本发明属于燃烧锅炉领域，特别是流化床锅炉，例如循环流化床(cfb)锅炉，并涉及用于燃料的燃烧的锅炉的运行的控制方法，和涉及用于燃烧燃料的锅炉的控制系统。
背景技术：
燃烧锅炉在现有技术中是已知的。这些锅炉燃烧燃料，如例如生物质燃料、废弃物类燃料或煤，不排除其它燃料。燃烧锅炉的典型实例是炉排锅炉和流化床锅炉。在流化床燃烧(fbc)中，将燃料悬浮在固体颗粒材料的热床中，所述固体颗粒材料典型地是硅砂，其通过使流化气体通过床料(bedmaterial)而被流化。在鼓泡流化床bfb锅炉中，使流化气体通过床料，在床中形成气泡，这促进了气体穿过床料的输送，并且当与炉排燃烧相比时允许更好地控制燃烧条件(在床中更好的混合和因此更均匀的温度分布)。在循环流化床(cfb)锅炉中，使流化气体穿过床料，从而大部分床颗粒被夹带在流化气体中，使得它们被流化气体流带走。然后将颗粒从气体流中分离并循环回到炉膛(furnace)中。
不管锅炉类型如何，燃烧条件，特别是氧和燃料的混合，不是理想的，并且对于所有的锅炉，为了实现基本上完全的燃烧，必须以超过由化学计量要求的量供应氧。燃料的化学组成决定了每质量单位燃料所需的进入到炉膛中的氧流量，并且对于燃烧给定燃料所需的氧与燃料比例很大程度上取决于燃料的类型和组成，特别地取决于燃料的异质性。例如，典型的燃料是生物质、废弃物和煤，其中前两种已知是相当不均匀的，因此需要更高量的氧。另外，所需的过量空气比例取决于使用的锅炉的类型，例如粉末燃烧锅炉、炉排和流化床锅炉。
用于燃烧锅炉的运行的现有控制方法通常将空气与燃料的比例用作主控制参数。术语空气与燃料比例(λ)是在本领域中通常理解的，并且指在燃烧单元中关于燃料所进料的空气的量。其被定义为由下述确定的比例：被提供到炉膛中用于燃烧的氧除以对于化学计量燃烧所需的氧，并且其被给定为：
其中，m氧,提供的是作为燃烧空气被进料到炉膛中的氧的总质量；以及m氧,化学计量是达到进料到炉膛中的燃料的化学计量燃烧所需的氧的质量。燃料的组成决定每质量单位燃料进入到炉膛中的空气流量(airflow)，和在烟道气(fluegas)中的氧浓度用于平衡在锅炉运行过程中在燃料组成方面的变化。如果在锅炉运行过程中燃料的组成发生变化，则在燃烧区之后，在烟道气中的氧浓度相应地发生变化。氧浓度可然后在控制方法中用于调整空气与燃料比例，其目的是在烟道气中保持恒定的预设定氧浓度，并且从而实现有机化合物的低排放和高的锅炉效率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供操作燃烧锅炉的方法，该方法便于灵活且安全的锅炉操作。
该目的由独立权利要求的特征解决。有利的实施方式由从属权利要求的特征定义。
将过量的氧进料到锅炉中增加了由增加的废气流量导致的锅炉的热损失，因此降低了锅炉效率。因此，进行了很多努力以减少对于过量氧的需要。例如，从现有技术已知将钛铁矿用作在cfb方法中的流化床料(h.thunman等人，fuel113(2013)300-309)。天然存在的矿物钛铁矿是铁钛氧化物(fetio3)，其可被重复地氧化和还原，因此起到氧化还原材料的作用。由于钛铁矿的这种还原-氧化特征，材料可在流化床燃烧中被用作氧载体。钛铁矿颗粒方便了氧和燃料的混合，并且允许用在较低的空气与燃料比例下的较少过量的氧实施燃烧。
