測定自由基形成過程的特徵的方法

2023-10-09 20:44:34 2

專利名稱：測定自由基形成過程的特徵的方法
技術領域：
本發明涉及測定自由基形成過程的特徵的方法。
自由基的形成發生在各種熱和/或化學轉化中，例如，在礦物燃料如硬煤或褐煤、重油、天然氣的燃燒中，在汙泥、廢棄物或有害廢物的燃燒中，在含碳物料的氣化中或還發生在其他化學和/或熱過程中。
為了控制包括這些過程的各種方法，例如為了編排控制一個過程的指令變量，特別是考慮到NOx和2，3，7，8TCDD及氧芴的產生，分別把各過程的特性記錄下來，然後概括地對其作出相應的評估。由此，被記錄下來的特性可直接和/或間接地，即例如經過在基本數的計算後，形成指令變量。
測定溫度作為特性的各種方法是已知的。例如在一個用吸氣高溫計進行操作的方法中，通過反應器的觀察孔將一個冷卻的槍夾住在反應空間，並測定被吸出的氣體量的溫度。儘管花費了高的測量費用，但由此還是只能測出一個單一的局部溫度，此外，由於把槍插入這件事本身就會影響測量結果，因此測定是含有誤差的。此外，該方法只能不精確地隨後對一個局部地分配在反應空間的溫度作評估，而且槍要受到高的熱應力和磨損。
對於測定化學和/或熱過程的溫度，使用非接觸的方法也是已知的。對於燃煤發電廠燃燒室溫度的非接觸測定，有人提出在圍繞燃燒室的牆外的一個平面中安置許多聲源檢測器單元。在此方法中，一個聲源檢測器單元傳送一個諸如脈衝之類的瞬間信號，它被其他聲源檢測器單元接收。然後，傳送和接收聲信號作周期性的交換，直至每一單元傳送了一次而其他單元相應地經常接收聲信號。從聲通過燃燒室時傳送速度的改變推斷出燃燒氣的瞬時密度，然後推斷出它的溫度。該方法的缺點是只能測出平均溫度值，因為由聲源檢測器單元激發的聲波只是部分地通過整個燃燒室，而燃燒室中溫度是不均勻地分布的，不是均勻地分布的，這導致存在著燃燒氣密度各不相同的區域。而且，粉塵和塵團的形成幹擾正確的溫度測定。
根據歐洲專利申請EP-A-0317731，測定燃燒過程中產生的自由基以控制廢棄物的燃燒過程的方法也是已知的。
鑑於諸如廢棄物燃燒廠的在燃燒爐內進行測定的方法至今不能令人滿意，因此目前仍無法對導致沾汙物生成的因數進行確切的分析。
特別是，在前述的那些轉化中，對局部狀況的檢測的可能性是不能令人滿意的。
因此，本發明的目的是提供測定在高溫下操作的過程的特性的改良法。
此目的可以用測定產生自由基的過程的特性的一種方法加以實現;而該方法的特徵在於，在可被至少2個檢測器監測的各個區域中，可用檢測器檢測溫度和/或自由基的濃度。
由於在含自由基的區域的輻射譜被至少2個檢測器所檢測，因此可對空間非均勻狀態變量和動力學形成過程加以考慮。對此類區域中的輻射譜的評估確保了正確測定局部狀態變量和局部形成過程。諸區域中的溫度和/或諸區域中的自由基濃度的測定提供了產生自由基的過程的本質性的特徵以及評估和控制這一過程的基本因素。據此以檢測NOx的產生具有特別重要的意義。諸區域中的溫度和自由基濃度狀況的知識可以揭示局部過程的順序，在一定程度上可被用來有目的地幹涉局部過程的順序。此中，可通過對下列各項施加影響而進行幹涉，例如燃燒空氣噴咀、燃料供應、廢氣再循環、燃料分布、所供應的燃燒空氣的溫度，或最終通過注入NH3進行幹涉。
