CN102438943B - 三氧化硫和硫酸的产生 - Google Patents

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Abstract

本文的配置包括用于产生和保持三氧化硫气体的新方法和装置。操作该产生系统和方法以提供用于校正三氧化硫检测装置的三氧化硫校正气体。所述系统和方法通过加热的催化剂提供了已知浓度的三氧化硫气体，其能够精确校正检测装置。所述系统部分通过控制温度、水分含量、保留时间、催化剂选择、稀释产生的三氧化硫并通过将三氧化硫发生器定位于三氧化硫检测系统的注入点而运行。

Description

三氧化硫和硫酸的产生
背景
来自诸如烧煤设备的烟气的矿物燃料燃烧设施和城市固体废物焚烧装置的排放物，通常包含三氧化硫(SO3)。煤和石油燃料通常包含硫化合物。燃烧这样的含硫化合物产生二氧化硫(SO2)。燃烧设施通常启用带有催化剂的污染控制设备以去除一氧化氮(NO)。NO控制设备(选择性催化还原SCR)的负面作用是产生三氧化硫。在去除NO的过程中，通常一部分二氧化硫排放物被氧化从而生成三氧化硫，其从污染控制设备排出。三氧化硫具有强的水亲合力并在水分的存在下迅速变成硫酸(H2SO4)。
由于若干原因而是不期望产生三氧化硫排放物的。离开排气管或烟囱的三氧化硫和/或硫酸能导致污染。硫酸是酸雨中的常见试剂。三氧化硫对于燃烧设施的设备使非常具有腐蚀性的。离开排气管的三氧化硫能表现出蓝色烟柱，即排出的烟增加不透明度和可见的空气污染。用于减少其它污染物的选择性催化还原方法具有在烟气中生成较高的三氧化硫水平的作用。这样的更高水平的三氧化硫对某些污染物的去除造成不利影响。例如，作为吸附方法的一部分，通常使用活性炭将汞从烟气中去除。通过在吸附方法过程中出现的更高水平的三氧化硫，从烟气中去除的汞的百分比降低。由于潜在的环境污染、腐蚀燃烧设备以及对其它污染控制系统的不利影响，检测、监控和控制三氧化硫排放是重要的。
概述
有若干类型的能用于检测三氧化硫的检测系统。这样的系统包括傅立叶变换红外光谱法(FTIR)、可调谐二极管激光光谱法、酸露点、转化和荧光性、过滤相关性和光腔衰荡法(cavity ring-down)。这些系统中的一些直接检测三氧化硫，而其它则间接检测三氧化硫。酸露点方法推测H2SO4。例如，其仅检测酸露点，其与水浓度和气体温度信息结合，用于计算H2SO4。此外，转化和荧光体系要求将三氧化硫转化为二氧化硫，然后在三氧化硫转化剂之前和之后进行二氧化硫的检测从而推测三氧化硫量。这些体系中的一些的检测限较差，这意味着这样的体系不能检测低于某些浓度的三氧化硫量或成比例关系的烟气。
化学工业基本上使用术语三氧化硫标识H2SO4和SO3，这种相对不准确性是有待理解的。在多数常规应用中，两种化合物之间的区别并不重要，因此存在该不准确的标识。这意味着在有些情况下系统声称检测的是三氧化硫，而实际上并非直接检测。这样的体系直接检测硫酸的浓度，然后推测或计算转化或缩合为硫酸之前存在的三氧化硫的量。如本文使用的，为讨论某些实施方案，直接检测SO3意思是与检测硫酸相反而检测三氧化硫气体。
通常，必须校正用于检测三氧化硫的设备。由于若干原因校正是重要的。燃烧系统的苛刻条件能对灵敏的检测装置造成影响。没有适当和常规的校正，检测装置中的误差能放大并导致错误的结果。为了设备的适当校正，检测系统可能需要用于产生三氧化硫校正气体的气体源。
产生三氧化硫校正气体是具有挑战性的。三氧化硫气体不稳定并难于保持。因此，三氧化硫气体通常不能够通过购买获得。例如，三氧化硫不以在罐或气缸中分离和储存的气体形式销售。由于在水的存在下和/或在低温下三氧化硫迅速转化为硫酸，因此存在缺少三氧化硫的可利用气体源。相比之下，二氧化硫气体在室温下稳定并通常可以购买。因此，对于直接检测三氧化硫的体系以及使用三氧化硫用于校正，其难题在于提供用于校正设备的三氧化硫气体。
本文讨论的技术完全克服了提供三氧化硫校正气体的挑战。例如，本文的实施方案包括用于产生和保持三氧化硫气体的新方法和装置。发生器方法包括接收已知浓度或量的二氧化硫气体。例如，气体源储存了已知浓度的二氧化硫气体。通过从气体源以已知速度吸取二氧化硫气体，发生器方法接收已知浓度的二氧化硫气体。除接收二氧化硫之外，发生器方法包括接收氧化剂气体，例如氧气或空气。在一个实施方案中，能从包含二氧化硫和空气的相同气缸中接收诸如空气、氧气等的氧化剂以及二氧化硫。根据其它实施方案，能从不同的气体源接收二氧化硫和空气。