较低的空气与燃料比例可通过降低对于给定的燃料流量的氧流量或通过增加对于给定的氧流量的燃料负荷来实现。后者的途径允许增加锅炉的热负荷(每单位时间的热输出)，因此允许在较高的热负荷和低的过量空气下操作锅炉。
本发明已经认识到采用这种途径的潜在问题是在燃料流量方面的增加导致烟道气速度(fluegasvelocity)方面的增加。为了避免诸如污染、腐蚀、磨蚀等的问题，每种锅炉设计都具有不应被超过的最大烟道气速度。本发明已经进一步认识到简单地依靠空气与燃料比例的现有控制方法不允许在低的过量氧条件下安全地增加热负荷，因为存在不经意超过最大烟道气速度的设计值的风险。
本发明提供用于燃烧锅炉的运行的控制方法，包括：
a)在锅炉的至少一个位置处提供烟道气速度的预定上限(vf，最大)；
b)在所述锅炉的至少一个位置处监测在燃料的燃烧过程中的烟道气速度(vf)；
c)将烟道气速度(vf)与预定上限(vf，最大)进行比较；
d)如果烟道气速度超过预定上限(vf，最大)，降低锅炉的热负荷。
本发明已经认识到这个方法基于烟道气速度提供了对热负荷设定的额外的处理，由此促进了安全且灵活的锅炉操作。通过监测烟道气速度和响应于烟道气速度超过预定值将热负荷降低，锅炉可受到安全保护，防止高于烟道气速度的最大允许值的操作。本发明的方法允许在设计规范下或甚至在设计规范之外安全地操作锅炉，特别是在低的过量氧的条件下提高的热负荷的情况下。
首先，在本发明的情况下解释若干术语。
本发明的方法包括在锅炉的至少一个位置处提供烟道气速度的预定上限(vf，最大)。术语烟道气速度(vf)指在燃烧区后的烟道气的速度。烟道气包含多种组分，例如由在供应到炉膛中的燃料和氧之间的反应产生的气体、任何再循环的烟道气、供应的次级空气和添加到在锅炉下游的烟道气处理装置中的水和空气。
每种锅炉设计对于在锅炉中的一个或多个位置都具有烟道气速度的设计值(vf，设计)。设计值指不应被超过的最大速度。设计值可例如从在锅炉文件中的锅炉的设计规范中知晓。
在优选的实施方式中，烟道气速度的预定上限(vf，最大)小于或等于在锅炉的各个位置处的烟道气速度的设计值(vf，设计)。在特别优选的实施方式中，烟道气速度的预定上限(vf，最大)等于锅炉的烟道气速度的设计值(vf，设计)。这允许在明确指出的设计限度下安全地操作锅炉。在本发明的方法的情况下，在锅炉的各个位置，烟道气速度的预定上限(vf，最大)还可以大于烟道气速度的设计值(vf，设计)。由于设计规范经常关心安全范围，在这个优选的实施方式中，在设计规范之外操作锅炉变得可能。
本发明的方法进一步包括在燃料的燃烧过程中监测烟道气速度(vf)。可根据下式确定烟道气速度：
其中：
a＝烟道气管道的截面面积(cross-sectionalarea，横截面面积)(例如以m2表示)。
在本发明的情况下，烟道气速度可在燃烧区后的烟道气管道的任何位置由本领域技术人员根据上式确定。优选的位置是对流式热交换器管束上游的管道。温度和压力测量应当是可获得的。截面积在锅炉的不同部分中是不同的，并且烟道气速度在锅炉的不同部分是不同的。对于烟道气管道的不同位置，烟道气速度的设计值(vf，设计)通常由锅炉供应商在锅炉文件中给出。优选地，对于一个或多个这些位置可确定烟道气速度(vf)。在一个位置确定烟道气速度(vf)和将其与相应的预定上限(vf，最大)进行比较通常是足够的，因为所有的烟道气速度是相互关联的。
