CN1377459A - 应用光谱测定法测量供热设备的烟道气体中有害气体浓度的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量供热设备的烟道气体中有害气体浓度的方法,该供热设备包括一个燃烧空间(3),一个处于燃烧空间下游的装置(5),所述装置(5)包括一些可以使水、气体或蒸汽等介质流过的管路,以便通过热传递利用在燃烧过程中产生的烟道气体加热上述介质。在靠近所述管路装置(5)的范围内,至少一个紫外线光束(11)从在所述烟道气体管路(4)的一侧的光发射单元(7′)被发送到设置在所述管路的相对一侧的光接收单元(7″),其中光接受单元(7″)与一个分光仪(13)相连,所述分光仪与一个计算机单元(14)协同工作,在所述分光仪中,接受的光线被依照光谱分离。所述分光仪被校准以纪录波长在200到310毫微米范围内的光线的光谱强度分布状态,以便在设备运行期间基本连续地在现场检测在烟道气体中气态金属和/或金属氯化物的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用光谱测定法测量供热设备的烟道气体中有害气体浓度的方法和装置，这类供热设备包括一个用于燃料燃烧的第一空间，一个放置在处于燃烧空间下游的第二空间中的装置，所述在第二空间内的装置包括一些可以使水、气体或蒸汽等介质流过的管路，以便通过热传递利用在燃烧过程中产生的烟道气体加热上述介质，以及一个设置在管路装置下游的用来将烟道气体排出上述设备的烟囱。
发明背景和现有技术
通过所谓生物燃料，例如包含木头或生物量的固体燃料的燃烧而同时产生热力和蒸汽，近来已经变得越来越普遍，特别是由于事实上这样的产生是高动力效率，显示出持续运行的耐久性，可以以本地原材料为基础并对环境影响最小。然而，已经证明生物燃料的燃烧过程在某些情况下比诸如煤等其它固体燃料的燃烧更复杂并且更难于掌握。一个因素是生物燃料的灰烬与诸如煤的灰烬相比有另一种成分和其它熔化特性。特别是这些差异包括由于在现有过热设备中的管路上积上了铁锈或灰烬而导致的成本问题。这样，瑞典在使用100％生物燃料的几年之后，大部分供热并发电设备已经察觉到严重的高温锈蚀。当在燃料中加入像碎木材和不同类型的各种废物时，上述问题可能特别突出。实际上，锈蚀已经显现出来，因为在通常高合金的从而昂贵的过热管上覆盖有粗实的粘接层或灰的沉淀，而同时由于管表面的下部暴露于腐蚀溶液而导致金属材料的损失。
在普通技术人员当中，普遍认为在上述背景中氯构成主要的锈蚀加速剂。传统的理论是，氯以气相氯化钾(KCL)的形式，或者以在过热装置正上游已经凝结的非常小的氯化钾悬浮颗粒的形式而被传送到在过热管上积淀的灰烬上。此后，与硫在管表面上的积淀灰中发生反应，由此形成硫化钾和游离氯气，以这样的形式是非常有腐蚀性的。虽然上述理论是貌似合理的，实际上，要证明上述理论，以及采取措施来解决上述问题都存在大量的困难，首先由于缺乏一个适当的测量技术。的确，在SE8502946-0专利中，以一个通常的方式描述了怎样将光谱测定法用于测定在高温下实现的燃烧过程中产生的气体物质的某种参数，如浓度，但是在上述情况下，该技术主要注重在火焰中的测量，并且该文件没有包含任何关于怎样将该技术实际地应用于上述类型的设备中测量的教导。
