專利名稱：測(cè)量燃燒過(guò)程廢氣流中的氣體流率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量工業(yè)廢煙氣中氣體流率的方法，例如燃燒爐(如熔玻璃燃燒爐)中的廢煙氣。本發(fā)明特別涉及一種測(cè)量燃燒過(guò)程所產(chǎn)生的廢煙氣中氣體流率的方法。
為了對(duì)空氣排放進(jìn)行監(jiān)視，環(huán)境管理機(jī)構(gòu)經(jīng)常需要測(cè)量煙氣流量。隨著人們對(duì)工業(yè)過(guò)程空氣排放所引起的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越關(guān)心，強(qiáng)烈需要確切知道排放到大氣中的某種氣體的量。這些氣體中，NOX(如NO和NO2)和SOX(如SO2和SO3)是人們最關(guān)心的，因?yàn)樗鼈儗?duì)光化學(xué)空氣污染和酸雨起了一定作用，很多國(guó)家已經(jīng)嚴(yán)格限制這些氣體排入環(huán)境的量。
為了執(zhí)行這些空氣排放限制，環(huán)境管理機(jī)構(gòu)需要常常(若不是連續(xù))測(cè)量某種受管制氣體的空氣排放量。為此，必須在氣源(例如廢煙氣中)處采樣，測(cè)量這些氣體的濃度，同時(shí)測(cè)量與氣體采樣同一位置的煙氣流量。各種的流量測(cè)量和廢煙氣采樣方法是已知的且在文獻(xiàn)也有所報(bào)道，例如參見(jiàn)Industrial Ventilation，20thEdition，1988，Ch.9，9-1至9-28頁(yè)，方法1-穩(wěn)定氣源的采樣和速度橫向分布，NSPS檢測(cè)方法，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署，技術(shù)支持部，OAQPS，排放測(cè)量技術(shù)信息中心，技術(shù)公文，EMTIC TM-001，December 15，1988，以及其中的參考文獻(xiàn)；方法1A-小型煙道和風(fēng)道的穩(wěn)定氣源的采樣和速度橫向分布，NSPS檢測(cè)方法，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署，技術(shù)支持部，OAQPS，排放測(cè)量技術(shù)信息中心，技術(shù)公文，EMTIC TM-001A，F(xiàn)ebruary 14，1989，以及其中的參考文獻(xiàn)。方法2-煙氣速度和體積流率的測(cè)定方法(S型皮托管)，NSPS檢測(cè)方法，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署，技術(shù)支持部，OAQPS，排放測(cè)量技術(shù)信息中心，技術(shù)公文，EMTIC TM-002，F(xiàn)ebruary 3，1989，以及其中的參考文獻(xiàn)；工廠管理者對(duì)空氣排放的保證，AmericanGlass Review，7-9頁(yè)，November，1992。
正如上述出版物中的詳述，一般來(lái)說(shuō)，欲測(cè)量流率的采樣點(diǎn)是按下面的原則選定的，在管式風(fēng)道或煙道的情況下，采樣點(diǎn)在由煙道的任何彎頭、擴(kuò)大或縮小部分引起的任何流體擾動(dòng)的上游至少8倍煙道或風(fēng)道直徑和下游2倍直徑處。在矩形煙道或風(fēng)道的情況下，采樣點(diǎn)必須距任何流體擾動(dòng)有一定的距離，該距離按下式定義為DD＝2LW/(L＝W)其中L和W為煙道或風(fēng)道的橫截面尺寸。
在選定采樣點(diǎn)后，為確定在此采樣位置的氣體速度分布，需在煙道或風(fēng)道的橫截面的不同點(diǎn)進(jìn)行8到12個(gè)點(diǎn)的氣速測(cè)量。用一個(gè)定向探測(cè)裝置或皮托管裝置測(cè)得的差壓可確定氣體速度。當(dāng)差壓等于或大于0.05英寸H2O柱時(shí)，可用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓計(jì)或等效裝置來(lái)測(cè)量差壓。對(duì)于較低的氣速，當(dāng)差壓小于0.05英寸H2O柱時(shí)，必須用經(jīng)管理人員批準(zhǔn)的更靈敏的差壓儀。
