專利名稱：測量燃燒過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)明特別涉及一種測量燃燒過程所產(chǎn)生的廢煙氣中氣體流率的方法。
為了對空氣排放進行監(jiān)視，環(huán)境管理機構(gòu)經(jīng)常需要測量煙氣流量。隨著人們對工業(yè)過程空氣排放所引起的環(huán)境問題越來越關(guān)心，強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，因為它們對光化學(xué)空氣污染和酸雨起了一定作用，很多國家已經(jīng)嚴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)境管理機構(gòu)需要常常(若不是連續(xù))測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，測量這些氣體的濃度，同時測量與氣體采樣同一位置的煙氣流量。各種的流量測量和廢煙氣采樣方法是已知的且在文獻也有所報道，例如參見Industrial Ventilation，20thEdition，1988，Ch.9，9-1至9-28頁，方法1-穩(wěn)定氣源的采樣和速度橫向分布，NSPS檢測方法，美國環(huán)境保護署，技術(shù)支持部，OAQPS，排放測量技術(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；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檢測方法，美國環(huán)境保護署，技術(shù)支持部，OAQPS，排放測量技術(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。方法2-煙氣速度和體積流率的測定方法(S型皮托管)，NSPS檢測方法，美國環(huán)境保護署，技術(shù)支持部，OAQPS，排放測量技術(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；工廠管理者對空氣排放的保證，AmericanGlass Review，7-9頁，November，1992。
正如上述出版物中的詳述，一般來說，欲測量流率的采樣點是按下面的原則選定的，在管式風(fēng)道或煙道的情況下，采樣點在由煙道的任何彎頭、擴大或縮小部分引起的任何流體擾動的上游至少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，采樣點必須距任何流體擾動有一定的距離，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進行8到12個點的氣速測量。用一個定向探測裝置或皮托管裝置測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，可用一個標(biāo)準測壓計或等效裝置來測量差壓。對于較低的氣速，當(dāng)差壓小于0.05英寸H2O柱時，必須用經(jīng)管理人員批準的更靈敏的差壓儀。
通常濃度的測量是直接進行的，但流量的測量則不是直接進行。這是因為一般測量所用的氣體分析儀是以干氣為基礎(chǔ)測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10-30％(體積)。為計算排放到大氣中的某種氣體量，氣體流量測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)煙氣所用的流量測量法如皮托管法或熱導(dǎo)率法，實際測量的是表觀氣速，而不是體積流量，為計算總體積流率，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)進行測量，這些幾何變化可能會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算總氣流量。
由于該要求，大部分空氣排放測量必須在很不方便的位置進行，例如在大型工業(yè)煙道的中段進行。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。這種限制的實際值是由相應(yīng)的環(huán)境管理條例來確定，但一般該限值定在約每秒幾英尺，但在實際情況中不可能總能達到該最小氣速限值。
一個值得注意的實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，推動了越來越多采用燃燒過程的工廠由空氣-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，同時達到提高燃料效率和降低NOX的目的。在這種轉(zhuǎn)變型的過程中，空氣排放的體積也降低，使得氣速限值降低至用傳統(tǒng)方法進行煙道氣流量測量的可接受量以下，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)境保護機構(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)測煙氣流量，由這種計算估計流率。