非常普通地，在供热设备中除了上述锈蚀问题外，还存在其它类似的由于气态金属氯化物或基本元素形式的金属的存在而导致的问题。因此，在该设备中，除了包括供诸如空气循环通过以便被加热的一套或一组管子的过热装置以外，还包括其它结构。(实际上，这类结构通常包括空气预加热器或所谓的节约装置。)当诸如以气态锌或铅的形式的重金属被烟道气体携带并与上述结构冲撞时，它们沉淀于管子的表面上，由此形成不必然是锈蚀的堆积物，但是，这会使烟道气体与在管路中循环的介质间的热传递变得恶化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有测量技术所存在的缺点，并以一个有意义的方式除去或抵消锈蚀和沉淀问题，这些问题出现在包含管道的热交换装置中，例如过热装置、节约装置或处于燃烧设备中的燃烧空间下游的空气预加热器。由此，本发明的一个首要的目的在于提出一个方法以及一个装置，该装置在几乎困难的外部环境中运行以设法明确确定在燃烧过程的烟道气体中某些气体物质的存在和浓度，这些气体物质使得在装置中管路上发生严重的锈蚀或有害的堆积物。本发明的另一个目的是提供一种方法，藉此阻止经过管路装置的烟道气体中的腐蚀性或有害气体的产生。
根据本发明，至少首要的目的由权利要求1至5的特征条款中给出的特征来实现。本发明的优选实施例被进一步限定在附属的权利要求书中。
附图简介
在附图中：
图1是一个示意图，说明性地显示了本发明所适用的供热并发电设备的大致结构；
图2是一个放大的平面详细视图，显示了一个包括在本发明的结构中的用于发送和接受光线的装置，该装置与一个分光仪合作工作；
图3是一个说明所述分光仪和一个用于校准分光仪的设备的示意图；以及
图4是一个示意图，以缩小的比例显示了供热并发电设备的一个替换的实施例，和根据本发明的连接到其上的一个结构。
最佳实施例的说明
在图1中显示一个产生蒸汽的燃烧设备，该设备可以包括一个以产生蒸汽为主要用途的工业蒸汽锅炉，如用于发电，但是它也可以包括一个不仅产生蒸汽而且也产生热的供热并发电设备。作为主要部件，该设备具有一个锅炉1和一个烟囱2。在锅炉1中包括在一个成型为一个燃烧腔的第一空间3，在空间3中燃烧输入的燃料。实际上，锅炉可以采用一个普通的流化床技术(在本行业中称为BFB，即“气泡式流化床(Bubbling Fluidized Bed)”)。在一些较大的设备中，锅炉可以具有在10到40米范围内的高度。在另一个位于燃烧腔3的下游并作为烟道气体输送管的空间4中，设有一个或几个过热装置。在根据图1所示的实施例中，显示出三个这样的过热装置5。每一个这样的装置包括一组管路或管回路，以便通过来自烟道气体的热传递使经过这组管路的蒸汽变得过热，其中烟道气体在燃烧过程中产生并经过空间4。在空间3和4之间设有一个包含在一个隔离物中的倾斜壁6，其作用是收集从烟道气体中落下的固体颗粒，并将这些固体颗粒返回到燃烧腔。在烟道气体经过了过热装置5后，它们在一个或几个称为节约装置5’中被冷却，并且进一步经过一个空气预加热器5″最终经烟囱2(一般在第一步之后，已经经过一个或几个图中没有示出的过滤器)被散发出去。
图1中，标记7表示一个光发射和光接收装置，它被包括在根据本发明的结构中。从图1中可以清楚地显示，上述装置7被安置在紧邻过热装置5的位置，即过热装置首先接触经过的烟道气体。
现在参考图2，其显示出装置7包括一个被安装在限定出烟道气体输送管道4的相对的壁8之一上的光发射单元7’，和一个安置在相对的壁上的光接收单元7″。由于在光发射单元7’中的发光源被便利地采用一个氙气灯泡9，其具有在大约200nm-3μm宽的波长光谱范围内发射紫外线的能力。替换地，一个氚气灯泡也可以用于相同的目的。从灯泡中发出的光例如通过一个透镜被校准，然后其作为光束11经过管道4中的烟道气体并进而进入光接收单元7″，在此光线被聚焦在一个光纤12上。所述光纤将该光线输送到一个整体标示为13的分光仪上，在此，光线的强度被分析成该光线的波长的一个函数。一个计算机14与分光仪一起工作。