專利名稱：用于減少排放的謹慎優(yōu)化策略的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對燃燒排放中不同變量的控制。更具體而言，本發(fā)明涉及應用燃煤粉鍋爐中的一氧化碳排放來實現(xiàn)低NOX產出和高效率燃燒。
背景技術：
燃煤粉鍋爐已經作為一個能量來源被長期應用。隨著對燃料燃燒效率和排放的關注變得更為重要，加之世界范圍內對節(jié)能和環(huán)保不斷增長的關注，已經提出多種方法來減少燃燒設備中人們所不希望的排放。
特別是減少NOX產出是人們所希望的，因為除SO2外，這種排放產物被認為是酸雨的主要的來源之一，當然也就成為世界上某些地方的一個重大問題，在這些地方燃燒碳氫燃料產生的工業(yè)排放物與大氣中的氣體反應產生酸性化合物，并以雨的形式降落下來。
Woolbert的美國專利4,852,384為一種聯(lián)合的氧氣和可燃燒物分析器創(chuàng)建了一套校準順序，其使用一套帶有一個信號檢測和安全報警系統(tǒng)的自動周期校準系統(tǒng)。氧氣和燃料都被分析和控制。這套系統(tǒng)被設計用來代替手工測試方法。在手工測試方法中，需要操作員將試驗氣體引入到該系統(tǒng)中。
Dykema的美國專利5,215,455利用了調節(jié)燃燒溫度時燃燒區(qū)域和階段的多重性(plurality)。至少應用了兩個階段，其中第一燃燒區(qū)域是富燃料的，用來將化學結合的氮轉化為分子氮。第二區(qū)域包括兩個燃燒階段，據(jù)稱可以避免NOX產出，因為一個冷卻步驟顯著降低了最終的燃燒溫度。
Koppang的美國專利5,759,022也在富燃燒混合物中應用在了在初級燃燒區(qū)域下游的次級燃燒區(qū)域來減少NOX產出。此專利涉及液態(tài)和氣態(tài)碳氫燃料，并且依賴在此過程中燃料與氧氣的混合。Koppang的發(fā)明據(jù)稱是Quirk等人的美國專利5,849,059的改進，Quirk等人的專利將廢氣在玻璃爐中反應。該專利利用次級燃燒通過在氣體離開再生器時加入空氣來消耗氣體而將廢氣中的可燃燒物質在其排入大氣之前燃燒并除去。
Ashworth的美國專利6,085,674公開了三個氧化階段，其中氣體與經過預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)進一步的燃燒，通過此方法減少了NOX產出。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階段控制化學計量比而使NOX減少了。
最后，Miyagaki的美國專利4,622,922應用了從照相機和光導纖維得到的圖像來對燃燒進行控制。測量了NOX和在灰中未燃燒的煤的量，并且在試驗操作中使用試錯法(trial and error)來試圖實現(xiàn)燃燒的穩(wěn)定性并滿足某種排放標準。
當對助燃空氣的優(yōu)化不是恒定的而是不確定的時候，則沒有一種現(xiàn)有技術能夠有效地控制NOX產出并優(yōu)化燃燒的效率。在燃燒時CO產出的變化阻礙了對NOX產出的完全優(yōu)化，并且不可能對效率和不希望成分(如NOX)的排放進行比較。
如果產生一種方法，能夠利用關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系，則其在本領域中將具有巨大的優(yōu)越性。
如果對排放的分析可以在系統(tǒng)中的一個區(qū)域進行，該區(qū)域的CO排放按照指定的概率發(fā)生，那也將是本領域中的一個重大進步。
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現(xiàn)本發(fā)明如前所述的及其它的目標。具體而言，本發(fā)明提供一種在具有可調節(jié)的空氣-燃料比的鍋爐中控制燃料燃燒的方法。
在任何的給定時間內，一個鍋爐中CO產出會有很大不同。不存在線性的相互關系可用來選取任何給定的點以控制空氣-燃料比，因為，理所當然的，在任何的給定時間內，取一個中間值，因為分布不是對稱的，將會有50％的CO產出的點位于該點之上，并有50％位于該點以下。因為這個原因，本發(fā)明包括測量隨時間變化的CO產出，給出在燃燒期間CO的分布范圍。
類似地，NOX產出也會從任何平均測量中給出同樣大的偏差。因此，隨時間對NOX產出進行測量，得到在上述時間段內NOX的分布范圍。
在兩種情況下，都需要估計CO和NOX排放的分布，然后選擇一個設定點，例如總分布的90％或95％，以便在進行操作時，排放將會保持在由所述設定點所給定的概率的最大許可水平以下。然后操作員便能夠調節(jié)空氣-燃料比，來使燃料在CO的分布范圍和NOX的分布范圍內燃燒，從而使所述CO和NOX分布的實際排放平均起來小于許可的最大值。
附圖
簡述為了更徹底地理解本發(fā)明，參考附圖進行說明附圖是空氣-燃料比與在煙道氣中測量和/或估計的氣體含量之間關系的示意圖。
