專利名稱：內嵌式燒失量測量系統和方法
技術領域：
本發明涉及碳氫化合物(例如煤)燃燒設備以及用于測量這類設備的燒失量的系統和方法。
背景技術：
在工業發生爐中，燃燒碳氫燃料例如煤以形成用于驅動渦輪發電機的蒸汽。對于 有效地工作且產生形成落在環境保護法規和設計約束條件強制執行的規定以內的副產品的可接受的完全燃燒的爐膛，爐膛中的所有獨立的燃燒爐必須干凈且有效地工作，并且必須正確地平衡和調整所有后燃系統。通常監測未燃碳(即燒失量(LOI)數據)、NOx、一氧化碳和/或其它副產品的排放以確保符合環境保護法規并且確保符合設計約束條件。參見作為參考并入本文的美國專利No. 6，389，330。如’ 330專利中陳述的，難以在線和持續監測一些排放，例如飛灰中未燃碳的濃度。在大多數情況下，以定期或不定期原則通過提取灰分樣本并且把樣本送到實驗室進行分析來測量這些排放。通常，該飛灰樣本是送到現場以外的實驗室，在那里稱量、燃燒和再稱量該樣本。這個分析可能花費數天至一周或更久。大多數發電設備不具有現場的化學實驗室，并且由于分析占用的時間，設備效率常常不處于最佳級別。’ 330專利提出監測從爐膛的后火焰帶發出的輻射并且響應輻射的波動成分，然后計算一個或多個燃燒參數。宣傳RCA 2000殘余碳分析儀(M&W Asketeknik)通過旋風分離器從煙氣提取飛灰并且使用光在轉換器中分析它。分析結果發送給控制室。看起來仍沒有現有系統能夠直接在現場持續自動地(例如不需要操作員干預)測量燒失量(LOI)并且不需要校準。
發明內容
因此本發明的一個目的是提供一種新的燒失量測量系統和方法。在一個優選實施例中，上述系統和方法能夠直接測量燒失量并且能夠在現場以持續和自動的方式在不需要校準的情況下測量燒失量。本發明的另一目的是在一個實施例中，提供自潔式系統和方法。然而，在其它實施例中，本發明不需要實現所有這些目的，并且其權利要求將不會受限于能夠實現這些目的的結構或方法。本發明的特色在于一種內嵌式燒失量測量系統，其通常包括構造成從碳氫燃料燃燒設備收集燃料或燃燒副產品的提取器和構造成接收收集的物質并且確定設備的燒失量數據的現場分析儀。可以包括一個或多個閥的傳送機構構造成把收集的物質從提取器傳送至分析儀。控制器顯示燒失量數據和/或自動地調整與該設備有關的一個或多個參數。該系統通常用于副產品為飛灰的燃煤設備。在一個例子中，該分析儀是熱重量分析儀，構造成稱量飛灰、燃燒飛灰并且再次稱量飛灰來確定燒失量。調整的參數可以包括空氣-燃料比和/或對粉碎機的調整以改變煤炭粒子的大小。一個優選提取器伸入排氣煙囪中。在一個例子中，該提取器包括含有煙囪內的集塵漏斗和煙囪外表的橫向通孔的主體、該主體內的可移動活塞，該活塞具有橫向貫穿其中的收集容積孔，當活塞伸出時，該收集容積孔與該集塵漏斗連通以接收飛灰。當該活塞縮回時，該活塞收集容積孔與煙 外側的該橫向通孔連通。煙 外側的芯塊腔室在該主體通孔的下方。當該活塞縮回時，夯錘可驅動通過該缸體通孔和該活塞收集容積孔以在該芯塊腔室中形成飛灰的芯塊。在該例子中，該傳送機構通常包括可旋轉閥，用于把該芯塊從芯塊腔室傳送至分析儀。熱重量分析儀可以包括構造成從該可旋轉閥接收飛灰芯塊的圓盤傳送帶。另一提取器包括靜電除塵器。又一個提取器包括電機驅動的旋轉螺旋推進器。也·可以使用旋風分離器裝置。本發明的特色還在于一種內嵌式燒失量測量方法。收集來自碳氫燃料燃燒設備的燃料或燃燒副產品并且傳送至現場分析儀。分析收集的物質來確定該設備的燒失量數據，并且顯示該燒失量數據和/或基于該燒失量數據自動調整一個或多個設備參數。在副產品是飛灰的燃煤設備中，分析通常包括稱量飛灰、燃燒飛灰并且再次稱量飛灰來確定燒失量數據。收集可以包括采用如上所述的提取器。在一個方案中，內嵌式燒失量測量系統的特色在于旋風提取器，其構造成從碳氫燃料燃燒設備收集燃料或燃燒副產品。