通常濃度的測(cè)量是直接進(jìn)行的，但流量的測(cè)量則不是直接進(jìn)行。這是因?yàn)橐话銣y(cè)量所用的氣體分析儀是以干氣為基礎(chǔ)測(cè)量某種受管制氣體的濃度(從氣樣中脫除濕氣)，而傳統(tǒng)的氣體流量測(cè)量則是以濕氣為基礎(chǔ)(有濕氣存在)。
在大多數(shù)情況中，煙氣中的含濕量相當(dāng)可觀，可高達(dá)10-30％(體積)。為計(jì)算排放到大氣中的某種氣體量，氣體流量測(cè)量必須校正成表示有類似在分析中存在的含濕量的有效氣體流量。此外，目前工業(yè)煙氣所用的流量測(cè)量法如皮托管法或熱導(dǎo)率法，實(shí)際測(cè)量的是表觀氣速，而不是體積流量，為計(jì)算總體積流率，因此都需要確定橫跨煙道直徑的氣速分布，為達(dá)到此目的，必須在距任何幾何變化幾倍直徑處的煙道或風(fēng)道直段內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，這些幾何變化可能會(huì)引起湍流或非均勻氣速分布，然后才可能由速度分布和煙道橫截面積計(jì)算總氣流量。
由于該要求，大部分空氣排放測(cè)量必須在很不方便的位置進(jìn)行，例如在大型工業(yè)煙道的中段進(jìn)行。除了煙道或風(fēng)道幾何形狀的要求外，還有最小氣速的限制。這種限制的實(shí)際值是由相應(yīng)的環(huán)境管理?xiàng)l例來(lái)確定，但一般該限值定在約每秒幾英尺，但在實(shí)際情況中不可能總能達(dá)到該最小氣速限值。
一個(gè)值得注意的實(shí)例是燃燒爐如熔玻璃爐已由空氣燃燒型變成氧氣燃燒型的情況。由于燃料費(fèi)用較高，且可接受的空氣排放特別是NOX的排放限制較低，推動(dòng)了越來(lái)越多采用燃燒過(guò)程的工廠由空氣-燃料型變?yōu)?00％氧氣-燃料型燃燒，因而急劇降低了燃燒室內(nèi)的含氮量，同時(shí)達(dá)到提高燃料效率和降低NOX的目的。在這種轉(zhuǎn)變型的過(guò)程中，空氣排放的體積也降低，使得氣速限值降低至用傳統(tǒng)方法進(jìn)行煙道氣流量測(cè)量的可接受量以下，因而很難確定排放是否在環(huán)境法的允許范圍內(nèi)，使得環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)不能充分執(zhí)行空氣排放管理。唯一的替代方法是以若干工藝參數(shù)為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)煙氣流量，由這種計(jì)算估計(jì)流率。
目前常用的方法如在上面提到的文獻(xiàn)中所述的皮托管裝置和質(zhì)量流量裝置中存在的最主要問(wèn)題是，這些方法都是直接確定氣速而不是體積流量。這樣為確定體積流量，就需要確定煙道、風(fēng)道或其它采樣位置的橫向氣速分布。這就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，并且在采樣位置和氣速范圍上限制了早先的技術(shù)。在早先的技術(shù)中為了更好地確定氣速分布，需要橫跨煙道或風(fēng)道的直徑或?qū)挾冗M(jìn)行若干點(diǎn)測(cè)量。橫截面積越大則所需的橫向采樣點(diǎn)越多。在有些情況下，需高達(dá)20至40個(gè)測(cè)量點(diǎn)來(lái)確定一個(gè)體積流量，如上述IndustrialVentilation參考文獻(xiàn)9、4、9節(jié)所指出的情況。
先有技術(shù)方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是很容易受到顆粒沉積和腐蝕的影響。很臟和/或腐蝕性氣氛的情況會(huì)使這些方法更多地產(chǎn)生誤差，如一般在工業(yè)煙道中常見(jiàn)的情況。在皮托管法的情況中，測(cè)量壓降的小孔甚至被部分堵塞，由于一般所測(cè)的壓降很低，因而會(huì)大大影響所測(cè)的氣速。在質(zhì)量流速測(cè)量中，任何顆粒沉積或與表面氧化物生成有關(guān)的腐蝕也會(huì)導(dǎo)致由傳感器的熱位差數(shù)據(jù)整理氣速時(shí)產(chǎn)生較大的誤差。
