CN1049734C - 测定自由基形成过程的特征的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自由基形成过程特性的测定方法和设备，该方法在至少用2个检测器监测的区域中用检测器检测温度和/或自由基浓度。

Description

测定自由基形成过程的特征的方法和设备
本发明涉及测定自由基形成过程的特征的方法。
自由基的形成发生在各种热和/或化学转化中，例如，在矿物燃料如硬煤或褐煤、重油、天然气的燃烧中，在污泥、废弃物或有害废物的燃烧中，在含碳物料的气化中或还发生在其他化学和/或热过程中。
为了控制包括这些过程的各种方法，例如为了编排控制一个过程的指令变量，特别是考虑到NOx和2，3，7，8TCDD及氧芴的产生，分别把各过程的特性记录下来，然后概括地对其作出相应的评估。由此，被记录下来的特性可直接和/或间接地，即例如经过在基本数的计算后，形成指令变量。
测定温度作为特性的各种方法是已知的。例如在一个用吸气高温计进行操作的方法中，通过反应器的观察孔将一个冷却的枪夹住在反应空间，并测定被吸出的气体量的温度。尽管花费了高的测量费用，但由此还是只能测出一个单一的局部温度，此外，由于把枪插入这件事本身就会影响测量结果，因此测定是含有误差的。此外，该方法只能不精确地随后对一个局部地分配在反应空间的温度作评估，而且枪要受到高的热应力和磨损。
对于测定化学和/或热过程的温度，使用非接触的方法也是已知的。对于燃煤发电厂燃烧室温度的非接触测定，有人提出在围绕燃烧室的墙外的一个平面中安置许多声源检测器单元。在此方法中，一个声源检测器单元传送一个诸如脉冲之类的瞬间信号，它被其他声源检测器单元接收。然后，传送和接收声信号作周期性的交换，直至每一单元传送了一次而其他单元相应地经常接收声信号。从声通过燃烧室时传送速度的改变推断出燃烧气的瞬时密度，然后推断出它的温度。该方法的缺点是只能测出平均温度值，因为由声源检测器单元激发的声波只是部分地通过整个燃烧室，而燃烧室中温度是不均匀地分布的，不是均匀地分布的，这导致存在着燃烧气密度各不相同的区域。而且，粉尘和尘团的形成干扰正确的温度测定。
根据欧洲专利申请EP-A-0317731，测定燃烧过程中产生的自由基以控制废弃物的燃烧过程的方法也是已知的。
鉴于诸如废弃物燃烧厂的在燃烧炉内进行测定的方法至今不能令人满意，因此目前仍无法对导致沾污物生成的因数进行确切的分析。
特别是，在前述的那些转化中，对局部状况的检测的可能性是不能令人满意的。
因此，本发明的目的是提供测定在高温下操作的过程的特性的改良法。
此目的可以用测定产生自由基的过程的特性的一种方法加以实现；而该方法的特征在于，在可被至少2个检测器监测的各个区域中，可用检测器检测温度和/或自由基的浓度。
由于在含自由基的区域的辐射谱被至少2个检测器所检测，因此可对空间非均匀状态变量和动力学形成过程加以考虑。对此类区域中的辐射谱的评估确保了正确测定局部状态变量和局部形成过程。诸区域中的温度和/或诸区域中的自由基浓度的测定提供了产生自由基的过程的本质性的特征以及评估和控制这一过程的基本因素。据此以检测NOx的产生具有特别重要的意义。诸区域中的温度和自由基浓度状况的知识可以揭示局部过程的顺序，在一定程度上可被用来有目的地干涉局部过程的顺序。此中，可通过对下列各项施加影响而进行干涉，例如燃烧空气喷咀、燃料供应、废气再循环、燃料分布、所供应的燃烧空气的温度，或最终通过注入NH3进行干涉。
本发明通过限制投射到检测器中的辐射，能实行有意识地测定反应空间的某些部分，对这些测定的评估具有特别重要的意义。此举可通过例如限制入射角，例如使其通过一狭缝，而得以实行。
在燃烧室的反应区域中，可分别从热和化学激发的辐射中产生出辐射谱，籍此可检测出例如一个近处的燃烧器。任一种气体均能发射出以旋转、振动和电子激发所致的基于量化化能量贡献的波长各不相关的发射带。燃烧中释放的化学能可使分子产生激发电子。随这样的激发而来的是自发射，通常在紫外区。
各别分子的区域发射和分子承担的辐射一样，基本上是没有谱带的，例如根据本发明，可用测定辐射谱的方法检测出由粉粒发出的粒子辐射。这样，就可应用所述方法正确地确定自由基的浓度。此外，在有燃烧器协助的燃烧过程中，可对某一火焰温度同时完成火焰自发光的分光镜测定和使用高温计的测定。随着自由基的检出，对区域中的辐射谱的评估就可被用来证实和定量由于例如烟灰和/或粉尘辐射所致的干扰影响；这种证实和定量达到这样的程度，即温度测定和自由基浓度测定的精确度将有重大的改进。