現場分析儀構造成接收收集的物質并且通過稱量該收集的物質、燃燒該收集的物質和稱量燃燒了的收集的物質確定設備的燒失量數據。傳送機構可以包括一個或多個閥，構造成把收集的物質從提取器傳送至分析儀。控制器顯示燒失量數據和/或自動地調整與該設備有關的一個或多個參數。一種內嵌式燒失量測量方法包括使用旋風提取器從碳氫燃料燃燒設備收集燃料或燃燒副產品、傳送收集的物質至現場分析儀；通過稱量該收集的物質、燃燒該收集的物質和稱量燃燒了的收集的物質分析收集的物質來確定該設備的燒失量數據，并且顯示該燒失量數據和/或基于該燒失量數據自動調整一個或多個設備參數。
通過優選實施例的下列描述和附圖，本領域技術人員將想到其它目的、特征和優點，其中圖I是框圖，描述了與典型的燃煤設備有關的主要部件和與確定燒失量的現有技術方法有關的步驟；圖2是很好示意的框圖，示出了與根據本發明的一個例子用于確定燒失量的更自動化系統和方法有關的主要部件；圖3是示意三維側視圖，示出了飛灰提取器的一個例子；圖4A-4F是圖3所示飛灰提取器在工作時的示意剖視圖；圖5是示意剖視圖，示出了不同方案的提取器；
圖6是示意剖視圖，示出了飛灰樣本提取器的又一個例子；圖7是示意三維局部剖視圖，示出了根據本發明的系統和方法有用的熱重量分析儀的一個例子；圖8是示意三維圖，示出了圖3的提取器如何與市場上可買到的分析儀的圓盤傳送帶輸入端連接；和圖9是根據本發明的另一 LOI測量系統的示意三維圖；圖10是框圖，示出了根據本發明的更完整的LOI測量系統的主要部件；和圖11是框圖，示出了根據本發明的LOI測量系統如何能用于燃燒過程監測和控制。
具體實施例方式除了下面公開的一個或多個優選實施例，本發明能夠是其它實施例并且能夠以各種方式實行或實現。因此，應當理解，本發明的應用不局限于下面描述提出的或附圖示出的構造詳圖和部件布置。如果本文只描述一個實施例，其權利要求不局限于此實施例。此外，不是限制性地讀取其權利要求，除非有明確和令人信服的證據證明某一排除、限制或放棄。本發明的一個特征是能夠以自動的方式測量燒失量。燒失量是燃煤發電設備中未燃燒的煤的量。燒失量通常從2%變化到20+%。如果能夠以自動的方式測量LOI值，那么就能夠優化注入爐子和粉碎機中的氧氣和煤的量，得到更高的效率、更低的燃料費用和減少的維護費用。例如，一個能量發電機組每天燃燒大約兩千噸煤。如果年LOI從平均為4%減少到平均為3%，那么僅僅一個設備每年將節省七千噸以上的煤。不僅將節省煤，排放也會降低并且維護費用(每個能量輸出)也將減少。本發明的一個特征在于內嵌式系統，特別適合于煤及其它碳氫化合物燃燒設備中的快速LOI檢測。圖I描述了確定燃煤設備10的燒失量的一種現有方法。用粉碎機14a和14b分別粉碎來自煤堆12a和12b的煤，在混合器16中混合(如果要求)，并且由燃燒器18燃燒。從煙囪20收集飛灰樣本，如圖21所示，并且送到生產線外實驗室22進行分析。飛灰是離開燃燒設備燃燒器的所有固體物質的組合。它既含有未燃的煤(LOI)，也含有從每批煤的雜質產生的無機氧化物。然后把LOI數據提供給操作員，如圖23所示，該操作員可以使用各種控制器24調整例如空氣-燃料比和/或離開粉碎機14a和14b的燃料的大小。如上面的背景技術節段所表明的，分析過程通常花費數天至一周或更久。由于分析占用的時間，設備效率常常不處于最佳級別。根據本發明的一個例子，燒失量數據是現場確定的。圖2，在一個例子中，提取器30構造成從燃煤設備煙囪20收集燃料或如圖2所示收集燃燒副產品例如飛灰。在這個例子中，分析儀32 (例如自動的熱重量分析儀)從該提取器接收飛灰并且確定該設備的LOI數據。控制器34被編程來顯示LOI數據在顯示屏36 (位于例如設備的控制室中)上和/或如圖38所示經由電信號控制各種設備參數例如空氣-燃料比或離開粉碎機的燃料的大小。提取出的樣本一經分析就可以存儲，如圖33所示。