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专利名称：内嵌式烧失量测量系统和方法
技术领域：
本发明涉及碳氢化合物(例如煤)燃烧设备以及用于测量这类设备的烧失量的系统和方法。
背景技术：
在工业发生炉中，燃烧碳氢燃料例如煤以形成用于驱动涡轮发电机的蒸汽。对于 有效地工作且产生形成落在环境保护法规和设计约束条件强制执行的规定以内的副产品的可接受的完全燃烧的炉膛，炉膛中的所有独立的燃烧炉必须干净且有效地工作，并且必须正确地平衡和调整所有后燃系统。通常监测未燃碳(即烧失量(LOI)数据)、NOx、一氧化碳和/或其它副产品的排放以确保符合环境保护法规并且确保符合设计约束条件。参见作为参考并入本文的美国专利No. 6，389，330。如’ 330专利中陈述的，难以在线和持续监测一些排放，例如飞灰中未燃碳的浓度。在大多数情况下，以定期或不定期原则通过提取灰分样本并且把样本送到实验室进行分析来测量这些排放。通常，该飞灰样本是送到现场以外的实验室，在那里称量、燃烧和再称量该样本。这个分析可能花费数天至一周或更久。大多数发电设备不具有现场的化学实验室，并且由于分析占用的时间，设备效率常常不处于最佳级别。’ 330专利提出监测从炉膛的后火焰带发出的辐射并且响应辐射的波动成分，然后计算一个或多个燃烧参数。宣传RCA 2000残余碳分析仪(M&W Asketeknik)通过旋风分离器从烟气提取飞灰并且使用光在转换器中分析它。分析结果发送给控制室。看起来仍没有现有系统能够直接在现场持续自动地(例如不需要操作员干预)测量烧失量(LOI)并且不需要校准。

发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种新的烧失量测量系统和方法。在一个优选实施例中，上述系统和方法能够直接测量烧失量并且能够在现场以持续和自动的方式在不需要校准的情况下测量烧失量。本发明的另一目的是在一个实施例中，提供自洁式系统和方法。然而，在其它实施例中，本发明不需要实现所有这些目的，并且其权利要求将不会受限于能够实现这些目的的结构或方法。本发明的特色在于一种内嵌式烧失量测量系统，其通常包括构造成从碳氢燃料燃烧设备收集燃料或燃烧副产品的提取器和构造成接收收集的物质并且确定设备的烧失量数据的现场分析仪。可以包括一个或多个阀的传送机构构造成把收集的物质从提取器传送至分析仪。控制器显示烧失量数据和/或自动地调整与该设备有关的一个或多个参数。该系统通常用于副产品为飞灰的燃煤设备。在一个例子中，该分析仪是热重量分析仪，构造成称量飞灰、燃烧飞灰并且再次称量飞灰来确定烧失量。调整的参数可以包括空气-燃料比和/或对粉碎机的调整以改变煤炭粒子的大小。一个优选提取器伸入排气烟囱中。在一个例子中，该提取器包括含有烟囱内的集尘漏斗和烟囱外表的横向通孔的主体、该主体内的可移动活塞，该活塞具有横向贯穿其中的收集容积孔，当活塞伸出时，该收集容积孔与该集尘漏斗连通以接收飞灰。当该活塞缩回时，该活塞收集容积孔与烟 外侧的该横向通孔连通。烟 外侧的芯块腔室在该主体通孔的下方。当该活塞缩回时，夯锤可驱动通过该缸体通孔和该活塞收集容积孔以在该芯块腔室中形成飞灰的芯块。在该例子中，该传送机构通常包括可旋转阀，用于把该芯块从芯块腔室传送至分析仪。热重量分析仪可以包括构造成从该可旋转阀接收飞灰芯块的圆盘传送带。另一提取器包括静电除尘器。又一个提取器包括电机驱动的旋转螺旋推进器。也·可以使用旋风分离器装置。本发明的特色还在于一种内嵌式烧失量测量方法。收集来自碳氢燃料燃烧设备的燃料或燃烧副产品并且传送至现场分析仪。分析收集的物质来确定该设备的烧失量数据，并且显示该烧失量数据和/或基于该烧失量数据自动调整一个或多个设备参数。在副产品是飞灰的燃煤设备中，分析通常包括称量飞灰、燃烧飞灰并且再次称量飞灰来确定烧失量数据。收集可以包括采用如上所述的提取器。在一个方案中，内嵌式烧失量测量系统的特色在于旋风提取器，其构造成从碳氢燃料燃烧设备收集燃料或燃烧副产品。