专利名称:燃烧系统的制作方法
本发明涉及一种适用于烧煤粉锅炉的燃烧系统，用来监测和控制煤粉燃烧产生的火焰，或用来控制锅炉上的废气处理装置。
一般来说，在控制锅炉中燃料燃烧所成的火焰方面，至目前为止的习用作法是这样的首先分析废气中的各种成份，然后按照分析结果，向锅炉控制装置发出控制信号。
例如，假定需要测定废气中各种氧化氮气体(今后称这些化合物为NOx)的浓度。为达到这一目的，迄今为止的习用作法是把燃烧生成的废气自烟道引向各种NOx分析仪表，以测定NOx的浓度。当不可能直接把废气引到测量仪表时，就用像是皮下注射针管似的取样抽出器来从烟道中抽取废气的样品，然后将采集的样品送进NOx测量仪表的样品进口，以确定NOx的浓度。
不管使用哪一种方法，都需采集废气样品和分析样品，并根据分析结果来产生控制信号，以对锅炉排出的废物成分实行控制。除NOx之外，一氧化碳气、氧气和亚硫酸气体也都是废气中的有害成分，同样需要加以监测。这些气体也曾使用通过分析来自烟道废气的方法加以控制，並根据分析结果，产生各个控制信号。但是这个方法有其缺点，即由于废气是自烟道引到各个测量仪表的，若是燃烧情况发生突然变化，如何应付这种变化是困难的，当火焰变得不稳定而悬浮在燃烧咀之上时，这种突然变化是可能发生的。
烧煤粉锅炉的另一个应当解决的问题是如何减少灰中未烧完的残余煤量问题。这个问题是很重要的，因为从保护环境免遭污染和节约能源的观点来看，这样作都是必要的。若火焰是由于焚烧煤粉而形成的，则有必要藉监测火焰以对之实施控制，以保持燃烧在高效率情况下进行，要求尽力减少灰中未烧完的煤的残余量。为了测定灰中未烧完的煤的残余量，迄今习用的方法是直接从烟道中采集飞灰，称出预定数量的灰重，然后使这一个灰抽样在氧气中完全燃烧。方法是加热灰抽样，每分钟提高温度为10-20摄氏度，直到提高到850摄氏度以充分进行燃烧，然后，再一次称量此灰抽样的重量。这样，灰中未烧完的煤量等于第一次称的、在完全燃烧前的灰抽样的重量减去第二次称的、经完全燃烧后的灰抽样的重量。这一过程是又麻烦又费时间的，因为其中要有很多步骤，要用天平和其他仪器指示差分热量，这种情况使得即时对火焰实施快速连机控制成为不可能;这也就是说，不可能反馈测得的灰中煤量的信息，以进行及时控制操作。这样，也就使得这种方法不可能应付燃烧发生突然变化的情况。
如上所述先有技术的方法是打算有效地控制煤粉燃烧产生的火焰，依靠在炉子出口处收集废气或飞灰並对其进行分析的方法。因此这种方法不可能使其具有必要措施以应付燃烧情况的突然变化。由于这种情况，于是有人就想到对火焰本身进行观测，以求对火焰实行尽可能准确的控制。更具体地说，有可能采用这样一种方法，在该方法中，根据燃烧器喷火口附近的气体浓度分布和温度分布情况来控制燃烧情况，以保持火焰经常处于最佳的燃烧状态。通常，燃烧器喷火口附近一带的气体浓度分布情况可用插在火焰中的一个抽样探针来抽取气体样品，以供试验;温度分布情况也可用插在火焰中的热电偶来测定。但是这些方法很难得到精确的测量结果，因为探针使火焰受到干扰。在抽取样品以测定各种气体浓度分布时，在每个抽样探针中的各种气体成分会彼此发生化学反应，(例如，2CO+O2→2CO2)，结果使得精确测定各种气体分布情况成为不可能。在测定温度分布时，也会遇到困难，因为由于炉壁的热辐射和火焰本身的温度变化都能使温度变生改变。总而言之，人们认为用先有技术的方法来精确测定燃烧情况是十分困难的，因为这种方法依靠燃烧器喷火口附近各种气体浓度分布和炉中温度分布情况的信息。
本发明的研制目的是想避免上述先有技术方法中的缺点。于是，本发明的目的是提供一种燃烧系统，该系统能实施准确的燃烧控制，其准确程度足以合宜地应付燃烧情况的突然变化，对燃烧的控制系根据对火焰进行观测所得的准确结果。
按照本发明，提供一种燃烧系统，该系统包括一个焚烧从燃烧器喷入燃料的炉子;还包括燃烧情况测定装置，当燃烧装置中生成火焰时，用以测定火焰各个层带中燃料焚烧的情况;此外还包括用以监测或控制火焰的装置以及控制与炉子后部相连的废弃排出物控制装置;在监控过程中，是利用上述燃烧情况测定装置发出的信号。当利用上述结构的燃烧系统时，在火焰区域跨越的各不同层带中收集火焰发出的光，並对之进行光谱观测以选出一个特殊的波段和光强，然后测定这一特殊波段中的放光模式，以取得关于焚烧燃料生成的火焰温度和空气比方面的信息，还能取得关于NOx，一氧化碳、氧气和氢气在焚烧燃料生成的废气中的浓度以及飞灰中未烧完的燃料残余量的信息，这样，就可以根据这些信息来确定焚烧生成火焰的燃料燃烧情况。根据前面确定的燃烧情况，就能调节燃烧器喷进炉中的空气和燃料数量和调节空气和燃料的喷洒角度，从而使火焰达到最佳状态，或是控制脱硝装置或集尘装置，从而实现对废弃排出物的满意地有效控制。
