CN101718724A - 用于检测、测量和控制烟道气中三氧化硫和其它可冷凝物的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测、测量和控制烟道气中三氧化硫和其它可冷凝物的方法和装置。确定含有可冷凝物气体中存在的可冷凝物量的方法，将探头放在含可冷凝物种的气体中。探头在外部不导电表面上有多个间隔开的触点。在选定时间段内，以选定加热速率加热表面，再以选定冷却速率冷却表面。循环中监测触点间电流和外部不导电表面的温度。再把电流曲线的峰和相应于每个峰时刻的温度与冷凝物种相关，物种在每个识别温度有动态露点。把每种物种的识别温度与该物种露点温度和浓度的预定相关性相比较，确定可冷凝物种的浓度。

Description

用于检测、测量和控制烟道气中三氧化硫和其它可冷凝物的方法和装置

相关申请的交叉参照

申请人根据35U.S.C.§119(e)要求享有2008年8月14日提交的待定美国临时专利申请系列61/088,923号的权益。

技术领域

本发明涉及用于检测、测量和控制从矿物燃料燃烧炉中排放出的烟气中的污染物例如SOx的方法和装置。

背景技术

多年来，美国环境保护局(EPA)就开始要求矿物燃料火电厂、焚烧炉、金属熔炉和水泥窑的操作者检测某些排放到大气中的气体种类和微粒的水平。这些种类包括硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和氧气，其通常通过通向炉体或烟囱的风道离开炉子。还有法律和规章用来设定排放标准并且对那些没有满足排放标准的操作者进行罚款。这些设备的操作者必须检测排放，并且经常在烟气中加入材料用来减少某些种类气体的排放水平。一般地，检测是通过在炉子的选定区域内的烟气中插入一种能够就地检测的探头，或一种提取探头或者取样线路而进行。为了分析取样样品的气体组分，有时有必要去除颗粒并且把样品运送到适合气体分析仪工作的远程区域。

在本领域中已经发展了多种探头用来从烟囱中提取烟气样品。在美国专利号为5,458,010中公开了这些流体采样系统的实例。在一种常规的提取系统中，一个泵在烟囱中运动的气流中通过被加热的探头把气体提取出来。然后样品通过一个热追踪的取样管线被送往一个远程区域用来分析。探头和取样管线都被加热至250°F以防止样品中湿气或酸的凝结。紧接着，样品会通过一个冷却装置，其温度被降至大约35°F。水蒸汽冷凝并被排出。此时干燥的样品被重新加热并通过一个分析仪被运送，此分析仪用来测量所关心的组分。

现有技术的取样系统中第二种一般类型使用了一种稀释探头。在这个方案中，烟囱中样品提取物的比例明显小于在传统系统的情况下比例。此时，气体被提取通过一种精滤器进入到一种以“音速喷嘴”或“临界流量喷嘴”著称的装置中。之所以被称为音速喷嘴是因为只要在喷嘴之后存在充足的真空，它就计量保持不变的体积流量。喷嘴后方的真空是由文丘里管维持的，文丘里管被一个压缩空气源所驱动。文丘里管还用来提供干净的、干燥的稀释空气来降低样品的露点。整个文丘里管/喷嘴设备被构造在一个绝热探头之内，以便使稀释在基本的烟囱温度下完成。然后稀释的样品以大约大气压的压力被送到分析仪。

温度传感器经常被设置在现有技术的流体采样系统使用的探头之内。

为了控制排放，矿物燃料的燃烧炉膛的操作者可以在烟气中添加氨、钙、钠化合物或其它的材料，以使有害的气体与添加物发生反应，并形成可接受的气体或能够被去除的微粒。另一种被叫做选择性催化NOx还原(“SCR”)的技术使用一种催化剂控制NOx的排放。布袋收尘室、除尘器、甚至过滤器都已经被用来把微粒从烟道气中去除。

利用特定的添加物是否能够成功不仅取决于烟道气的成分，还取决于当添加物注入时烟道气的温度。许多材料仅仅在某些温度范围内可以有效。如果当烟气温度不是需要的温度范围内时材料被添加，或者注入了太多或太少的添加物，反应会出现产生不符合要求的化合物的情况。这些化合物会阻塞除尘器，降低换热器的效率并产生其它的一些问题。

现如今氨气(NH₃)通常作为一种反应物被使用，用以从气流中去除氮氧化物。然而NH₃也会与三氧化硫(SO₃)起反应形成硫酸铵((NH₄)₂SO₄)或硫酸氢铵((NH₄)₂HSO₄)。它们都会堵塞SCR或者传热设备的催化剂通道，尤其是蓄热式空气预热器，其具有许多细通道。这种堵塞会严重地限制空气和烟道气的流动，以致使锅炉停机并需要对空气预热器进行清洁。硫酸氢铵更是两者中最有害的事故原因，因为其在许多的排烟温度范围内都很粘。