在收到二氧化硫和试剂之后，发生器方法输送已知浓度的接收的二氧化硫气体和接收的氧化剂气体通过催化剂。例如，发生器方法将气体引导至金属催化剂的表面积。例如发生器方法将催化剂加热至足够的温度以使已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体反应从而产生已知浓度的三氧化硫气体。然后，发生器方法将三氧化硫气体保持在气态形式。以气态形式保持三氧化硫的优势是能够将三氧化硫气体输送用作需要三氧化硫的系统的校正气体。
发生器方法另外的实施方案包括通过使用加热的空气稀释产生的三氧化硫气体而以气态形式保持三氧化硫气体，并在接近催化剂温度或高于硫酸的缩合/转化点的较高的温度下保持空气。使用基本上不含水的加热的空气稀释三氧化硫气体，这使三氧化硫的进一步的反应减慢，从而降低三氧化硫转化为硫酸的可能性。也许更重要的，三氧化硫的稀释允许在输出的校正气体样品中调整三氧化硫的浓度。在一个实施方案中，将产生的三氧化硫气体稀释能够产生具有不同浓度的三氧化硫的校正气体。能将不同浓度的三氧化硫气体用于进行各个分析器系统的多点校正。
在另一实施方案中，发生器方法输送所产生并保持已知浓度的三氧化硫气体至三氧化硫检测装置。如上所述，已知浓度的三氧化硫气体能够校正检测装置。检测装置能为傅立叶变换红外(FTIR)光谱设备、与光学元件(optical cell)共同使用的可调谐二极管激光或用于识别化学品和/或化学品浓度的其它合适的设备。
在另一实施方案中，发生器方法基于通过催化剂的三氧化硫气体的流速来调整催化剂的温度。改变流速同时保持催化剂处于恒温将影响二氧化硫转化为三氧化硫的转化率。如果流速升高，当温度保持恒定时，那么转化率降低。为保持转化率，为了使已知浓度的二氧化硫以较高流速通过催化剂，能将催化剂加热至较高的温度。
如上所述，产生的三氧化硫气体的主要用途之一是用作校正气体。使用较高浓度的三氧化硫和通过具有已知浓度的校正气体，校正更精确。在一个实施方案中，发生器方法基于流速调整温度以保持高于约99％的转化率。
除上述方法之外，本文的实施方案还包括用于产生和保持三氧化硫气体的装置或系统，换言之，也就是三氧化硫发生器。发生器包含接收已知浓度的三氧化硫气体和氧化剂气体的输入端。例如，发生器使用一个或多个气体罐用于储存和输送气体。发生器包括装有催化剂的室和加热器或加热源以加热所述室和/或催化剂。能构造该室以将已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体暴露于催化剂。催化剂是诸如金属的固体材料，因此具有表面积。催化剂能为降低使二氧化硫与氧化气体反应以产生三氧化硫所需的能量的任何材料。例如，催化剂能为诸如铂或钯的金属催化剂。发生器包含加热器，配置其以加热催化剂从而使已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体反应成为已知浓度的三氧化硫气体。
根据本文的实施方案，三氧化硫发生器的输出端排出已知浓度的三氧化硫气体用于校正试验。与输出端连接的三氧化硫气体输送管道将三氧化硫气体以气形式保持以用作校正气体来使用。如上简述的，在二氧化硫转化为三氧化硫之前或之后，能配置发生器或气体输送管道以稀释三氧化硫气体从而改变校正气体中三氧化硫的相对浓度并降低三氧化硫进一步反应的可能性。
在另一实施方案中，气体输送管道与三氧化硫检测装置连接。能将气体输送管道和检测装置二者加热以防止三氧化硫进一步反应成为H2SO4。气体输送管道和检测装置能独立地包括操作加热源，或者能将二种组件设置在常规加热环境中。加热环境或加热源保持已知浓度的三氧化硫气体处于或高于诸如缩合/转化温度的临界温度，在该温度下，在水的存在下三氧化硫易于转化成为硫酸。因此，将三氧化硫加热(高于缩合/转化温度)能防止三氧化硫转化成为硫酸。
能将整个发生器系统封装在燃烧气体探测器内，其中配置探测器以与燃烧系统或废气管或该管的上游排气管道系统连接。
本文的实施方案能够供应已知浓度的三氧化硫以校正直接检测从诸如烟道的气体源中回收的样品气体中的三氧化硫的设备。
应注意的是，能独立地或以组合的形式实施本公开中讨论的各个不同的特征、技术、配置等。因此，能以多种不同的方式体现和理解本发明。而且，应注意的是，本文的该概述部分不具体说明本公开或要求保护的发明的每个实施方案和/或增加新的方面。相反，该概述仅提供了不同实施方案的初步讨论以及相对于常规技术的相应创造性点。对于本发明另外的细节、元素和/或可能的观点(替换)，读者参考如下文进一步讨论的本公开的详细描述部分和相应的附图。
附图简述