本方法的另一个优点包括在多个区域中的辐射谱的等时检测，它确保了等时的、局部的特性的测定。该等时检测也使记录某个时间的任何区域中的瞬间温度状况和形成过程成为可能。
辐射谱可由一个波长范围所组成，一种过程中的自由基的辐射带典型地产生在这个范围内。在燃烧过程中，较适宜的是检测约200-520nm的范围。范围在例如约300-480nm者适宜于作为燃烧煤时粉尘燃烧器的近处的测定，籍此，除别的以外，可使CO、C2、CN、CH的强度峰呈现在此范围内。
还可分别为检测的临时或永久平衡和校正和/或为改善对辐射谱的评估而提供一种基准辐射的检测，该基准辐射是从在某一限定波长范围内辐射的基准辐射物发射出来的。因此，波长范围可有利地为在自由基特征辐射带之外或之间，它使评估和鉴定分别变得更容易。
基准辐射的检测对检测自由基时加以考虑的干扰影响提供了额外的信息，这样可使估测例如粉尘和/或烟灰负荷变得更为精确。在这一点上，测定和评估基准辐射的吸收可能也是有用的。
应用按本发明的方法，一个方便的实施例示于附图中，并描述如下。
附图示意地表示一燃煤燃烧厂的燃烧室的截面。
在围着壁1的燃烧室2中，通过包括给料管道的燃烧器设备3供应燃料和燃烧空气并进行燃烧而产生火焰4。含火焰4的区域5包含燃烧中产生的自由基。
将互相间隔开的2个检测器6安置在截面实际上为矩形的壁1的2个相邻的棱上。每个检测器6检测区域5中沿辐射方向的辐射谱和辐射强度，幅射方向基本上是扇形的，并形成燃烧室2的锥形截面7的各自的轴。交叉于燃烧室2内的两个截面7按本发明检测区域8。
检测器6经线路9连接于计算单元10，用以分别评估检测到的辐射谱和辐射强度。计算单元10经目的在于传送记录下来的数据的线路11连接于其它控制装置和控制器。
检测器6最好有约90°的射线角，借此可有意识地限制角度。随在其中发生燃烧过程的燃烧室的类型和形状而定，可分别用其它的射线角度和观察角度。在园形截面内可偏向于用较大的射线角，例如超出90°范围的角度。在矩形截面内，例如≤90°范围内的射线角度和观察角度是有用的。观察角的分辨率可达小至几度，甚至1°，检测器能检测相应于射线角的任一辐射方向而来的辐射。按照本发明，在包括着一个或几个区域8的截面7中的沿着辐射方向射入的辐射在一光学装置中经分光镜(例如光栅分光镜或棱镜分光镜)检测后得到了光谱分析，并反映在光敏检测矩阵变换(例如矩阵数组(matrix array)或CCD集成块)上，以便记录具有按本发明的包括着一个或几个区域8的截面7中的任何光谱。
检测距阵最好含相应于辐射方向数的列和相应于光谱分析精细度的行。检测距阵的结构也可影响检测的空间分辨率。
有了相应的检测器6的设计，特别是光学设备的设计，按本发明的区域8的大小当然就可任意地被缩小，且更趋近个别的点，这样便可改善测量的精确度。
检测器6基本上测定形成谱带的波长范围和无谱带波长范围(分别为例如物体和颗粒辐射)的累积辐射强度，以及自由基和分子如C2、CH、CH、CN、OH、NO、NH的谱带辐射。由于两种彼此不同的辐射类型的叠加，以这样的方式连续检测到的辐射谱可有一种向较大波长渐渐上升的趋势。
相应于检测到的辐射强度的信号被检测器6经线路9输送到计算单元10，在此，信号报告燃烧室2的锥形截面7中的累积辐射强度。此处的锥形截面含一个或几个按本发明的区域8，它们包括着有谱带辐射的自由基，而且基本上也包括粉尘和/或或烟灰颗粒发射的无谱带辐射。
将记录在计算单元10中的截面7的累积辐射进行X射线断层照相术的评估，并确定在按本发明的区域8中的温度及自由基浓度。分析单个数值的方法对于为重组局部数值要解的方程系统特别有利。
按照比例高温测定法，将一个或几个有相关局部强度的谱带波长范围用于局部温度的测定。因为这分别发生在任一辐射方向和任一截面7，所以它相应于一个n维比例高温测定计。
在第一种解法中，假定影向强度值的粉尘负荷均匀地分布在燃烧室2中，并对任一按本发明的区域8用X射线断层照相术计算出一个局部强度值。算得的强度值的总和随后作为沿一个辐射方向的相关容忍量。假如粉尘负荷已被正确地估测，则用X射线断层照相术重组过的值的总和相当于检测到的特定的值。
最终经重复校正粉尘负荷后，通过商的产生可从被记录的局部强度值确定局部温度。此中，作为边界状态，从某一部位和按本发明的区域8的各个商的形成所算得的温度在一定的偏差内应是相同的。如果情况不是如此，就用粉尘负荷校正而进行迭代法步骤。
