Stoffbilanzen und der Bedarf an überschüssiger Luft werden durch die Kombination der Reaktionsstöchiometrie mit gemessenen Zusammensetzungen von Beschickung und Rauchgas bewertet. In einer Pilotanlage zur thermischen Behandlung bestimmen die Betreiber zunächst die elementare Zusammensetzung von Brennstoff und Abfall und berechnen dann den theoretischen Sauerstoffbedarf für eine vollständige Oxidation. Die Analyse des trockenen Rauchgases, bei der typischerweise O₂, CO₂, CO und manchmal SO₂, HCl sowie Kohlenwasserstoffe gemessen werden, dient dazu, die Bilanz zu verifizieren, die überschüssige Luft zu berechnen, die Vollständigkeit der Verbrennung zu beurteilen und die nachgeschaltete Gasreinigung zu dimensionieren.

Die zentrale Berechnung vergleicht den durch die Luft zugeführten Sauerstoff mit dem Netto-Sauerstoffbedarf, der für die Oxidation von Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und anderen brennbaren Elementen zu den vorgesehenen Produkten erforderlich ist. Zuverlässige Ergebnisse erfordern eine definierte Berechnungsgrundlage, konsistente Messungen von feuchtem oder trockenem Gas sowie Komponenten- oder Elementbilanzen über die gesamte Pilotanlage hinweg.

Festlegung der Grundlage für die Stoffbilanz

Prozessgrenzen definieren

Die Bilanzgrenze umschließt normalerweise die Brennkammer und umfasst die Abfallzufuhr, den Primärbrennstoff, die Verbrennungsluft, Asche oder Rückstände sowie das Rauchgas.

Für den stationären Betrieb wird angenommen, dass die Akkumulation null ist:

[ \text{Gesamteingang}=\text{Gesamtausgang} ]

Ein Prozessfließbild sollte jeden Strom identifizieren, der die Grenze überschreitet, einschließlich Hilfsbrennstoff, mit Sauerstoff angereicherter Luft, Abschreckwasser, Wäscherflüssigkeit und festen Rückständen.

Berechnungsgrundlage wählen

Eine praktische Grundlage kann eine Betriebsstunde, eine Abfallcharge oder eine festgelegte Abfallmasse wie 100 kg sein.

Die Grundlage muss konsistent auf Zufuhrraten, Gasmessungen, Rückstandsmengen und berechnete Sauerstoffanforderungen angewendet werden.

Beschickung charakterisieren

Der Brennstoff und der Abfall werden auf Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Chlor, Feuchtigkeit, Asche und andere relevante Bestandteile analysiert.

Bei gefährlichen organischen Abfällen wie PCBs ist Chlor besonders wichtig, da eine vollständige Umsetzung bei ausreichendem Wasserstoffgehalt HCl erzeugen kann oder bei abweichenden Reaktionsbedingungen und anderer Zusammensetzung der Beschickung andere chlorhaltige Produkte entstehen können.

Berechnung des theoretischen Sauerstoffs

Reaktionen der vollständigen Verbrennung aufstellen

Für die wichtigsten brennbaren Elemente sind die angestrebten Produkte der vollständigen Verbrennung im Allgemeinen:

[ \mathrm{C \rightarrow CO_2} ]

[ \mathrm{H \rightarrow H_2O} ]

[ \mathrm{S \rightarrow SO_2} ]

Für einen allgemeinen Brennstoff, der Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel enthält, wird der theoretische Sauerstoffbedarf aus dem Elementarinventar berechnet.

Ein häufig verwendeter massenbasierter Ausdruck ist:

[ m_{\mathrm{O_2,theoretisch}}

\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S

m_O ]

wobei die Elementarmassen in konsistenten Einheiten ausgedrückt werden. Der bereits im Brennstoff gebundene Sauerstoff wird abgezogen, da er zur Oxidation beiträgt und somit den Sauerstoff reduziert, der mit der Luft zugeführt werden muss.

Abfall und Hilfsbrennstoff gemeinsam berücksichtigen

Der Sauerstoffbedarf muss brennbares Material sowohl aus dem Abfall als auch aus dem Hilfsbrennstoff enthalten.

