專利名稱：連續(xù)地監(jiān)測使用流動氣體流的單元中的氣體物種的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型總體上涉及氣體流的連續(xù)監(jiān)測，該監(jiān)測通過從設(shè)備的一個或更多位置提取氣體樣本并利用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)分析該樣本來進行，以便確定氨濃度。
背景技術(shù)：
為評估其中采用尿素或氨的許多工藝的性能，經(jīng)常必須具備確定工藝中或流出流中有多少氨的能力。傳統(tǒng)上，通過化學(xué)發(fā)光技術(shù)提取并分析樣本，這導(dǎo)致樣本獲取和分析之間存在長的時間延遲。這些方法在低濃度下還缺乏期望的精度，這是因為它們依賴于假定條件來進行必要的計算。近年來，人們已經(jīng)將興趣轉(zhuǎn)向可調(diào)諧二極管激光(TDL)吸收光譜技術(shù)。在典型的TDL設(shè)施中，發(fā)射器和接收器直接安裝至管道網(wǎng)絡(luò)。由于在低于500 T的溫度時，氨會轉(zhuǎn)變成其他化合物或被吸收在灰燼中，TDL的理想安裝位置是空氣加熱器的上游。這種安裝由于各種原因而十分困難。由于節(jié)能器或催化轉(zhuǎn)換器出口與空氣加熱器入口之間存在的空間有限，操作經(jīng)常十分困難。經(jīng)常沒有供操作者使用的通道。TDL依賴于發(fā)射器和接收器之間的視線，其中較長的距離有助于低濃度時的精度。然而，當距離增加時，設(shè)備的對準變得更為困難。熱循環(huán)也會影響這種對準?；覡a堵塞降低了信號的質(zhì)量，并且在高灰燼環(huán)境中，更長的TDL路徑長度可能無法實現(xiàn)。由于所安裝的儀器、位置和操作的挑戰(zhàn)，而使得維修經(jīng)常十分困難。TDL測量發(fā)射器和接收器之間的視線路徑上的氨濃度。如果氣體流分層并且管道網(wǎng)絡(luò)較大，該氨濃度可能無法表征實際的總體氨濃度。為此，在具有多個管道的較大單元上，典型的TDL設(shè)施可能需要一個以上的發(fā)射和接收單元。許多商業(yè)工藝使用提取技術(shù)從排氣中獲得廢氣樣本。所提取的氣體通常被冷卻，然后使用質(zhì)譜分析法或非彌散紅外吸收法或化學(xué)電氣來進行分析。然而，利用提取技術(shù)從廢氣獲取樣本所需的步驟可能導(dǎo)致獲取數(shù)據(jù)時的時間延遲。相比而言，使用實時傳感器的工藝能夠?qū)崿F(xiàn)廢氣組成的選擇性測量，并在連續(xù)反饋環(huán)上將輸入調(diào)整提供給反應(yīng)爐。在連續(xù)提取分析的一個示例中，F(xiàn)rish等人的W097/499979描述了一種監(jiān)測從燃燒煤的實用鍋爐提取的氣體中的氨的痕量濃度(例如約每百萬一份)的TDL系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用來去除顆粒的過濾器和維持所提取的氣體的溫度的加熱器和溫度傳感器。所示的設(shè)備采用赫里歐電池來放大小痕跡中的TDL靈敏度，然而這并不是用于從實用鍋爐中獲得精確讀數(shù)的理想設(shè)備，對于實用鍋爐來說，氣體(和顆粒)成分組成會橫跨任意給定橫截面變化。用來控制從發(fā)電廠和其他燃燒器釋放的氮氧化物的選擇性非催化NOx還原(SNCR)和選擇性催化NOx還原(SCR)工藝都直接或間接地采用氨作為NOx還原劑。必須以相對于NOx濃度的恰當濃度和溫度供給氨以確保有效的NOx控制而不會發(fā)生過量氨泄漏。這始終是一個棘手的平衡問題，并且控制系統(tǒng)必須具備精確信息來確保有效操作以符合所有法規(guī)和約定，并且避免實踐上會產(chǎn)生硫酸氫銨的問題。[0007]需要設(shè)計一種系統(tǒng)來解決典型TDL設(shè)施的困難。實用的系統(tǒng)應(yīng)該能夠通過探針在各種位置對氣體進行采樣，所述探針被設(shè)計和操作成確保能夠獲取表征實際操作條件的提取氣體樣本。當前需要一種能夠?qū)崟r分析工藝中或流出流中的氨濃度的方法、設(shè)備和系統(tǒng)。
