CN103180722A - 用于使含碳燃料气化的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运行用于使含碳燃料气化的设备的方法以及一种相应的设备，其中，所述气化形成火焰，记录所述火焰的发射光谱并且通过多变量法用预先保存的评估模型尤其连续地实时评估该发射光谱。

Description

用于使含碳燃料气化的设备和方法
由于原料石油日益吃紧，碳气化是越来越重要的技术，通过该技术可以由储量充足的煤炭资源获取用于化学工业合成的原材料和用于燃气轮机的燃烧气体。除了热学用途，该步骤还是在IGCC发电站中有效利用煤炭的核心过程。
当前开发最广泛的具有CO2分离的发电站方案是整体煤气化联合循环发电***(IGCC)，其中在真正的燃气和蒸汽发电站之前连接有使燃料气化的装置。
可在燃气和蒸汽发电(GUD)过程之前进行的可能的气化方法是西门子燃料气化法(SFG方法)。该方法适用于使用或充填本身富集灰尘的固体、液体和气体的原料或填料。所述填料借助含自由氧气的气化器件在焰色反应中在不超过10MPa的压力和不超过1900°C的温度下转换为CO和H2(合成气体主要成分)。
然而，为了能够有效地并且防干扰地进行气化过程，即将填料低化学计量地转化(λ<1)为富含能量的合成气体，需要监测重要的运行参数。所述运行参数例如是识别主要燃料(填料)的可靠点燃、火焰温度和填料组成成分的波动。但是迄今很难甚至不能实现直接确定过程参数。
迄今可行的方案如下地描述之前示例性提到的参数即主要燃料(填料)的点燃、火焰温度和填料组成成分的波动：
-对主要燃料点燃的直接监测迄今是不可行的。可靠的点燃通过合成气体量的增加和升高的***热量输出进行显示和监测。
-火焰温度迄今只能基于物质流和热流间接地通过热动力学计算。
-填料组成成分中的波动只能通过***热量输出的变化间接地并且在时间上延迟的识别。
通过火焰高温计测量确定波长范围内的火焰发射强度并且在假设确定的发射率的情况下推断出温度。该方法对于光学窗口的污染很敏感(因为在此将辐射密度用作测量值)。另一方面，所得到的测量值的可信性值得怀疑，因为所述火焰不是(为进行该评估而假设的)灰(体)辐射器，同时其发射率系数是未知的。火焰中所含的金属通过其火焰光产生重叠的峰值，或者也可能通过其重吸收产生光谱辐射密度中的局部断点。这两种情况均通过被评估的光谱窗口中的功率密度的潜在扭曲而导致错误测量。并且这些错误测量不是一次***错误(并因此可校准的)，因为例如位于窗口内的通过确定金属产生的峰值的功率随着金属在燃料中的浓度不可预测地改变。
因此，高温计只能在具有衬壁的反应器(其中衬壁是辐射器)中以及只能在具有足够透明的燃起火焰的燃气运行中使用。碳火焰由于所包含的碳颗粒对于位于之后的衬壁的辐射不够透明。
可以尝试，将通过金属发射的峰值的强度用于确定特殊金属的含量，这可能会提供用于气化运行的有意义的测量参数。金属含量确定所形成的灰的量。为此，评估峰值高度、峰值面积或者在特殊光谱范围内的确定斜率。然而，因为存在多个重叠的火焰发射峰值，并且这些火焰发射峰值强烈地重叠，所以这种方式在实际中并不能充分地实施。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种减少或者解决前述问题的用于使含碳燃料气化的方法。本发明所要解决的另一技术问题是提供一种相应的设备。
该技术问题在方法方面通过具有权利要求1所述特征的方法解决。所述技术问题在设备方面通过具有权利要求15所述特征的设备解决。从属权利要求涉及有利的设计方案。