本發明通過限制投射到檢測器中的輻射，能實行有意識地測定反應空間的某些部分，對這些測定的評估具有特別重要的意義。此舉可通過例如限制入射角，例如使其通過一狹縫，而得以實行。
在燃燒室的反應區域中，可分別從熱和化學激發的輻射中產生出輻射譜，籍此可檢測出例如一個近處的燃燒器。任一種氣體均能發射出以旋轉、振動和電子激發所致的基於量化化能量貢獻的波長各不相關的發射帶。燃燒中釋放的化學能可使分子產生激發電子。隨這樣的激發而來的是自發射，通常在紫外區。
各別分子的區域發射和分子承擔的輻射一樣，基本上是沒有譜帶的，例如根據本發明，可用測定輻射譜的方法檢測出由粉粒發出的粒子輻射。這樣，就可應用所述方法正確地確定自由基的濃度。此外，在有燃燒器協助的燃燒過程中，可對某一火焰溫度同時完成火焰自發光的分光鏡測定和使用高溫計的測定。隨著自由基的檢出，對區域中的輻射譜的評估就可被用來證實和定量由於例如菸灰和/或粉塵輻射所致的幹擾影響;這種證實和定量達到這樣的程度，即溫度測定和自由基濃度測定的精確度將有重大的改進。
本方法的另一個優點包括在多個區域中的輻射譜的等時檢測，它確保了等時的、局部的特性的測定。該等時檢測也使記錄某個時間的任何區域中的瞬間溫度狀況和形成過程成為可能。
輻射譜可由一個波長範圍所組成，一種過程中的自由基的輻射帶典型地產生在這個範圍內。在燃燒過程中，較適宜的是檢測約200-520nm的範圍。範圍在例如約300-480nm者適宜於作為燃燒煤時粉塵燃燒器的近處的測定，籍此，除別的以外，可使CO、C2、CN、CH的強度峰呈現在此範圍內。
還可分別為檢測的臨時或永久平衡和校正和/或為改善對輻射譜的評估而提供一種基準輻射的檢測，該基準輻射是從在某一限定波長範圍內輻射的基準輻射物發射出來的。因此，波長範圍可有利地為在自由基特徵輻射帶之外或之間，它使評估和鑑定分別變得更容易。
基準輻射的檢測對檢測自由基時加以考慮的幹擾影響提供了額外的信息，這樣可使估測例如粉塵和/或菸灰負荷變得更為精確。在這一點上，測定和評估基準輻射的吸收可能也是有用的。
應用按本發明的方法，一個方便的實施例示於附圖
中，並描述如下。
附圖示意地表示一燃煤燃燒廠的燃燒室的截面。
在圍著壁1的燃燒室2中，通過包括給料管道的燃燒器設備3供應燃料和燃燒空氣並進行燃燒而產生火焰4。含火焰4的區域5包含燃燒中產生的自由基。
將互相間隔開的2個檢測器6安置在截面實際上為矩形的壁1的2個相鄰的稜上。每個檢測器6檢測區域5中沿輻射方向的輻射譜和輻射強度，幅射方向基本上是扇形的，並形成燃燒室2的錐形截面7的各自的軸。交叉於燃燒室2內的兩個截面7按本發明檢測區域8。
檢測器6經線路9連接於計算單元10，用以分別評估檢測到的輻射譜和輻射強度。計算單元10經目的在於傳送記錄下來的數據的線路11連接於其它控制裝置和控制器。
檢測器6最好有約90°的射線角，藉此可有意識地限制角度。隨在其中發生燃燒過程的燃燒室的類型和形狀而定，可分別用其它的射線角度和觀察角度。在園形截面內可偏向於用較大的射線角，例如超出90°範圍的角度。在矩形截面內，例如≤90°範圍內的射線角度和觀察角度是有用的。觀察角的解析度可達小至幾度，甚至1°，檢測器能檢測相應於射線角的任一輻射方向而來的輻射。按照本發明，在包括著一個或幾個區域8的截面7中的沿著輻射方向射入的輻射在一光學裝置中經分光鏡(例如光柵分光鏡或稜鏡分光鏡)檢測後得到了光譜分析，並反映在光敏檢測矩陣變換(例如矩陣數組(matrixarray)或CCD集成塊)上，以便記錄具有按本發明的包括著一個或幾個區域8的截面7中的任何光譜。
