专利名称：工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制方法
技术领域：
本发明涉及工业燃料炉窑燃烧控制方法，更详细讲是工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制的方法。
过去人们知道，对于工业燃料炉窑通常是根据燃料的成分配合适当的助燃空气进行燃烧控制，实际上燃料成分和炉窑状况是变化的，所以不能保证燃烧状况良好，其结果使燃料炉窑的运行效率降低，而且容易发生浓烟(有害气体)的危害。为了解决这个问题，一般采用实际助燃空气量比理论助燃空气量大得多的方法，也就是空气过剩系数α远大于1。这种方法虽然比较安全，但很不经济，因为过剩空气会减弱燃料燃烧，使火焰温度降低、烟道热量损失增加，提高燃料消耗率，一般每1%的过剩空气能增加烟道热量损失近1%。所以，工业燃料炉窑在燃烧过程中不能及时准确地调整燃料与空气的比例，就不能保证大量燃料的充分利用。以后，人们发现炉窑的尾气中氧含量可以在一定程度上反映过剩空气量，即当空气过剩系数α大于1时，尾气中可燃气体的含量减小，而氧的含量增加，所以人们根据检测尾气中的氧含量来控制燃料炉窑中的燃料与空气的比例，可以节约燃料3-10%。但是，工业燃料炉窑尾气测氧燃烧控制方法还存在下述问题一是工业燃料炉窑必须在高温条件下工作，尾气取样点附近的空气渗漏现象是很难消除的，特别是在烟道处设有引风机的燃料炉窑，烟道存在负压，所以外界空气不断从不严密处渗漏，由于空气中有约21%的氧，因此空气渗漏使测氧精度显著下降，严重时无法反映燃烧状况。二是燃料燃烧是否充分与燃料和助燃空气的混合程度有关，由于混合不完全，当空气过剩系数α＝1时是不能实现完全燃烧的，而且燃料炉窑运行时炉窑状况是变化的，炉膛压力、温度对燃烧混合速度都产生明显影响，当燃烧混合不好时，在尾气中虽然能给出一个令人满意的高氧量，但仍不能保证完全燃烧。因此，当使用测氧方法控制空气过剩系数α时，氧含量稳定在所规定的参数上仍不能保证燃烧完全。三是有害的可燃气体和废气仍会引起空气污染，采用测氧燃烧控制方法由于空气渗漏或混合情况不好虽在稳定的氧含量参数下工作，仍会排出大量的可燃气体和废气，造成浓烟毒害和污染，影响安全生产，危害人们的健康。特别在高温区高氧量会产生大量的氮的氧化物，与水和空气化合生成酸，通过酸雨危害自然环境。四是目前的工业燃料炉窑尾气测氧是采用氧化锆氧分析仪。氧化锆(Zro)探头是一种固体电解质器件，在一定温度下氧分压不同形成氧浓差电势，从电极间引出电势差，可以反映氧含量。氧化锆是一种陶磁器件，因此在测量时因环境温度快速变化，容易造成探头断裂，加之氧化锆探头在有害气体影响下容易产生中毒现象，缩短使用寿命。并且氧化锆探头制造成本高，价格较贵，国内产品使用寿命很短，主要依靠进口，因此实际使用中运行成本高。鉴于上述问题，在燃料炉窑燃烧控制中采用尾气测氧控制燃料燃烧不是一种理想的方法，很难大量推广应用，并且至今还没有一种合理、有效、经济的更替技术。
本发明的目的在于提供一种能够消除上述缺点，有效地反映燃料利用程度，节约能源，限制有害的可燃气体和废气的排出，利用低成本的测量探头，提高燃料炉窑的燃烧效率，降低生产费用，保证安全生产，提高经济、社会效益等特征的技术先进、成本低、效果好、易推广的工业燃料炉窑燃烧控制方法。
为了达到上述目的，本发明工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制方法的特征是通过测量工业燃料炉窑尾气中氢的含量来控制炉窑中的由化学不完全燃烧确定的燃料利用系数γ或空气过剩系数α，确定标称燃料利用系数γ0为0.95-0.998或标称空气过剩系数α0为0.95-1.3，由γ与氢含量的关系式γ=11+H2(1-K) (1+0.989K2KRK+0.0331K3(1-K)H2)50(KH- KH′)+98.9(KR-KR′)]]>(1)计算燃烧时的燃料利用系数γ，用α与氢含量的关系式α = 1+2(100KK1(1-K) H2)2-H2(1-K)100(1+K2KRK+0.04K3(1-K)H2)2KR+0.5KH-KO]]>(2)计算燃烧时的空气过剩系数α，通过反馈调节方式、利用执行装置调节燃料炉中燃料与空气的比例，使α与α0或γ与γ0的差值趋近于0，使燃烧处于最佳状态，用水流来冷却、抽取燃料炉的尾气，使用塑料或橡胶或防水涂料等隔水透气材料保护具有吸附氢特性的铂族元素制造的氢敏半导体器件装制成测氢探头，本发明用于用碳氢化合物或混合物燃料的工业加热炉、锅炉和窑。