Industrial Ventilation，20th Edition，1988 Ch.9，§9.4.9中披露了測(cè)量空氣流量的另一種方法，所披露的方法包括連續(xù)測(cè)量與進(jìn)入的空氣流一起通入一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口(通風(fēng)櫥或風(fēng)道口)的示蹤氣體。在完全混合且系統(tǒng)建立平衡后，在下游某一點(diǎn)收集氣樣-通常是在或靠近流出點(diǎn)外-并且確定出口氣流中示蹤氣體的濃度。由出口記錄的稀度和進(jìn)料氣體濃度很容易計(jì)算空氣流率(空氣流率等于進(jìn)料速率除以示蹤氣濃度)。按下列條件選擇所披露的示蹤氣體；(1)容易收集和分析，(2)在所研究的過(guò)程中不是天然存在的，(3)在風(fēng)道系統(tǒng)中不會(huì)化學(xué)或物理吸收，(4)與氣流的其它組分不反應(yīng)，以及(5)無(wú)毒或無(wú)爆炸性。用示蹤氣測(cè)量來(lái)確定流量的傳統(tǒng)方法對(duì)于長(zhǎng)期或連續(xù)進(jìn)行的大工業(yè)流率測(cè)量是不可行的，如工業(yè)煙道氣測(cè)量的情況。
因此，在本領(lǐng)域還需要一種測(cè)量廢煙氣中氣體流率的方法，該方法不受湍流和濕氣的影響，并可在較寬的氣速范圍內(nèi)測(cè)量氣體流量，包括很低的速度時(shí)。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種測(cè)量工業(yè)過(guò)程廢氣流量的方法，該方法不要求所測(cè)的流動(dòng)是無(wú)湍動(dòng)的。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種如上所述的方法該方法不需要對(duì)廢氣中的濕氣量進(jìn)行校正。
本發(fā)明第三個(gè)目的是提供一個(gè)如上所述的方法，該方法可在較寬的氣體流速范圍內(nèi)應(yīng)用。
本發(fā)明第四個(gè)目的是提供一個(gè)方法，其中測(cè)量廢氣中某種氣體的排放速率的方法是測(cè)量一種天然存在于該方法中的氣體的稀度。
本發(fā)明第五個(gè)目的是提供一個(gè)測(cè)量氣流速率的方法，該方法不需要在廢氣中另外通入一種氣體。
用一種確定氣體流量的方法可達(dá)到這些目的，該方法是將一種已存在(換句話說(shuō)是天然存在)于廢氣中的示蹤氣用于流量測(cè)量。當(dāng)示蹤氣最好是燃燒過(guò)程所用氣體的一種天然存在組分時(shí)，它存在于燃燒爐廢氣流的上游。盡管示蹤氣在進(jìn)爐氣中已經(jīng)存在，但如果優(yōu)選可另外再通入一定的補(bǔ)充量。在進(jìn)入廢氣流前的一點(diǎn)和廢氣流中同時(shí)測(cè)量示蹤氣濃度，然后根據(jù)物料衡算，將兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的濃度比乘以進(jìn)入爐子的氣體(含有所考慮的天然存在的示蹤氣體)流率。然后可以測(cè)量廢氣流中某種其它任何氣體濃度，將所測(cè)得的某種氣體濃度乘以廢氣流率的計(jì)算值，得到該某種氣體的流率。這些數(shù)據(jù)可提供某種具體氣體的排放速率。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明方法可用于使用天然氣，以氦作為示蹤氣，因?yàn)楹ぬ烊淮嬖谟谔烊粴庵?，或者使用含氬氣的氧氣或富氧空氣的燃燒過(guò)程。本發(fā)明方法最好用來(lái)確定這種燃燒過(guò)程廢氣流中不希望的某種氣體(如NOX和SOX氣體)的流率以及排放速率。
所繪的一張附示一個(gè)使用本發(fā)明方法的氧燃燒型爐優(yōu)選實(shí)施方案的詳述在本發(fā)明方法中，測(cè)量一種示蹤氣并且通過(guò)測(cè)量它的濃度來(lái)確定在氣流某一點(diǎn)的稀度。示蹤氣是一種新型惰性氣體，包含在燃燒過(guò)程所用的氣體中，因此通常不需要加入系統(tǒng)中，但若需要更多量的示蹤氣，也可加入一定的補(bǔ)充量。
不象先有技術(shù)方法是直接測(cè)量氣速，本發(fā)明方法與氣速無(wú)關(guān)，所以沒(méi)有均勻氣速分布要求。因此可在沿流動(dòng)通道的任何位置并在任何氣速情況下進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)爐子操作由燃燒空氣轉(zhuǎn)變成燃燒氧氣時(shí)，使得排放至大氣中的廢氣流率急劇降低時(shí)，這一方法在燃燒工業(yè)中特別重要。
此外，在本發(fā)明方法中，任何腐蝕現(xiàn)象或采樣探頭部分堵塞現(xiàn)象都不會(huì)影響示蹤氣濃度。僅僅改變流向分析儀的氣樣流量。因此本發(fā)明方法更適合于帶有較多顆粒、腐蝕性氣體，如工業(yè)煙氣中常見(jiàn)的情況。