烟道气的体积流量vc可依照欧洲标准en12952-15计算。可替换地，烟道气的体积流量vc可由测量确定。
例如，在一个特别优选的实施方式中，锅炉是循环流化床(cfb)锅炉，并且针对邻近旋风分离器且在旋风分离器下游的区域确定烟道气速度，其中根据下式测定烟道气的体积流量：
其中：
tc＝紧靠旋风分离器下游的温度(℃)
pc＝紧靠旋风分离器下游的压力(pa)
其中将在烟道气处理装置中的水蒸汽的流量确定为添加的水的质量流量(kg/s)除以水蒸汽的密度(kg/m3)。
可使用在烟道处，位于烟道气管道中的普朗特管，通过差压测量总气体流量。可使用位于再循环气体风机下游的普朗特管，通过差压测量再循环烟道气的流量。借助于描述风机特性的风机曲线可测量到烟道气清洁设备的空气流量。可通过热电偶原位测量气体温度tc。可通过从省煤器上游测量的绝对压力减去过热器管束的压力降测量在明确位置的压力pc。
本发明的方法进一步包括将在锅炉的各个位置的烟道气速度(vf)与烟道气速度的预定上限(vf，最大)进行比较，并且，如果烟道气速度超过烟道气速度的预定上限(vf，最大)，则降低锅炉的热负荷。
在本发明的情况下，例如可以在烟道气速度超过预定上限时降低热负荷以将烟道气速度基本上保持在预定上限。在这种情况下，特别优选的是预定上限等于烟道气的设计值。因此，实现了闭环控制，其允许在基本上保持恒定的预设烟道气速度的设计规范下操作锅炉。
优选地，降低热负荷以将烟道气速度(vf)减小到低于预定上限(vf，最大)。在优选的实施方式中，降低热负荷直到烟道气速度(vf)低于预定上限(vf，最大)。有利地，可连续地或增量式(increment)降低热负荷。特别优选的是通过降低进入到锅炉的炉膛中的燃料的质量流量来降低热负荷。
优选地，控制方法还包括：
e)提供
-进入到锅炉的炉膛中的空气流量和燃料流率(fuelflowrate)之间的预定关系；和/或
-进入到锅炉的炉膛中的空气流量和热负荷之间的预定关系；
f)测量进入到锅炉中的燃料流率和/或热负荷；
g)基于在步骤e)中提供的预定关系和所测量的进入到锅炉中的燃料流率和/或所测量的热负荷，调整进入到炉膛中的空气流量。
燃料流率可优选通过测量燃料进料器的速度确定。由锅炉产生的热负荷是标准输出，其是被常规测量的。其可通过将所测量的蒸汽(或进料水)流量乘以在进料水和蒸汽之间的焓差(二者都衍生自进料水和蒸汽的测量温度和压力)进行计算。
优选地，控制方法进一步包括：
h)设定在烟道气中的氧浓度的预定下限和预定上限；
i)监测在燃烧过程中在烟道气中的氧浓度；
j)将在烟道气中的氧浓度与在烟道气中的氧浓度的预定上限和预定下限进行比较；和
k)通过如下方式调整进入到炉膛中的空气流量：
-如果在烟道气中的氧浓度低于下限，则增加进入到炉膛中的空气流量；和
-如果在烟道气中的氧浓度高于上限，则降低进入到炉膛中的空气流量。
这例如通过对烟道气的氧浓度方面的相应变化作出响应而允许平衡在燃烧过程中在燃料组成方面的变化。在烟道气中的氧浓度是在商业锅炉中的通常测量的参数。其可典型地通过原位放置的λ探针(氧化锆电池)或通过使用顺磁传感器进行测量。对于任何给定的燃料类型，本领域技术人员可选择合适的在烟道气中的氧浓度的上限和下限。通常建议的范围由锅炉供应商在锅炉文件中提供。在一个优选的实施方式中，在烟道气中的氧浓度的上限和下限可被设定为是相同的值。在这种情况下，氧浓度可基本上保持在设定点值处。
