工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法
2023-06-27 15:08:01 3
專利名稱：工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法
技術領域：
本發明涉及工業燃料爐窯燃燒控制方法，更詳細講是工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制的方法。
過去人們知道，對於工業燃料爐窯通常是根據燃料的成分配合適當的助燃空氣進行燃燒控制，實際上燃料成分和爐窯狀況是變化的，所以不能保證燃燒狀況良好，其結果使燃料爐窯的運行效率降低，而且容易發生濃煙(有害氣體)的危害。為了解決這個問題，一般採用實際助燃空氣量比理論助燃空氣量大得多的方法，也就是空氣過剩係數α遠大於1。這種方法雖然比較安全，但很不經濟，因為過剩空氣會減弱燃料燃燒，使火焰溫度降低、煙道熱量損失增加，提高燃料消耗率，一般每1%的過剩空氣能增加煙道熱量損失近1%。所以，工業燃料爐窯在燃燒過程中不能及時準確地調整燃料與空氣的比例，就不能保證大量燃料的充分利用。以後，人們發現爐窯的尾氣中氧含量可以在一定程度上反映過剩空氣量，即當空氣過剩係數α大於1時，尾氣中可燃氣體的含量減小，而氧的含量增加，所以人們根據檢測尾氣中的氧含量來控制燃料爐窯中的燃料與空氣的比例，可以節約燃料3-10%。但是，工業燃料爐窯尾氣測氧燃燒控制方法還存在下述問題一是工業燃料爐窯必須在高溫條件下工作，尾氣取樣點附近的空氣滲漏現象是很難消除的，特別是在煙道處設有引風機的燃料爐窯，煙道存在負壓，所以外界空氣不斷從不嚴密處滲漏，由於空氣中有約21%的氧，因此空氣滲漏使測氧精度顯著下降，嚴重時無法反映燃燒狀況。二是燃料燃燒是否充分與燃料和助燃空氣的混合程度有關，由於混合不完全，當空氣過剩係數α＝1時是不能實現完全燃燒的，而且燃料爐窯運行時爐窯狀況是變化的，爐膛壓力、溫度對燃燒混合速度都產生明顯影響，當燃燒混合不好時，在尾氣中雖然能給出一個令人滿意的高氧量，但仍不能保證完全燃燒。因此，當使用測氧方法控制空氣過剩係數α時，氧含量穩定在所規定的參數上仍不能保證燃燒完全。三是有害的可燃氣體和廢氣仍會引起空氣汙染，採用測氧燃燒控制方法由於空氣滲漏或混合情況不好雖在穩定的氧含量參數下工作，仍會排出大量的可燃氣體和廢氣，造成濃煙毒害和汙染，影響安全生產，危害人們的健康。特別在高溫區高氧量會產生大量的氮的氧化物，與水和空氣化合生成酸，通過酸雨危害自然環境。四是目前的工業燃料爐窯尾氣測氧是採用氧化鋯氧分析儀。氧化鋯(Zro)探頭是一種固體電解質器件，在一定溫度下氧分壓不同形成氧濃差電勢，從電極間引出電勢差，可以反映氧含量。氧化鋯是一種陶磁器件，因此在測量時因環境溫度快速變化，容易造成探頭斷裂，加之氧化鋯探頭在有害氣體影響下容易產生中毒現象，縮短使用壽命。並且氧化鋯探頭製造成本高，價格較貴，國內產品使用壽命很短，主要依靠進口，因此實際使用中運行成本高。鑑於上述問題，在燃料爐窯燃燒控制中採用尾氣測氧控制燃料燃燒不是一種理想的方法，很難大量推廣應用，並且至今還沒有一種合理、有效、經濟的更替技術。
本發明的目的在於提供一種能夠消除上述缺點，有效地反映燃料利用程度，節約能源，限制有害的可燃氣體和廢氣的排出，利用低成本的測量探頭，提高燃料爐窯的燃燒效率，降低生產費用，保證安全生產，提高經濟、社會效益等特徵的技術先進、成本低、效果好、易推廣的工業燃料爐窯燃燒控制方法。