专利号为6,677,765的美国专利中公开了一种测量烟道气中氨的方法，其是利用一种冷却探头来测量由冷凝的硫酸氢铵所引起的电导率(和腐蚀)。这个方法是利用一个管状的探头，此探头具有几个隔开的、与探头外壳相同的材料制成的带子或片。这些带子或片通过一种电绝缘且耐高温的材料附于探头外壳上。至少一个热电偶附于探头上。在探头外壳内设置有许多冷却管用来把冷空气引导至靠近每个带子的区域。在炉子或锅炉上方的氨注入区域中设置一个或多个探头。当硫酸氢铵形成在探头上时，就能在探头外壳和带子之间形成一个电路。从而，硫酸氢铵的存在可以通过带子和探头外壳之间电阻的变化来检测。硫酸氢铵也会导致探头被腐蚀。在腐蚀过程中会产生电化学的噪音。一个连接到探头外壳上的监测器能够检测电阻和电化学噪音方面的任何变化。此外，可以根据检测到的电化学噪音的水平和数量确定腐蚀速率。

从探头中获得的数据结合探头的位置可以确定一些可能是检测到过量氨的源头的注入器。然后这些注入器被调整以降低或消除过量氨的注入。当烃类燃料在空气中燃烧时，空气中的氧结合燃料中的碳和氢形成水和二氧化碳。当燃烧甲烷或天然气时，烟道气产物是一种相对清洁的氮和空气中过量氧的混合物，并含有大约10％-12％的水和12％的二氧化碳的燃烧产物。

然而，当燃烧煤炭时有很多的杂质，例如最大量的是氯、硫、燃料结合的含氮化合物以及混合着组成煤炭燃料的碳和烃的灰。燃烧产物是大约6％的水和12％的二氧化碳，然而还有许多其它的污染物。灰包括许多可能是金属的化合物，例如钠、钙、镁、硅、氧化铝、铁和硫铁矿硫，还有许多被认为是污染物的微量元素，例如汞、铅、镉、砷和许多其它的元素。所有这些种类均有机会在到处都存在的高温燃烧环境下蒸发或氧化，带来的结果就是燃煤的烟道气会比燃烧天然气的烟道气更复杂。

对于如此复杂的烟道气，理想地是维持足够高的烟道气温度，这样可以使水在锅炉的后部通道、烟道和烟囱中不发生冷凝；因为水将导致所有这些数量极大的腐蚀物和和灰的化合物的溶液积聚成一种肮脏的、粘的泥状物质。这种泥状物质就会端塞烟道气通道，甚至会使设备不能操作。同时，温度应该尽可能低以维持燃料燃烧中热量回收的效率。为了保持清洁、安全和高效的电厂操作，理想的是测量烟道气冷凝和堵塞的温度特性表。

水的冷凝极大地受到存在的三氧化硫的影响，三氧化硫形成硫酸冷凝物和其它更复杂的硫酸盐和亚硫酸盐。这些各种各样的硫化物都在远高于纯水的冷凝温度的温度下冷凝，并且这些硫化物包括硫酸铵、硫酸氢铵和不同金属杂质的硫酸盐和硫酸氢盐，例如钠(硫酸氢钠、亚硫酸氢钠和硫酸钠)、镁、钙或者其它的金属杂质。

因此，理想地是在尽可能低的烟囱温度下操作，从而提高降低二氧化碳的产生的效率；同时，洗涤器的广泛应用使燃烧高硫煤成为现实。于是锅炉后部通道内的硫和三氧化硫也趋向于增加。随着煤炭中的硫增加，同时三氧化硫也增加，但是这种情况越来越严重还由于使用了选择性催化NOx还原(SCR)，更进一步促进了三氧化硫的产生。随着在SCR和选择性非催化NOx还原(SNCR)中使用氨的注入，复杂性也越来越高，因为氨泄露将与三氧化硫化学反应生成硫酸氢铵，硫酸氢铵会增加水的冷凝温度和堵塞温度。除了后部的堵塞问题，从烟囱中排放三氧化硫还会引起烟柱可见和污染的问题。

考虑到试图使后部通道、烟道和烟囱在尽可能低的温度下操作，不发生堵塞的问题；已经开始通过试图消除被测试和使用的三氧化硫。如图1和图2所示，补救性反应物被注入到炉膛上的A、B、C和D点以减少三氧化硫，展示出它们自己复杂的冷凝和分解特生表和增加的灰的量，灰可能引起设备堵塞。