前述内容在本发明下列优选实施方案更详细的描述中将非常明显，如在附图中所表示的，其中在不同的视图中同样的参考字符是指相同部分。附图不必按比例绘制，而是重点在于示出本发明的原理。
图1是本文实施方案的三氧化硫产生系统的示意图。
图2是本文实施方案的三氧化硫产生方法的流程图。
图3-4是本文实施方案的三氧化硫产生方法的流程图。
图5是在10％的水下三氧化硫和硫酸平衡的曲线图。
图6是在0.5％的水下三氧化硫和硫酸平衡的曲线图。
详细描述
本文实施方案包括用于产生和保持三氧化硫气体的新方法和装置。运行产生系统和方法以提供用于校正三氧化硫检测装置的三氧化硫校正气体。所述系统和方法提供了已知浓度的三氧化硫气体，其能够精确校正检测装置。所述系统部分通过使用加热的催化剂以产生具有已知浓度的三氧化硫的气体、稀释产生的三氧化硫气体、控制温度和转化/稀释之前和/或转化/稀释之后的水分含量以及通过将三氧化硫发生器定位在直接检测三氧化硫的三氧化硫检测系统的注入点而运行。
现在，更具体地，图1描述了三氧化硫发生器140。发生器140包括气体源105。在一个实施方案中，气体源105为包含二氧化硫和空气的气体混合物的气缸。阀117-1控制气体从气体源105流入管道110。此外，阀116-1和质量流速控制器152-1控制气体(从气体源105中接收的)流入氧化室130。
氧化室130包含催化剂120。如随后在本说明书中更详细讨论的，氧化室130中的催化剂120提供了(相对无水环境(例如包括温度控制的金属表面积)用于使接收的二氧化硫气体和空气(所述空气包含氧气)反应生成已知浓度的三氧化硫气体。
在一个实施方案中，加热器125能用于加热催化剂120和接收的气体(例如从气体源105接收的二氧化硫气体)以帮助二氧化硫在氧化室130中转化为三氧化硫。例如，加热器125将氧化室130加热至所需的温度。
三氧化硫发生器140将产生的三氧化硫校正气体输出进入管道177。因此，管道177接收由氧化室130产生的三氧化硫气体(例如校正气体)。管道177输送三氧化硫气体至光学腔180，其中然后将产生的三氧化硫校正气体用于校正与光学腔180连接的光学系统。校正之后，光学系统能用于检测样品中光学能量的吸收以确定气体样品中三氧化硫的浓度。在一个实施方案中，光学腔180为用于与激光光谱共同使用的赫里欧型多通道光学元件。在通过引用并入的相关申请中能获悉使用产生的三氧化硫气体校正的三氧化硫检测系统的另外细节。
应注意的是，除校正光学系统之外，能使用本文产生的校正气体校正任何类型的三氧化硫检测系统。
而且，如所显示的，发生器140能任选包含水合模块162以使由三氧化硫发生器140产生的样品水合。
如前面所讨论的，能配置气体源105以向三氧化硫发生器140提供二氧化硫和空气的气体混合物。在一个实施方案中，气体混合物包含万分之一的二氧化硫(即来自气体源105的气体具有已知浓度的二氧化硫)和百万分之一的水。因此，由气体源105提供的气体混合物主要为空气。
如下文更详细讨论的，本文实施方案包括提供无水环境或控制湿度的环境用于将气体混合物中的二氧化硫转化为三氧化硫。二氧化硫和空气的气体混合物中少量水的存在可导致一部分二氧化硫转化成为硫酸。然而，水的量很小(例如从气体源105接收的百万分之一)且这样的水不能污染传送通过管道110、氧化室130、管道177等的气体混合物，确保了用于校正的三氧化硫气体具有已知的浓度。因此，本文实施方案包括防止二氧化硫气体、三氧化硫气体、试剂气体等暴露于水。
能通过从气体源107接收的气体稀释由氧化室130输出的三氧化硫的样品校正气体。例如，能配置质量流速控制器152-3以控制当通过氧化室130输出时，稀释已知浓度的三氧化硫气体的速度。
在一个实施方案中，质量流速控制器152-3通过第一量稀释三氧化硫气体样品以校正光学腔180和以第一浓度设置的相关光学系统；质量流速控制器152-3通过第二量稀释三氧化硫气体样品以校正光学腔180和以第二浓度设置的相关光学系统；质量流速控制器152-3通过第一量稀释三氧化硫气体样品以校正光学腔180和以第三浓度设置的相关光学系统。
发生器140能将环境的温度保持在144至225摄氏度至600摄氏度以促进转化。发生器140能保持诸如管道177的环境145处于诸如200摄氏度至300摄氏度的根低温度。
有利的是将气体源105和/或气体源107、质量流速控制器和水合器108保持处于室温，上述部分与加热环境144和145分离或在加热环境144和145外部。
在一个实施方案中，发生器140将加热环境144和145的温度保持在高于硫酸的缩合/转化点(例如临界温度值)的温度。环境145能包含管道177和/或光学腔180。因此，能将本文描述的系统的任何部分或所有部分加热以促进二氧化硫的转化和/或使用三氧化硫气体作为校正气体。
