（控制理论与控制工程专业论文）基于火焰图像辨识的高温低氧燃烧稳定性与nox排放预测.pdf

中文摘要 高温低氧燃烧技术( h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n 简称h t a c ) 是二十世纪九 十年代初发展起来的，它是一种具有高效节能和低n o x 排放双重优越性的燃烧技术。 因为它的双重优越性，一直以来受到世界各国的普遍重视。目前这种技术主要应用 于冶金业的轧钢加热炉、钢包烘烤炉、均热炉、罩式热处理炉、辐射管气体渗碳炉、 玻璃熔化炉、熔铝炉、锻造炉等。评价各种工业炉和燃烧技术的两个基本的标准是 燃烧工况稳定性和n o x 的排放量。燃烧工况的稳定与否是优化设计煤粉燃烧器的基 础，也是影响锅炉经济、安全运行的重要因素。燃烧工况的不稳定不仅会降低锅炉 的效率，增加污染物的排放和产生噪声污染，在极端的情况下还可能会引起炉膛灭 火造成事故。氮氧化物有极大的危害性：对人体有直接的危害；是酸雨形成的_ 个 主要原因，污染环境；其中的二氧化氮是温室气体，会破坏臭氧层。但锅炉和燃烧 技术的高温低氧特点，也给高温炉燃烧状态的监测和n o x 排放的预测都带来了很大 的困难。西方发达国家对这种技术展开了系列的研究，并取得了显著的成就，而在 我国，对该技术的研究刚刚起步。目前，对高温低氧燃烧火焰的稳定性与研究文献 报道很少，对氮氧化物的排放的研究也仅限于借助c f d ( 计算流体力学) ，可靠性往 往只是通过定性分析进行验证，这很难保证对燃烧火焰n o x 生成量的准确预测。 基于以上背景，提出了主要针对炼钢炉的基于火焰图像辨识的高温低氧燃烧 n o x 排放与燃烧稳定性预测的课题，对缩短我国在高温空气燃烧技术方面与国外先 进技术的差距具有十分重要的意义。 在本文中主要论述了两个数学模型：一个燃烧稳定性识别模型，另一个是氮氧 化物排放量的监测模型。同时提出了一种改进算法利用改进的自适应逃逸微粒 群算法( i a e p s o ) i ) i i 练改进的自适应小波神经网络用来识别高温低氧技术下的燃 烧工况的稳定性；还用灰色预测模型预测氮氧化物排放量；同时还提出了开发工业 高温炉自动调节系统的想法，作为课题的一点补充，为基于火焰图像的高温低氧技术 的深入研究提供一些思路。 关键词：高温低氧燃烧技术( h t a c ) ；图像纹理与结构；燃烧稳定性指数；微粒群； 小波神经网络；氮氧化物排放指数；灰色预测模型 t h ep r e d i c t i o no nt h ee m i s s i o n so fn o xa n dt h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t y i nh t a cb a s e do nf l a m ei m a g e w a n gy u n ( c o n t r o lt h e o r i e sa n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yz h u o d o n g f e n ga n dd o n gz e n g s h o u a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ( h t a c ) i sac o m b u s t i o nt e c h n o l o g y w i t ht w o f o l ds u p e r i o r i t i e so fe n e r g y - s a v i n ga n dt h el o we m i s s i o no fn o x ， o r i g i n a t i n ga n dd e v e l o p i n gs i n c et h ee a r l y19 9 0 s ，n l i sk i n do ft e c h n i q u e m a i n l yi sa p p l i e di n t h el a r g es c a l eb e l l t y p eh e a tt r e a t m e n tf u m a c e ，f o r g e f u m a c e s ，a n dg l a s sm e l t i n gf u m a c e t h et w ob a s i cs t a n d a r d st oe v a l u t ea l l k i n d so ff u m a c e sa n dt h ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g ya r ea sf o l l o w s ：o n ei st h e c o m b u s t i o ns t a b i l i t yo rn o t ，t h eo t h e ri st h ee m i s s i o n so fn o x m i l em a n y r e s e a r c h e st h a th a sb e e nu n d e r t a k e no ni tm a i n l yf o c u s e so nt h ee m i s s i o n