實用新型內(nèi)容本實用新型提供了用于測量生產(chǎn)過程中或流出流中的氨的工藝、設(shè)備和系統(tǒng)。一方面，提供了一種用于連續(xù)地監(jiān)測利用含氨流動氣體流的設(shè)備中的氨(或其他氣體物種)的方法，該方法包括:提供至少一個(優(yōu)選多個)中空采樣探針，每個探針包括中空管，該中空管具有由管壁限定的內(nèi)部通路，所述管壁具有至少一個貫穿該管壁的開口，每個探針還包括用于將所述內(nèi)部通路連接至進入管線的裝置；將多個所述探針設(shè)置在所述流動氣體流中，使其定位成允許所述管中的內(nèi)部通路與所述流動氣體流之間氣體連通；為每個中空探針(在多個探針的情況下)設(shè)置至少一個閥以控制流過探針的氣體流；在每個探針的每個內(nèi)部通路與所述流動氣體流之間產(chǎn)生負壓差；從所述流動氣體流引導(dǎo)氣體流過定位在用于可調(diào)諧二極管激光器的發(fā)射器和接收器之間的樣本路徑；將所述樣本路徑中的氣體的溫度維持在預(yù)定值；將來自所述發(fā)射器的被調(diào)諧至選定波長的光束引導(dǎo)通過所述樣本路徑中的氣體流而到達所述接收器，并且生成表征所接收信號的信號；基于所述信號計算氣體流中的氨的濃度；以及優(yōu)選地，利用所計算的氨的濃度控制一個或更多個操作參數(shù)。 在優(yōu)選方面中，將樣本流從所述樣本路徑再次弓I導(dǎo)以與所述流動氣體流匯合。另一方面，提供了一種用于連續(xù)地監(jiān)測使用流動氣體流的單元中的氣體物種的設(shè)備，該流動氣體流含有該氣體物種，該設(shè)備包括:至少一個空心的采樣探針，每個采樣探針均包括中空管，該中空管具有由管壁限定的內(nèi)部通路，所述管壁具有至少一個貫穿該管壁的開口，所述內(nèi)部通路與一進入管線流體連接，該進入管線與來自所述單元的所述流動氣體流連通；將所述采樣探針定位在所述流動氣體流中以便允許所述中空管中的內(nèi)部通路與所述流動氣體流中的氣體之間連通的定位裝置；用于在每個采樣探針的每個內(nèi)部通路與所述流動氣體流之間產(chǎn)生負壓差的裝置；引導(dǎo)來自所述流動氣體流的樣本氣體流過位于可調(diào)諧二極管激光器的發(fā)射器和接收器之間的樣本路徑的樣本氣體引導(dǎo)裝置，以及用于將所述樣本路徑中的樣本氣體的溫度維持在預(yù)定值的溫度維持裝置；用于將來自所述發(fā)射器的被調(diào)諧至選定波長的光束引導(dǎo)通過所述樣本路徑中的樣本氣體而到達所述接收器并且生成表征所接收信息的信號的光束引導(dǎo)及信號生成裝置；用于基于所述信號計算所述流動氣體流中的物種的濃度的計算裝置。