为了在所描述的如此复杂的情况下操作，理想地是测量三氧化硫，并且它的浓度取决于硫酸的凝结温度，如果在它独自地存在的时候和地方。但是正如这儿描述的那样，它经常以与氨或补救性反应物的组合的形式出现，因此不能以硫酸的形式测量，因为当它冷凝时可能形成一种不同的存在形式。例如硫酸氢铵在比SO₃高30到100°F的温度下冷凝，并且因此使得当寻找到露点时，得到是具有已冷凝物质的SO₃的露点。

在温度大于400°F的情况下，三氧化硫与水和硫酸分子动态平衡地存在；当在更低的温度下使其测量更复杂时，它可能会以微粒和/或气溶胶的形式被吸附。低于400°F时，测量到的硫酸露点就是总的三氧化硫的测量；当高于400°F时，总的三氧化硫量可以从平衡曲线中计算得出。然而由于SO₃、H₂SO₄和冷凝相(气溶胶和微粒)的可能存在，有时需要在400°F以下反所有的形式转变为硫酸的可冷凝的形式。这些形式可以通过对烟道气样品过滤、和加热或冷却和脱氮进行区分。

硫酸在250°F-290°F的范围内仍然可以冷凝，然而由于硫酸氢铵或硫酸氢钠的存在，烟道气中的冷凝，可以从大于320°F、甚至直到600°F的温度下开始。因此，当尝试测量一个具体的硫酸露点时，一个标准的硫酸露点仪表也将由于这一复杂烟道气中的整个范围内的冷凝现象而被干扰。例如，当存在时，硫酸氢钠会在大于350°F的温度下冷凝；如果那样的话，当从探头加热循环从下到上加热探头时，必须使用一种清洁的低温探头来测量反向的蒸发和冷凝速率。

因此，需要有一种能够准确地确定烟道气以及其它含有可冷凝物种的气体中三氧化硫和其它可冷凝物的量的方法和探头。

发明内容

本发明公开了通过利用一种动态温度变化探头并且通过检测已经在探头上冷凝的材料的温度变化和电流变化，我们可以区分和识别存在的任何和所有组分的冷凝和蒸发特性。利用这些信息和识别的可冷凝物种的露点温度和浓度之间的相关性，我们可以确定气体中存在的可冷凝物种的浓度。于是，这种测量可以用来限定操作温度、注射极限、补救性工艺方案和它们的过程控制。这种动态过程和探头设备连同已知的测量和控制仪表都能被用来识别任何气体中的可冷凝组分。

当被插入热的燃烧烟道气排气中时，我们的探头测量这样的温度，在该温度下，不同浓度的可冷凝气体沉积在要不然不导电的表面上。通过使用探头温度变化的受控速率、与冷凝物积聚有关的测量电流、冷凝发生时的实测温度以及存在的可冷凝物种的冷凝温度与数量之间的相关性，我们可以确定这些可冷凝物的本性和浓度。我们的发明的一个独特方面是我们通过观测与变化中的温度有关的电流来测量一种运动的或动态的冷凝物形成和蒸发，而不是寻找一个可能在复杂特性的燃烧烟道气中不存在的平衡露点；在那里许多不同的可冷凝化合物可能共存。通过这种动态方法和我们已经开发的算法，我们能够分出共存的可冷凝物的本性和浓度。

我们提供了三个特征，它们使我们能够将SO₃或其它可冷凝物浓度与我们的测量相关联。首先，我们提供一个探头，该探头可被插入到热的烟道气中的并且可以在连续可调的冷却和加热循环中以可控制的速率被冷却或加热。其次，我们监测冷凝物的不同浓度，这些冷凝物导致了在要不然不导电的表面上形成导电的沉积物。沉积物的开始或形成、沉积或蒸发的速率以及加热至干燥都取决于冷凝表面的冷却或加热速率以及和不同冷凝物浓度的扩散和冷凝的动力学。然后，我们使用电流活性曲线中由于冷凝速率导致出现峰时的温度来识别和确定气体中可冷凝物种的浓度。