现场分析仪构造成接收收集的物质并且通过称量该收集的物质、燃烧该收集的物质和称量燃烧了的收集的物质确定设备的烧失量数据。传送机构可以包括一个或多个阀，构造成把收集的物质从提取器传送至分析仪。控制器显示烧失量数据和/或自动地调整与该设备有关的一个或多个参数。一种内嵌式烧失量测量方法包括使用旋风提取器从碳氢燃料燃烧设备收集燃料或燃烧副产品、传送收集的物质至现场分析仪；通过称量该收集的物质、燃烧该收集的物质和称量燃烧了的收集的物质分析收集的物质来确定该设备的烧失量数据，并且显示该烧失量数据和/或基于该烧失量数据自动调整一个或多个设备参数。


通过优选实施例的下列描述和附图，本领域技术人员将想到其它目的、特征和优点，其中图I是框图，描述了与典型的燃煤设备有关的主要部件和与确定烧失量的现有技术方法有关的步骤；图2是很好示意的框图，示出了与根据本发明的一个例子用于确定烧失量的更自动化系统和方法有关的主要部件；图3是示意三维侧视图，示出了飞灰提取器的一个例子；图4A-4F是图3所示飞灰提取器在工作时的示意剖视图；图5是示意剖视图，示出了不同方案的提取器；
图6是示意剖视图，示出了飞灰样本提取器的又一个例子；图7是示意三维局部剖视图，示出了根据本发明的系统和方法有用的热重量分析仪的一个例子；图8是示意三维图，示出了图3的提取器如何与市场上可买到的分析仪的圆盘传送带输入端连接；和图9是根据本发明的另一 LOI测量系统的示意三维图；图10是框图，示出了根据本发明的更完整的LOI测量系统的主要部件；和图11是框图，示出了根据本发明的LOI测量系统如何能用于燃烧过程监测和控制。
具体实施例方式除了下面公开的一个或多个优选实施例，本发明能够是其它实施例并且能够以各种方式实行或实现。因此，应当理解，本发明的应用不局限于下面描述提出的或附图示出的构造详图和部件布置。如果本文只描述一个实施例，其权利要求不局限于此实施例。此外，不是限制性地读取其权利要求，除非有明确和令人信服的证据证明某一排除、限制或放弃。本发明的一个特征是能够以自动的方式测量烧失量。烧失量是燃煤发电设备中未燃烧的煤的量。烧失量通常从2%变化到20+%。如果能够以自动的方式测量LOI值，那么就能够优化注入炉子和粉碎机中的氧气和煤的量，得到更高的效率、更低的燃料费用和减少的维护费用。例如，一个能量发电机组每天燃烧大约两千吨煤。如果年LOI从平均为4%减少到平均为3%，那么仅仅一个设备每年将节省七千吨以上的煤。不仅将节省煤，排放也会降低并且维护费用(每个能量输出)也将减少。本发明的一个特征在于内嵌式系统，特别适合于煤及其它碳氢化合物燃烧设备中的快速LOI检测。图I描述了确定燃煤设备10的烧失量的一种现有方法。用粉碎机14a和14b分别粉碎来自煤堆12a和12b的煤，在混合器16中混合(如果要求)，并且由燃烧器18燃烧。从烟囱20收集飞灰样本，如图21所示，并且送到生产线外实验室22进行分析。飞灰是离开燃烧设备燃烧器的所有固体物质的组合。它既含有未燃的煤(LOI)，也含有从每批煤的杂质产生的无机氧化物。然后把LOI数据提供给操作员，如图23所示，该操作员可以使用各种控制器24调整例如空气-燃料比和/或离开粉碎机14a和14b的燃料的大小。如上面的背景技术节段所表明的，分析过程通常花费数天至一周或更久。由于分析占用的时间，设备效率常常不处于最佳级别。根据本发明的一个例子，烧失量数据是现场确定的。图2，在一个例子中，提取器30构造成从燃煤设备烟囱20收集燃料或如图2所示收集燃烧副产品例如飞灰。在这个例子中，分析仪32 (例如自动的热重量分析仪)从该提取器接收飞灰并且确定该设备的LOI数据。控制器34被编程来显示LOI数据在显示屏36 (位于例如设备的控制室中)上和/或如图38所示经由电信号控制各种设备参数例如空气-燃料比或离开粉碎机的燃料的大小。提取出的样本一经分析就可以存储，如图33所示。图3-4，在一个例子中，提取器30’贯穿烟囱壁40并且包括缸体42，该缸体带有烟囱内的集尘漏斗44和烟囱外侧的横向通孔46。