本實用新型的設(shè)備包括如下優(yōu)選特征:-所述單元是選擇性催化還原反應(yīng)器或選擇性非催化還原反應(yīng)器；以及，所述氣體物種是氨；-該設(shè)備包括多個采樣探針，每個采樣探針設(shè)有至少一個閥以便控制氣體通過該采樣探針的流動；-所述多個采樣探針根據(jù)所述流動氣體流的預(yù)定流動樣式安放在該流動氣體流在其中流動的管道中；-將探針定位在所述流動氣體流中的所述定位裝置包括支架，該支架設(shè)置在所述流動氣體流在其中流動的管道上；-用于產(chǎn)生負壓差的裝置包括設(shè)置在該設(shè)備的出口管線處的風扇；-所述樣本氣體引導(dǎo)裝置包括位于所述發(fā)射器和接收器之間并形成所述樣本路徑的樣本管線，該樣本管線在其鄰近所述發(fā)射器的一端與采樣探針的內(nèi)部通路連通，該樣本管線在其遠離發(fā)射器的一端通向一返回管線，該返回管線使得樣本氣體流回所述單元；-所述溫度維持裝置包括用于加熱該樣本管線的加熱器；-所述光束引導(dǎo)及信號生成裝置包括分別設(shè)置在所述發(fā)射器和所述接收器處以將它們與樣本路徑中的樣本氣體隔開的視鏡，以及與該發(fā)射器和接收器信號連接的邏輯和計算單元；以及-所述計算裝置包括所述邏輯和計算單元。本實用新型的設(shè)備使得能實時且高精度地連續(xù)確定以及控制流動氣體流中的氣體物種尤其是氨的濃度。在又一方面中，本實用新型提供了采用所公開的工藝和設(shè)備的系統(tǒng)。下面將描述本實用新型的其他優(yōu)選方面。

結(jié)合在該說明中并構(gòu)成該說明的一部分的附圖示出本實用新型當前優(yōu)選的實施方式，并且用來與以下給出的優(yōu)選實施方式的詳細描述一起說明本實用新型的原理。如圖所示，在所有附圖中，相同的附圖標記表示相同或?qū)?yīng)的部件。在附圖中:圖1是利用了本實用新型的方法和設(shè)備的燃燒設(shè)施的示意圖；圖2示出圖1中所示類型的本實用新型的系統(tǒng)的更多細節(jié)；圖3示出采樣探針在含有待分析的流動氣體流的管道內(nèi)的可能布置；圖4是沿圖3中的線4-4截取的采樣探針的剖視圖。
具體實施方式
在描述本實用新型時參照附圖，附圖示意性示出了簡化的優(yōu)選實施方式。下面將簡要描述附圖和它們所代表的工藝和設(shè)備。如上所述，通過已有設(shè)備不容易針對目標物種例如氨連續(xù)且精確地分析來自燃燒器的氣體流。本實用新型旨在解決該問題，并且提供一種簡單、可靠且成本低的解決方案。圖1是燃燒設(shè)施的示意圖，該燃燒設(shè)施采用本實用新型來針對氨泄漏分析燃燒流出物，即，分析在通過噴射氨自身或噴射用來提供活性NOx還原物種其他化學(xué)物種進行排氣SNCR或SCR處理之后留下的氨。燃燒設(shè)施包括具有燒嘴的燃燒器10，所述燒嘴通過燃燒來自未示出的來源的燃料與由管道網(wǎng)絡(luò)14供應(yīng)的空氣而在燃燒區(qū)12中提供熱量。熱的燃燒氣體將沿著箭頭所示的方向通過爐子10，燃燒產(chǎn)生的熱傳遞到熱交換器16和18，然后進入選擇性催化還原(SCR)反應(yīng)器20，在該反應(yīng)器20中，可以利用氨或氣化的尿素(包括氨和HNC0)處理在燃燒過程中產(chǎn)生的N0X，以通過試劑儲罐22和注射柵格24將NOx轉(zhuǎn)變成氮和水?；蛘?，許多設(shè)施都可受益于以更高溫度單獨使用尿素的選擇性非催化還原(SNCR)，而不需要反應(yīng)器20，如Epperly等的US專利N0.5，057, 293中所教導(dǎo)的那樣。[0035]在SCR反應(yīng)器20之后，燃燒氣體將流過空-空熱交換器26，該熱交換器26用來對經(jīng)由管道28供應(yīng)的外部空氣進行預(yù)熱以經(jīng)由管線14輸送至燃燒區(qū)12。離開熱交換器26的燃燒氣體在它們經(jīng)過管道網(wǎng)絡(luò)29傳送至靜電沉淀器(ESP)30時顯著冷卻，在將氣體向上傳送到煙囪32之前顆粒被收集在靜電沉淀器30中。這是實際工業(yè)或?qū)嵱萌紵骱土鞒鑫锾幚砉に嚨母叨群喕姹?，但示出了行得通的方案。