图2-4描述了例示发生器140根据本文的实施方案执行的发生器方法的流程图。参考图2，在步骤210中，发生器140接收已知浓度的二氧化硫气体，例如来自气体源105的二氧化硫。通常二氧化硫气体在环境温度下是稳定的，因此能储存在邻近室130的罐或筒中。如前面提及的，二氧化硫气体的储存容器中可为纯的二氧化硫气体或可包含一些氧气、空气或惰性气体。根据一个实施方案，不管采用何种储存方法，储存的二氧化硫气体的浓度是已知的。例如，将已知浓度表示为百万分之几(ppm)或十亿分之几(ppb)形式的数值。
在步骤220中，发生器140接收氧化剂气体。在该示例性实施方案中，能通过管道110从气体源105中接收诸如氧气的氧化剂。如上所述，能在罐105中储存氧气以及二氧化硫。因此，能从相同的气体源中接收二氧化硫和试剂。在该实施方案中，将氧气与二氧化硫在罐105或其它合适的二氧化硫气体源中预混合。将质量流速控制器152-2关闭以防止另外的氧化剂气体流入。二氧化硫气体和氧化剂均流动通过管道110。质量流速控制器152-1控制和/或检测二氧化硫/氧化剂混合物在氧化室130中暴露于催化剂120之前的流速。
如上所述，从不同的气体源交替接收二氧化硫和氧气。换言之，可选择的是，将二氧化硫供应与氧气供应分离。然而，保持气体处于相同的气缸(例如在与不同的气体源相反的气体源105)中可能是有利的，因为这种形式的装置能简化所述系统。
在该后面的实施方案中，当从不同的气体源接收二氧化硫和试剂时，阀116-2能使气体传送至室130和/或管道114。空气干燥器108能任选为来自任何氧气气体源的干燥气体。在一个实施方案中，发生器140包含气体源107。气体源107储存从二氧化硫的容器105中分离的诸如氧气的氧化剂。在这样的实施方案中，质量流速控制器152-1和152-2分别控制和检测二氧化硫气体和所述氧化剂气体的流速。质量流速控制器152-1和152-2还控制在暴露于催化剂120之前的气体的混合。
在另一替代实施方案中，发生器140能通过通气孔109从发生器140周围的环境中吸或抽取空气来代替从气体源107接收的氧化剂，并输送空气通过空气干燥器108以在与二氧化硫气体混合之前从氧化剂气体中去除水分。阀116-3和117-2控制氧化剂气体的气体源。
通过氧化室130接收的三氧化硫和氧化剂气体基本上不含水。例如，气缸105包含二氧化硫、空气和约1ppm以下的水。
在步骤230中，发生器140以上述任何方式将接收的已知浓度的二氧化硫气体和接收的氧化剂气体暴露于催化剂120。催化剂120能为金属物质或物质的混合物，例如钯、铂、不锈钢、氧化铁、钒或其它合适的降低将二氧化硫氧化成为三氧化硫所需要的能量的金属或非金属物质。热力学上，二氧化硫在氧气的存在下倾向于变为三氧化硫，因为三氧化硫的能态低于二氧化硫。然而，由于在任何转化之前有待克服的能垒，因此没有自发的转化。使用催化剂通过降低活化能而降低能垒，其能使该放热反应在较低的温度下进行。
能以若干方式配置催化剂120以促进三氧化硫气体的产生。例如，如上所述，催化剂120停留在运行通路中使得二氧化硫和氧化剂气体彼此混合并暴露于催化剂120中材料的表面。在一个实施方案中，催化剂120包含一系列疏松的金属材料(例如微粒、粉末、薄片、颗粒等)以建立二氧化硫和氧化剂气体必需通过的过滤器或通路。熔块127-1和127-2将金属颗粒保持在适当的位置。使用熔块127的颗粒包装为促进二氧化硫反应成为三氧化硫提供了大量表面积。
发生器140使用加热器125以将催化剂的温度加热至120至225℃至600℃从而促进已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体反应成为已知浓度的三氧化硫气体。加热器125能为诸如管壳加热器的任何热源。在不含表面催化剂的情况下，当充分加热时，例如高于约600℃，能将与氧气混合的二氧化硫转化为三氧化硫。然而，在催化剂120的存在下，能基本上降低氧化二氧化硫所需的温度。例如，在催化剂120的存在下，225℃至600℃的温度足以产生三氧化硫。
根据一个实施方案，产生的三氧化硫气体的浓度是已知的，部分因为二氧化硫气体的浓度是已知的，并且通过控制发生器140参数反应转化率是已知的。
二氧化硫反应成为三氧化硫是一对一的反应。如果二氧化硫气体的起始浓度在100ppm的数量级上且所有二氧化硫均反应成为三氧化硫，那么结果为100ppm的三氧化硫。一些参数包括入口流速、出口流速、催化剂120的温度、表面积和相对湿度。通过非限制性实例，控制与发生器140有关的任何或所有这些参数能够产生精确至约百分点或更小的已知浓度的三氧化硫气体。换言之，发生器140将约99％的二氧化硫气体转化为三氧化硫气体。
