CN101668929B - 用于基于半分批给料填料机的城市固体废物燃烧的选择性非催化还原***的动态控制 - Google Patents

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Abstract

本发明通过更准确地预测由城市废物燃烧器产生的氮氧化物(NOx)产量来控制选择性非催化还原(SNCR)***中的反应物流量水平。在一个实施例中，反应物水平对应于测得的炉温。反应物水平可以具有一个来自先前测得的NOx的基线水平，该基线水平接着根据温度测量结果被变更。慢速控制器可以使用在延长时段上的NOx测量结果来限定基础反应物水平，快速控制器可以使用诸如炉温等额外信息来变更基础反应物水平。快速控制器可进一步接收两个额外信号，这两个信号单独或者一起添加，以在最小化来自反应物的氨逃逸的同时最大化NOx控制。这两个信号是来自燃烧控制器的前馈信号和来自燃烧区下游的氨分析器的反馈信号。

Description

用于基于半分批给料填料机的城市固体废物燃烧的选择性非催化还原***的动态控制
相关申请的交叉引用
根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2006年12月22日提交的美国临时专利申请第60/876,559号的优先权，该美国临时专利申请的主题通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及用于选择性非催化还原(SNCR)***的改进的控制***，SNCR***使用诸如氨或者尿素等反应物还原来自废物变能量锅炉(waste-to-engergy boiler)的氮氧化物(NOx)排放物。具体地说，改进的控制***允许SNCR***实现期望的NOx还原，同时还更好地最小化不期望的过量施加反应物，因此减少了烟囱的氨排放物。
背景技术
在城市废物燃烧器(MWC)中燃烧固体废物产生一定量的氮氧化物(NOx)。NOx是一组无色、无味但高活性的、含有不同量的NO和NO2的气体的总称。由MWC产生的NOx量在某种程度上随着炉排和燃烧炉设计而改变，但典型地在250和350ppm之间变动(烟道气中7％O2的干燥值)。
NOx形成物的化学性质直接相关于氮和氧之间的反应。为了理解MWC中的NOx形成物，对燃烧器设计和运行的基本理解是有用的。MWC中的燃烧空气***典型地既包括主空气(也称为下炉排空气)，也包括辅助空气(也称为上炉排或者过燃烧空气)。主空气经位于焙烧炉排下面的高压间供应并被强制经过炉排，以随后对废物床进行干燥(析出水)，除去易挥发物质(析出易挥发的碳氢化合物)，并燃尽(氧化非易挥发性碳氢化合物)。主空气的量典型地被调节成使废物开始燃烧过程中的过量空气最小化，同时使废物床上的含碳材料的燃尽最大化。辅助空气经位于炉排上方的空气口注入并用来提供对从废物床析出的碳氢化合物的湍流混合和破坏。对于一个典型的MWC来说，全部过量空气的水平是大约60～100％(160～200％化学计量(理想)的空气要求)，其中，主空气典型地占整个空气的50～70％。
除了破坏有机物，这种燃烧方法的目的之一是使NOx形成物最少。NOx是在燃烧过程中通过两个主要机制形成的：来自于对城市固体废物(MSW)流中存在的有机结合的元素氮(N)进行氧化的燃料NOx，以及来自于对大气N2的高温氧化的热力型NOx。
更具体地说，燃料NOx是在火焰区内经过MSW材料中有机结合N和O2的反应形成的。确定燃料NOx形成物比率的关键变量是火焰区内O2可获得性、燃料-结合N的量以及含N材料的化学结构。燃料NOx反应能够在相对低的温度(＜1,100℃(＜2,000°F))下发生。取决于火焰中O2可获得性，含N化合物将反应形成N2或者NOx。当O2可获得性低时，N2是主要的反应产物。如果可以获得丰富的O2，则更多部分的燃料-结合N被转化为NOx。
相比之下，热力型NOx是在高温火焰区经过N2和O2基之间的反应形成的。确定热力型NOx形成物比率的关键变量是温度、O2和N2可获得性以及驻留时间。因为要求高活化能，所以，热力型NOx形成物在火焰温度达到1,100℃(2,000°F)前不明显。
然而，由于NOx排放物作为重要污染物、酸性气体和臭氧前体的角色，NOx排放物总的来说是不希望的并具有环境上的意义。因为NOx与水分、氨和其他化合物反应形成可能破坏肺部组织的硝酸和相关颗粒，所以，NOx直接的健康关切集中在这些气体对呼吸道***的影响。从NOx产生的这些和其他颗粒深深地进入到肺部的敏感部分中并能够引起或者恶化潜在致命性呼吸道疾病，诸如肺气肿和支气管炎。
此外，NOx排放物还引起其他的环境关切。例如，当NOx和挥发性有机化合物(VOC)同热和阳光一起反应时，形成地平面臭氧。儿童、哮喘病人以及在外面工作或锻炼的人容易受到臭氧的不利影响，这些影响包括肺部组织破坏和肺功能下降。臭氧还破坏植被和减少庄稼收成。