图1是本发明燃烧系统的正视图，给出在燃烧所成火焰的区域中收集光线的一个例子;
图2是图1中沿Ⅱ-Ⅱ线所作剖面的断面图;
图3和图4是为解释收集光线的光学系统和原理图;
图5是燃烧器的垂直断面图，显示在火焰区域中收集光线的另一个例子，与图1中的例子不同;
图6是解释利用收集光线方法以进行焚烧气体燃料实验装置的视图;
图7是图6中沿Ⅶ-Ⅶ线所作剖面的断面图;
图8是解释利用收集光线方法以进行焚烧煤粉实验装置的视图;
图9表示对火焰发出的光进行光谱观测所得的结果;
图10表示是燃烧生成火焰的发光光强与火焰空气比之间的关系;
图11表示C2基的发光光强与废气中各种气体成分的浓度以及与灰中未烧完的燃料残余量之间的关系;
图12表示NO＊放光光强和废气中NOX浓度之间的关系;
图13表示OH基发光获得的不同波长的光谱带;
图14是火焰温度分布之一例的图示。
图15是解释用于测量火焰发光光强的滤光箱之一例。
图16-a，16-b和16-c是解释正常和非正常火焰的三个图;
图17是一个燃烧系统图，该系统包括本发明的一个实施方案，该图显示本发明对燃料焚烧情况的控制方式;
图18是图17所示的用来有效控制火焰的燃烧器垂直断面图;
图19是图18中沿ⅪⅩ-ⅩⅠⅩ剖面线所得的断面图。
图1和图2表示的是按照本发明提出的燃烧系统，收集光线的火焰区附近情况，炉子10装有一个燃烧器20，从中喷出一股火焰30，此火焰一直延伸到炉子10的内部。火焰30发出的光通过观测孔40和41进行收集。这样收集到的光束通过镜箱50和51转换为电信号並送给一个信号处理器60。当接收到镜箱50和51送来的电信号，信号处理器60就发出一个控制信号。
参看图3和图4，其中表示一个聚光光学系统，后面将对这一光学系统作更多叙述以解释本发明的燃烧系统所用的集光原理。一般来说，一个凸透镜的作用是把平行射入的光线集合起来使之会聚于焦点上。更具体地说，当平行光线入射到凸透镜52和53上时，就在焦点处形成一个高强度的像。因此，在平行光线聚合的焦点位置安放光测器54和55就能得到入射到凸透镜52和53上的平行光线中具有的信息。把凸透镜52和光测器54合成为一个信号装置就能使穿过炉子10的平行光含有的全部信息射入光测器54中。若把凸透镜53和光测器55合成另一个装置，如图3所示，再把这两个装置合为一个光学系统，使其中射在凸透镜52和53上的两组平行光线在炉子10内部互相交叉，就可以使光测器54和55的输出信息同时输向一个信息处理器，以同时处理这两组平行光线中所包含的信息。这样一来，就能处理图3中炉子10的阴影线区域所含有的信息，並将此单一处理器的信息处理结果输送出去。于是，当需要取得有园对称形状的面向不同火焰层带的一个区域中的信息时，可以藉助于移动如图3虚线所示的一个平行光束，使其自炉子10的右端移向炉子左端，这样就能达到这一目的。
收集平行光线信息的原理可以通过参看有关图3所作的叙述来了解。但是在实际的作法上，还必须提高空间分辨能力。为达到这个目的，可以使用一个如图4所示的光学系统。在这个光学系统中，两次利用了凸透镜的特性，並且只使火焰中的一个点所放的光才被凸透镜所聚合而为光测器58所收集。位于焦点之前和焦点之后的光线也能加以聚合。譬如，将图3中的光学系统与图4中的光学系统组合在一起，並使前者的光程与后者的光程相垂直就能大大提高信息处理中的空间分辨力，这是因为光测器58的输出和光测器59的输出可以同时输给一个信息处理器。在图4所示的光学系统中，透镜56可以只朝透镜56和57的前后移动，而光测器58则可向左右移动。
根据图3和图4所说收集光线方法的原理，就能取得火焰中任意选定位置的燃料焚烧情况的信息。
