专利名称：用于控制火焰加热器运行的系统和方法
技术领域：
本发明涉及安全可靠地降低使用燃料气体的火焰加热器中的NOx排放的方法和系统。特别的，本发明涉及对该火焰加热器的控制提供安全可靠的运行同时降低NOx排放。
背景技术：
化学处理和石化生产和精炼运行中的燃烧设备是NOx排放的主要来源。绝热火焰温度降低是降低NOx排放的ー种方法。降低火焰温度的努力，例如提高空气/燃料比和向火焰中引入火焰稀释剂，能够导致火焰不稳定、火焰熄灭或火焰吹熄，其能够产生可能危险的运行状况(例如未耗尽的燃料溢出燃烧设备)。已经开发了火焰稳定性或不稳定性传感器，也已经提议其在燃烧系统控制系统中的使用。还已经提议提高空气流量以提供该燃烧设备的贫燃料运行。然而，仅依赖于空气以降低火焰温度提出了其自身的一系列挑战。例如，空气包含显著量的氧气，其是氧化剂。如果在不适当的位置将燃料引入空气流中，这能够造成发生火焰不稳定和/或“熄灭”的状况。在不稳定和/或“熄灭”的状况中，该火焰部分或完全熄灭，使得可燃气体进入炉子中，可能会导致爆炸。这种情形适用于所有火焰加热器，无论该エ艺的作用或任何方案是否用于降低NOx排放。仍需要在燃烧设备中实现NOx降低同时为该燃烧设备保持稳定的火焰和安全的运行状况。发明概沭已经发现通过使用火焰稀释剂能够实现NOx的降低，同时在用火焰稳定性传感器(即波长调制的可调谐ニ极管激光器(TDL)传感器、压カ传感器、机器视觉传感器系统和其它能够用于检测火焰不稳定性的技木)限制该エ艺控制策略时维持了稳定的运行。本申请提供了用于控制火焰加热器的运行的方法，其为该加热器提供了安全运行同时降低了 NOx排放并避免了熄灭的状況。该方法包括提供具有用于控制设定体积比的燃料和稀释剂的物流到该燃烧设备的火焰的流动系统，提供火焰稳定性传感器以产生直接或间接表征与火焰稳定性相关的ー个或多个火焰的测量值，根据(i)来自至少ー个火焰稳定性传感器的至少ー个测量值的阈值和(ii)由至少ー个流量传感器对该流动系统中燃料源和稀释剂源各自测得的燃料稀释剂的阈值体积比中的至少ー个的限制来控制测得的进料给该燃烧设备的燃料稀释剂的体积比。在一个特别的实施方案中，该稀释剂选自氮气、蒸汽(例如过热蒸汽)、循环的燃烧气、ニ氧化碳或其它惰性流体(例如氦气或氩气)中的ー种或多种。在优选实施方案中，该稀释剂包括过热蒸汽和/或循环的燃烧气。在另ー实施方案中，基于使用至少ー个火焰稳定性传感器(即激光光学传感器、压カ传感器、机器视觉传感器系统等)的实时控制限制来调节进料给该燃烧设备的稀释剂和/或燃料的量。依照本发明的ー个方面，该火焰传感器是声学传感器。优选地，该声学传感 器是压カ传感器。该压カ传感器优选是压差传感器。依照本发明的另一方面，该火焰稳定性传感器是机器视觉传感器系统。该机器视觉传感器系统优选包括至少ー个摄影机。依照本发明的另一方面，该火焰传感器是激光光学传感器。该激光光学传感器可以是波长调制的可调谐ニ极管激光器(TDL)传感器系统，其经调谐以监控ー个或多个预设波长(例如相当于离散的H2O吸收特征的约1. 4 ii m)。本申请的另一方面提供了燃烧系统，其包括燃烧设备、燃料源、稀释剂源、与该燃料源和该稀释剂源连通以将设定体积比的燃料和稀释剂的物流提供给该燃烧设备的火焰的流动系统，用于产生随火焰稳定性、火焰不稳定性和/或贫油熄火(LBO)趋势的直接或间接表征该火焰的测量值的火焰稳定性传感器，以及用于由ー个或多个火焰稳定性传感器得到的ー个或多个火焰稳定性阈值和/或由至少ー个流量传感器对该流动系统中的燃料源和稀释剂源各自得到的燃料稀释剂阈值体积比的限制来控制该燃料稀释剂设定的体积比的至少ー个控制器。该燃烧系统控制该火焰加热器的运行为安全运行同时降低NOx排放。
