專利名稱：煙道氣的光學(xué)監(jiān)測(cè)和控制的制作方法
煙道氣的光學(xué)監(jiān)測(cè)和控制相關(guān)_請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)涉及由相同發(fā)明人Michael Tanca于本申請(qǐng)相同日期提交的名稱為“燃燒器的監(jiān)測(cè)和控制(BURNER MONITOR AND CONTROL) ”的共同待決的美國專利申請(qǐng)。本申請(qǐng)結(jié)合了上述申請(qǐng)，就如上述申請(qǐng)以其整體在本文中闡述一般。
背景技術(shù)：
I.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及燃煤型燃燒系統(tǒng)，并且更具體地說涉及用于精確控制燃煤型燃燒系統(tǒng)排放的煙道氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2.相關(guān)技術(shù)描述在各種燃煤型燃燒系統(tǒng)中，燃燒受到定位在爐后部的測(cè)量裝置的監(jiān)測(cè)。典型地，這是氧氣傳感器。這種測(cè)量裝置提供了回饋信號(hào)，其用于控制燃燒系統(tǒng)中的燃燒。這些傳感器傾向于是不精確的，因?yàn)樗鼈冎辉谔囟▊鞲衅魑恢锰帨y(cè)量02。在若干個(gè)位置測(cè)量O2將更為精確。某些系統(tǒng)，尤其是機(jī)械系統(tǒng)，花一些時(shí)間來起作用。在標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中，測(cè)量裝置確定煙道氣的特性，且然后基于所確定的特性而起作用。如果所測(cè)量的特性其中之ー是排放氣體的高濃度，那么合適的污染控制系統(tǒng)會(huì)起作用，以便在氣體離開燃燒系統(tǒng)之前降低氣體的濃度。在當(dāng)氣體被檢測(cè)時(shí)和當(dāng)氣體濃度實(shí)際減少時(shí)之間存在某些時(shí)延。將有利的是使系統(tǒng)，例如排放控制系統(tǒng)，接收所測(cè)量的煙道氣特性的提前通知，從而使得其可“斜坡上升起作用(ramp up)”并減少系統(tǒng)時(shí)延。因而，所需要的是用于對(duì)遍及與鍋爐燃燒系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的取樣區(qū)域的燃燒條件進(jìn)行精確測(cè)量的方法和設(shè)備。這種測(cè)量優(yōu)選地提供了改進(jìn)的控制，因而導(dǎo)致了提高的效率。本發(fā)明的概要本發(fā)明可體現(xiàn)為ー種高效的燃燒系統(tǒng)1000，其用于監(jiān)測(cè)來自爐I的煙道氣的至少ー種成分的特性，爐I燃燒固體燃料、主空氣和輔助空氣，這種設(shè)備具有光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置220。光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置220包括多個(gè)用于提供光束223的光源221，光束穿過取樣區(qū)域18中的煙道氣。若干個(gè)檢測(cè)器222各檢測(cè)一條光束223，并提供感測(cè)的信號(hào)。電子單元225聯(lián)接在檢測(cè)器222上，并設(shè)置為將來自檢測(cè)器222的感測(cè)的信號(hào)組合起來，以評(píng)估取樣區(qū)域18中的至少ー種成分的特性，并使用評(píng)估來調(diào)整爐I的操作?？刂茊卧?30聯(lián)接在光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置220上，并接收組合信號(hào)。其基于組合信號(hào)中所指示的需求而控制燃料供給5、主空氣供給6和輔助空氣供給7通向爐I的流動(dòng)。本發(fā)明還可體現(xiàn)為ー種高效的燃燒系統(tǒng)1000，其具有用于產(chǎn)生煙道氣的爐1，爐I具有上游光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置220，其用于對(duì)煙道氣進(jìn)行取樣，并且用于第一成分在其位置處的濃度且產(chǎn)生上游濃度信號(hào)。其包括下游光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置320，該裝置用于對(duì)煙道氣進(jìn)行取樣，并且用于第一成分且產(chǎn)生下游濃度信號(hào)，其指示煙道氣中的第一成分在其位置處的濃度。
能夠降低煙道氣中的第一成分的濃度的排放控制系統(tǒng)300定位在監(jiān)測(cè)裝置220，320之間并聯(lián)接在監(jiān)測(cè)裝置220，320上。排放控制系統(tǒng)300接收煙道氣，并且排放控制裝置接收上游濃度信號(hào)并利用它調(diào)整其關(guān)于有待接收的將來煙道氣濃度的將來操作，并利用下游濃度信號(hào)調(diào)整其當(dāng)前操作本發(fā)明可進(jìn)ー步體現(xiàn)為ー種高效的燃燒系統(tǒng)1000，其具有用于產(chǎn)生煙道氣的爐I和若干個(gè)串聯(lián)連接的排放控制系統(tǒng)。排放控制系統(tǒng)和爐通過管道而連接?？刂茊卧?30聯(lián)接在爐上，并操作以控制通向爐I的燃料流、主空氣和輔助空氣。該系統(tǒng)包括至少ー個(gè)具有若干個(gè)光源221的監(jiān)測(cè)裝置220，其中各個(gè)光源221使光束傳遞穿過煙道氣而到達(dá)相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器222。各個(gè)檢測(cè)器222產(chǎn)生若干個(gè)感測(cè)的信號(hào)，感測(cè)的信號(hào)被組合，以提供指示煙道氣中的某一成分的濃度的信號(hào)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將組合信號(hào)發(fā)送給控制単元230，以控制爐I來最大限度地降低煙道氣中的所排放的成分的濃度?？