so f n o x ，1 l e s sw o r kh a sa d d r e s s e dt h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t yi nh t a c ，t ow h i c h s i g n i f i c a n ta t t e n t i o ns h o u l db ep a i d f o rt h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t yi st h eb a s i s o fo p t i m i z i n gt h eb u r n e rd e s i g na sw e l la sa n i m p o r t a n tf a c t o ri nt h e p e r f o r m a n c eo ft h eb o i l e re f f i c i e n t l ya n ds a f e l y i ft h ec o m b u s t i o nc o n d i t i o n i sn o ts t a b l e ，t h eb u r n e re f f i c i e n c yw o u l db ed e c r e a s e da n dp o l l u t a n t sa n d n o i s ep o l l u t i o nw o u l db ei n c r e a s e d f u r t h e r m o r e ，t h ef i r ei nt h ef u m a c e w o u l db eo u tu n d e re x t r e m ec a s e st h u sa na c c i d e n tw o u l dh a p p e n a c c o r d i n gt oa b o v er e a s o n ，at o p i ca b o u tt h ep r e d i c t i o no nt h ee m i s s i o n s o fn o xa n dt h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t yi n 耵a c ，b a s e do nf l a m ei m a g ei sp u t f o r w a r d ，w h i c hi sw o r t h yo ft h er e a c h e so fh t a ci nc h i n a i np a p e r , t w om a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ep r o p o s e d ：o n ei sc o m b u s t i o n s t a b i l i t y r e c o g n i t e dm o d e l ，t h eo t h e ri sr e c o g n i t i n ga n df o r e c a s t i n gn o x 。 m o d e l an e , a l g o r i t h m 。u s e d , g n i t et h ecombusitionemissionsm o d e lan e wa l g o r i t h ml su s e dt or e c o g j a i t et h ec o m b u s i t i o ns t a t e s i nh t a c ，t h a tt h ei m p r o v e da u t o a d a p t e dw a v e l e tn e u r a ln e t w o r kt r a i n e db y a ni m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o nb a s e do ns e l t ：a d a p t i v ee s c a p e 一 v e l o c i t y 叽a t sm o r e ，t h en o xe m i s s i o n si s f o r e c a s t e db yg r e yt h e o r y t a l g o r i t h m ，w h i c hi s a l lv a l u a b l ea t t e m p t a c c o r d i n gt oa u t o m a t i cc o n t r o l t h e o r y , a i li d e ai sp u tf o r w a r d ，t h a ti sd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lf u r n a c e s a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sas u p p l e m e n tf o rt h ep a p e r k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ( i - - i t a c ) ；t h et e x t u r ea n d s t r u c t u r a lc h a r a c t e ro fi m a g e ；a n i m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n b a s e do ns e l f a d a p t i v ee s c a p ev e l o c i t y ( a e p s o ) ；a d a p t i v ew a v e l e tn e u r a l n e t w o r k ( a w n n ) ；t h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t yi n d e x ；n o xe m i s s i o n si n d e x ； g r e yf o r e c a s t i n gm o d e l ( g m ( 1 ，1 ) ) i i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独 立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。如果今 后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关的内容，将 承担法律责任。除文中已经注明引用的文献资料外，本学位 论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 年 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的意义和背景 高温低氧燃烧技术( h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n 简称h t a c ) 是二十世纪 九十年代初发展起来的，它是一种具有高效节能和低n o x 排放双重优越性的燃烧技 术。因为它的双重优越性，一直以来受到世界各国的普遍重视。目前这种技术主要 应用于冶金业的轧钢加热炉、钢包烘烤炉、均热炉、罩式热处理炉、辐射管气体渗 碳炉、玻璃熔化炉、熔铝炉、锻造炉等。评价各种工业炉和燃烧技术的两个基本的 标准是燃烧工况稳定性和n o x 的排放量。燃烧工况的稳定与否是优化设计煤粉燃 烧器的基础，也是影响锅炉经济、安全运行的重要因素。燃烧工况的不稳定不仅会 降低锅炉的效率，增加污染物的排放和产生噪声污染，在极端的情况下还可能会引 起炉膛灭火造成事故。氮氧化物有极大的危害性：对人体有直接的危害；是酸雨 形成的一个主要原因，污染环境；其中的二氧化氮是温室气体，会破坏臭氧层。但 锅炉和燃烧技术的高温低氧特点，也给高温炉燃烧状态的监测和n o x 排放的预测 都带来了很大的困难。西方发达国家对这种技术展开了系列的研究，并取得了显著 的成就，而在我国，对该技术的研究刚刚起步。目前，对高温低氧燃烧火焰的稳定 性与研究文献报道很少，对氮氧化物的排放的研究也仅限于借助c f d ( 计算流体力 学) ，可靠性往往只是通过定性分析进行验证，这很难保证对燃烧火焰n o x 生成量 的准确预测。 基于以上背景，提出了主要针对炼钢炉的基于火焰图像辨识的高温低氧燃烧 n o x 排放与燃烧稳定性预测的课题，对缩短我国在高温空气燃烧技术方面与国外 先进技术的差距具有十分重要的意义。同时还提出了开发工业高温炉自动调节系统 的想法，作为课题的一点补充，为基于火焰图像的高温低氧技术的深入研究提供一些 思路。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 高温低氧燃烧技术国内外研究动态 高温空气燃烧技术在日、美等国家简称为h t a c 技术，在西欧一些国家简称为 h p a c ( h i g h l yp r e h e a t e da i rc o m b u s t i o n ) 技术，亦称为无焰燃烧技术( f l a m e l e s s c o m b u s t i o n ) 。其基本思想是让燃料在高温低氧浓度( 体积) 气氛中燃烧。它包含 两项基本技术措施：一项是采用温度效率高达9 5 ，热回收率达8 0 以上的蓄热式 基于火焰图像辨识的高温低氧燃烧稳定性与n 0 x 排放预测 换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为 8 0 0 1 0 0 0 ，甚至更高的高温助燃空气。另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷 吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为1 5 3 ( 体积) 的低 氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统 燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存 在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。