专利名称：测量和控制焚烧炉中氧化剂化学计量百分比的方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及燃烧处理，尤其涉及用于测量焚烧炉的热解段中的氧化剂化学计量百分比的方法和设备。
背景技术：
在焚烧应用中，通常的做法是采用两级燃烧。在第一级中，以小于化学计量空气需求量的比率供给助燃空气。化学计量空气需求量被定义为燃料和废物流完全燃烧所需的空气流速。完全燃烧意指燃烧产物是诸如CO2、H2O、N2和He(若存在)的稳定化合物。
因此，在第一级中，废物通常在贫氧气氛中热解。这种炉子或所述炉子的一部分通常称作还原、初级燃烧、贫氧或热解炉或燃烧室。然后在后续段供给另外的助燃空气，来消灭任何不完全燃烧产物。该次级段通常称作再氧化段或补燃室。
污染物的排放强烈地受到供给热解段和补燃室的助燃空气量的影响。因此，非常希望能够测量和控制这两个段的空气供给。通常将补燃室的空气供给调整得使烟囱废气中过剩氧量达到一特定水平，或在某些情况下达到一目标温度。热解段的空气或氧化剂供给更加难以控制。希望测量并控制热解段的氧化剂供给，作为氧化剂化学计量百分比，或“PSO”。该PSO等于以百分比表示的实际氧化剂供给量除以化学计量氧化剂供给量。虽然氧化剂包括诸如NO、NO2的化合物，但实际上焚烧炉的氧化剂的主要来源通常是空气。因此，通常用术语“PSA”(空气化学计量百分比)来代替PSO。
也可以把PSO与当量比联系起来。该当量比定义为实际的燃料-空气比除以化学计量的燃料-空气比。该当量比与PSO有关在于该当量比就是100/PSO。当供给燃料和空气达到完全燃烧时，该反应被称为是化学计量的，PSO等于100％，而当量比等于1。
一种直接对热解炉的空气供给进行调节的常用手段是测量燃料、废气和空气的流速，计算PSO，然后通过改变空气供给来把PSO控制到一特定值。废气的成分通常随时间变化，或就是不可知。在实践上，由于与废气成分的不确定性和波动相关的难度，通常把废气排除在化学计量空气需求量的计算之外。由于这种排除，这种方法不能精确地反映正确的空气需求量。
控制空气供给的其它常用方法是测量并控制热解炉中的可燃物水平，或者是测量由于添加补燃室空气而引起的温度变化。这些方法都是间接控制PSO的方法。
在内燃机中已经使用氧传感器来测量空气/燃料比或当量比，并且这种设备已广泛用于机动车中。这些传感器没有考虑当量比对氧气水平和温度的依赖性，所以不能在宽温度范围下工作。但是，由于排气温度通常控制在相对窄的范围内，这些设备能够忽略温度对当量比预测的影响。
已经意识到需要考虑温度的影响的其它设备使用了半导体芯片，这种芯片在处理后表现出电阻根据排气温度的差别而快速变化。这种取决于温度的电阻用来补偿来自氧传感器的信号，以产生更精确的PSO预测。由于温度补偿芯片所用材料的机械和电特性，这些设备不能工作在焚烧炉的热解段中通常可见的高温(1400°～3200°F)下。
因此，需要避免上述问题而直接测量焚烧炉热解段中的PSO的方法。
发明内容
本发明提供了测量并控制焚烧炉热解段中氧化剂化学计量百分比即“PSO”的方法，并且提供了用于测量和控制PSO的系统，它们满足上述要求并克服了现有技术的不足。测量焚烧炉热解段中的PSO的方法基本上包括下述步骤。使用氧传感器来产生对应于氧浓度的电信号，该氧传感器置于能够检测热解段内气体的氧浓度或分压的位置处。使用温度传感器来产生对应于温度的电信号，该温度传感器置于能够检测热解段内气体的温度的位置处。然后将这些电信号导入处理器，该处理器利用这些电信号与PSO之间的数学关系而把来自氧传感器和温度传感器的电信号转换成PSO的估计值。
本发明的控制焚烧炉热解段内的PSO的方法基本上包括下述步骤。产生对应于热解段内气体中的氧浓度的电信号。产生对应于热解段内气体温度的电信号。将对应于氧浓度和温度的电信号导入处理器，该处理器利用这些电信号与PSO之间的数学关系而把这些电信号转换成PSO的估计值。把该PSO估计值传递给一反馈控制器，该反馈控制器用来根据该PSO估计值和预选的PSO值产生助燃空气鼓风机、氧化剂或燃料流量控制信号，从而调节助燃空气、氧化剂或燃料的流量。然后将该控制信号传递给助燃空气鼓风机、氧化剂或燃料控制设备。
用于测量焚烧炉热解段中的PSO的系统基本上包括以下部分用于产生与热解段内气体中的氧浓度相对应的电信号的装置，用于产生与热解段内的气体温度相对应的电信号的装置，以及用于利用对应于氧浓度和温度的电信号与PSO之间的数学关系而把这些电信号转换成PSO的估计值的设备。
用于控制焚烧炉热解段中的PSO的系统基本上包括以下部分用于产生与热解段内的气体中的氧浓度相对应的电信号的装置，用于产生与热解段内的气体温度相对应的电信号的装置，用于控制向焚烧炉的热解段供给的助燃空气量、氧化剂量或燃料量的控制器，用于利用对应于氧浓度和温度的电信号与PSO之间的数学关系而把这些电信号转换成PSO的估计值的设备，以及用于根据该PSO估计值和预选PSO值来产生用于助燃空气控制设备的控制信号的装置。