圖1中大體示出本實用新型的可調(diào)諧二極管激光分析設(shè)備40，該設(shè)備包括用于保持多個中空探針44 (參見圖3的示意性配置)的支承結(jié)構(gòu)42。設(shè)有管道46以用于將氣體流從SCR反應(yīng)器20之后的流動氣體流引導(dǎo)到探針44。每個探針44都包括具有由管壁限定的內(nèi)部通路的中空管以及用于將所述內(nèi)部通路連接至進入管線4 6的裝置，所述管壁具有至少一個貫穿該管壁的開口。在通過經(jīng)過設(shè)備40而被分析之后，氣體經(jīng)由管線48優(yōu)選正好在采樣點(未示出)下游一但也可以稍晚、即在管道29中(如圖所示)一返回到排出氣體流。管線46和48僅示意性示出，并且優(yōu)選是不銹鋼管，不銹鋼管往往較剛硬。如果適當?shù)能浌芸捎?，則可以使用軟管。本實用新型使得能對從管道21中的SCR單元20經(jīng)由進入管線46流到適當連接點、例如設(shè)備40上的進入法蘭46 (如圖2所示)的氣體流獲取的氣體流針對氨進行簡化并且實時的分析。如將從圖3的討論中清楚的，探針44可以裝配有閥，并且相對于管道21進行調(diào)節(jié)以便能從具體位置獲取表征整個橫截面或具體橫截面的平均值的樣本。設(shè)有風扇50，以推動氣體通過設(shè)備40并使它們借助于通過適當連接例如法蘭48’附裝的管線48返回到適當?shù)墓艿?、?9。待分析的氣體通過每個探針44的每個內(nèi)部通路與管道21中的流動氣體流之間的負壓差而被吸入樣本路徑52，該樣本路徑52通常是不銹鋼管。樣本路徑52是絕熱的，例如以標號54局部示出的，以便維持氣體溫度并避免對操作者造成傷害。樣本路徑52的優(yōu)選長度為十二英尺，但該優(yōu)選長度可以根據(jù)要求規(guī)定而改變，例如從大約三英尺到大約二十英尺。樣本路徑52具有位于兩相對端上的視鏡(觀察鏡)56和56’，其中視鏡56位于發(fā)射器端而視鏡56’位于接收器端，以便保護用于可調(diào)諧二極管激光器的發(fā)射器60和接收器62免受通過樣本路徑的熱氣體的任何污染。視鏡在物理上將發(fā)射器60和接收器62與樣本路徑52的內(nèi)部空間隔開，但仍允許發(fā)射器60引導(dǎo)被調(diào)諧至選定波長的光束，并允許接收器62接收該光束以便通過邏輯和計算單元64進行分析?？梢越柚诳傮w示出為66的電線向發(fā)射器供應(yīng)電能以及向邏輯和計算單元64供給控制信號并從該邏輯和計算單元64輸出控制信號。優(yōu)選為發(fā)射器單元60和接收器單元62中均設(shè)置未示出的冷卻空氣源，以維持安全的操作溫度。通過維持流過樣本路徑52的適當高流量，容易將該路徑52中的氣體的溫度維持在預(yù)定值，例如至少450 °F，優(yōu)選在500 ° 到600 °F的范圍內(nèi)，而無需任何附加熱量。如果必要，可通過加熱器(未示出)加熱樣本路徑，該加熱器可以嵌入在絕緣部54中。本實用新型的優(yōu)點在于，熱氣體的高流量使得不必加熱，除非在異常情況下。在長十二英尺且直徑為兩英寸的樣本路徑52的示例性情況下，120scfm (例如從20到300scfm)的流量提供了約每秒八次的完整氣體交換。在整個系統(tǒng)中的停留時間通常小于一秒。這確保氣體不會被顯著冷卻。目標系統(tǒng)停留時間將在0.2秒和5秒之間，例如為約I秒，并且優(yōu)選目標測量容積停留時間在其中能維持溫度并保持提取效率的范圍內(nèi)，該停留時間優(yōu)選在0.05秒和0.5秒之間。高流量還消除了用以去除灰燼的過濾器的需要，因為灰燼沒有機會聚集。所選擇的具體可調(diào)諧二極管激光器的光波長、電氣和溫度要求的細節(jié)都可以從制造商獲得。目前優(yōu)選Yokogawa TDLS2000分析儀，但該選擇并不重要。