進(jìn)一步，假定所涉及的流率大小為100′S scfm(標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/秒)至100,000′s scfm，考慮到示蹤氣在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量值必須至少在10ppm，才能用易買到、便宜的儀器得到精確值，所需的示蹤氣用量可能相當(dāng)可觀。若示蹤氣已經(jīng)存在于廢氣中，則所需的示蹤氣用量甚至更高。例如，對(duì)于10,000scfm的廢氣流量來(lái)說(shuō)，為使廢氣中的示蹤氣濃度為100ppm，就需要近1500scf/天的示蹤氣。這樣大的示蹤氣流率使得這樣一種方法的實(shí)施過(guò)程很難用于實(shí)施連續(xù)或長(zhǎng)期測(cè)量，如環(huán)境管理經(jīng)常要求的情況。
所選用的示蹤氣機(jī)應(yīng)使其既不被消耗也不會(huì)生成，它在廢氣流中被稀化，由稀度可直接確定在某一采樣點(diǎn)處的氣體流量。由已知的進(jìn)入過(guò)程的示蹤氣實(shí)際流量和示蹤氣在欲測(cè)氣流量的某點(diǎn)處的濃度很容易確定稀度。數(shù)學(xué)上可以表示為如下的簡(jiǎn)單質(zhì)量平衡〔TG〕out*Fout＝〔TG〕in*Fin其中〔TG〕in和〔TG〕out分別是示蹤氣進(jìn)入和流出過(guò)程的濃度，F(xiàn)in是示蹤氣進(jìn)入過(guò)程的相應(yīng)流量，而Fout則是流出過(guò)程的總流量，F(xiàn)out是環(huán)境機(jī)構(gòu)需要知道的總廢氣的相應(yīng)氣體流量。
然后測(cè)量廢氣流中某種具體氣體濃度，并將測(cè)得的某種氣體濃度乘以總廢氣流率，由此可確定廢氣中某種具體氣體的流率。該氣體通常是EPA監(jiān)測(cè)的一種氣體，如NOX和SOX。因此本發(fā)明方法可以監(jiān)測(cè)流量，從而監(jiān)測(cè)經(jīng)由廢氣被排放的某種氣體的量，由此可對(duì)燃燒過(guò)程相應(yīng)的進(jìn)行調(diào)整。
這種確定氣體流量的方法對(duì)煙道的幾何形狀沒(méi)有約束和對(duì)采樣位置沒(méi)有要求。另外更重要的是對(duì)氣速范圍沒(méi)有要求。最后，由于它是基于提取“氣體分析方法(僅分析某種被管制的氣體)，流量和某種氣體濃度數(shù)據(jù)都是以同樣的濕氣為基準(zhǔn)，不需要對(duì)濕氣進(jìn)行額外校正來(lái)計(jì)算由煙氣排出的某種受管制氣體的量。
在稀度法中唯一的要求是保持示蹤氣本身的質(zhì)量平衡。在像燃燒這樣劇烈反應(yīng)條件中，該示蹤氣必須是極端惰性的。在這種情況下，稀有氣體是很適宜的，特別是氦氣和氬氣，因?yàn)榕c其它稀有氣體相比費(fèi)用相對(duì)較低且易得。也可用其它氣體，只要它們有適當(dāng)?shù)亩栊?。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易選擇適合某一特定過(guò)程的示蹤氣，但最優(yōu)選氦氣和氬氣。
其它可用的示蹤氣是其它稀有氣體如氪氣，氙氣和氖氣。但使用這些氣體的費(fèi)用和可得性限制了它們實(shí)際用于低流量系統(tǒng)。CO2是一個(gè)相當(dāng)惰性的氣體，在某些應(yīng)用過(guò)程中同樣可以是一個(gè)適宜的示蹤氣體。原則上，只要不干擾系統(tǒng)并且在過(guò)程中不會(huì)被消耗或生成，任何氣體都可使用。一個(gè)了解指定過(guò)程工藝的普通技術(shù)人員都可以確定一種適宜用于測(cè)定流量的示蹤氣體，要根據(jù)所研究的過(guò)程來(lái)確定。
另外，這些惰性氣體不能干擾或改變過(guò)程操作。在本發(fā)明方法中，示蹤氣已經(jīng)存在，且任選斟酌加入更多的量。至于分析手段，則可用目前市場(chǎng)上已有的許多適用分析儀來(lái)測(cè)量這些氣體的濃度。這樣的分析儀的例子是氣相色譜和質(zhì)譜儀。優(yōu)選的質(zhì)譜儀是稱為剩余氣體分析儀的質(zhì)譜儀，帶有常壓采樣裝置。在用氦氣作為示蹤氣體的特定情況中，優(yōu)選的分析儀是一個(gè)氦探漏儀，與一個(gè)常壓采樣裝置一起使用。