為了達到上述目的，本發明工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法的特徵是通過測量工業燃料爐窯尾氣中氫的含量來控制爐窯中的由化學不完全燃燒確定的燃料利用係數γ或空氣過剩係數α，確定標稱燃料利用係數γ0為0.95-0.998或標稱空氣過剩係數α0為0.95-1.3，由γ與氫含量的關係式γ=11+H2(1-K) (1+0.989K2KRK+0.0331K3(1-K)H2)50(KH- KH′)+98.9(KR-KR′)]]>(1)計算燃燒時的燃料利用係數γ，用α與氫含量的關係式α = 1+2(100KK1(1-K) H2)2-H2(1-K)100(1+K2KRK+0.04K3(1-K)H2)2KR+0.5KH-KO]]>(2)計算燃燒時的空氣過剩係數α，通過反饋調節方式、利用執行裝置調節燃料爐中燃料與空氣的比例，使α與α0或γ與γ0的差值趨近於0，使燃燒處於最佳狀態，用水流來冷卻、抽取燃料爐的尾氣，使用塑料或橡膠或防水塗料等隔水透氣材料保護具有吸附氫特性的鉑族元素製造的氫敏半導體器件裝製成測氫探頭，本發明用於用碳氫化合物或混合物燃料的工業加熱爐、鍋爐和窯。
本發明可以根據燃燒狀況選擇控制方法。當燃燒混合情況較好時，比如燃氣爐和特性良好的燃油爐，可以直接使用本發明提供的空氣過剩係數α與氫含量的關係式(2)，控制燃料爐在合理的空氣過剩係數下運行。當燃料為固體燃料或混合情況較差的液體燃料時，可以使用本發明提供的燃料利用係數γ與氫含量的關係式(1)，控制燃料爐在合理的燃料利用係數下運行。
本發明提供的空氣過剩係數α與氫含量的關係用式(2)描述，當測氫探頭輸出一氫值後，可以計算出當時空氣過剩係數α，通過反饋調節、利用執行裝置可以達到控制燃料-空氣比例的目的，使燃燒效果最佳。關係式如下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-尾氣折幹時的氫含量(%)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-燃料中碳原子比數。
NS-燃料中硫原子比數。
NH-燃料中氫原子比數。
NN-燃料中氮原子比數。
NO-燃料中氧原子比數。
W-空氣中的水含量(%)K1-氫與氧反應的平衡常數，用範託夫方程計算。
K2-氫、氧、一氧化碳反應的平衡常數，用範託夫方程計算。
K3-氫、甲烷反應的平衡常數，用範託夫方程計算。
本發明提供的燃料利用係數γ與氫含量的關係用關係式(1)描述，當測氫探頭輸出一氫值後，可以計算出當時燃料利用係數γ，通過反饋調節、利用執行裝置可以達到控制燃料利用係數的目地，使燃燒效率最佳，其關係式如下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′-燃料中與氧化合的氫原子比數。
NR′＝NC′+NS′NC′-燃料中與氧化合成CO2的碳原子比數。
NS′-燃料中與氧化合成SO2的硫原子比數。
其它參數見α表達式說明。
本發明使用計算機或硬體計算裝置確定氫含量與α或γ的關係，當尾氣溫度變化時，按範託夫方程〔K＝EXP(△S°/R-△H°/RT)〕計算有關平衡常數K1、K2、K3，上述數據可使用單片計算機計算，或納入燃燒控制計算機處理。
本發明的尾氣抽取方式為水流抽氣法，使高溫尾氣直接被水冷卻，由水流產生的負壓抽取尾氣，由普通的汽水分離裝置提取出乾淨的尾氣，其水蒸汽、冷凝物和煙塵隨水被排出。
本發明採用鉑族元素做柵極的金屬-氧化物-半導體場效應電晶體，例如Pd-MOSFET或Pt-MOSFET。這些器體對氫具有很好的吸附選擇性，對氫氣以外的其他各種氣體均不敏感。可感氫濃度的範圍也很寬，從幾個PPm直到百分之幾，響應速度快為幾秒鐘，以前用於氫氣報警、探漏等領域，本發明把它作為工業燃料爐窯尾氣測氫探頭，開劈了氫敏器件在燃燒過程控制中的新用途，並用塑料薄膜等隔水透氣物質保護氫敏電晶體，使其表面清潔、乾燥，從而裝製成防水、低價、適用、效果好的燃料爐尾氣測氫探頭。
本發明工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法適用於使用氣體、液體、固體的碳氫化合物或混合物燃料的工業加熱爐、鍋爐和窯的燃燒控制等領域。