当我们经过一个冷却循环时，我们测量可冷凝物的沉积物形成，然后在一个顺序加热循环内测量这种连续的积聚；而不是尝试瞄准关于单一冷凝组分的恒定温度平衡露点。当有在比三氧化硫冷凝的温度高的温度下导致冷凝的那些组分(例如硫酸氢铵)时，所述探头在冷却循环中测量这些在更高温度下形成冷凝物的组分。冷却循环既可以开始一个顺序加热循环，也可以持续至一个预设温度，已知该预设温度低于最低的SO₃露点；在这种情况下，关于后面的加热循环的电流轨迹将表示SO₃浓度和硫酸氢铵浓度两者的动态露点。然而，如果在空气加热器已经将烟道气冷却到低于硫酸氢铵冷凝温度(比如说，低于310°F)之后将探头插入到空气加热器中，那么SO₃的浓缩导致了较低温度的冷凝物，因为硫酸氢铵被空气加热器去除掉了。气体(例如水)在甚至更低的露点下冷凝，还显示出一条多峰电流冷凝物温度曲线。

在我们所公开的受控的温度窗口之内和在受控的冷却速率下，我们使用实测和受控的冷却速率、实测的冷凝物形成温度和实测的冷凝物表面上的电导率来关联SO₃和它的组分中的每一个的存在及其浓度，例如，硫酸，微粒和气溶胶硫酸和/或烟道气中的其它可冷凝物。同时，当在更高温度窗口中使用时，探头测量诸如硫酸氢铵这样的其它可冷凝物的冷凝和浓度，甚至在更高温度下测量硫酸氢钠，如果这些可冷凝物存在的话。

附图说明

图1是一种燃煤锅炉的示意图，其表示了具有冷侧静电沉降器和反应物注入点的污染和热回收部件。

图2是一种燃煤锅炉的示意图，其表示了具有热侧静电沉降器和反应物注入点的污染和热回收部件。

图3是我们的探头的当前优选的实施方案的侧视图，该探头测量流过已经在探头端部表面上冷凝的任何材料的电流。

图4是图3中所示实施方案的端视图。

图5是我们的探头的当前优选的第二实施方案的侧视图。

图6是一个曲线图，其表示了一个被插入到热烟道气中并按照我们的方法使用的探头的典型的加热和冷却循环。

图7是一个与图6类似的曲线图，在图7中电流以虚线表示，并且为烟道气确定了动态露点。

图8是与图6和图7类似的曲线图，在图8中电流以虚线表示，并且确定了三氧化硫和硫酸氢铵的动态露点。

图9是三氧化硫和硫酸的平衡曲线图。

图10是一个曲线图，其表示了烟道气中不同水蒸气浓度环境下三氧化硫浓度和露点之间的相关性。

图11是一个曲线图，表示钠形成液态硫酸氢盐时的温度和浓度。

图12是一个安装在燃煤发电厂中的我们的动态露点系统的框图。

图13是一个系统的图解，所述系统可以用来提取管道中的样品以及用于对样品进行调节从而分离物种组分。

图14是一个探头的图解，该探头用在图13中所示系统中的烟道气的现场调节。

具体实施方式

如图1和图2中所示，在一种典型的燃煤炉子或锅炉2中，煤和空气均被注入到炉中。燃烧的煤加热在炉壁的管子(没有示出)中的水，产生蒸汽来驱动涡轮。在一些炉中，离开炉子的烟道气3经过选择性非催化还原(SCNR)设备4。氨(NH₃)被注入到SCNR设备4中的烟道气中以还原烟道气中的NOx。然后，烟道气经过省煤器5，在某温度T₀下离开省煤器。在如图1中所示的带有冷侧静电沉降器的燃煤锅炉中，烟道气然后继续经过选择性催化NOx还原(SCR)设备7、空气加热器8和静电沉降器(ESP)6到达洗涤器9。然后，烟道气经由烟囱10离开该系统。在如图2中所示的具有热侧静电沉降器的燃煤锅炉中，烟道气从省煤器5出来后经过静电沉降器6。烟道气继续经过选择性催化NOx还原(SCR)设备7、空气加热器8、洗涤器9和烟囱10。

图1和图2提供了在其中可以使用我们的方法和探头的炉子的两个实例，但是我们的发明不局限于这些炉子。实际上，其中可以采用我们的方法的炉子的配置可以有很大不同，NOx还原设备例如SNCR或SCR或两者都存在或两者都不存在，洗涤器存在或不存在，微粒收集设备例如ESPc或ESPh或湿式-ESP(wESP)和/或袋滤室存在。