Zum Beispiel kann Hexan als Primärbrennstoff verwendet werden, während der Abfall zusätzlichen Kohlenstoff, Wasserstoff und Chlor beisteuert. Der gesamte theoretische Sauerstoffbedarf basiert auf der kombinierten elementaren Zufuhr, nicht allein auf dem Hilfsbrennstoff.

Unvollständige Verbrennung als Leistungsergebnis behandeln

Der theoretische Sauerstoffbedarf ist für die vollständige Oxidation zu den ausgewählten Endprodukten definiert. Gemessenes CO, Ruß, unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder Restkohlenstoff deuten auf eine unvollständige Umsetzung hin, definieren jedoch den theoretischen Sauerstoffbedarf nicht neu.

Diese Spezies werden stattdessen verwendet, um die Verbrennungsleistung zu bewerten und festzustellen, ob Mischung, Temperatur, Verweilzeit oder Luftverteilung unzureichend sind.

Bestimmung des Luftbedarfs

Theoretische Luft berechnen

Trockene Luft wird üblicherweise als Gemisch aus etwa 20,99 Mol-% O₂ und 78,03 Mol-% N₂ angenähert, mit geringen Mengen an Argon, Kohlendioxid und Spurengasen.

Daher ist der theoretische Luftbedarf:

[ n_{\mathrm{Luft,theoretisch}}

\frac{n_{\mathrm{O_2,theoretisch}}}{0,2099} ]

Wenn mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet wird, muss der tatsächliche Sauerstoff-Stoffmengenanteil der Zufuhr 0,2099 in dieser Berechnung ersetzen.

Tatsächlichen Sauerstoffeintrag berechnen

Der mit der Luft eintretende Sauerstoff wird aus dem Luftstrom und dessen Zusammensetzung bestimmt:

[ n_{\mathrm{O_2,in}}

y_{\mathrm{O_2,Luft}}n_{\mathrm{Luft,in}} ]

Für einen Luftstrom wird auch der entsprechende Stickstoffeintrag berechnet:

[ n_{\mathrm{N_2,in}}

y_{\mathrm{N_2,Luft}}n_{\mathrm{Luft,in}} ]

Stickstoff ist als Bilanzkomponente nützlich, da er die Verbrennungszone normalerweise weitgehend unverändert passiert, abgesehen von geringfügigen Effekten im Zusammenhang mit stickstoffhaltigem Brennstoff oder thermischer NOₓ-Bildung.

Prozentuale überschüssige Luft berechnen

Die Standarddefinition lautet:

[ %\text{ überschüssige Luft}

\frac{n_{\mathrm{Luft,tatsächlich}}-n_{\mathrm{Luft,theoretisch}}} {n_{\mathrm{Luft,theoretisch}}} \times 100 ]

Äquivalent dazu, unter Verwendung von Sauerstoff:

[ %\text{ überschüssige Luft}

\frac{n_{\mathrm{O_2,in}}-n_{\mathrm{O_2,erforderlich}}} {n_{\mathrm{O_2,erforderlich}}} \times 100 ]

Hierbei ist (n_{\mathrm{O_2,erforderlich}}) der Netto-Sauerstoff, der aus der Luft benötigt wird, nachdem der bereits im Brennstoff oder Abfall vorhandene Sauerstoff berücksichtigt wurde.

Verwendung der Rauchgasanalyse zur Überprüfung der Bilanz

Messung auf konsistenter Trockenbasis

Orsat-Analysatoren oder instrumentelle Gasanalysatoren liefern üblicherweise trockene Rauchgaskonzentrationen von O₂, CO₂, CO und manchmal SO₂.

Wasserdampf wird bei einer Trockenanalyse entfernt oder ausgeschlossen, daher müssen berechnete Gasmengen ebenfalls eine Trockenbasis verwenden. Der Vergleich von Trockenmessungen mit feuchten theoretischen Berechnungen führt zu systematischen Fehlern.

Stoffmengenanteile und das Dalton-Gesetz verwenden

Wenn ein Gasanalysator Stoffmengenanteile meldet, ist der Partialdruck jeder Komponente:

[ p_i=y_iP ]

wobei (y_i) der Stoffmengenanteil der Komponente und (P) der Gesamtdruck ist.