該分析儀能將來自發(fā)射器60的被調(diào)諧至選定波長的光束引導(dǎo)通過樣本路徑52中的氣體流而到達接收器62，并且產(chǎn)生表征所接收信息的信號?；谠撔盘?，邏輯和計算單元64能夠計算氣體流中的氨的濃度，并且將會計算該氨濃度。基于該表征氨濃度的信號，例如用于SCR反應(yīng)器和氨源的處理控制器將控制一個或更多個操作參數(shù)。探針44的細節(jié)和布置在圖3中示意性示出，圖4示出了沿著圖3中的線4_4獲取的一個探針44的橫截面?？梢钥吹剑總€探針44都包括:中空管，該中空管具有由管壁限定的內(nèi)部通路，所述管壁具有至少一個貫穿該管壁的開口 ；以及用于將所述內(nèi)部通路連接至進入管線的裝置。圖4示出具有中心開口 45的管44，孔47貫穿管44。如在圖3中看到的，可以有多個孔。設(shè)有可以為簡單支架的裝置(在圖1中由標號為44的外虛線表示)，以便能將多個探針安放在管道21中的流動氣體流內(nèi)，并將它們定位成有效地允許管中的內(nèi)部通路45與管道21中流動氣體流的氣體相連通。為每個中空探針設(shè)置至少一個閥70，以控制通過該探針的氣體流動。根據(jù)已經(jīng)利用適當建模、例如計算流體動力學(xué)建?；蚶淞黧w建模確定的具體流動樣式(流型)，通過正確地在管道21中放置探針，可以手動或通過控制器來操作閥70，以在管道21內(nèi)的預(yù)定位置取樣。這將能從具體位置獲得樣本，表征整個橫截面的樣本或表征具體橫截面的平均值的樣本。通過具體地放置探針44并且操作閥70，可以將氨的濃度映射到多個負載設(shè)定值，并且將允許連續(xù)控制。本實用新型提供了這樣的能力，即，隨著鍋爐負載變化而在沿著煙氣路徑的各種位置進行測試，而無需在每個測試位置安裝成對的發(fā)射器和接收器。盡管缺乏全面映射能力，但仍可使上述設(shè)備安裝有沒有任何閥的單個探針，并仍利用本實用新型的某些方面的優(yōu)點。采用所述方法和設(shè)備的系統(tǒng)組合了所公開的特征，并且結(jié)合了各種工業(yè)應(yīng)用所必須的細節(jié)。上面的描述僅是為了教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實踐本實用新型。其目的不是詳盡說明所有改變和變型，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀上述描述將清楚這些變型。然而，所有這些改變和變型都包含在由隨后的權(quán)利要求限定的本實用新型的范圍內(nèi)。所述權(quán)利要求意在覆蓋對滿足期望目的有用的任何順序的所要求保護的部件和步驟，除非上下文明確表明相反情況。
權(quán)利要求1.用于連續(xù)地監(jiān)測使用流動氣體流的單元中的氣體物種的設(shè)備，該流動氣體流含有該氣體物種，該設(shè)備包括: a.至少一個空心的采樣探針，每個采樣探針均包括中空管，該中空管具有由管壁限定的內(nèi)部通路，所述管壁具有至少一個貫穿該管壁的開口，所述內(nèi)部通路與一進入管線流體連接，該進入管線與來自所述單元的所述流動氣體流連通； b.將所述采樣探針定位在所述流動氣體流中以便允許所述中空管中的內(nèi)部通路與所述流動氣體流中的氣體之間連通的定位裝置； c.用于在每個采樣探針的每個內(nèi)部通路與所述流動氣體流之間產(chǎn)生負壓差的裝置； d.引導(dǎo)來自所述流動氣體流的樣本氣體流過位于可調(diào)諧二極管激光器的發(fā)射器和接收器之間的樣本路徑的樣本氣體引導(dǎo)裝置，以及用于將所述樣本路徑中的樣本氣體的溫度維持在預(yù)定值的溫度維持裝置； e.