通过产生三氧化硫气体和通过已知如此高的精确度水平的三氧化硫气体浓度，光学腔180能使用该已知浓度来校正光学腔180，从而能够精确检测烟气中三氧化硫样品的浓度。
在步骤240中，发生器140将产生的已知浓度的三氧化硫气体保持在气态形式。硫酸是化学工业常用的试剂并对许多应用是重要的。产生硫酸的常规方法是氧化二氧化硫成为硫酸。在该方法中，变为硫酸之前二氧化硫短暂地转化为三氧化硫。
参考图3和4，根据本文的实施方案，三氧化硫气体产生方法能包括另外的处理步骤。
在步骤210中，发生器140通过管道110从罐105中接收已知浓度的二氧化硫气体或二氧化硫气体与氧气的混合物。当质量流速控制器152-1控制二氧化硫进入室130的流速时，阀117-1和/或阀116-1能使二氧化硫和试剂流动通过管道110。
在步骤212中，发生器140预加热二氧化硫气体。例如，在将二氧化硫气体暴露于催化剂120之前可加热二氧化硫。在一个实施方案中，能使用加热源包裹管道110以加热管道110和接收的二氧化硫和/或试剂。
在一些实施方案中，气体源105在环境温度例如室温下保持二氧化硫气体。如上所述，在管道110中预加热二氧化硫气体能提高反应效率。
转化效率的参数之一是在催化剂120下的反应温度。如果催化剂120的温度随时间而变化，那么转化效率可变化。该温度的变化使所产生的三氧化硫浓度不能够精确地获知。因此，控制加热器125处于或高于临界值是有用的。
在一个实施方案中，如上所述，在步骤220中，发生器140通过管道110接收诸如氧气的氧化剂气体。
在步骤230中，发生器140将已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体暴露于催化剂120。发生器140将催化剂120的温度加热至约225℃至600℃以使已知浓度的二氧化硫气体和氧化剂气体反应成为已知浓度的三氧化硫气体。由于催化剂120被加热，也将已知浓度的接收的氧化剂和二氧化硫气体的组合加热至约225℃至600℃。
在步骤232中，发生器140控制催化剂120的温度。在一个实施方案中，二氧化硫气体和试剂的流速基本上恒定并将催化剂120的温度控制为225℃至600℃的值。在这样的实施方案中，提供不同量的稀释气体通过管道114以产生不同浓度的校正气体。
在某些其它的示例性实施方案中，发生器140基于流向或通过催化剂120的已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体的流速来控制催化剂120的温度。例如，对于较高的流速，发生器140能将催化剂的温度控制在较高的温度值，对于较低的流速，发生器140能将催化剂的温度控制在较低的温度值。
因此，加热器125和/或环境144的温度根据通过氧化室130的气体的流速而变化。例如，一些实施方案中，通过氧化室130的流速特定为2升每分钟，而其它实施方案中流速特定为0.2升每分钟。能使用大于或小于这些量的流速进行本发明的实施方案。
对于给定的流速，可能存在加热催化剂120的相应最佳温度以促进转化。在该最佳温度下，约90％以上，诸如98％或99％或更多的传送通过催化剂的二氧化硫在氧化室130中转化为三氧化硫。最佳温度能根据各自的流速而变化。更具体地，通过非限制性实例，如果对于小于20ppm(每百万的微粒)的水量的流速为0.5升每分钟，那么反应约99％的二氧化硫的相应温度可为约450℃。如所提及的，水的量可为小于5ppm，例如为1ppm。
如果有任何水存在那么在较低的温度下三氧化硫可迅速缩合。图5和6中表示的曲线图表现了这种困难。图5表示作为1大气压条件中具有10％水的环境中三氧化硫和硫酸的平衡随温度而变。在205℃下，仅约1％的三氧化硫保持而99％变为硫酸。在318℃下，硫酸和三氧化硫的平衡约是相等的。在450℃下，约99％的三氧化硫保持在气态形式。因此，本文的实施方案能包括提供进行反应的无水环境。
图6表示1大气压条件中0.5％水代替10％水的环境中硫酸中三氧化硫的平衡。随着相对湿度降低，在较低的温度下三氧化硫能保持在气态形式。当水的量为0.5％，温度为275℃，三氧化硫的浓度为以99％存在。因此，三氧化硫需要加热从而保持在气态形式，且所需要的热量随相对湿度而变。
由于在过低的温度或过高的温度下反应二氧化硫形成复合物，因此将催化剂控制在最佳的转化温度是有用的。换言之，在较低的温度下以气体形式保持三氧化硫的困难以及较高温度下转化率的降低意味存在用于产生和保持三氧化硫气体的最佳温度或温度范围。在多数实施方案中，通过催化剂120的流速是恒定的，因此催化剂的温度基本上恒定。