缸体42内的可移动活塞48具有横向贯穿其中的收集容积孔50，当活塞48伸到图4A所示位置时该收集容积孔50与集尘漏斗44连通以接收飞灰。过剩的灰分填充漏斗44并且阻止进一步聚集。芯块腔室 52也在烟囱外侧，位于缸体42的通孔46的下方并与之连通。图4B-4C，当活塞48缩回时，夯锤56可驱动通过缸体通孔46和活塞收集容积孔50以在芯块腔室52中形成飞灰的芯块51。通常，然后由传送机构传送该芯块，该传送机构构造成把芯块从提取器30传送至分析仪。图4D-4F示出了如何通过阀53的旋转让芯块51离开芯块腔室52 (参见图4A的由图2的控制器34操纵的阀控制器59)。因此，在该特定例子中，阀53用作传送机构把收集的飞灰从提取器传送至分析仪。如图4E-4F所示，气动夯锤排出芯块51。图5，在另一实施例中，提取器30”包括静电除尘器。风道60把从烟囱20出来的气体/飞灰排放混合物的小体积改道至静电除尘器62，其把飞灰聚集到荷电板上。然后这些板穿过分析仪32进行分析。图6，在另一实施中，提取器30’ ”包括电机驱动的旋转螺旋推进器64用于压缩和驱使飞灰到分析仪32的入口中。其他的提取器也是可行的，例如旋风式装置、传送带等等。而且，可以提取和分析炉底灰而不是飞灰。图7，在一个例子中，热重量分析仪32构造成称量飞灰、燃烧飞灰、然后再次称量飞灰来确定LOI数据。分析仪32包括绝热壳体70，其带有内套筒72和加热线圈74。从提取器经由传送机构输出的飞灰样本进入入口 76，然后安放在谐振器台78上，在这里通过用电磁控制/致动器子系统80确定平台/样本组合的谐振频率或用压电天平、微量天平或其它天平对其进行称量。然后用加热线圈74升高腔室82的温度来燃烧飞灰样本。然后再次称量样本。由图2的电子控制器34(通常具有适当编程的处理器)利用燃烧前后的重量差确定LOI数据。之后，图7的致动器系统80使谐振器台78翻转90度，并且燃烧了的飞灰经由出口 84离开分析仪。系统80控制清除射流86来从腔室82或谐振器台78清除所有残留的飞灰。在整个采样过程中，加热腔室可以保持恒温(大约800摄氏度)。飞灰落到称量台上，称量并迅速燃烧。一旦完成燃烧，就用清除射流86引出的氮气把样本清除出腔室，并且系统为下一样本做好准备。在另一实施例中，使用可从PerkinElmer Inc. (Waltham, MA)获得的热重量分析仪，带有自动采样器的STA 6000同步热分析仪。例如，图8示出图3-4所示的提取器30’安置在这种分析仪的带有飞灰芯块接收器92的输入圆盘传送带90的上方。圆盘传送带90在图2所示控制器34的控制下旋转着以接收飞灰芯块(参见图4F的芯块51)。分析仪可以直接连接到提取器(并且例如靠重力供以飞灰，或者通过螺旋推进器等等)或者可以通过传送机构从提取器接收飞灰。飞灰能够是芯块的形式或是粉末的形式。飞灰的芯块可能更易于传送，但是它也可能更难以称量和燃烧。粉末形式的飞灰，尽管更易于燃烧，但是可能更难以传送，并且可能需要采取其它步骤来清理提取器、传送机构和分析仪。能够使用其它类型的分析仪，例如导电和光谱分析仪。在另一方案中，图9，带有分配阀102a和102b连接其上的旋风提取器30"由真空发生器104操纵以提取灰分并清除(清理)提取器。穿过风道壁40的管道106用来连接风道的内部到旋风分离器30”。分配阀102a和102b用来沉淀飞灰样本到传送机构110的穴108中，在该例子中，该传送机构是材料输送圆盘传送带。TGA 32的拾取与放置机构112从输送机110的穴中取回飞灰样本并且把灰分样本呈现给TGA 32进行分析。清理站116可用于通过真空或清除动作把灰分清理出输送机110的穴108。在另一例子中，TGA直接布置在用作传送机构的阀102b的下面。图10示出旋风提取器30”、输送机110和TGA 32，连同用于操纵该系统的阀装设和控制线路。表格120描述样本收集、样本输送、清理等期间系统的工作。图11示出了一种LOI测量系统140如何能与其它设备传感器例如氧传感器142、一氧化碳传感器144等一起通过信号处理电子设备150、状态判定器152和控制器154用于控制各个设备参数。