蛇x地，遍及整個(gè)系統(tǒng)使用若干個(gè)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)ー種或多種成分進(jìn)行取樣。這些可用作前饋信號(hào)，以便為下游排放控制裝置給予排放濃度的提前通知，或者為上游排放控制裝置提供回饋。另外，可將回饋信號(hào)發(fā)送給控制器230，其控制爐I的操作，并且調(diào)整氧氣濃度和/或燃燒溫度，以調(diào)整NOx和汞的排放。圖紙簡要說明在說明書的結(jié)論部分的權(quán)利要求中特別指出并明確申明了被視為本發(fā)明的主題。從以下結(jié)合附圖所作的詳細(xì)說明中，本發(fā)明的前述及其它特征和優(yōu)勢(shì)顯而易見，其中圖I描繪了現(xiàn)有技術(shù)燃燒系統(tǒng)的一部分的示意圖；圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的一部分的示意圖；圖3描繪了管道的橫截面圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的燃燒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的ー個(gè)實(shí)施例；且圖4描繪了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意性的方框圖，其被并入到具有若干個(gè)排放控制裝置的燃燒系統(tǒng)中。本發(fā)明的詳細(xì)說明公開了ー種用于對(duì)燃燒系統(tǒng)的燃燒條件、煙道氣成分提供精確監(jiān)測(cè)并基于該監(jiān)測(cè)而控制燃燒系統(tǒng)和/或排放控制裝置的方法和設(shè)備。在這里提供的各種非限制性的實(shí)施例中，燃燒系統(tǒng)是燃燒固體燃料、氣體燃料或液體燃料的燃燒系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)可以是組合的爐和鍋爐或蒸汽發(fā)生器。然而，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，所提供的實(shí)施例僅僅是說明性的，而非本發(fā)明的限制。本方法和設(shè)備利用了光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。這里提供的光學(xué)信號(hào)發(fā)出和檢測(cè)系統(tǒng)被簡單地稱為“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。通常，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括用于執(zhí)行各種相關(guān)功能的各種構(gòu)件。這些構(gòu)件可包括多個(gè)光源，例如激光器、多個(gè)傳感器、控制單元、計(jì)算機(jī)構(gòu)件、軟件(即，儲(chǔ)存在機(jī)器可讀介質(zhì)上的機(jī)器可執(zhí)行指令)、信號(hào)發(fā)出裝置、馬達(dá)操作控制器、至少ー個(gè)電源以及其它這種構(gòu)件。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為與取樣區(qū)域相關(guān)的至少ー種氣體成分提供了多個(gè)測(cè)量。該多個(gè)測(cè)量提供了尤其是取樣區(qū)域中的氣體成分-例如與燃燒器(即噴嘴)相關(guān)的氣體成分-的測(cè)量。這些測(cè)量可在多個(gè)位置通過使用光學(xué)傳感技術(shù)來執(zhí)行，因而為燃料燃燒提供了局部化的更具響應(yīng)性的測(cè)量。當(dāng)然，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可被視為ー種控制系統(tǒng)。更具體地說，來自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)可用于控制燃燒系統(tǒng)和排放控制裝置的各方面。因此，至少出于這個(gè)原因，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可被認(rèn)為是一種控制系統(tǒng)或至少是控制系統(tǒng)的一部分。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到

圖1，其顯示了現(xiàn)有技術(shù)的爐I的一部分的側(cè)面正視圖。這里未顯示排放控制裝置。固體燃料，例如粉煤被夾帶在主空氣的射流中，并通過控制單元14提供給燃燒室2。
強(qiáng)制通風(fēng)(FD)鼓風(fēng)機(jī)16提供主空氣以及將也提供給控制単元14的輔助空氣提供至輔助空氣入口 7中?？諝夂腿剂显谌紵?中進(jìn)行燃燒。熱的煙道氣產(chǎn)生，并被傳出尾道3。在全文中，諸如“下游”的方向意味著煙道氣流的一般方向。類似地，詞語“上游”是與“下游”方向相反的，與煙道氣流的方向相反延伸。氧氣(O2)傳感器111感測(cè)氧氣濃度，并將信號(hào)傳遞給檢測(cè)器112，以確定O2是否處于合適的水平。如果不是，檢測(cè)器112促使控制單元14調(diào)整燃料流、主空氣流和輔助空氣流。圖2顯示了裝備了監(jiān)測(cè)裝置220的爐I的一部分。如下所述的帶有額外功能的控制単元230替代控制単元14，并且用于為爐I的所有燃燒器24控制燃料供給5、主空氣供給6和輔助空氣供給7。除了結(jié)合圖I所述的部件之外，其包括多個(gè)光源221，光源221可以是穿過煙道的被稱為取樣區(qū)域18的一部分的光源。光源221提供光束223，其穿過煙道氣和取樣區(qū)域18，并且由相對(duì)應(yīng)的多個(gè)檢測(cè)器222進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)光束穿過煙道氣時(shí)，存在對(duì)煙道氣中的成分的各種波長特征的吸收。光源221聯(lián)接在電子單元225上，以提供所接收的光學(xué)信號(hào)的特征并確定成分、它們的濃度以及煙道氣中的物質(zhì)的其它物理方面。電子單元225提供了對(duì)位于光源221和相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器222之間的取樣區(qū)域18的物理方面的評(píng)估。本發(fā)明使用光源221和檢測(cè)器222來測(cè)量和評(píng)估存在于取樣區(qū)域18中的氣體物類，例如一氧化碳(CO)、ニ氧化碳(CO2)、汞(Hg)、ニ氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、ニ氧化氮(NO2)、三氧化氮(NO3)和氧氣(O2)。SO2和SO3被總稱為SOxo類似地，NO2和NO3被總稱為