目前常用的方法如在上面提到的文獻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行若干點測量。橫截面積越大則所需的橫向采樣點越多。在有些情況下，需高達20至40個測量點來確定一個體積流量，如上述IndustrialVentilation參考文獻9、4、9節(jié)所指出的情況。
先有技術(shù)方法的另一個缺點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)煙道中常見的情況。在皮托管法的情況中，測量壓降的小孔甚至被部分堵塞，由于一般所測的壓降很低，因而會大大影響所測的氣速。在質(zhì)量流速測量中，任何顆粒沉積或與表面氧化物生成有關(guān)的腐蝕也會導(dǎo)致由傳感器的熱位差數(shù)據(jù)整理氣速時產(chǎn)生較大的誤差。
Industrial Ventilation，20th Edition，1988 Ch.9，§9.4.9中披露了測量空氣流量的另一種方法，所披露的方法包括連續(xù)測量與進入的空氣流一起通入一個或多個進氣口(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，在下游某一點收集氣樣-通常是在或靠近流出點外-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料氣體濃度很容易計算空氣流率(空氣流率等于進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)在所研究的過程中不是天然存在的，(3)在風(fēng)道系統(tǒng)中不會化學(xué)或物理吸收，(4)與氣流的其它組分不反應(yīng)，以及(5)無毒或無爆炸性。用示蹤氣測量來確定流量的傳統(tǒng)方法對于長期或連續(xù)進行的大工業(yè)流率測量是不可行的，如工業(yè)煙道氣測量的情況。
因此，在本領(lǐng)域還需要一種測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)測量氣體流量，包括很低的速度時。
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種測量工業(yè)過程廢氣流量的方法，該方法不要求所測的流動是無湍動的。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種如上所述的方法該方法不需要對廢氣中的濕氣量進行校正。
本發(fā)明第三個目的是提供一個如上所述的方法，該方法可在較寬的氣體流速范圍內(nèi)應(yīng)用。
本發(fā)明第四個目的是提供一個方法，其中測量廢氣中某種氣體的排放速率的方法是測量一種天然存在于該方法中的氣體的稀度。
本發(fā)明第五個目的是提供一個測量氣流速率的方法，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到這些目的，該方法是將一種已存在(換句話說是天然存在)于廢氣中的示蹤氣用于流量測量。當(dāng)示蹤氣最好是燃燒過程所用氣體的一種天然存在組分時，它存在于燃燒爐廢氣流的上游。盡管示蹤氣在進爐氣中已經(jīng)存在，但如果優(yōu)選可另外再通入一定的補充量。在進入廢氣流前的一點和廢氣流中同時測量示蹤氣濃度，然后根據(jù)物料衡算，將兩個測量點的濃度比乘以進入爐子的氣體(含有所考慮的天然存在的示蹤氣體)流率。然后可以測量廢氣流中某種其它任何氣體濃度，將所測得的某種氣體濃度乘以廢氣流率的計算值，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。
在一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明方法可用于使用天然氣，以氦作為示蹤氣，因為氦天然存在于天然氣中，或者使用含氬氣的氧氣或富氧空氣的燃燒過程。本發(fā)明方法最好用來確定這種燃燒過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使用本發(fā)明方法的氧燃燒型爐優(yōu)選實施方案的詳述在本發(fā)明方法中，測量一種示蹤氣并且通過測量它的濃度來確定在氣流某一點的稀度。示蹤氣是一種新型惰性氣體，包含在燃燒過程所用的氣體中，因此通常不需要加入系統(tǒng)中，但若需要更多量的示蹤氣，也可加入一定的補充量。
不象先有技術(shù)方法是直接測量氣速，本發(fā)明方法與氣速無關(guān)，所以沒有均勻氣速分布要求。因此可在沿流動通道的任何位置并在任何氣速情況下進行測量。當(dāng)爐子操作由燃燒空氣轉(zhuǎn)變成燃燒氧氣時，使得排放至大氣中的廢氣流率急劇降低時，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)煙氣中常見的情況。
進一步，假定所涉及的流率大小為100′S scfm(標(biāo)準立方英尺/秒)至100,000′s scfm，考慮到示蹤氣在生產(chǎn)現(xiàn)場的實際測量值必須至少在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，對于10,000scfm的廢氣流量來說，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施過程很難用于實施連續(xù)或長期測量，如環(huán)境管理經(jīng)常要求的情況。