在图3和图4所示的方法中，就利用了上述观点来收集光线。图5给出一个例子，在其中使用一个与燃烧器相连的光导纤维来收集光线。更具体地说，燃烧器20有一个光导纤维130与其主体相连，该光导纤维系插在一个冷却管120中，用以收集燃烧器20的喷火口附近一带火焰30放射的光。在此种结构中集光装置装在燃烧器30上，因而即使炉子尺寸很大也不会发生困难，因为炉子上不需要开孔。
用一个大景深聚光透镜140来收集光线，该透镜装在光导纤维130的进口端。光线被引导通过光导纤维130后来到镜箱150，並在其中再现影像。。
为了把光信号转变为电信号，可以使用光电转换器，如光电倍增器或是光电二极管阵列。
图6-8给出几个用以取得燃料焚烧情况信息的实验装置，这些实验装置都是根据由上述集光方法收集到的光线的分析而研制的。图6和图7所示的装置适用于焚烧气体燃料的燃烧器20。在这种燃烧器中，空气和气体燃料预先经过混合並引到燃烧器160，经过焚烧，形成火焰170。火焰170发射的光通过炉子180上的若干集光孔190进行收集。收集到的光线通过敏感性很高的光学装置(截光器)200来到光谱分析仪210。这样就取得具有所需波长的辐射光光谱，而辐射光光强就用光电倍增器220转换成为电信号，並送到一个信号处理器230。使用一个泵把燃烧生成的废气抽出一些来，然后用气体色谱仪250进行测试以确定氧气、氢气和一氧化碳的浓度，而废气中的NOx(氧化氮)则用一个NOx表260来确定，这种NOx表是一种测量化学源发光的仪表。
图8是用煤粉为燃料的情况，煤粉自送煤斗270被运送煤粉的空气290以气动方式输送到燃烧器300，並在燃烧器300的一个喷火口附近与助燃空气290相混合並燃烧形成火焰。火焰发出的光通过一个观测孔310进入光谱分析仪210，从而得出所需波长的发光光谱，同时，发光光强则由一个光电倍增器220转换成为电信号而后送去信号处理器230。
废气则被引向和通过一个过滤器320，进入废气分析器330，该分析器包括一个NOx表，一个氧气浓度计和一个一氧化碳浓度计，用以对废气进行分析。至于煤粉燃烧所形成的飞灰则使用一个灰尘抽样仪340，从过滤器320滤下的灰尘中抽取灰尘样品，然后使用热差指示天平来测定灰尘抽样中未烧完的煤的残余量。
图9表示使用图6和图8所示的装置对焚烧气体燃料和煤粉所成火焰发出的光进行光谱分析所得的结果。图9中的横座标表示辐射光的波长，纵座标表示火焰辐射光的光强。图中的结果显示在火焰中能够观测到化学物质的发光，这些就是OH基，NH基，CH基，C2基，NH2基和NO发出的光。由于各种化学物质发光都有其特殊的波长，于是利用辐射光的波长和光强的情况，对来自化学物质和具有特殊波长的辐射光进行测定以研究燃料焚烧的情况。
图10表示的是上述化学物质发光光强和焚烧燃料生成火焰的空气比之间的关系。空气比是根据废气分析所确定的氧气，一氧化碳气和氢气的浓度而计算出来的。在实验中，曾用改变输送给燃烧器的空气量和燃料量以变化这个空气比。
从图10中可以看出，OH基350，CH基360，CN基370，NO＊基380和NH基390，当空气比接近一时，都有着最大的放光光强，虽然其曲线各不相同。但C2基400发光光强曲线却随空气比的减小而增大。
从对上述化学物质发光光强曲线进行测定所得结果来看，人们可以理解，以相互参照方式，研究至少一种以上的化学物质发光光强，或是研究光强曲线上一点处的微分系数(dr/dI)的数值，就能得到更为精确的空气比。因此，若如图10所示，确定了空气比和每一种化学物质发光光强之间的关系，就能藉观察火焰情况，立刻得知空气比，而不需计算在一定时差上的氧气，一氧化碳气和氢气的浓度，在废气分析中，气体抽样是一个费时间的过程。
因此，知道了空气比和每种化学物质发光光强之间如图10所示的关系，就能藉观测火焰，立刻得知空气比以应付生成火焰的燃料焚烧情况中可能出现的突然变化，从而使燃烧达到很高的燃料效率並使环境污染减少到最低限度，而这二者都是所希望的。
图11所示的是C2基发光光强与废气中各种气体成分的浓度以及飞灰中未烧完的燃料量之间的关系。C2基放光光强与废气中各种气体成分的浓度之间的关系是用图6所示的装置进行实验而得的。使用图8所示的装置所得的相应关系显示有相同的趋势。C2基发光光强与飞灰中未烧完的燃料量之间的关系是用图8所示的装置取得的。