NOx。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光源221和檢測(cè)器222及電子單元225替代了 O2傳感器111和控制單元14的功能。在本發(fā)明的一個(gè)備選實(shí)施例中，光源221和檢測(cè)器222及電子單元225補(bǔ)充了 O2傳感器111和控制單元14的功能。在各種實(shí)施例中，監(jiān)測(cè)裝置220提供了對(duì)局部化氣體成分的測(cè)量，并提供可饋送返回爐I以控制燃燒的監(jiān)測(cè)信號(hào)中的至少ー個(gè)。信號(hào)還可前饋給排放控制裝置，從而提供煙道氣中的成分(污染物)的提前通知，使它們可快速地“斜坡上升起作用”，以去除該成分。作為非限制性的示例，根據(jù)情況，來自燃料供給5、主空氣供給6和輔助空氣供給7的燃料和/或空氣流可經(jīng)過調(diào)整，以給予最佳的爐燃燒和/或環(huán)境性能。另外，提供給系統(tǒng)的整個(gè)燃燒空氣可通過調(diào)整FD鼓風(fēng)機(jī)16而進(jìn)行控制。因此，回饋信號(hào)和/或前饋信號(hào)的使用允許系統(tǒng)調(diào)整燃燒和排放控制裝置的操作。
出于解釋的便利，監(jiān)測(cè)裝置220可被認(rèn)為產(chǎn)生“測(cè)量數(shù)掘”、“監(jiān)測(cè)數(shù)掘”、“特征數(shù)據(jù)”等等。可由監(jiān)測(cè)裝置220產(chǎn)生的回饋信號(hào)和前饋信號(hào)中的各個(gè)都包括這樣的數(shù)據(jù)形式。圖3描繪了管道的橫截面圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的燃燒監(jiān)測(cè)裝置220的ー個(gè)實(shí)施例。當(dāng)煙道氣穿過尾道3 (管道)時(shí)，光源221使光束223通過取樣區(qū)域18傳遞至檢測(cè)器222。煙道氣中的成分吸收不同的波長。因此，必須選擇光源221，以便在意圖被測(cè)量的成分的吸收帶中進(jìn)行傳播。因此，如果O2是有待測(cè)量的成分，那么必須有在覆蓋了以被O2吸收為特征的頻帶的頻帶中進(jìn)行傳輸?shù)募す馄?21?，F(xiàn)有技術(shù)傳感器的問題是其將只提供在特定位置的點(diǎn)位測(cè)量。為了提供精確的整 體讀數(shù)，將需要許多傳感器。這將是昂貴且不可行的。本發(fā)明沿著若干個(gè)穿過取樣區(qū)域的光束223進(jìn)行取樣。由檢測(cè)器222感測(cè)的讀數(shù)經(jīng)過平均，以便為取樣區(qū)域18上的成分的平均濃度提供更精確的表現(xiàn)。可選地，某些讀數(shù)可比其它讀數(shù)具有更大的權(quán)重。例如，來自穿過取樣區(qū)域18中心的光束223的讀數(shù)可比周邊上的讀數(shù)具有更大的權(quán)重。類似地，如本領(lǐng)域中普遍已知的那樣，可修改監(jiān)測(cè)裝置220以檢測(cè)S02、SO3、汞氣、NO2, NO3> CO2以及其它排放。這些將參照?qǐng)D4進(jìn)行論述。電子單元225接收來自檢測(cè)器222的信號(hào)，并計(jì)算各種實(shí)體的存在和數(shù)量。例如，電子單元225可計(jì)算特征頻率的衰減，以生成吸收頻譜。該頻譜可與例如煙道氣中的O2相匹配。這樣如本領(lǐng)域中眾所周知的那樣，與整個(gè)接收信號(hào)相關(guān)的光學(xué)吸收度將指示O2的濃度。基于給定實(shí)體的計(jì)算量或若干個(gè)實(shí)體的比率，可確定動(dòng)作。例如，如果在煙道氣中檢測(cè)到太多的O2，那么可使圖2的FD鼓風(fēng)機(jī)16減慢，或者使空氣分流，從而減少提供給系統(tǒng)的空氣和O2的量。在所示的實(shí)施例中，所有光源221彼此平行，并且在光源221和其相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器222之間具有相同的距離。光源221可以可選地布置在其它定向上，并且在它們之間具有不同的距離。在這種情況下，電子單元225將具有預(yù)儲(chǔ)存的、關(guān)于各個(gè)激光器221和其相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器222之間的距離的信息。在(光)源和檢測(cè)器之間的間距指示吸收光的干渉成分的量。因此，如果不同的激光器221、檢測(cè)器222在它們之間具有不同的距離，則應(yīng)該相應(yīng)地調(diào)整讀數(shù)。濃度以及其它物理特性的評(píng)估可利用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)來執(zhí)行。示例性的技術(shù)包括信號(hào)衰減、信號(hào)吸收、熒光以及其它形式的波長變換、散射的評(píng)估以及其它這種技木。圖4描繪了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意性的方框圖，其被并入到具有若干個(gè)污染控制裝置的燃燒系統(tǒng)中。燃燒裝置I燃燒燃料，并產(chǎn)生煙道氣，煙道氣向下游傳遞至排放控制裝置。這些可以是提供氨和/或胺流以還原煙道氣中的NO2, NO3的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)和/或選擇性非催化還原(SNCR)系統(tǒng)300、從煙道氣中去除S02，SO3的洗滌器系統(tǒng)400、利用活性炭或添加劑從煙道氣中去除汞氣物類的汞(Hg)控制系統(tǒng)500和從煙道氣中去除顆粒物質(zhì)的顆粒去除系統(tǒng)600。在這個(gè)實(shí)施例中，使用了靜電濾塵器(ESP)，然而可使用任何類型的顆粒去除設(shè)備。煙囪810調(diào)整離開系統(tǒng)的煙道氣的流。