进一步，NOx和二氧化硫同空气中其他物质反应形成酸，酸随着雨、雾、雪或者干颗粒作为酸雨落到地面。酸雨破坏或者损害汽车、建筑物和纪念碑，还造成湖泊和河流变得不适于鱼类。
此外，NOx还是影响大气氢氧(OH)基的间接温室气体。具体地说，NOx气体的分解造成OH量增加。
结果，已通过了各种法律和规定来限制MWC和其他源的NOx排放物。例如，在40C.F.R.Part 60中授权the United States Environmental Agency(美国环境事务局)监视并限制来自MWC的NOx。类似地，在国际上，诸如欧洲、加拿大和日本存在相似的限制NOx排放物的规定和规章。应当明白，全部理解和知晓有关NOx排放物的各种规定和法律是在这里讨论的范围之外。
NOx控制技术能够被分成两个小组：燃烧控制和后燃烧控制。燃烧控制是在燃烧过程中通过减少火焰中O2可获得性并降低燃烧区温度来限制NOx的形成。这些技术包括阶段化燃烧、低过量空气和烟道气体再循环(FGR)。阶段化燃烧和低过量空气减少下炉排空气的流量，以为了减少燃烧区中的O2可获得性，这样促进了在主燃烧中形成的一些NOx的化学还原。在FGR中，一部分燃烧器废气被返回到燃烧空气源，通过降低燃烧空气***中O2对惰性气体(N2和二氧化碳(CO2))的比例，既降低燃烧区O2，又抑制火焰温度。
后燃烧控制涉及到在固体废物焙烧锅炉(solid waste fired boiler)处除去燃烧过程中产生的NOx排放物，最通常使用的后燃烧NOx控制包括典型地大量还原NOx的选择性非催化还原(SNCR)***，或者典型地甚至比SNCR更有效地还原NOx的选择性催化还原(SCR)***。如下面更详细地描述的，SCR***建造、运行和维护起来比SNCR***成本高很多倍，因此对于在世界的很多地方的废物变能量(WTE)工厂使用来说，在经济上是不可行的。
SCR是一种用催化方式促进NH3和NOx之间反应的附加控制技术。SCR***能使用含水或者无水NH3反应物，主要区别是NH3蒸发***的尺寸和安全性要求。在SCR***中，精确量的反应物被定量供应到废气流中。反应物分解成氨并在位于注入点下游的催化剂上与NOx反应。这种反应将NOx还原成氮元素和水蒸汽。SCR***典型地运行在大约500～700°F的温度。就废物处理费效果和成本效率而言，由于高资本成本以及催化剂更换和处理，SCR总的来说具有更高的成本。
相比之下，SNCR不使用催化剂将NOx还原成N2。与SCR***类似，SNCR***将一种或者多种还原剂(或者“反应物”)注入到MWC的上燃烧炉中，与NOx反应并形成N2。没有催化剂的帮助，这些反应发生在大约1600～1800°F的温度。当少量引入反应物时，几乎所有反应物都消耗了，并且，在SNCR***中增加反应物的量可导致进一步的NOx还原。然而，当在SNCR性能范围上端附近运行SNCR***时，过量反应物可能被添加到反应室，然后，过量反应物通过MWC并最终逸出到大气中，即一种已知为氨逃逸(ammonia slip)的不期望的现象。
SNCR***是公知的，并例如由Lyon公开在第3,900,554号美国专利中以及由Arand等人公开在第4,208,386号和4,325,924号美国专利中。简要地说，这些专利公开了氨(Lyon)和尿素(Arand等)能够在具体温度窗口内被注入热燃烧气体，以选择性地同NOx反应并将其还原成二原子氮和水。尽管这里结合MWC***进行描述，但是，SNCR也用于还原来自诸如燃煤炉和燃油炉以及柴油发动机等其他燃烧设施的NOx排放物。
当前SNCR控制典型地使用慢动作(slow-acting)控制器，基于烟囱NOx排放物来调节氨流量。换言之，在当前时间段中引入的氨的量总的来说取决于在一个或者更多时间段中在MWC排放物中测得的NOx平均量。这种方法适用于诸如烧煤或者烧油的锅炉等NOx排放物不怎么变动的过程。甚至当在从一分钟到另一分钟的基础上NOx排放物变化显著时，这种已知的方法也很好地工作而满足当前的规章限制，因为规章限制是基于长期的平均NOx水平，诸如日平均等，并设定在用当前控制方法能容易实现的水平。如果要求更严格的NOx限制或者更短的平均时段，那么，这种用测得的NOx排放物水平来控制反应物水平的已知方法就导致潜在地减少NOx还原以及更高的氨逃逸。
尤其是，简单地提高氨流量对烟囱NOx信号的响应速度是无效的，因为在燃烧炉中生成NOx和在监视来自MWC烟囱排放物的连续排放物监视(CEM)***中测量NOx之间有时间延迟。简单地使用更快的响应标准的控制***将引导SNCR***通过增加氨流量来响应NOx排放物的暂时增加，即使是测得的高NOx水平已经用SNCR***离开了燃烧炉区域。当在随后的低NOx水平时段中施加额外的反应物时，增加的氨流量可能是过量的，造成氨逃逸增加。类似地，SNCR通过降低反应物流量来响应NOx烟囱排放物的暂时减少，而反应物流量水平降低可能不足以最佳地处理相对更高的NOx燃烧炉水平。简单地说，对于不太变动的过程来说，或者当在相对长的时间段上控制到容易实现的限制时，过去的NOx水平是当前NOx水平的良好指标。当在NOx排放物高度变化的过程中控制到更严格的限制时，过去的NOx水平就不再是当前NOx水平的良好指标。
