[发明专利]监视与控制燃烧过程的方法与设备

说明书

本申请是申请号为200480008733.4、申请日为2004年3月31日、发明名称为“监视与控制燃烧过程的方法与设备”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及监视与控制燃烧过程的方法与设备，具体涉及应用可调谐二极管激光吸收光谱法监控燃烧过程。

背景技术

在美国，所产生的电功率中有很大百分比是来自燃烧发电设备。类似地，世界范围内的电力生产也多数依靠煤为初始能源。煤在可以预见的未来很可能仍将作为初始能源，只要是仍存在着因储存核能生产作业中的废料涉及到长期性的环境问题以及太阳能发电的低效率问题。此外，整个世界上煤的现有储量按当前的发电率至少足用200年。

但是，现今存在着并将继续有着减小燃煤发电过程的排污和提高其总效率的强烈要求。传统上，发电厂与其他工业燃烧设备中，燃烧过程的效率与排污的水中是以例如非分散型红外(NDIR)光度测定法一类技术，通过对提取的气体试样进行测量而间接测定的。提取采样系统并不特别适用于闭环控制的燃烧过程，这是由于在气体提取与最终分析二者的时间之间存在着显著的延时，此外，提取过程一般会导致单一点上的测量结果，而此结果则可能或不可能代表高度变化与动态性的燃烧室内所测物质的实际浓度。

基于激光的光学类传感器业已用来解决与提取测量技术有关的问题。基于激光的测量技术可以在现场实施，还能提供适于动态过程控制的高速反馈优点。用来测量燃烧气体成分、温度与其他燃烧参数的一种特别看好的技术是可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)。TDLAS通常用在近红外与中红外区工作的二极管激光器来实施。适用的激光器业已在电信工业的应用中广泛地研制成功，因而能迅即供TDLAS应用。以不同程度适用于传感与控制燃烧过程的TDLAS的各种技术业已开发成功。

周知的技术为波长调制光谱法、调频光谱法与直接吸收光谱法。每种方法都是根据探测器在激光业已传递过燃烧室并在表征此过程或燃烧室中存在的气体的特殊波段被吸收后所接收到的激光光量与性质之间的预定关系。为此探测器所接收的吸收光谱用来测定所分析的各种气体量以及相关的燃烧参数如温度。

例如，Von Drasek等的美国专利申请系列No.2002/00 317 37 A1提出了将可调谐二极管激光器用来监视和/或控制高温过程。VonDrasek此专利申请的特征在于用直接吸收光谱法测定众多的燃烧物质、温度与其他参数。Calabro的美国专利No.5813767提出了类似的系统用来监控燃烧室中进行的燃烧与产生的污染物。Calabro利用一种间接光谱技术，其中将所观察到的吸收特性曲线形状的多普勒谱线增宽用作温度分析基础。

Teichert、Fembolz与Ebert将作为周知的试验室分析技术的TDLAS推展为可操作的现场技术方案，到用来传感满负荷的燃煤发电设备锅炉火球内某些燃烧参数。上述三位作者在他们的论文“Simultaneous in situ Measurement of CO、H₂O and GasTemperature in a Full-Sized，Coal-Fired Power Plaut byNear-Infrared Diode Lasers，”(Applied Optics，42(12)：2043，20 April2003)中，提出了对燃煤发电设备有效地实现直接吸收光谱法，同时讨论了由于这种燃煤过程的规模极大及其激烈的性质带来的某些技术问题。尤其是一些典型的燃煤发电设备具有直径达10-20米的燃烧室，这类设备燃烧粉碎的煤，使得由于高的粉尘负荷妨碍了激光透过而在同时又极端的耀眼，由于宽广波段上的吸收、颗粒所致散射或折射率波动引起的光束转向，导致通过这种处理室的光的总透过率急剧变动。还存在着来自燃烧中的煤粒的热背景辐射，这种辐射会干扰探测器信号。这类发电设备的外部环境也会给TDLAS传感或控制系统的实施带来问题。例如，任何电子的、光学的或其他的敏感光谱元器件，都必须远离强热或加以合适的屏蔽与冷却。

尽管在上述条件下极难实施TDLAS系统，但TDLAS却是特别适合监视与控制燃煤过程。本发明便是用来解决一或多个上述实施TDLAS时的问题。

发明内容