上面論述的第一監(jiān)測(cè)裝置220放置在剛好爐I的下游。監(jiān)測(cè)裝置220，320，420，520，620，720可構(gòu)造為用以監(jiān)測(cè)氣體成分，例如02、C02、S0x、N0x、Hg、未燃燒的燃料和顆粒物質(zhì)?？刂葡到y(tǒng)330，430，530結(jié)合其它設(shè)備起作用，從而控制所監(jiān)測(cè)的成分的釋放。如果存在異常大量的任何這些所產(chǎn)生的成分，那么合適的下游控制単元330，430，530，630應(yīng)具有提前通知，以處理大濃度的成分。這容許排放控制系統(tǒng)有時(shí)間準(zhǔn)備和起作用。
因此，監(jiān)測(cè)裝置220，320，420，520,620為下游元件提供了前饋信號(hào)。類似地，監(jiān)測(cè)裝置 220，320,420, 520,620 和 720 還為上游控制裝置 230，330,430, 530,630 和 730 提供了回饋信號(hào)，使得排放控制裝置可檢查它們多好地控制著成分的排放并相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。下面將對(duì)各自分開進(jìn)行描述。監(jiān)測(cè)裝置320，420，520，620和720可構(gòu)造為與圖3中所示的監(jiān)測(cè)裝置220相似，從而監(jiān)測(cè)煙道氣流中不同的橫截面取樣區(qū)域18。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)裝置720測(cè)量煙道氣中的顆粒物質(zhì)，所以其測(cè)量穿過煙道氣的激光透射率，這與查看吸收頻譜相反。監(jiān)測(cè)裝置220為控制単元230提供回饋信號(hào)，以便進(jìn)一步調(diào)整FD鼓風(fēng)機(jī)16的輸入和爐I的操作參數(shù)，例如燃料流量、主空氣流量和輔助空氣流量。例如，監(jiān)測(cè)器220監(jiān)測(cè)02、C0、C02、N0x、Hg和未燃燒的燃料中的至少其中ー個(gè)，并提供指示如何調(diào)整從FD鼓風(fēng)機(jī)16輸入系統(tǒng)的空氣的信號(hào)。其還可為爐I提供指示如何調(diào)整主空氣流和輔助空氣流的信號(hào)。這通常通過調(diào)整空氣風(fēng)門和燃料流量閥來完成。監(jiān)測(cè)裝置220還監(jiān)測(cè)NOx水平，并在前饋信號(hào)中將這些水平提供給控制器330。這些NOx水平為控制器330和噴射器340提供了噴射到SCR/SNCR310中的胺的近似量的超前指示。監(jiān)測(cè)裝置220還可發(fā)送O2水平，其還可提供接下來的內(nèi)容的指示。監(jiān)測(cè)裝置320監(jiān)測(cè)具有SCR/SNCR室310的SCR/SNCR系統(tǒng)300的下游的NOx成分。監(jiān)測(cè)裝置320為SCR/SNCR系統(tǒng)300的控制單元330提供回饋信號(hào)，以指示SCR室310的下游的NOx水平?？刂破?30然后基于來自監(jiān)測(cè)裝置320的輸入和可選地來自監(jiān)測(cè)裝置220的輸入而重新調(diào)整由儲(chǔ)罐340提供的材料的量。監(jiān)測(cè)裝置320還可測(cè)量SOx排放，并為洗滌器系統(tǒng)400的控制單元430提供前饋信號(hào)，該信號(hào)指示洗滌器系統(tǒng)400不久將經(jīng)受的SOx的量。類似地，監(jiān)測(cè)裝置420將監(jiān)測(cè)離開洗滌罐410的煙道氣中的SOx水平。具有SOx水平的信號(hào)提供給控制単元430，以促動(dòng)噴霧器440來重新調(diào)整噴入到洗滌罐410中的用于減少SOx排放的石灰石衆(zhòng)或干堿試劑的量。控制單元430還可考慮由監(jiān)測(cè)裝置320提供的前饋信號(hào)。類似地，Hg去除系統(tǒng)500的控制單元530可接收來自監(jiān)測(cè)裝置420的指示上游Hg水平的前饋信號(hào)，以及來自監(jiān)測(cè)裝置520的指示下游Hg水平的回饋信號(hào)?？刂茊卧?30計(jì)算對(duì)噴射器540的調(diào)整，以便基于所接收的輸入而調(diào)整引入Hg去除室510中的吸附劑的量。監(jiān)測(cè)裝置520，620還可分別檢測(cè)(CO2去除系統(tǒng)600)上游和下游的CO2水平，并為CO2去除系統(tǒng)600的控制單元630提供指示所檢測(cè)水平的信號(hào)。控制單元630然后計(jì)算要噴射的合適的材料量(冷卻的氨或其它CO2去除材料)，以從煙道氣中去除C02?？刂茊卧?30促動(dòng)CO2去除系統(tǒng)600的噴射器640，以便噴射合適的量的材料。
監(jiān)測(cè)裝置620，720在顆粒去除系統(tǒng)700的上游和下游監(jiān)測(cè)所釋放的顆粒材料的量，并提供指示這些水平的信號(hào)。這些信號(hào)提供給顆粒去除系統(tǒng)700的另ー控制単元730，其可為顆粒去除裝置-例如這個(gè)實(shí)施例中所示的靜電濾塵器(ESP) 710-提供調(diào)整?？蛇x地，其可基于來自監(jiān)測(cè)裝置620，720的輸入而限制煙道氣或使煙道氣改變線路而穿過另ー顆粒去除裝置(未顯示)，直至已經(jīng)去除足夠的顆粒材料。前饋信號(hào)被描述為來自所監(jiān)測(cè)的成分，其位于接收信號(hào)的裝置的直接上游。將理解的是，來自煙道氣中的所監(jiān)測(cè)成分的前饋信號(hào)可發(fā)送給定位在下游任何地方的一個(gè)或多個(gè)裝置。類似地，來自煙道氣中的 所監(jiān)測(cè)成分的回饋信號(hào)可發(fā)送給定位在上游任何地方的ー個(gè)或多個(gè)裝置。監(jiān)測(cè)信號(hào)由污染控制裝置用于優(yōu)化燃料、氨、胺、吸附劑和/或其它添加劑的使用，以減少污染物的釋放。這可在爐I的性能和/或操作成本方面提供相當(dāng)大的改善。