从经验得知，C2基发光光强与废气中的氢气浓度430和一氧化碳气浓度410之间有正比关系。从经验还得知，在C2基发光光强和氧气浓度420之间有负的相互关系。这样，C2基这种化学物质的发光光强就显示出燃烧进行的效率。这就是说，当燃烧情况恶化，燃料燃烧得不完全时，一氧化碳的浓度就会增加，同时还会发现有氢气存在。这些气体都是可燃的。当氧气存在时，这些气体就会燃烧掉。因此，如果这些气体若被放到大气中去，就会污染环境，並且浪费了能源。因此，很重要的一点是，根据C2基发光光强的观测来控制燃料燃烧情况以尽量减少废气中这些气体的浓度。
在氧气浓度420方面，如果输给燃烧器的氧气量大于为实现完全燃烧所需的氧气量，则不仅使送风机承担的载荷过重，还会降低燃烧温度，这是因为供送大量空气以实现氧气过剩的燃烧必然同时送进大量的氮气，而氮气是不直接参与燃烧的，因此，也有必要监测氧气的浓度以使燃烧在高效率之下进行。
迄今为止，习惯的作法是将废气自烟道引到测量仪器以抽取废气试样，然后分析取样样品以确定这些气体的浓度，其作法在上面已经说过了。这个方法有它的缺点，由于燃烧情况可能发生变化，从而各种气体浓度也跟着改变，但是直到炉中全部气体都发生了这种浓度改变並为分析仪器所测知，这种燃烧情况的变化才能被发现。用不同的话来说，这个方法不能很快地应付燃烧中可能发生的情况突然变化，结果使得这个方法在控制燃烧方面的效率很低。
在飞灰中未烧完的燃料残余量440方面，人们发现，在燃料残余量和C2基发光光强之间存在正的相关关系，这一点在前面曾经提到过。在这方面，很重要的是对飞灰中未烧完的燃料残余量进行监测以使燃烧达到高效率。但是迄今一直不能使用联机快速操作方法以实现燃烧情况的反馈控制。
由于现在已经弄清楚在C2基发光光强和飞灰中未烧完的燃料残余量440之间有着如图11所示的那种正的相关关系，于是就有可能使用联机快速操作方法实施燃料燃烧情况的反馈控制。
根据以上所说，已知存在有两方面的关系，一方面是C2基的发光光强，另一方面是废气中的氧气、氢气和一氧化碳气的浓度以及灰中未烧完的燃料残余量，一旦建立了如图11所示的这两方面的相关关系，于是只用通过光线收集孔收集火焰光线並分析C2基发出的有着特殊波长的放光光强的方法，就能立刻确定废气中氧气、氢气和一氧化碳气的浓度以及灰中未烧完的燃料残余量，而不需收集烟道中的废气和飞灰的抽样。这样一来就使采用联机快速操作法以实施燃烧情况的反馈控制一事成为可能。
在实施上述控制方法时，只使用单独一个信息，是不足以实现高度精确的燃烧情况的控制的，有必要在相互配合下，同时收集和分析至少两个以上的信息，然后才能作出结论。本发明能从火焰的化学物质放光分析中，同时取得两个以上的信息，这种情况使对燃烧情况的控制更为准确可靠。
图12给出的是NO＊发光光强和废气中NOx浓度之间的关系。图中的曲线450和460代表燃烧中的空气比彼此不同的两个情况。现在已经弄清NO＊发光光强和废气中的NOx浓度之间彼此有着正的相关关系，曲线450和460在这方面是相同的。
因此，如果一旦建成NO＊放光光强和废气中NOx浓度之间存在的如图12所示的相关关系，可以只用收集火焰光並分析NO＊特有波长的光强，就能立刻确定废气中的NOx浓度。这就使采用联机快速操作法以实施燃烧情况的反馈控制成为可能。
图13给出的是OH基的发光光谱。这种OH基已被证实广泛地存在于火焰中，这个光谱是对通常称作OH基振动旋转谱所作分析的结果。图13是一个曲线图，其纵座标代表发光光强，横座标代表光的波长。温度可以通过计算图中的尖峰线在横座标轴(波长)上的位置和纵座标轴(放光光强)上的位置的数值来确定。计算使用以下的方程ln(Iω/ω4·p·g)＝-E/KT+常数项其中 Iω某波长的发光光强，ω某一光谱线波长的倒数，p与ω相应的波长发光的跃迁到能级E的几率，g相乘因子，K玻耳兹曼常数，T绝对温度g的数值是物质或OH基所固有的值，p和E的数值与ω有关。这些数值可以用计算方法得出。
计算过程是这样的先确定自光谱分析取得的光谱线的强度，再计算方程左边的数值，然后画出这个量与E的关系曲线，于是就能计算T的数值了，这是因为直线的斜率等于1/KT，而K是一个常数的缘故。
图13给出的是某火焰中任选一点处的OH基放光的光谱分析结果。