在此例子中，设备燃烧致动器156由控制器154控制。优选地，最小化活动部件的数量，因此维护不是问题。而且，最好是整个系统是自洁式的。如上所述，一些分析仪采用圆盘传送带，在这种情况下，传送机构设计成提供提取器与分析仪的圆盘传送带之间的连接。在其它实施例中，煤在设备燃烧器中燃烧之前得到分析。还在其它实施例中，提取 和分析其它类型的碳氢燃料和/或燃烧副产品。在一个优选实施例中，优选的结果是在现场直接、持续、自动地测量烧失量的系统和方法，并且不需用额外的校准。因此，虽然在一些附图中示出了本发明的特定特征，而其它附图中没有，但是，这仅仅是为了方便，因为根据本发明，每个特征可以与其它特征的任一或所有进行组合。本文使用的词"包括"、"包含"、"具有"、"带有"应当广泛且全面地进行诠释，并且不局限于任何物理关联。而且，本申请公开的任何实施例都不看做唯一可行的实施例。此外，本专利的专利申请进行期间提出的任何修改都不是对提交申请时存在的任何权利要求要素的放弃不能合理地期望本领域技术人员拟出从字面上涵盖所有可行等效物的权利要求，在修改的时候许多等效物将是不可预见的并且超出对要放弃的内容(如果有的话)的公平诠释，构成该修改的基础的基本原理可能仅仅具有与许多等效物的肤浅关系，和/或有许多其它理由而不能期望申请人描述修改的任何权利要求要素的某些无实体的替代。其它实施例将被本领域技术人员想到并且在下列权利要求的范围内。
权利要求
1.一种内嵌式烧失量测量系统包括 提取器，构造成从碳氢燃料燃烧设备收集燃料或燃烧副产品； 现场分析仪，其构造成接收所述收集的物质并且确定设备的烧失量数据； 传送机构，其构造成把所述收集的物质从所述提取器传送至所述分析仪；和控制器，其用于显示所述烧失量数据和/或用于自动地调整与所述设备有关的一个或多个参数。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，所述设备是燃煤设备。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述副产品是飞灰。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述分析仪是热重量分析仪，其构造成称量所述飞灰、燃烧所述飞灰并且再次称量所述飞灰来确定烧失量数据。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述一个或多个参数包括空气-燃料比。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述一个或多个参数包括对粉碎机的调整以改变煤炭粒子的大小。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述提取器伸入排气烟囱中。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述提取器包括 含有所述烟囱内的集尘漏斗和所述烟囱外表的横向通孔的主体， 所述主体内的可移动活塞，其具有横向贯穿其中的收集容积孔，当所述活塞处于伸出位置时，所述收集容积孔与所述集尘漏斗连通以接收所述飞灰，并且当所述活塞缩回时，所述收集容积孔所述该横向通孔连通； 所述烟 外侧的位于所述主体下方与所述横向通孔连通的芯块腔室，和夯锤，当所述活塞处于缩回位置时所述夯锤可驱动通过所述主体通孔和所述活塞收集容积孔以在所述芯块腔室中形成飞灰芯块。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述传送机构包括所述芯块腔室下方的可旋转阀，用于把所述芯块从所述芯块腔室传送至所述分析仪。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所诉分析仪包括热重量分析仪，其包括构造成从所述可旋转阀接收飞灰芯块的圆盘传送带。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述提取器包括静电除尘器。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述提取器包括电机驱动的旋转螺旋推进器。