在燃燒過(guò)程中，很常見(jiàn)的是使用一種燃料或燃燒氣，其中含有一種適用于本發(fā)明的示蹤氣。例如在以天然氣燃燒操作的爐子中，存在一種適宜的示蹤氣是天然氣本身中的氦氣。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)天然氣地區(qū)來(lái)源，含氦氣量可從幾百到幾千ppm變化，足夠用作示蹤氣。在這種情況下，只需監(jiān)測(cè)天然氣流率和使用許多目前市售類型分析儀測(cè)量天然氣中的氦氣量。但是若需要的話，可以任選加入氦氣補(bǔ)充已存在的量。
在氧燃燒型過(guò)程中可得到的一種適宜示蹤氣是氬氣，它通常是供氧源中存在的一種雜質(zhì)。氬氣濃度可由千ppm到百分之幾變化，例如可高達(dá)5％(體積)，這取決于制氧氣方法。例如，可用低溫與氮?dú)夥蛛x(空氣分離法)來(lái)得到氧氣，也可用一個(gè)氧氣壓力擺動(dòng)吸收系統(tǒng)(O2PSA)或一個(gè)O2VSA(真空擺動(dòng)吸收系統(tǒng))來(lái)得到氧氣，當(dāng)采用VSA或PSA工藝時(shí)，所提供的氧氣中通常含5％體積的氬氣。
與天然氣中含有氦氣的情況類似，監(jiān)測(cè)氧氣中的氬氣濃度和進(jìn)爐氣總流率，由此可計(jì)算廢氣流率。但是在過(guò)程中由于引入空氣而帶入的氬氣組成必須計(jì)入?？諝庵幸话愫?.93％的氬氣，與氧氣本身中的氬氣相比，可以是很多也可以不太多。
在另外一些應(yīng)有過(guò)程如空氣燃燒型過(guò)程中，第三種示蹤氣可能來(lái)源是空氣本身存在的氬氣(一般同樣是0.93％)。在這種情況中，必須知道進(jìn)入過(guò)程的空氣總流量。在某些過(guò)程中空氣流量可以準(zhǔn)確確定，而大部分情況是未知的，因此本發(fā)明的這種實(shí)施方案在應(yīng)用中受到限制。
不管是用氦氣還是氬氣作為本底氣源，都可以補(bǔ)充所需的量來(lái)保證用本方法準(zhǔn)確測(cè)量。在該情況中，需要另外補(bǔ)加氦氣或氬氣來(lái)補(bǔ)充本底氣源中的量。最好是以大大超過(guò)本底的量加入氦氣和氬氣，并將本底含量看成一個(gè)常數(shù)。最好是直接測(cè)量本底氣源，并將進(jìn)入過(guò)程的示蹤氣本底量加在組成中。
附圖
示出一個(gè)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案，其中以天然氣和純氧氣進(jìn)行操作的燃燒爐一般用數(shù)字10表示。爐10的操作條件是天然氣與氧氣之比為1∶2，沿爐腔14周邊布置的燃燒噴嘴12所燃燒的天然氣總流率為15,000scfh(標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時(shí))，得到的煙氣流進(jìn)煙道18的煙道口16，在此處用空氣將其稀釋。除了物料加熱時(shí)通常有外加氣體從過(guò)程中排出這一點(diǎn)外，這是一個(gè)典型的燃燒爐排布方法。
煙道18中總氣流量由示蹤氦氣來(lái)測(cè)定。這需要確定進(jìn)入爐子的氦氣量和煙道中氦氣濃度。在這種情況中，在20處監(jiān)測(cè)天然氣中的氦氣濃度并與煙道18中的濃度比較。
在煙氣中含過(guò)量水蒸汽(即高于環(huán)境露點(diǎn))的情況下，許多分析儀器(用于示蹤氣和污染氣測(cè)量)需要脫除樣氣中低于露點(diǎn)的水，避免水在儀器中冷凝。一般來(lái)說(shuō)，是用一個(gè)保持在環(huán)境溫度以下的水收集裝置來(lái)進(jìn)行這一步驟，該裝置沿氣體采樣線放置，最好是靠近采樣位置。在高顆粒程度的情況中，也可用一個(gè)氣體過(guò)濾器來(lái)防止這些顆粒到達(dá)這些儀器，從而影響它的操作。更進(jìn)一步，當(dāng)應(yīng)用于煙氣中含腐蝕性組分的過(guò)程時(shí)，通常最好是用于惰性氣定期清洗分析儀器，使得儀器本身的這種腐蝕降至最小，維持其最佳操作狀態(tài)，并可以檢查儀器的零讀數(shù)。所有這些樣氣處理、儀器清掃和校準(zhǔn)問(wèn)題都是目前提取、煙氣樣氣方法中所用的現(xiàn)成方法，針對(duì)特定的應(yīng)用過(guò)程任何本專業(yè)技術(shù)人員都可以適當(dāng)方式配置這種儀器。在所提出的低速測(cè)量法中，特別有利的是分成下面兩部分示蹤氣分析儀的氣體處理設(shè)備和用于測(cè)量污染氣和其它惰性氣體所用的分析儀，不過(guò)也不是必須要求這樣。樣氣也可用于儀器校準(zhǔn)。