上面所说的情况可以总结如下如果在焚烧燃料所成火焰中的一点处收集光线並对之作光谱分析以取得OH基的振动旋转谱，于是通过光谱分析给出的OH基振动旋转谱的计算，就能得知光线收集点处的温度。因此，可以藉上述方法求出火焰中很多个点处的温度而得知火焰中的温度分布。
图14给出的是一个火焰温度分布图。该火焰是用图6所示的试验装置中的燃烧器焚烧燃料而生成的。
在先有技术中，为得知燃烧器喷火口附近的温度分布，迄今一直习用的作法是在火焰中插入几个热电偶。先有技术的这个方法有很大缺点，这就是当把热电偶插在火焰中时，就使火焰受到了干扰，从而使取得精确的温度分布发生困难。本发明完全避免了先有技术中的这个缺点，使人们必定能得到一个远为精确的温度分布，因为本发明能以光学方法探出火焰的温度而不需接触火焰。
于是，按照本发明的方法，人们可以利用光学方法而不必接触火焰就能必定得到燃烧器喷火口附近的火焰温度分布。在这一方法中，对火焰中的OH基发出的光谱进行光谱分析，再把光谱分析的结果输入一个信号处理器，该信号处理器包括一个用来计算温度分布的计算装置，一个存储燃料焚烧最佳情况时火焰温度分布信息的存储电路，一个用于比较算得的温度分布和存储电路中存储的最佳温度分布並向外输出信号的比较电路，以及一个从比较电路输出信号並输入到控制电路。再输出一个控制信号，这一方法利用控制信号，能以很高的精度和效率对燃料焚烧情况实施控制。控制是以对火焰发出的光进行光谱分析所得的火焰温度分布为依据的。
如上所述，人们能从火焰中收集化学源的发光並对之进行光谱分析以确定燃料燃烧情况确定的方法是以火焰发光光强或光谱分析取得的在某一特定波中的发光模式为根据。这就使人们能以很高的效率和精度实施燃料燃烧情况的控制，以迅速应付任何可能发生的燃烧情况的变化。此外，上述这个方法使人们能得到很多关于燃烧情况的信息，所根据的只是火焰光的光谱分析，而无需直接接触火焰;对燃烧情况的控制，则可以根据很多信息的光谱分析结果来进行。
光谱分析设备被用来取得放光光强和火焰在某一特定波段中的发光模式。光谱分析设备的形式可以是一个配有一个光测器的光谱仪，一个滤光镜或任何其他已知能起类似作用的仪器。
不论使用哪一种收集火焰光线的方法，重要的是放光光强和在某一特定波段中的放光模式必须能任意选择。上面提到的数据是用图6或图8所示的实验装置取得的，这种装置包括一个配有光电倍增器的光谱仪。
图15给出的是一个用来测定光强的滤光箱470。从火焰收集来的光束480通过滤光箱上的光线收集孔481进入滤光箱470。光束480依次通过二色性滤光镜490、491和492以使某些波长的光通过，同时却不让另外一些波长的光通过。二色性滤光镜490、491和492可以任意选择以反射任何所需波长的光。任何波长的光被每个二色性滤光镜490、491和492所反射並由一个凸透镜500聚焦，光线聚在光测器510、511和512中的一个上，成为有着高强度的光线。这样，要测波长的光的光强就可以在每个光测器510、511和512上测定出来，滤光箱470在前面已经表示和叙述过，它能反射三种不同波长的光。但是本发明並不只限于这个特别规定的光波波长数目，因为完全可以使收集到的火焰光有尽可能多的波长个数被滤光箱470所反射。于是，利用图15所示类型的滤光箱470就能同时从火焰中收集所需数目的不同波长的火焰光，然后对之进行光谱分析，这样就能同时得到很多不同波段中的信息。这就使滤光箱在收集一系列火焰光信息和以相互参照方式考虑这许多信息以作出判断方面成为非常有用的工具。
上面已经指出和叙述过，从火焰收集到的光是如何经过光谱分析以取得特定波段中的信息，以及如何从中取得各种其他信息，其中包括火焰的空气比和温度废气中的氧气、氢气、一氧化碳气和氧化氮气(NOx)的浓度，以及灰中未烧完的燃料残余量。这个方法所根据的是火焰发光光强和在特定波段中的发光模式，使用的是光学方法，不需要直接接触火焰。如图15所示，利用滤光箱使我们能把收集到的火焰光同时分解为所需数目的很多不同波长的光。在图4所示的集光光学系统中，聚光透镜可以向前和向后移动，从而改变焦点的位置。这样，利用图15所示的滤光箱470以代替图4所示的光测器58，就能如上所述，同时得到火焰区域中的很多信息，该火焰区域跨越几个不同的火焰层带。
当燃料燃烧所成的火焰不正常时，就可以使用下述方法，高度准确地迅速发现这一燃烧不正常情况。