許多現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)試圖獨(dú)立地優(yōu)化各個(gè)污染控制裝置。然而，ー個(gè)或多個(gè)參數(shù)可能會(huì)影響若干種類型的排放。因此，同時(shí)優(yōu)化若干個(gè)排放控制裝置對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)具有比獨(dú)立地優(yōu)化所有排放控制裝置更大的效果。已知的是，NOx排放的量依賴于燃燒期間存在的氧氣的量。燃燒時(shí)存在的氧氣的量對(duì)于所排放的Hg的量也具有影響。類似地，所排放的NOx和汞的量高度依賴于燃燒溫度。因此，通過調(diào)整爐I中的氧氣的量或通過調(diào)整爐I的溫度，可調(diào)整NOx和汞的量。監(jiān)測(cè)裝置220，320測(cè)量相對(duì)于SCR/SNCR去除系統(tǒng)300的上游和下游NOx濃度。指示上游NOx濃度的信號(hào)通過監(jiān)測(cè)裝置220提供給控制単元230。類似地，監(jiān)測(cè)裝置320提供指示下游NOx濃度的信號(hào)。類似地，監(jiān)測(cè)裝置420，520測(cè)量相對(duì)于汞去除系統(tǒng)500的上游和下游汞濃度。指示上游汞濃度的信號(hào)通過監(jiān)測(cè)裝置420提供給控制単元530。類似地，監(jiān)測(cè)裝置520提供指示下游汞濃度的信號(hào)?？刂蒲b置230適合于計(jì)算針對(duì)各種燃燒器和燃燒器水平的燃料流、主空氣流和輔助空氣流的化學(xué)定量關(guān)系(stoicheometry)，以便提供最佳的用氧量和最佳的燃燒溫度，以最大限度地減少排放的NOx和汞兩者。在這樣描述了本發(fā)明的各個(gè)方面的條件下，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)特征包括但不局限于直接在燃燒器高度之上使用光源柵格測(cè)量來自爐的氣體成分；可用于各個(gè)燃燒器高度處或各個(gè)燃燒器高度以上的爐的光學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，其測(cè)量氣體物類，以控制局部燃燒器化學(xué)定量關(guān)系；利用激光柵格測(cè)量而控制爐中燃燒的能力；利用爐出ロ處的光源對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行主要控制，以控制對(duì)燃燒器的空氣供給；在煙道氣體出口處測(cè)量氣體成分的改進(jìn)的非柵格設(shè)計(jì)；利用激光柵格測(cè)量的下游排放控制系統(tǒng)的控制；使用爐中NOx的測(cè)量值作為管理對(duì)SCR或SNCR的氨或胺的流供給速度的前饋信號(hào)；以及使用爐中SOx和CO2的測(cè)量值作為前饋的監(jiān)測(cè)信號(hào)，以管理對(duì)洗滌器的吸附劑供給速度；用于去除汞的激光測(cè)量以及對(duì)獲得CO2成分的激光控制。應(yīng)該認(rèn)可的是，監(jiān)測(cè)裝置220可以部署為多個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此外，監(jiān)測(cè)裝置220可用于燃料流、空氣、燃燒和/或排氣中的任何地方，以便取得所需的控制水平。此外，可產(chǎn)生以兩維或三維描述的光束123。
光源可以是任何激光器，其以條帶形式發(fā)送光，用于檢測(cè)煙道氣中所需的成分。這可包括所有類型的氣體和物類的激光器。檢測(cè)技術(shù)可基于信號(hào)頻率的調(diào)制或信號(hào)波長以及信號(hào)衰減。通常，監(jiān)測(cè)裝置220的實(shí)施例包括通過發(fā)出激光光束來使其穿過氣體樣本并測(cè)量被吸收的激光的量來測(cè)量氣體濃度的設(shè)備。然而，可調(diào)整光源和檢測(cè)器波長，以檢測(cè)多種波長處的吸收。這些特性為激光檢測(cè)器賦予了良好的特性組合，包括選擇性和靈敏度。激光器監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)包括表征氣體成分的能力。也就是說，可調(diào)激光器通常發(fā)射電磁波譜的近紅外(NIR)區(qū)域中的光。許多燃燒氣體吸收NIR中的光，并且可由若干條單獨(dú)的“吸收線”來表征?？烧{(diào)激光器可經(jīng)過調(diào)整，以選擇單個(gè)目標(biāo)氣體的吸收線，其不與來自任何其它氣體的吸收線交迭。因此，激光器氣體感測(cè)可被認(rèn)為是與氣體取樣相關(guān)而為選擇性的。多種其它技術(shù)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員是已知的。此外，可調(diào)激光器是相對(duì)較廉價(jià)的。因此，監(jiān)測(cè)裝置220是具有成本效率的，并且容易維護(hù)。示例性的可調(diào)激光器由馬薩諸塞州沃本市的Aegis半導(dǎo)體公司生產(chǎn)。在2005年2月10日公布的名稱為“非常低成本的窄帶紅外傳感器(Very Low Cost Narrow BandInfrared Sensor) ”的美國專利申請(qǐng)公開No. US/2005/0030628A1中公開了ー種以熱的方式 可調(diào)的濾光器的一個(gè)非限制性的示例，該申請(qǐng)的公開通過引用而以其整體結(jié)合在本文中。該申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N用于檢測(cè)樣本區(qū)域中的化學(xué)物的光傳感器，其包括用于產(chǎn)生光并用于引導(dǎo)光穿過樣本區(qū)域的發(fā)射器。該傳感器還包括檢測(cè)器，其用于在光穿過樣本區(qū)域之后接收光，并用于產(chǎn)生與檢測(cè)器所接收的光相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。該傳感器還包括設(shè)置在發(fā)射器和檢測(cè)器之間的熱學(xué)濾光器。濾光器具有可調(diào)的通帶，其用于有選擇地過濾來自發(fā)射器的光。濾光器的通帶可通過改變?yōu)V光器的溫度而進(jìn)行調(diào)整。