在按照本发明的用于运行使含碳燃料气化的设备的方法中，所述气化形成火焰，记录所述火焰的发射光谱。这通过以下方式相宜地进行，即，通过气化反应器中的光学窗口实现对火焰光谱的采集。火焰光谱输入用于光谱分析的光谱计中，将所获得的光谱电子地传输给评估单元并且通过多变量法用预先保存的评估模型尤其连续地实时评估。
本发明因而提供这样一种方法，这种方法以新颖而有利的方式评估火焰的发射光谱，以便能够连续地监测期望的参数(例如火焰温度)。由于较高的温度、反应性的气体以及形成沉积物的强烈趋向，几乎不可能通过引入气化火焰中的探头来直接测量所述参数。
光谱分析可以包括处于紫外线至中等红外线范围内的电磁光谱区域。尤其记录在300至2000nm的范围内，尤其是300至800nm的范围内的所述发射光谱。
优选由所述发射光谱评估灰成分的发射谱线，例如碱或碱金属的发射谱线。
在本发明的一种扩展设计中，为了形成评估模型，在已知的运行参数下记录光谱并且将光谱与所述运行参数一起保存在存储器中。在此，尤其通过多变量统计方法，如主要成分分析、偏最小二乘法回归、偏最小二乘法判别分析、聚类分析或者人工神经网络对具有所述运行参数的光谱进行分类，并且由此建立将确定的光谱配属给确定的运行参数的评估模型。
随后相宜地通过所述评估模型将在运行中记录的光谱配属给具有已知运行参数的已知光谱，并且由此确定当前的运行参数。
在此，作为优选需要考虑的运行参数单独地或者相互结合地包括：
-根据产生不同光谱的不同燃料区分是否存在用气体(燃料)运行设备的情况，例如稳压运行或者带有填料火焰的气化运行，因为气体例如只包含非常少产生光谱谱线的金属，
-根据通过发光/吸收的金属的光谱谱线确定产生渣的无机物质的总含量，
-火焰温度，
-燃烧的化学计量。
对于评估单元有利的是，所测得的火焰光谱在输送给光谱分析装置之前在评估单元中进行标准化，尤其是标准化为峰值高度、光谱积分或者可确定的波长中的信号高度。
在本发明的一种有利的设计方案中，使用并行测量光谱的光谱计，尤其是进行波长色散并且将结果描绘在并行测量的阵列检测器上的光谱计，其中每个像素测量一个确定的波长区间。由此可以实现针对某一时间进行光谱测量。对不同波长的依次测量可能由于火焰的闪烁而导致结果错误。
作为备选或补充，可以为了减小火焰闪烁效果而选择相对闪烁频率来说较长的测量时间。与此相似地，也能够以与火焰闪烁的时间常量相当的时间间隔进行多次较短的测量并且在输送给评估单元之前取平均值。
此外有利的是，所述评估单元确定，所输送的处于光谱计测量范围内的光谱是否曝光过度或者曝光不足，并且如果不是这两种情况，则重新调整光谱计参数，尤其是测量时间或者多次测量的数量。
同样有利的是，通过评估所测得的光谱的形状，对光学路径的完整性进行监测。
本发明还提供一种用于使含碳燃料气化的相应设计的设备，所述设备具有：
-用于记录火焰的光谱的装置，
-用于对光谱进行光谱分析的装置，
-用于根据评估模型评估所述光谱分析的装置，
-用于存储评估模型的装置。
现在根据附图进一步阐述本发明的优选实施例，但这些实施例并不限制本发明。在此，示意性示出了所述特征。在附图中：
图1示出位于可见光谱范围内的碳火焰光谱；
图2示出位于可见光谱范围内的气体火焰光谱；
图3示出用于评估火焰光谱的方法；
图4示出用于评估火焰光谱的结构。
图1示出在约400nm至1000nm之间的紫外线/可见光范围内测量的碳火焰的一种典型光谱10。
图2示出气体火焰的类似的第二光谱20。
