用于确定反应器的流化床中的局部温度异常的方法、用于标定反应器的流化床的数值模型的方法、用于估计流化床反应器床烧结的风险的方法、控制流化床反应器的方法以及反应器与流程

本发明涉及流化床反应器的控制，例如配置用于在流化床中实施一过程的循环流化床(cfb)或鼓泡流化床(bfb)锅炉、气化器或反应器。

背景技术：

1、反应器，例如炉排锅炉和流化床锅炉，通常用于产生蒸汽，蒸汽可用于多种目的，例如用于发电和加热。

2、使用流化床反应器来将固体材料转化为气体产物也是已知的，例如气化器。

3、在流化床锅炉中，燃料和固体颗粒床材料引入炉中，并通过从炉的底部部分引入流化气体来流化床材料和燃料。燃料的燃烧在炉中发生。在bfb燃烧中，流化气体通过床，从而在床中形成气泡。在bfb中流化床可以通过控制流化气体供给和燃料供给来相当方便地控制。

4、在cfb燃烧中，流化气体通过床材料。大多数床颗粒将夹带在流化气体中并且它们将由流化气体携带。颗粒从流化气体分离并使它们循环返回炉中。

5、为了使流化床中的过程将根据期望进行，流化床的控制是最重要的。

技术实现思路

1、本发明的第一目的是改进流化床反应器系统中的床控制。该目的可以使用根据独立权利要求1的方法来满足。

2、本发明的第二目的是改进流化床反应器系统中的床控制的精度。该目的可以使用根据平行独立权利要求6的方法来满足。

3、本发明的第三目的是改进流化床反应器系统中的床控制。该目的可以使用根据平行独立权利要求9的方法来满足。

4、本发明的第四目的是改进流化床反应器系统中的床控制。该目的可以使用根据平行独立权利要求12的方法来满足。

5、从属权利要求描述了方法的有利方面。

6、本发明的优点

7、关于本发明的第一目的，用于确定流化床反应器系统中的局部温度异常的方法，该反应器系统包括具有栅格的反应室，该栅格配备有至少三个温度传感器，所述至少三个温度传感器一起限定测量栅格，其中，每个温度传感器代表测量点，所述方法包括以下步骤：

8、-在测量点处测量床温度；

9、-使用至少一个数值床温度模型计算测量点的床温度，以获得在反应器系统的正常操作状况下的计算床温度；

10、-对于测量点中的至少一些，将测量温度与计算温度进行比较，并且如果超过异常阈值，则确定存在局部温度异常。

11、使用该方法，用于监测床温度的至少三个温度传感器与数值床温度模型一起，提高了流化床温度测量的精度，使得现在可以检测局部床温度异常。

12、特别地，尤其是如果床温度在栅格水平处测量，在不愿意受理论束缚的情况下，局部异常可以被视为与流化床中的烧结状况的开始相关。本发明人已经观察到局部温度异常充当流化床开始烧结的前兆。因此，通过监测测量温度相对于计算温度，可以检测到开始的床烧结，并且可以及时采取措施来修复床或至少避免烧结变得更糟。这可能有助于避免反应器系统由于床烧结而关闭，以及昂贵的维修。有利地，床温度异常提供关于床质量的信息，优选地，床中是否发生烧结的信息。或者换句话说，将有可能接收关于床相关问题的信息，如果不采取补救行动，所述问题可能具有导致关闭的趋势。因此，可以改进反应器的可用性和/或可以降低操作成本。该方法优选地在本地控制系统中或远程地、优选地在过程智能系统中自动地执行。

13、测量点的计算床温度可以通过以下方式获得：

14、-准备和标定反应器操作数据(包括预定过程变量)与每个测量点处的测量床温度之间的数值模型；

15、-监测反应器的当前操作数据，包括每个测量点处的测量温度以及预定过程变量；

16、-对于至少一个测量点，数值模型用于使用当前操作数据和至少两个其它测量点的测量温度来计算计算温度；

17、-将计算温度和测量温度相对于异常标准进行比较，并且如果满足异常标准则确定存在局部温度异常。

18、可以使用优选地至少m天前的历史数据以延迟的方式执行标定，其中m至少为3，优选地m至少为7，更优选地m至少为14。以这种方式，可以更好确保刚刚出现的床质量问题将不会污染标定。

