專利名稱：用于減少排放的謹(jǐn)慎優(yōu)化策略的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)燃燒排放中不同變量的控制。更具體而言，本發(fā)明涉及應(yīng)用燃煤粉鍋爐中的一氧化碳排放來實(shí)現(xiàn)低NOX產(chǎn)出和高效率燃燒。
背景技術(shù)：
燃煤粉鍋爐已經(jīng)作為一個(gè)能量來源被長(zhǎng)期應(yīng)用。隨著對(duì)燃料燃燒效率和排放的關(guān)注變得更為重要，加之世界范圍內(nèi)對(duì)節(jié)能和環(huán)保不斷增長(zhǎng)的關(guān)注，已經(jīng)提出多種方法來減少燃燒設(shè)備中人們所不希望的排放。
特別是減少NOX產(chǎn)出是人們所希望的，因?yàn)槌齋O2外，這種排放產(chǎn)物被認(rèn)為是酸雨的主要的來源之一，當(dāng)然也就成為世界上某些地方的一個(gè)重大問題，在這些地方燃燒碳?xì)淙剂袭a(chǎn)生的工業(yè)排放物與大氣中的氣體反應(yīng)產(chǎn)生酸性化合物，并以雨的形式降落下來。
Woolbert的美國(guó)專利4,852,384為一種聯(lián)合的氧氣和可燃燒物分析器創(chuàng)建了一套校準(zhǔn)順序，其使用一套帶有一個(gè)信號(hào)檢測(cè)和安全報(bào)警系統(tǒng)的自動(dòng)周期校準(zhǔn)系統(tǒng)。氧氣和燃料都被分析和控制。這套系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來代替手工測(cè)試方法。在手工測(cè)試方法中，需要操作員將試驗(yàn)氣體引入到該系統(tǒng)中。
Dykema的美國(guó)專利5,215,455利用了調(diào)節(jié)燃燒溫度時(shí)燃燒區(qū)域和階段的多重性(plurality)。至少應(yīng)用了兩個(gè)階段，其中第一燃燒區(qū)域是富燃料的，用來將化學(xué)結(jié)合的氮轉(zhuǎn)化為分子氮。第二區(qū)域包括兩個(gè)燃燒階段，據(jù)稱可以避免NOX產(chǎn)出，因?yàn)橐粋€(gè)冷卻步驟顯著降低了最終的燃燒溫度。
Koppang的美國(guó)專利5,759,022也在富燃燒混合物中應(yīng)用在了在初級(jí)燃燒區(qū)域下游的次級(jí)燃燒區(qū)域來減少NOX產(chǎn)出。此專利涉及液態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂希⑶乙蕾囋诖诉^程中燃料與氧氣的混合。Koppang的發(fā)明據(jù)稱是Quirk等人的美國(guó)專利5,849,059的改進(jìn)，Quirk等人的專利將廢氣在玻璃爐中反應(yīng)。該專利利用次級(jí)燃燒通過在氣體離開再生器時(shí)加入空氣來消耗氣體而將廢氣中的可燃燒物質(zhì)在其排入大氣之前燃燒并除去。
Ashworth的美國(guó)專利6,085,674公開了三個(gè)氧化階段，其中氣體與經(jīng)過預(yù)熱的空氣被分階段引入。先在熱的助燃空氣存在下使燃料部分燃燒，然后在第二階段移出熔化的爐渣，并引發(fā)進(jìn)一步的燃燒，通過此方法減少了NOX產(chǎn)出。煙道氣(flue gas)隨后在第三階段燃燒，從而完成了燃料的燃燒。據(jù)稱通過在燃燒的每個(gè)階段控制化學(xué)計(jì)量比而使NOX減少了。
最后，Miyagaki的美國(guó)專利4,622,922應(yīng)用了從照相機(jī)和光導(dǎo)纖維得到的圖像來對(duì)燃燒進(jìn)行控制。測(cè)量了NOX和在灰中未燃燒的煤的量，并且在試驗(yàn)操作中使用試錯(cuò)法(trial and error)來試圖實(shí)現(xiàn)燃燒的穩(wěn)定性并滿足某種排放標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)對(duì)助燃空氣的優(yōu)化不是恒定的而是不確定的時(shí)候，則沒有一種現(xiàn)有技術(shù)能夠有效地控制NOX產(chǎn)出并優(yōu)化燃燒的效率。在燃燒時(shí)CO產(chǎn)出的變化阻礙了對(duì)NOX產(chǎn)出的完全優(yōu)化，并且不可能對(duì)效率和不希望成分(如NOX)的排放進(jìn)行比較。
如果產(chǎn)生一種方法，能夠利用關(guān)于燃煤粉鍋爐中燃燒的不確定性的信息及其與CO排放的形成之間的關(guān)系，則其在本領(lǐng)域中將具有巨大的優(yōu)越性。
如果對(duì)排放的分析可以在系統(tǒng)中的一個(gè)區(qū)域進(jìn)行，該區(qū)域的CO排放按照指定的概率發(fā)生，那也將是本領(lǐng)域中的一個(gè)重大進(jìn)步。
其它優(yōu)越性將在后面顯現(xiàn)。
發(fā)明概述現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)可以用下面的方式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明如前所述的及其它的目標(biāo)。具體而言，本發(fā)明提供一種在具有可調(diào)節(jié)的空氣-燃料比的鍋爐中控制燃料燃燒的方法。