类似地，当前反应物水平可能取决于其他测量结果。例如，在另一种已知SNCR***控制中，CEM***测量氨逃逸以确定烟囱排放物中含有的未反应的反应物的量。然后用检测到的当前氨逃逸水平变更施加在SNCR***中的反应物量。然而，氨逃逸水平的本身可能与NOx水平不怎么相关，因此，调节反应物水平以最小化氨逃逸可能提供较差的NOx还原性能。此外，控制SNCR***的氨逃逸标准对于基于NOx的控制***有类似的缺陷，即排放物中测得的当前氨逃逸水平其本身，对关于处理当前将来燃烧炉条件所需要的反应物流量和燃烧炉中最终的NOx水平提供有限的指导。
发明内容
针对这些和其他需要，本发明的实施例提供了一种***和方法，用于通过使反应物水平基于在短期更准确预测当前燃烧炉NOx水平的测得的情况，控制MWC的SNCR***中的反应物流量水平。在一个实施例中，反应物水平对应于测得的炉温。该新方法使用快速响应的氨流量，在高NOx时段增加氨，而在低NOx时段减少氨，但依赖燃烧炉内实时温度测量结果作为NOx的替代。这消除了NOx测量装置中固有的延迟。结果，在NOx产物变高时的燃烧循环高温部分中，增加氨流量，然后，在对应NOx产物变低的低温部分中，减少氨流量，因此，提高了NOx的还原并通过最小化反应物的过量施加减少了氨逃逸。
类似地，反应物水平可具有一基线水平，该基线水平接着根据炉温测量结果进行变更。例如，慢速控制器可以使用在延长时段(诸如几个小时)上的NOx测量结果，使用平均NOx水平限定基础反应物水平。使用诸如炉温等关于燃烧炉当前条件的额外信息的第二快速控制器，预测燃烧炉NOx水平的变化，然后按照需要对基础反应物水平进行变更，以处理所预测的NOx水平的变化。
将燃烧控制***连接到SNCR***以向SNCR控制提供前馈信号能够进一步增强SNCR控制过程。这种连接将允许反应物流量在预料到更高的NOx水平时增加而在预料到更低的NOx水平时减少。在这个实施例中，快速控制器可以使用其他收集到的数据以更准确地预测NOx水平的变化并对反应物水平做出合适的校正。例如，本发明的另一个实施例包括快速控制器，所述快速控制器包括两个额外的信号，这两个信号单独或者一起添加以在最小化逃逸的同时最大化NOx控制。这两个信号是来自燃烧控制器的前馈信号和来自燃烧区下游的氨分析器的反馈信号。
因此，在本发明的一个实施例中，提供了一种用于控制MWC中NOx还原反应物量的方法。该方法包括如下步骤：测量温度变化；使用测得的温度变化实时或者接近实时地预测NOx水平的变化；以及使用预测的NOx水平的变化限定NOx还原反应物的量。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于还原来自MWC的NOx排放物的***。该***包括：产生温度数据的温度传感器；用于施加一定量的用来还原NOx排放物的反应物的装置，所述反应物施加装置位于所述温度传感器的下游；以及连接到所述反应物施加装置的反应物量控制器，所述反应物量控制器适合于接收来自所述温度传感器的温度数据，所述反应物量控制器响应于所述接收到的温度数据调节反应物的量。
附图说明
通过参考下面结合附图所进行的描述，可以获得对本发明以及其优点的更完整的理解。在附图中，相似的附图标记表示相似的特征，其中：
图1(现有技术)是表示用来在选择性非催化还原(SNCR)***中控制反应物水平的公知方法的流程图；
图2A～2C是表示图1所示用于控制SNCR***反应物水平的公知方法造成的问题的图表；
图3～6是表示根据本发明实施例用于在SNCR***中控制反应物水平的改进方法的流程图；
图7是根据本发明实施例实现图8改进后SNCR控制***的城市废物燃烧器的高水平(high-level)示意图；
图8是根据本发明实施例的改进后SNCR控制***的高水平示意图；
图9是表示利用传统NOx控制技术的炉温、NOx排放物和氨逃逸之间关系的图；以及
图10是表示利用根据本发明一个实施例的改进后控制方法的炉温、NOx排放物、反应物流量和氨逃逸之间关系的曲线图。
具体实施方式
如图所示和如这里所描述的那样，本发明提供了一种改进的方法和***，用于控制城市废物燃烧器(MWC)中的选择性非催化还原(SNCR)***，以还原氮氧化物(NOx)排放物和氨逃逸。
现在看图1，描述用于控制SNCR***的已知方法100。在已知的SNCR控制方法100中，在步骤110运行MWC设施。然后在步骤120测量一个或者更多个时段上的MWC烟囱NOx排放物。在步骤130，使用比例-积分-导数(PID)控制器识别测得的NOx排放物水平和期望定位点之间的误差。如现有技术已知的那样，PID控制器计算涉及到三个单独的参数：比例，积分和导数值。这三个参数的加权和被用来经控制元件调节该过程。然后，在步骤140，计算并输出校正的反应物水平(即氨)以相应地调节该过程。接着在步骤110开始重复该过程，使MWC同按照在与测得NOx水平相关联的水平施加反应物的SNCR***一起运行。