本发明可以根据燃烧状况选择控制方法。当燃烧混合情况较好时，比如燃气炉和特性良好的燃油炉，可以直接使用本发明提供的空气过剩系数α与氢含量的关系式(2)，控制燃料炉在合理的空气过剩系数下运行。当燃料为固体燃料或混合情况较差的液体燃料时，可以使用本发明提供的燃料利用系数γ与氢含量的关系式(1)，控制燃料炉在合理的燃料利用系数下运行。
本发明提供的空气过剩系数α与氢含量的关系用式(2)描述，当测氢探头输出一氢值后，可以计算出当时空气过剩系数α，通过反馈调节、利用执行装置可以达到控制燃料-空气比例的目的，使燃烧效果最佳。关系式如下α = 1+2(100KK1(1-K) H2)2-H2(1-K)100(1+K2KRK+0.04K3(1-K)H2)2KR+0.5KH-KO]]>式中 H2-尾气折干时的氢含量(%)K= (NH+2MW′)/(2MQ) ;KR= (NR)/(MQ) ;KH= (NH)/(MQ) ;KO= (NO)/(MQ)MQ＝ 100/21 NR+ 121/84 NH+ 1/2 NN- 79/42 NO+MW′MW′＝ (W)/(100-W) · 100/21 (NR+ 1/4 NH- 1/2 NO)NR＝NC+NSNC-燃料中碳原子比数。
NS-燃料中硫原子比数。
NH-燃料中氢原子比数。
NN-燃料中氮原子比数。
NO-燃料中氧原子比数。
W-空气中的水含量(%)K1-氢与氧反应的平衡常数，用范托夫方程计算。
K2-氢、氧、一氧化碳反应的平衡常数，用范托夫方程计算。
K3-氢、甲烷反应的平衡常数，用范托夫方程计算。
本发明提供的燃料利用系数γ与氢含量的关系用关系式(1)描述，当测氢探头输出一氢值后，可以计算出当时燃料利用系数γ，通过反馈调节、利用执行装置可以达到控制燃料利用系数的目地，使燃烧效率最佳，其关系式如下γ=11+H2(1-K) (1+0.989K2KRK+0.0331K3(1-K)H2)50(KH- KH′)+98.9(KR-KR′)]]>式中KH′= (NH′)/(MQ) ;KR′= (NR′)/(MQ)NH′-燃料中与氧化合的氢原子比数。
NR′＝NC′+NS′NC′-燃料中与氧化合成CO2的碳原子比数。
NS′-燃料中与氧化合成SO2的硫原子比数。
其它参数见α表达式说明。
本发明使用计算机或硬件计算装置确定氢含量与α或γ的关系，当尾气温度变化时，按范托夫方程〔K＝EXP(△S°/R-△H°/RT)〕计算有关平衡常数K1、K2、K3，上述数据可使用单片计算机计算，或纳入燃烧控制计算机处理。
本发明的尾气抽取方式为水流抽气法，使高温尾气直接被水冷却，由水流产生的负压抽取尾气，由普通的汽水分离装置提取出干净的尾气，其水蒸汽、冷凝物和烟尘随水被排出。
本发明采用铂族元素做栅极的金属-氧化物-半导体场效应晶体管，例如Pd-MOSFET或Pt-MOSFET。这些器体对氢具有很好的吸附选择性，对氢气以外的其他各种气体均不敏感。可感氢浓度的范围也很宽，从几个PPm直到百分之几，响应速度快为几秒钟，以前用于氢气报警、探漏等领域，本发明把它作为工业燃料炉窑尾气测氢探头，开劈了氢敏器件在燃烧过程控制中的新用途，并用塑料薄膜等隔水透气物质保护氢敏晶体管，使其表面清洁、干燥，从而装制成防水、低价、适用、效果好的燃料炉尾气测氢探头。
本发明工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制方法适用于使用气体、液体、固体的碳氢化合物或混合物燃料的工业加热炉、锅炉和窑的燃烧控制等领域。