本發明工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法的優點及效果是①對於燃燒混合較好的工業燃料爐窯，如氣體燃料爐，可以有效地控制空氣過剩係數α在合理的範圍。對於燃燒混合情況較差的工業燃料爐窯，如固體燃料窯或液體燃料爐，可以有效地控制燃料利用係數γ在合理的範圍，克服了測氧不能準確反映燃料利用情況和不能始終維持最小過剩空氣量的問題，採用測氫技術比採用測氧技術可提高火焰溫度50-200℃，減少煙道熱損失，提高燃燒效率1-5%。②工業燃料爐窯大氣滲漏基本不影響尾氣測氫的燃燒控制方法，而測氧方法在漏氣較大時就無法工作。因此，克服了採用測氧方法必須針對具體燃料爐的漏風係數修定標稱氧含量的問題。③裝制的低成本測氫器件，如Pd-MOSFET或Pt-MOSFET可以大大降低系統運行費用。氫敏管探頭的價格為20-35元1支，每支可使用一年以上，而氧化鋯探頭價格為3000-5000元1支，主要依靠進口，並容易損壞，使用壽命一支為3-6個月，每座工業燃料爐窯使用測氫探頭年運行費用比使用氧化鋯探頭節約5000-10000元，僅全國冶金系統就有各類燃料爐(主要是加熱爐)1000多座，若應用該測氫技術每年可節約運行費用500-1000萬元。④通過有效地控制可燃氣體排出，保證了生產安全，減少了空氣汙染，並且燃料爐窯可以保持在最小過剩空氣下運行，減少了氮的氧化物廢氣的排出量，有效地控制了大氣汙染。
為本發明工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法繪製的附圖共6幅，說明如下圖1是控制空氣過剩係數α或燃料利用係數γ的方法的邏輯流程示意圖。圖中α0為給定的標稱空氣過剩係數，γ0為給定的標稱燃料利用係數，1-1為控制算法;1-2為燃料-空氣比例調節;1-3為燃料爐;1-4為α或γ計算。
圖2是水抽尾氣示意圖。圖中2-1為耐高溫陶磁管;2-2為流水噴嘴;2-3為尾氣收集傘;2-4為氫探頭安裝孔;2-5為排氣口;2-6為排水口;2-7為排汙口。
圖3是測氫探頭封裝示意圖。圖中3-1為氫敏半導體器件;3-2為底座密封圈;3-3為空腔襯套;3-4為隔水透氣薄膜;3-5為固定件。
圖4為實施例1的控制程序流程示意圖。圖中4-1為周期啟動;4-2為讀當前H2含量(%);4-3為讀當前尾氣溫度並利用查表方式計算K1，K2，K3;4-4為按(3)式計算α;4-5為按PI調節方式計算輸出量;4-6為周期退出。
圖5是實施例2的使用過程控制計算機時的程序流程示意圖。圖中5-1為周期啟動;5-2為讀當前氫含量H2;5-3為計算E＝0.161-H2;5-4為按PI調節方式計算輸出量;5-5為周期退出。
圖6是實施例3的使用單迴路調節器的示意圖。圖中6-1為單迴路調節器;6-2為電動執行機構;6-3為風量調節;6-4為窯;6-5為測氫變送器。
按以上
，敘述本發明工業燃料爐尾氣測氫燃燒控制方法的實施方法如下
實施例1，燃氣冶金加熱爐技術方法及步驟是①確定爐況。採用天然氣做燃料，其成分按體積百分比是CH4-95.03%、C2H6-2.9%、C3H8-0.5%、C2H4-0.3%、N2-1.27%，採用斷續加熱方式，尾氣溫度為970℃-1350℃，空氣流量和天然氣流量均由執行裝置驅動閥門調整，燃燒混合狀況較好，加熱爐用於加熱鋼錠，為了提高火焰溫度和減少加熱鋼錠的氧化燒損，標稱空氣過剩係數α0定為0.99。②安裝圖2所示的流水抽氣冷卻裝置。耐高溫陶磁管內徑為6mm、外徑為12mm(圖2-1);流水噴嘴噴水流量15升/分鐘(圖2-2);收集傘底半徑為130mm，高130mm(圖2-3);排氣口內徑為30mm(圖2-5);排水口內徑為30mm(圖2-6)。③裝制測氫探頭。採用Pt-MOSFET氫敏電晶體(圖3-1);底座密封圈厚為3mm，材料為聚四氟乙烯SFBN-1(圖3-2);空腔襯套高為5.5mm，材料為聚四氟乙烯SFBN-1(圖3-3);隔水透氣薄膜為0.1mm厚，材料為聚四氟乙烯SFD(圖3-4);固定件與空腔襯套配合間隙0.5mm(圖3-5)。
