CN102539374A - 一种用于测量煤气成分和热值的方法 - Google Patents

一种用于测量煤气成分和热值的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种测量煤气成分和热值的方法，包括以下步骤：采用非分光红外技术，选择中心波长CWL/半峰带宽HWBP分别为4.66±0.05μm/90±5nm、4.26±0.05μm/120±5nm、7.85±0.05μm/180±5nm、3.46±0.05μm/120±5nm的窄带滤光片测量煤气中CO、CO2、CH4、CnHm体积浓度；采用热导气体传感器测量H2体积浓度；采用电化学传感器测量O2体积浓度，采用CH4测量值对CnHm测量结果进行修正，采用CO2、CH4测量值对H2测量结果进行修正，从而得到煤气成分中准确的CO、CO2、CH4、CnHm、H2、O2含量并自动计算热值。本发明在一台仪器内实现多组分煤气成分及热值的快速、准确的测量。相比传统方法，在仪器生产成本、准确性、快速性等多方面具有明显优势。

Description

一种用于测量煤气成分和热值的方法
技术领域
本发明涉及一种测量煤气成分和热值的方法，特别是能对气体体积浓度进行修正的方法。
背景技术
煤的气化是我国煤化工的重要组成部分，特别是在我国石油资源日益紧张的条件下显得更加重要。煤气成分的检测分析是气化炉优化控制的前提，也是煤化工行业其他工序的重要参数。高炉、转炉，焦炉以及玻璃，陶瓷等工业领域也经常需要进行煤气成分的检测。
奥氏气体分析作为一种经典的化学式手动分析器，具有价格便宜、操作方便、维修容易等优点，一直在煤气成分分析领域有广泛的应用。但是该方法是一种手动操作，精度低、速度慢，已经不能适应工业的发展需要。近年来色谱分析仪得到推广，但是色谱分析仪需要对气体进行分离后再检测，很难实现实时在线，且需要配置多个色谱柱并使用载气。红外气体分析仪在我国使用多年，但是以往技术往往只能在一套分析仪器分析单一组分，或者两组分，且该类型的仪器不仅价格昂贵，维修复杂。此外对于煤气中的CH4的测量会因其他碳氢化合物的存在而相互干扰，无法准确测量。煤气中的H2、O2体积浓度不能通过NDIR方法测出，常采用TCD测量H2体积浓度，采用ECD测量O2体积浓度，而且煤气中的CH4与其他CnHm存在相互干扰，CH4、CO2等会干扰H2。在专利CN201886002U中，发明人研发了一种煤气分析系统，该系统通过色谱分析技术能达到一次进样分析煤气中的CO2、O2、CO、CH4、H2、C2H4、C2H6等气体浓度的目的，但是该系统在分析煤气成分时需要载气，测量是间断测量，也无法实现现场便携测量。此外受色谱柱的限制，对于C3H8、C4H10等物质无法测量，因此不能得到准确的煤气热值。在专利CN101750439A中，发明人提供了一种改进型单通道氢气传感器，通过对基于热导原理的氢气传感器物理结构进行有效的改进和优化，最大限度地降低了环境和自身温度变化带来的基线漂移，但是该传感器是采用N2中的H2进行标定，如果煤气中除H2以外的其他组分，特别是CO2、CH4变化后，氢气浓度就需要修正才能得到准确浓度。由于没有CO2、CH4的数据，所以修正无法完成。在专利US2008011952A1中，ABB(Asea Brown Boveri Ltd)公司提出了一种非分光红外气体分析仪，该分析仪采用非分光红外技术，可设置多个气体传感器，达到同时测量多种非对称气体浓度的目的，同时每种气体传感器都有一个测量通道和一个对比通道这样能提高测量精度。但是此分类析仪通常采用3.4um左右的窄带滤光片测量CH4、CnHm，在煤气测量环境下，由于CnHm与CH4的的相互干扰十分大，因此无法测量煤气热值的主要来源中的CH4和CnHm。此外该仪器内不能同时配置TCD热导传感器测量氢气的浓度，即使独立安装该类型的仪器作为组合仪器使用，也没有CO2、CH4等气体对H2测量的修正，更加无法直接得到煤气的热值。
综上所述，国内目前还没有仪器可以在一台仪器内准确测量煤气中的各种成分，特别是贡献能量的CH4、CnHm、CO、H2的成分。因此有必要研究出一种能同时测量煤气中各种成分并计算煤气的热值，且能有效排除气体之间干扰的方法。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术存在的问题及缺点，本发明提供了一种更加精确的用于测量煤气成分和热值的方法。该方法与上述现有测试方法相比，具有以下的优点：本发明能同时测量多种煤气成分；通过优选NDIR窄带滤光片参数，减小不同气体之间的干扰；选择3.46μm波长滤光片测量CnHm，能将其他碳氢化合物都折算成C3H8，便于煤气热值的计算；根据所得的气体体积浓度，计算煤气的热值；使用本方法的分析仪器制造成本为传统燃烧法热值仪的1/3，只有质谱分析仪的1/10，分析速度是传统色谱仪的30倍以上。