我们提供一种如图3、4和5中所示的探头，其能被插入到热烟道气中，在连续可调的冷却和加热循环中以可控速率被冷却或加热。可以在位置A、B、C和D(其中温度分别为T₁、T₂、T₃和T₄)以及洗涤器9之后将该探头插入烟道气管道中，如图1和图2中所示。炉子的操作者可以在位置A、B、C和D中的每一位置处注入材料来还原NOx或SOx。典型的注入材料是氨/尿素(为了提供NH₃)、石灰/石灰石(为了提供Ca)、天然碱(为了提供Na)和氧化镁(为了提供Mg)。根据所要解决的不同问题来确定不同的注入点。问题的解决方案取决于对被添加试剂和SO₃和相关可冷凝物的效果的了解或测量和控制。

参见图3和图4，我们的探头20的第一个优选实施方案包含通常为圆柱形的空心体22，该空心体22的长度一般为三至六英尺。端盖或末端24被安装在空心体22的远端，该远端将暴露于气流中。冷却管26沿着空心体22的长度方向被安装在其中，用来引导冷空气至末端24。流动至末端的冷空气流被准确地控制以引起探头末端上的冷凝。还设有一个回流空气阀28，以使已经流过末端之后的被冷却空气可以逸出。在末端24的表面上设有两个间隔开的触点31和32。也可以设置更多的间隔开的触点，而且这些触点可以以不同方式配置和布置在末端的外表面上。这个表面是不导电的。我们还优选在末端上设置温度传感器33。导线33从温度传感器和触点延伸到探头的相反端部，在此处导线可以连接到监测装置上。当材料在末端上冷凝时，冷凝物就会使触点之间的电路连通。探头是由耐腐蚀的材料制成的，例如镍铬合金。一个安装用法兰21附着于空心体22的另一端并且适合于接合管道上的安装硬件(没有示出)。

目前第二种优选的探头40如图5中所示。这种探头也具有一种通常为圆柱形的空心体42，端盖或末端44被安装在空心体42的末端上。一个冷却管46沿着空心体42的长度方向被安装在其中，用来引导冷空气至末端44。还设有一个回流空气阀48，以使已经流过末端之后的空气可以逸出。间隔开的多个触点和一个温度传感器(没有示出)被设置在末端上。一个安装用法兰41附着在空心体42的另一端上。在这个实施方案中，我们提供了一个缠绕在圆柱形空心体42上且终止在末端的暴露表面附近的点上的加热线圈45。该端部47是敞开的，这样就会使流经加热线圈的热空气朝向末端44的外表面49。热空气将加热在末端外表面上的任何冷凝物，使得冷凝物变成液体或气体并从末端流下，从而清洁末端。人工地加热探头末端也使探头得以在烟道气中操作，这里烟道气温度低于可冷凝材料的露点，这样未被加热的探头将立即被冷凝物所包覆。这将包括在潮湿烟囱中操作所述探头。

当在选定位置，例如图1或2中的位置A、B、C和D，将所述探头插入到管道中之后，探头被冷却或加热。我们提供了一种例如在图6所示的受控的冷却循环和加热循环。每个冷却/加热循环可以在2至30分钟之间的时期内发生，这通常取决于被测量的温度范围，此温度范围可以从10°F至500°F。如图7所示，冷却和加热循环的控制来自通过表面累积的测量电流得到的反馈。

我们监测冷凝物的不同浓度，这些冷凝物导致在探头的末端(如图4所示)上的要不然是不导电的表面上形成导电的沉积物。当探头冷却时，沉积物的开始或形成作为可冷凝物的形成温度(TFm)来测量并通过高于设定的阈值电流的表面电流的升高来指示。在测量这个阈值电流之前，如图7中所示，穿过正被冷却的热的、清洁的和干的表面的电流实质上是零。

一旦生成了沉积物，就减少或关掉冷却空气，沉积或蒸发的速率和加热至干都确决于冷凝物表面的冷却或加热速率以及扩散动力学和不同冷凝物浓度的冷凝。

沉积物将随着电流的增加继续形成，直到到达一个拐点，在这个拐点处，沉积等于蒸发速率，这样就定义了我们如图7所示的独特动态露点(Kdp)。这个动态露点是只有被冷凝的物种才有的，它的浓度是根据温度、压力和湿度方程来计算的，此方程反映了图10中所示的曲线图。例如，当含湿量为10％而且拐点对应于300°F这一温度时，就会在10％湿度曲线上获得这个拐点，它在300°F处。然后，在X轴上得到那个温度所对应的浓度值。在这个例子中，得到的值是43ppm SO₃。烟道气的水分浓度通常是12％。12％湿度的曲线应位于10％湿度曲线和14％湿度曲线之间。虽然可以根据图10中的曲线手工进行SO₃浓度的鉴定，但是本领域技术人员认识到，人们可以使用计算机程序进行这种关联。实际上，可以把探头中的所有触点和温度传感器都连接到计算机上，这样可以实施监测并确定存在的SO₃的浓度。即使电流曲线的形状取决于冷却或加热速率，拐点和由此得到的动态露点也不取决于冷却或加热速率。电流峰取决于浓度和加热/冷却速率的动力学这两者。