所選用的示蹤氣機應(yīng)使其既不被消耗也不會生成，它在廢氣流中被稀化，由稀度可直接確定在某一采樣點處的氣體流量。由已知的進入過程的示蹤氣實際流量和示蹤氣在欲測氣流量的某點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分別是示蹤氣進入和流出過程的濃度，F(xiàn)in是示蹤氣進入過程的相應(yīng)流量，而Fout則是流出過程的總流量，F(xiàn)out是環(huán)境機構(gòu)需要知道的總廢氣的相應(yīng)氣體流量。
然后測量廢氣流中某種具體氣體濃度，并將測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)測的一種氣體，如NOX和SOX。因此本發(fā)明方法可以監(jiān)測流量，從而監(jiān)測經(jīng)由廢氣被排放的某種氣體的量，由此可對燃燒過程相應(yīng)的進行調(diào)整。
這種確定氣體流量的方法對煙道的幾何形狀沒有約束和對采樣位置沒有要求。另外更重要的是對氣速范圍沒有要求。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，不需要對濕氣進行額外校正來計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，因為與其它稀有氣體相比費用相對較低且易得。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用和可得性限制了它們實際用于低流量系統(tǒng)。CO2是一個相當(dāng)惰性的氣體，在某些應(yīng)用過程中同樣可以是一個適宜的示蹤氣體。原則上，只要不干擾系統(tǒng)并且在過程中不會被消耗或生成，任何氣體都可使用。一個了解指定過程工藝的普通技術(shù)人員都可以確定一種適宜用于測定流量的示蹤氣體，要根據(jù)所研究的過程來確定。
另外，這些惰性氣體不能干擾或改變過程操作。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，則可用目前市場上已有的許多適用分析儀來測量這些氣體的濃度。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)選的分析儀是一個氦探漏儀，與一個常壓采樣裝置一起使用。
在燃燒過程中，很常見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。一般來說，根據(jù)天然氣地區(qū)來源，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)測天然氣流率和使用許多目前市售類型分析儀測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充已存在的量。
在氧燃燒型過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5％(體積)，這取決于制氧氣方法。例如，可用低溫與氮氣分離(空氣分離法)來得到氧氣，也可用一個氧氣壓力擺動吸收系統(tǒng)(O2PSA)或一個O2VSA(真空擺動吸收系統(tǒng))來得到氧氣，當(dāng)采用VSA或PSA工藝時，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)測氧氣中的氬氣濃度和進爐氣總流率，由此可計算廢氣流率。但是在過程中由于引入空氣而帶入的氬氣組成必須計入?？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)有過程如空氣燃燒型過程中，第三種示蹤氣可能來源是空氣本身存在的氬氣(一般同樣是0.93％)。在這種情況中，必須知道進入過程的空氣總流量。在某些過程中空氣流量可以準確確定，而大部分情況是未知的，因此本發(fā)明的這種實施方案在應(yīng)用中受到限制。
不管是用氦氣還是氬氣作為本底氣源，都可以補充所需的量來保證用本方法準確測量。在該情況中，需要另外補加氦氣或氬氣來補充本底氣源中的量。最好是以大大超過本底的量加入氦氣和氬氣，并將本底含量看成一個常數(shù)。最好是直接測量本底氣源，并將進入過程的示蹤氣本底量加在組成中。
附圖
示出一個本發(fā)明優(yōu)選的實施方案，其中以天然氣和純氧氣進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)準立方英尺/小時)，得到的煙氣流進煙道18的煙道口16，在此處用空氣將其稀釋。除了物料加熱時通常有外加氣體從過程中排出這一點外，這是一個典型的燃燒爐排布方法。
煙道18中總氣流量由示蹤氦氣來測定。這需要確定進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。