19、在流化床中实施燃烧过程的情况下，预定过程变量包括一次空气流量、燃料水分、主蒸汽流量、烟气氧量和床压力以及测量床温度。

20、根据本发明的实施例，计算床温度模型可以从以下方程获得：

21、y＝b0+b1×x1+b2×x2+...+bn-1×xn-1+bn×xn，

22、其中：

23、b0…bn是从线性回归模型获得的模型系数

24、x1至xn＝预选定过程变量1至n

25、在反应器是流化床气化器的情况下，过程参数包括以下中的一个或多个：

26、x1＝供给气化器的总蒸汽流量

27、x2＝至气化器的氧气入口流量

28、x3＝待气化原料的预选定属性(例如水分、和/或碱含量、和/或卤素含量中的一种或多种)

29、x4＝床温度测量值的平均值

30、x5＝预选定属性(例如h2和co,h2o、co2、o2和n2中的一种或多种)

31、x5＝床压力的平均值

32、x6＝再循环气体流量的平均值(如果适用)

33、x7＝蒸汽和氧气入口供给之间的控制比的平均值

34、在反应器是用于水合碱金属氧化物或碱土金属氧化物的流化床水合反应器的情况下，过程参数包括以下中的一个或多个：

35、x1＝总蒸汽流量

36、x2＝待水合的碱金属氧化物的第一预选定属性(例如其原始形式或其旨在增强其性能的工程变体(例如涂层或处理)的材料的尺寸分布、孔隙率和反应性))

37、x3＝床温度测量值的平均值

38、x4＝产物气体含量/温度

39、x5＝床压力的平均值

40、x6＝再循环气体流量的平均值。

41、在反应器是用于清洁烟气或过程气体流以去除co2和/或其它酸性气体的流化床反应器的情况下，过程参数包括以下中的一个或多个：

42、x1＝待清洁气体的总流率

43、x2＝待清洁气体的预选定属性

44、x3＝床温度测量值的平均值

45、x4＝反应物材料(例如进入反应器的cao)的流量

46、x5＝结果材料(例如来自反应器的caco3)的流率

47、x5＝床压力的平均值

48、在反应器是配置为燃烧燃料材料的流化床锅炉的情况下，可以从以下方程获得计算床温度模型：

49、y＝b0+b1×x1+b2×x2+b3×x3+b4×x4+b5×x5+b6×x6，

50、其中：

51、b0…b6是从线性回归模型获得的模型系数，以及

52、预定过程变量包括：

53、x1＝总空气流量，计算为一次空气流量(x1prim)和二次空气流量(x1sec)的总和

54、x2＝燃料水分

55、x3＝与输出床温度测量值(y)相邻的床温度测量值(x3a,x3b)的平均值

56、x4＝烟气氧含量

57、x5＝床压力的平均值

58、x6＝再循环气体流量的平均值。

59、根据实施例，可以计算或测量燃料水分。

60、根据本发明的实施例，计算床温度模型可以从以下方程获得：

61、y＝b0+b1×x1+b2×x2+b3×x3+b4×x4+b5×x5+b6×x6，

62、其中：

63、b0…b6是从线性回归模型获得的模型系数

64、x1＝总空气流量，计算为一次空气流量(x1prim)和二次空气流量(x1sec)的总和

65、x2＝烟气h2o含量

66、x3＝与输出床温度测量值(y)相邻的床温度测量值(x3a,x3b)的平均值

67、x4＝烟气氧含量

68、x5＝床压力的平均值

69、x6＝再循环气体流量的平均值。

70、根据本发明的实施例，计算床温度可以使用人工智能工具获得。根据本发明的实施例，可以使用神经网络获得计算床温度。

71、优选地，在检测到局部温度异常时在预定时间内不执行标定(即省去标定)。附加地或替代地，反应器关闭情况、异常操作和/或异常床状况优选地从标定数据滤除或省去。这种方法可能有助于避免可能的床质量问题污染标定。这种方法可以进行微调，以便在检测到满足给定阈值的局部温度异常时在预定时间内不执行标定。于是，只有产生足够大的异常信号的足够严格的条件才可以被选择来导致在预定时间段内跳过标定。

72、关于本发明的第二目的，在用于标定反应器系统的流化床的数值模型的方法中，包括具有栅格的反应室，所述栅格配备有至少三个温度传感器，所述至少三个温度传感器一起限定测量栅格，其中，每个温度传感器代表测量点，并且其中，反应器系统已经配置成在每个测量点处产生测量温度。

73、这优选地在用于本发明的第一目的的方法的背景中使用：

74、-监测反应器的当前操作数据，包括每个测量点处的测量温度和预定过程变量，并收集成历史数据；

75、-使用至少一种数值拟合方法来拟合(优选地为数值回归方法，有利地为最小二乘拟合)在反应器操作数据(包括预定过程变量)与每个测量点处的测量床温度之间的数值模型。

