[发明专利]光学火焰传感器

说明书

背景技术

本公开一般涉及测量设备和用于测量的方法。具体来说，本发明涉及以光学方式探测火焰中的热点的测量设备和方法。该设备和方法尤其允许确定氮氧化物的形成。本公开的设备和方法尤其用于煤燃烧，并且可以尤其考虑到平衡燃烧器化学计量。

可以在煤燃烧期间形成氮氧化物(NO_x)(例如一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO₂))。氮氧化物可以对健康有严重的影响。另外，氮氧化物被认为是温室气体。大气中的NO_x形成促成酸雨的硝酸。因此，环境规定要求减少在炉子和锅炉中的燃烧反应中氮氧化物的形成，并且甚至可以包括对排放者的经济罚款的应用。

氮氧化物(简称NO_x或NOx)和其它物质在温度实质上高于期望温度的火焰的所谓热点中形成。考虑到导致氮氧化物的形成的反应与火焰中的高温点有关，应用光学技术以便于监测燃烧过程。因此，可以将热点的直接测量用作控制参数来优化燃烧，从而减少NO_x的形成。

此外，燃烧过程中一氧化碳(CO)的形成也是需要关注的问题。NO_x和CO两者的形成取决于若干变量，特别是取决于温度、燃烧过程中存在的燃料和空气之间的比率以及燃料的颗粒大小。

为了确定和控制这些变量，在燃烧过程中使用光学监测。在清洁燃烧燃料(例如煤气、液烃)的燃烧中，光学标准方法(例如光谱法)允许在热点的确定和定位时得到令人满意的结果。然而，由于固态煤较长的挥发时间，煤燃烧的光学监测并不是同等地简单。更确切地说，当燃烧煤时，总是有小颗粒存在于火焰中，使光谱法变得复杂。

煤燃烧中的另一个任务是识别颗粒大小，这是因为偏离最佳大小的颗粒还将导致非最优的燃烧过程，该非最优的燃烧过程可以导致热点等等。颗粒大小的可变性也对燃烧控制有影响。较小的颗粒燃烧较快，较大的颗粒则需要更长的时间来挥发。

提出以光学方式测量来自存在于火焰中的基物质的排放，例如OH^-、CH^-和C₂^-3。在清洁的燃烧气体和液体燃料的燃烧中，对来自火焰中的这些基的排放的监测可以给出火焰温度和反应化学计量的精确读数。然而对于煤应用，由于存在不同大小的固体颗粒，基物质的直接探测并不是同等地可行。煤颗粒散射由火焰发出的光，从而使对来自基的火焰温度的直接测量变得困难，乃至不可能。另外，化学计量涉及价格昂贵并且需要高度维护的光学元件，例如滤波器、透镜、反射镜等等。例如，在具有大量燃烧器的燃煤发电厂中，为每台燃烧器提供、设置以及维护这些光学元件意味着巨大的投资。

因此，存在对能够确定温度，尤其是热点以及燃料的颗粒大小的改进的光学监测方法和仪器的需要。具体而言，存在对易于安装并且同等地低廉的光学监测方法和设备的需要，以便可以在若干燃烧器处安装多个该设备。

发明内容

鉴于上述内容，根据一个方面，提供一种光学测量设备。该光学测量设备适合于确定火焰中的温度并且适合于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小，并且包括用于测量火焰中的光信息并输出测量结果的彩色照相机。它还包括适合于评估测量结果的评估单元。

在本公开的上下文中，燃料表示任何可燃物，包括气态的和/或液态的和/或固态的可燃物，并且尤其是包括任何形式的煤。为了使公开的设备和方法高效地运行，燃料应该总是包括具有某个颗粒大小的颗粒的某种等级的燃料。

根据另一个方面，提供一种燃煤发电厂。该燃煤发电厂具有用于各在火焰中燃烧粉碎的煤的多个燃烧器以及根据本说明书的多个光学测量设备。

根据又一个方面，提供一种用于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小和温度的方法。该方法包括接收来自火焰的光信息并使用彩色照相机测量它；将测量结果提供给评估单元；以及评估测量结果。

根据再一个方面，提供一种用于控制燃烧器的方法。这些方法包括如本文所描述的用于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小和温度的方法。它还包括依赖于所评估的测量结果控制燃烧参数。

更多示范实施例是如从属权利要求书、说明书和附图所示。

附图说明

更特别地，在本说明书的剩余部分阐述了对本领域技术人员来说包括其最佳实施方式的完整且能够实现的公开，其包括对附图的参考，其中：

图1、2、3a、3b、7和8示出根据本公开的光学测量设备的示意性实施例。

图4为示出理论黑体辐射光谱的示意图。

图5为示出由米氏散射理论修改的示范性黑体辐射光谱的示意图。