在煙氣中含過量水蒸汽(即高于環(huán)境露點)的情況下，許多分析儀器(用于示蹤氣和污染氣測量)需要脫除樣氣中低于露點的水，避免水在儀器中冷凝。一般來說，是用一個保持在環(huán)境溫度以下的水收集裝置來進行這一步驟，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，也可用一個氣體過濾器來防止這些顆粒到達這些儀器，從而影響它的操作。更進一步，當(dāng)應(yīng)用于煙氣中含腐蝕性組分的過程時，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、儀器清掃和校準問題都是目前提取、煙氣樣氣方法中所用的現(xiàn)成方法，針對特定的應(yīng)用過程任何本專業(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)備和用于測量污染氣和其它惰性氣體所用的分析儀，不過也不是必須要求這樣。樣氣也可用于儀器校準。
由于天然氣流量已知(15000scfh)，則進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氦氣量，在大部分情況中這種假定常常是正確的，對于空氣的情況也是正確的。若氧氣中存在氦氣，則其組成也需要測量。
為測量兩種氣源(天然氣和煙氣)中的氦氣，可各自使用一個分析儀，或者最好使用一個自動交替采樣的分析儀。后一種排布方式不僅節(jié)省了儀器費用，而且對兩種氣體產(chǎn)生同樣的儀器靈敏度響應(yīng)。與使用二個分析儀相比，這也使得校正長期靈敏度漂移所產(chǎn)生的誤差減少。
總的來說，本發(fā)明的方法可提供比現(xiàn)有技術(shù)方法更寬的氣速測量范圍，并且無采樣位置要求。也可在與提取樣氣進行操作的其它所需煙氣分析過程同一含濕量基礎(chǔ)上測量流率。這也可以消除根據(jù)估算的水量修正氣體流量測量使其中的含濕量與氣體分析中的相同而帶來的誤差。
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。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。對于這種大流量體系中的連續(xù)分析體系來說，其示蹤氣的消耗是很可觀費用也很高。由于還需要有單獨的示蹤氣貯存設(shè)備、管道、控制系統(tǒng)，因而也不太實用。本發(fā)明方法有效地避免了這些問題。
為了進一步地說明本發(fā)明及它的優(yōu)越性，下面列出幾個具體的實施例，顯然這些實施例僅用來說明但并不限制本發(fā)明。
實施例1用附圖中所圖示的設(shè)備測得的天然氣中氦氣量為400ppm且煙氣中的氦氣量為100ppm。計算出的煙氣流量為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。由于在煙氣中探測的氦氣濃度為100ppm，則來自空氣的氦氣的組成也不過是45,000scfh的空氣。這表示僅有4％的氦氣組成來自空氣。另外在本實施例中，因為是在脫水后的煙氣中測氦氣，因此由氦氣分析確定的流量與氦氣分析過程的濕基相同。其優(yōu)點是不需要對流量測量過程與氣體分析時的不同濕氣含量進行校正，以便確定排放到大氣中某種特定氣體的量。
為進一步檢驗該方法，若需要的話，往往可向過程中加入更多的氦氣，測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，此時必須用絕對(不是相對)氦氣濃度。這種重復(fù)測量可用于檢驗所用的天然氣流率并且假定過程中無其它氦氣源。
實施例2重復(fù)實施例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，其中可含有高達百分之幾的氬氣。若氧氣中存在5％的氬氣而煙氣中探測的氬氣量為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?？偟膩碚f，天然氣中的氬氣含量達不到百分之幾，而空氣中的含量卻可達到(即0.93％)。因此，來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自空氣時，來自空氣的氬氣組成是來自氧氣的氬氣組成的28％，因此來自空氣的氬氣在計算時應(yīng)當(dāng)計入。若測得進入煙氣的空氣稀釋氣流是45,000scfh，那么煙氣流量的計算值就變成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程中通入氬氣并測量濃度變化，如同前面使用氦氣時所指出的方法，或者可使用一種完全不同的示蹤氣體。
上述實施例1和2說明可由示蹤氣的稀度來確定煙氣流量，甚至包括一般生產(chǎn)過程中常見的高流率情況。這些實施例也示出了本發(fā)明方法怎樣將氦氣和氬氣用于一個燃燒爐應(yīng)用過程中，不過本方法不局限于燃燒應(yīng)用過程也不是只能用稀有氣體。作為另一個示蹤氣的實例，可以用來自各種含碳燃料燃燒過程的CO2，只要是完全燃燒，或是已知燃燒程度，并且在過程中沒有另外生成或消耗CO2。
實施例3以純氧和天然氣操作的1.6MMBTU燃燒爐中測量流量。在這種情況中，測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)了這些測量結(jié)果。所測得的天然氣流量為1657scfh，在此次檢測中探測的氦氣濃度為400ppm。對廢氣處的氦氣濃度進行三次測量，得出的廢氣流率范圍從1788至1862scfh(±2％中值)。