該傳感器還包括控制器，其用于控制濾光器的通帯，并用于接收來自檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)?？刂破髡{(diào)節(jié)濾光器的通帯，并分析檢測(cè)信號(hào)以確定是否存在化學(xué)物的吸收峰值。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，前面僅僅是激光器121的一個(gè)實(shí)施例，而且可實(shí)踐多種其它實(shí)施例。因此，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，術(shù)語“光”指用于實(shí)踐本文的教導(dǎo)的任何波長的電磁輻射。通常，電磁輻射可包括傳統(tǒng)上被認(rèn)為是微波、紅外線、可見光、紫外線、X-射線和伽瑪射線中的至少ー個(gè)的波長或波長帶。然而，實(shí)際上，為光學(xué)信號(hào)選擇的波長或波長帶通常被分類為紅外線、可見光、紫外線或它們的子類中的至少ー種。此外，人們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，激光器21通常通過輻射的受激發(fā)射而提供光的放大。也就是說，典型的激光器以具有明確限定的波長的窄的低發(fā)散的単色束發(fā)射光。然而，這種限制對(duì)于實(shí)踐本文的教導(dǎo)而言不是必須的。簡而言之，可使用呈現(xiàn)了用于評(píng)估測(cè)量數(shù)據(jù)的足夠特性的任何光束。足夠性的確定可基于多種因素，包括設(shè)計(jì)者、用戶、所有者的觀點(diǎn)以及其它方面。因此，激光器21不需要精確地呈現(xiàn)如傳統(tǒng)上限定的激光性能。本發(fā)明可作為對(duì)現(xiàn)存燃燒系統(tǒng)的改型部分來提供。例如，監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)100可安裝在現(xiàn)存的構(gòu)件上，并與現(xiàn)存控制器集成。因此，利用本文教導(dǎo)的系統(tǒng)還可包括計(jì)算機(jī)軟件(即，儲(chǔ)存在機(jī)器可讀介質(zhì)上的機(jī)器可讀指令)。軟件可用作現(xiàn)存控制器軟件(和/或固件)的補(bǔ)充，或用作獨(dú)立的組件。此外，可提供套件，并且其包括對(duì)于成功安裝和操作可能需要的所有其它必要的構(gòu)件。其它構(gòu)件的示例包括但不局限于電線、電源、馬達(dá)和/或人工操作的閥、計(jì)算機(jī)接ロ、用戶顯示器、相配的電路、相配的外殼、繼電器、變壓器以及其它這種構(gòu)件。
因此，提供 了ー種燃燒系統(tǒng)，其在鍋爐出口處包括至少ー個(gè)光學(xué)檢測(cè)器，以測(cè)量氣體物類，例如氧氣。處于兩個(gè)位置的兩個(gè)系統(tǒng)的目的尤其是借助鍋爐出ロ處的激光器來控制通向鍋爐的整個(gè)空氣流，并且利用安裝在各個(gè)燃燒器附近的光源而提供對(duì)鍋爐燃燒器的局部控制。在本發(fā)明的各種部件的功能和操作方面都可使用軟件。例如，電子單元(圖1，2的102)和圖1，3的控制單元可采用這種軟件。該軟件可結(jié)合計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)來提供，可包括任何類型的介質(zhì)，例如，諸如磁存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)器、磁-光存儲(chǔ)器、ROM、RAM、CD ROM、閃存或任何其它現(xiàn)在已知或未知的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其在被執(zhí)行時(shí)促使計(jì)算機(jī)執(zhí)行本發(fā)明的方法并操作本發(fā)明的設(shè)備?？商峁┻@些指令以用于用戶認(rèn)為相關(guān)的設(shè)備操作、控制、數(shù)據(jù)采集和分析以及其它功能。雖然已經(jīng)參照示例性的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可做出各種變化，并且等效物可替代其元件。另外，在不脫離本發(fā)明的本質(zhì)范圍的情況下，可做出許多修改，使特殊的情形或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明并不意圖局限于作為被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式而公開的特殊的實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括落在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)測(cè)來自爐的煙道氣中的至少一種成分的特性的高效燃燒系統(tǒng)，所述爐燃燒固體燃料、主空氣和輔助空氣，所述設(shè)備包括 光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置，其包括 多個(gè)光源，其用于提供在取樣區(qū)域中穿過所述煙道氣的光束，和 多個(gè)檢測(cè)器，其各用于檢測(cè)光束并用于提供感測(cè)的信號(hào)， 電子單元，其聯(lián)接在所述檢測(cè)器上，設(shè)置為用來將來自所述檢測(cè)器的感測(cè)的信號(hào)組合起來，以提供具有來自所接收的信號(hào)的、對(duì)所述取樣區(qū)域中的至少一種成分的特性的評(píng)估的組合信號(hào)，并使用所述評(píng)估來調(diào)整所述爐I的操作；和 控制單元，其聯(lián)接在所述光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置上，適合于接收所述組合信號(hào)，并基于所述組合信號(hào)控制通向所述爐的燃料供給、主空氣供給和輔助空氣供給中的至少一個(gè)的流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)光源包括激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述成分選自由以下成分組成的組 