已知SNCR控制方法100的限制总结在图2A中，图2A含有一张图表200，画出了两个时间段T1和T2的烟囱NOx水平210、220。这两个测得的烟囱NOx水平210、220可以用来确定平均NOx水平230，而平均NOx水平230可以用来确定对应的SNCR反应物水平。可以看出，平均NOx水平230小于T1 NOx水平210，而大于T2 NOx水平220。结果，设计用以处理平均测得NOx 230的反应物水平对于时段T1的NOx水平210是不够的，而对于时段T2的NOx水平220是过量的。T1 NOx水平210和平均NOx水平230之间的区域代表要不然就能经更高水平的反应物由SNCR***还原的过量NOx排放物。类似地，T2 NOx水平220和平均NOx水平230之间的区域250表示SNCR***施加了过量的反应物，一些过量的反应物可能作为氨逃逸被排出。
因为燃烧炉中NOx的产生和监视MWC烟囱排放物的连续排放物监视(CEM)***中烟囱NOx的测量之间的时间延迟，提高反应物流量对烟囱NOx信号的响应速度是无效的。简单地使用更快的响应标准的控制***将引导SNCR***通过增加反应物流量来响应NOx排放物的暂时增加，即使是测得的高NOx水平已经脱离了MWC燃烧炉。当在随后的NOx水平相对更低的时段中施加额外的反应物时，由于没有反应的反应物，增加的流量将造成氨逃逸。类似地，SNCR***在随后时段中通过减少反应物流量来响应NOx排放物的暂时增加，因此水平减少的反应物流量将不足以在随后时段中最佳地处理相对更高的NOx水平。
现在来看图2B的图表200′，描述使反应物水平基于加速测得的烟囱NOx水平的含义。因为上述的原因，在NOx的燃烧炉产生和烟囱测量之间有显著的时间滞后。图2B画出了用T1 NOx水平210限定T2反应物水平的情况。在这个例子中，与T1 NOx水平210关联的反应物水平对时间段T2来说甚至会过量更多，如相对更大的区域250′表示的那样。区域250′代表将可能作为增加的氨逃逸被放出的由SNCR***施加的甚至过量更多的反应物。于是，使反应物水平基于峰值NOx测量将可能造成增加的氨逃逸。同样，将施加的反应物水平基于低水平的测得NOx(诸如T2NOx水平220)将导致要不然通过SNCR能够还原的过量NOx排放物(区域240)。
除了上述的限制，NOx水平还可能在任何特定时间段内很大地变化。具体地说，MSW燃烧***的NOx排放物是非常动态的，并通过非连续废物供给***与燃烧循环直接相连。结果，当供给、点火和燃烧MWC时，NOx水平从一分钟到另一分钟显著变化。图1中公开的已知SNCR控制方法100保持氨流率相对恒定，并不试图上下追随这些NOx尖峰。这种方法的原因是燃烧炉内产生NOx的峰值时间和其出现在烟囱分析器的时间之间的延迟，该延迟一般大约为1到3分钟。因为典型的燃烧循环可能是2到3分钟，所以，这意味NOx发生峰值可能发生在大约最小的指示NOx的时候，反之亦然。因此，用氨追随NOx尖峰，当NOx水平低时可能简单地导致更高的氨速率，而当NOx水平高时可能简单地导致更低的氨速率，与SNCR控制***的期望结果相反。下面将更详细地描述MWC中温度变动的原因。
现在看图2C的图表200″，描述快速变化的NOx水平的含义。特别是，能够看出，实际的NOx水平260在时段T1和T2上连续变动。于是，T1 NOx水平210和T2 NOx水平220代表时段T1和T2上的平均值。因此，即使能够按T1 NOx水平210和T2 NOx水平精确地施加反应物，在任何特定时间上反应物水平也可能是不足的或者过量的。进一步，如上所述，烟囱NOx水平260中测得的变化在燃烧炉内产生NOx之后很久发生。因此，即使利用当前NOx水平260的快速测量，直到产生NOx之后很久才将发生反应物的施加。
为了处理这些和其他限制，本发明提供了一种新的方法，其使用快速响应的反应物流，依赖于作为NOx排放物水平替代的燃烧炉内实时或者接近实时的温度测量结果，在高NOx时段中增加反应物，在低NOx时段中减少反应物。这种构造有助于消除NOx测量装置固有的延迟。结果，当NOx的产生更高时，在供给循环的高温部分中增加反应物流量，而在更低的NOx发生间隔中减小反应物流量，因此减少了氨逃逸。
现在参见图3，SNCR控制方法300包括如下步骤：在步骤310中测量预定位置处的炉温，以及在步骤320中将测得的炉温与预测的燃烧炉NOx水平相关联。接着在步骤330，确定并施加对应于预测燃烧炉NOx的反应物水平。使用如下所述的已知温度探测器可以执行步骤310中的炉温测量。
