專利名稱：用于使含碳燃料氣化的設(shè)備和方法
用于使含碳燃料氣化的設(shè)備和方法由于原料石油日益吃緊，碳?xì)饣窃絹碓街匾募夹g(shù)，通過該技術(shù)可以由儲量充足的煤炭資源獲取用于化學(xué)工業(yè)合成的原材料和用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒氣體。除了熱學(xué)用途，該步驟還是在IGCC發(fā)電站中有效利用煤炭的核心過程。當(dāng)前開發(fā)最廣泛的具有CO2分離的發(fā)電站方案是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)，其中在真正的燃?xì)夂驼羝l(fā)電站之前連接有使燃料氣化的裝置?？稍谌?xì)夂驼羝l(fā)電(GUD)過程之前進(jìn)行的可能的氣化方法是西門子燃料氣化法(SFG方法)。該方法適用于使用或充填本身富集灰塵的固體、液體和氣體的原料或填料。所述填料借助含自由氧氣的氣化器件在焰色反應(yīng)中在不超過IOMPa的壓力和不超過1900° C的溫度下轉(zhuǎn)換為CO和H2 (合成氣體主要成分)。然而，為了能夠有效地并且防干擾地進(jìn)行氣化過程，即將填料低化學(xué)計(jì)量地轉(zhuǎn)化(入〈I)為富含能量的合成氣體，需要監(jiān)測重要的運(yùn)行參數(shù)。所述運(yùn)行參數(shù)例如是識別主要燃料(填料)的可靠點(diǎn)燃、火焰溫度和填料組成成分的波動。但是迄今很難甚至不能實(shí)現(xiàn)直接確定過程參數(shù)。迄今可行的方案如下地描述之前示例性提到的參數(shù)即主要燃料(填料)的點(diǎn)燃、火焰溫度和填料組成成分的波動:-對主要燃料點(diǎn)燃的直接監(jiān)測迄今是不可行的?？煽康狞c(diǎn)燃通過合成氣體量的增加和升高的系統(tǒng)熱量輸出進(jìn)行顯示和監(jiān)測。-火焰溫度迄今只能基于物質(zhì)流和熱流間接地通過熱動力學(xué)計(jì)算。-填料組成成分中的波動只能通過系統(tǒng)熱量輸出的變化間接地并且在時(shí)間上延遲的識別。通過火焰高溫計(jì)測量確定波長范圍內(nèi)的火焰發(fā)射強(qiáng)度并且在假設(shè)確定的發(fā)射率的情況下推斷出溫度。該方法對于光學(xué)窗口的污染很敏感(因?yàn)樵诖藢⑤椛涿芏扔米鳒y量值)。另一方面，所得到的測量值的可信性值得懷疑，因?yàn)樗龌鹧娌皇?為進(jìn)行該評估而假設(shè)的)灰(體)輻射器，同時(shí)其發(fā)射率系數(shù)是未知的?；鹧嬷兴慕饘偻ㄟ^其火焰光產(chǎn)生重疊的峰值，或者也可能通過其重吸收產(chǎn)生光譜輻射密度中的局部斷點(diǎn)。這兩種情況均通過被評估的光譜窗口中的功率密度的潛在扭曲而導(dǎo)致錯誤測量。并且這些錯誤測量不是一次系統(tǒng)錯誤(并因此可校準(zhǔn)的)，因?yàn)槔缥挥诖翱趦?nèi)的通過確定金屬產(chǎn)生的峰值的功率隨著金屬在燃料中的濃度不可預(yù)測地改變。因此，高溫計(jì)只能在具有襯壁的反應(yīng)器(其中襯壁是輻射器)中以及只能在具有足夠透明的燃起火焰的燃?xì)膺\(yùn)行中使用。碳火焰由于所包含的碳顆粒對于位于之后的襯壁的輻射不夠透明?？梢試L試，將通過金屬發(fā)射的峰值的強(qiáng)度用于確定特殊金屬的含量，這可能會提供用于氣化運(yùn)行的有意義的測量參數(shù)。金屬含量確定所形成的灰的量。為此，評估峰值高度、峰值面積或者在特殊光譜范圍內(nèi)的確定斜率。然而，因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)重疊的火焰發(fā)射峰值，并且這些火焰發(fā)射峰值強(qiáng)烈地重疊，所以這種方式在實(shí)際中并不能充分地實(shí)施。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種減少或者解決前述問題的用于使含碳燃料氣化的方法。本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題是提供一種相應(yīng)的設(shè)備。該技術(shù)問題在方法方面通過具有權(quán)利要求1所述特征的方法解決。