于是，我们可以根据与冷凝表面的温度变化速率相应的电导率(电流)变化速率来关联冷凝物的本性与浓度。该逻辑也使我们能采用形成温度、拐点和蒸发点来控制所述加热循环并不断地利用可冷凝物种和它们的浓度来公布这些信息。

当多于一个物种冷凝时，电流曲线将简单地显示如图8中所示的两个动态露点。将实测的露点与SO₃浓度相关联的算法如图10和11中所示。图10是实际的SO₃浓度对温度的曲线，而图9表示出，在低于400°F的温度下测量时，露点实际上是H₂SO₄的露点。

形成温度可以从上到下来确定，其利用冷却空气来搜寻SO₃或其它的露点；除了当知道出现更高的温度累积，例如如图11所示的存在注入的钠的情况下。就钠的操作来说，如图11所示测量的是温度为360°F至530°F的累积，然后我们将通过快速冷却探头表面以使不会有更高的温度累积的覆盖，从而从下向上搜寻动态露点，，其在350°F以下是固体。就硫酸氢钠而言，如图11所示，通过算法控制探头的冷却快速到240°F至260°F的SO₃露点以下从而SO₃被测量，然后所有存在的沉积物被从下向上测量，包括存在的硫酸氢钠。

特定的分子在从固相到液相到汽相会存在熔点和沸点。熔点和沸点可以用来识别任何物质。但一般来说它必须是纯净的。例如可以根据空气的露点温度或它的湿球温度来确定空气中水的浓度。

当镜面化表面被冷却时，出现第一滴水分时测量的镜面化表面的温度作为露点。

湿球温度(wb)是由温度计测量的温度，当有空气经过并通过湿润的芯时此温度计被插入到此湿润的芯(或者小的、湿的软护套型的罩)中，然后此芯通过蒸发冷却至空气的饱和温度。温度计也由于芯中水的蒸发被冷却到不再发生蒸发的点，其原因是没有温度/蒸气压力来驱动以使水分蒸发进入饱和空气中。

我们的动态露点探头测量被加热或被冷却的镜面化表面(如图4所示)的温度。探头能够确定冷凝物质的蒸发速率等于冷凝速率处的温度。当冷凝表面被持续加热时会出现转变，蒸发速率变得大于冷凝速率，实测的电流开始降低。该拐点处的温度或者电流中的最大值是动态露点(Kdp)，它是唯一与加热/冷却和其它物理热量和质量扩散过程的速率无关的，它是物种的特征(蒸气压力或实际分压)。这不同于保持一种恒温平衡露点，这在一种具有干扰性可冷凝物的复杂多组分的烟道气中是不可能的。

这个转变点是通过测量探头被加热时冷凝物质的电导率得到的，如图6所示。加热循环开始于第一次把探头冷却至冷凝物形成或累积开始的温度，如图7所示，(现在探头被加热，并且由于热量和质量扩散动力学，实测的形成温度低于此物种的露点)，可冷凝材料从随着电流增加的累积向减少变化，在动态露点温度(Kdp)之后，于是降低了电流。利用表面导电性(作为电流测量)的动态方法有以下好处：它可以测量到电流的改变，尤其是当温度升高时电流的拐点。此拐点是实际的露点，也就是从饱和气体中的冷凝(或沉积)速率等于液面的蒸发速率处的温度。

在色谱法中，液体的扩散速率被用来辨别不同的物种，这里我们已经公开了一种能用以测量露点的过程和设备，作为分离多组分气体中任何组分的扩散的手段。例如，空气及其污染物种的所有组分都可以通过冷却到深冷温度来测量；同时，在很高的温度下，可以利用我们的设备来测量和控制金属的选择性冷凝。

图12中的框图表示了当使用我们的方法时，将与其它部件连接的探头40。一个电子控制单元51监测探头的加热和冷却以及电流。通过一个空气过滤单元56连接至工厂空气源57的空气供应单元52供给已加热的空气和已冷却的空气。电子控制单元还被连接到工厂DCS计算机59上，工厂DCS计算机控制着进入烟道气中的添加剂的注入。这个单元实质上是一种现有技术中的台式计算机，其专用于分析所有的冷凝物/电流和温度测量结果，该结果是控制冷却/加热循环和确定可冷凝物的存在及其浓度所需要的。电子控制单元从工厂电力系统54中获得电力。

