung der Ofenluftzufuhr in das Drehrohr. Auf-grund der heterogenen Eigenschaften des Festmülls würde es oft zu stark unter- bzw. überstöchiometrischen Verbrennungsvorgängen kommen. Deshalb macht sich die Sollwertführung der Drehzahlregelung über den O 2 - und CO-Gehalt des Rauchgases erforderlich, welche in der Nachbrennkammer ermittelt werden. Dabei ergibt sich die eigentliche Sollwertvorgabe für die Gebläsedrehzahl aus dem rechnerisch ermittelten Zuluftbedarf abzüglich des ins Drehrohr eingebrachten Sekundärluftmassenstroms. Letzterer entsteht durch die bereits erwähnte Entlüftung bestimmter Anlagenteile (z.B. der Müllbunker) und ist nicht in die Regelung einbezogen.

Der untere Abschnitt von Abb. 2.02 zeigt das Prinzip der Frischdampfleistungs-, Rauchgastemperatur- und Brennermassenstromregelung für Drehrohr sowie Nachbrennkammer. Diese sind als unterlagerte Regelungen in der genannten Reihenfolge aufgebaut. Übergeordnete Regelgröße ist die Frischdampfleistung, welche aufgrund der großen Streckenzeitkonstanten des Abhitzekessels die größte Trägheit bezüglich Änderungen im Verbrennungsvorgang aufweist. Unterlagert sind die Regelungen der Rauchgasaustrittstemperaturen für Drehrohr und Nachbrennkammer. Diese wiederum führen die Sollwerte für die Regelung der Brennermassenströme. Die Brennermassenströme werden anteilig auf die Medien heizwertreicher Abfall, heizwertarmer Abfall sowie Heizöl aufgeteilt, wobei die einzelnen Anteile durch Trimmfaktoren vor- gegeben werden.

Da im speziellen Fall der Müllverbrennung primär die Einhaltung des geforderten Bereiches für die Rauchgastemperatur notwendig ist, erfolgt die Sollwertführung der Rauchgasaustrittstemperatur durch die Frischdampfleisungsregelung nur begrenzt. Wird der vorgegebene Temperaturbereich verlassen, so wird die Temperaturregelung dominant und die Frischdampfleistung kann nicht auf ihrem Sollwert gehalten werden.

Die Kombibrenner verfügen unabhängig vom Ofen- und Sekundärlufteintrag über eine eigene Luftzufuhr. Deshalb erfolgt neben der Regelung der Brennermassenströme auch eine Regelung der Brennerluftzufuhr. Diese ist jedoch als Bestandteil der Brennersteuerung nicht Gegenstand der Leittechnik („Black Box“). Die Bestimmung des Brennerluftbedarfs erfolgt durch die Brennersteuerung anhand der jeweiligen Brennermassenströme für Öl und heizwertreichen / heizwertarmen Abfall.

2.2.2 Brennermassenstromregelungen

Die Entwicklung einer Trimmregelung zur Aufteilung des Brennermassenstroms auf die einzelnen Medien ist spezieller Gegenstand dieser Arbeit. Deshalb erfolgt hier eine detaillierte Darstellung der Brenner-Medienversorgung, deren Bestandteil die Trimmung ist. Untergliedert wird wiederum in die Teilsysteme Drehrohr und Nachbrennkammer, wobei die Medienversorgung der Nachbrennkammer wegen ihres einfacheren Aufbaus zuerst beschrieben wird.

In der Nachbrennkammer befinden sich zwei gleichartige radialsymmetrisch ange-ordnete Kombibrenner zum Durchsatz von Heizöl und heizwertreichem Abfall. Die nachstehende Abbildung zeigt die jetzige regelungstechnische Ausführung der Me- dienversorgung für einen der Kombibrenner.