CN102138066A

CN102138066A - 合成气的气体品质确定方法

Info

Publication number: CN102138066A
Application number: CN2009801324325A
Authority: CN
Inventors: J·卡斯特纳
Original assignee: G Kromschroeder AG
Current assignee: Elster GmbH; Elster Kromschroeder GmbH
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-07-27
Also published as: WO2010020236A1; DE102008038278B3; US20110134430A1; AU2009284534A1

Abstract

本发明涉及主要成分为H₂、CO、CO₂、N₂、CH₄的样气的气体品质确定方法，首先利用红外光谱测量法确定样气的光谱，利用相关法由此确定样气的物质的量份额，然后换算成气体品质的特征值。测量一氧化碳CO、二氧化碳CO₂、甲烷CH₄的光吸收以及样气的热导率λ，由CO的吸收确定物质的定量份额xCO，由CO₂的吸收确定物质的定量份额XCO₂，由CH₄的吸收确定物质的定量份额xCH₄，根据物质的定量份额xCO、xCO₂、xCH₄和热导率λ，利用相关系数计算λ＝F(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄)确定未以光学方法测量的氮的物质的定量份额xisb和氢的物质的定量份额xH₂，然后由所得到的物质的量份额计算出样气的特征参数。

Description

合成气的气体品质确定方法

本发明涉及符合权利要求1前序部分所述用来确定合成气的气体品质的方法。

对于含碳燃料的能量利用而言有利的是，能够并非直接热利用或者以其它方式利用这些燃料，而是首先将其转变为所谓的合成气。在该方面合成气指的是可以用于合成反应的所有含氢气体混合物。适合用来产生合成气的有固态、液态和气态原料例如有化石燃料(例如煤炭)、再生生物质或者化学工业的废料。合成气生产典型地通过部分氧化和水蒸气重整来进行。

经由合成气利用能量具有不同的优点：

·一方面气相燃料可以被良好净化，从而减少或者避免燃烧废气中可能的有害物质，而清除废气中的有害物质则相当耗费。

·另一个主要优点是气化后的原材料在燃气轮机中有效燃烧的可能性。通过另外与利用废热的蒸汽轮机相结合，就能实现最高60％的非常好的总电效率(联合循环电站CCPP，汽-热电厂GuD)。

由此，中间步骤经由合成气在环境和能源技术方面具有优势。在普遍争论环境与能源的背景下，传统的气化技术愈加受到重视。

合成气的物质组成决定其燃烧技术参数，主要取决于气体生产的原料和工艺参数。

为了在合成气生产和使用时进行有效工艺控制，希望有一种快速、准确的合成气分析方法。

合成气典型地由以下物质成分组成：

·主要成分：H₂，CO，

·次要成分：CO₂，N₂，CH₄，

·其它成分，例如H₂O、氩气，以及典型浓度低于1％的痕量成分。

用来解决这一测量任务的可行的技术是气相色谱法。但是这种测量技术是断续的，而且比较缓慢，因此仅有条件地适用于连续且快速的过程控制。

对于合成气的单个成分，存在基于红外吸收(CO，CO₂，CH₄)的离散连续式过程测量仪，也有可用于热导率测量的市售连续式过程测量仪。但是还缺少能够对包括不能单独测量的成分H₂、N₂在内的合成气进行精确的全面而复杂的检测的方法和测量系统。

因此，本发明的任务在于，对含有决定性物质成分H₂、CO、CO₂、N₂、CH₄的合成气尽可能连续地进行工艺分析。

权利要求1所表征的特征协同前序部分的特征，提供可实现本发明的任务的解决方案。本发明的其它有益实施形式由从属权利要求提供。

本发明从具有主要成分H₂、CO、CO₂、N₂、CH₄的样气进行气体分析的方法出发，首先，借助红外光谱测量法确定样气的光谱，借助相关法由此确定样气的物质的量份额，并换算成气体品质的特征值。这类方法进一步通过如下构成：确定样气的一氧化碳CO、二氧化碳CO₂、甲烷CH₄的光吸收和热导率λ，由一氧化碳的吸收确定物质的量份额xCO，由二氧化碳的吸收确定物质的量份额xCO₂，并且由甲烷的吸收确定物质的量份额xCH₄，然后由物质的量份额xCO、xCO₂、xCH₄和热导率λ借助相关系数计算λ＝F(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄)确定光学上未获得的氮的物质的量份额xN₂以及氢的物质的量份额xH₂，然后由所得到的物质的量份额算出样气的特征参数。