图3示出用于评估火焰光谱的方法的一个实施例。所述评估按照两个步骤进行：
1)形成评估模型：在此，在气化运行中，在已知的运行参数下记录光谱31，并且将光谱与运行参数一起保存。有利地在该时间测量之后感兴趣的运行参数的总带宽。在对数据进行预处理32之后，所述数据通过多变量统计方法33分类，即建立将确定的光谱配属给确定的运行参数的评估模型34。所述方法33例如是主要成分分析(PCA)、偏最小二乘法回归即PLS、偏最小二乘法判别分析即PLSDA、聚类分析或者人工神经网络。
2)使用所述评估模型。随即在运行中将未知的光谱35输送给由此确定的评估模型，配属给评估模型中的已知光谱并且由此确定当前的运行参数36作为输出量。
在此，数学预处理32例如包括平滑过程和/或求导、标准化、选择需要观察的光谱范围和舍弃明显错误的测量。
通过这种方法可以确定在火焰光谱中留下化学印记的运行参数。它们例如是：
-区分是否存在气化器带气运行的情况(例如稳压运行)或者用填料火焰的气化运行：通过不同的燃料可将这些光谱分为两类，因为气体只包含非常少发光的金属。
-产生渣的无机物质的总含量。渣含量是对于监测来说非常重要的参数：通过发光/吸收的金属的光谱的影响是量化的信号，并且可以定量地从光谱中去掉渣含量。
-碳火焰的温度：光谱形状受到随温度变化的激励的影响，光谱可以定量地配属给温度。
-燃烧的化学计量：如果精确地保持燃烧的化学计量，则由此可以优化气体产量。化学计量在很大程度上影响化学组成并且因此可通过该方法介入。
所述方法指的是光谱学方法，其中信息包含在曲线形状中。因此，按照一种设计方案，所测得的火焰光谱在输送给识别装置之前在评估单元中进行标准化。在此，例如可以标准化为峰值高度、光谱积分或者表征的固定波长中的信号高度。
气化过程中的火焰并不是相对光谱计测量的时间常量静止的过程(一秒的几分之一)，会出现具有光谱学上的和绝对的强度变化的典型统计学火焰闪烁。如果只通过连续依次测量的光谱计记录光谱，则火焰闪烁会导致所记录的光谱错误。因此有利的是，设置并行测量光谱的光谱计。所述光谱计例如设计用于进行波长色散并且将结果描绘在并行测量的阵列检测器上，其中，每个像素测量一个确定的波长区间。
在所述理念的一种扩展中，通过以下方式消除火焰闪烁效果，即，选择相对闪烁频率来说较长的测量时间，或者以与火焰闪烁的时间常量相当的时间间隔进行多次较短的测量并且在输送给评估单元之前取平均值。
评估单元可以评估所输送的光谱是否处在光谱计良好的测量范围内，也就是说是否存在过调或者失调。如果存在过调或者失调，则通过评估单元向光谱计发出的指令重新调整光谱计参数，例如测量时间(即记录光谱所用的积分时间)或者多次测量的数量。
可能会出现光学窗口被沉积物占据的情况。所述沉积物一方面在整体上减弱了光线，但还可能造成光谱学上的扭曲。这使得光谱的形状变形，从而最后导致错误测量。然而，多变量信号处理可以识别出所测得的光谱与已知火焰光谱的典型区域还具有多少相似度。这种功能用于识别由于光学路径/窗口的变化而导致的太过强烈的光谱扭曲并且必要时输出相应的错误报告。
有利的是，在评估方法中不考虑绝对强度，而是取而代之地考虑火焰光谱的曲线形状。由此进一步减小了光学窗口上的沉积物对测量的影响。
在将所测得的光谱输送给评估单元之前，比较有利的是复核测量是否具有可信性。如果该测量没有可信性，则舍弃该测量。这种复核检验例如包括评估所测得的强度是否在预期的区域内，是否经常存在分散值和是否存在提高的测量数据噪声。