这种燃烧是一种动态反应，不具有静态 火焰。它具有高效节能和超低n o x 排放等多种优点，又被称为环境协调型燃烧技 术【1 。2 1 。 h t a c 最早是由英国的b r i t i s h g a s 和h o t w o r k 公司实现工业应用，开发出国际 上第一套r c b 系统r e g e n e r a t i v e ( c r a m i cb u m e x ) 蓄热式陶瓷燃烧系统。此后日本买 进欧洲专利，并联合美国、瑞典进行基础性研究。日本n f k 公司在1 9 9 2 1 9 9 8 年的 6 年间，已在近1 5 0 台工业炉窑上应用其开发的几种类型的高温空气燃烧器( 烧嘴) 近9 0 0 台套。日本政府为执行京都会议所承诺的2 0 1 0 年降低6 c 0 2 排出量的指标， 于1 9 9 3 1 9 9 9 年间共投入1 5 0 亿日元用于开发研究。经1 9 9 4 1 9 9 6 年前期研究，发 现h t a c 的重大效能，决定放弃用氧改善燃烧的其他方案，全力开发h t a c 技术， 并从1 9 9 8 年开始工业规模示范推广，h t a c 技术是被日本政府和日本工业界高度 评价的可大幅度节能和降低c o x 排放的先进燃烧技术。1 9 9 8 年日本政府又投入资 金3 5 亿日元，企业投入8 6 亿日元推广应用这一燃烧新技术，1 9 9 9 年度政府又投入 了相同数额的资金继续支持h t a c 推广项目。1 9 8 6 年，美国a r k a n s a s 玻璃器皿公 司采用高温低氧技术对一座玻璃炉进行改造【3 一。 整个技术的发展和推动主要是在发达国家中进行，基本上是按照英国日本一美 国德国。意大利荷兰等的顺序先后加入到这项技术领域。同时为了推动这项技术的 发展，国际上已连续数年举办过多次国际会议，显示了它的重要性和广阔的市场前 景。 目前高温低氧燃烧技术在国外刚刚进入工业试验阶段，关键技术处于严格保密 状态，因此我们有必要加快开发适合我国自身特点的高温低氧燃烧技术。为研究高 温低氧燃烧过程中n o x 的极限控制及能量极限回收，8 0 年代开始北京科技大学张先 棹教授领导的课题组在这一领域进行了大量的研究推广工作，9 0 年代初开发了自己 的蓄热式换热器专利，其中重油蓄热式自身预热烧嘴应用于铁路锻造加热炉取得了 成功，在铁路系统得到推广，已经取得了节能3 0 6 0 ，生产率提高3 0 6 0 的良 好效益。近年来，大连北岛能源技术发展有限公司以及清华大学热能工程系等单位 2 第一章绪论 也积极开展了高效蓄热式余热回收技术的研究推广工作。1 9 9 9 年，萧泽强等在简易 的实验条件下，进行了丙烷火焰的观测，初步研究了高温低氧下的火焰特征，但都 未对高温燃烧过程中n o x 的大量产生及能量极限回收等问题进行研究。 另夕b 1 9 9 8 1 9 9 9 年，原中南工业大学应用与热能工程系在瑞典皇家工学院冶金系 布拉希亚克教授的合作下，对西欧和日本开发和应用h t a c 技术进行了调研。先后访 问了瑞典皇家工学院( h r h ) 燃烧室、荷兰国际火焰研究中心( i f i 强) 、东京工业大 学( t i t ) 、日本窑炉株式会社( n f k ) 、日本钢管( n k k ) 和日本燃烧协会( j 口m a ) ， 参观访问了h t a c 技术的n f k 前期开发试验室、t i f 基础研究实验室、n k k 的应用现 场和t i f 的远景开发试验现场等。经过调研认识到，h t a c 技术是一项非常适合于中 国企业节能降耗和改善环境的重大技术，其应用效果可能超过日本等开发和应用多 年的一些国家，我们必须分秒必争的引入和应用。在1 9 9 9 年以前，h t a c 在我国还是 一一项信息和技术空白。 为尽快将h t a c 的信息和技术引入我国，1 9 9 9 年萧泽强教授带领课题组先后 访问了国内的各冶金高校的热能工程系或教研室、钢铁研究总院、鞍山热能研究所、 清华大学热能工程系、上海交大热能工程教研室，以及武钢、唐钢、梅钢和新钢等 企业，努力向国内同行讲述国外开发和应用情况，并递交了所收集到的文献资料。 同时向国家环保总局、上海市政府、北京市科委组织力量大力引用和推广。1 9 9 9 年 1 0 月在全国科协支持和北京神雾公司资助下，在北京组织了一次“高温低氧燃烧” 技术讲座。日本和美国负责h t a c 技术开发、应用和研究的主要人员被邀请来华主 讲，清华大学热能工程系徐旭常院士在讲座中分析了h t a c 技术对改进我国能源应 用环境和推动燃烧领域技术进步的重大意义。2 0 0 0 年以来，我国工业界应用h t a c 技术实现了许多企业窑炉的节能改造，在利用高炉和转炉低热值燃料上有新的突 破，在全国范围内实现了一次巨大的技术进步。北京神雾公司和萧泽强教授的课题 组合作，到2 0 0 5 年已经为国内钢铁企业改造了1 5 0 多台加热炉，年减少能源消耗 折合石油超过2 0 0 万吨；2 0 0 6 年初，该公司和瑞典钢铁公司签署了提供h t a c 技 术和装备的第一个出口合同。 