由于天然氣流量已知(15000scfh)，則進(jìn)入爐子的氦氣體積就是天然氣流率乘以天然氣中的氦氣濃度。該乘積除以煙氣中的氦氣濃度直接得到煙氣流量。這需要假定氧氣中基本無(wú)氦氣量，在大部分情況中這種假定常常是正確的，對(duì)于空氣的情況也是正確的。若氧氣中存在氦氣，則其組成也需要測(cè)量。
為測(cè)量?jī)煞N氣源(天然氣和煙氣)中的氦氣，可各自使用一個(gè)分析儀，或者最好使用一個(gè)自動(dòng)交替采樣的分析儀。后一種排布方式不僅節(jié)省了儀器費(fèi)用，而且對(duì)兩種氣體產(chǎn)生同樣的儀器靈敏度響應(yīng)。與使用二個(gè)分析儀相比，這也使得校正長(zhǎng)期靈敏度漂移所產(chǎn)生的誤差減少。
總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的方法可提供比現(xiàn)有技術(shù)方法更寬的氣速測(cè)量范圍，并且無(wú)采樣位置要求。也可在與提取樣氣進(jìn)行操作的其它所需煙氣分析過(guò)程同一含濕量基礎(chǔ)上測(cè)量流率。這也可以消除根據(jù)估算的水量修正氣體流量測(cè)量使其中的含濕量與氣體分析中的相同而帶來(lái)的誤差。
在本發(fā)明方法中，所用的示蹤氣是原本作為剩余氣或雜質(zhì)存在于燃燒體系氣體中，這避免了先有技術(shù)必須向氣流中完全通入示蹤氣的缺點(diǎn)。例如，在大工業(yè)體系氣流如100,000scfm氣流中，一般所需外加氣體(示蹤氣)量相當(dāng)大，例如為100scfm。對(duì)于這種大流量體系中的連續(xù)分析體系來(lái)說(shuō)，其示蹤氣的消耗是很可觀費(fèi)用也很高。由于還需要有單獨(dú)的示蹤氣貯存設(shè)備、管道、控制系統(tǒng)，因而也不太實(shí)用。本發(fā)明方法有效地避免了這些問(wèn)題。
為了進(jìn)一步地說(shuō)明本發(fā)明及它的優(yōu)越性，下面列出幾個(gè)具體的實(shí)施例，顯然這些實(shí)施例僅用來(lái)說(shuō)明但并不限制本發(fā)明。
實(shí)施例1用附圖中所圖示的設(shè)備測(cè)得的天然氣中氦氣量為400ppm且煙氣中的氦氣量為100ppm。計(jì)算出的煙氣流量為15,000scfh(400ppm/100ppm)或60,000scfh。假定空氣中的氦氣組成不大，約含有5.2ppm氦氣。由于在煙氣中探測(cè)的氦氣濃度為100ppm，則來(lái)自空氣的氦氣的組成也不過(guò)是45,000scfh的空氣。這表示僅有4％的氦氣組成來(lái)自空氣。另外在本實(shí)施例中，因?yàn)槭窃诿撍蟮臒煔庵袦y(cè)氦氣，因此由氦氣分析確定的流量與氦氣分析過(guò)程的濕基相同。其優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)流量測(cè)量過(guò)程與氣體分析時(shí)的不同濕氣含量進(jìn)行校正，以便確定排放到大氣中某種特定氣體的量。
為進(jìn)一步檢驗(yàn)該方法，若需要的話，往往可向過(guò)程中加入更多的氦氣，測(cè)量煙氣中的氦氣增加量。在這種情況中，將通入的氦氣濃度除以氦氣濃度的變化可確定煙氣流量。例如在此種情況中，假定向爐入通入6scfh氦氣，煙氣中探測(cè)的氦氣增加了100ppm，那么煙氣流量為6scfh(100％)/100ppm He或?qū)懗?0,000scfh，此時(shí)必須用絕對(duì)(不是相對(duì))氦氣濃度。這種重復(fù)測(cè)量可用于檢驗(yàn)所用的天然氣流率并且假定過(guò)程中無(wú)其它氦氣源。
實(shí)施例2重復(fù)實(shí)施例1，只是用氬氣取代氦氣作為示蹤氣。按照氧氣的制備方法和后提純方法，其中可含有高達(dá)百分之幾的氬氣。若氧氣中存在5％的氬氣而煙氣中探測(cè)的氬氣量為2.5％，那么煙氣流量則為30,000scfh(5％/2.5％)或60,000scfh，假定不包含其它氬氣源?？偟膩?lái)說(shuō)，天然氣中的氬氣含量達(dá)不到百分之幾，而空氣中的含量卻可達(dá)到(即0.93％)。因此，來(lái)自空氣的氬氣組成是很可觀的。在一種最差的情況中，當(dāng)煙氣中的稀釋氣全部來(lái)自空氣時(shí)，來(lái)自空氣的氬氣組成是來(lái)自氧氣的氬氣組成的28％，因此來(lái)自空氣的氬氣在計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)計(jì)入。若測(cè)得進(jìn)入煙氣的空氣稀釋氣流是45,000scfh，那么煙氣流量的計(jì)算值就變成30,00scfh0(5％、2.5％)+45,000scfh(0.93％/2.5％)或?qū)懗?6,740scfh。同樣，若不能確定氬氣源的總量，那么就需要另外向過(guò)程中通入氬氣并測(cè)量濃度變化，如同前面使用氦氣時(shí)所指出的方法，或者可使用一種完全不同的示蹤氣體。
