专利名称：回收锅炉等的控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制回收锅炉或具有炉膛的其他锅炉的操作的方法和系统，其中该操作由监视传感器监视，所述传感器将获得的电磁辐射转换成电信号，该电信号传输给形成物体图像的图像处理单元。
特别是，本发明涉及控制回收锅炉中的焦床的方法，其中该焦床由监视传感器监视，所述传感器将获得的辐射转换成电信号，该电信号传输给根据来自该传感器的数据形成焦床图像的图像处理单元，并且其中该焦床借助于在图像处理单元中形成的图形进行控制。
背景技术：
在Kraft制浆法中，纤维材料，最普通的木材碎屑，在蒸煮器中在高压下在蒸气加热的称之为白液的氢氧化钠和硫酸钠的水溶液中被溶化成木浆。在蒸煮器中蒸煮之后，该木浆从称之为黑液的剩余液体中分离。黑液是包含木质、其他有机物质以及在蒸煮过程中在蒸煮器中氧化的无机化合物的水溶液。这种溶液在脱水车间被烘干成55-85％干固态浓缩物(浓缩的)，然后黑液2被喷射(3)进回收锅炉的炉膛(1)中，并(在回收锅炉中)燃烧以回收蒸煮的化学物(图1)，并产生用于纸浆厂蒸气，该蒸气用于产生动力、用于纸浆蒸煮和烘干、用于黑液烘干，以及用于其他能量需求。
黑液中的无机物在回收锅炉中被回收以便在蒸煮过程中再利用。该回收在下部炉膛中需要特定的还原气氛。通常，这是通过在炉膛的底面10形成焦床来实现。该焦床的形状和尺寸决定于锅炉的结构，但是从熔体溢流高度15计算，它的最高点可以是1-2米高。该无机物作为熔融的熔体16a和16b从锅炉炉膛取出。熔体中的主要成分是Na2CO3和Na2S，其中有少量的钾基化合物。少量的未处理成分也以熔体形式从炉膛流出。
液体从称之为喷口的几个位置3喷进炉膛中。该喷口通常设置在称为液体供给高度的一个高度上，但是可以有多于一个高度，以满足特殊需要。当液体被喷进炉膛中时，它由于热气氛而被加热，结果被烘干并热解。在热解阶段黑液的有机结构被破坏；部分物质将作为热解气体成为炉膛气氛，部分物质作为焦碳继续通过。两种材料流被点燃并燃烧，直到有机物质被耗尽。黑液中非常少量的原始有机材料在现代回收锅炉中未燃烧离开炉膛。根据原始微滴的尺寸，焦碳在一次行程中全部燃烧，或最终成为焦床4和在炉壁上。在现代回收锅炉烘干中，炉壁的热解和燃烧应当减至最小，焦床由燃烧的液体微滴12、燃烧的焦碳和无机物形成，其中硫化物从氧化形式起反应变成还原形式。这种还原需要碳的存在，因此为了得到良好的还原效率，焦床控制很重要。还原效率表示以熔体形式从炉膛16a和16b流出的全部硫的多少份成为还原形式，即，Na2S+K2S。通常超过90％。当还原反应进行良好时还原效率超过95-96％。
在液体喷射中还形成小液滴，并且这些液滴13在喷射过程中被烘干、热解并燃烧。最终进入炉膛的底面区域的液滴由于炉膛上部的燃烧气氛往往包含氧化硫。硫还原再一次需要碳。良好的全部还原需要好碳覆盖整个底面。碳和氧化硫，其中最大量的是与Na2SO4之间的反应，与温度强烈相关并且需要能量。因此只有焦床4表面上很薄的表面层14发生反应，这意味着焦床不必很高。液体喷射的控制可能性和特性，以及与还原特性一起的不同助燃空气输入决定焦床实际形状。如果焦床长得太大，有焦床倒塌成空气口的危险，通常成为主要空气口，并且有熔体经由熔体输送管逃逸到溶解容器的危险。
有效的燃烧过程要求焦床能够容易控制。因此认识到在Kraft回收系统中需要监视并控制焦床的形状和尺寸已经许多年；但是仍然没有获得自动控制焦床的可靠方法。
在炉膛范围内燃气温度通常为从100-200℃——这是进入空气和液体的温度，到炉膛最热区域中的1200-1400℃——这是例如第三次空气被输进改炉膛中，或发生最终燃烧的区域。在焦床表面上温度通常为900-1200℃。离开炉膛的熔体的温度通常为800-900℃。根据锅炉的压力和观察点炉膛干净炉壁的温度为250-400℃，管子之间的管或散热片的温度高于汽化水在其中流动的管子，该汽化水冷却炉壁并且产生在过热器中用于过热的大部分蒸气。沉淀通常发生在炉壁上，这将使沉淀表面的温度升高到接近于该气相温度和焦床中的温度。
所有的表面辐射热辐射。这种辐射基本上是连续的，但是作为温度函数的诸如辐射率的辐射性质的变化使得辐射密度分布不符合普朗克定律。当然，当作为温度和成分函数的辐射性质关系已知时，能够产生适当的修正因素，以适合若干隔波长上的测量强度，以便估算该辐射表面的温度。