这种方法的特别有益之处在于：可以基于对于样气的组分一氧化碳CO、二氧化碳CO₂、甲烷CH₄的可测量值及测量热导率λ，根据通过简单的线性方程进行的相关系数计算，直接分析算出氢H₂和氮N₂的物质的量份额。可替代地，还可考虑，也可以非线性方程进行相关系数计算，直至根据相关系数计算得出的热导率λ的值等于所测量的值。因此可以根据线性方程分析确定样气中之前未知的氢H₂和氮N₂的物质的量份额，并且据此确定样气的特征值，例如燃烧值、热值、密度、沃泊指数、甲烷数或者类似参数。气体组分的相关系数线性方程很简单，从而可以简单并因此快速执行，并且仅需要易操纵的计算效率。仅需要将一氧化碳CO、二氧化碳CO₂和甲烷CH₄的吸收值以及样气的热导率λ作为测量值。如果选用非线性方程，并且需要数值解，则需要氮的物质的量份额xN₂的初始值，可以据此算出氢的物质的量份额H₂的初始值。然后可以根据这些初始值和测量值，采用对氮的物质的量份额xN₂的值进行调整的方式迭代执行相关系数计算，然后通过比较计算出的热导率λ和测量的热导率λ_m分别对其进行调整。如果计算出的热导率λ和测量的热导率λ_m一致，则提供实际的氮N₂和氢H₂的物质的量份额，然后就可以按照物理定律，据此算出样气的其它特征值。

对于执行本方法有利的是，对于相关系数λ＝F(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄)选择如下物质的量份额构成的线性方程：

λ＝λ₀+xH₂·λH₂+xCO·λCO+xCO₂·λCO₂+xN₂·λN₂+xCH₄·λCH₄

这种方程计算技术简单且可实施分析，并且要求较小的计算效率。因此可以在运行中快速执行该方程，并因此快速得出相关系数结果以及待确定的特征值。

可替代地，对于本方法的执行而言可考虑，对于相关系数λ＝F(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄)，选择由物质的量份额组成的包含高次项和相互作用项的方程。这类非线性方程尽管比线性方程计算更加复杂，但是其可能提供较高精度的结果。这里可以经由多项式方程，以数值迭代方式求解相关系数方程。

对于线性方程以及包含高次项的方程来进行相关系数计算有利的是，对测量的热导率λ_m与通过变分迭代和计算未知的氮的物质的量份额xN₂和氢的物质的量份额xH₂算出的热导率λ进行相互比较。在此，准则是测量的热导率λ_m和算出的热导率λ基本一致，根据它可以结束相关系数计算。如果测量的热导率λ_m和算出的热导率λ一致，可以通过根据相关系数计算方程进行的倒推计算，算出未经测量技术获得的样气成分的准确的物质的量分布，然后据此测定特征值。

本方法还可以进一步由如下构成：测量样气在两个温度下的热导率(λ1，λ2)，对以下相关系数方程组进行求解，从而确定物质的量份额xH₂、xCO、xCO₂、xN₂、xCH₄以及另一种未知的成分xY

λ1＝F1(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄，xY)

λ2＝F2(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄，xY)

其它气体组分的实例为氩气Ar和水H₂O。这里也可以在确定算出的热导率λ1、λ2与测量的热导率λ1m、λ2m一致之后，算出样气的上述特征值。

附图所示为本发明方法的特别优选的实施方式，使用非线性方程借助数值迭代进行求解。

附图1 用于相关系数计算的方法以及使用非线性方程借助数值迭代执行该方法的流程图，

附图1所示为权利要求1所述方法使用非线性方程借助数值迭代进行相关系数计算的方法以及执行该方法的基本流程。

用于相关系数计算的物理依据表述如下：

可以使用以下方程来测量合成气的成分。

归一化为：

xH₂+xCO+xCO₂+xN₂+xCH₄＝1 方程GI.1

燃烧值和密度如下计算：

H＝xH₂·HH₂+xCO·HCO+xCH₄·HCH₄ 方程GI.2

ρ＝xH₂·ρH₂+xCO·ρCO+xCO₂·ρCO₂+xN₂·ρN₂+xCH₄·ρCH₄

方程GI.3

根据比尔-朗伯定律，可直接由光吸收测量确定摩尔分数xCO、xCO₂和xCH₄。必要时还必须考虑特有的偏离理想的比尔-朗伯定律的特征曲线(F1、F2、F3均为经验校准函数)：

xCO＝F1(ACO₀) 方程GI.4

xCO₂＝F2(ACO2₀) 方程GI.5

xCH₄＝F3(ACH4₀) 方程GI.6

ACO₀、ACO2₀和ACH4₀是基于参考状态(p₀，T₀)的光吸收。适合的吸收带处在红外光谱范围；典型范围是：CO 4.4-5μm，CO₂ 4.1-4.4μm，CH₄ 3.1-3.6μm。