在分光仪中还包括一个光线波长分离单元15，其作用是分离不同波长的引入光线，使得不同波段的强度可以用一个非波长选择性的探测器15’而被测量。实际上，该光线波长分离单元可以包括一个单色仪或一个摄谱仪。单色仪仅使一个窄波段的进入光线通过并可作为波长分离元件利用，诸如一个光栅、一个棱镜或一个波段过滤器。摄谱仪在波长的给定范围内投射出一个连续波长的波段在其焦点平面上，在该平面上检测器被安装。作为摄谱仪中的一个波长分离单元，可以使用一个光栅、一个棱镜或一个所谓的“迈克尔逊(Michaelson)干涉仪”。
对于摄谱仪，通常使用如一个光电二极管阵列(PDA)的一个多通道检测器，或如一个光电倍增器的一个延长的单通道检测器，并且结合使用一个在检测器的表面上方持续地移动并以与摄谱仪的焦点平面一致的方式安装的细槽。从实际而言，上述槽可沿径向被布置在一个根据在Platt & Perner 1983(Platt U & Perner P.，“Optical and laserremote sensing”，eds.Killinger，DK，and Mooradian，A.，“Springerser”.Optical Sci.39，97，1983)描述的实施例中的转动盘上。该光电二极管阵列包括一排光电二极管(摄影机)，其同时测量在阵列表面上的光线的强度分配，而后经过某一曝光时间之后上述光谱被电子地读出。在与一个单色仪结合中，诸如光电二极管的一个单通道光线检测器通常被使用。
在根据图2所示的实施例中，一个摄谱仪被用来与一个光电二极管阵列结合使用，这是一个优选的实施例。本发明也可以通过利用单色仪技术被实现，但是在这样的情况下，至少需要两个单色仪，它们被调节到不同的波长，以便使测量系统专用于所寻找的气体成分，如碱性金属氯化物，并且单色仪不受光线的宽频带阻尼影响。
来自光检测器的信号被以特制的PC测量卡和PC-Windows软件的形式读出，这特别适于评价整个光谱目的。
根据Platt & Perner 1983在上述论文中提出的理论来评价记录在计算机软件中的测量光谱范围。根据上述论文给出的运算法则，定量的数据被计算，经多元分析通过使相关的测量光谱比较不同气体成分的参考光谱来从光谱信息中得出所查找的气体的成分。上述计算可以在计算机上连续地完成(计算时间小于2秒)，这样使得测量数据能够在线演示，如在一个屏幕16上，并且在计算机装置的一个D/A卡上模拟输出信号的更新。
在所属行业内，上述测量技术被命名为DOAS技术(DifferentialOptical Absorption Spectroscopy)。上述技术也被以普通的术语在前面提及的SE8502946-0中描述。
本发明是基于这一理解，即DOAS技术可以被专门用来测量烟道气体中气态金属和/或金属氯化物，尤其是碱性金属氯化物(氯化钾以及氯化钠)的浓度。具体地说，通过校准分光仪13而记录波长范围在200-300nm之内的光线的光谱强度分布来实现上述测量。为上述目的，使用一个如图3所示类型的校准仪器。该仪器包括一个烤箱17，其中可以放置一个具有两个石英窗体19的气体试管18，气体可以通过一个供给导管21由一个气源20引导到其中，并通过一个排出导管22而排出。光发射和光接受单元7’、7″被分别设置在烤箱的两侧，使得光束11能经过试管，更精确地说经过试管上的窗体19。该烤箱被调节到某一温度，最好达到在空间4中随后进行气体测量的温度。一个含有所述气体成分如氯化钾或氯化钠并预计在烟道气体管道4中被测量的给定成分的气体通过一个保持气体流量稳定的控制阀23以及进一步经过气体试管18而被从气源20中投配。