Die gemessene O₂-Konzentration gibt an, wie viel Sauerstoff nach der Verbrennung verbleibt. Ein hoher Rest-O₂ entspricht im Allgemeinen einer größeren überschüssigen Luftmenge, während ein sehr niedriger O₂-Wert auf Sauerstoffmangel hindeuten kann, vorausgesetzt, die Messung ist zuverlässig und Lufteinbrüche wurden ausgeschlossen.

Kohlenstoff- und Stickstoffbilanzen anwenden

Eine Kohlenstoffbilanz vergleicht den Kohlenstoff, der mit dem Brennstoff und Abfall eintritt, mit dem Kohlenstoff, der austritt als:

CO₂
CO
Unverbrannte Kohlenwasserstoffe
Ruß oder unverbrannter Kohlenstoff im festen Rückstand

Eine Stickstoffbilanz vergleicht den Stickstoff, der mit der Luft und dem Brennstoff eintritt, mit dem Stickstoff im trockenen Rauchgas und stickstoffhaltigen Produkten.

Diese Bilanzen helfen dabei, Lecks, Lufteinbrüche, Analysatorfehler, nicht gemessene Produkte oder eine ungenaue Charakterisierung der Zufuhr zu identifizieren.

Ableitung des Luftstroms bei unzuverlässiger Direktmessung

Hochtemperatur-Gasstrommessungen können schwierig und fehleranfällig sein. In vielen Pilotanlagen werden der Lufteintrag und die gesamte Rauchgasproduktion aus Elementarbilanzen unter Verwendung der gemessenen Brennstoffzufuhr, der Abfallzusammensetzung, der Rückstandsdaten und der trockenen Rauchgasanalyse abgeleitet.

Diese indirekte Methode ist besonders nützlich, wenn das Rauchgas heiß, korrosiv, partikelbeladen oder in seiner Zusammensetzung variabel ist.

Bewertung der Verbrennungs- und Behandlungsleistung

Unterscheidung zwischen vollständiger und unvollständiger Verbrennung

Eine vollständige Verbrennung erzeugt hauptsächlich CO₂ und H₂O aus kohlenstoff- und wasserstoffhaltigem Material.

CO, Ruß, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und restlicher brennbarer Kohlenstoff deuten auf eine unvollständige Verbrennung hin. Ihr Vorhandensein sollte getrennt von der Berechnung der überschüssigen Luft gemeldet werden, da überschüssiger Sauerstoff allein keine vollständige Zerstörung garantiert, wenn Temperatur, Turbulenz oder Verweilzeit unzureichend sind.

Verbindung der Bilanz mit der thermischen Leistung

Überschüssige Luft beeinflusst sowohl die Umweltleistung als auch die Energieeffizienz.

Zu wenig Luft kann zu unvollständiger Verbrennung, Ruß, CO-Bildung und instabilem Betrieb führen. Zu viel Luft erhöht das Volumen des Gases, das erhitzt und ausgestoßen werden muss, was den fühlbaren Wärmeverlust erhöht und möglicherweise die thermische Effizienz verringert.

Verwendung von Chlorbilanzen für die Sauergasreinigung

Bei chlorierten Abfällen hilft die Chlorbilanz, die HCl-Produktion abzuschätzen und unterstützt die Auslegung eines Sauergaswäschers.

Die Bilanz sollte Chlor im Abfall, HCl im Rauchgas, in Feststoffen zurückgehaltenes Chlor und alle anderen gemessenen oder erwarteten chlorhaltigen Produkte berücksichtigen.

Verständnis der Zielkonflikte

Überschüssige Luft ist nicht gleichbedeutend mit vollständiger Zerstörung

Ein hoher Wert an überschüssiger Luft kann die Sauerstoffverfügbarkeit verbessern, kann aber unzureichende Verbrennungstemperatur, schlechte Durchmischung oder unzureichende Verweilzeit nicht kompensieren.

Die thermische Zerstörungsleistung muss daher unter Verwendung von Temperatur, Verweilzeit, Mischbedingungen, CO, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und gegebenenfalls Messungen der Zerstörungs- und Entfernungseffizienz bewertet werden.

Rauchgas-Sauerstoff kann irreführend sein

Der Rest-O₂ kann durch Lufteinbrüche in den Ofen oder das Probenahmesystem erhöht werden. Wenn Infiltration nicht identifiziert wird, wird die berechnete überschüssige Luft zu hoch angesetzt.