H₂和N₂的浓度可以由测量热导率λ、方程GI.1的归一化条件和以下模型计算来确定。对于气体热导率建立线性混合物方程：

λ＝xH₂·λH₂+xCO·λCO+xCO₂·λCO₂+xN₂·λN₂+xCH₄·λCH₄方程GI.7

可以如下地转换归一化条件：

xN₂＝1-xH₂-xCO-xCO₂-xCH₄ 方程GI.8

将方程GI.8代入方程GI.7之中，求解得出摩尔份数xH₂

x H_{2} = \frac{λ - xCO \cdot (λCO - λ N_{2}) - x {CO}_{2} \cdot (λC O_{2} - λ N_{2}) - x {CH}_{4} \cdot (λ {CH}_{4} - λ N_{2}) - λ N_{2}}{λ H_{2} - λ N_{2}}

方程GI.9

由此可由测量值确定氢的浓度xH₂，因此也可根据方程GI.8计算浓度xN₂。

这样就确定了所有气体组分的摩尔份数，并且可分析计算目标值H、ρ。

如果选用非线性方程，并且需要按照附图1进行数值求解，则需要氮的物质的量份额xN₂的初始值，可以据此算出氢的物质的量份额H₂的初始值。然后可以根据这些初始值和测量值，通过对氮的物质的量份额xN₂的值进行调整迭代执行相关系数计算，并分别通过比较计算出的热导率λ和测量的热导率λ_m进行调整。如果计算出的热导率λ的值和测量的热导率λ_m一致，则提供实际的氮N₂和氢H₂的物质的量份额，然后由此可以按照物理定律，算出样气的其它特征值。

例如也可以如下实现用来完善和改变所述方法的方程：

·可以用高次项和相互作用项来完善方程GI.7的热导率。那么分析求解可能不再可能。从而可以通过数值迭代来确定未知量xH₂以及xN₂。

·可以通过另外测量在不同温度的热导率，获得其它信息。最后，由此可以确定其它气体组分例如氩气Ar和水H₂O的浓度。

Claims

1.一种主要成分为H₂、CO、CO₂、N₂、CH₄的样气的气体品质确定方法，首先利用红外光谱测量法确定样气的光谱，由此利用相关法确定样气的物质的量份额，并换算成气体品质的特征值，

其特征在于，

测量样气的一氧化碳CO、二氧化碳CO₂、甲烷CH₄的光吸收以及热导率λ，

由CO的吸收确定物质的量份额xCO，由CO₂的吸收确定物质的量份额xCO₂，并且由CH₄的吸收确定物质的量份额xCH₄，

由物质的量份额xCO、xCO₂和xCH₄以及热导率λ，利用相关系数计算λ＝F(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄)确定光学上未获得的氢的物质的量份额xH₂和氮的物质的量份额xN₂，

然后，由所得到的物质的量份额计算样气的特征参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定燃烧值、热值、密度、沃泊指数、甲烷数或者类似参数作为样气的特征参数。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于相关系数λ＝F(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄)选择由物质的量份额组成的线性方程：

λ＝λ₀+xH₂·λH₂+xCO·λCO+xCO₂·λCO₂+xN₂·λN₂+xCH₄·λCH₄。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，对于相关系数λ＝F(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄)选择由物质的量份额组成的包含高次项和相互作用项的方程。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过数值迭代求解相关系数方程。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对测量的热导率λ_m和算出的热导率λ，通过变分迭代并算出未知的物质的量份额xN₂和xH₂进行相互比较。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在测量的热导率λ_m和算出的热导率λ存在一致性的情况下，确定所求的物质的量份额。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，测量样气在两个温度下的热导率(λ1，λ2)，并通过对以下相关系数方程组进行求解，确定物质的量份额xH₂、xCO、xCO₂、xN₂、xCH₄以及未知的气体组分xY

λ1＝F1(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄，xY)

λ2＝F2(xH₂，xCO，xCO₂，xN₂，xCH₄，xY)。