本发明工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制方法的优点及效果是①对于燃烧混合较好的工业燃料炉窑，如气体燃料炉，可以有效地控制空气过剩系数α在合理的范围。对于燃烧混合情况较差的工业燃料炉窑，如固体燃料窑或液体燃料炉，可以有效地控制燃料利用系数γ在合理的范围，克服了测氧不能准确反映燃料利用情况和不能始终维持最小过剩空气量的问题，采用测氢技术比采用测氧技术可提高火焰温度50-200℃，减少烟道热损失，提高燃烧效率1-5%。②工业燃料炉窑大气渗漏基本不影响尾气测氢的燃烧控制方法，而测氧方法在漏气较大时就无法工作。因此，克服了采用测氧方法必须针对具体燃料炉的漏风系数修定标称氧含量的问题。③装制的低成本测氢器件，如Pd-MOSFET或Pt-MOSFET可以大大降低系统运行费用。氢敏管探头的价格为20-35元1支，每支可使用一年以上，而氧化锆探头价格为3000-5000元1支，主要依靠进口，并容易损坏，使用寿命一支为3-6个月，每座工业燃料炉窑使用测氢探头年运行费用比使用氧化锆探头节约5000-10000元，仅全国冶金系统就有各类燃料炉(主要是加热炉)1000多座，若应用该测氢技术每年可节约运行费用500-1000万元。④通过有效地控制可燃气体排出，保证了生产安全，减少了空气污染，并且燃料炉窑可以保持在最小过剩空气下运行，减少了氮的氧化物废气的排出量，有效地控制了大气污染。
为本发明工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制方法绘制的附图共6幅，说明如下图1是控制空气过剩系数α或燃料利用系数γ的方法的逻辑流程示意图。图中α0为给定的标称空气过剩系数，γ0为给定的标称燃料利用系数，1-1为控制算法;1-2为燃料-空气比例调节;1-3为燃料炉;1-4为α或γ计算。
图2是水抽尾气示意图。图中2-1为耐高温陶磁管;2-2为流水喷嘴;2-3为尾气收集伞;2-4为氢探头安装孔;2-5为排气口;2-6为排水口;2-7为排污口。
图3是测氢探头封装示意图。图中3-1为氢敏半导体器件;3-2为底座密封圈;3-3为空腔衬套;3-4为隔水透气薄膜;3-5为固定件。
图4为实施例1的控制程序流程示意图。图中4-1为周期启动;4-2为读当前H2含量(%);4-3为读当前尾气温度并利用查表方式计算K1，K2，K3;4-4为按(3)式计算α;4-5为按PI调节方式计算输出量;4-6为周期退出。
图5是实施例2的使用过程控制计算机时的程序流程示意图。图中5-1为周期启动;5-2为读当前氢含量H2;5-3为计算E＝0.161-H2;5-4为按PI调节方式计算输出量;5-5为周期退出。
图6是实施例3的使用单回路调节器的示意图。图中6-1为单回路调节器;6-2为电动执行机构;6-3为风量调节;6-4为窑;6-5为测氢变送器。
按以上
，叙述本发明工业燃料炉尾气测氢燃烧控制方法的实施方法如下
实施例1，燃气冶金加热炉技术方法及步骤是①确定炉况。采用天然气做燃料，其成分按体积百分比是CH4-95.03%、C2H6-2.9%、C3H8-0.5%、C2H4-0.3%、N2-1.27%，采用断续加热方式，尾气温度为970℃-1350℃，空气流量和天然气流量均由执行装置驱动阀门调整，燃烧混合状况较好，加热炉用于加热钢锭，为了提高火焰温度和减少加热钢锭的氧化烧损，标称空气过剩系数α0定为0.99。②安装图2所示的流水抽气冷却装置。耐高温陶磁管内径为6mm、外径为12mm(图2-1);流水喷嘴喷水流量15升/分钟(图2-2);收集伞底半径为130mm，高130mm(图2-3);排气口内径为30mm(图2-5);排水口内径为30mm(图2-6)。③装制测氢探头。采用Pt-MOSFET氢敏晶体管(图3-1);底座密封圈厚为3mm，材料为聚四氟乙烯SFBN-1(图3-2);空腔衬套高为5.5mm，材料为聚四氟乙烯SFBN-1(图3-3);隔水透气薄膜为0.1mm厚，材料为聚四氟乙烯SFD(图3-4);固定件与空腔衬套配合间隙0.5mm(图3-5)。
④参数计算NC＝95.03+2×2.9+3×0.5+2×0.3＝102.93NH＝4×95.03+6×2.9+8×0.5+4×0.3＝402.72