温度变化对应于NOx产生的变化是已知的。具体地说，温度变化表示废物燃烧循环的变化。例如，在将新废物引入燃烧炉之后，当新废物被加热且其水分蒸发时，该温度开始时会下降。在这个点上，燃烧炉内的NOx水平是低的，因为没有烧那么多含氮燃料。当新供给的废物的易挥发部分开始燃烧并释放热能时，炉温和NOx水平都增加。当废物的易挥发部分完成燃烧时，燃烧炉内NOx的产生降低，而且燃烧炉将开始冷却。
图9显示的是使用传统NOx控制技术的炉温、NOx排放物以及氨逃逸之间的关系。在时间轴上的大约13:50处开始，炉温快速下降，伴随着烟囱处氨逃逸的增加和NOx排放物的急剧减少。这个图表还示出了炉温和NOx之间的总体一致，当炉温增加时，NOx水平增加，反之亦然。NOx排放物信号滞后温度信号几分钟，这一点也是明显的。这是由于在燃烧炉内产生NOx的时间和在CEM***中测量的时间之间的时间延迟。
MWC具有各式各样的设计，因此，取决于例如废物容量、燃烧过程和MWC设计，在不同的温度下运行并产生不同水平的NOx。MWC能够进行评估以确定随着炉温改变NOx排放物的水平。利用这个数据，步骤310中测得的温度的任何变化都可以在步骤320中精确地与NOx水平的变化相关联。尽管这里的讨论可以集中在绝对温度以预测NOx水平，但是，SNCR控制方法300可以类似地使用温度的相对变化，使用温度变化计算NOx排放物的变化。
一旦在步骤320预测NOx水平，则在步骤330计算最佳地处理所预测的燃烧炉NOx水平所需要的反应物水平的量。再一次，反应物的这个量将很大程度地依赖MWC的设计并可以利用来自以前反应物施加的反复试验通过经验确定。类似地，施加反应物的定时可以经分析前面废物燃烧用经验法确定，以确定炉排附近温度变化和在SNCR***下游变化后NOx水平随后到达之间的期望延迟。
本发明的其他实施例公开了SNCR控制方法，所述方法包含用其他收集的数据进行温度测量，以更好地控制SNCR***。例如，现在参见图4，第二SNCR控制方法400既使用温度也使用NOx测量结果来控制SNCR***施加反应物。SNCR控制方法400总体包括如下步骤：与上述的步骤120和310相对应，在步骤410测量温度和在步骤420测量NOx水平。接下来，在步骤430中，使用温度和NOx测量结果预测施加反应物处的SNCR***附近燃烧炉NOx水平。例如，测得的NOx水平可以用来确定在SNCR***处的先前的NOx水平(由于在烟道气体经过SNCR***和烟道气体到达测量NOx值的下游CEM***之间存在显著的时间延迟)。SNCR***处的先前NOx水平可以用来形成在步骤430中在SNCR***处当前NOx水平的基线预测，温度变化用来变更先前的NOx水平。例如，如果温度增加，则NOx水平可能增加，如果温度降低，则NOx水平可能降低，而如果炉温稳定，则NOx水平可能保持稳定。温度和NOx水平相对SNCR***处的当前NOx水平的特定关系可以通过反复试验以经验方式确定。接着，在步骤440中，可以由SNCR***施加适当量的反应物，以处理在步骤430中确定的预测的NOx水平。再一次，反应物水平将依赖于MWC和SNCR的设计和运行，反应物的具体量以及反应物速率变化的定时有可能从来自MWC过去运行的历史收集数据得到确定。
现在参见图5，在本发明的另一个实施例中，提供了第三SNCR控制方法500。在这个实施例中，在步骤510中收集燃烧控制器数据。燃烧控制器数据总体涉及到被引入MWC燃烧炉中的废物和燃烧空气的量和时间。燃烧控制器数据可进一步提供例如关于像水分含量、总体组成和颗粒尺寸的废物性质的信息；或者关于像各注入点间分布、温度或者采用再循环烟道气体或者氧富集的***中氧含量的燃烧空气的进一步信息。来自步骤510的这种燃烧控制器数据可在步骤530中使用，以预测在废物燃烧后燃烧炉NOx水平。此外，还可以使用关于像当前运行效率、外部天气条件等燃烧炉当前条件的其他信息。像前面一样，步骤530中NOx的预测总体依赖于来自一个或者更多MWC的历史收集数据，这里，将当前排放条件与类似的先前条件进行相关，然后，可以使用在这些条件类似的时段中测得的NOx输出估计燃烧炉中的NOx水平。一旦预测了NOx水平，则可以在步骤540中典型地基于历史数据限定适当的反应物水平。历史数据可以是来自正受控制的MWC单元的连续收集并分析的最近数据的形式，因此对燃烧炉条件和NOx水平之间的相关性提供接近实时的调节。
应当明白，类似SNCR控制方法400，在方法500中来自燃烧控制数据的NOx结论可以根据其他测得的数据修改，其他测得的数据包括已知SNCR控制方法100中收集的测得的NOx排放物数据和在第一SNCR方法300中收集的温度数据。因此，控制器还可以在选择性步骤520中接收额外的燃烧炉数据，并且在步骤530中对SNCR***处NOx水平的预测可以包含这种额外数据。来自步骤510的燃烧控制器数据可以同步骤520中的温度数据结合以变更在下游测得的NOx水平，以预测燃烧炉内的当前NOx水平。例如，来自步骤510的燃烧控制器数据可以提供关于什么时候将城市废物添加到MWC的信息，以及来自步骤520的对应的温度读数可以提供关于添加的废物对NOx水平影响的有用信息。