在炉膛气体气氛中的气体、液体和固体也辐射，但是这种辐射至少部分地集中于频谱，并且可能有这样的波长区域，在该区域辐射或吸收很微弱。用于成像焦床的这些频谱窗对于形成焦床图像是潜在的。炉膛内的小颗粒辐射并散布进入的电磁辐射，这使系统变复杂。因此炉膛内的电磁辐射现像是非常复杂的。在充满蒸气和颗粒的热气氛中使焦床成像的关键因素是接收来自该焦床电磁辐射信息，该焦床不受围绕气氛过分地影响。
利用安装在特定孔口或空气入口的TV摄像机监视该焦床是已知的，即该TV摄像机连续地扫描来自焦床的电磁信息，并且TV装置在控制室提供画面使得操作者能够利用这种画面控制炉膛。这种类型摄像机的检测器如今通常操作1.7微米左右的波长。
用TV摄像机监视焦床的高度和形状，并且当焦床偏离超过预定高度和/或形状的限度时能够自动反应，并控制炉膛运行参数以维持该焦床在要求的高度和/或形状的这种装置已经空开在CA 1166842中。该回收锅炉具有安装TV摄像机的孔口，或摄像机可以安装在选择的孔口中。来自这些摄像机的信号经由传输线传输给在控制室的电视监视器，该电视监视器在控制室的监视屏上可视地显示由每台摄像机拍摄的该焦床画面。该信号也传输给视频图像处理器，该图像处理器将由每个摄像机检测的图像数字化，根据形状、灰度或亮度编码每帧的每个点，以使设置在图像处理其中的分析器能够在不同的形状之间进行识别，因而获得焦床和周围气氛之间的界面。以这种方式能够确定该界面的位置并且因此确定该焦床的外形。
虽然可以用响应可视辐射的摄像机，但是烟气颗粒和气体辐射在可视区域产生问题，并且来自该处理区的红外辐射的强度大于该光谱可视部分的辐射。而且，与处理环境相关的环境因素可以与小于可视辐射的红外辐射发生干扰。由于这些原因，可以利用作为例子公开在US 5,219,226中的红外摄像机，以产生表示接收的红外辐射的强度的视频图像。
利用传统的TV或IR(红外)摄像机的现有技术方案的缺点在于它们只能够形成焦床的平面(2D)图。这种平面图不能为控制目的提供可靠的图像。
为了获得更加可靠的图像已经进行过一些尝试。JP-A-61130725公开了一种焦床监视装置，其中提供TV摄像机和图像处理装置用于探测焦床并且用于利用图像信号形成该焦床的三维图像。但是，在日本公告中，该TV摄像机产生常规的二维图像信号，并且三维图像是借助于该平面图信息其后通过图像数据处理得到的。这需要大量的数据处理容量，并且用于形成用于控制目的的三维焦床图像不是适合的系统。
现有技术方案的另一个缺点是它们只在一定的波长范围内运行。因此现有技术系统利用滤光器以限制从自焦床传输以被成像的电磁辐射的波长，通常波长大于1微米。一般来说滤光器将传输的光限制在很窄的波段，正如例如在US Re.33,857所公开的。
发明内容
因此，本发明的目的是消除现有技术的缺点，提供一种用于控制回收锅炉或其他锅炉运行的改进的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种利用图像信息通过控制黑液的喷射和助燃空气的输入自动控制焦床的方法。
本发明基于利用三维传感器设置的系统，因而能够检索并处理实时三维焦床图像，用于控制目的。而且本发明基于利用诸如焦(熔体)床成像的成像中的若干个波长范围。本发明能够用于炉膛壁上的焦碳或化学物质的成像形成。
本发明的特征在权利要求中详细地给出。
本发明的优点如下在成像过程中通过比较来自不同波长的二维或/和三维图像很容易分开干扰和焦床，并且找出相互关系。而且能够获得可靠的焦床图像。还有通过将几个波长的测量辐射强度拟合到Planck辐射强度分布曲线能够绘制焦床表面温度图。并且还有能够修改静态黑液燃烧过程使得它变成具有较短的控制响应时间的动态控制过程。
从下面的本发明优选实施例的详细描，将更清楚地理解本发明的前述和附加目的、特征以及优点，其中图1是根据本发明的回收锅炉的示意剖视图，和图2是根据本发明的焦床控制系统的详细方块图。
具体实施例方式