在任何的給定時(shí)間內(nèi)，一個(gè)鍋爐中CO產(chǎn)出會(huì)有很大不同。不存在線性的相互關(guān)系可用來選取任何給定的點(diǎn)以控制空氣-燃料比，因?yàn)?，理所?dāng)然的，在任何的給定時(shí)間內(nèi)，取一個(gè)中間值，因?yàn)榉植疾皇菍?duì)稱的，將會(huì)有50％的CO產(chǎn)出的點(diǎn)位于該點(diǎn)之上，并有50％位于該點(diǎn)以下。因?yàn)檫@個(gè)原因，本發(fā)明包括測(cè)量隨時(shí)間變化的CO產(chǎn)出，給出在燃燒期間CO的分布范圍。
類似地，NOX產(chǎn)出也會(huì)從任何平均測(cè)量中給出同樣大的偏差。因此，隨時(shí)間對(duì)NOX產(chǎn)出進(jìn)行測(cè)量，得到在上述時(shí)間段內(nèi)NOX的分布范圍。
在兩種情況下，都需要估計(jì)CO和NOX排放的分布，然后選擇一個(gè)設(shè)定點(diǎn)，例如總分布的90％或95％，以便在進(jìn)行操作時(shí)，排放將會(huì)保持在由所述設(shè)定點(diǎn)所給定的概率的最大許可水平以下。然后操作員便能夠調(diào)節(jié)空氣-燃料比，來使燃料在CO的分布范圍和NOX的分布范圍內(nèi)燃燒，從而使所述CO和NOX分布的實(shí)際排放平均起來小于許可的最大值。
附圖
簡(jiǎn)述為了更徹底地理解本發(fā)明，參考附圖進(jìn)行說明附圖是空氣-燃料比與在煙道氣中測(cè)量和/或估計(jì)的氣體含量之間關(guān)系的示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述鍋爐中的CO排放隨空氣-燃料比的改變顯著而廣泛地改變。特別是在燃燒煤粉時(shí)是這樣，而且當(dāng)任何燃料中的可燃物含量發(fā)生變化時(shí)，這種情況也會(huì)發(fā)生。例如，假設(shè)空氣-燃料的化學(xué)計(jì)量比為每1kg燃料(煤粉)對(duì)應(yīng)5m3空氣，則當(dāng)空氣-燃料比在5.4～6.6m3/kg范圍內(nèi)時(shí)，在任何時(shí)候CO比產(chǎn)出將會(huì)在約50mg/m3到多達(dá)200或250mg/m3范圍內(nèi)變化。相似地，在同樣的空氣-燃料比下NOX產(chǎn)出會(huì)在稍高于100mg/m3到高達(dá)350至400mg/m3或更高的范圍內(nèi)變化。對(duì)用煙道氣分析器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究顯示CO產(chǎn)出率的變化為空氣-燃料比的函數(shù)，其隨過量空氣的減小而大大增加。但是，低的過量空氣是低NOX燃燒和高效率所要求的。本發(fā)明不僅考慮到在給定功率水平下平均CO和NOX產(chǎn)出，還考慮到了預(yù)測(cè)的不確定性和變化性。
如附圖所示，誤差條線確定了空氣-燃料比的可行范圍，由此在統(tǒng)計(jì)學(xué)上保證了優(yōu)化不會(huì)超出對(duì)CO和NOX排放的限制，與此同時(shí)使燃燒的熱效率最大化。圖中所示x軸是空氣-燃料比，y軸表示的是各排放物的量(mg/m3)，因此曲線11表示CO產(chǎn)出隨空氣-燃燒比中空氣含量的下降而呈指數(shù)性的增長(zhǎng)。曲線13說明NOX產(chǎn)出隨空氣-燃料比中空氣含量相同的下降都下降。曲線15代表燃燒的效率，由未燃燃料中的損耗和廢氣中的損耗所決定。本發(fā)明系統(tǒng)所能許可的空氣-燃料比在由表示CO產(chǎn)出的條線17和由表示NOX產(chǎn)出的條線19所界定的限制范圍之內(nèi)。許可的或適用的空氣-燃料比的范圍如條線21所示，在上面所界定的兩個(gè)限制之間。
雖然應(yīng)用估計(jì)的平均值不能消除兩種副產(chǎn)物中任何一個(gè)的產(chǎn)生過程中出現(xiàn)的尖峰，但已發(fā)現(xiàn)通過對(duì)估計(jì)的分布進(jìn)行計(jì)算可以保證在發(fā)電站中實(shí)際的CO和NOX產(chǎn)出不會(huì)超過許可的最大值。利用在此限定的發(fā)生間隔，有90％的CO和NOX產(chǎn)出實(shí)際上低于許可的最大值，并抵消掉超過許可值的那10％(或其它選定值)的部分。在穩(wěn)定燃燒的情況下，很少的峰會(huì)超過所要求的限制并且其平均值絕對(duì)不會(huì)超過所要求的限制。設(shè)定點(diǎn)由操作者決定和選擇，以保證其完全符合要求。結(jié)果是，通過應(yīng)用相對(duì)不變的空氣-燃燒比，對(duì)鍋爐穩(wěn)定的操作提供了更高的操作效率，節(jié)省了資金并且符合對(duì)CO和NOX產(chǎn)出的規(guī)定。
環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)用來評(píng)價(jià)平均排放產(chǎn)出的典型時(shí)間周期為15～30分鐘，盡管只要傳感器可以提供足夠的數(shù)據(jù)來得到實(shí)際的CO分布范圍和NOX分布范圍，任意的時(shí)間都是適合的。