图1提出了关于能够用于本申请的方法和系统中的波长多路复用的波长调制TDL传感器的信息。图2提供了显示多种火焰 稳定性传感器类型的不同优选分接头(tap)位置的燃烧设备的非限制性实施例。图3显示了随着进料给火焰的稀释剂ニ氧化碳量的提高，燃烧设备的CO和NOx排放的結果。图4A和4B描绘了基于加入到该燃料物流中的CO2的分数的NOx排放量和不稳定性输出F。该不稳定性输出F是由图1中所述的TDL传感器得到的。图5显示了对于多种蒸汽燃料比的由燃烧设备的废气测得的NOx排放。图6显示了随时间随着如图5中所示加入到燃料气中的蒸汽分数的提高，由压カ传感器和使用用于监控燃烧设备中的火焰稳定性的高温炉内摄影机的机器视觉传感器系统得到的经标准化的火焰稳定性输出。发明详述定义此处使用的术语“稀释剂”表示任意不可燃的(或在一种实施方案中，基本上不可燃的)且不是氧化元素或氧化剂的流体，或不包含可燃组分且不包含氧化元素或试剂作为组分的流体的任意混合物。因为空气通常包含约21体积％的氧气作为组分，其是氧化元素，因此应当认识到空气不是此处所用术语的稀释剂。此处使用的术语“燃料”表示是可燃材料的任意流体。燃料的非限制性实施例包括但不限于天然气、炼厂气、汽油、来自化学加工或石化精炼运行的可燃或易燃挥发性有机化合物或其它可燃/易燃废物、生物质来源的燃料、煤气或其它烃基可燃/易燃物质。此处使用的“燃料稀释剂的体积比”不包括空气。如上所述，空气不是本申请中所用术语的稀释剂。燃料稀释剂的体积比是给定时间段内进料给火焰的所有燃料的体积(分子)/给定时间段内进料给火焰的所有稀释剂的体积(分母)。该定义也适用于稀释剂燃料的体积比的逆关系。此处使用的术语“近红外区”表示约0. 7 ii m至约1. 6 ii m的波长。
此处使用的术语“火焰稳定性传感器”表示经构造以基于由所用的传感器和/或传感器系统直接或间接测得的一个或多个火焰的測量特征提供可操控的信号给出关于火焰的稳定性、不稳定性状态和/或火焰熄灭或吹熄可能性的指示的任意装置或装置的集合。该装置包括但不限于光学传感器、声学传感器和机器视觉传感器。尽管本说明书在下面描述了火焰稳定性传感器的特别实例，但认识到这种描述提供用于解释的目的而非限定于给出的实施例。在本申请的各种实施方案中，在本申请的方法和系统中能够使用任意的火焰稳定性传感器，包括现有技术中已知的未在本文中讨论的火焰稳定性传感器和/或火焰监控传感器。还预期此处描述的装置可以单独使用或彼此相结合使用(例如多个光学传感器、多个压カ传感器、机器视觉传感器(例如摄影机)、光学传感器与压カ和/或机器视觉传感器相结合、压カ传感器与声学和/或光学传感器相结合等)以产生安全运行和NOx降低的效果。现在将考虑到上述定义提及本申请的多个方面。此外，应当认识到术语“稳定性”或“不稳定性”可互換使用，且对于此处所述的“火焰稳定性传感器”描述相同的所需功能。本申请的ー个方面提供了运行燃烧设备(例如炉子、锅炉等)导致安全运行和NOx排放降低的方法。该方法包括为该燃烧设备中的火焰提供预设体积比的燃料和稀释剂的物流；提供火焰稳定性传感器以产生作为火焰稳定性的函数改变的火焰的特征的测量值；根据(i) ー个或多个火焰稳定性传感器的ー个或多个测量值的阈值和(ii)由该流动系统中的燃料源和稀释剂源各自上的至少ー个流量传感器测得的燃料稀释剂的阈值体积比中的至少ー个的限制来控制燃料 稀释剂的该设定的体积比。该稀释剂通常是惰性的、不可燃的且不是氧化元素或氧化剂的物质。适合的稀释剂的实例包括氮气、蒸汽(例如过热蒸汽)、ニ氧化碳、循环的燃烧气或其组合中的ー种或多种。在一个实施方案中，该稀释剂包括至少80体积％的氮气。在可选的实施方案中，该燃料稀释剂的体积比的稀释剂组分包括至少I体积％的ニ氧化碳。在一个实施方案中，该流体选自过热蒸汽、循环的燃烧器和氮气中的ー种或两种。如上所述，该火焰稳定性传感器通常包括经构造以基于对ー个或多个火焰的直接或间接测量特征提供关于ー个或多个火焰的稳定性或不稳定性状态和/或ー个或多个火焰熄灭或吹熄可能性的指示的任意装置。这种特征包括以下中的ー个或多个火焰电离、火焰形状、火焰颜色、火焰强度、火焰混合模式、火焰组成、火焰温度、与火焰相关的烟、噪声和/或由一个或多个火焰和/或炉瓦发出的光。该装置包括但不限于光学传感器、声学传感器和机器视觉传感器。例如但不限干，该火焰稳定性传感器是光学传感器，例如包括激光的光学传感器。