参见图13，我们提供了一种系统，其能被用于从管道60中抽取烟道气的样品或滑流，并且调节样品来分离物种的组分。样品被从管道中提取并通过一个冷却区61和一个加热区62来按要求地冷却或加热气体。我们优选地提供了一个气体在被准却或被加热前流过的惯性过滤器63。已经被加热或冷却的气体然后被引导通过阀歧管64并经过一个如图14所示的露点探头65或66。排放装置67被设置在系统内来产生一种吸力，以便通过系统提取气体样品，并通过管道返回气体。有了这种系统，烟道气可以根据需要被有选择地加热或冷却。

如图13所示的系统可以被用于带有微粒的样品的滑流来测量气态的H₂SO₄(v)和所有的H₂SO₄和过滤去除掉微粒的另外的滑流来测量H₂SO₄(v)和H₂SO₄(气雾化的)。这两种气流都将穿过冷却区61和加热区62。这两个区域中任一个或全部可以被关闭。阀歧管64将允许样品被管送至任一个露点监测器65、66或在每一个循环之后转换。也可以多路传输两个样品至一个露点监测器。

图13所示的系统是基于流量、速度和压力限制来设计的，以便用等动力采样来模仿管道中的速度(～45英尺/分钟)。所述露点探头需要一个2″的管接头。此系统可以在一个平衡通风或正压单元中取样。此系统可以用来在空气加热器(600到850°F)之前，在空气加热器和ESP(400到300°F)之间、在ESP(350到200°F)之后、烟囱(100到300°F)中取样。冷却区61可以通过温度控制把烟道气从850降到350°F。加热区域可以通过温度控制把烟道气从100升到600°F。

在如图14所示的调节探头70中，压缩空气被注入以产生一个压降，该压降把烟道气吸入腔体71。压降和由这样的设备产生的流动限制能够通过一个利用压缩空气作为推动力的空气放大器73来克服。一种双皮托管(没有示出)可以被用来调整进入空气放大器的压缩空气的压力来保证等动力流动。流动导向叶片74可以被用于产生需要的、穿过探头末端65、66的流动方式。整个设备能够安装在一种4″法兰形气口。

我们的方法不仅能用于确定烟道气中可冷凝物的浓度，而且还能用于控制炉子的操作从而控制SO₃和其它冷凝物的形成速率。此控制可以通过使用工厂DCS计算机来实现，所述计算机控制着向烟道气中的添加剂的注入以及可能的炉子操作的其它方面。计算机以用我们的方法发现的SO₃的存在及其浓度为基础，对注入器或燃烧器进行调节。我们的方法可以提供反馈用来控制具体的工厂设备的操作温度，使其高于最低温度来避免冷凝和污垢沉积物的累积。这包括控制SCR操作温度高于动态的AbS冷凝温度以防止催化剂污损，和控制空气加热器的出口温度以防止在AH和ESP中污垢物质的凝结。

我们可以使用探头反馈作为输入值输进旋转式空气加热器的热动力模型中，所述模型计算当金属温度可能低于动态形成温度时金属表面的温度以便确定冷凝物形成处的深度(形成深度)，以及当金属温度可能高于动态蒸发温度时超过就引起冷凝物自蒸发的深度。然后我们可以检测这些深度来确定它们是否在空气加热器的吹灰器的可清洁区域内，如果它们超过了吹灰器的可清洁区域，控制空气加热器的出口温度以便提高金属表面温度，从而这些冷凝深度落在吹灰器可清洁深度的范围内。进一步地，探头数据结合空气加热器操作模型可以被用来控制空气加热器的实时转速，以使最大的金属温度高于可冷凝材料自汽化所需要的温度。我们可以控制在空气加热器中的不同深度上的最大空气加热器温度，通过使用各种各样的装置，例如加热盘管、空气支路气门，还可以控制转速以使冷凝物自汽化。探头提供了进入热动力模型的输入值，模型的输出值给控制提供了必要的数据。

我们的方法被用于优化空气加热器的出口温度以便最大化地回收热量(最小化耗热率)，以增加燃烧系统的效率，因此也能减少每单位发电量所产生的CO₂量。

我们的探头可以给控制烟道气调节系统提供反馈来保证ESP的高效操作，此ESP在ESP的出口处具有最小化的硫酸和硫酸雾(SAM)从而控制与蓝色烟羽和SAM有关的不透明度。