圖3-4，在一個例子中，提取器30’貫穿煙囪壁40并且包括缸體42，該缸體帶有煙囪內的集塵漏斗44和煙囪外側的橫向通孔46。缸體42內的可移動活塞48具有橫向貫穿其中的收集容積孔50，當活塞48伸到圖4A所示位置時該收集容積孔50與集塵漏斗44連通以接收飛灰。過剩的灰分填充漏斗44并且阻止進一步聚集。芯塊腔室 52也在煙囪外側，位于缸體42的通孔46的下方并與之連通。圖4B-4C，當活塞48縮回時，夯錘56可驅動通過缸體通孔46和活塞收集容積孔50以在芯塊腔室52中形成飛灰的芯塊51。通常，然后由傳送機構傳送該芯塊，該傳送機構構造成把芯塊從提取器30傳送至分析儀。圖4D-4F示出了如何通過閥53的旋轉讓芯塊51離開芯塊腔室52 (參見圖4A的由圖2的控制器34操縱的閥控制器59)。因此，在該特定例子中，閥53用作傳送機構把收集的飛灰從提取器傳送至分析儀。如圖4E-4F所示，氣動夯錘排出芯塊51。圖5，在另一實施例中，提取器30”包括靜電除塵器。風道60把從煙囪20出來的氣體/飛灰排放混合物的小體積改道至靜電除塵器62，其把飛灰聚集到荷電板上。然后這些板穿過分析儀32進行分析。圖6，在另一實施中，提取器30’ ”包括電機驅動的旋轉螺旋推進器64用于壓縮和驅使飛灰到分析儀32的入口中。其他的提取器也是可行的，例如旋風式裝置、傳送帶等等。而且，可以提取和分析爐底灰而不是飛灰。圖7，在一個例子中，熱重量分析儀32構造成稱量飛灰、燃燒飛灰、然后再次稱量飛灰來確定LOI數據。分析儀32包括絕熱殼體70，其帶有內套筒72和加熱線圈74。從提取器經由傳送機構輸出的飛灰樣本進入入口 76，然后安放在諧振器臺78上，在這里通過用電磁控制/致動器子系統80確定平臺/樣本組合的諧振頻率或用壓電天平、微量天平或其它天平對其進行稱量。然后用加熱線圈74升高腔室82的溫度來燃燒飛灰樣本。然后再次稱量樣本。由圖2的電子控制器34(通常具有適當編程的處理器)利用燃燒前后的重量差確定LOI數據。之后，圖7的致動器系統80使諧振器臺78翻轉90度，并且燃燒了的飛灰經由出口 84離開分析儀。系統80控制清除射流86來從腔室82或諧振器臺78清除所有殘留的飛灰。在整個采樣過程中，加熱腔室可以保持恒溫(大約800攝氏度)。飛灰落到稱量臺上，稱量并迅速燃燒。一旦完成燃燒，就用清除射流86引出的氮氣把樣本清除出腔室，并且系統為下一樣本做好準備。在另一實施例中，使用可從PerkinElmer Inc. (Waltham, MA)獲得的熱重量分析儀，帶有自動采樣器的STA 6000同步熱分析儀。例如，圖8示出圖3-4所示的提取器30’安置在這種分析儀的帶有飛灰芯塊接收器92的輸入圓盤傳送帶90的上方。圓盤傳送帶90在圖2所示控制器34的控制下旋轉著以接收飛灰芯塊(參見圖4F的芯塊51)。分析儀可以直接連接到提取器(并且例如靠重力供以飛灰，或者通過螺旋推進器等等)或者可以通過傳送機構從提取器接收飛灰。飛灰能夠是芯塊的形式或是粉末的形式。飛灰的芯塊可能更易于傳送，但是它也可能更難以稱量和燃燒。粉末形式的飛灰，盡管更易于燃燒，但是可能更難以傳送，并且可能需要采取其它步驟來清理提取器、傳送機構和分析儀。能夠使用其它類型的分析儀，例如導電和光譜分析儀。在另一方案中，圖9，帶有分配閥102a和102b連接其上的旋風提取器30"由真空發生器104操縱以提取灰分并清除(清理)提取器。穿過風道壁40的管道106用來連接風道的內部到旋風分離器30”。分配閥102a和102b用來沉淀飛灰樣本到傳送機構110的穴108中，在該例子中，該傳送機構是材料輸送圓盤傳送帶。TGA 32的拾取與放置機構112從輸送機110的穴中取回飛灰樣本并且把灰分樣本呈現給TGA 32進行分析。清理站116可用于通過真空或清除動作把灰分清理出輸送機110的穴108。在另一例子中，TGA直接布置在用作傳送機構的閥102b的下面。