④參數計算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(空氣中水分忽略)MQ＝1071.5K＝0.18792;KR＝9.6062×10-2;KH＝0.37585;
KO＝0代入式(2)並整理得α＝1+2.818×103( 1/(K1H2) )2-2.1368×10-2H2(1+0.51119K2+3.2483×10-2K3H2) (3)由於尾氣溫度變化較大，需要引入溫度修正，因此K1，K2，K3需通過範託夫方程計算。
⑤利用過程控制計算機計算α值，實現燃料空氣比例調節，使燃燒處於最佳狀態。為了提高運算速度，K1，K2，K3與尾氣溫度的關係通過範託夫方程計算製成內插表格存入計算機，其控制程序流程如圖4所示。
⑥根據PI調節方式計算的輸出量，確定的燃料-空氣最佳比例，通過執行裝置驅動閥門，控制空氣過剩係數α與α0的誤差最小，滿足工藝要求。
實施例2發電廠燃油鍋爐其方法及步驟是①確定爐況，採用重油做燃料，其成分按重量百分比是水分-2%，灰分-0.3%，碳-85.7%，氧-0.8%，氫-10%，硫-0.7%，氮-0.7%，機械雜質2.3～2.5%，採用連續加熱方式，尾氣溫度基本穩定為500℃，空氣流量和重油流量均可由執行裝置驅動調節，燃燒混合狀況一般，為了減少燃料損失，確定標稱燃料利用係數γ0＝0.993。②安裝圖2所示的流水抽氣冷卻裝置。耐高溫陶磁管內徑為12mm、外徑為18mm(圖2-1);流水噴嘴噴水流量20升/分鐘(圖2-2);收集傘底半徑為150mm、高為150mm(圖2-3);排氣口內徑為30mm(圖2-5);排水口內徑為37mm(圖2-6)。③裝制測氫探頭。採用Pt-MOSFET氫敏電晶體(圖3-1);底座密封圈厚為3mm，材料為聚四氟乙烯SFBN-1(圖3-2);空腔襯套高為5.5mm，材料為聚四氟乙烯SFBN-1(圖3-3);隔水透氣薄膜為0.13mm厚，材料為橡膠(圖3-4);固定件與空腔襯套配合間隙0.5mm(圖3-5)。
④參數計算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(空氣中水分忽略)MQ＝48.45K＝0.1032;KR＝0.14786;KH＝0.2064;
KH′＝4.586×10-3已知尾氣溫度基本穩定為500℃，由範託夫方程可求出K2＝0.1256;K3＝6.762代入(1)式並整理得α= 1/(1+4.275×10-2H2+7.283×10-3H22) (4)由於尾氣溫度基本穩定，可以採用等效氫含量代替γ值控制，則由式(4)可計算出等效氫含量H2′為H2′＝0.161(%)⑤利用單迴路調節器或過程控制計算機，反饋調節H2，實現燃料空氣比例調節使燃燒處於最佳狀態。使用過程控制計算機時的程序流程如圖5所示。
⑥根據PI調節方式計算輸出量確定最佳的燃料-空氣比例，通過執行裝置驅動閥門、控制燃料利用係數γ與γ0的誤差最小，使燃燒效率最佳。