優(yōu)選調(diào)節(jié)空氣-燃料比來使所述燃料在所述的CO分布范圍和所述的NOX分布范圍之內(nèi)燃燒，從而使所述CO和NOX分布的實(shí)際排放產(chǎn)生出其中90％的值都低于最大值的實(shí)際排放。值得欣賞的是，此燃燒方法可在良好的效率和控制下運(yùn)行，允許操作者使所產(chǎn)生的能量最大化，并同時(shí)使排放保持在控制下。
盡管本發(fā)明特別的實(shí)施方案已被圖解和描述，但除了在后面的權(quán)利要求中所定義的之外，并不意圖對(duì)本發(fā)明做出限制。
權(quán)利要求
1.一種控制鍋爐中燃料燃燒的方法，其具有可調(diào)節(jié)的空氣-燃料比，包含以下幾個(gè)步驟在所述燃燒的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)測(cè)量CO產(chǎn)出來得到CO的分布范圍；在所述燃燒的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)測(cè)量NOx產(chǎn)出來得到NOx的分布范圍；調(diào)節(jié)空氣-燃料比來使所述燃料在所述CO分布范圍和所述NOx分布范圍之內(nèi)燃燒，從而使所述CO和NOx分布的實(shí)際排放平均小于許可的最大值。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述的時(shí)間段的范圍為15～30分鐘。
3.權(quán)利要求1的方法，其中選擇所述的空氣-燃料比以產(chǎn)生其平均值為所述最大值95％的實(shí)際排放。
4.權(quán)利要求1的方法，其中選擇所述的空氣-燃料比以產(chǎn)生其平均值為所述最大值90％的實(shí)際排放。
5.一個(gè)控制鍋爐中燃料燃燒的系統(tǒng)，其具有可調(diào)節(jié)的空氣-燃燒比，包含用于測(cè)量CO產(chǎn)出的第一傳感器，提供在所述燃燒的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)CO的分布范圍；用于測(cè)量NOx產(chǎn)出的第二傳感器，提供對(duì)NOx產(chǎn)出的測(cè)量，提供在所述燃燒的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)NOx的分布范圍；用于調(diào)節(jié)空氣-燃料比的控制器，使所述燃料在所述CO分布范圍和所述NOx分布范圍之內(nèi)燃燒，從而使所述CO和NOx分布的實(shí)際排放平均小于許可的最大值。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述的時(shí)間段的范圍為15～30分鐘。
7.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中選擇所述的空氣-燃料比以產(chǎn)生其平均值為所述最大值95％的實(shí)際排放。
8.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中選擇所述的空氣-燃料比以產(chǎn)生其平均值為所述最大值90％的實(shí)際排放。
9.一個(gè)控制鍋爐中燃料燃燒的系統(tǒng)，其具有可調(diào)節(jié)的空氣-燃燒比，包含用于測(cè)量CO產(chǎn)出的第一傳感器裝置，提供在所述燃燒的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)CO的分布范圍；用于測(cè)量NOx產(chǎn)物的第二傳感器裝置，提供對(duì)NOx產(chǎn)物的測(cè)量，提供在所述燃燒的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)NOx的分布范圍；用于調(diào)節(jié)空氣-燃料比的控制器裝置，使所述燃料在所述CO分布范圍和所述NOx分布范圍之內(nèi)燃燒，從而使所述CO和NOx分布的實(shí)際排放平均小于許可的最大值。
10.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中所述的時(shí)間段的范圍為15～30分鐘。
11.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中選擇所述的空氣-燃料比以產(chǎn)生其平均值為所述最大值95％的實(shí)際排放。
12.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中選擇所述的空氣-燃料比以產(chǎn)生其平均值為所述最大值90％的實(shí)際排放。
全文摘要
控制鍋爐中燃料燃燒的系統(tǒng)，其具有可調(diào)節(jié)的空氣－燃料比。第一傳感器用于測(cè)量CO產(chǎn)出，來提供在燃燒的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)CO的分布范圍。第二傳感器用于測(cè)量NO
文檔編號(hào)F23N5/00GK1541316SQ02815940
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月15日
發(fā)明者V·哈勒納, V 哈勒納 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司