所述技術(shù)問題在設(shè)備方面通過具有權(quán)利要求15所述特征的設(shè)備解決。從屬權(quán)利要求涉及有利的設(shè)計(jì)方案。在按照本發(fā)明的用于運(yùn)行使含碳燃料氣化的設(shè)備的方法中，所述氣化形成火焰，記錄所述火焰的發(fā)射光譜。這通過以下方式相宜地進(jìn)行，即，通過氣化反應(yīng)器中的光學(xué)窗口實(shí)現(xiàn)對火焰光譜的采集?；鹧婀庾V輸入用于光譜分析的光譜計(jì)中，將所獲得的光譜電子地傳輸給評估單元并且通過多變量法用預(yù)先保存的評估模型尤其連續(xù)地實(shí)時(shí)評估。本發(fā)明因而提供這樣一種方法，這種方法以新穎而有利的方式評估火焰的發(fā)射光譜，以便能夠連續(xù)地監(jiān)測期望的參數(shù)(例如火焰溫度)。由于較高的溫度、反應(yīng)性的氣體以及形成沉積物的強(qiáng)烈趨向，幾乎不可能通過引入氣化火焰中的探頭來直接測量所述參數(shù)。光譜分析可以包括處于紫外線至中等紅外線范圍內(nèi)的電磁光譜區(qū)域。尤其記錄在300至2000nm的范圍內(nèi)，尤其是300至800nm的范圍內(nèi)的所述發(fā)射光譜。優(yōu)選由所述發(fā)射光譜評估灰成分的發(fā)射譜線，例如堿或堿金屬的發(fā)射譜線。在本發(fā)明的一種擴(kuò)展設(shè)計(jì)中，為了形成評估模型，在已知的運(yùn)行參數(shù)下記錄光譜并且將光譜與所述運(yùn)行參數(shù)一起保存在存儲器中。在此，尤其通過多變量統(tǒng)計(jì)方法，如主要成分分析、偏最小二乘法回歸、偏最小二乘法判別分析、聚類分析或者人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對具有所述運(yùn)行參數(shù)的光譜進(jìn)行分類，并且由此建立將確定的光譜配屬給確定的運(yùn)行參數(shù)的評估模型。隨后相宜地通過所述評估模型將在運(yùn)行中記錄的光譜配屬給具有已知運(yùn)行參數(shù)的已知光譜，并且由此確定當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)。在此，作為優(yōu)選需要考慮的運(yùn)行參數(shù)單獨(dú)地或者相互結(jié)合地包括:-根據(jù)產(chǎn)生不同光譜的不同燃料區(qū)分是否存在用氣體(燃料)運(yùn)行設(shè)備的情況，例如穩(wěn)壓運(yùn)行或者帶有填料火焰的氣化運(yùn)行，因?yàn)闅怏w例如只包含非常少產(chǎn)生光譜譜線的金屬，-根據(jù)通過發(fā)光/吸收的金屬的光譜譜線確定產(chǎn)生渣的無機(jī)物質(zhì)的總含量，-火焰溫度，-燃燒的化學(xué)計(jì)量。對于評估單元有利的是，所測得的火焰光譜在輸送給光譜分析裝置之前在評估單元中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，尤其是標(biāo)準(zhǔn)化為峰值高度、光譜積分或者可確定的波長中的信號高度。在本發(fā)明的一種有利的設(shè)計(jì)方案中，使用并行測量光譜的光譜計(jì)，尤其是進(jìn)行波長色散并且將結(jié)果描繪在并行測量的陣列檢測器上的光譜計(jì)，其中每個(gè)像素測量一個(gè)確定的波長區(qū)間。由此可以實(shí)現(xiàn)針對某一時(shí)間進(jìn)行光譜測量。對不同波長的依次測量可能由于火焰的閃爍而導(dǎo)致結(jié)果錯誤。作為備選或補(bǔ)充，可以為了減小火焰閃爍效果而選擇相對閃爍頻率來說較長的測量時(shí)間。與此相似地，也能夠以與火焰閃爍的時(shí)間常量相當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔進(jìn)行多次較短的測量并且在輸送給評估單元之前取平均值。此外有利的是，所述評估單元確定，所輸送的處于光譜計(jì)測量范圍內(nèi)的光譜是否曝光過度或者曝光不足，并且如果不是這兩種情況，則重新調(diào)整光譜計(jì)參數(shù)，尤其是測量時(shí)間或者多次測量的數(shù)量。同樣有利的是，通過評估所測得的光譜的形狀，對光學(xué)路徑的完整性進(jìn)行監(jiān)測。本發(fā)明還提供一種用于使含碳燃料氣化的相應(yīng)設(shè)計(jì)的設(shè)備，所述設(shè)備具有:-用于記錄火焰的光譜的裝置，-用于對光譜進(jìn)行光譜分析的裝置，-用于根據(jù)評估模型評估所述光譜分析的裝置，-用于存儲評估模型的裝置?，F(xiàn)在根據(jù)附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但這些實(shí)施例并不限制本發(fā)明。在此，示意性示出了所述特征。在附圖中:

圖1示出位于可見光譜范圍內(nèi)的碳火焰光譜；圖2示出位于可見光譜范圍內(nèi)的氣體火焰光譜；圖3示出用于評估火焰光譜的方法；圖4示出用于評估火焰光譜的結(jié)構(gòu)。圖1示出在約400nm至IOOOnm之間的紫外線/可見光范圍內(nèi)測量的碳火焰的一種典型光譜10。圖2示出氣體火焰的類似的第二光譜20。圖3示出用于評估火焰光譜的方法的一個(gè)實(shí)施例。所述評估按照兩個(gè)步驟進(jìn)行:I)形成評估模型:在此，在氣化運(yùn)行中，在已知的運(yùn)行參數(shù)下記錄光譜31，并且將光譜與運(yùn)行參數(shù)一起保存。有利地在該時(shí)間測量之后感興趣的運(yùn)行參數(shù)的總帶寬。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理32之后，所述數(shù)據(jù)通過多變量統(tǒng)計(jì)方法33分類，即建立將確定的光譜配屬給確定的運(yùn)行參數(shù)的評估模型34。所述方法33例如是主要成分分析(PCA)、偏最小二乘法回歸即PLS、偏最小二乘法判別分析即PLSDA、聚類分析或者人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。2)使用所述評估模型。隨即在運(yùn)行中將未知的光譜35輸送給由此確定的評估模型，配屬給評估模型中的已知光譜并且由此確定當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)36作為輸出量。在此，數(shù)學(xué)預(yù)處理32例如包括平滑過程和/或求導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)化、選擇需要觀察的光譜范圍和舍棄明顯錯誤的測量。通過這種方法可以確定在火焰光譜中留下化學(xué)印記的運(yùn)行參數(shù)。它們例如是:-區(qū)分是否存在氣化器帶氣運(yùn)行的情況(例如穩(wěn)壓運(yùn)行)或者用填料火焰的氣化運(yùn)行:通過不同的燃料可將這些光譜分為兩類，因?yàn)闅怏w只包含非常少發(fā)光的金屬。-產(chǎn)生渣的無機(jī)物質(zhì)的總含量。渣含量是對于監(jiān)測來說非常重要的參數(shù):通過發(fā)光/吸收的金屬的光譜的影響是量化的信號，并且可以定量地從光譜中去掉渣含量。-碳火焰的溫度:光譜形狀受到隨溫度變化的激勵的影響，光譜可以定量地配屬給溫度。-燃燒的化學(xué)計(jì)量:如果精確地保持燃燒的化學(xué)計(jì)量，則由此可以優(yōu)化氣體產(chǎn)量?；瘜W(xué)計(jì)量在很大程度上影響化學(xué)組成并且因此可通過該方法介入。所述方法指的是光譜學(xué)方法，其中信息包含在曲線形狀中。因此，按照一種設(shè)計(jì)方案，所測得的火焰光譜在輸送給識別裝置之前在評估單元中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在此，例如可以標(biāo)準(zhǔn)化為峰值高度、光譜積分或者表征的固定波長中的信號高度。氣化過程中的火焰并不是相對光譜計(jì)測量的時(shí)間常量靜止的過程(一秒的幾分之一)，會出現(xiàn)具有光譜學(xué)上的和絕對的強(qiáng)度變化的典型統(tǒng)計(jì)學(xué)火焰閃爍。如果只通過連續(xù)依次測量的光譜計(jì)記錄光譜，則火焰閃爍會導(dǎo)致所記錄的光譜錯誤。因此有利的是，設(shè)置并行測量光譜的光譜計(jì)。