13.根据权利要求7所述的系统，其中，所述提取器是旋风分离器装置。
14.根据权利要求I所述的系统，其中，所述传送机构包括一个或多个阀。
15.一种内嵌式烧失量测量系统，包括 旋风提取器，其构造成从碳氢燃料燃烧设备收集燃料或燃烧副产品； 现场分析仪，其构造成接收所述收集的物质并且通过称量所述收集的物质、燃烧所述收集的物质和称量燃烧了的所述收集的物质确定所述设备的烧失量数据； 包括一个或多个阀的传送机构，其构造成把所述收集的物质从所述提取器传送至所述分析仪；和 控制器，其用于显示所述烧失量数据和/或用于自动地调整与所述设备有关的一个或多个参数。
16.—种内嵌式烧失量测量方法,包括从碳氢燃料燃烧设备收集燃料或燃烧副产品； 把所述收集的物质传送至现场分析仪； 分析所述收集的物质来确定所述设备的烧失量数据；以及 显示所述烧失量数据和/或基于所述烧失量数据自动地调整一个或多个设备参数。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述设备是燃煤设备。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述副产品是飞灰。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述分析包括称量所述飞灰、燃烧所述飞灰并且再次称量所述飞灰来确定烧失量数据。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述一个或多个参数包括空气-燃料比。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述一个或多个参数包括对粉碎机的调整以改变煤炭粒子的大小。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述收集包括运用烟囱内的集尘漏斗收集所述飞灰以及把所述飞灰压成芯块。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述收集还包括在压缩所述飞灰之前把所述飞灰移到所述烟囱的外部。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，所述收集包括采用静电除尘器。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，所述收集包括采用螺旋推进器。
26.根据权利要求16所述的方法，其中，所述收集包括采用旋风分离器装置。
27.根据权利要求16所述的方法，其中，所述分析包括采用重量分析仪。
28.根据权利要求16所述的方法，其中，所述传送包括采用一个或多个阀。
29.一种内嵌式烧失量测量方法，包括 使用旋风提取器从碳氢燃料燃烧设备收集燃料或燃烧副产品； 把所述收集的物质传送至现场分析仪； 通过称量所述收集的物质、燃烧所述收集的物质和称量燃烧了的所述收集的物质分析所述收集的物质来确定所述设备的烧失量数据；以及 显示所述烧失量数据和/或基于所述烧失量数据自动地调整一个或多个设备参数。
全文摘要
本发明涉及一种内嵌式烧失量测量系统，其特殊在于，构造成从碳氢燃料燃烧装置收集燃料或燃烧副产品的提取器、构造成接收收集的物质并且确定设备的烧失量数据的现场分析仪、构造成把收集的物质从提取器传送至分析仪的传送机构以及用于显示所述烧失量数据和/或用于自动地调整与所述设备有关的一个或多个参数的控制器。
文档编号G01N1/20GK102803921SQ201080013228
公开日2012年11月28日 申请日期2010年1月26日 优先权日2009年1月26日
发明者D·哈杰斯, J·威廉斯, J·A·比克福德, D·特拉维格利亚, D·G·达莫尔, J·D·德鲁因 申请人:查尔斯斯塔克德雷珀实验室公司