實施例3連續式陶瓷窯其方法及步驟是①確定爐況。陶瓷窯為車底式隧道窯。採用煤做燃料，其成分按重量百分比是水分-8.0%，灰分-19.02%，碳-65.65%，氫-2.64%，氧-3.19%，氮-0.99%，硫-0.51%，助燃空氣與料車逆方向流動，等效水分含量W＝15%，尾氣溫度基本穩定為300℃，空氣流量和送煤量均可由執行裝置驅動調節，燃燒混合狀況一般，為了減少燃料損失，確定標稱燃料利用係數γ0＝0.99。②安裝圖2所示的流水抽氣冷卻裝置。耐高溫陶磁管內徑為16mm，外徑22mm(圖2-1);流水噴嘴噴水流量20升/分鐘(圖2-2);收集傘底半徑為150mm，高為150mm(圖2-3);排氣口內徑為30mm(圖2-5);排水口內徑為37mm(圖2-6)。③裝制測氫探頭。採用Pt-MOSFET氫敏電晶體(圖3-1);底座密封圈厚為3mm，材料為聚四氟乙稀SFBN-1(圖3-2);空腔襯套高為5.5mm，材料為聚四氟乙稀SFBN-1(圖3-3);隔水透氣薄膜為0.1mm厚，材料為聚四氟乙稀SFD(圖3-4);固定件與空腔襯套配合間隙0.5mm(圖3-5)。④參數計算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已知尾氣溫度基本穩定為300℃，由範託夫方程可求出K2＝1.181×10-2;K3＝4.827×102代入(1)式並整理得α= 1/(1+4.33×10-2H2+0.545H22) (5)由於尾氣溫度基本穩定，可以採用等效氫含量代替γ值控制，則由(5)式可計算等效氫含量H2′為H2′＝0.102(%)⑤利用單迴路調節器或過程控制計算機，反饋調節H2，實現燃料空氣比例調節使燃燒處於最佳狀態，使用單迴路調節器的方法如圖6所示，H2按0～1%定標1～5V，則0.102%對應1.408V。單迴路調節器電動執行機構接口標準按國家Ⅲ型儀表標準。⑥根據單迴路調節器輸出的調節量，通過電動執行裝置調節送風量，從而控制最佳的燃料-空氣比例，燃料的輸入由總熱量平衡確定，燃料-空氣比迴路不參與燃料調節，通過控制γ與γ0的誤差最小，使燃燒效率最佳。
權利要求
1.工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法，其特徵在於測量工業燃料爐窯尾氣中氫的含量來控制爐窯中由化學不完全燃燒確定的燃料利用係數γ或空氣過剩係數α，根據爐窯狀況選定標稱燃料利用係數γ0或標稱空氣過剩係數α0，用γ或α與氫含量的關係式計算出燃料燃燒時的燃料利用係數γ或空氣過剩係數α，通過反饋調節方式、利用執行裝置，調節燃料爐窯中燃料與空氣的比例，使α與α0或γ與γ0的差值趨近於0，用水流來冷卻、抽取燃料爐窯的尾氣，使用隔水透氣材料保護具有吸附氫作用鉑族元素來製造的氫敏半導體器件裝製成測氫探頭。
2.按照權利要求1所述的工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法，其中所述的γ0為0.95-0.998;α0為0.95-1.3。
3.按照權利要求1所述的工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法，其中所述的γ或α與氫含量的關係式是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.按照權利要求1所述的工業燃料爐窯尾氣測氫燃燒控制方法，其中所述的保護氫敏半導體器件的隔水透氣材料是塑料或橡膠或防水塗料。
5.按照權利要求1所述的工業燃料爐尾氣測氫燃燒控制方法，其中所述的工業燃料爐窯是用碳氫化合物或混合物燃料的工業加熱爐、鍋爐和窯。
全文摘要
本發明涉及工業燃料爐窯燃燒控制方法。本發明解決工業燃料爐窯尾氣測氧燃燒控制技術不能準確反映燃料利用程度和不能實現燃燒最佳控制，測氧探頭成本高、壽命短、不容易推廣應用等技術問題。本發明技術特徵是用尾氣測氫燃燒控制技術實現對燃料燃燒過程的最佳控制，用水流來冷卻、抽取尾氣，裝制防水、有效、低成本的測氫探頭。本發明適用於用碳氫化合物或混合物燃料的工業燃料爐窯的燃燒控制領域。
文檔編號F23N5/00GK1034050SQ8710824
公開日1989年7月19日 申請日期1987年12月31日 優先權日1987年12月31日
發明者王雨峰, 李培安, 王誼舟, 何海昌 申請人:中國人民解放軍87104部隊