檢測距陣最好含相應於輻射方向數的列和相應於光譜分析精細度的行。檢測距陣的結構也可影響檢測的空間解析度。
有了相應的檢測器6的設計，特別是光學設備的設計，按本發明的區域8的大小當然就可任意地被縮小，且更趨近個別的點，這樣便可改善測量的精確度。
檢測器6基本上測定形成譜帶的波長範圍和無譜帶波長範圍(分別為例如物體和顆粒輻射)的累積輻射強度，以及自由基和分子如C2、CH、CH、CN、OH、NO、NH的譜帶輻射。由於兩種彼此不同的輻射類型的疊加，以這樣的方式連續檢測到的輻射譜可有一種向較大波長漸漸上升的趨勢。
相應於檢測到的輻射強度的信號被檢測器6經線路9輸送到計算單元10，在此，信號報告燃燒室2的錐形截面7中的累積輻射強度。此處的錐形截面含一個或幾個按本發明的區域8，它們包括著有譜帶輻射的自由基，而且基本上也包括粉塵和/或或菸灰顆粒發射的無譜帶輻射。
將記錄在計算單元10中的截面7的累積輻射進行X射線斷層照相術的評估，並確定在按本發明的區域8中的溫度及自由基濃度。分析單個數值的方法對於為重組局部數值要解的方程系統特別有利。
按照比例高溫測定法，將一個或幾個有相關局部強度的譜帶波長範圍用於局部溫度的測定。因為這分別發生在任一輻射方向和任一截面7，所以它相應於一個n維比例高溫測定計。
在第一種解法中，假定影響強度值的粉塵負荷均勻地分布在燃燒室2中，並對任一按本發明的區域8用X射線斷層照相術計算出一個局部強度值。算得的強度值的總和隨後作為沿一個輻射方向的相關容忍量。假如粉塵負荷已被正確地估測，則用X射線斷層照相術重組過的值的總和相當於檢測到的特定的值。
最終經重複校正粉塵負荷後，通過商的產生可從被記錄的局部強度值確定局部溫度。此中，作為邊界狀態，從某一部位和按本發明的區域8的各個商的形成所算得的溫度在一定的偏差內應是相同的。如果情況不是如此，就用粉塵負荷校正而進行迭代法步驟。
為測定自由基的局部濃度，可援引分別與任一輻射方向和任一截面7的強度值在一起的譜帶，以及此時已知的粉塵負荷，藉此，高強度值已定性地指向自由基的高濃度。然後可用X射線斷層照相術確定自由基的局部濃度。
最後從溫度測定識別粉塵負荷具有這樣的優點，即分別沿輻射方向和在截面7中的總強度可容易地用吸收和/或消光影響進行校正，此後自由基的濃度仍需用X射線斷層照相術加以確定。然而，為了確定濃度，也可分別採用在測定溫度時的局部粉末負荷的假定和容忍量，而且這兩種測定過程基本上應平行地加以完成。
為核對測得的局部溫度和自由基濃度的值，可用一平衡步驟，藉此可以核對檢查局部溫度和區域發射的貌似合理性，因為高溫總是表明有個反應區，也即表明有比較高的自由基。例如在爐中，較多的CO傾向於存在於低溫度處，而較多的NOx則在高溫的反應區域。
按照本發明的方法，可允許甚至在多個燃燒室或反應器的幾個水平上測定溫度和/或濃度狀況，從而可測定其他空間非不均勻性，並可分別獲得甚至更廣泛的多個過程和一個過程狀態的綜合描述。因此，可以提供出其它的檢測器，例如，相對於第一對檢測器來說，最終排列成對的，橫向地和/或平行地和/或呈其它配置方式的。