用于將來自所述發(fā)射器的被調(diào)諧至選定波長的光束引導(dǎo)通過所述樣本路徑中的樣本氣體而到達所述接收器并且生成代表所接收信息的信號的光束引導(dǎo)及信號生成裝置； f.用于基于所述信號計算所述流動氣體流中的物種的濃度的計算裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述單元是選擇性催化還原反應(yīng)器或選擇性非催化還原反應(yīng)器；以及，所述氣體物種是氨。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括多個采樣探針，每個采樣探針設(shè)有至少一個閥以便控制氣體通過該采樣探針的流動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述多個采樣探針根據(jù)所述流動氣體流的預(yù)定流動樣式安放在該流動氣體流在其中流動的管道中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，將探針定位在所述流動氣體流中的所述定位裝置包括支架，該支架設(shè)置在所述流動氣體流在其中流動的管道上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，用于產(chǎn)生負壓差的裝置包括設(shè)置在該設(shè)備的出口管線處的風扇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述樣本氣體引導(dǎo)裝置包括位于所述發(fā)射器和接收器之間并形成所述樣本路徑的樣本管線，該樣本管線在其鄰近所述發(fā)射器的一端與采樣探針的內(nèi)部通路連通，該樣本管線在其遠離發(fā)射器的一端通向一返回管線，該返回管線使得樣本氣體流回所述單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述溫度維持裝置包括用于加熱該樣本管線的加熱器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述光束引導(dǎo)及信號生成裝置包括分別設(shè)置在所述發(fā)射器和所述接收器處以將它們與樣本路徑中的樣本氣體隔開的視鏡，以及與該發(fā)射器和接收器信號連接的邏輯和計算單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述計算裝置包括所述邏輯和計算單J Li ο
專利摘要一種連續(xù)地監(jiān)測使用流動氣體流的單元中的氨的設(shè)備，包括至少一個空心采樣探針，每個采樣探針均包括中空管，該中空管的管壁限定內(nèi)部通路并具有至少一個貫穿的開口，該內(nèi)部通路與進入管線流體連接；將采樣探針定位在流動氣體流中的裝置；在所述內(nèi)部通路與流動氣體流間產(chǎn)生負壓差的裝置；引導(dǎo)樣本氣體流過位于可調(diào)諧二極管激光器的發(fā)射器和接收器間的樣本路徑的裝置，以及將樣本氣體的溫度維持在預(yù)定值的裝置；將來自發(fā)射器的被調(diào)諧至選定波長的光束引導(dǎo)通過樣本路徑中的樣本氣體而到達接收器并生成代表所接收信息的信號的裝置；基于所述信號計算流動氣體流中的物種濃度的裝置。該設(shè)備使得能實時并且連續(xù)地分析和控制氣體流中氨的濃度。
文檔編號G01N21/17GK202939120SQ201220379280
公開日2013年5月15日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者P·G·卡爾米納尼, J·M·鮑伊爾, S·M·梅修 申請人:燃料技術(shù)公司