CN1243928C - 控制锅炉中燃料燃烧的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

控制锅炉中燃料燃烧的系统，其具有可调节的空气-燃料比。第一传感器用于测量CO产出，来提供在燃烧的一个时间段内CO的分布范围。第二传感器用于测量NOx产出，来提供在燃烧的这个时间段内NOx的分布范围。控制器调节空气-燃料比，来使燃料在CO分布范围和NOx分布范围之内燃烧，从而使CO和NOx分布的实际排放平均小于许可的最大值。优选的时间范围为15～30分钟，并且选择空气-燃料比以产生其平均值为所述最大值95%的实际排放。

Description

控制锅炉中燃料燃烧的方法和系统
发明领域
本发明涉及对燃烧排放中不同变量的控制。更具体而言，本发明涉及应用燃煤粉锅炉中的一氧化碳排放来实现低NOX产出和高效率燃烧。
发明背景
燃煤粉锅炉已经作为一个能量来源被长期应用。随着对燃料燃烧效率和排放的关注变得更为重要，加之世界范围内对节能和环保不断增长的关注，已经提出多种方法来减少燃烧设备中人们所不希望的排放。
特别是减少NOX产出是人们所希望的，因为除SO2外，这种排放产物被认为是酸雨的主要的来源之一，当然也就成为世界上某些地方的一个重大问题，在这些地方燃烧碳氢燃料产生的工业排放物与大气中的气体反应产生酸性化合物，并以雨的形式降落下来。
Woolbert的美国专利4,852,384为一种联合的氧气和可燃烧物分析器创建了一套校准顺序，其使用一套带有一个信号检测和安全报警系统的自动周期校准系统。氧气和燃料都被分析和控制。这套系统被设计用来代替手工测试方法。在手工测试方法中，需要操作员将试验气体引入到该系统中。
Dykema的美国专利5,215,455利用了调节燃烧温度时燃烧区域和阶段的多重性(plurality)。至少应用了两个阶段，其中第一燃烧区域是富燃料的，用来将化学结合的氮转化为分子氮。第二区域包括两个燃烧阶段，据称可以避免NOX产出，因为一个冷却步骤显著降低了最终的燃烧温度。
Koppang的美国专利5,759,022也在富燃烧混合物中应用在了在初级燃烧区域下游的次级燃烧区域来减少NOX产出。此专利涉及液态和气态碳氢燃料，并且依赖在此过程中燃料与氧气的混合。Koppang的发明据称是Quirk等人的美国专利5,849,059的改进，Quirk等人的专利将废气在玻璃炉中反应。该专利利用次级燃烧通过在气体离开再生器时加入空气来消耗气体而将废气中的可燃烧物质在其排入大气之前燃烧并除去。
Ashworth的美国专利6,085,674公开了三个氧化阶段，其中气体与经过预热的空气被分阶段引入。先在热的助燃空气存在下使燃料部分燃烧，然后在第二阶段移出熔化的炉渣，并引发进一步的燃烧，通过此方法减少了NOX产出。烟道气(flue gas)随后在第三阶段燃烧，从而完成了燃料的燃烧。据称通过在燃烧的每个阶段控制化学计量比而使NOX减少了。
最后，Miyagaki的美国专利4,622,922应用了从照相机和光导纤维得到的图像来对燃烧进行控制。测量了NOX和在灰中未燃烧的煤的量，并且在试验操作中使用试错法(trial and error)来试图实现燃烧的稳定性并满足某种排放标准。
当对助燃空气的优化不是恒定的而是不确定的时候，则没有一种现有技术能够有效地控制NOX产出并优化燃烧的效率。在燃烧时CO产出的变化阻碍了对NOX产出的完全优化，并且不可能对效率和不希望成分(如NOX)的排放进行比较。
如果产生一种方法，能够利用关于燃煤粉锅炉中燃烧的不确定性的信息及其与CO排放的形成之间的关系，则其在本领域中将具有巨大的优越性。
如果对排放的分析可以在系统中的一个区域进行，该区域的CO排放按照指定的概率发生，那也将是本领域中的一个重大进步。
其它优越性将在后面显现。
发明概述
现已发现可以用下面的方式来实现本发明如前所述的及其它的目标。具体而言，本发明提供一种在具有可调节的空气-燃料比的锅炉中控制燃料燃烧的方法。
在任何的给定时间内，一个锅炉中CO产出会有很大不同。不存在线性的相互关系可用来选取任何给定的点以控制空气-燃料比，因为，理所当然的，在任何的给定时间内，取一个中间值，因为分布不是对称的，将会有50％的CO产出的点位于该点之上，并有50％位于该点以下。因为这个原因，本发明包括测量随时间变化的CO产出，给出在燃烧期间CO的分布范围。
类似地，NOX产出也会从任何平均测量中给出同样大的偏差。因此，随时间对NOX产出进行测量，得到在上述时间段内NOX的分布范围。
在两种情况下，都需要估计CO和NOX排放的分布，然后选择一个设定点，例如总分布的90％或95％，以便在进行操作时，排放将会保持在由所述设定点所给定的概率的最大许可水平以下。然后操作员便能够调节空气-燃料比，来使燃料在CO的分布范围和NOX的分布范围内燃烧，从而使所述CO和NOX分布的实际排放平均起来小于许可的最大值。
附图简述
为了更彻底地理解本发明，参考附图进行说明：
附图是空气-燃料比与在烟道气中测量和/或估计的气体含量之间关系的示意图。
优选实施方案详述
锅炉中的CO排放随空气-燃料比的改变显著而广泛地改变。特别是在燃烧煤粉时是这样，而且当任何燃料中的可燃物含量发生变化时，这种情况也会发生。例如，假设空气-燃料的化学计量比为每1kg燃料(煤粉)对应5m3空气，则当空气-燃料比在5.4～6.6m3/kg范围内时，在任何时候CO比产出将会在约50mg/m3到多达200或250mg/m3范围内变化。相似地，在同样的空气-燃料比下NOX产出会在稍高于100mg/m3到高达350至400mg/m3或更高的范围内变化。对用烟道气分析器得到的数据进行研究显示CO产出率的变化为空气-燃料比的函数，其随过量空气的减小而大大增加。但是，低的过量空气是低NOX燃烧和高效率所要求的。本发明不仅考虑到在给定功率水平下平均CO和NOX产出，还考虑到了预测的不确定性和变化性。
如附图所示，误差条线确定了空气-燃料比的可行范围，由此在统计学上保证了优化不会超出对CO和NOX排放的限制，与此同时使燃烧的热效率最大化。图中所示x轴是空气-燃料比，y轴表示的是各排放物的量(mg/m3)，因此曲线11表示CO产出随空气-燃烧比中空气含量的下降而呈指数性的增长。曲线13说明NOX产出随空气-燃料比中空气含量相同的下降都下降。曲线15代表燃烧的效率，由未燃燃料中的损耗和废气中的损耗所决定。本发明系统所能许可的空气-燃料比在由表示CO产出的条线17和由表示NOX产出的条线19所界定的限制范围之内。许可的或适用的空气-燃料比的范围如条线21所示，在上面所界定的两个限制之间。
虽然应用估计的平均值不能消除两种副产物中任何一个的产生过程中出现的尖峰，但已发现通过对估计的分布进行计算可以保证在发电站中实际的CO和NOX产出不会超过许可的最大值。利用在此限定的发生间隔，有90％的CO和NOX产出实际上低于许可的最大值，并抵消掉超过许可值的那10％(或其它选定值)的部分。在稳定燃烧的情况下，很少的峰会超过所要求的限制并且其平均值绝对不会超过所要求的限制。设定点由操作者决定和选择，以保证其完全符合要求。结果是，通过应用相对不变的空气-燃烧比，对锅炉稳定的操作提供了更高的操作效率，节省了资金并且符合对CO和NOX产出的规定。
环境监测机构用来评价平均排放产出的典型时间周期为15～30分钟，尽管只要传感器可以提供足够的数据来得到实际的CO分布范围和NOX分布范围，任意的时间都是适合的.
优选调节空气-燃料比来使所述燃料在所述的CO分布范围和所述的NOX分布范围之内燃烧，从而使所述CO和NOX分布的实际排放产生出其中90％的值都低于最大值的实际排放。值得欣赏的是，此燃烧方法可在良好的效率和控制下运行，允许操作者使所产生的能量最大化，并同时使排放保持在控制下。
尽管本发明特别的实施方案已被图解和描述，但除了在后面的权利要求中所定义的之外，并不意图对本发明做出限制。