在一个实施方案中，在步骤233中，发生器140在不同的时间段并以不同的流速将已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体暴露于催化剂120。例如，在第一时间段，质量流速控制器152-1和152-2以第一流速输送气体混合物通过催化剂120。该第一流速为恒定的。在第二时间段，质量流速控制器152-1和152-2以第二流速输送气体混合物通过催化剂120。第二流速为恒定的。在第三时间段中，质量流速控制器152-1和152-2以第三流速输送气体混合物通过催化剂120，其中所述第三流速为恒定的。如上所述，能配置发生器140以根据不同时间段中的不同流速调整催化剂120的温度从而以高于约99％的效率水平将二氧化硫气体转化为三氧化硫气体。对于各个流速，存在导致高的和/或已知转化率的相应的最佳温度。
在步骤240中，发生器140以气态形式保持已知浓度的三氧化硫气体。不存在用于将99％纯的三氧化硫以气态形式保持存在足够长的时间的常规体系和方法以被分析从而校正直接检测三氧化硫的系统。
在步骤242中，发生器140使用诸如从管道114接收的加热的空气的气体来稀释三氧化硫气体。发生器140通过加热环境145来保持稀释的三氧化硫气体高于硫酸的转化/缩合点。如前面讨论的，通过从气体源107接收的气体稀释三氧化硫改变了在传送通过光学腔180的校正气体中的三氧化硫的浓度。
如需要，在替代实施方案中，能配置发生器140在传送样品气体通过催化剂120之前使用例如加热的空气稀释三氧化硫气体。在转化反应之前稀释气体混合物能改变效率水平。因此，本文的多数实施方案包括通过传送稀释气体通过管道114来稀释由氧化室130输出的三氧化硫。
如上所述，质量流速控制器152-3控制稀释量或速度。在一个实施方案中，发生器140能在1份至25份稀释气体比1份三氧化硫校正气体的范围内稀释从氧化室130输出的三氧化硫。名义上，发生器140以约6份稀释气体比1份从氧化室130输出的三氧化硫气体来进行稀释。发生器140保持稀释气体基本上不含水。
在另外的实施方案中，将光学腔180用于检测(非校正型)具有未知浓度的样品气体的气体样品。能预先知道受检测的非校正气体中三氧化硫接近设定值的浓度。为促进更精确产生用于接受试验的非校正样品的三氧化硫浓度值，本文的实施方案能包括将通过氧化室130输出的三氧化硫校正样品气体稀释至合适的量以等于基本上等于非校正气体样品中三氧化硫的预期量。使用本文描述的一个或多个校正气体浓度处于或围绕设定值(以及围绕设定值的一个或多个其它值)来校正光学系统能帮助确保用于未知样品而产生的浓度值是精确的。当在校正中使用多点时，能使用线性方法以提供用于设定值左右的多个校正点的精确校正的光学系统。
在步骤250中，发生器140传送一部分具有已知浓度的三氧化硫气体的稀释的三氧化硫气体通过光学腔180。某些实施方案可能需要所有产生的三氧化硫气体传送通过光学腔180。在这样的实施方案中，发生器140引导一部分稀释的三氧化硫混合物进入光学腔180，然后将剩余的气体混合物排出系统外部。
在步骤252中，发生器140将稀释的三氧化硫气体传送至使用可调谐二极管激光检测三氧化硫的多通道光学元件。这样的多通道元件能为赫里欧型光学元件、怀特型光学元件等。如上所述，发生器140能使用氧化室180以检测使用气相光谱法的三氧化硫。
在步骤254中，发生器140通过检测传送通过光学腔180的已知浓度的三氧化硫气体来校正三氧化硫检测装置，并调整光学腔180的检测以匹配已知浓度的三氧化硫气体。通过这样的检测和调整，发生器140能检测从例如烟囱中接收的样品中的三氧化硫浓度。
在运行过程中，使用之后一种催化剂120的状态能退化。被降低的条件可防止催化剂120有效地将接收的二氧化硫转化成为三氧化硫。为恢复催化剂120成为高效率转化剂，本文实施方案能包括至少暂时将催化剂的温度加热至120至550摄氏度以上。这能具有烧除前面使用过程中催化剂120表面上聚集的任何杂质以产生三氧化硫的作用。在该加热/清洁过程之后，然后如本文描述的将催化剂用于促进二氧化硫高效率转化成为三氧化硫(例如大于98％)。
通过管道中催化物质的一些选择，催化剂120能退化或产生杂质。这还称为催化剂中毒，意思是在三氧化硫的生产过程中可能化学和/或物理地改变(涂覆)的催化剂从而所述退化降低了催化剂120的有效性或效率。催化剂120这样的退化能在三氧化硫产生的几天或几小时之后发生。然而，该退化是可逆的。在一个实施方案中，发生器140通过将催化剂120加热至约550℃以上以逆转催化退化。
