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 Nahmfrarotspektroskopie 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 Röntgenfiuoreszenz-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.

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 einer schwingungsspektroskopischen Analyse unterzogen wird und die bei der Analyse ermittelten Werte zur Regelung des Brennprozesses verwendet werden.

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. Vorzugsweise 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 nicht- substanzspezifischen 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 besteht ferner die Möglichkeit, einen Teil des Ersatzbrennstoffs auf der Zuführstrecke zu der Verbrennungszone auszuschleusen und für eine zweite chemische Analyse aufzubereiten und zu analysieren. 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 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, kann des Weiteren vorgesehen werden, dass ein Teil Γ des in der ersten Analyseeinrichtung 4 bereits analysierten Ersatzbrennstoffs ausgeschleust und einer zweiten chemischen Analyse zugeführt wird.

Dazu wird der ausgeschleuste Ersatzbrennstoff 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.