此外，測定和評估並不限於紫外波長範圍，在可見光直至紅外範圍內作測定也是可能的。
按本發明的方法，在技術上具有重大意義，例如對於在燃煤發電廠的燃燒室中的分光鏡的測量法來說，籍此可檢測出在No2生成的動力學上至關重要的自由基如C2、CH、CN和OH，而可不顧實際存在的來自菸灰和粉塵輻射的附加影響。本方法還可分別記錄多維的溫度和/或自由基濃度範圍，這就允許在過程的主要的一側對其進行幹涉，從而，例如可以做到使爐中的如NO2和CO的煙道氣輻射值有可觀的降低。此外，例如起著促成產生有害物質的作用的各個燃燒器(例如在燃煤工廠中，有著眾多的燃燒器)可重新加以改組，而且，存在於燃燒室中的自由基和分子可與反應動力學的估測連同溫度分布和煙道氣分析一起進行比較。本發明所提供的方法還可使分析在煤粉燃燒中分別參與NOx形成和分解的反應成為可能，藉此可測定例如至關重要的雙原子自由基OH、NH、CN、CH和NO本身的濃度。此外，在例如廢棄物的燃燒中，還可測定與實質上影響例如2，3，7，8TCDD生成的有害物質濃度有關聯的粉塵的濃度。
然而，正如上面已提到的，本發明並不限於所援引的技術應用。
權利要求
1.測定自由基形成過程特性的方法，其特徵在於在至少用兩個檢測器監測的區域中，用檢測器檢測溫度和/或自由基濃度。
2.按權利要求1所述的方法，其特徵還在於檢測這種區域的輻射譜以檢測溫度和自由基濃度。
3.按權利要求1和2之一所述的方法，其特徵還在於通過限制射入檢測器的輻射，有意地檢測取自過程的空間的某些截面。
4.如權利要求1-3中至少一個所述的方法，其特徵還在於通過對沿輻射方向的可檢測的多個區段進行輻射強度檢測而檢測到輻射譜。
5.如權利要求1-4中至少一個所述的方法，其特徵還在於同時檢測多種自由基譜帶的輻射強度。
6.按權利要求1-5中至少一個所述的方法，其特徵還在於檢測譜帶和無譜帶波長範圍的輻射強度。
7.按權利要求1-6中至少一個所述的方法，其特徵還在於用含基本為90°射線角的檢測器檢測輻射譜。
8.按權利要求1-7中至少一個所述的方法，其特徵還在於檢測器檢測沿各個輻射方向的總輻射強度。
9.按權利要求1-8中至少一個所述的方法，其特徵還在於輻射譜是用X射線斷層照相術評估的。
10.按權利要求1-9中至少一個所述的方法，其特徵還在於對譜帶和無譜帶波長範圍的輻射譜進行評估。
11.按權利要求1-10中至少一個所述的方法，其特徵還在於測定區域內外的粉塵和/或菸灰顆粒濃度。
12.按權利要求1-11中至少一個所述的方法，其特徵還在於檢測參比輻射器的輻射。
13.按權利要求1-12中至少一個所述的方法，其特徵還在於檢測存在於燃燒室或反應器中的輻射譜。
14.測定形成自由基過程的設備，其特徵在於該設備包括用於檢測含自由基的區域(8)中的輻射譜的檢測器(6)和用於測定區域(8)中的溫度和/或自由基濃度的評估計算單元(10)。
全文摘要
本發明涉及自由基形成過程特性的測定方法，該方法在至少用2個檢測器監測的區域中用檢測器檢測溫度和/或自由基濃度。
文檔編號F23N5/00GK1096370SQ9410205
公開日1994年12月14日 申請日期1994年2月24日 優先權日1993年2月24日
發明者F·溫特裡希, D·凱澤, H·艾森魯厄, K-H·明德門 申請人:Rwe安束根股份有限公司