在测量氯化钾或氯化钠的情况下，然后各个化合物的盐被放置在一个勺子24上，将勺子伸入进口导管21而送入试管中。通过调节烤箱的温度，在上述盐上获得不同的水蒸气压力，而具有一个给定局部压力的碱性金属氯化物蒸汽将流过测量试管。当所考虑的气体成分(和其它可能的在测量用的光线的波长范围内具有光线吸收作用的气体成分)的气体浓度已经稳定，然后气体成分的吸收光谱被测量并被依据与在烟道气体通道4中的测量规则同样的原则存储。此时，一个参考光谱被获得，当测量烟道气体通道中未知气体浓度时，其作为进行自动光谱评估的基础。
KCl和NaCl的光谱结构有如此宽的波段(在230-280nm的范围)并被设置在这样一个波长，使得简单并且便宜型号的分光仪可以被用来完成所述测量。更精确地说，可以使用一个新型的便宜的微型分光仪，该微型分光仪基于上述与光学试验台结合在一起的光电二极管阵列(半导体传感器)的应用。
虽然其本身具有重要价值，但是其仅能够在现场测定在烟气中的气态碱性金属氯化物的浓度，更确切地说，在设备的连续工作过程中，特别令人感兴趣的是采用记录的数据来控制燃料燃烧的过程。图4示意性的说明了一个上述可能性已被实现的设备。在这种情况下，一个替换的实施例由一个供热并发电设备举例说明，其中设备的锅炉1与一个安装在燃烧空间3与烟道气体通道4之间的旋分分离器25一同作用，其中在烟道气体通道4中安装有许多过热装置5(在本例中设备的烟囱由于空间技术原因而不被考虑)。实际上，上述锅炉类型被命名为CFB(即“循环流化床(Circulating Fluidized Bed)”)。同样在上述设备中包括至少一个节约装置5’和一个空气预加热器5″。类似于根据图1-3的气体测量结构，由图4所示的结构包括通过一个光纤12连接到一个分光仪13上的一个光发射单元7’和一个光接受单元7”和一个与其共同工作的计算机14。通过一个电缆26，一个来自计算机的输出信号可以被输送到一个由符号27表示的中心控制单元27，通过这样的方式，确定燃烧过程的不同参数可以被控制。
关于锅炉的燃烧位置空间3显示有一个燃料送入通道28，通过该通道燃料可以以适当的燃料输送器送入，在此燃料输送器概要地显示为传送带29的形式。在传送带的上方显示有许多容器30、31、32，它们各自具有一个燃料输出部件33，如以进给螺杆的形式。在两个前面的容器30、31中，可以装有两种不同的燃料，如分别装有生物燃料和易燃的废物。在第三个容器32中装有一种氯分解物质，当需要时，其可以被供应给燃烧室中的燃料或燃料混合物。这样在容器32中的物质构成添加剂，它主要起在烟道气体中减少碱性金属氯化物的含量的作用。实际上，上述物质可以包含硫或一种含硫材料，虽然也可能使用诸如高岭石等矿物。三个送料装置可以通过各个控制装置34而被分别控制，所述装置34与中心控制单元27相连。通过这些控制装置，送料装置33可以被激励或被停住，以便启动或停止所述材料在输送带29上的输送，而另一方面，控制送料装置的工作速度，并由此按照时间单位控制由输送带送出的各种材料的量。
所谓配风器也是相当程度地决定燃烧过程的发生，该配风器以普通的方式被包含在一个所需类型的燃烧装置中。实际上，这样一个配风器可以包括几个将空气输入到锅炉中的连续的入口。然而，在本举例中，仅两个这样的入口被显示，即第一入口35用于将一级空气输入到燃烧腔的下部，而一个入口36用于将二级空气输入燃料入口28的下游。一个中心风扇37可以通过导管38、39将空气提供到入口35、36，更精确地说，空气通过在导管38、39中的过滤器40、41。过滤器40、41的作用可以通过各个控制部件42、43被控制，而所述控制部件42、43依次被中心控制单元27控制。根据分别有关烟道气体中碱性金属氯化物的存在和浓度的测量数据，控制输入到锅炉中的空气的供给，进而，以便将在过热结构区域内的碱性金属氯化物的含量减少到极度可能的范围。在上文中，应当指出，配风器的调节与碱性金属氯化物含量之间的关系根据锅炉的设计和燃烧原理的不同，在设备之间是不同的。