在多数实施方案中存在一个设定点，除了当催化剂120不再有效地将二氧化硫转化为三氧化硫时将其恢复之外，在该点发生器140以恒定的温度运行催化剂120并保持通过催化剂120的流动为基本上恒定的流速。如所提及的，发生器140能调整温度和流速。设定点能基于不同应用而改变。例如，如果工厂从烧煤系统变为产生或多或少的三氧化硫的燃烧燃料系统，或者产生较高水平的三氧化硫的另一工业方法，那么在一个实施方案中发生器140相应地调整流速和/或温度。在另一实施方案中，发生器140使用气体源105，其具有较高浓度的二氧化硫。如上所述，在另一实施方案中，能配置发生器140以将三氧化硫校正气体稀释至接近来自样品烟气的三氧化硫气体的量的浓度用于更精确的读数。
如前面提及的，发生器140能包含水合器108以促进三氧化硫转化为硫酸。能将这样转化的硫酸用于包含三氧化硫检测装置和硫酸检测装置二者的实施方案。因此，本文实施方案能包括出于校正目的而生产三氧化硫校正气体以及生产硫酸。在后面的实例中，能降低环境144和145的温度以促进二氧化硫和/或三氧化硫转化为硫酸。通过将还称为水的一氧化二氢(H2O)加入至产生的三氧化硫气体，使三氧化硫气体转化为硫酸。发生器140能通过打开阀116-4加入水或增加相对湿度以加入水从而产生的三氧化硫。因此，通过控制湿气量和通过控制温度，发生器140能调整硫酸和三氧化硫之间的平衡。
当产生硫酸可能相对容易时，可能难于检测硫酸。若需要的话，能配置发生器140以通过将硫酸加热至能将硫酸转化为三氧化硫气体的足够热(并去除水)的温度以把硫酸转化为三氧化硫。
发生器140的位置提供了若干优点。在一个实施方案中，发生器140位于距离光学腔180小于约六英尺的位置来产生和保持三氧化硫气体。此外，发生器140和光学腔180均位于烟气检测探测器的内部，配置烟气检测探测器以连接烟气系统、烟囱或排气管。使发生器140位于探测器内部的注入点是有益的。通过加热整个探测器，在三氧化硫传送通过室130之后，发生器140保持其为气态形式。例如，探测器能保持内部温度高于硫酸的露点。通常，系统中有一定量度的水，因此保持探测器处于高温帮助以气态形式保持三氧化硫并防止转化为硫酸。除加热整个系统之外，空气干燥器108帮助保持低水平的湿度。
再次参考图1的示例性实施方案，将室130表示为强调构造催化剂120，因此表现出具有比管道110、112和17大的直径，尽管这样的构造在物理实施方案中是可选的。在一个实施方案中，应注意的是氧化室130具有近似等于用作室的输入端和输出端的管道横截面积的横截面积。在替代实施方案中，室130能具有比发生器140的管道更大或更小的横截面积。
在例示性的实施方案中，催化剂120的表面积足够大以用于已知浓度的二氧化硫气体反应并以高于约99％的效率产生已知浓度的三氧化硫气体。通过非限制性实例，对于0.2升每分钟的流速，所需的催化剂120量为5克。
所述系统能包含以多种不同方式之一配置的催化剂120。在一个配置中，催化剂120包含若干相对小且疏松的金属颗粒。为帮助引导二氧化硫气体和氧化剂气体通过或穿过催化物质，放置有这样疏松的催化物质的一副多孔熔块127以填充室130内的横截面。这副多孔熔块127实质上充当放置疏松催化材料的塞子或挡板(bookends)以便使与混合气体的接触最大化。例如，熔块127能为烧结的金属。由于熔块127为多孔的，混合气体能穿过催化剂120而传送通过第一熔块127-1并以三氧化硫气体形式通过第二熔块127-2。这样的催化材料能由铂、钯、钒、镍、氧化铁等制备。
在另一实施方案中，发生器140是相对小的形成容器(formingfactor)。大多数硫酸生产设施包括大的化学反应设备。相比之下，三氧化硫气体产生系统能容纳适应小于约6立方英尺体积的探测器，同时能将室130调整为占据小于约一立方英尺的空间。
尽管相对于具体实施方案描述了方法和系统，但它们不局限于此。显然，根据上述教导许多修改和变型可能变得明显。本领域技术人员可能制造本文描述和例示的细节、物质和装置的部件的许多其它改变。
通过描述本发明的优选实施方案，现在对于本领域的一般技术人员而言明显的是，可使用结合这些概念的其它实施方案。因此，认为本发明不应受所描述的实施方案限制而仅应受附加的权利要求的主旨和范围限制。

Claims (15)

1.产生和保持三氧化硫气体的方法，所述方法包括：
接收已知浓度的二氧化硫气体；
接收氧化剂气体；