所述光譜計(jì)例如設(shè)計(jì)用于進(jìn)行波長色散并且將結(jié)果描繪在并行測量的陣列檢測器上，其中，每個(gè)像素測量一個(gè)確定的波長區(qū)間。在所述理念的一種擴(kuò)展中，通過以下方式消除火焰閃爍效果，S卩，選擇相對閃爍頻率來說較長的測量時(shí)間，或者以與火焰閃爍的時(shí)間常量相當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔進(jìn)行多次較短的測量并且在輸送給評估單元之前取平均值。評估單元可以評估所輸送的光譜是否處在光譜計(jì)良好的測量范圍內(nèi)，也就是說是否存在過調(diào)或者失調(diào)。如果存在過調(diào)或者失調(diào)，則通過評估單元向光譜計(jì)發(fā)出的指令重新調(diào)整光譜計(jì)參數(shù)，例如測量時(shí)間(即記錄光譜所用的積分時(shí)間)或者多次測量的數(shù)量?？赡軙霈F(xiàn)光學(xué)窗口被沉積物占據(jù)的情況。所述沉積物一方面在整體上減弱了光線，但還可能造成光譜學(xué)上的扭曲。這使得光譜的形狀變形，從而最后導(dǎo)致錯誤測量。然而，多變量信號處理可以識別出所測得的光譜與已知火焰光譜的典型區(qū)域還具有多少相似度。這種功能用于識別由于光學(xué)路徑/窗口的變化而導(dǎo)致的太過強(qiáng)烈的光譜扭曲并且必要時(shí)輸出相應(yīng)的錯誤報(bào)告。有利的是，在評估方法中不考慮絕對強(qiáng)度，而是取而代之地考慮火焰光譜的曲線形狀。由此進(jìn)一步減小了光學(xué)窗口上的沉積物對測量的影響。在將所測得的光譜輸送給評估單元之前，比較有利的是復(fù)核測量是否具有可信性。如果該測量沒有可信性，則舍棄該測量。這種復(fù)核檢驗(yàn)例如包括評估所測得的強(qiáng)度是否在預(yù)期的區(qū)域內(nèi)，是否經(jīng)常存在分散值和是否存在提高的測量數(shù)據(jù)噪聲。圖4示出示意性的測量結(jié)構(gòu)40。測量結(jié)構(gòu)40包括火焰探測器41和適配器42。射出的光線通過玻璃纖維電纜43傳導(dǎo)至安裝有評估單元45的開關(guān)柜44。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)行用于使含碳燃料氣化的設(shè)備的方法，其中，所述氣化形成火焰，并且其中，記錄所述火焰的發(fā)射光譜并且通過多變量法用預(yù)先保存的評估模型尤其連續(xù)地實(shí)時(shí)評估該發(fā)射光譜。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其中，評估在紫外線至紅外線的范圍內(nèi)的所述發(fā)射光譜。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其中，記錄在300至2000nm的范圍內(nèi)，尤其是在300至800nm的范圍內(nèi)的所述發(fā)射光譜。
4.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，由所述發(fā)射光譜確定火焰溫度。
5.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，由所述發(fā)射光譜評估至少一個(gè)具有灰成分的發(fā)射譜線的光譜范圍。
6.按權(quán)利要求5所述的方法，其中，評估至少一個(gè)堿金屬的發(fā)射譜線。
7.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，為了形成評估模型，在已知的運(yùn)行參數(shù)下記錄光譜并且將光譜與所述運(yùn)行參數(shù)一起保存在存儲器中，其中，尤其通過多變量統(tǒng)計(jì)方法，如主要成分分析、偏最小二乘法回歸、偏最小二乘法判別分析即PLSDA、聚類分析或者人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對具有所述運(yùn)行參數(shù)的光譜進(jìn)行分類，并且由此建立將確定的光譜配屬給確定的運(yùn)行參數(shù)的評估模型。