76、以这种方式，可以生成标定数值模型，该标定数值模型将在反应器系统的不同操作状况下产生适当精确的结果。

77、标定可以以预定间隔重复，例如周期性地重复。这有助于保持标定真实，反映反应器系统的可能磨损和撕裂，而且还反映可能导致操作参数随时间变化的过程变量、环境状况(温度、环境湿度、环境压力变化)的变化。

78、在检测到局部温度异常时可以阻止标定。以这种方式，可以更好地确保刚刚出现的床质量问题将不会污染标定。

79、关于本发明的第三目的，用于估计流化床反应器系统的床的烧结风险的方法，该流化床反应器系统包括具有栅格的反应室，该栅格配备有至少三个温度传感器，所述至少三个温度传感器一起限定测量栅格，其中，每个温度传感器代表测量点，所述方法包括以下步骤：

80、-在每个测量点处测量反应器的当前操作数据，即反应器的床中的测量温度；

81、-根据反应器的当前操作数据，

82、i)计算测量床温度的平均值；

83、ii)计算测量床温度的标准偏差；

84、iii)计算测量床最高温度和测量床最低温度之间的差；

85、iv)计算测量床温度的展宽(spread)；

86、-使用i)、ii)、iii)和iv)的计算结果，准备床烧结指数。

87、优选使用的烧结指数的定义的一种可能性可以是：

88、当进行如下时：

89、i)计算测量床温度的平均值；

90、ii)计算测量床温度的标准偏差；

91、iii)计算测量床最高温度和测量床最低温度之间的差；

92、iv)计算测量床温度的展宽

93、将其与对应预定限值进行比较，从而得到平均值、偏差、差和展宽的烧结风险指数。

94、方法还可以发展，使得，

95、当进行如下时：

96、v)计算相同测量点的计算床温度tci；i＝1,...,n，以及计算测量床温度tmi；i＝1,...,n与计算床温度之间的残差。

97、将其与对应预定限值进行比较，从而得到床温度残差的烧结风险指数。

98、例如，最终风险指数于是可以是上述风险指数中的最大值。

99、本发明人已经观察到，以这种方式，所得到的床烧结指数提供了对除非足够早地进行处理以采取纠正行动否则可能导致关闭反应器的流化床状况的指示，使得可能避免需要关闭反应器。将参考图7更详细地讨论这个方面。

100、优选地，在所述方法中，进一步地，

101、vi)计算相同测量点的计算床温度，并计算测量床温度和计算床温度之间的残差；并且其中步骤v)的结果也用于准备床烧结指数。

102、以这种方式，仍然可以改进床烧结指数的预测精度。

103、在根据本发明的第三目的的方法中，可以通过使用根据本发明的第一目的的方法来获得计算床温度。

104、关于本发明的第四目的，在控制流化床反应器系统的方法中：

105、监测局部床温度异常和/或床烧结指数；

106、当检测到局部床温度异常和/或床烧结指数超过预定标准时，自动调节反应器系统的操作和/或向操作者指示检测到局部床温度异常和/或床烧结状况。

107、以这种方式，反应器系统可以被自动控制以防止床烧结，或者操作者将能够在得知局部床温度异常和/或床烧结状况时采取行动以防止床烧结。

108、反应器操作的自动调节可以包括以下中的至少一个：a)增加或减少反应物供给，b)增加或减少待处理原料的流率，c)增加或减少床材料供给和/或床材料去除，e)暂时限制反应器产量或输出。

109、根据本发明的实施例，自动调节或所谓的补救行动包括以下中的至少一个：

110、-改变待处理原料的成分，例如燃烧应用中的燃料成分

111、-通过栅格喷嘴触发空气脉冲

112、-引入影响床材料烧结趋势的供给添加剂，或增加这种供给添加剂的量。

113、测量床温度可能在烧结的早期阶段开始下降。因此，当在床监测过程中确定床温度低于建模床温度从而超过异常阈值时，可以确定异常床状况。

114、可以使用根据本发明的第一目的的方法来监测局部床温度异常。

115、可以使用根据本发明的第三目的的方法来监测床烧结指数。

116、优选地，在该方法中，监测的局部床温度异常和/或监测烧结指数是数值模型。数值模型的延迟标定可用于减少或避免标定数据中的最近床状况的影响。

117、有利地，使用根据本发明的第二目的的方法来执行延迟标定。

118、该反应器系统被配置成执行根据本发明的目的中的任一个的方法。