本发明的方法可有利地允许操作者手动调整热负荷和/或进入到炉膛中的空气流量和/或进入到炉膛中的燃料流量(所谓的手动操作)。这允许基于专家的决定覆盖或调整控制回路。在一个优选的实施方式中，手动调整可以是将热负荷和/或进入到炉膛中的空气流量和/或进入到炉膛中的燃料流量增加或降低小于20％，优选小于15％，最优选小于10％。
优选地，锅炉可以是流化床锅炉，更优选是鼓泡流化床(bfb)锅炉或循环流化床(cfb)锅炉。在本发明的情况下，cfb锅炉是特别优选的。
进一步优选地，流化床锅炉的床料包含钛铁矿颗粒。在一个特别优选的实施方式中，床料由钛铁矿颗粒组成。
在一个优选的实施方式中，将氧通过含氧气体(最优选空气)供应到锅炉的炉膛中。
本发明还涉及用于燃烧锅炉的控制系统，该控制系统被配置为执行如上所述的控制方法。优选地，锅炉可以是流化床锅炉，更优选是鼓泡流化床(bfb)锅炉或循环流化床(cfb)锅炉。在本发明的情况下，cfb锅炉是特别优选的。进一步优选地，流化床锅炉的床料包含钛铁矿颗粒。在一个特别优选的实施方式中，床料由钛铁矿颗粒组成。
在下文中，将举例说明有利的实施方式。
附图说明
在以下中示出：
图1：示意性示出了cfb锅炉；
图2：示意性示出了对于给定的燃料类型，进入到锅炉的炉膛中的空气流量和热负荷之间的预定关系；
图3：现有技术控制系统的实例；
图4：本发明的控制系统的实例；
图5：对于cfb锅炉，作为时间的函数所测量的烟道气速度(以m/s表示)和压力降(以kpa表示)。
具体实施方式
cfb锅炉
例如，图1显示了一种典型的cfb锅炉，其可通过本发明的方法控制。参考标号表示：
1燃料舱
2燃料斜槽
3初级燃烧空气风机
4喷嘴底
5初级空气分配器
6次级空气端口
7流化床
8炉膛
9旋风分离器
10环封
11浸没式过热器
12回路立柱
13热交换器
14烟道气处理装置
15烟道气再循环风机
16烟道
将燃料贮存在燃料舱(1)中并且可将其通过燃料斜槽(2)进料到炉膛(8)中。将流化气体，在这种情况下是空气，通过初级空气分配器(5)作为初级燃烧空气从床的下面进料到炉膛(8)中并穿过床料，使得固体颗粒(床料、燃料和灰颗粒)的大部分被流化气体流带走。然后使用旋风分离器(9)将颗粒从气体流中分离并将其通过环封(10)循环回到炉膛(8)中。将额外的燃烧空气(所谓的次级空气)进料到炉膛中以增强氧和燃料的混合。次级空气指进料到炉膛中的用于燃料的燃烧的不是初级流化气体的所有含氧气体。为此目的，次级空气端口(6)遍布炉膛，特别是自由空域(freeboard)(高于稠密底部床的炉膛的部分)。
使烟道气穿过烟道气处理装置(14)以进行后处理，并且经过处理的烟道气通过烟道(16)离开。烟道气的一部分可被再循环到炉膛中，如在图1中指示的。
比较例：
使用硅砂颗粒作为床料操作如在图1中示出的cfb锅炉，并通过控制空气与燃料比例来控制。为此目的，如在图2中示出的，为所使用的燃料类型提供在进入到锅炉的炉膛中的氧流量(此处是空气流量)和热负荷之间的预定关系。测量由锅炉产生的热负荷，并基于在空气流量和热负荷之间的预定关系以及在烟道气中的实际氧浓度调整进入到炉膛中的空气流量。为此目的，为在烟道气中的氧浓度设定预定下限和预定上限，并监测在燃烧过程中在烟道气中的氧浓度。将在烟道气中的氧浓度与氧浓度的预定上限和预定下限进行比较，并通过下述调整进入到炉中的氧的流量：