首先，本发明是基于这一理解，即金属氯化物可以在高温下利用紫外线进行光谱分析。通过在紧邻受到锈蚀的过热装置处并且其中流过的烟道气体温度在600到1400℃的范围的位置处设置上述测量结构的光发射和光接受单元，碱性金属氯化物的存在和浓度可以在现场被明确地建立，在此处氯化物的存在是有害的，即正好在它们撞击过热管道并与硫发生反应以生成碱性金属硫化物和游离氯分子之前。这具有相当的重要性，因为如果在过热装置的下游-在此处烟道气体的温度降低-气体样品被进行提取分析，或者进行测量，那么非常活跃的氯化物将有时间来浓缩和/或与其它成分反应，从而将不能以恰当的方式测量它们。这样，如果氯化物已经浓缩，测量将整体失去其意义。还应该强调，在所述过程中如在燃烧腔中较早地测量氯化物的含量也不是权宜之计，因为氯化物在流向过热装置过程中发生反应。此外，很重要的是对设备的烟道气体中碱性金属氯化物的浓度的测量基本上是连续地进行。的确能够个别的间歇地测量，只要在循环测量的场合之间时间的间断是被允许。然而，通过使这些间歇较短，如在10到60秒的范围，来保证对开始锈蚀的氯化物的存在和浓度的一个本质上连续的测量。此外根据本发明的最佳实施例，通过连续获得关于在烟道气体中氯化物的浓度的测量数据，以便控制燃烧过程，则在阻止过热管路上发生锈蚀的实际操作过程中获得一个有效的方法。控制不同的参量可以以不同的方式完成，其中的参量包括确定燃烧过程和在气体中生成的碱性金属氯化物的含量。一个与上述图4有关的有效的方式是增加一个减少氯化物的添加剂，如以硫磺或含硫磺的物质的形式。通过向燃料提供适度的、然而有效量的硫磺，已经在燃烧过程中，在硫磺和碱性金属氯化物之间获得一个化学反应，由此，特别形成氯化氢，某些包含游离氯分子的物质不会在过热装置的区域内形成。至少在上述区域内氯化物的量被减少到一个绝对极小的程度。另一种方式是改变燃料混合物的成分，如降低被证明会产生高碱性金属氯化物含量的燃料成分。与上述测量结合起来，配风器也可以被调节以便使在过热管路区域中的活性氯化物的量最少。
本发明的结构也可以用于测量在给定波长范围内(200到310毫微米)二氧化硫(SO2)的存在和浓度，更具体地说，为了避免或抵消硫磺添加物或含硫磺的燃料的过度配给，或者替代地，抵消其它操作措施，这些措施可能增加烟道气体导管内SO2含量的值，使之高于规定的限度。应当说明，除了钾和纳的氯化物外，本发明也可以被用于测量其它气态金属氯化物的浓度，如重金属氯化物，象锌和铅的氯化物，因为这些也具有在200至310毫微米波长范围内的光吸收特性。在本发明的范围内，测量以元素形式的气态金属的浓度也是可能的，例如元素锌。在废物燃料燃烧当中，不同存在形式的锌和铅被预见特别频繁地出现。锌和铅的氯化物可以在热传导管装置上形成较低熔点(如300℃)的灰积淀，这样提高了锈蚀同时沉淀增长。尤其是，它们可以在构成一个冷却器的一部分的管路上形成积淀。通过在邻近上述类型的含有管路的装置的附近安装根据本发明的一个测量结构，上述物质的浓度可以以一个适当的方式被测量，此后测量的结果可以被用于采取措施，以便减少有害物质的量，如通过改变燃料的成分。
在本文中，也可以指出所述领域的普通技术人员证明在烟气中可能存在的二氧化物决定于碱性金属氯化物的量。由此，在本发明的范围内，能够利用所述测量结构，即通过建立碱性金属氯化物的浓度，从而间接地测量对环境构成危险的二氧化物的存在和浓度。
还应当提到，本发明与供热设备是否具有过热装置无关。这样，如上所述的本发明可以被专门用于与一个节约器或一个空气预加热器结合的测量。
虽然在附图中，本发明已经结合两个普通类型的供热并发电设备被说明，即分别具有BFB和CFB型流化床锅炉的设备，它也可以被用于其它类型的燃烧设备上，如采用层燃技术的设备或用于烧粉状燃料的锅炉。
Claims (6)
1.一种通过光谱测定法测量供热设备的烟道气体中有害气体浓度的方法，所述供热设备包括一个用来燃烧燃料的第一空间(3)，一个放置在处于燃烧空间下游的第二空间(4)中的装置(5)，所述在第二空间内的装置(5)包括一些可以使水、气体或蒸汽等介质流过的管路，以便通过热传递利用在燃烧过程中产生的烟道气体加热上述介质，以及一个设置在管路装置(5)的下游用来排出来自上述设备中的烟道气体的烟囱(2)，其特征在于：在靠近所述管路装置(5)的范围内，至少一个紫外光光束(11)被从在所述第二空间(4)的一侧的光发射单元(7’)发送到设置在所述第二空间(4)的相对一侧的光接收单元(7″)，其中光接受单元与一个分光仪(13)相连，所述分光仪与一个计算机单元(14)协同工作，在分光仪中，接受的光线被依照光谱分离，并且分光仪(13)被校准来纪录波长在200到310毫微米范围内的光线的光谱强度分布状态，以便在设备运行期间基本连续地在现场检测在烟道气体中气态金属和/或金属氯化物的浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：关于烟道气体中金属和/或金属氯化物的浓度的纪录数据被用来控制燃料燃烧的过程，具体地，通过从计算机单元(14)输送到与一个或几个包含在设备中的装置连接的控制单元(27)的信号，而输入燃料和/或供给空气到不同的配风器上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于当需要时，控制单元(27)被用于控制一个输入装置(33)来输入金属氯化物降低材料到燃烧空间内。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于含硫磺物质被送入到燃料中，以便减少在所述管路装置的区域内碱性金属氯化物的量。
5.一种通过光谱测定法测量供热设备的烟道气体中有害气体浓度的装置，所述类型的供热设备包括一个用来燃烧燃料的第一空间(3)，一个放置在处于燃烧空间下游的第二空间(4)中的装置(5)，所述在第二空间内的装置(5)包括一些可以使水、气体或蒸汽等介质流过的管路，以便通过热传递利用在燃烧过程中产生的烟道气体加热上述介质，以及一个设置在管路装置(5)下游的用来排出来自上述设备中的烟道气体的烟囱(2)，其特征在于：在靠近所述管路装置(5)的范围内，在所述第二空间(4)的一侧设置一个光发射单元(7’)，其用于发射至少一个紫外线光束(11)到一个设置在所述第二空间的相对一侧的光接收单元(7″)，其中光接受单元与一个分光仪(13)相连，所述分光仪与一个计算机单元(14)协同工作，在分光仪中，接受的光线被依照光谱分离，并且分光仪(13)被校准以纪录波长在200到310毫微米范围内的光线的光谱强度分布状态，以便在设备运行期间基本连续地在现场检测在烟道气体中气态金属和/或金属氯化物的浓度。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于分光仪(13)包括一个以光电二极管阵列为基础的微型分光仪。
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