将所述已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体暴露于催化剂，将所述催化剂加热以使所述已知浓度的二氧化硫气体与所述氧化剂气体反应生成已知浓度的三氧化硫气体；
以气态形式保持所述已知浓度的三氧化硫气体；
经过三氧化硫检测装置传送部分具有已知三氧化硫气体浓度的三氧化硫气体，所述三氧化硫检测装置是测量三氧化硫的浓度的装置；
通过检测经过所述三氧化硫检测装置的已知浓度的三氧化硫气体来校正所述三氧化硫检测装置；以及
基于使用所述已知浓度的三氧化硫气体的校正来调整所述三氧化硫检测装置的检测；
其中接收已知浓度的二氧化硫气体包括在将所述二氧化硫气体暴露于所述催化剂之前预加热所述二氧化硫气体；
其中以气态形式保持所述已知浓度的三氧化硫气体包括将所述已知浓度的三氧化硫气体保持在高于硫酸的转化点温度；
其中将所述已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体暴露于催化剂包括将所述催化剂加热至225摄氏度至600摄氏度；和
将所述催化剂加热至550摄氏度以上以恢复所述催化剂的退化条件，所述退化条件导致所述二氧化硫转化成为三氧化硫的效率降低。
2.如权利要求1所述的方法，其中以气态形式保持所述已知浓度的三氧化硫气体包括：
使用稀释气体稀释所述三氧化硫气体。
3.如权利要求2所述的方法，其中经过所述三氧化硫检测装置传送具有已知浓度的三氧化硫气体的部分稀释的三氧化硫气体包括：
经过检测三氧化硫浓度的多通道光学元件传送所述稀释的三氧化硫气体。
4.如权利要求1所述的方法，其中将所述已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体暴露于催化剂包括：
在不同的时间段中，以不同的流速将所述已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体暴露于催化剂；以及
根据不同时间段中的不同流速来调整所述催化剂的温度以使二氧化硫气体以高于99％的效率水平转化为三氧化硫气体。
5.如权利要求1所述的方法，其还包括：
通过加入H2O将所述三氧化硫气体转化成为硫酸；以及
将所述硫酸加热至足以将所述硫酸转化成为三氧化硫气体的温度。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述产生和保持三氧化硫气体的方法在距离三氧化硫检测装置小于6英尺的位置发生。
7.用于产生和保持三氧化硫气体的系统，其包括：
输入端，其接收已知浓度的二氧化硫气体和氧化剂气体，所述输入端与室连接；
加热器；
所述室包含催化剂，构造所述室以将所述已知浓度的二氧化硫气体和所述氧化剂气体暴露于所述催化剂，所述催化剂具有表面积，配置所述加热器以加热所述催化剂从而使所述已知浓度的二氧化硫气体与所述氧化剂气体反应生成已知浓度的三氧化硫气体；
输出端，其与所述室连接以释放所述已知浓度的三氧化硫气体；
三氧化硫气体输送管道，其与所述输出端连接以气态形式保持三氧化硫气体；以及
三氧化硫检测装置，其与所述三氧化硫气体输送管道连接，用于接收所述已知浓度的三氧化硫气体，测量三氧化硫的浓度，其通过检测经过所述三氧化硫检测装置的已知浓度的三氧化硫气体来校正所述三氧化硫检测装置；以及基于使用所述已知浓度的三氧化硫气体的校正来调整所述三氧化硫检测装置的检测；其中所述系统包括加热源以将所述已知浓度的三氧化硫气体保持在高于硫酸的转化点温度。
8.如权利要求7所述的系统，其中将整个系统封装在燃烧气体探测器内，其中配置探测器以与废气管或该管的上游排气管道系统连接。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述探测器将内部温度保持高于三氧化硫在低于其转化为硫酸的转化点温度。
10.如权利要求7所述的系统，其中所述三氧化硫检测装置包括多通道光学腔。
11.如权利要求7所述的系统，其中所述催化剂的表面积足够大以使已知浓度的二氧化硫气体反应并以高于99％的效率产生已知浓度的三氧化硫气体。
12.如权利要求7所述的系统，其还包括：
一对多孔熔块，其放置疏松的催化剂材料以填充所述室内的横截面。
13.如权利要求7所述的系统，其还包括水合器，所述水合器用于将至少部分所述三氧化硫气体转化成为硫酸。
14.如权利要求7所述的系统，其中所述催化剂选自铂、钯、钒、镍和氧化铁。
15.如权利要求1所述的方法，其还包括：
防止所述二氧化硫气体暴露于水。
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