为测定自由基的局部浓度，可援引分别与任一辐射方向和任一截面7的强度值在一起的谱带，以及此时已知的粉尘负荷，借此，高强度值已定性地指向自由基的高浓度。然后可用X射线断层照相术确定自由基的局部浓度。
最后从温度测定识别粉尘负荷具有这样的优点，即分别沿辐射方向和在截面7中的总强度可容易地用吸收和/或消光影响进行校正，此后自由基的浓度仍需用X射线断层照相术加以确定。然而，为了确定浓度，也可分别采用在测定温度时的局部粉末负荷的假定和容忍量，而且这两种测定过程基本上应平行地加以完成。
为核对测得的局部温度和自由基浓度的值，可用一平衡步骤，借此可以核对检查局部温度和区域发射的貌似合理性，因为高温总是表明有个反应区，也即表明有比较高的自由基。例如在炉中，较多的CO倾向于存在于低温度处，而较多的NOx则在高温的反应区域。
按照本发明的方法，可允许甚至在多个燃烧室或反应器的几个水平上测定温度和/或浓度状况，从而可测定其他空间非不均匀性，并可分别获得甚至更广泛的多个过程和一个过程状态的综合描述。因此，可以提供出其它的检测器，例如，相对于第一对检测器来说，最终排列成对的，横向地和/或平行地和/或呈其它配置方式的。
此外，测定和评估并不限于紫外波长范围，在可见光直至红外范围内作测定也是可能的。
按本发明的方法，在技术上具有重大意义，例如对于在燃煤发电厂的燃烧室中的分光镜的测量法来说，籍此可检测出在No2生成的动力学上至关重要的自由基如C2、CH、CN和OH，而可不顾实际存在的来自烟灰和粉尘辐射的附加影响。本方法还可分别记录多维的温度和/或自由基浓度范围，这就允许在过程的主要的一侧对其进行干涉，从而，例如可以做到使炉中的如NO2和CO的烟道气辐射值有可观的降低。此外，例如起着促成产生有害物质的作用的各个燃烧器(例如在燃煤工厂中，有着众多的燃烧器)可重新加以改组，而且，存在于燃烧室中的自由基和分子可与反应动力学的估测连同温度分布和烟道气分析一起进行比较。本发明所提供的方法还可使分析在煤粉燃烧中分别参与NOx形成和分解的反应成为可能，借此可测定例如至关重要的双原子自由基OH、NH、CN、CH和NO本身的浓度。此外，在例如废弃物的燃烧中，还可测定与实质上影响例如2，3，7，8TCDD生成的有害物质浓度有关联的粉尘的浓度。
然而，正如上面已提到的，本发明并不限于所援引的技术应用。

Claims (14)

1.热和/或化学转化中形成的自由基的形成过程特性测定方法，其特征在于：在至少用两个辐射谱检测器监测的含自由基的区域中，用所述检测器检测化学和/或热过程的温度和/或所述过程中形成的自由基的浓度。
2.按权利要求1所述的方法，其特征还在于：检测所述区域的辐射谱以检测温度和自由基浓度。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征还在于：通过限制射入检测器的辐射，有意地检测取自反应空间的某些截面。
4.如权利要求2所述的方法，其特征还在于：通过对沿辐射方向的可检测的多个区段进行辐射强度检测而检测到辐射谱。
5.如权利要求2所述的方法，其特征还在于：同时检测多种自由基辐射谱带的辐射强度。
6.按权利要求2所述的方法，其特征还在于：检测辐射谱带和无谱带波长范围的辐射强度。
7.按权利要求1所述的方法，其特征还在于：所述检测器含基本为90°的射线角。
8.按权利要求2所述的方法，其特征还在于：所述检测器检测沿各个辐射方向的总辐射强度。
9.按权利要求2所述的方法，其特征还在于：辐射谱是用X射线断层照相术评估的。
10.按权利要求9所述的方法，其特征还在于：对辐射谱带和无谱带波长范围的辐射谱进行评估。
11.按权利要求1所述的方法，其特征还在于：测定所述区域内外的粉尘和/或烟灰颗粒浓度。
12.按权利要求1所述的方法，其特征还在于：检测参比辐射器的辐射。
13.按权利要求1所述的方法，其特征还在于：检测存在于燃烧室或反应器中的辐射谱。
14.测定形成自由基过程的设备，其特征在于：该设备包括用于检测含自由基的区域(8)中的辐射谱的检测器(6)和用于测定所述区域(8)中化学和/或热过程的温度和/或自由基浓度的评估计算单元(10)。
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