2 0 0 1 年1 月，由北京神雾热能技术有限公司( 前身是北京神雾科技有限公司) 燃 烧研究组设计，在邯郸钢铁公司中板厂投产了中国第1 座蓄热式烧嘴加热炉，该加 热炉长2 7 7 m 、宽6 4 m ，加热坯料的最大规格为2 5 0 0 m m x1 2 0 0 m m x 2 2 0 m m ，加热 能力为8 0 t h ( t h 为吨, b 时) ，加热钢温为1 1 5 0 1 2 5 0 c ( c 为摄氏度) ，空气预热温度 达1 1 0 0 ，燃料为高焦炉混合煤气，热值6 6 8 8 k j n m 。改造前的吨钢能耗为2 0 g j t 基于火焰图像辨识的高温低氧燃烧稳定性与n 0 x 排放预测 ( j t 为焦吨) ，改造后的能耗为1 1 g j t ，节能达4 0 以上，改造后烟气中有害成 份n o x 的排放浓度小于8 0 p p m ( 体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物 的体积数，即p p m ) ，钢坯的氧化烧损下降4 0 以上。改造后每年的经济效益可达 1 5 0 0 万元以上。该座加热炉的顺利投产标志着首次在中国大型加热炉上研制成功燃 气蓄热式烧嘴，首次在中国大型蓄热式加热炉上研制成功蜂窝状陶瓷蓄热体，首次 在中国大型蓄热式加热炉上实现从冷炉点火到达正常工作温度仅需2 h ( h 为小时) 。 根据h t a c 技术的原理，将空气温度预热到11 0 0 时只能利用加热炉烟气热量 6 5 左右。为了回收剩下3 5 的烟气热量，又希望减少设备投资，因而再利用煤气 换热器将冷的混合煤气预热到4 0 0 ，达到进一步节能的目的。2 0 0 1 年1 月，日本燃 烧研究组设计，在湖南涟源钢铁公司第四轧钢厂投产了中国第2 座蓄热与换热组合式 轧钢加热炉。该加热炉长2 6 3 m 、宽6 6 m ，加热坯料规格为1 5 0 m m x l 5 0 m m x 6 0 0 0 m m ， 加热能力为8 5 t h ，加热钢温为1 2 0 0 ，空气预热温度达11 0 0 ，燃料为高焦炉混 合煤气，热值为7 5 2 4 k t 悄m ，改造前的吨钢能耗为1 8 g j t ，改造后的能耗为1 2 g j t ， 节能达3 3 ，改造后烟气中有害成份n o x 的排放浓度小于1 0 0 p p m ，钢坯的氧化烧损 下降5 0 以上。2 0 0 1 年8 月，由本燃烧研究组设计，在石家庄钢铁公司中型厂将投产 中国第一座空气、高炉煤气双预热蓄热式烧嘴加热炉。该加热炉长3 2 8 m ，宽3 4 8 m ， 加热坯料规格为2 2 0 x 3 0 0 x 3 0 0 0 m m 。加热温度为1 2 0 0 ，加热能力为6 5 t h ，燃料为 高炉煤气，热值为3 3 4 4 k j n m ，改造前钢能耗为3 5 g j t ，改造后将达到1 4 g j t ，节能 达5 0 以上，由于该加热炉的钢种为合金钢，此炉投产以后，将对我国合金钢生产的 节能技术改造产生重大的作用【5 - 9 】。 这些案例的应用结果表明，h t a c 技术是一项跨世纪的先进节能环保技术，每年 可为中国的企业带来3 0 0 亿元以上的经济效益，每年可给国家节约3 0 0 0 万吨以上标准 煤。我国政府和工业界应对此项技术的研究与推广引起足够的重视。它不仅能使我 国的工业能耗整体水平得到大幅度的降低，而且还能使我国工业能耗指标在最短的 时间内超过世界先进水平，实现跨跃式发展目标。 1 2 2 燃烧稳定性与n o x 排放的国内外研究动态 1 2 2 1 燃烧稳定性国内外研究动态 燃烧工况的稳定与否是优化设计煤粉燃烧器的基础，也是影响锅炉经济、安全 运行的重要因素。燃烧工况的不稳定不仅会降低锅炉的效率，增加污染物的排放和 产生噪声污染，在极端的情况下还可能会引起炉膛灭火造成事故。高温低氧技术因 其高温低氧特点，也给高温炉燃烧状态的监测带来了很大的困难，因此对高温低氧 4 第一章绪论 燃烧稳定性研究很少。但关于常规技术下的燃烧稳定性的研究已接近成熟，并形成 了一套完整的技术_ 燃烧诊断技术，它为研究高温低氧技术下的燃烧稳定性提供 了一些思路和方法。 燃烧诊断技术是上世纪8 0 年代兴起的一门新技术，它能在锅炉正常运行的情况 下，通过使用先进的技术手段，对燃烧设备的状态参数进行监测和分析，判断燃烧系 统是否处于最佳的燃烧状态；燃烧系统可能存在的异常、故障的部位和原因以及故障 发展的趋势，为运行人员提供相应的对策方案，从而达到减少事故停机损失、降低污 染物排放的目的。传统意义上的燃烧监控系统不仅在一次元件的信号选择还是对现 有数据的分析处理上都具有很大的局限性。传统方法通常是利用回归分析、方差分 析、插值以及建立更复杂的数学模型对实验数据进行整理，虽然也能导出锅炉燃烧 与各个参数之间的关系，但数学模型的求解过程十分复杂，得出的结果与实际也有 很大的偏差。 目前这种燃烧诊断技术基于电站锅炉的主要研究方向： ( 1 ) 基于炉膛微压波动的燃烧状态诊断技术 该方案以日本学者大谷启一【1 0 。1 1 1 为代表，主要的思路在于认为炉内微小压力的 波动很大程度上受到燃烧状况的影响，利用采集到的锅炉微压波动信号进行脉动能 谱分析，可以获得与n o x 、c o 排放量相关的函数关系式，图1 1 所示为该诊断方法 的原理流程图。 炉膛 图1 1 微压波动检测原理图 浙江大学的高翔【1 2 】等在研究中，同样注意到燃烧脉动信号可以作为燃烧稳定性的 依据，提出应用频谱分析手段获得的偏离水平轴线的程度指标k 来直接判定燃烧状态 稳与否，该方法己成功应用于锅炉的实际运行中。 ( 2 ) 基于光学相关原理的诊断技术 我国学者宋文忠【1 3 】采用高灵敏度的光敏元件，对炉膛及燃烧器区域的火焰光信号 的相关性进行分析处理，从而确定燃烧状态。原理如图1 2 所示，在2 个检测器检测范围 交叠处如果有火焰存在，2 探头的检测信号会具有极大的相关性，否则2 个检测信号表 基于火焰图像辨识的高温低氧燃烧稳定性与n o x 排放预测 现出不相关或相关性极差。该方法不仅能检测燃烧器是否熄灭，而且可提供着火位置 和着火状态变化的相关信息。 图1 2 相关法检测原理图 ( 3 ) 基于工业电视监控检测技术 工业电视技术利用视频图像显示技术将炉膛内的燃烧状态实时显示在监视屏幕 上，供操作人员直观判断。目前，用以观察燃烧火焰的工业电视已经在一些电站锅炉上 得到了应用，特别是上世纪8 0 代引进的大型锅炉上基本上都安装了这种常规火焰观察 系统。但从实际应用的结果来看，这种传统的工业电视具有很大的局限性，一般仅能起 到在点火和停炉时肉眼观察的作用，操作人员必须经常注视显视屏幕，增加劳动强度， 易于疲劳和错过有用信息，人为因素很多，造成许多不确定性。 ( 4 ) 基于火焰辐射的m a r c o v 模型的燃烧预测技术 上海理工大学万振刚 1 4 1 提出利用火焰辐射光谱的历史数据构建火焰辐射 m a r c o v 模型，然后预测了火焰在未来时刻的辐射工况，讨论了火焰辐射各个状态的 稳定性。 ( 5 ) 基于图像灰度复杂性测度的炉膛燃烧状况评价 东南大学华彦平【1 5 】基于非线性动力系统的复杂性刻画理论，提出用k o l m o g o r o v 复杂性测度定量评价炉膛燃烧的波动程度，并分析出复杂度与燃烧工况的关系的规 律与曲线变化图( 如图1 3 - - 1 7 所示) ：复杂性对不同燃烧工况下的曲线波动较敏 感，在工况稳定时，曲线主要受随机因素的影响，复杂性较大；在工况不稳时，曲线相 关性增强，复杂性较小，弥补了用图像灰度序列定性描述燃烧工况的不足。 6 第一章绪论 图1 3 启动时的灰度曲线图1 4 停炉时灰度曲线 图1 5 稳定时灰度曲线 图1 6 波动时灰度曲线 图1 7 事故时灰度曲线 ( 6 ) 基于检测火焰特定频谱光强脉动的检测技术 该技术主要针对燃烧器区域的火焰光脉动的强弱来判断燃烧的好坏。燃料或燃 烧状态不同，其燃烧光辐射频谱特性也不同。一般燃煤锅炉大多采用对红外光和可见 光反映灵敏的元件来检测火焰【1 6 1 7 】。前者以美国f o r n e y 公司为代表，利用煤粉着火 区火焰的红外线亮度和闪烁频率来判断，可以利用滤波方法将喷燃器火焰与背景火焰 区别开来。后者以美国c e 公司和b a i l e y 公司为代表，它是利用煤粉着火区的可见光 亮度和闪烁频率来判断。我国目前生产的火焰检测器基本上都是仿制上述2 种检测 器。目前在电站锅炉上广泛使用的炉膛安全监测系统( f s s s ) 就是此方法的代表，已成 为大型锅炉必备的一种监控系统。图1 8 所示为该系统的原理图。它可以连续地密切 7 基于火焰图像辨识的高温低氧燃烧稳定性与n 0 x 排放预测 监视燃烧系统的大量参数与状态，不断地进行逻辑判断和运算，必要时发出动作指令， 通过种种联锁装置，使燃烧设备中的有关部件严格按照既定的合理程序完成必要的操 作或处理未遂事故，以保证锅炉燃烧系统的安全。 a n 板 oi o 越 图1 8f s s s 系统原理图 ( 7 ) 基于计算机图像处理技术的燃烧监控技术 上世纪9 0 年代初，计算机图像处理技术被应用到了电站锅炉的燃烧诊断上。日立 公司研制的h i a c s 一3 0 0 0 系统采用了火焰图像识别技术【l8 1 ，可以得到火焰温度场的分 布、燃烧经济性的估算等信息，对稳定燃烧、提高燃烧效率起到了一定的作用。英国 格林尼治大学的严勇教授等开展了火焰图像处理研究工作，对火焰温度、烟黑浓度 和火焰形状进行了多方面的实验研究【1 9 之2 】。葡萄牙里斯本高等技术大学的c o r r e i a 等 研究了火焰三维温度分布传感器，考虑了传统的c t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ，计算机 层析成像) 算法不能考虑的火焰吸收的影响【2 3 1 。 我国的科研人员在此方向也进行了大量的研究，目前已经在火焰图像采集和处 理、温度场测量和重构等方面取得了初步的进展。清华大学吴占松教授最早开展火 焰温度图像检测的实验研究工作，建立了火焰亮度和火焰温度之间的关系，开拓了 国内火焰图像处理研究的先河【2 4 彩】。上海交通大学徐伟勇教授等采用传像光纤技术 和数字图像技术检测电站锅炉燃烧火焰，并根据火焰为彩色图像信息判断燃烧器的 着火情况 2 6 。2 8 1 。南京自动化研究院的许柯夫推导了火焰辐射测温公式，并提取了各火 焰图像特征量【2 9 】。浙江大学热能工程研究所岑可法院士领导的课题组，早期提出了 采用双色法从彩色火焰图像中计算火焰温度图像的方法，具有重要的应用价值【3 0 - 3 2 ， 其后对火焰温度场的重建、温度与浓度联合重建以及基于火焰图像处理的燃烧诊断 开展了深入的研究【3 3 刁5 1 。东南大学王式民教授等也开展了炉内火焰图像处理研究工 作，并探讨火焰三维温度场可视化的方法 3 6 - 3 8 】。