当新燃料被引入燃烧区时或者新燃料被引入燃烧区之后不久，但在温度增加发生之前，来自步骤510的燃烧控制器数据将会导致反应物增加。这会消除反应中的任何延迟，并确保当一需要时增加的反应物就是能够获得的。当新燃料的供给中止时或者新燃料的供给中止不久，同样的燃烧控制器数据将会允许反应物流量减少，因此确保不需要时不出现过量的反应物。
现在参见图6，在另一个实施例中，提供了第四SNCR控制方法600，接着先前在步骤610中燃烧炉和SNCR***的运行(例如使用温度数据根据SNCR控制方法300的运行)，可以进一步包括在步骤620收集关于MWC氨逃逸水平的数据。氨逃逸典型地在燃烧炉的烟道下游测量。来自步骤620的氨逃逸水平，尽管不直接相关于燃烧炉内或者MWC排放物中的NOx水平，但能够用来确定SNCR***是否提供了过量的反应物水平。例如，因为燃烧炉条件阻止SNCR反应物的正常运行，诸如防止反应物正常混合和分布的堵塞，所以，可能施加了过量的反应物水平。降低反应物水平将很快减少不期望的氨逃逸。相反地，最佳燃烧炉条件可允许更高的反应物水平而不会出现过量氨逃逸。按照这种方式，在步骤630可以使用氨逃逸数据来变更反应物水平，该反应物水平否则就如上所述在SNCR控制方法100、300、400、500中建立。按照这种方式，燃烧区下游烟道气体中实时的氨逃逸浓度能用来当过量氨逃逸发生时立即减少反应物流量，并当可接受的氨逃逸值发生时允许增加反应物流量。
现在参见图7，根据本发明实施例的MWC燃烧炉700包括SNCR***710。如上所述，SNCR***710在控制排放以还原NOx排放物的领域中是公知的。SNCR***710总的来说依赖于添加氨或者尿素等反应物来还原NOx排放物。具体地说，在具有NOx同反应物反应所需的具体温度范围的燃烧炉的一个或者更多位置，SNCR***710施加反应物。尽管SNCR被画成具有到燃烧炉700内部的单一输入阀门，但应当明白，SNCR***输入端典型地沿着三个外表面围绕着燃烧炉700的周面定位，第四表面是与烟道***共用的壁。可以使用多个升起(elevation)来容纳燃烧炉内气体温度的变动。SNCR输入端被构造成在烟道气体中均匀地分布反应物以更好地均质化NOx和反应物含量。SNCR输入端位置可以被放置在高湍流区域以进一步混合反应物和烟道气体，促进NOx还原反应。
SNCR***总体包括SNCR控制器715，用以引导向燃烧炉700施加反应物的定时、量和位置。SNCR控制器715总体包括设计成响应于在SNCR控制方法100、300、400、500、600中如上所述的各种数据输入来调节反应物流量的可编程逻辑电路。SNCR控制器715按需要连接于各种部件以接收数据信号。下面在图8中更详细地描述SNCR控制器715。
继续用图7，MWC典型地包括CEM***720。尽管CEM***720被画作位于燃烧炉700中SNCR***附近，但应该明白，CEM***720一般位于烟道下游，在各种排放物处理之后。因为炉排750和CEM之间的距离，以及典型气体分析器的响应时间，在来自废物701燃烧的增加的NOx排放物和CEM720检测到这种增加之间可能存在显著的时间延迟。
像Environmental Protection Agency(环保事务局，EPA)等政府机关可能要求MWC与其他发电厂和工业设施一起报告污染排放物。传统上，CEM***720被用来分析和校正从位于烟囱或管道内或者附近的探测器接收来的数据，以确定从MWC排放的气体的含量。CEM***720一般使用插进烟囱或者管道内的探测器来获得烟道气体的样本排放物。含有污染物和/或其他燃烧副产品的取样气体通常被称为烟道气体、样本烟囱气体或者排放气体，而且还被认为是排出材料。探测器可以位于能够获得烟道气体代表性体积的管道***、空气污染设备或者烟囱中的任何地方。样本气体经样本气体线路被传送到分析器，然后分析器确定样本气体中排出的污染物的浓度。
在运行中，操作人员可以使用CEM***720监视燃烧炉700的状态。CEM可以提供关于污染物测得量的信息，例如NOx水平和MWC排放物中含有的未反应的反应物(即氨逃逸)。来自CEM的这种和其他信息可被提供给SNCR控制器715，SNCR控制器715使用这种数据按照需要变更反应物流量。
燃烧炉700进一步包括位于燃烧炉700内希望位置处的温度探测器730。温度探测器730在燃烧炉内的特定位置可以取决于温度探测器的性能特征和需要。温度探测器730的定位可能影响来自SNCR***710的反应物施加定时。具体地说，燃烧炉内的气体要求一定量的时间在炉排750和温度探测器730之间行进，而且烟道气体可能花一定的额外时间到达SNCR***。因此，有利的是将温度探测器730定位在SNCR***710的前面。