實施例4實施例3進行的流量測量中，需要準確知道天然氣流率。當(dāng)流率不能準確知道或進入爐子的所有氦氣源未知時，可向爐內(nèi)加入已知量的氦氣，通過測量所探測的氦氣濃度差，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量的廢氣流量數(shù)據(jù)總結(jié)
測量的平均流量1824 scfh表2用外加氦氣法測得的廢氣流量數(shù)據(jù)總結(jié)
測量的平均流量1794 scfh實施例5通過測量廢氣中的CO2濃度并驗證CO組成可忽略不計，根據(jù)廢氣中的CO2和進入爐中的天然氣量計算廢氣流量，因為沒有CO表示燃燒過程完全。例如，在廢氣中探測到92.0％的CO2情況時，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，應(yīng)有1690scfh CO2生成。(由于存在百分之幾的過量O2和一些稀釋空氣，實際廢氣流量應(yīng)大于此值)。
鑒于廢氣中測得的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)。盡管上述計算結(jié)果對所述實施例來說是正確的，但對于大多數(shù)工業(yè)燃燒過程一般是不正確的，因為更多時候被加熱的物料會產(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)整和替代對于從事本專業(yè)技術(shù)人員來說是顯而易見的，而且很明顯本發(fā)明并不局限于上面所例示的實施方案。
權(quán)利要求
1.一種測量燃燒過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程所用氣體中的氣體；(b)在示蹤氣進入廢氣流之前的第一點處測量其濃度；(c)在所述廢氣流中的第二點處測量示蹤氣濃度；(d)比較第一點和第二點處的示蹤氣濃度，并由物料衡算計算廢氣流流量；(e)在廢氣流率與第二點處的廢氣流率基本相同的位置測量廢氣流中某種氣體的濃度；并且(f)用所測得的該某種氣體濃度和(d)中計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消耗也不會生成。
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，其中在第一點和第二點各用一個氣體分析儀測量示蹤氣。
9.按權(quán)利要求1的方法，其中用一個氣體分析儀測量第一和第二點示蹤氣，是以交替方式由所述第一和第二點收集氣樣。
10.按權(quán)利要求1的方法，其中廢氣流來自一個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，其中廢氣流來一個天然氣爐，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，其中所述示蹤氣測量的第一點包括進入爐子的天然氣進料。
16.按權(quán)利要求1的方法，其中的廢氣流來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，其中氮氣示蹤氣包括進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)測量在進入廢氣流之前第一點處的示蹤氣濃度；(c)測量廢氣流中第二點處的示蹤氣濃度，該點是廢氣流用空氣稀釋前的某一點；并且(d)比較第一和第二點處示蹤氣濃度并由物料衡算計算廢氣流流量；并且(e)將某種氣體濃度與所述計算的流量相比較計算所述某種氣體的排放量。
20.一種測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程廢氣流中，包括以下幾步(a)在燃燒爐廢氣流上游第一點處測量氦氣濃度；(b)在廢氣流中第二點處測量示蹤氣濃度；(c)比較第一和第二點處的氦氣濃度并按照物料衡算計算廢氣流流量；(d)在廢氣流率與第二點處廢氣流率基本相同的位置測量廢氣流中某種氣體的濃度；并且(e)將測得的某種氣濃度乘以(c)中計算的流量，來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，其中向進入燃燒過程的天然氣中注入補充量的氦氣。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種測定燃燒過程廢氣流中氣體流率的方法，在燃燒過程廢氣流上游的一點和廢氣流本身中的一點處測量一種示蹤氣的量，該示蹤氣原本存在于燃燒過程所用的一種氣體中，用物料衡算，比較在兩點處的示蹤氣濃度確定流率。采用本發(fā)明方法，根據(jù)所測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G01F1/00GK1153293SQ96107940
公開日1997年7月2日 申請日期1996年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月7日
發(fā)明者G·M·朱爾希克 申請人:美國液體空氣公司