图1示出在Kraft纸浆生产过程中用于燃烧黑液的回收锅炉炉膛1。在蒸煮过程中排放的黑液2通过设置在该炉膛1中的喷嘴3注入该锅炉中。它在该炉膛1的底部，在底面10上形成焦床4，并且利用通过设置在不同高度的空气进入口5a、5b和5c(在炉膛1下部的第一开口5a、第二开口5b，在炉膛1中部的第三开口5c，以及在低NOX燃烧情况下的第三开口也在炉膛1的上部)引进锅炉炉膛中的助燃空气燃烧该焦床。
该焦床用例如围绕锅炉设置的具有三个传感器6a至6c的三维成像装置监视，如图1所示。来自这些传感器的信号经由传输线7传输给用于图像处理的控制单元8。该控制单元处理信号并生成焦床的三维图像，该三维图像能够可视地显示在控制室的监视屏9上。操作者可以利用这种图像以手动控制该炉膛，并因此控制该焦床的形状和尺寸。
图2示出本发明的方块图。图像传感器6a至6c是由两个相邻的传感器头11和12构成的三维传感器，能够形成焦床的立体图像，以便限定焦床表面上的每个点的位置，因此能够产生用于在控制单元中的图像处理的三维成像信号。实际上，该焦床4的表面14被分成基本单元，其数目取决于传感器中的单元的数目。例如，在横截面为15m×14m的炉膛中，大小为0.1m×0.1m的基本单元在理想情况下需要21000个传感器单元。而且该传感器头11、12是宽范围波长传感器，能够从包括若干个频谱窗的宽范围内得出图像信号，例如，如US Re.33,857所示，根据图2的一般适合于由上述分析识别焦床成像的频谱窗包括1.57到1.73微米；2.23到2.43微米；3.25到4.05微米；4.80到5.30微米；6.90到7.20微米；7.60到7.80微米；7.90到1 3.90微米，以及超过13.90微米到毫米或亚毫米波长范围的其他窗。该频谱窗也可以包括紫外及可见波长范围。物理上该传感器头对于所有的所用波长可以一体化，或者分成若干个区域。这些区域甚至可以物理上分开，即传感器头对于成像系统中使用的不同波长是分开的。
在传感器头11、12中的传感器构造成以便它们对一定波长的信号敏感，该波长被选择为使得炉膛中的燃烧过程和该炉膛中的气氛，在焦床和传感器之间经可能尽可能小地干扰源自该焦床的信号。例子是超导天线耦合的微热辐射计，或量子阱。在不同波长接收的信号传输给图像处理控制单元14，用于形成三维焦床图像，该三维图像然后能够显示在屏幕上，但是图像也能够传输给该锅炉控制系统16中的自动焦床控制单元15。
其他的可能性是在传感器头11、12之后，信号传输给滤波单元13，该滤波单元将来自传感器的信号滤波成若干个比较窄的波段(如上所述，频谱窗)，BAND1至BANDn，这再一次避免来自炉膛1中的热气体、液体和颗粒的热辐射发射的干扰。该滤波可以经由机械的、光学的、相关材料或电子器件发生，或经由这些组合的器件发生。滤波之后，信号传输给图像处理控制单元14，用于形成能够在屏幕上显示的三维焦床图像，但是图像也可以传输给锅炉控制系统16中的自动焦床控制单元15。
该传感器分成若干个子传感器，因而每个子传感器在相关波长范围内是自选择的，即它们选择性地接收一定波长范围内的信号。由于这些传感器具有用于不同波长范围的不同的传感器头，因此得到必要的频谱窗。不需要传统的滤波，而是该滤波基于比较的滤波，即通过搜索来自与时间相关的不同的二维传感器图像的关系，并且通过当图像被修正并且因此形成正确的三维图像时来确定进行的比较滤波。
自动控制单元15产生能够用于液体喷嘴控制的焦床控制信号CTRL16，例如以便焦床图像控制可移动喷嘴致动器17的运动，因而致动器根据来自该控制单元15的指令移动该喷嘴。该控制单元15可以基于基本控制单元中的简单规则，用于例如在黑液喷射到炉膛中之前控制该黑液温度，或者控制单元15可以基于用计算的流体动态模拟生成的该炉膛的数字模型。作为举例，该控制单元15还可以利用神经法、模糊逻辑法或Bayesian算法。
在图像处理中通过比较来自不同波长区域的三维图像，干扰和焦床被分开，并且通过从来自不同波长区域的这些图像选择相关的图像，找到相互关系并形成最终的三维图像。
如上所述，在图像材料上形成三维图像之前发生滤波阶段，其中优选考虑普朗克辐射定律将来自不同频率的图像相互比较。但是，该滤波也可以发生在形成三维图像之后，因而在这种情况下，对具有例如由炉膛内不同气体组分的燃烧或辐射引起的干扰的三维图像进行滤波。作为比较来自不同频率区域的滤波结果——其优选至少部分地是可比较，获得最终的焦床三维图像。