华中科技大学周怀春教授等提出了 8 第一章绪论 基于参考测温的单色法火焰温度图像检测方法，建立了炉内燃烧火焰温度分布和火 焰辐射图像之间的定量模型，模拟研究了温度场重建方法，并开展了电站锅炉炉内 燃烧二维、三维温度分布检测的实验研究 3 9 1 。 随着智能化理论的发展，基于图像处理的燃烧诊断技术如虎添翼，有了更快的 发展，出现了许多模糊逻辑法、专家系统、人工神经网络等结合图像处理的燃烧诊 断技术。华中科技大学周怀春等【4 0 1 尝试将自组织神经网络原理应用到燃烧诊断技术 当中，网络的输入信号采用了火焰辐射信号的频谱估计值，成功地将燃烧状态划分为 稳定、过度和不稳定3 个区域；杨宏曼【4 1 】首先将误差逆传播网络理论引入到对火焰的 状态辨识中，采用高速图像处理技术获得辨识指标，并实现了燃烧状态的数字化预测， 此成果已实际应用于电站。赵利敏等【4 l 】同样利用b p 神经网络对锅炉燃烧特性进行了 预测，以锅炉的燃料特性，结构参数和运行参数等5 个数据作为网络输入训练参数，得到 了关于锅炉稳燃性、结渣性和燃尽性的参数输出，并预言：随着人工智能和专家系统在 电力工业的不断应用，人工神经网络在煤燃烧预测领域将具有广阔的发展和应用前 景。 太原理工大学的谢刚等提出了一种基于火焰图像特征提取并采用粗糙集理论 诊断锅炉燃烧状态的方法。采用基于粗糙集的决策规则的推理方法，建立以火焰图像 特征量为条件属性、炉膛工况为决策属性的决策表，并运用粗集理论中近似集的概念 确定了条件属性对决策属性的影响权系数，对锅炉燃烧状况做出了客观性的判断，进 而为锅炉燃烧状况做出准确的诊断提供了有力的依据。中科院热能物理研究所郭建 民博士【4 3 】将模糊免疫网络应用于火焰燃烧状态的识别。模糊免疫网络算法能够随着 燃烧状况的变化实现动态聚类，同时该算法克服了传统模糊聚类算法须事先确定聚 类数的缺陷。利用现场所获得的火焰图像，运用数字图像处理技术提取其特征量， 对其进行分类研究，通过观察火焰图像类别的变化来判断燃烧状态是否发生变化 浙江大学王飞博士】在火焰图像中提取6 个特征量，利用b p 神经网络预测燃烧状 态，并结合模糊数学的概念定义了燃烧指数： p ：二了j 堕匕咝掌型二k 丝甚一 ( 1 1 ) ( f f c 一枷缸) 2 + ( 一丘一础咕缸) 2 + ( i f c d l s t i n d ) 2 + ( 一j c - 撕d ) 2 华北电力大学郝祖龙博士【4 5 j 提出了基于统计分析和自组织神经网络来判断燃烧 稳定性。以某电厂的监控信息系统( s i s ) 中的历史数据库作为分析平台，提取出火 焰亮度平均值、火焰亮度方差、火焰亮度峰值和均匀度等4 个特征量，分8 种典型燃 烧工况对火检强度信号作了大量统计分析，验证这些特征量识别不同工况下的火焰 o 基于火焰图像辨识的高温低氧燃烧稳定性与n 0 x 排放预测 燃烧状态的可行性。并将不同燃烧工况下的火焰信号特征值作为自组织神经网络输 入，分别将它们聚集到不同的区域内。 另外，张清宇【4 6 】等根据火焰是一种没有一定规则的的自然事物，选取了一种基 于分形特征的图像分割方法，并根据分形特征反映图像灰度表面粗糙程度的特点，提 出了一个新的特征参量分形维数，并研究了分形维数和火焰稳定性的关系。 燃烧诊断技术在常规燃烧技术条件下产生并发展的，但有关这种技术应用到高 温低氧条件下燃烧状况诊断上的文献还没查到。但它提供的一些思路和方法是可以 借用的。 1 2 2 2n o x 排放的国内外研究动态 环境与发展是人类社会长期面临的一个主题，其中利用煤、石油和天然气等化 石能源引起的酸雨、温室效应和臭氧层破坏等环境问题已成为社会和经济发展的一 个制约因素，引起了人们的广泛关注。大气环境是人类赖以生存的可贵资源，大气 环境资源的破坏是一种不可逆的过程，恢复良好的大气环境质量要比采取措施从根 本上防治大气污染付出更多的经济代价。众所周知，氮氧化物是大气污染的主要物 质，随着汽车用量的大幅度增加，以及锅炉等设备的尾气排放，氮氧化物的污染已 成为环境治理的一个重要课题。 中国是当今世界上几乎唯一以煤为初级能源的经济大国，也是以燃煤发电为主 的发展中国家，与发达国家相比，经济发展水平还有很大差距，环保技术的发展处 于落后状态。煤炭的燃烧造成了严重的空气污染，燃煤烟气中的n o x ，对大气的污 染已成为一个不容忽视的重要问题。随着经济发展水平的提高，环境问题日显突出， 在不远的未来，环境问题必将成为制约经济发展的重要因素，保护和改善环境是保 证中国经济可持续发展的必要条件。因此开展监测n o x 排放量研究进而开发研究脱 硝技术，以满足环境保护的要求，具有现实的环境、经济和社会意义。 对n o x 排放量监测和预测的研究工作，早就开始了。比如， 华中科技大学周怀春教授认为基于煤粉燃烧过程中n o x 的生成机理，高辐射 强度区的辐射特性可由火嘴出口位置、几个燃烧区间的距离以及几个区的圆度参数 来表示，即n o x 的降低指数k 由以上三个参数来描述。公式如下： k = 七( g l g 2 g g o ) ( s 厂三厂) 其中g 1 g 2 为两个高强度区之间的距离，g 6 g o 为高强度 区距燃烧器中心位置的距离，s ，三，称为它们的圆度，s ，为该区的面积，三，为该 区的圆的周长，后为燃烧器尺寸函数。根据，0 结合理想配比可得到烟气中n o x 的 含量。 