NN＝2×1.27＝2.54NO＝0;NR＝NC＝102.93MW′＝0(空气中水分忽略)MQ＝1071.5K＝0.18792;KR＝9.6062×10-2;KH＝0.37585;
KO＝0代入式(2)并整理得α＝1+2.818×103( 1/(K1H2) )2-2.1368×10-2H2(1+0.51119K2+3.2483×10-2K3H2) (3)由于尾气温度变化较大，需要引入温度修正，因此K1，K2，K3需通过范托夫方程计算。
⑤利用过程控制计算机计算α值，实现燃料空气比例调节，使燃烧处于最佳状态。为了提高运算速度，K1，K2，K3与尾气温度的关系通过范托夫方程计算制成内插表格存入计算机，其控制程序流程如图4所示。
⑥根据PI调节方式计算的输出量，确定的燃料-空气最佳比例，通过执行装置驱动阀门，控制空气过剩系数α与α0的误差最小，满足工艺要求。
实施例2发电厂燃油锅炉其方法及步骤是①确定炉况，采用重油做燃料，其成分按重量百分比是水分-2%，灰分-0.3%，碳-85.7%，氧-0.8%，氢-10%，硫-0.7%，氮-0.7%，机械杂质2.3～2.5%，采用连续加热方式，尾气温度基本稳定为500℃，空气流量和重油流量均可由执行装置驱动调节，燃烧混合状况一般，为了减少燃料损失，确定标称燃料利用系数γ0＝0.993。②安装图2所示的流水抽气冷却装置。耐高温陶磁管内径为12mm、外径为18mm(图2-1);流水喷嘴喷水流量20升/分钟(图2-2);收集伞底半径为150mm、高为150mm(图2-3);排气口内径为30mm(图2-5);排水口内径为37mm(图2-6)。③装制测氢探头。采用Pt-MOSFET氢敏晶体管(图3-1);底座密封圈厚为3mm，材料为聚四氟乙烯SFBN-1(图3-2);空腔衬套高为5.5mm，材料为聚四氟乙烯SFBN-1(图3-3);隔水透气薄膜为0.13mm厚，材料为橡胶(图3-4);固定件与空腔衬套配合间隙0.5mm(图3-5)。
④参数计算NC＝ 85.7/12 ＝7.142;NO＝ 0.8/16 ＝0.05;
NH＝10;NS＝ 0.7/32.06 ＝0.0218;
NN＝ 0.7/14 ＝0.05;NH′＝ 2/(2+16) ×2＝0.2222NR＝NC+NS＝7.164，MW′＝0(空气中水分忽略)MQ＝48.45K＝0.1032;KR＝0.14786;KH＝0.2064;
KH′＝4.586×10-3已知尾气温度基本稳定为500℃，由范托夫方程可求出K2＝0.1256;K3＝6.762代入(1)式并整理得α= 1/(1+4.275×10-2H2+7.283×10-3H22) (4)由于尾气温度基本稳定，可以采用等效氢含量代替γ值控制，则由式(4)可计算出等效氢含量H2′为H2′＝0.161(%)⑤利用单回路调节器或过程控制计算机，反馈调节H2，实现燃料空气比例调节使燃烧处于最佳状态。使用过程控制计算机时的程序流程如图5所示。
⑥根据PI调节方式计算输出量确定最佳的燃料-空气比例，通过执行装置驱动阀门、控制燃料利用系数γ与γ0的误差最小，使燃烧效率最佳。
实施例3连续式陶瓷窑其方法及步骤是①确定炉况。陶瓷窑为车底式隧道窑。采用煤做燃料，其成分按重量百分比是水分-8.0%，灰分-19.02%，碳-65.65%，氢-2.64%，氧-3.19%，氮-0.99%，硫-0.51%，助燃空气与料车逆方向流动，等效水分含量W＝15%，尾气温度基本稳定为300℃，空气流量和送煤量均可由执行装置驱动调节，燃烧混合状况一般，为了减少燃料损失，确定标称燃料利用系数γ0＝0.99。②安装图2所示的流水抽气冷却装置。耐高温陶磁管内径为16mm，外径22mm(图2-1);流水喷嘴喷水流量20升/分钟(图2-2);收集伞底半径为150mm，高为150mm(图2-3);排气口内径为30mm(图2-5);排水口内径为37mm(图2-6)。③装制测氢探头。采用Pt-MOSFET氢敏晶体管(图3-1);底座密封圈厚为3mm，材料为聚四氟乙稀SFBN-1(图3-2);空腔衬套高为5.5mm，材料为聚四氟乙稀SFBN-1(图3-3);隔水透气薄膜为0.1mm厚，材料为聚四氟乙稀SFD(图3-4);固定件与空腔衬套配合间隙0.5mm(图3-5)。④参数计算NC＝ 65.65/12 ＝3.1262;NH＝2.64;NO＝ 3.19/16 ＝0.1994NN＝ 0.99/14 ＝7.071×10-2;NS＝ 0.51/32.06 ＝1.591×10-2