图1显示了一典型焚烧炉，其具有本发明的用于测量热解段运行中的PSO的系统。
图2显示了一典型焚烧炉，其具有本发明的用于控制向热解段供给的助燃空气流速的系统。
具体实施例方式
本发明的用于测量焚烧炉热解段中的PSO的优选方法基本上包括以下步骤。使用一氧传感器来产生对应于氧浓度的电信号，该氧传感器置于能够检测热解段内的气体的氧浓度或分压的位置处。使用一温度传感器来产生对应于温度的电信号，该温度传感器置于能够检测热解段内的气体温度的位置处。然后将这些电信号导入处理器，该处理器利用这些电信号与PSO之间的数学关系而把来自氧传感器和温度传感器的电信号转换成PSO的估计值。图1显示的是总体方法。
可用于本发明以产生对应于氧浓度的电信号的合适氧传感器包括但不限于基于氧化锆的氧传感器、电化学传感器、微燃料传感器(micro-fuel sensor)、和顺磁传感器(paramagnetic sensor)。其中优选的是基于氧化锆的氧传感器。市场上可买到的尤其合适的氧传感器可从美国俄亥俄州辛辛那提市的Marathon Sensors Inc.得到，注册商标为“OxyfireTM”。该传感器应该置于能够检测恰在焚烧炉热解段中的气体的氧浓度或分压的位置处。
可用于本发明以产生对应于温度的电信号的合适温度传感器包括但不限于热电偶、电阻式温度检测器、高温计、和远程温度设备。其中优选的是热电偶。市场上可买到的尤其合适的热电偶是美国俄亥俄州辛辛那提市的Marathon Sensors Inc.的B型或R型整体热电偶探针。该传感器应该置于能够检测恰在焚烧炉热解段中的气体温度的位置处，并且尽可能靠近氧传感器。
把来自氧传感器和温度传感器的信号导入处理器，以便计算PSO的估计值。市场上可买到的尤其合适的处理器是美国密苏里州圣路易斯市的Watlow Electric Manufacturing Company的“Series F4TM”单元。
该处理器利用从平衡计算得出的数学关系来计算PSO的估计值。这种方法基于以下初始假设热解段具有足够长的停留时间，从而允许氧浓度达到接近其平衡值的水平。一旦该单元处于工作状态，通常就可以对实际的非平衡工作状态进行调节。
可以采用多种不同形式将PSO表达为氧浓度和温度的函数。在这些形式中，发现两种是最合适的。第一种形式是PSO＝a+b/[1+((x+eT)/c)d]式中，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
第二种表达式是多项式形式PSO＝a+b(x+eT)+c(x+eT)2+d(x+eT)3式中，同样，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
例如，基于氧化锆的氧传感器是一种锆氧化物或氧化锆电解电池，其具有能够在1400°F以上的温度下传导氧离子的固态电解质。该离子传导表现为两个电极之间的电压。电压的量值取决于穿越电池壁的氧浓度(氧的分压比)和电池的温度。电池的电动势可由Nernst方程确定x＝-0.0215(Tr)Log10(P0/P1)式中，x是电池的输出电压，单位为毫伏；P0是电池中的氧的分压百分比，为20.95％；P1是测量过程中氧的分压百分比；Tr是探针的绝对温度，单位为K。
在1400°F到3000°F之间的多种温度下的平衡条件下和不同的亚化学计量条件下计算燃气中氧的分压。然后将这些值输入Nernst方程，来产生电池输出电压。然后凭经验估计不同亚化学计量条件下的电池输出电压(x)和燃气的温度(T)，以产生计算在数据极限内任何条件下的氧化剂化学计量百分比(PSO)所必须的常数。
由于当量比就是100/PSO，所以也可以根据氧和温度信号来表达当量比。例如，若PSO是80％，则当量比为100/80或1.25。
本发明的用于测量PSO的方法可用于多种类型的废气化合物(例如NH3、HCN、C2H3N、C3H3N)和饱和及不饱和有机燃料(例如链烷烃、烯烃、环烷烃、乙炔和芳香族化合物)的燃烧，误差很小。精确度可能受过量的诸如水(H2O)、NO2和NO等含有化合态氧的化合物的影响。这里“过量”定义为对于每磅碳氢燃料来自导入焚烧炉的任何流(如废物流或熄火流)中的超过大约一磅的化合态氧，其中，所述碳氢燃料可以是废物，或者是为正常运行所供给的燃料。
本发明的用于控制焚烧炉热解段中的PSO的优选方法基本上包括下述步骤。产生对应于热解段内的气体中的氧浓度的电信号。产生对应于热解段内的气体温度的电信号。将对应于氧浓度和温度的电信号导入处理器，该处理器利用这些电信号与PSO之间的数学关系来把这些电信号转换成PSO的估计值。将该PSO估计值传递给反馈控制器，该反馈控制器用于根据所述PSO估计值和预选的PSO值产生助燃空气、氧化剂或燃料流量控制信号，以便调节助燃空气、氧化剂或燃料流量。然后将该控制信号传递给助燃空气鼓风机控制设备。图2显示了总体方法。