图10所示是当按本发明描述的改进控制方法运行时炉温、NOx排放物、反应物流量和烟囱处氨逃逸之间的关系。开始于时间轴上大约20:50处，炉温增加。根据本发明，反应物流量增加，达到比其初始值大几乎50％的值，保持NOx排放物低而且不会增加烟囱处的逃逸。开始于大约21:00，炉温降低。控制***自动减少反应物供给速率。在21:00后不久，温度达到最小，然后迅速增加。反应物流量也迅速增加以控制NOx。在最小温度点处，反应物流量大约是其初始流量的50％，并且测量到只有一点氨逃逸增加。
按照这种方式，来自SNCR***710的反应物流量可以基于燃烧过程动态调节。大概可获得的最好信号来自于快速响应的温度传感器730，诸如IR或者光学高温计。该信号与燃烧强度并因此与NOx的产生速率直接相关，因此能够被SNCR控制器715用来动态地调节反应物流量以更好地追随燃烧过程。
继续用图7，燃烧控制器740控制和/或监视引入燃烧炉700内的废物701的量。例如，可以使用燃烧控制器740引导基于半分批给料填料机的燃烧炉(a semi-batch-fed stoker-based furnace)。将燃烧控制***连到SNCR***中，由此向SNCR控制器715提供前馈信号，能够进一步增强NOx还原过程。来自燃烧控制器740的这种输入可以允许SNCR控制器715在预料到变化后的NOx水平时调节反应物流量。换言之，SNCR控制器可以根据燃烧控制器740适应，反应物水平。例如，燃烧控制器740可以向SNCR控制器715提供关于在炉排750处引入到燃烧炉700的废物的量和定时或者燃烧空气流量变化的信息。利用这种信息，SNCR控制器715可以预测NOx水平的任何变化。NOx在炉排750附近NOx产品的高温区域和SNCR***710附近的低温区域之间的行进时间也是已知的，并且这个信息可以由SNCR控制器715用来在适当的时间施加适当量的反应物。
在图8所示的本发明一个优选实施例中，控制构造包括两个控制器810和820。第一控制器810是慢动作的(low acting)，基本上类似用于已知SNCR***中的当前控制器。第一控制器810依赖于测得的MWC排放物中NOx水平和期望的NOx定位点811。第一控制器810典型地是慢动作的PI控制器，响应于从诸如CEM***720的NOx分析器812获得的NOx水平数据调节氨流量定位点或者阀门位置。
第二控制器820典型的是反应于当前温度821和某些参考温度822之间的差的快动作(fast-acting)PD(比例-导数)控制器。PD控制器可以是例如被构造成主要或者排他地响应于比例和导数测量结果的传统的PID控制器。可选择的，对第二控制器820的输入可以是参考温度，形式为在足够长的时间段(即10～60分钟)上的滚动平均温度，以消除燃烧波动。第二动态控制器820可以产生代表反应物流量或者阀门位置变化的输出信号，范围取决于主控制器810的当前输出。例如，其可以从当前输出的-50％变动到+50％。来自两个控制器810和820的信号接着将会由加法器830加起来，以产生实际的反应物流量定位点或者阀门位置840。
继续看图8，本发明的另一个实施例包括两个另外的可选信号，这两个另外的可选信号可以单独加或者一起加，以在最小化逃逸的同时最大化NOx控制。这两个信号是来自燃烧控制器的前馈信号823和来自燃烧区下游的氨分析器的反馈信号824。当新燃料或额外空气被引入燃烧区时或者新燃料或额外空气被引入燃烧区之后不久，但是在温度增加之前，燃烧控制器信号823将会引起反应物流量增加。因此，这种控制构造消除了反应中的任何延迟并确保一需要时增加的反应物水平就是可获得的。类似的，当新燃料(即废物)的供给中止或者燃烧空气减少时或者新燃料(即废物)的供给中止或者燃烧空气减少之后不久，燃烧控制器信号823允许反应物流量减少，因此，确保不需要时不会出现过量的氨。
当过量氨逃逸发生时，可以使用燃烧区下游烟道气体中实时的氨的浓度824来立即减少反应物流量，并响应于氨逃逸的可接受值的测量结果提供允许信号来增加反应物流量。
总的来说，能够看到，本发明实施例提供一种用最小成本显著减少NOx排放物和氨逃逸的SNCR控制***和方法，能够降低许可证限制并可能销售NOx信用证(credit)。
结论
尽管本发明参照示例性实施例进行了描述，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种增添、删减、替换或者其他改动。相应地，本发明不应被认为是受限于前面的描述，而是仅仅受权利要求的范围限制。例如，应该明白，本发明的原理虽然适用于SNCR***，但可以类似地适用于诸如选择性催化还原(SCR)等其他依赖添加反应物还原所产生的NOx的NOx控制技术。类似地，应该明白，本发明的原理虽然是在MWC***背景下提出来的，但是可以应用到诸如烧碳氢化合物燃料的能量设施以及其他大型工业设施等其他的NOx源。

Claims (23)

1.一种用于控制选择性非催化还原SNCR***中的NOx排放物水平的***，包括：
城市废物燃烧器MWC燃烧炉，包含烟道和炉排；
连续排放物监视CEM***，所述CEM***含有探测器，用于确定污染物测得量的信息、NOx水平或燃烧炉排放物中含有的未反应的反应物水平；