图4示出示意性的测量结构40。测量结构40包括火焰探测器41和适配器42。射出的光线通过玻璃纤维电缆43传导至安装有评估单元45的开关柜44。

Claims (16)

1.一种运行用于使含碳燃料气化的设备的方法，其中，所述气化形成火焰，并且其中，记录所述火焰的发射光谱并且通过多变量法用预先保存的评估模型尤其连续地实时评估该发射光谱。
2.按权利要求1所述的方法，其中，评估在紫外线至红外线的范围内的所述发射光谱。
3.按权利要求1所述的方法，其中，记录在300至2000nm的范围内，尤其是在300至800nm的范围内的所述发射光谱。
4.按前述权利要求之一所述的方法，其中，由所述发射光谱确定火焰温度。
5.按前述权利要求之一所述的方法，其中，由所述发射光谱评估至少一个具有灰成分的发射谱线的光谱范围。
6.按权利要求5所述的方法，其中，评估至少一个碱金属的发射谱线。
7.按前述权利要求之一所述的方法，其中，为了形成评估模型，在已知的运行参数下记录光谱并且将光谱与所述运行参数一起保存在存储器中，其中，尤其通过多变量统计方法，如主要成分分析、偏最小二乘法回归、偏最小二乘法判别分析即PLSDA、聚类分析或者人工神经网络对具有所述运行参数的光谱进行分类，并且由此建立将确定的光谱配属给确定的运行参数的评估模型。
8.按前述权利要求之一所述的方法，其中，通过所述评估模型将在运行中记录的光谱配属给具有已知运行参数的已知光谱，并且由此确定当前的运行参数。
9.按前述权利要求之一所述的方法，其中，单独地或者相互结合地确定以下运行参数中的至少一个：
-根据产生不同光谱的不同燃料区分是否存在用气体运行设备的情况，例如稳压运行或者带有填料火焰的气化运行，因为气体例如只包含非常少产生光谱谱线的金属，
-根据通过发光/吸收的金属的光谱谱线确定产生渣的无机物质的总含量，
-火焰温度，
-燃烧的化学计量。
10.按前述权利要求之一所述的方法，其中，所测得的火焰光谱在输送给光谱分析装置之前在评估单元中进行标准化，尤其是标准化为峰值高度、光谱积分或者可确定的波长中的信号高度。
11.按前述权利要求之一所述的方法，其中，在将所测得的火焰光谱输送给光谱分析装置之前，尤其通过一个或多个以下措施在评估单元中使所测得的火焰光谱更平滑：
-按照阈值法去除分散值，
-Savitzky-Golay的方法，
-使用卡尔曼滤波器。
12.按前述权利要求之一所述的方法，其中，使用并行测量光谱的光谱计，尤其是进行波长色散并且将结果描绘在并行测量的阵列检测器上的光谱计，其中每个像素测量一个确定的波长区间。
13.按前述权利要求之一所述的方法，其中，通过以下方式减小火焰闪烁效果，即，选择相对闪烁频率来说较长的测量时间，或者以与火焰闪烁的时间常量相当的时间间隔进行多次较短的测量并且在输送给评估单元之前取平均值。
14.按前述权利要求之一所述的方法，其中，所述评估单元确定，所输送的处于光谱计测量范围内的光谱是否曝光过度或者曝光不足，并且如果不是这两种情况，则重新调整光谱计参数，尤其是测量时间或者多次测量的数量。
15.按前述权利要求之一所述的方法，其中，通过评估所测得的光谱的形状，对光学路径的完整性进行监测。
16.一种用于使含碳燃料气化的设备，所述设备设计用于执行按前述权利要求之一所述的方法，所述设备具有：
-用于记录火焰的光谱的装置，
-用于对光谱进行光谱分析的装置，
-用于根据评估模型评估所述光谱分析的装置，
-用于存储评估模型的装置。
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