上述實(shí)施例1和2說(shuō)明可由示蹤氣的稀度來(lái)確定煙氣流量，甚至包括一般生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的高流率情況。這些實(shí)施例也示出了本發(fā)明方法怎樣將氦氣和氬氣用于一個(gè)燃燒爐應(yīng)用過(guò)程中，不過(guò)本方法不局限于燃燒應(yīng)用過(guò)程也不是只能用稀有氣體。作為另一個(gè)示蹤氣的實(shí)例，可以用來(lái)自各種含碳燃料燃燒過(guò)程的CO2，只要是完全燃燒，或是已知燃燒程度，并且在過(guò)程中沒(méi)有另外生成或消耗CO2。
實(shí)施例3以純氧和天然氣操作的1.6MMBTU燃燒爐中測(cè)量流量。在這種情況中，測(cè)量天然氣燃料中的氦氣和廢爐氣處的氦氣可確定流量。下面的表1總結(jié)了這些測(cè)量結(jié)果。所測(cè)得的天然氣流量為1657scfh，在此次檢測(cè)中探測(cè)的氦氣濃度為400ppm。對(duì)廢氣處的氦氣濃度進(jìn)行三次測(cè)量，得出的廢氣流率范圍從1788至1862scfh(±2％中值)。
實(shí)施例4實(shí)施例3進(jìn)行的流量測(cè)量中，需要準(zhǔn)確知道天然氣流率。當(dāng)流率不能準(zhǔn)確知道或進(jìn)入爐子的所有氦氣源未知時(shí)，可向爐內(nèi)加入已知量的氦氣，通過(guò)測(cè)量所探測(cè)的氦氣濃度差，可以確定廢氣流量。這些數(shù)據(jù)示于表2，是用與實(shí)施例3相同的爐子在同樣條件下操作。表2中，由通入氦氣確定的流率范圍從1758至1817scfh(±1.6％中值)。兩組數(shù)據(jù)中平均結(jié)果的差值在2％內(nèi)，與傳統(tǒng)皮托管法和熱傳導(dǎo)率測(cè)量法相比，可看出本方法有極好的精度。
表1用天然氣中的氦氣測(cè)量的廢氣流量數(shù)據(jù)總結(jié)
測(cè)量的平均流量1824 scfh表2用外加氦氣法測(cè)得的廢氣流量數(shù)據(jù)總結(jié)
測(cè)量的平均流量1794 scfh實(shí)施例5通過(guò)測(cè)量廢氣中的CO2濃度并驗(yàn)證CO組成可忽略不計(jì)，根據(jù)廢氣中的CO2和進(jìn)入爐中的天然氣量計(jì)算廢氣流量，因?yàn)闆](méi)有CO表示燃燒過(guò)程完全。例如，在廢氣中探測(cè)到92.0％的CO2情況時(shí)，因天然氣含95％CH4，2.5％C2H6，0.4％C4H8，1.7％N2和0.7％CO2，因此每消耗1ft3天然氣，應(yīng)生成1.02ft3CO2。天然氣流量為1657scfh時(shí)，應(yīng)有1690scfh CO2生成。(由于存在百分之幾的過(guò)量O2和一些稀釋空氣，實(shí)際廢氣流量應(yīng)大于此值)。
鑒于廢氣中測(cè)得的CO2濃度為92％，則廢氣流量是1836scfh，在表1和表2得到的平均值的2％范圍內(nèi)。盡管上述計(jì)算結(jié)果對(duì)所述實(shí)施例來(lái)說(shuō)是正確的，但對(duì)于大多數(shù)工業(yè)燃燒過(guò)程一般是不正確的，因?yàn)楦鄷r(shí)候被加熱的物料會(huì)產(chǎn)生較大量的CO2。
在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本發(fā)明的各種調(diào)整和替代對(duì)于從事本專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，而且很明顯本發(fā)明并不局限于上面所例示的實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量燃燒過(guò)程廢氣流中的某種氣體流率方法，包括以下幾步(a)選擇一種存在于燃燒過(guò)程廢氣流上游的示蹤氣，示蹤氣是一種本身存在于至少一種燃燒過(guò)程所用氣體中的氣體；(b)在示蹤氣進(jìn)入廢氣流之前的第一點(diǎn)處測(cè)量其濃度；(c)在所述廢氣流中的第二點(diǎn)處測(cè)量示蹤氣濃度；(d)比較第一點(diǎn)和第二點(diǎn)處的示蹤氣濃度，并由物料衡算計(jì)算廢氣流流量；(e)在廢氣流率與第二點(diǎn)處的廢氣流率基本相同的位置測(cè)量廢氣流中某種氣體的濃度；并且(f)用所測(cè)得的該某種氣體濃度和(d)中計(jì)算的流量確定該某種氣體的流率。