8.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，通過所述評估模型將在運(yùn)行中記錄的光譜配屬給具有已知運(yùn)行參數(shù)的已知光譜，并且由此確定當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)。
9.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，單獨(dú)地或者相互結(jié)合地確定以下運(yùn)行參數(shù)中的至少一個(gè): -根據(jù)產(chǎn)生不同光譜的不同燃料區(qū)分是否存在用氣體運(yùn)行設(shè)備的情況，例如穩(wěn)壓運(yùn)行或者帶有填料火焰的氣化運(yùn)行，因?yàn)闅怏w例如只包含非常少產(chǎn)生光譜譜線的金屬， -根據(jù)通過發(fā)光/吸收的金屬的光譜譜線確定產(chǎn)生渣的無機(jī)物質(zhì)的總含量， _火焰溫度， -燃燒的化學(xué)計(jì)量。
10.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所測得的火焰光譜在輸送給光譜分析裝置之前在評估單元中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，尤其是標(biāo)準(zhǔn)化為峰值高度、光譜積分或者可確定的波長中的信號高度。
11.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，在將所測得的火焰光譜輸送給光譜分析裝置之前，尤其通過一個(gè)或多個(gè)以下措施在評估單元中使所測得的火焰光譜更平滑: -按照閾值法去除分散值， -Savitzky-Golay 的方法， -使用卡爾曼濾波器。
12.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，使用并行測量光譜的光譜計(jì)，尤其是進(jìn)行波長色散并且將結(jié)果描繪在并行測量的陣列檢測器上的光譜計(jì)，其中每個(gè)像素測量一個(gè)確定的波長區(qū)間。
13.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，通過以下方式減小火焰閃爍效果，即，選擇相對閃爍頻率來說較長的測量時(shí)間，或者以與火焰閃爍的時(shí)間常量相當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔進(jìn)行多次較短的測量并且在輸送給評估單元之前取平均值。
14.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述評估單元確定，所輸送的處于光譜計(jì)測量范圍內(nèi)的光譜是否曝光過度或者曝光不足，并且如果不是這兩種情況，則重新調(diào)整光譜計(jì)參數(shù)，尤其是測量時(shí)間或者多次測量的數(shù)量。
15.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，通過評估所測得的光譜的形狀，對光學(xué)路徑的完整性進(jìn)行監(jiān)測。
16.一種用于使含碳燃料氣化的設(shè)備，所述設(shè)備設(shè)計(jì)用于執(zhí)行按前述權(quán)利要求之一所述的方法，所述設(shè)備具有: -用于記錄火焰的光譜的裝置， -用于對光譜進(jìn)行光譜分析的裝置， -用于根據(jù)評估模型評估所述光譜分析的裝置， -用于存儲評估模型 的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種運(yùn)行用于使含碳燃料氣化的設(shè)備的方法以及一種相應(yīng)的設(shè)備，其中，所述氣化形成火焰，記錄所述火焰的發(fā)射光譜并且通過多變量法用預(yù)先保存的評估模型尤其連續(xù)地實(shí)時(shí)評估該發(fā)射光譜。
文檔編號F23N5/08GK103180722SQ201180051774
公開日2013年6月26日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者M.弗萊舍, T.弗萊舍, T.賈斯特, K.威斯納 申請人:西門子公司