对于本领域的技术人员来说，很显然本发明的不同实施例不限于上述例子，而是这些实施例在权利要求的范围内可以进行变化。
对于本领域的技术人员来说，很显然所述在若干个波长情况下的电磁数据的收集，如上所述滤波并比较收集的数据，以去掉电磁信号中的干扰成分，以便获得的二维或三维图像能够应用于比回收锅炉的焦床较更容易的应用。潜在的应用包括例如，回收锅炉中的热传输表面以及用于它们吹灰的需要、锅炉部件、灰粉漏斗、燃料箱等，在其他生物体燃烧锅炉中、在燃煤锅炉中。在各种类型的烘干器和烤箱中本发明能够应用于处理跟踪和控制、粘着性以及增长控制。
权利要求
1.一种用于控制回收锅炉或其他具有炉膛的锅炉的运行的方法，其中运行由监视传感器监视，所述传感器将获得的电磁辐射转换成电信号，该电信号被传输以进行图像处理，该图像处理根据来自传感器的数据形成物体的图像，该物体是例如焦床和/或炉壁上的焦和/或化学物质和/或锅炉表面上的沉积物，并且其中借助于图像控制运行，例如焦床的燃烧和/或炉壁上的焦和/或化学物质的形成和/或锅炉表面上的沉积物的形成，其特征在于传感器(6a-6c)产生用于3D(三维)成像的传感器信号，该传感器信号被传输给图形处理单元(14)，用于形成三维图像，例如焦床和/或焦和/或化学物质的图像，和/或其形状描述的导出物、和/或焦床表面(14)温度图，和图像处理还包括滤波阶段，其中传感器信号或3D图像被滤波，以避免炉膛内的热气体、液体和/或颗粒的热辐射发射，其中传感器信号或3D图像被传输给滤波单元(13)，该滤波单元(13)将信号/图像滤波成若干个比较窄的波段(BAND1至BANDn)，因而通过来自所选择的不同频段的传感器信号或3D图像的比较分析，获得最终的3D图像。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该传感器(6a-6c)是更宽范围的传感器，能够获得若干个波长范围的辐射数据，特别是在紫外、可见、红外以及毫米波长范围内的辐射数据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该滤波发生在形成3D图像之后，因而对于具有由例如炉膛内不同气体组分的燃烧或辐射引起的干扰的的图像进行滤波，并且作为滤波的结果获得焦床的最终3D图像。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于该滤波发生在形成3D图像之前，使得传感器信号传输给滤波单元(13)，该滤波单元(13)将来自传感器的信号滤波到若干个比较窄的波段(BAND1至BANDn)，与这些气体中的H2O、CO和CO2强影响波段的吸收相比，该若干个比较窄的波段中至少两个波段避免热气体和该气体中的组分的辐射(光)吸收和发射。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于该3D图像、其导出物和/或温度图示作该区域中的模型。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过利用该图像信息控制该黑液的喷射而自动控制该焦床。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于该图像操纵可移动的喷嘴致动器(17)的运动，因而该致动器根据来自控制单元(15)的指令移动该喷嘴。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过利用该图像信息控制不同空气输入的速度和流量，自动控制该焦床和/或该炉壁上的焦和/或化学物质。
9.如权利要求1所述用于控制该焦床(4)的方法，其特征在于该传感器被分成子传感器，该子传感器相对于该波长是选择性的，使得它们在一定波长范围内选择性地接收信号。