NH′＝ 8/18 ×2＝0.8889NR＝3.1262+1.591×10-2＝3.142;NR′＝0MW′＝ (W)/(100-W) · 100/21 (NR+ 1/4 NH- 1/2 NO)＝3.111MQ＝21.536;K＝0.2057;KR＝0.1459;KH＝0.1226KH′＝4.128×10-2;KO＝9.257×10-3已知尾气温度基本稳定为300℃，由范托夫方程可求出K2＝1.181×10-2;K3＝4.827×102代入(1)式并整理得α= 1/(1+4.33×10-2H2+0.545H22) (5)由于尾气温度基本稳定，可以采用等效氢含量代替γ值控制，则由(5)式可计算等效氢含量H2′为H2′＝0.102(%)⑤利用单回路调节器或过程控制计算机，反馈调节H2，实现燃料空气比例调节使燃烧处于最佳状态，使用单回路调节器的方法如图6所示，H2按0～1%定标1～5V，则0.102%对应1.408V。单回路调节器电动执行机构接口标准按国家Ⅲ型仪表标准。⑥根据单回路调节器输出的调节量，通过电动执行装置调节送风量，从而控制最佳的燃料-空气比例，燃料的输入由总热量平衡确定，燃料-空气比回路不参与燃料调节，通过控制γ与γ0的误差最小，使燃烧效率最佳。
权利要求
1.工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制方法，其特征在于测量工业燃料炉窑尾气中氢的含量来控制炉窑中由化学不完全燃烧确定的燃料利用系数γ或空气过剩系数α，根据炉窑状况选定标称燃料利用系数γ0或标称空气过剩系数α0，用γ或α与氢含量的关系式计算出燃料燃烧时的燃料利用系数γ或空气过剩系数α，通过反馈调节方式、利用执行装置，调节燃料炉窑中燃料与空气的比例，使α与α0或γ与γ0的差值趋近于0，用水流来冷却、抽取燃料炉窑的尾气，使用隔水透气材料保护具有吸附氢作用铂族元素来制造的氢敏半导体器件装制成测氢探头。
2.按照权利要求1所述的工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制方法，其中所述的γ0为0.95-0.998;α0为0.95-1.3。
3.按照权利要求1所述的工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制方法，其中所述的γ或α与氢含量的关系式是γ=11+H2(1-K) (1+0.989K2KRK+0.0331K3(1-K)H2)50(KH- KH′)+98.9(KR-KR′)(1)]]>α = 1+2(100KK1(1-K) H2)2-H2(1-K)100(1+K2KRK+0.04K3(1-K)H2)2KR+0.5KH-KO(2)]]>
4.按照权利要求1所述的工业燃料炉窑尾气测氢燃烧控制方法，其中所述的保护氢敏半导体器件的隔水透气材料是塑料或橡胶或防水涂料。
5.按照权利要求1所述的工业燃料炉尾气测氢燃烧控制方法，其中所述的工业燃料炉窑是用碳氢化合物或混合物燃料的工业加热炉、锅炉和窑。
全文摘要
本发明涉及工业燃料炉窑燃烧控制方法。本发明解决工业燃料炉窑尾气测氧燃烧控制技术不能准确反映燃料利用程度和不能实现燃烧最佳控制，测氧探头成本高、寿命短、不容易推广应用等技术问题。本发明技术特征是用尾气测氢燃烧控制技术实现对燃料燃烧过程的最佳控制，用水流来冷却、抽取尾气，装制防水、有效、低成本的测氢探头。本发明适用于用碳氢化合物或混合物燃料的工业燃料炉窑的燃烧控制领域。
文档编号F23N5/00GK1034050SQ8710824
公开日1989年7月19日 申请日期1987年12月31日 优先权日1987年12月31日
发明者王雨峰, 李培安, 王谊舟, 何海昌 申请人:中国人民解放军87104部队