Claims (8)

1.一种控制锅炉中燃料燃烧的方法，其具有可调节的空气-燃料比，包含以下几个步骤：
在所述燃烧的一个时间段内测量CO产出来得到CO的分布范围；
在所述燃烧的一个时间段内测量NOX产出来得到NOX的分布范围；
调节空气-燃料比来使所述燃料在所述CO分布范围和所述NOX分布范围之内燃烧，从而使所述CO和NOX分布的实际排放平均小于许可的最大值。
2.权利要求1的方法，其中所述的时间段的范围为15～30分钟。
3.权利要求1的方法，其中选择所述的空气-燃料比以产生其平均值为所述最大值95％的实际排放。
4.权利要求1的方法，其中选择所述的空气-燃料比以产生其平均值为所述最大值90％的实际排放。
5.一个控制锅炉中燃料燃烧的系统，其具有可调节的空气-燃料比，包含：
用于测量CO产出的第一传感器，提供在所述燃烧的一个时间段内CO的分布范围；
用于测量NOX产出的第二传感器，提供对NOX产出的测量，提供在所述燃烧的一个时间段内NOX的分布范围；
用于调节空气-燃料比的控制器，使所述燃料在所述CO分布范围和所述NOX分布范围之内燃烧，从而使所述CO和NOX分布的实际排放平均小于许可的最大值。
6.权利要求5的系统，其中所述的时间段的范围为15～30分钟。
7.权利要求5的系统，其中选择所述的空气-燃料比以产生其平均值为所述最大值95％的实际排放。
8.权利要求5的系统，其中选择所述的空气-燃料比以产生其平均值为所述最大值90％的实际排放。
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