二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、二氧化氮(NO2)、三氧化氮(NO3)、萊(Hg)和二氧化碳(CO2)、汞(Hg)和懸浮顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述特性包括以下特性中的至少一個(gè)所述成分的存在、量、密度、濃度和這些特性中的任何特性的變化率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)排放控制系統(tǒng)，其來自由以下系統(tǒng)組成的組 選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)、選擇性非催化還原(SNCR)系統(tǒng)、洗滌器系統(tǒng)、汞控制系統(tǒng)、CO2去除系統(tǒng)和顆粒去除系統(tǒng)；和 至少一個(gè)額外的光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置，其用于產(chǎn)生指示所述排放控制系統(tǒng)中的煙道氣中的至少一種成分的特性的第二組合信號(hào)，并利用所述第二組合信號(hào)調(diào)整爐操作和所述排放控制系統(tǒng)中的至少一個(gè)的操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述光束通過所述取樣區(qū)域穿過兩維或三維。
7.一種具有用于產(chǎn)生煙道氣的爐的高效燃燒系統(tǒng)，包括 用于對(duì)所述煙道氣進(jìn)行取樣并用于第一成分的上游光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置，其能夠產(chǎn)生指示所述煙道氣中的所述第一成分在該上游光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置的位置處的濃度的上游濃度信號(hào)； 用于對(duì)所述煙道氣進(jìn)行取樣并用于所述第一成分的下游光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置，其能夠產(chǎn)生指示所述煙道氣中的所述第一成分在該下游光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置的位置處的濃度的下游濃度信號(hào); 定位在所述監(jiān)測(cè)裝置之間并聯(lián)接在所述監(jiān)測(cè)裝置上的排放控制裝置，所述排放控制裝置能夠接收所述煙道氣并降低所述煙道氣中的所述第一成分的濃度，所述排放控制裝置接收所述上游濃度信號(hào)，并利用該上游濃度信號(hào)調(diào)整其關(guān)于有待接收的將來煙道氣濃度的將來操作，并利用所述下游濃度信號(hào)調(diào)整其當(dāng)前操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，還包括 用于對(duì)所述煙道氣進(jìn)行取樣并用于第二成分的第二上游監(jiān)測(cè)裝置，其能夠產(chǎn)生指示所述煙道氣中的所述第二成分在該第二上游監(jiān)測(cè)裝置的位置處的濃度的第二上游濃度信號(hào); 用于對(duì)所述煙道氣進(jìn)行取樣并用于所述第二成分的第二下游監(jiān)測(cè)裝置，其能夠產(chǎn)生指示所述煙道氣中的所述第二成分在該第二下游監(jiān)測(cè)裝置的位置處的濃度的第二下游濃度信號(hào); 定位在所述第二上游監(jiān)測(cè)裝置和所述第二下游監(jiān)測(cè)裝置之間并聯(lián)接在它們上的第二排放控制裝置，所述排放控制裝置能夠降低所述煙道氣中的所述第二成分的濃度，所述第二排放控制裝置接收所述第二上游濃度信號(hào)，并利用它調(diào)整其關(guān)于有待接收的所述第二成分的將來煙道氣濃度的將來操作，并利用所述下游濃度信號(hào)調(diào)整其當(dāng)前操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述第一成分選自由以下成分組成的組 二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、二氧化氮(NO2)、三氧化氮(NO3)、萊(Hg)和二氧化碳(CO2)、汞(Hg)和懸浮顆粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述第二成分選自由以下成分組成的組 二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、二氧化氮(NO2)、三氧化氮(NO3)、萊(Hg)和二氧化碳(CO2)、汞(Hg)和懸浮顆粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述排放控制裝置選自由以下裝置組成的組 NOx去除系統(tǒng)、SOx去除系統(tǒng)、萊去除系統(tǒng)、CO2去除系統(tǒng)和顆粒去除系統(tǒng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述第二排放控制裝置選自由以下裝置組成的組 NOx去除系統(tǒng)、SOx去除系統(tǒng)、萊去除系統(tǒng)、CO2去除系統(tǒng)和顆粒去除系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述NOx去除系統(tǒng)包括 用于儲(chǔ)存和提供NOx反應(yīng)劑的噴射器，所述NOx反應(yīng)劑是一種減少煙道氣中的NOx的材料； SCR/SNCR室，其適合于接收所述煙道氣和來自所述噴射器的所述NOx反應(yīng)劑，從而促使它們相互作用； 聯(lián)接在所述噴射器和所述監(jiān)測(cè)裝置上的控制單元，所述控制單元適合于接收所述上游成分濃度信號(hào)和所述下游成分濃度信號(hào)，并促使所述噴射器將合適的量的NOx反應(yīng)劑噴射至Ij所述SCR/SNCR室中，從而引起從所述煙道氣中去除NOx的反應(yīng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述SOx去除系統(tǒng)包括 