优选地，该光学传感器使用一个或多个调谐到近红外区域中的ー个或多个预选的波长，例如对应于H2O吸收特征的那些波长，的可调谐ニ极管激光器(TDL)。在另ー实施方案中，该火焰稳定性传感器是声学传感器，例如压カ传感器。优选地，该压カ传感器是压差传感器，其用于监控来自燃烧设备内的一个或多个火焰的噪声的统计波动。在另ー实施方案中，该火焰稳定性传感器是具有至少ー个摄影机的机器视觉传感器系统。多种技术适合于使用来自ー个或多个火焰稳定性传感器的至少ー个測量值控制和/或限制燃料稀释剂体积比。例如，该エ艺控制能够包括如预设临界火焰不稳定性阈值所限制的那样降低燃料稀释剂的体积比。在一个非限制性的实施方案中，该火焰不稳定性阈值(Fwtt)是由火焰稳定性因子F的计算得到的预设值，其在本实施例中是由火焰稳定性传感器所测得的信号的频率内容的分析通过以下公式得到的计算結果
权利要求
1.一种控制燃烧设备运行的方法，其中所述燃烧设备具有火焰，所述方法包括 将确定体积比的燃料和稀释剂的物流提供至所述燃烧设备中的火焰，所述物流的燃料来自燃料源，稀释剂来自稀释剂源； 提供至少一个火焰稳定性传感器以产生火焰特征的测量值；和 基于α)来自所述至少一个火焰稳定性传感器的至少一个测量值的至少一个阈值和( )来自所述燃料源和稀释剂源各自的至少一个流量测量值中的至少一个，控制所述燃料稀释剂的确定的体积比。
2.权利要求1的方法，其中所述至少一个火焰稳定性传感器是光学传感器、声学传感器和机器视觉传感器中的至少一个。
3.权利要求2的方法，其中所述光学传感器包括至少一个激光器、电子控制器、至少一个检测器和数据采集和处理系统，所述数据采集和处理系统产生传递给工艺控制器的可操控的信号以帮助控制所述燃料稀释剂比。
4.权利要求3的方法，其中所述光学传感器是波长调制可调谐二极管激光器(TDL)传感器，所述传感器具有至少一个调谐到至少一个预选波长的激光器，所述激光器具有或不具有波长多路复用。
5.权利要求2的方法，其中所述至少一个火焰稳定性传感器是声学传感器。
6.权利要求5的方法，其中所述声学传感器是压差传感器。
7.权利要求2的方法，其中所述至少一个火焰稳定性传感器是机器视觉传感器。
8.权利要求7的方法，其中所述机器视觉传感器包括至少一个摄影机。
9.权利要求1的方法，其中所述火焰特征选自如下的至少之一火焰电离、火焰形状、火焰混合模式、火焰组成、火焰温度、与所述火焰相关的烟、噪声和由所述火焰发出的光。
10.权利要求9的方法，其中所述特征是可由所述至少一个火焰稳定性传感器直接测量得到的。
11.权利要求9的方法，其中所述特征是可由所述至少一个火焰稳定性传感器间接测量得到的。
12.权利要求1的方法，其中所述稀释剂包括选自氮气、蒸汽、二氧化碳、循环燃烧气或其组合的流体。
13.权利要求12的方法，其中所述稀释剂包括过热蒸汽。
14.权利要求12的方法，其中所述稀释剂包括至少80体积％的氮气。
15.权利要求12的方法，其中所述稀释剂包括至少I体积％的二氧化碳。
16.权利要求1的方法，其中所述燃烧设备是加热炉和锅炉中之一。
17.权利要求1的方法，其中基于(i)来自至少一个火焰稳定性传感器的至少一个测量值的至少一个阈值和(ii)来自燃料源和稀释剂源各自的至少一个流量测量值中的至少一个，实时控制所述确定的燃料稀释剂的体积比。
18.权利要求17的方法，其中控制所述确定的燃料稀释剂的体积比包括降低燃料稀释剂的体积比，直至达到预设的临界火焰不稳定性阈值。
19.权利要求18的方法，其中所述预设的临界火焰不稳定性阈值对应于计算得到的火焰稳定性因子值F。
20.权利要求1的方法，其中控制所述确定的燃料稀释剂的体积比包括调节来自燃料源的燃料的流量和来自稀释剂源的稀释剂的流量的至少之一。
21.权利要求20的方法，其中所述燃料是燃料气体。
22.权利要求1的方法，其中控制所述确定的燃料稀释剂的体积比提供所述燃烧设备的安全运行。
23.权利要求1的方法，其中控制所述确定的燃料稀释剂的体积比降低了来自所述燃烧设备的NOx排放。
24.权利要求1的方法，其中所述火焰稳定性传感器包括产生数字化光学图像的装置，其中通过控制器对所述数字化图像进行处理，所述控制器能够产生阈值以区分稳定和不稳定的火焰条件并提供控制燃料稀释剂体积比的输出。