产生温度数据的温度传感器；
SNCR控制器，包括响应于来自CEM***和温度传感器的各种数据输入来调节来自SNCR***的反应物流量的可编程逻辑电路；以及
燃烧控制器，用于控制和监视引入燃烧炉内的废物的量。
2.如权利要求1所述的***，其中燃烧炉是基于填料机的燃烧炉。
3.如权利要求1所述的***，其中CEM***在燃烧炉中位于烟道下游。
4.如权利要求1所述的***，其中SNCR***包括放置在高湍流区域的输入端，所述输入端被构造成在烟道气体中均匀地分布反应物以更好地均质化NOx和反应物含量。
5.如权利要求1所述的***，其中在具有NOx同反应物反应所需的具体温度范围的燃烧炉的一个或者更多位置，SNCR***施加反应物。
6.如权利要求1所述的***，其中CEM***包括位于烟道内或者烟道附近的探测器，以确定从MWC排放的气体的含量。
7.如权利要求1所述的***，其中CEM***提供NOx水平和氨逃逸的信息给SNCR控制器。
8.如权利要求1所述的***，其中燃烧控制器连到SNCR***中，由此向SNCR控制器提供前馈信号，允许SNCR控制器在预料到变化后的NOx水平时调节反应物流量。
9.一种用于控制选择性非催化还原SNCR***中的NOx排放物水平的方法，包括：
操作包含烟道和炉排的城市废物燃烧器MWC燃烧炉；
将一定量的废物在炉排处引入到燃烧炉；
提供连续排放物监视CEM***，所述CEM***使用探测器来获得烟道气体的样本排放物，并提供污染物测得量的信息、NOx水平或燃烧炉排放物中含有的未反应的反应物水平给SNCR***；
将温度探测器定位在燃烧炉内，并给SNCR***提供温度信号；
在SNCR***中提供SNCR控制器，SNCR控制器包括响应于来自CEM***和温度探感器提供的信息来调节由SNCR***施加的反应物流量的可编程逻辑电路；以及
使用燃烧控制器来控制和监视引入燃烧炉内的废物的量。
10.如权利要求9所述的方法，其中未反应的反应物是氨逃逸。
11.如权利要求9所述的方法，其中反应物是氨或者尿素。
12.如权利要求9所述的方法，还包括将燃烧控制器连到SNCR***中，由此向SNCR控制器提供前馈信号。
13.如权利要求12所述的方法，还包括基于引入到燃烧炉的废物的量和定时来使用该前馈信号调节反应物流量。
14.如权利要求9所述的方法，还包括通过输入阀门在高湍流区域分布反应物以均质化NOx和反应物含量。
15.如权利要求9所述的方法，其中CEM***确定NOx和氨逃逸水平。
16.如权利要求9所述的方法，还包括在具有NOx同反应物反应所需的具体温度范围的燃烧炉的一个或者更多位置施加反应物。
17.如权利要求9所述的方法，其中探测器位于烟道内或者烟道附近，以确定从MWC排放的气体的含量。
18.一种调节选择性非催化还原SNCR***中的NOx水平的方法，包括：
提供第一控制器和第二控制器；
测量城市废物燃烧器MWC燃烧炉的排放物中NOx水平；
接收期望的NOx定位点；
响应于NOx水平数据和NOx定位点日期从第一控制器产生第一信号，代表反应物流量或阀门位置的变化；
对第二控制器输入形式为在足够长的时间段上的滚动平均温度的参考温度，以消除燃烧波动；
从第二控制器产生代表反应物流量或者阀门位置变化的第二输出信号；
将来自第一控制器和第二控制器的信号加起来，以产生实际的反应物流量定位点或者阀门位置。
19.如权利要求18所述的方法，还包括提供来自燃烧控制器的信号，并当新燃料或额外空气被引入燃烧区时使用该来自燃烧控制器的信号引起反应物流量增加。
20.如权利要求19所述的方法，还包括提供来自氨分析器的反馈信号，并当过量氨逃逸发生时，使用该来自氨分析器的反馈信号来减少反应物流量。
21.一种用于调节选择性非催化还原SNCR***中的NOx水平的***，包括：
第一控制器，包括第一输入端和第二输入端，第一输入端用于接收城市废物燃烧器MWC燃烧炉的排放物中NOx水平，第二输入端用于接收期望的定位点；
第二控制器，包括第一输入端和第二输入端，第一输入端用于接收当前温度，第二输入端用于接收形式为在足够长的时间段上的滚动平均温度的参考温度，以消除燃烧波动；以及
加法器，用于
响应于NOx水平数据和NOx定位点日期从第一控制器接收代表反应物流量或阀门位置变化的第一信号；
从第二控制器接收代表反应物流量或者阀门位置变化的第二输出信号；以及
将来自第一控制器和第二控制器的信号加起来，以产生实际的反应物流量定位点或者阀门位置。
22.如权利要求21所述的***，还包括给第二控制器提供信号的燃烧控制器，其中当新燃料或额外空气被引入燃烧区时使用来自燃烧控制器的信号引起反应物流量增加。
23.如权利要求21所述的***，还包括给第二控制器提供信号的氨分析器，其中当过量氨逃逸发生时，使用来自氨分析器的信号来减少反应物流量。
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