用于儲(chǔ)存和提供SOx反應(yīng)劑的噴射器，所述SOx反應(yīng)劑是一種降低煙道氣中的SOx濃度的材料； 洗滌罐，其適合于接收所述煙道氣和來自所述噴射器440的所述SOx反應(yīng)劑，從而促使它們相互作用； 聯(lián)接在所述噴射器和所述監(jiān)測(cè)裝置上的控制單元，所述控制單元適合于接收所述上游成分濃度信號(hào)和所述下游成分濃度信號(hào)，并促使所述噴射器將合適的量的SOx反應(yīng)劑噴射到所述洗滌罐中，從而引起從所述煙道氣中去除SOx的反應(yīng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述汞去除系統(tǒng)包括用于儲(chǔ)存和提供吸附劑的噴射器； 汞去除室，其適合于接收所述煙道氣和來自所述噴射器的吸附劑，從而促使它們相互作用； 聯(lián)接在所述噴射器和所述監(jiān)測(cè)裝置上的控制單元，所述控制單元適合于接收所述上游成分濃度信號(hào)和所述下游成分濃度信號(hào)，并促使所述噴射器將合適的量的吸附劑噴射到所述汞去除室中，以促使從所述煙道氣中去除汞。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述CO2去除系統(tǒng)包括 用于儲(chǔ)存和提供CO2反應(yīng)劑的噴射器，所述CO2反應(yīng)劑是一種減少煙道氣中的CO2的材料； CO2去除室，其適合于接收所述煙道氣和來自所述噴射器的CO2反應(yīng)劑，從而促使它們相互作用； 聯(lián)接在所述噴射器和所述監(jiān)測(cè)裝置上的控制單元，所述控制單元適合于接收所述上游成分濃度信號(hào)和所述下游成分濃度信號(hào)，并促使所述噴射器將合適的量的CO2反應(yīng)劑噴射到所述CO2去除室中，以促使從所述煙道氣中去除co2。
17.—種高效燃燒系統(tǒng)，包括 用于產(chǎn)生煙道氣的爐； 通過管道連接在一起的多個(gè)串聯(lián)連接的排放控制裝置，各自用于接收和處理由所述爐產(chǎn)生的所述煙道氣； 控制單元，其用于控制通向所述爐的燃料流、主空氣和輔助空氣； 至少一個(gè)具有多個(gè)光源的監(jiān)測(cè)裝置，各個(gè)光源通過所述煙道氣將光束傳送至相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器，以產(chǎn)生多個(gè)感測(cè)的信號(hào)，所述感測(cè)的信號(hào)被組合起來以提供指示所述煙道氣中的成分的濃度的信號(hào)，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將所述組合信號(hào)發(fā)送給所述控制單元以控制爐，以便最大限度地降低所述煙道氣中的所排放的成分的濃度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述成分選自由以下成分組成的組-NOx和汞。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)裝置還適合于將回饋信號(hào)發(fā)送給上游排放控制系統(tǒng)，該上游排放控制系統(tǒng)適合于去除由所述光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置感測(cè)到的成分，從而促使所述排放控制裝置調(diào)整其當(dāng)前操作。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)裝置還適合于將前饋信號(hào)發(fā)送給下游排放控制系統(tǒng)，該下游排放控制系統(tǒng)適合于去除由光學(xué)監(jiān)測(cè)裝置感測(cè)到的成分，從而為所述排放控制裝置提供如何調(diào)整其將來操作的提前通知。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的高效燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)裝置感測(cè)所述煙道氣中的NOx濃度，并且還包括 第二監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包括 多個(gè)光源，其各用于傳送光束穿過所述煙道氣； 多個(gè)檢測(cè)器，其各接收所述光束，以產(chǎn)生多個(gè)感測(cè)的信號(hào)， 電子單元，其適合于接收所述感測(cè)的信號(hào)，并將它們組合成指示所述煙道氣中的汞的濃度的組合信號(hào)，所述電子單元適合于將所述組合信號(hào)發(fā)送給所述控制單元， 其中，所述控制單元還適合于從所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和所述第二監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中接收所述組合信號(hào)， 并為爐選擇操作參數(shù)，以便最大限度地降低所述煙道氣中排放的NOx和汞兩者的濃度。
全文摘要
多個(gè)光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)220，320感測(cè)爐1和其排放控制裝置的煙道氣中的至少一種成分的濃度。監(jiān)測(cè)裝置220，320包括至少一個(gè)光源221，其用于提供穿過取樣區(qū)域18的光束223，以產(chǎn)生指示取樣區(qū)域18中的各種成分的量的組合信號(hào)。組合信號(hào)可被前饋至排放控制裝置上，以便使它們?yōu)榧磳砼R的排放做準(zhǔn)備。組合信號(hào)還可被饋送返回，以調(diào)整排放控制裝置。它們還可提供給控制單元230，以控制爐1的燃燒器的化學(xué)定量關(guān)系。這產(chǎn)生了一種減少所釋放的排放的量的更高效的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F23J15/02GK102625891SQ201080047981
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
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