25.权利要求1的方法，其中所述火焰稳定性传感器包括测量直接或间接表示火焰稳定性随时间变化的火焰特征的装置，由此产生控制信号。
26.一种燃烧系统,其包括 燃烧设备； 燃料源； 稀释剂源； 物流系统，其与所述燃料源和稀释剂源连通以将确定体积比的燃料和稀释剂的物流提供至所述燃烧设备中的火焰； 至少一个火焰稳定性传感器，用于产生所述火焰的至少一个特征的至少一个测量值；和 控制器，基于(i)来自至少一个火焰稳定性传感器的至少一个测量值的阈值和(ii)由所述燃料源和稀释剂源各自的至少一个物流测量值测得的燃料稀释剂的阈值体积比中的至少之一，控制所述确定的燃料稀释剂体积比。
27.权利要求26的燃烧系统，其中所述火焰稳定性传感器是光学传感器、声学传感器和机器视觉传感器中的至少一个。
28.权利要求27的燃烧系统，其中所述光学传感器包括至少一个激光器。
29.权利要求28的燃烧系统，其中所述激光器是调谐到至少一个预选波长的波长调制可调谐二极管激光器(TDL)传感器。
30.权利要求29的燃烧系统，其中所述波长调制的TDL传感器具有波长多路复用。
31.权利要求26的燃烧系统，其中所述至少一个火焰稳定性传感器是声学传感器。
32.权利要求31的燃烧系统，其中所述声学传感器是压差传感器。
33.权利要求26的燃烧系统，其中所述至少一个火焰稳定性传感器是机器视觉传感器。
34.权利要求33的燃烧系统，其中所述机器视觉传感器包括至少一个摄影机。
35.权利要求26的燃烧系统，其中所述火焰的特征是如下的至少之一火焰电离、火焰形状、火焰混合模式、火焰组成、火焰温度、与所述火焰相关的烟、噪声和由所述火焰发出的光。
36.权利要求35的燃烧系统，其中所述特征是可由所述至少一个火焰稳定性传感器直接测量得到的。
37.权利要求35的燃烧系统，其中所述特征是可由所述至少一个火焰稳定性传感器间接测量得到的。
38.权利要求26的燃烧系统，其中所述稀释剂包括选自氮气、蒸汽、二氧化碳、循环燃烧气及其组合的流体。
39.权利要求38的燃烧系统，其中所述稀释剂包括过热蒸汽。
40.权利要求39的燃烧系统，其中所述稀释剂包括至少80体积％的氮气。
41.权利要求38的燃烧系统，其中所述稀释剂包括至少I体积％的二氧化碳。
42.权利要求26的燃烧系统，其中所述燃烧设备是加热炉和锅炉中之一。
43.权利要求26的燃烧系统，其中所述控制器基于(i)来自至少一个火焰稳定性传感器的一个或多个测量值的阈值和(ii)来自燃料源和稀释剂源各自的至少一个流量测量值的至少之一提供实时控制。
44.权利要求43的燃烧系统，其中所述控制器降低燃料稀释剂的体积比直至达到预设的临界火焰不稳定性阈值。
45.权利要求44的燃烧系统，其中对于激光传感器而言，所述预设的临界火焰不稳定性阈值对应于在频谱中高达O. 06的功率波动，所述功率波动来自分子中O. 5至IOHz和分母中O. 5Hz至2kHz之间的频率内容分析的分数。
46.权利要求26的燃烧系统，其中所述控制器调节来自燃料源的燃料的流量。
47.权利要求26的燃烧系统，其中所述控制器调节来自稀释剂源的稀释剂的流量。
全文摘要
本发明涉及控制燃烧设备(1)的运行以提供安全和可靠运行同时降低NOx排放的方法，所述方法包括为所述燃烧设备的火焰(12)提供预设体积比的燃料(14)和稀释剂(15)的物流；提供火焰稳定性传感器(30，40，50)以产生表征所述火焰的测量值；提供燃料和稀释剂各自的流量测量值；和使用来自所述火焰稳定性传感器的测量值和/或流量测量值控制所述确定的燃料稀释剂的体积比。本发明还包括了包括所述方法的燃烧系统。
文档编号F23N5/08GK103038575SQ200980148343
公开日2013年4月10日 申请日期2009年12月15日 优先权日2008年12月15日
发明者约翰·T·法雷尔, 桑·乔特雷, 加里·T·多布斯, 曼纽尔·S·阿尔瓦雷斯, 帕特里克·D·施魏策尔 申请人:埃克森美孚研究工程公司