-如果在烟道气中的氧浓度低于下限，则增加进入到炉膛中的氧的流量；和
-如果在烟道气中的氧浓度高于上限，则降低进入到炉膛中的氧的流量。
在烟道气中的氧浓度的下限和上限可被设定为是相同的值。在这种情况下，氧浓度可基本上保持在设定点值。上述方法对于烟道气速度没有提供任何处理。
实施这个现有技术方法的控制系统示意性示于图3中。
实施例1：
使用钛铁矿颗粒作为床料操作如在图1中示出的cfb锅炉，并通过本发明的控制方法来控制。
这涉及提供烟道气速度的预定上限(vf，最大)，监测在燃料的燃烧过程中的烟道气速度(vf)，将烟道气速度(vf)与预定上限(vf，最大)进行比较，并且如果烟道气速度超过预定上限(vf，最大)，则降低锅炉的热负荷。
将vf，最大设定为锅炉的烟道气速度的设计值(vf，设计)，其中vf，设计取自设计规范。
在邻近旋风分离器且在旋风分离器下游的区域处，根据下式确定烟道气速度：
其中：
a＝烟道气管道的截面面积。
并且其中根据下式确定烟道气的体积流量：
其中：
tc＝紧靠旋风分离器下游的温度(℃)
pc＝紧靠旋风分离器下游的压力(pa)
其中以添加的水的质量流量除以水蒸汽的密度，测定在烟道气处理装置中的水蒸汽的流量。
a取自设计规范，或者通过实际测量截面获得。
使用在烟道处，位于烟道气管道中的普朗特管，通过差压测量总气体流量。使用位于再循环气体风机下游的普朗特管，通过差压测量再循环烟道气的流量。借助于描述风机的特性的风机曲线测量到烟道气清洁设备的空气流量。通过热电偶原位测量气体温度tc。通过从省煤器上游测量的绝对压力减去过热器管束的压力降测量在明确位置中的压力pc。
在该实施例中，连续地或增量式地将热负荷降低以将烟道气速度(vf)减小到低于预定上限(vf，最大)。通过降低进入到锅炉的炉膛中的燃料的质量流量降低热负荷。
另外，如在图2中示出的，对于使用的燃料类型，提供在进入到锅炉的炉膛中的氧流量(此处是空气流量)和热负荷之间的预定关系。测量由锅炉产生的热负荷，并基于在空气流量和热负荷之间的预定关系以及在烟道气中的实际氧浓度调整进入到炉膛中的空气流量。为此目的，为在烟道气中的氧浓度设定预定下限和预定上限，并监测在燃烧过程中在烟道气中的氧浓度。将在烟道气中的氧浓度与氧浓度的预定上限和预定下限进行比较，并通过如下方式调整进入到炉膛中的空气流量：
-如果在烟道气中的氧浓度低于下限，则增加进入到炉膛中的空气流量；和
-如果在烟道气中的氧浓度高于上限，则降低进入到炉膛中的空气流量。
在烟道气中的氧浓度的下限和上限可被设定为是相同的值。在这种情况下，氧浓度可基本上保持在设定点值。
实施该发明方法的控制系统示意性示于图4中。
实施例2：
在用钛铁矿颗粒作为床料操作的商业燃烧的cfb锅炉中，已经确定了烟道气速度。
已经从烟道气的体积流量除以紧靠旋风分离器下游的位置的烟道气管道的截面面积计算烟道气速度，其中根据实施例1中的公式确定烟道气的体积流量。
对于cfb锅炉，作为时间的函数，将测量的烟道气速度(以m/s表示)与测量的压力降(以kpa表示)一起示于图5中。压力降是从炉膛到引风机(烟道气风机)的吸入端的总压力降。烟道气速度是对在正常操作过程中压力降的非常好的指示，如可从图5看见的，其中不能看见在信号之间的滞后。如果锅炉受到污染，则在压力降和气体速度之间的关系也会受到影响。图5证实了烟道气速度是合适的控制参数。