Analysatorkalibrierung, Lecktests, Konditionierung der Probenahmeleitungen und Korrektur der Verdünnung sind für aussagekräftige Ergebnisse unerlässlich.

Mit Sauerstoff angereicherte Luft erfordert überarbeitete Berechnungen

Die Verwendung von mit Sauerstoff angereicherter Luft verändert das Verhältnis zwischen Sauerstoffstrom und Gesamtgasstrom. Die Anwendung des Standard-Sauerstoffgehalts von 20,99 % trockener Luft auf eine angereicherte Zufuhr würde den tatsächlichen Luftbedarf unterbewerten oder falsch darstellen.

Stattdessen muss die gemessene oder spezifizierte Sauerstoffkonzentration des Anreicherungsstroms verwendet werden.

Messgrundlagen müssen übereinstimmen

Die Brennstoffzusammensetzung kann auf "as-received"-Basis (wie erhalten), die Abfallzusammensetzung auf Trockenbasis und das Rauchgas auf einer trockenen, sauerstoffkorrigierten Basis gemeldet werden.

Diese Grundlagen können nicht direkt kombiniert werden. Feuchtigkeit, Asche, Sauerstoff im Brennstoff, Sauerstoffanreicherung und Verdünnung müssen vor der Berechnung von Stoffbilanzen oder Emissionen abgeglichen werden.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Die korrekte Bewertungsmethode hängt davon ab, was die Pilotanlage demonstrieren soll:

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Verbrennungsstöchiometrie liegt: Bestimmen Sie die kombinierte elementare Zufuhr, berechnen Sie den theoretischen und Netto-Sauerstoffbedarf und vergleichen Sie diese mit dem durch Brennstoff und Luft zugeführten Sauerstoff.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Kontrolle der überschüssigen Luft liegt: Verwenden Sie eine kalibrierte Trockenrauchgas-O₂-Analyse zusammen mit der Zusammensetzung der Luftzufuhr und verifizieren Sie das Ergebnis mit Stickstoff- und Kohlenstoffbilanzen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Zerstörungsleistung liegt: Bewerten Sie zusätzlich zum berechneten Prozentsatz der überschüssigen Luft CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß, Temperatur, Verweilzeit und Durchmischung.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Auslegung der Emissionsreinigung liegt: Führen Sie vollständige Kohlenstoff-, Chlor-, Schwefel- und Partikelbilanzen durch, um CO₂, HCl, SO₂, Asche und Wäscherbelastung abzuschätzen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Qualität der Pilotanlagendaten liegt: Gleichen Sie alle Ströme auf einer Basis ab und verwenden Sie indirekte Elementarbilanzen, um Durchflussmesser, Analysatoren, Lecks und nicht gemessene Ausgänge zu überprüfen.

Eine vertretbare Bewertung einer Pilotanlage verknüpft stöchiometrische Berechnungen, gemessene Rauchgaszusammensetzung, Betriebsbedingungen und Emissionskontrollanforderungen zu einer konsistenten Stoffbilanz.

Zusammenfassungstabelle:

Bewertungsbereich	Wichtige Eingaben	Hauptergebnis
Stoffbilanz	Daten zu Zufuhr, Brennstoff, Luft, Rückstand und Rauchgas	Verifizierte Massenbilanz (Eingang-Ausgang)
Theoretischer Sauerstoff	Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Sauerstoff in der Zufuhr	O₂-Bedarf für vollständige Verbrennung
Überschüssige Luft	Tatsächliche Luft- oder O₂-Zufuhr gegenüber theoretischem Bedarf	Prozentsatz der überschüssigen Luft
Rauchgasverifizierung	Daten zu trockenem O₂, CO₂, CO, SO₂ und Stickstoff	Validierung von Verbrennung und Messung
Zerstörungsleistung	CO, Kohlenwasserstoffe, Ruß, Temperatur und Verweilzeit	Bewertung der Verbrennungsvollständigkeit
Emissionsreinigung	Chlor-, Schwefel-, Kohlenstoff-, Asche- und Partikelbilanzen	Wäscherbelastung und Reinigungsanforderungen
Datenqualität	Konsistente Feucht/Trocken- und As-received/Trocken-Grundlagen	Vertretbare Ergebnisse der Pilotanlage

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