参看图16-a，图16-b和图16-c。在图的中央部分有烧煤粉的燃烧器540，这个燃烧器有一个煤粉喷出口520和在外圆並与其形成同心园的助燃空气供应口530。通常使用的燃烧器就是这种构造。
图16-a表示一个火焰550，该火焰是由焚烧煤粉而生成的。但是这里煤粉供应太多而空气供应太少。于是我们就会看到，当燃烧情况如前所述时，生成的火焰550缺少一个中央部分，这是因为空气供应不足，中央部分的燃料没有被燃烧的缘故。
图16-b表示的火焰550缺少其外周缘部分，这是因为空气供应过多而使外周缘部分的火焰熄灭了。
图16-c表示的火焰550有正常的形状，这里煤粉的供应量和助燃空气供应量正好平衡，从而使燃烧进行得令人满意。
图16-a和图16-b表示的火焰形状550是不令人满意的，因为它们的形状显示燃料不是以很高的燃烧效率进行的。
迄今惯用的各种火焰控制方法都有其缺点，这就是若燃烧情况发生变化，使火焰550成了如图16-a或图16-b所示的形状，这一切要经过很长时间才能从烟道气的变化中被发现，而烟道气的变化又是那样微弱，以致于发现这种变化也是不容易的。
当使用本发明的方法时，就能作到迅速而又可靠地确定出是否火焰550有着如图16-C所示的正常形状，还是有着如图16-a或图16-b所示的那种不正常形状，为作到这一点所需采取的步骤只用沿图中虚线所示方向验看一下面对火焰各不同层带区域发光的方法即可。
更具体地说，按照本发明的方法，预先把如图16-C所示的正常形状火焰550的数据存储于一个计算机的存储器中，这些数据包括火焰中空气比的分布和火焰中的温度分布，而温度分布是根据火焰放光光强和在某一特定波段中的发光模式来确定的。在燃烧器运行时，使用这一方法须沿图16-a至图16-c所示虚线对火焰区域发出的光进行不断的观测，当查出火焰550出现如图16-a或图16-b所示的燃烧情况时，就立即采取必要步骤以改善燃烧情况，这就是说当火焰550出现如图16-a所示的形状时，人们只需减少煤粉的供应量，而当火焰550出现如图16-b所示的形状时，人们只需减少助燃空气供应量。
火焰550有这样一种倾向，即一旦其形状变得不正常，则使其回复其正常形状往往很困难。因此，值得建议的方法是探索出火焰由正常变为不正常的过渡过程，即火焰自图16-c所示的正常形状变为图16-a或图16-b所示的不正常形状的变化过程。当火焰已变成如图16-a或图16-b所示的形状后，火焰550的不正常形状自然可用一个电视摄像机来加以探测。但是当火焰550的形状不正常性尚不明显或是火焰550的形状正在从正常向不正常过渡时，要想发现火焰形状的变化往往是很困难的。
先有技术的这个缺点在本发明中是不存在的，因为本发明用的方法是对火焰光进行光谱分析以确定发光光强和光的发射模式，从而得知火焰中各有关参数的分布。这就使人能探知火焰发光的细小变化，从而使人得知火焰正在从图16-c所示的正常形状向图16-a或图16-b所示的不正常形状过渡。这个方法还能使人探知火焰是否在向图16-a的形状过渡还是在向图16-b的形状过渡。这样，就使得对火焰的控制有着高度的准确性。
由于火焰发射的光经过光谱分析以选择一个特定的波段，並以相互参照的方式对发光光强和在每个波长上的发光模式进行了研究，所以可以得到上述观点。当火焰处于自正常形状向不正常形状过渡的阶段，有可能某一波长发光光强的分布並不发生变化，但其他波长的发光光强的分布却可能发生变化。
例如，当火焰自图16-c所示的正常形状变为图16-a所示的不正常形状时，位于燃烧器中心的煤粉喷出口520供应的燃料数量逐渐增加。在这时，能显示温度信息的OH基的发光光强或OH基光发射模式却几乎没有多大变化。
这时，火焰的温度应当有所下降，因为在燃烧器中心附近的燃烧趋向不完全燃烧。但是由于环绕燃烧器中心线形成多层同心园的火焰的外层有很强的热辐射，使得火焰温度並没有多大变化。结果，OH基的发光光强和OH基的发光模式几乎没有变化。
可是与此同时的C2基和CH基的发光光强分布却有变化。这就是，在煤粉喷出口520前端面附近的C2基和CH基的发光光强有增长的趋势。C2基和CH基被说成是煤烟垢的前身，因为煤烟垢就是从它们的汽态凝集而成的。C2基和CH基发光光强增大的原因是由于这样的事实，即在煤粉喷出口附近，由于燃料供应量逐渐增加而局部地形成一个不完全燃烧区。