通过鼓风机向焚烧炉的热解段供给空气。可以利用多种方式来改变空气流速，所述多种方式包括使用阀门、改变鼓风机速度或改变鼓风机叶片螺距。通过使用从如下组中挑选的合适设备来调节鼓风机空气流量，本发明允许把PSO控制为预选的值，所述组包括但不限于阀门、鼓风机速度控制器或鼓风机叶片螺距调节设备。这是通过用电子方法把PSO估计值从处理器传输给反馈控制器来完成的。该反馈控制器根据PSO估计值和预选的PSO值，利用本领域内的熟练人员所公知的标准控制过程，产生助燃空气鼓风机控制设备信号。
用于测量焚烧炉的热解段内的PSO的优选系统基本上包括用于产生与热解段内的气体中的氧浓度相对应的电信号的装置，用于产生与热解段内的气体温度相对应的电信号的装置，以及用于利用对应于氧浓度和温度的电信号与PSO之间的数学关系而把这些电信号转换成PSO的估计值的设备。
用于控制焚烧炉的热解段中的PSO的优选系统基本上包括用于产生与热解段内的气体中的氧浓度相对应的电信号的装置，用于产生与热解段内的气体温度相对应的电信号的装置，用于控制向焚烧炉的热解段供给的助燃空气量、氧化剂量或燃料量的助燃空气鼓风机、氧化剂或燃料控制设备，利用对应于氧浓度和温度的电信号与PSO之间的数学关系而把这些电信号转换成PSO的估计值的设备，以及用于根据该PSO估计值和预选PSO值来产生用于助燃空气控制设备的控制信号的装置。
因此，本发明非常适于获得所述及固有的目标和优点。虽然本领域内的熟练人员可以做出多种改变，但这些改变都包含在由所附权利要求所限定的本发明的精神之中。
权利要求
1.一种用于测量焚烧炉的热解段内的PSO的方法，其包括以下步骤使用氧传感器来产生对应于氧浓度的电信号，该氧传感器置于能够检测热解段内的气体的氧浓度的位置处；使用温度传感器来产生对应于温度的电信号，该温度传感器置于能够检测热解段内的气体温度的位置处；以及把所述电信号导入处理器，该处理器用于利用所述电信号与PSO之间的数学关系，把来自所述氧传感器和所述温度传感器的所述电信号转换成PSO估计值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氧传感器选自由基于氧化锆的氧传感器、电化学传感器、微燃料传感器和顺磁传感器构成的组中。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氧传感器是基于氧化锆的氧传感器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度传感器选自由热电偶、电阻式温度检测器、高温计和远程温度设备构成的组中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度传感器是热电偶。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数学关系是PSO＝a+b/[1+((x+eT)/c)d]式中，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数学关系是PSO＝a+b(x+eT)+c(x+eT)2+d(x+eT)3式中，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
8.一种用于控制焚烧炉的热解段中的PSO的方法，其包括以下步骤；产生对应于热解段内的气体中的氧浓度的电信号；产生对应于热解段内的气体温度的电信号；把所述对应于氧浓度和温度的电信号导入处理器，以利用所述电信号与PSO之间的数学关系，把所述信号转换成PSO估计值；把所述PSO估计值传递给反馈控制器，以根据所述PSO估计值、预先选择的PSO值和处理流程，产生流量控制信号以调节处理流速，其中，所述处理流速选自由助燃空气、氧化剂和燃料流速构成的组中；以及把所述流量控制信号传递给相应的流量控制设备。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述对应于氧浓度的电信号由一氧传感器产生，该氧传感器选自由基于氧化锆的氧传感器、电化学传感器、微燃料传感器和顺磁传感器构成的组中，并且位于热解段内的气体中。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述氧传感器是基于氧化锆的氧传感器。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述对应于温度的电信号由一温度传感器产生，该温度传感器选自由热电偶、电阻式温度检测器、高温计和远程温度设备构成的组中，并且安置在能够检测热解段内的气体温度的位置处。