圖10示出旋風提取器30”、輸送機110和TGA 32，連同用于操縱該系統的閥裝設和控制線路。表格120描述樣本收集、樣本輸送、清理等期間系統的工作。圖11示出了一種LOI測量系統140如何能與其它設備傳感器例如氧傳感器142、一氧化碳傳感器144等一起通過信號處理電子設備150、狀態判定器152和控制器154用于控制各個設備參數。在此例子中，設備燃燒致動器156由控制器154控制。優選地，最小化活動部件的數量，因此維護不是問題。而且，最好是整個系統是自潔式的。如上所述，一些分析儀采用圓盤傳送帶，在這種情況下，傳送機構設計成提供提取器與分析儀的圓盤傳送帶之間的連接。在其它實施例中，煤在設備燃燒器中燃燒之前得到分析。還在其它實施例中，提取 和分析其它類型的碳氫燃料和/或燃燒副產品。在一個優選實施例中，優選的結果是在現場直接、持續、自動地測量燒失量的系統和方法，并且不需用額外的校準。因此，雖然在一些附圖中示出了本發明的特定特征，而其它附圖中沒有，但是，這僅僅是為了方便，因為根據本發明，每個特征可以與其它特征的任一或所有進行組合。本文使用的詞"包括"、"包含"、"具有"、"帶有"應當廣泛且全面地進行詮釋，并且不局限于任何物理關聯。而且，本申請公開的任何實施例都不看做唯一可行的實施例。此外，本專利的專利申請進行期間提出的任何修改都不是對提交申請時存在的任何權利要求要素的放棄不能合理地期望本領域技術人員擬出從字面上涵蓋所有可行等效物的權利要求，在修改的時候許多等效物將是不可預見的并且超出對要放棄的內容(如果有的話)的公平詮釋，構成該修改的基礎的基本原理可能僅僅具有與許多等效物的膚淺關系，和/或有許多其它理由而不能期望申請人描述修改的任何權利要求要素的某些無實體的替代。其它實施例將被本領域技術人員想到并且在下列權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種內嵌式燒失量測量系統包括 提取器，構造成從碳氫燃料燃燒設備收集燃料或燃燒副產品； 現場分析儀，其構造成接收所述收集的物質并且確定設備的燒失量數據； 傳送機構，其構造成把所述收集的物質從所述提取器傳送至所述分析儀；和控制器，其用于顯示所述燒失量數據和/或用于自動地調整與所述設備有關的一個或多個參數。
2.根據權利要求I所述的系統，其中，所述設備是燃煤設備。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述副產品是飛灰。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所述分析儀是熱重量分析儀，其構造成稱量所述飛灰、燃燒所述飛灰并且再次稱量所述飛灰來確定燒失量數據。
5.根據權利要求3所述的系統，其中，所述一個或多個參數包括空氣-燃料比。
6.根據權利要求3所述的系統，其中，所述一個或多個參數包括對粉碎機的調整以改變煤炭粒子的大小。
7.根據權利要求3所述的方法，其中，所述提取器伸入排氣煙囪中。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述提取器包括 含有所述煙囪內的集塵漏斗和所述煙囪外表的橫向通孔的主體， 所述主體內的可移動活塞，其具有橫向貫穿其中的收集容積孔，當所述活塞處于伸出位置時，所述收集容積孔與所述集塵漏斗連通以接收所述飛灰，并且當所述活塞縮回時，所述收集容積孔所述該橫向通孔連通； 所述煙 外側的位于所述主體下方與所述橫向通孔連通的芯塊腔室，和夯錘，當所述活塞處于縮回位置時所述夯錘可驅動通過所述主體通孔和所述活塞收集容積孔以在所述芯塊腔室中形成飛灰芯塊。
9.根據權利要求8所述的系統，其中，所述傳送機構包括所述芯塊腔室下方的可旋轉閥，用于把所述芯塊從所述芯塊腔室傳送至所述分析儀。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所訴分析儀包括熱重量分析儀，其包括構造成從所述可旋轉閥接收飛灰芯塊的圓盤傳送帶。