1 0 第一章绪论 对单独燃烧器来说，n o x 的含量为崛，删= 白 1 一e x p ( 一如+ 毛) 一向k 式 中是燃烧器的理想配比，白是由燃料比和燃料态氮含量得到的燃料类别系数， 也，岛是由炉温得到的系数，毛n o x 肿的灵敏度系数。 在多燃烧器系统的锅炉出口： n o ，i 册= q ，b n r 1 一e x p ( 一恕砧r r + k 6 ) + e x p ( 一岛吃+ ) ( 1 2 ) n o x 。燃= e 州脚互 li 式中为所有燃烧器的平均理想配比，f 为燃烧器区域出口与后置风口间的 距离，f 为第i 层燃烧器，f 为燃料与空气的比。 武汉工业大学计算机系的饶文碧认为煤粉火焰烟气中n o x 含量( y ) 与燃烧 过程中的过量空气系数( x 1 ) 、从高温区边缘到喷嘴的距离( x 2 ) 、高温区平均温度 ( x 3 ) 、高温区面积( “) 、高温区边界长度( x 5 ) 、温度分布方差( x 6 ) 成正比。 借助于多变量回归法，得到如下的多元方程： y = 4 3 3 0 5 3 + 2 8 7 3 4 6 x x l + 7 5 6 7 9 9 x 1 0 2 而+ 1 0 1 8 4 9 x x 3 + 1 5 6 8 9 6 1 0 q x 4 - i - 5 1 3 4 8 4 x 1 0 4x x 5 + 8 9 8 7 1l x l 0 刁讫 ( 1 3 ) 这样便可清晰地了解n o x 含量与火焰特征量之间数量关系，可以找到降低 n o x 排放量的有效措施。 广东台山发电厂的黄思林和浙江大学的王飞【4 6 1 等提出了基于图像处理的炉膛 出口n o x 生成量的函数式： 【n o x = f ( a v e r t e m p ，m a x t e m p ，d e l t a ， d 2 】，l e n g t h ，i v ， 】) ( 1 - 4 ) 其中，a v e r t e m p 为炉膛的平均温度，m a x t e m p 为炉膛内的最高温度，d e l t a 为 炉膛内温度分布方差，【q 】为炉膛出口氧的浓度，l e n g t h 为煤粉末然区长度， 明， 】分别为煤中挥发分和n 的含量。 浙江大学白卫东博士【4 7 】使用图像处理技术和辐射传递方程反演测量，得到炉膛 温度场变量，将锅炉运行参数和温度场变量构建成一个输入数据矩阵，利用偏最小 二乘法对锅炉运行过程中的氮氧化物排放值进行估计，来实现在线实时预测污染物 的排放量。 但目前高温低氧燃烧技术下的n o x 排放量研究仅限于数值模拟的方法，仅限于 采用c f d ( 计算流体力学) 软件，比如： 基于火焰图像辨识的高温低氧燃烧稳定性与n 0 x 排放预测 a 采用k 吨模型描述高温低氧燃烧炉的湍流流动【4 钔。 连续性方程和动量方程 譬+ v ( p u ) = 0 ( 1 5 ) 警冉( 圆卟v v u ) = - v p + v 协( v 盯】+ b ( 1 - 6 ) 其中，p 为流体平均密度；u = ( “，1 ，们为流体的平均速度；p 为压力；r 为时间；吻 为有效黏度；b 为体积力。 湍动能k 和湍动能耗散率占的输运方程如下： o _ ( p - k ) + v ( p v k ) 一v ( + e r - r ) v k ：p + g p 占 ( 1 7 ) 研 c r k 掣+v(肚h(所-)vk】=q缸+g3咧g，o)】一gp等(1-ot t c 8 ) a k 式中，尸为剪切应力产生项；g 为体积力产生项；c r k ，o r ，q ，c 2 和g 3 均为 常数。 b 采用e b u a r r h e n i u s 模型描述湍流燃烧 赵坚行经过多年的研究提出了e b u a r r h e n i u s 模型 4 9 】。并利用此模型预估环形 燃烧室n o x 浓度分布以及进口混气余气系数对n o x 浓度分布的影响和加力燃烧室 尾喷口n o x 浓度分布的影响，计算结果表明所得n o x 浓度变化规律合理，且与实 际吻合良好，此模型目前在工程问题上应用较多。但这种模型无法模拟有限反应率， 其计算精度不够理想，需进一步加以改进。 c n 0 2 生成计算模型 日本丰桥大学【5 1 1 在试验研究的基础上得出燃料型n o x 的转化率c r 和燃料中含氮 量n ( 干基) 、挥发分含量v ( 干基) 、过量空气系数0 c 、燃烧时的最高温度t m a x ( o c ) 和燃 烧时氧的浓度r 0 2 的经验公式： 傩= 4 0 7 x 1 0 a - 1 2 8 x 1 0 1n + 3 3 4 x 1 0 4 v 2 一1 ) + 5 5 5 x 1 0 4 乙+ 3 5 x 1 0 。r 0 2 ( 1 9 ) d 简化的s o l o m o n 热解模型 简化的s o l o m o n 热解氮释放模型【5 1 】，是在假设h c n 的释放是一个与其他组分释 放无关的独立过程。在不考虑焦油中氮的释放，只考虑原煤中氮的释放和焦炭异相 反应中的氮的释放，所得的简化模型如下： g ：毋le x p ( 一孕) + 尾乒氐2exp(fllma一争, ke x p (exp(1-10)g =毋， 一等卜尾乒氐z一挚k上七 第一章绪论 w = ( g _ + i g c f ) ( 1 - 11 ) 其中，g 为挥发分中氮的释放速率；巩。，瓦。和吼：，风：分别为挥发分中氮