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述温度传感器是热电偶。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述数学关系是PSO＝a+b/[1+((x+eT)/c)d]式中，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述数学关系是PSO＝a+b(x+eT)+c(x+eT)2+d(x+eT)3式中，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
15.一种用于测量焚烧炉的热解段内的PSO的系统，其包括产生对应于热解段内气体中的氧浓度的电信号的装置；产生对应于热解段内的气体温度的电信号的装置；以及利用所述对应于氧分压和温度的电信号与PSO之间的数学关系，把所述电信号转换成PSO估计值的设备。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述对应于氧浓度的电信号由一氧传感器产生，该氧传感器选自由基于氧化锆的氧传感器、电化学传感器、微燃料传感器和顺磁传感器构成的组中，并且位于热解段内的气体中。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述氧传感器是基于氧化锆的氧传感器。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述对应于温度的电信号由一温度传感器产生，该温度传感器选自由热电偶、电阻式温度检测器、高温计和远程温度设备构成的组中，并且安置在能够检测热解段内的气体气体温度的位置处。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述温度传感器是热电偶。
20.根据权利要求15所述的系统，其中，所述数学关系是PSO＝a+b/[1+((x+eT)/c)d]式中，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
21.根据权利要求15所述的系统，其中，所述数学关系是PSO＝a+b(x+eT)+c(x+eT)2+d(x+eT)3式中，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
22.一种用于控制焚烧炉运行的系统，所述系统包括产生对应于焚烧炉热解段内气体中的氧浓度的电信号的装置；产生对应于热解段内的气体温度的电信号的装置；利用所述对应于氧浓度和温度的电信号与PSO之间的数学关系，把所述电信号转换成PSO估计值的设备；根据PSO估计值、预先选择的PSO值和处理流程来产生流量控制信号以调节处理流速的装置，其中，所述处理流速选自由助燃空气流速、氧化剂流速和燃料流速构成的组中；以及根据所述控制信号来调节处理流速的设备。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述对应于氧浓度的电信号由一氧传感器产生，该氧传感器选自由基于氧化锆的氧传感器、电化学传感器、微燃料传感器和顺磁传感器构成的组中，并且位于热解段内的气体中。
24.根据权利要求22所述的系统，其中，所述氧传感器是基于氧化锆的氧传感器。
25.根据权利要求22所述的系统，其中，所述对应于温度的电信号由一温度传感器产生，该温度传感器选自由热电偶、电阻式温度检测器、高温计和远程温度设备构成的组中，并且安置在能够检测热解段内的气体温度的位置处。
26.根据权利要求22所述的系统，其中，所述温度传感器是热电偶。
27.根据权利要求22所述的系统，其中，所述数学关系是PSO＝a+b/[1+((x+eT)/c)d]式中，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
28.根据权利要求22所述的系统，其中，所述数学关系是PSO＝a+b(x+eT)+c(x+eT)2+d(x+eT)3式中，x是氧传感器的输出，单位为毫伏；T是温度，单位为°F；而a到e是经验常数。
全文摘要
提供了用于测量和控制焚烧炉的热解段中的氧化剂化学计量百分比的方法和系统。该方法和系统依赖于对热解段内的气体的氧浓度和温度的测量，以及这些值与氧化剂化学计量百分比之间的数学关系。
文档编号F23G5/50GK1517705SQ20041000169
公开日2004年8月4日 申请日期2004年1月9日 优先权日2003年1月9日
发明者肯尼·M·阿诺德, 洪建辉, 约瑟夫·D·史密斯, D 史密斯, 肯尼 M 阿诺德 申请人:约翰津克有限责任公司