10.一种用于控制回收锅炉或其他具有炉膛的锅炉的运行的系统，其中运行由监视传感器监视，所述传感器将获得的电磁辐射转换成电信号，该电信号传输给根据来自传感器的数据形成物体的图像的图像处理单元，该物体例如是焦床和/或炉壁上的焦和/或化学物质和/或锅炉表面上的沉积物，并且其中借助于图像控制运行，例如焦床的燃烧和/或炉壁上的焦和/或化学物质的形成和/或锅炉表面上的沉积物的形成，其特征在于传感器(6a-6c)产生用于3D(三维)成像的传感器信号，该传感器信号传输给图形处理单元(14)，用于形成三维图像，例如焦床和/或焦和/或化学物质的图像，和/或其形状描述的导出物、和/或该焦床表面(14)温度图，并且图像处理还包括滤波阶段，其中传感器信号或3D图像被滤波，以避免炉膛内的热气体、液体和/或颗粒的热辐射发射，其中该传感器信号或3D图像被传输给滤波单元(13)，该滤波单元将该信号/图像滤波成若干个比较窄的波段(BAND1至BANDn)，因而通过来自所选择的不同频段的传感器信号或3D图像的比较分析，获得最终的3D图像。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于该传感器(6a-6c)是更宽范围的传感器，能够获得在若干波长范围内的辐射数据，特别是在紫外、可见、红外以及毫米波长范围内的辐射数据。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于在形成3D图像之后设置该滤波系统，因而对于具有由例如炉膛内不同气体组分的燃烧或辐射引起的干扰的的图像进行滤波，并且作为滤波的结果获得焦床的最终3D图像。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于在形成3D图像之前设置该滤波系统，使得该传感器信号传输给滤波单元(13)，该滤波单元(13)将来自传感器的信号滤波成若干个比较窄的波段BAND1至BANDn，与这些气体中的H2O、CO和CO2强影响波段的吸收相比，该若干个比较窄的波段中至少两个波段避免热气体和该气体中的组分的辐射(光)吸收和发射。
14.如权利要求10所述的系统，其特征在于该3D图像、其导出物和/或温度图被示为该区域中的模型。
15.如权利要求10所述的系统，其特征在于通过利用该图像信息控制该黑液的喷射而自动控制该焦床。
16.如权利要求10所述的系统，其特征在于该焦床图像操纵可移动喷嘴致动器(17)的运动，因而该致动器根据来自控制单元(15)的指令移动该喷嘴。
17.如权利要求10所述的系统，其特征在于该焦床图像操纵可移动喷嘴致动器(17)的运动，因而该致动器根据来自控制单元(15)的指令移动该喷嘴。
18.如权利要求1所述用于控制焦床(4)、形成在炉壁上的焦和/或化学物质的方法，其特征在于该方法用于在锅炉的喷液枪之下的下炉膛和直达顶部的上炉膛内减少并控制进入并沉积在炉壁(11)上的液体微滴的量。
19.如权利要求10所述用于控制焦床(4)、形成在炉壁上的焦和/或化学物质的系统，其特征在于该系统用于该锅炉的喷液枪之下的下炉膛和直达顶部的上炉膛内减少并控制进入并沉积在炉壁(11)上的液体微滴的量。
20.如权利要求10所述用于控制焦床(4)的系统，其特征在于传感器被分成子传感器，该子传感器包括在不同波长范围的传感器头，该传感器头相对于波长是选择性的，使得它们在一定的波长范围内选择性地接收信号。
全文摘要
用于控制回收锅炉或其他锅炉的运行的方法和系统，该锅炉具有炉膛，其中运行由监视传感器监视，所述传感器将获得的电磁辐射转换成电信号，该电信号被传输以进行图像处理，该图像处理根据来自传感器的数据形成物体的图像，该物体是例如焦床和/或炉壁上的焦和/或化学物质和/或锅炉表面上的沉积物，并且其中借助于图像控制运行，例如焦床的燃烧和/或炉壁上的焦和/或化学物质的形成和/或锅炉表面上的沉积物的形成，其中传感器(6a－6c)产生用于3D(三维)成像的传感器信号，其中该传感器信号被传输给图形处理单元(14)以形成三维图像，例如焦床和/或焦和/或化学物质的图像、和/或其形状描述的导出物和/或焦床表面(14)温度图，并且其中图像处理还包括滤波阶段，其中传感器信号或3D图像被滤波，以便避免炉膛内的热气体、液体和/或颗粒的热辐射发射，其中传感器信号或3D图像被传输给滤波单元(13)，该滤波单元(13)将该信号/图像滤波到若干个比较窄的波段(BAND1至BANDn)，因而通过比较分析来自所选择的不同频段的传感器信号或3D图像，获得最终的3D图像。
文档编号G01NGK101048652SQ200580037258
公开日2007年10月3日 申请日期2005年7月11日 优先权日2004年11月4日
发明者卡里·萨维哈留 申请人:安德里兹公司