于是，按照上述情况，人们能清楚理解，按照本发明的方法，对火焰发出的光进行观测，並以相互参照方式分析观测结果，就能使人探知火焰从正常形状向不正常形状的过渡，从而使人对燃烧情况的控制有高度的准确性。
图17是按照本发明的燃烧系统的一个实施方案。火焰650放出的光由集光装置660所收集並通过光导纤维670引向光谱分析器680。光谱分析器680配有一个转换器，用来把代表火焰中发光光强和在特定波段中发光模式的各种光信号转换为电信号，这些电信号被放大器690放大后，传给一个控制组件200。放大器690把转换器生成的电信号加以放大，而转换器的输入则是代表放光光强和在任选波段中放光模式的光学信号。控制组件700包括一个存储器720，用来储存最佳燃烧情况下观测到的发光光强和在特定波段中发光模式的数据，一个比较器710用来把放大器690的输出信号同存储器720的输出信号进行比较，以及一个控制器730，其作用是输出信号以对燃料燃烧情况实施控制。控制组件700还包括一个空气散播调节器740，一个煤粉散播调节器750，一个煤粉供应调节器760和一个空气供应调节器770，控制器770输出的信号就是送往这些调节器的。
控制组件700的输出信号是用来调节供给燃烧器640的空气量和燃料量和调节燃烧器喷火口出口处空气和燃料的散播情况的。更具体地说，空气供应调节器770的输出信号传给装在鼓风机630和燃烧器640之间的一个自动控制阀，以控制鼓风机供给燃烧器的空气供应量，使其恒为最佳数量。煤粉供应调节器760的输出信号传给装在煤粉供应注入斗620和燃烧器640之间的一个自动控制阀上，以调节供给燃烧器的煤粉量，使其恒为最佳数量。空气散播调节器740和煤粉散播调节器750的输出信号分别传给装在燃烧器上的空气散播调节器的驱动装置和煤粉散播调节器的驱动装置(见图18)，以分别控制空气和煤粉的散播，使其恒为最佳状态。
关于煤粉和空气的散播，请参看图18和19来加以理解，图17中的空气散播调节器740输出的信号传给空气散播调节器的驱动装置890。空气的散播是用适当改变三维空气喷咀840喷出空气的方向来控制的。图17所示的煤粉散播调节器750输出的信号传给煤粉散播调节器的驱动装置850。以气动方式输往燃烧器的煤粉，经由线路860送到该处后，要通过一个喷咀开口870才喷出。煤粉的散播是用喷咀开口870打开程度的大小来调节的，开口大小是把装在煤粉喷咀开口处的锥体880向内或向外移动来控制的。
但是仅仅调节燃烧器以实施对空气和煤粉散播的控制是有限度的。
当超出上述控制能力之外的情况发生时，就要用本发明的燃烧系统以实施对燃烧情况的控制。
一个烧煤的发电厂，一般包括锅炉800，脱硝装置810，集尘器820和烟囱830，如图17所示。脱硝装置一般随着电厂负荷的变动而增减其用于除去NOx的还原剂的数量。集尘器830的运行是稳态的，因为它没有应付负荷变动的能力。
燃烧系统作为一个整体，想使其同时具有减少未烧完的燃料残余量和NOx浓度的作用，当燃料是煤粉时，若使其基本上在完全燃烧情况下进行燃烧，则能减少未烧完的燃料残余量，但是废气中的NOx浓度就会增加。当情况相反时，即若使燃料在不完全燃烧情况下燃烧则能减少废气中的NOx浓度，但未烧完的燃料残余量就会增加。换句话说，只控制燃料燃烧情况，是不能同时减少未烧完的燃料残余量和NOx浓度的。当燃烧情况有利于减少未烧完的燃料残余量时，NOx的浓度就会增加;当燃烧情况有利于减少NOx浓度时，未烧完的燃料残余量就会增加。上面已经提到过，集尘器820是不能很好地应付负荷的变动的。这就使废气中未烧完的燃料残余量基本上保持不变。
对燃烧器来说，使燃烧在完全燃烧情况下进行，能很方便地减少未烧完的燃料残余量。但是这样就使废气中的NOx浓度很高。
按照本发明，观测在燃烧系统的锅炉中，燃烧燃料产生火焰发射的光。本发明的燃烧系统主要是想用来控制燃烧器中的燃料焚烧情况的。但是燃烧系统可以这样来制作，使其能把信号输给装在炉子800后部的废物排出控制系统。当发现炉中火焰属于能使废气中的NOx浓度增加的类型时，就使控制组件700的还原剂数量控制信号发生器790发出信号给脱硝装置810，使其增加还原剂的数量以减少废气中的NOx的浓度。当发现火焰属于将使废气中未烧完的燃料残余量增加的类型时，对燃料燃烧情况的控制方式则应是使燃料在完全燃烧情况下燃烧，因为可以提高集尘器820的电极间的电压以应付电厂负荷的变动。这在前面曾经提到过。换句话说，对燃烧情况的控制是用增加给燃烧器的空气供应量。但是如果采取了这一步骤，火焰就向会使NOx浓度增加的方向变化，因此就必须同时发出信号给脱硝装置810，使其增加还原剂的数量。