11.根據權利要求7所述的系統，其中，所述提取器包括靜電除塵器。
12.根據權利要求7所述的系統，其中，所述提取器包括電機驅動的旋轉螺旋推進器。
13.根據權利要求7所述的系統，其中，所述提取器是旋風分離器裝置。
14.根據權利要求I所述的系統，其中，所述傳送機構包括一個或多個閥。
15.一種內嵌式燒失量測量系統，包括 旋風提取器，其構造成從碳氫燃料燃燒設備收集燃料或燃燒副產品； 現場分析儀，其構造成接收所述收集的物質并且通過稱量所述收集的物質、燃燒所述收集的物質和稱量燃燒了的所述收集的物質確定所述設備的燒失量數據； 包括一個或多個閥的傳送機構，其構造成把所述收集的物質從所述提取器傳送至所述分析儀；和 控制器，其用于顯示所述燒失量數據和/或用于自動地調整與所述設備有關的一個或多個參數。
16.—種內嵌式燒失量測量方法,包括從碳氫燃料燃燒設備收集燃料或燃燒副產品； 把所述收集的物質傳送至現場分析儀； 分析所述收集的物質來確定所述設備的燒失量數據；以及 顯示所述燒失量數據和/或基于所述燒失量數據自動地調整一個或多個設備參數。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述設備是燃煤設備。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述副產品是飛灰。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述分析包括稱量所述飛灰、燃燒所述飛灰并且再次稱量所述飛灰來確定燒失量數據。
20.根據權利要求17所述的方法，其中，所述一個或多個參數包括空氣-燃料比。
21.根據權利要求17所述的方法，其中，所述一個或多個參數包括對粉碎機的調整以改變煤炭粒子的大小。
22.根據權利要求16所述的方法，其中，所述收集包括運用煙囪內的集塵漏斗收集所述飛灰以及把所述飛灰壓成芯塊。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，所述收集還包括在壓縮所述飛灰之前把所述飛灰移到所述煙囪的外部。
24.根據權利要求16所述的方法，其中，所述收集包括采用靜電除塵器。
25.根據權利要求16所述的方法，其中，所述收集包括采用螺旋推進器。
26.根據權利要求16所述的方法，其中，所述收集包括采用旋風分離器裝置。
27.根據權利要求16所述的方法，其中，所述分析包括采用重量分析儀。
28.根據權利要求16所述的方法，其中，所述傳送包括采用一個或多個閥。
29.一種內嵌式燒失量測量方法，包括 使用旋風提取器從碳氫燃料燃燒設備收集燃料或燃燒副產品； 把所述收集的物質傳送至現場分析儀； 通過稱量所述收集的物質、燃燒所述收集的物質和稱量燃燒了的所述收集的物質分析所述收集的物質來確定所述設備的燒失量數據；以及 顯示所述燒失量數據和/或基于所述燒失量數據自動地調整一個或多個設備參數。
全文摘要
本發明涉及一種內嵌式燒失量測量系統，其特殊在于，構造成從碳氫燃料燃燒裝置收集燃料或燃燒副產品的提取器、構造成接收收集的物質并且確定設備的燒失量數據的現場分析儀、構造成把收集的物質從提取器傳送至分析儀的傳送機構以及用于顯示所述燒失量數據和/或用于自動地調整與所述設備有關的一個或多個參數的控制器。
文檔編號G01N1/20GK102803921SQ201080013228
公開日2012年11月28日 申請日期2010年1月26日 優先權日2009年1月26日
發明者D·哈杰斯, J·威廉斯, J·A·比克福德, D·特拉維格利亞, D·G·達莫爾, J·D·德魯因 申請人:查爾斯斯塔克德雷珀實驗室公司