虽然我们已经在燃煤锅炉和烟道气检验范围内论述了我们的方法和探头，但是我们的方法不仅限于此。此方法和探头延伸到任何多组分气中的所有可冷凝物。这可以包括在涉及多组分气体的任何化学方法中产生或发现的气体，也包括在油气钻井领域中遇到的气体。此外，本方法可以在很宽的温度范围内使用，从低温空气到高温金属凝结气。

虽然我们已经描述了用于确定含有可冷凝物种的气体中存在的可冷凝物种的量的本发明探头和方法的某些目前优选的实施方案，但是应该清楚地理解，本发明不限于这些实施方案，而是可以在下列权利要求的范围内以不同的方式来实施。

Claims (19)

1.确定在含有可冷凝物种的气体中存在的可冷凝物种的量的方法，该方法包括：

在含有可冷凝物种的气体中放置一个探头，所述探头在外部的不导电的表面上有多个间隔开的触点；以选定的加热速率加热所述外部的不导电的表面，然后在选定的时间段内以选定的冷却速率冷却所述外部的不导电的表面；

在所述选定的时间段内监测触点之间的电流；

在所述选定的时间段内监测探头的不导电的表面的温度；

在所述选定的时间段内识别电流曲线中的峰；

识别与每个峰相对应的时刻的温度；以及

在每个识别的温度处关联哪种可冷凝物种具有动态露点；以及

对每种已识别的可冷凝物种，比较该物种的已识别的温度与该物种的露点温度和浓度之间的预定相关性，来确定气体中存在的该可冷凝物种的浓度。

2.权利要求1的方法，其中将探头加热从1/2至30分钟的时间段。

3.权利要求1的方法，其中将探头冷却从1/2至30分钟的时间段。

4.权利要求1的方法，其中所述气体为烟道气。

5.权利要求4的方法，其中所述可冷凝物种是硫酸氢铵、硫酸氢钠、三氧化硫和水中的至少一种。

6.权利要求4的方法，还包括向烟道气流中注入一种添加物，所述添加物是从由氨、氨化合物、钙、钙化合物、钠、钠化合物、镁和镁化合物组成的组中选择的。

7.权利要求6的方法，其中所述添加物是以所识别的可冷凝化合物为基础选定的。

8.权利要求4的方法，其中将氨注入到烟道气中，且硫酸氢铵已经被确定为冷凝化合物，还包括调整氨的注入，以从烟道气中最小化或消除硫酸氢铵。

9.权利要求8的方法，其中通过不同的喷嘴将氨注入，进一步包括调整至少一个喷嘴，以便改变通过所有那些喷嘴的氨的流量。

10.权利要求1的方法，还包括在所述选定的时间段中调整所述选定的加热速率。

11.权利要求1的方法，还包括在所述选定的时间段中调整所述选定的冷却速率。

12.权利要求1的方法，其中所述气体为烟道气，并且至少一种添加物通过至少一个注入器被注入到烟道气中，包括根据已经在烟道气中发现的至少一种可冷凝物种的浓度调整所述至少一个注入器。

13.权利要求1的方法，其中所述气体为发电厂中的烟道气，并且进一步包括控制具体工厂设备的操作温度，使其高于最低温度以避免已发现存在的可冷凝物种的冷凝。

14.权利要求13的方法，其中所述工厂设备是至少一个空气加热器。

15.权利要求14的方法，其中控制所述空气加热器的操作温度以使热回收最大化。

16.权利要求1的方法，还包括将探头加热至一个温度，该温度高于其中插有探头的气体的温度。

17.权利要求1的方法，其中将钠以选定的速率注入所述气体中，进一步包括在确定了已经发现存在于气体中的钠化合物可冷凝物种的浓度后调整钠的注入速率。

18.确定气体中是否存在三氧化硫的方法，包括：

获得可能含有三氧化硫的气体的样品；

将所述样品加热至高于500°F的温度以分解并蒸发在该样品中存在的所有微粒和气溶胶硫酸；

将所述样品冷却至低于400°F的温度以便把所有的三氧化硫转变为硫酸；

在样品中放置一个探头，该探头在外部的不导电的表面上有多个间隔开的触点；以选定的加热速率加热所述外部不导电表面，然后在选定的时间段内以选定的冷却速率冷却所述外部不导电表面；

在所述选定的时间段内监测触点之间的电流；

监测所述探头的不导电表面的温度；

确定在电流曲线中是否存在峰；

识别与每个峰相应的温度；并且

确定已识别的温度是否相应于硫酸的动态露点。

19.权利要求18的方法，还包括：

在所述样品已被加热之后且在冷却之前使样品通过脱除灰分微粒的惯性过滤器；以及

然后使样品通过在600至900°F的温度范围内操作的催化脱氮催化剂。

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