如果将来对集尘器810作出改进，使其电极间电压能随负荷的变动而变化，就可以使控制组件700中的极间电压控制信号发生器780产生信号以直接对集尘器810实施控制。
换句话说，当炉子800中的火焰有使飞灰中未烧完的燃料残余量增加的趋势时，所需采取的措施只是发出信号给集尘器820，使其电极间的电压增加就行了。
理解了上面所作的叙述就能清楚地看出，本发明的燃烧系统能采取措施以减少飞灰中未烧完的燃料残余量和废气中的NOx浓度。这些措施是控制燃烧器的燃料燃烧和控制位于炉子800后部的废物排出控制装置，包括脱硝装置810和集尘器820。
按照本发明，对燃烧器中火焰发出的光进行光谱分析以选择一个特殊波段和确定发光光强及发光模式。根据所取得的结果，就可不需接触火焰而能对燃料燃烧情况作出判断，从而控制燃烧器的燃烧情况，以减少飞灰中未烧完的燃料残余量和废气中的NOx的浓度。这样就可以取得很多有着不同发光波长的各种化学物质的信息，而后在相互参照下，作出对燃料燃烧情况的观测结论。因为对火焰本身的观测构成控制的基础，因此就能迅速地和高度准确地实施对燃料燃烧情况的控制。
权利要求
1.燃烧系统，其特点是包括焚烧自燃烧器喷出燃料的炉子；燃烧情况测定装置，当炉子内产生火焰时，通过火焰延伸的不同层带，用该装置测定火焰区域中燃料焚烧情况，以及监控装置，根据燃烧情况测定装置发出的信号，用以监测或控制火焰并控制与炉子后部相连的废物排出控制装置。
2.如权项1所述的燃烧系统，其特点是该燃烧情况测定装置包括集光光学系统，用以收集火焰发出的光，利用收集不同处火焰发射光的方法，以取得在跨越几个不同层带的火焰区域中燃料燃烧情况的信息;光谱分析装置，用以对集光光学系统收集的光进行光谱分析，以选择一个特殊的波段;测定装置，用来根据发光光强和在该特殊波段中的发光模式以测定燃料的燃烧情况。
3.如权项1所述的燃烧系统，其特点在于该用以监测或控制火焰并控制废物排出控制装置的监控装置包括控制组件，用以控制输入到燃烧器的空气量和排出的空气量;用以控制输入到燃烧器的燃料量和从燃烧器排出的燃料量;以及当空气和燃料从燃烧器中排出时，控制喷入炉子中空气和燃料的散播角度。
4.如权项1所述的燃烧系统，其特点在于监控火焰和控制废物排出的控制装置，用上述装置监测或控制火焰，以及控制排出废气的控制装置，上述装置还包括脱硝装置和集尘器。
5.如权项2所述的燃烧系统，其特点在于由该光谱分析装置进行的光谱分析所选定的特殊波段包括一个特定波段，该特定波段能提供有关火焰的温度和空气比，排出废物中的氧化氮气和氢气的浓度，以及飞灰中未烧完的燃料残余量的信息。
6.如权项2中所述的燃烧系统，其特点在于由光谱分析选定的特殊波段包括下列各种化学物质的发光波长。这些化学物质是OH基、NH基、CN基、CH基、C2基和几种氧化氮气体。
7.如权项2中所述的燃烧系统，其特点在于该集光光学系统包括很多透镜，用以从两个方向收集火焰内部发出的光，並用以取得火焰中某处燃料燃烧情况的信息，透镜的光轴在该点互相交叉;移动装置，用来移动至少一个透镜的光轴。
专利摘要
本发明涉及一种带燃烧器的燃烧系统，该系统包括一个焚烧从燃烧器喷进炉中的燃料和空气并产生火焰的炉子，还包括用来测定燃料焚烧情况的燃烧情况测定装置，该装置利用收集火焰中某一点的火焰光和使该点移动的方法，对跨越不同火焰层区域中的燃烧情况加以测定。按照燃烧情况，测定装置发回的信号来监测或控制火焰，并用以控制炉子的废物排出控制装置，以控制由于焚烧燃料所产生的废弃排出物。火焰燃烧情况可以藉监测火焰而得到迅速和高度准确的控制。
文档编号F23N5/00GK85101184SQ85101184
公开日1987年1月10日 申请日期1985年4月1日
发明者相马宪一, 岚纪夫, 小豆畑茂, ∴户清, 稻田徹, 小林启信, 大冢馨象, 菱沼孝夫 申请人:株式会社日立制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan