光学火焰传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种光学测量设备(100)，光学测量设备(100)适合于确定火焰中的温度并且适合于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小。该光学测量设备(100)包括用于测量火焰中的光信息并且输出测量结果的彩色照相机(10)，以及适合于评估测量结果的评估单元(20)。此外，燃煤发电厂(200)配备有用于各在火焰中燃烧粉碎的煤的多个燃烧器(35)以及多个所述的光学测量设备(100)。此外，提供一种用于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小和温度的相应方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学火焰传感器
技术介绍
本公开一般涉及测量设备和用于测量的方法。具体来说，本专利技术涉及以光学方式探测火焰中的热点的测量设备和方法。该设备和方法尤其允许确定氮氧化物的形成。本公开的设备和方法尤其用于煤燃烧，并且可以尤其考虑到平衡燃烧器化学计量。可以在煤燃烧期间形成氮氧化物(NOx)(例如一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO2))。氮氧化物可以对健康有严重的影响。另外，氮氧化物被认为是温室气体。大气中的^,形成促成酸雨的硝酸。因此，环境规定要求减少在炉子和锅炉中的燃烧反应中氮氧化物的形成，并且甚至可以包括对排放者的经济罚款的应用。氮氧化物(简称NOx或NOx)和其它物质在温度实质上高于期望温度的火焰的所谓热点中形成。考虑到导致氮氧化物的形成的反应与火焰中的高温点有关，应用光学技术以便于监测燃烧过程。因此，可以将热点的直接测量用作控制参数来优化燃烧，从而减少NOx 的形成。此外，燃烧过程中一氧化碳(CO)的形成也是需要关注的问题。NOj^PCO两者的形成取决于若干变量，特别是取决于温度、燃烧过程中存在的燃料和空气之间的比率以及燃料的颗粒大小。为了确定和控制这些变量，在燃烧过程中使用光学监测。在清洁燃烧燃料(例如煤气、液烃)的燃烧中，光学标准方法(例如光谱法)允许在热点的确定和定位时得到令人满意的结果。然而，由于固态煤较长的挥发时间，煤燃烧的光学监测并不是同等地简单。更确切地说，当燃烧煤时，总是有小颗粒存在于火焰中，使光谱法变得复杂。煤燃烧中的另一个任务是识别颗粒大小，这是因为偏离最佳大小的颗粒还将导致非最优的燃烧过程，该非最优的燃烧过程可以导致热点等等。颗粒大小的可变性也对燃烧控制有影响。较小的颗粒燃烧较快，较大的颗粒则需要更长的时间来挥发。提出以光学方式测量来自存在于火焰中的基物质的排放，例如0H_、CH_和C2_3。在清洁的燃烧气体和液体燃料的燃烧中，对来自火焰中的这些基的排放的监测可以给出火焰温度和反应化学计量的精确读数。然而对于煤应用，由于存在不同大小的固体颗粒，基物质的直接探测并不是同等地可行。煤颗粒散射由火焰发出的光，从而使对来自基的火焰温度的直接测量变得困难，乃至不可能。另外，化学计量涉及价格昂贵并且需要高度维护的光学元件，例如滤波器、透镜、反射镜等等。例如，在具有大量燃烧器的燃煤发电厂中，为每台燃烧器提供、设置以及维护这些光学元件意味着巨大的投资。因此，存在对能够确定温度，尤其是热点以及燃料的颗粒大小的改进的光学监测方法和仪器的需要。具体而言，存在对易于安装并且同等地低廉的光学监测方法和设备的需要，以便可以在若干燃烧器处安装多个该设备。
技术实现思路
鉴于上述内容，根据一个方面，提供一种光学测量设备。该光学测量设备适合于确定火焰中的温度并且适合于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小，并且包括用于测量火焰中的光信息并输出测量结果的彩色照相机。它还包括适合于评估测量结果的评估单元。在本公开的上下文中，燃料表示任何可燃物，包括气态的和/或液态的和/或固态的可燃物，并且尤其是包括任何形式的煤。为了使公开的设备和方法高效地运行，燃料应该总是包括具有某个颗粒大小的颗粒的某种等级的燃料。根据另一个方面，提供一种燃煤发电厂。该燃煤发电厂具有用于各在火焰中燃烧粉碎的煤的多个燃烧器以及根据本说明书的多个光学测量设备。根据又一个方面，提供一种用于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小和温度的方法。该方法包括接收来自火焰的光信息并使用彩色照相机测量它；将测量结果提供给评估单元；以及评估测量结果。根据再一个方面，提供一种用于控制燃烧器的方法。这些方法包括如本文所描述的用于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小和温度的方法。它还包括依赖于所评估的测量结果控制燃烧参数。 更多示范实施例是如从属权利要求书、说明书和附图所示。附图说明更特别地，在本说明书的剩余部分阐述了对本领域技术人员来说包括其最佳实施方式的完整且能够实现的公开，其包括对附图的参考，其中图l、2、3a、3b、7和8不出根据本公开的光学测量设备的不意性实施例。图4为示出理论黑体辐射光谱的示意图。图5为示出由米氏散射理论修改的示范性黑体福射光谱的示意图。图6示出示范性测量结果以及它们到修改后的黑体辐射光谱的拟合。图9和10示意性地示出根据本文所描述的方法实施例的控制和优化图。图11示意性地示出空气与燃料的比率和燃烧参数之间的关系。图12示意性地示出燃煤发电厂的示范实施例。具体实施例方式现在将详细地参考各个示范实施例,在附图中示出了其一个或多个示例。每个示例都是以说明的方式提供，并且不意味着限制。例如，作为一个实施例的一部分来示出或描述的特征可以用于其它实施例或结合其它实施例使用，以便又得出另一个实施例。意图为本公开包括这样的修改和变化。以下将解释多个实施例。在这种情况下，在附图中相同的结构特征通过相同的附图标记来标识。附图中示出的结构不是按真正的比例描绘的，而只是用于更好地理解实施例。一般而言，提出的系统和方法允许通过监测火焰的温度以及火焰内燃料颗粒的颗粒大小分布来减少氮氧化物的形成。在实施例中，也可以监测和控制CO的形成。一般而言，在标准燃烧期间，期望颗粒大小具有恒定值。对相应参数(例如粉碎(milling)设定)的控制都以此为目的。只有在过渡时段期间，即在燃烧的启动期间，可能期望较大的颗粒大小。在一实施例中，借助优化算法控制燃烧，该优化算法的成果是允许修改燃烧参数，以便优化燃烧温度、颗粒大小和/或添加的燃料与空气的比率。在煤燃烧中，在实施例中的方法和设备允许优化燃烧过程和/或煤颗粒大小。为了说明性的目的，将空气与燃料的比率、温度以及NOx和CO的形成之间的关联作为一般趋势在图11中示意性地示出。示出了燃烧器处的情况，但该情况并非必然代表炉子中的整体燃烧一般而言，NOx的数量可以在200ppm至1200ppm的范围内变化。典型地，火焰温度可以在1400K至2400K的范围内变化。燃烧器处，CO的数量可以在O %至10%的范围内变化。在过度燃烧期间CO的数量可以进一步降低。最后，典型地，从炉子中释放50ppm至200ppm之间的CO。在烃火焰中氮氧化物或NO的形成主要通过三种机制发生I.热力型NO(通过在高温下产生的氧原子对分子氮的固定) 2.燃料型NO(在燃烧期间，通过空气中的氧气对燃料中包含的氮进行的氧化)3.快速型NO(烃基在分子氮上的撞击)在煤燃烧中，NO的大部分(70%至90% )来源于燃料型NO (第二种情况)。因此，减少NOx的关键步骤是限制可用于与燃料氮(简称燃料N)反应的空气。根据本文描述的实施例，提供一种分阶段燃烧。根据该分级燃烧，燃烧器是在炉子的下端，并且以比完成煤的燃烧所需更低的空气与燃料的比率或化学计量运行。随着燃烧产物在炉子内增加，在过度燃烧或第二过度燃烧阶段逐渐地增加空气的数量来完成燃烧过程。这种安排允许燃料中包含的N在O2缺乏或O2降低的环境下转化成N2,而不是NO。具有较小的颗粒大小也是有帮助的，这是因为燃料中包含的氮原子(简称N)可以在氮原子到达过度燃烧阶段之前，更快地转化成N2。在根据本公开的一实施例中，测量温度和/或颗粒大小。使用燃烧模型来评估在燃烧器阶段的有效的空气与燃料的比率。在知道这个信息的情况下，既可以通过保持温度低来控制热力型NO，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：J·D·洛博，M·默坎格茨，K·Y·哈夫纳，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：
国别省市：