優(yōu)選實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是這樣，而且當任何燃料中的可燃物含量發(fā)生變化時，這種情況也會發(fā)生。例如，假設空氣-燃料的化學計量比為每1kg燃料(煤粉)對應5m3空氣，則當空氣-燃料比在5.4～6.6m3/kg范圍內時，在任何時候CO比產出將會在約50mg/m3到多達200或250mg/m3范圍內變化。相似地，在同樣的空氣-燃料比下NOX產出會在稍高于100mg/m3到高達350至400mg/m3或更高的范圍內變化。對用煙道氣分析器得到的數(shù)據(jù)進行研究顯示CO產出率的變化為空氣-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產出，還考慮到了預測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)計學上保證了優(yōu)化不會超出對CO和NOX排放的限制，與此同時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產出隨空氣-燃燒比中空氣含量的下降而呈指數(shù)性的增長。曲線13說明NOX產出隨空氣-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產出的條線17和由表示NOX產出的條線19所界定的限制范圍之內。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限制之間。
雖然應用估計的平均值不能消除兩種副產物中任何一個的產生過程中出現(xiàn)的尖峰，但已發(fā)現(xiàn)通過對估計的分布進行計算可以保證在發(fā)電站中實際的CO和NOX產出不會超過許可的最大值。利用在此限定的發(fā)生間隔，有90％的CO和NOX產出實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，很少的峰會超過所要求的限制并且其平均值絕對不會超過所要求的限制。設定點由操作者決定和選擇，以保證其完全符合要求。結果是，通過應用相對不變的空氣-燃燒比，對鍋爐穩(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CO和NOX產出的規(guī)定。
環(huán)境監(jiān)測機構用來評價平均排放產出的典型時間周期為15～30分鐘，盡管只要傳感器可以提供足夠的數(shù)據(jù)來得到實際的CO分布范圍和NOX分布范圍，任意的時間都是適合的。
優(yōu)選調節(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分布范圍之內燃燒，從而使所述CO和NOX分布的實際排放產生出其中90％的值都低于最大值的實際排放。值得欣賞的是，此燃燒方法可在良好的效率和控制下運行，允許操作者使所產生的能量最大化，并同時使排放保持在控制下。
盡管本發(fā)明特別的實施方案已被圖解和描述，但除了在后面的權利要求中所定義的之外，并不意圖對本發(fā)明做出限制。
權利要求
1.一種控制鍋爐中燃料燃燒的方法，其具有可調節(jié)的空氣-燃料比，包含以下幾個步驟在所述燃燒的一個時間段內測量CO產出來得到CO的分布范圍；在所述燃燒的一個時間段內測量NOx產出來得到NOx的分布范圍；調節(jié)空氣-燃料比來使所述燃料在所述CO分布范圍和所述NOx分布范圍之內燃燒，從而使所述CO和NOx分布的實際排放平均小于許可的最大值。
2.權利要求1的方法，其中所述的時間段的范圍為15～30分鐘。
3.權利要求1的方法，其中選擇所述的空氣-燃料比以產生其平均值為所述最大值95％的實際排放。
4.權利要求1的方法，其中選擇所述的空氣-燃料比以產生其平均值為所述最大值90％的實際排放。
5.一個控制鍋爐中燃料燃燒的系統(tǒng)，其具有可調節(jié)的空氣-燃燒比，包含用于測量CO產出的第一傳感器，提供在所述燃燒的一個時間段內CO的分布范圍；用于測量NOx產出的第二傳感器，提供對NOx產出的測量，提供在所述燃燒的一個時間段內NOx的分布范圍；用于調節(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分布范圍之內燃燒，從而使所述CO和NOx分布的實際排放平均小于許可的最大值。
6.權利要求5的系統(tǒng)，其中所述的時間段的范圍為15～30分鐘。
7.權利要求5的系統(tǒng)，其中選擇所述的空氣-燃料比以產生其平均值為所述最大值95％的實際排放。
8.權利要求5的系統(tǒng)，其中選擇所述的空氣-燃料比以產生其平均值為所述最大值90％的實際排放。
9.一個控制鍋爐中燃料燃燒的系統(tǒng)，其具有可調節(jié)的空氣-燃燒比，包含用于測量CO產出的第一傳感器裝置，提供在所述燃燒的一個時間段內CO的分布范圍；用于測量NOx產物的第二傳感器裝置，提供對NOx產物的測量，提供在所述燃燒的一個時間段內NOx的分布范圍；用于調節(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分布范圍之內燃燒，從而使所述CO和NOx分布的實際排放平均小于許可的最大值。
10.權利要求9的系統(tǒng)，其中所述的時間段的范圍為15～30分鐘。
11.權利要求9的系統(tǒng)，其中選擇所述的空氣-燃料比以產生其平均值為所述最大值95％的實際排放。
12.權利要求9的系統(tǒng)，其中選擇所述的空氣-燃料比以產生其平均值為所述最大值90％的實際排放。
全文摘要
控制鍋爐中燃料燃燒的系統(tǒng)，其具有可調節(jié)的空氣－燃料比。第一傳感器用于測量CO產出，來提供在燃燒的一個時間段內CO的分布范圍。第二傳感器用于測量NO
文檔編號F23N5/00GK1541316SQ02815940
公開日2004年10月27日 申請日期2002年6月13日 優(yōu)先權日2001年6月15日
發(fā)明者V·哈勒納, V 哈勒納 申請人:霍尼韋爾國際公司