2.按權(quán)利要求1的方法，其中的示蹤氣相對(duì)于廢氣是惰性的。
3.按權(quán)利要求1的方法，其中的示蹤氣在燃燒爐中既不會(huì)消耗也不會(huì)生成。
4.按權(quán)利要求1的方法，其中示蹤氣選自氦氣、氬氣、氙氣和二氧化碳。
5.按權(quán)利要求4的方法，其中示蹤氣包括氦氣或氬氣。
6.按權(quán)利要求1的方法，其中某種氣體是NOX或SOX。
7.按權(quán)利要求1的方法，其中將補(bǔ)充量的示蹤氣通入體系中。
8.按權(quán)利要求1的方法，其中在第一點(diǎn)和第二點(diǎn)各用一個(gè)氣體分析儀測(cè)量示蹤氣。
9.按權(quán)利要求1的方法，其中用一個(gè)氣體分析儀測(cè)量第一和第二點(diǎn)示蹤氣，是以交替方式由所述第一和第二點(diǎn)收集氣樣。
10.按權(quán)利要求1的方法，其中廢氣流來(lái)自一個(gè)氧燃燒型爐并且其中的示蹤氣是氬氣。
11.按權(quán)利要求1的方法，其中所述第二點(diǎn)在燃燒腔內(nèi)。
12.按權(quán)利要求10的方法，其中用作示蹤氣的氬氣存在于進(jìn)入爐子的氧氣內(nèi)。
13.按權(quán)利要求10的方法，其中氬氣示蹤氣包括進(jìn)入爐子的氧氣中存在的氬氣和另外加入氧氣中的氬氣。
14.按權(quán)利要求1的方法，其中廢氣流來(lái)一個(gè)天然氣爐，并且其中的示蹤氣是天然氣中存在的氦氣。
15.按權(quán)利要求14的方法，其中所述示蹤氣測(cè)量的第一點(diǎn)包括進(jìn)入爐子的天然氣進(jìn)料。
16.按權(quán)利要求1的方法，其中的廢氣流來(lái)自使用空氣的燃燒爐，且示蹤氣是氬氣。
17.按權(quán)利要求16的方法，其中氬氣示蹤氣是在進(jìn)入爐子的空氣中天然存在的氣體。
18.按權(quán)利要求16的方法，其中氮?dú)馐聚櫄獍ㄟM(jìn)入爐子的空氣中天然存在的氬氣和另外加入空氣中的氬氣。
19.一種由燃燒爐的廢氣流確定排放量的方法，包括以下幾步(a)在燃燒爐廢氣流上游提供一種示蹤氣；(b)測(cè)量在進(jìn)入廢氣流之前第一點(diǎn)處的示蹤氣濃度；(c)測(cè)量廢氣流中第二點(diǎn)處的示蹤氣濃度，該點(diǎn)是廢氣流用空氣稀釋前的某一點(diǎn)；并且(d)比較第一和第二點(diǎn)處示蹤氣濃度并由物料衡算計(jì)算廢氣流流量；并且(e)將某種氣體濃度與所述計(jì)算的流量相比較計(jì)算所述某種氣體的排放量。
20.一種測(cè)量某種氣體流率的方法，該氣體包含在使用天然氣作燃料的燃燒過(guò)程廢氣流中，包括以下幾步(a)在燃燒爐廢氣流上游第一點(diǎn)處測(cè)量氦氣濃度；(b)在廢氣流中第二點(diǎn)處測(cè)量示蹤氣濃度；(c)比較第一和第二點(diǎn)處的氦氣濃度并按照物料衡算計(jì)算廢氣流流量；(d)在廢氣流率與第二點(diǎn)處廢氣流率基本相同的位置測(cè)量廢氣流中某種氣體的濃度；并且(e)將測(cè)得的某種氣濃度乘以(c)中計(jì)算的流量，來(lái)確定某種氣體的流率。
21.按權(quán)利要求20的方法，其中某種氣是NOX或SOX。
22.按權(quán)利要求20的方法，其中向進(jìn)入燃燒過(guò)程的天然氣中注入補(bǔ)充量的氦氣。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種測(cè)定燃燒過(guò)程廢氣流中氣體流率的方法，在燃燒過(guò)程廢氣流上游的一點(diǎn)和廢氣流本身中的一點(diǎn)處測(cè)量一種示蹤氣的量，該示蹤氣原本存在于燃燒過(guò)程所用的一種氣體中，用物料衡算，比較在兩點(diǎn)處的示蹤氣濃度確定流率。采用本發(fā)明方法，根據(jù)所測(cè)的廢氣中某種氣體的濃度確定某種具體氣體在廢氣中的流量/排放量，最優(yōu)選的示蹤氣包括氦氣和氬氣。
文檔編號(hào)G01F1/00GK1153293SQ96107940
公開(kāi)日1997年7月2日 申請(qǐng)日期1996年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月7日
發(fā)明者G·M·朱爾?？?申請(qǐng)人:美國(guó)液體空氣公司