本发明的技术方案为：
一种用于测量煤气成分和热值的方法，采用热导气体传感器(TCD)测量H2体积浓度TH2，采用电化学传感器(ECD)测量O2体积浓度，通过所测得及修正后的各种气体体积浓度来计算煤气的热值，其特征在于包括以下步骤：
(1)采用非分光红外(NDIR)技术，测量煤气中的CO、CO2、CH4、CnHm体积浓度；分别计为TCO、TCO2、TCH4、TCnHm；
(2)运用公式RCnHm＝TCnHm-A×TCH4来修正CH4对CnHm的干扰，其中，A是待定系数，TCnHm、TCH4依次是NDIR测得的CnHm、CH4的体积浓度；
(3)运用公式RH2＝TH2-a×(TCH4+RCnHm)-b×TCO2修正H2体积浓度的测量值，其中TH2是TCD实测H2体积浓度，TCH4和TCO2分别是NDIR实测CH4和CO2体积浓度，RCnHm是修正后的CnHm体积浓度，a、b为待定系数；
(4)运用热值公式Q＝TCO×12.64+RH2×18.79+TCH4×35.88+RCnHm×93.18来计算煤气热值，其中TCO和TCH4为实测体积浓度，RH2和RCnHm为修正后的气体体积浓度。
采用NDIR原理准确测量CH4，所选取的窄带滤光片参数即中心波长CWL/半峰带宽HWBP为7.85±0.05μm/180±5nm。
采用NDIR原理测量CnHm，所选取的窄带滤光片参数即中心波长CWL/半峰带宽HWBP为3.46±0.05μm/120±5nm。
采用NDIR原理测量CO，所选取的窄带滤光片参数即中心波长CWL/半峰带宽HWBP为4.66±0.05μm/90±5nm。
采用NDIR原理测量CO2，所选取的窄带滤光片参数即中心波长CWL/半峰带宽HWBP为4.26±0.05μm/120±5nm。
本发明的方法与上述现有测试方法相比，具有以下的优点：本发明能同时测量多种煤气成分；通过优选NDIR窄带滤光片参数，减小不同气体之间的干扰；选择3.46μm波长滤光片测量CnHm，能将其他碳氢化合物都折算成C3H8，便于煤气热值的计算；根据所得的气体体积浓度，计算煤气的热值；使用本方法的分析仪器制造成本为传统燃烧法热值仪的1/3，只有质谱分析仪的1/10，分析速度是传统色谱仪的30倍以上。
附图说明
图1为煤气成分分析原理图。
图2为CO、CO2、CH4的红外吸收图谱图。
图3为碳氢化合物在3.3μm左右的相互干扰图。
图4为CH4的红外吸收图谱图。
具体实施方式
下面结合案例对本发明进行详细的说明：
案例1：生物质气化6组分煤气分析仪
1、各种气体滤光片参数及气室长度，量程的选择
首先根据CO、CO2的红外吸收图谱，如图2，CO在4.66μm处的吸收峰不受CO2的干扰，CO2在4.26μm处的吸收峰不受CO干扰，因此分别选择参数为4.66μm/90nm、4.26μm/120nm的窄带滤光片作为CO、CO2的探测器滤光片，参考通道选择为3.91μm，CO气室长度选择为43mm，CO2气室长度选择为2mm，制作量程为40％的CO气体传感器及量程为30％的CO2气体传感器。
然后根据CH4、C2H6、C3H8、C4H10的红外吸收图谱，如图3、图4，为消除CnHm对CH4吸收峰的干扰，不选择参数为3.3μm处的吸收峰，而选择7.85μm处的吸收峰，因此选择参数为7.85μm/180nm的窄带滤光片作为CH4的探测器滤光片，参考通道选择为3.91μm，CH4气室长度选择为68mm，制作量程为20％的CH4气体传感器。
根据CnHm的红外吸收图谱，如图3，在3.3--3.5μm之间CnHm都有吸收峰，为了减少CH4对CnHm的干扰，应该避开CH4的吸收峰，在3.35--3.5μm之间选择中心波长，通过对3.35--3.5μm范围内的不同滤光片进行试验，发现选择参数为3.46μm/120nm的窄带滤光片作为CnHm的探测器滤光片，可以用C3H8代表CnHm(CnHm用C3H8来标定)。参考通道选择为3.91μm，CnHm气室长度选择为43mm，制作量程为5％的CnHm气体传感器。测试数据如表1。
表1：C1～C5对3.46μm传感器的影响
Figure BDA0000123835010000041
表2：CnHm低位热值系数
  气体名称   低位热值系数(MJ/m3)   热值系数比(CnHm/C3H8)
  C2H6   64.35   0.69
  C3H8   93.18   1.00
  C4H10   123.16   1.32
  C5H12   156.63   1.68
通过对比表1和表2，可以看出CnHm在采用3.46μm/120nm窄带滤光片的探测器所制作的传感器测得的体积浓度比例系数与热值系数比非常接近，所以可以用C3H8代表CnHm来计算热值。
最后，采用公知的技术制作量程为20％热导TCD类型的H2传感器，量程为25％电化学ECD类型O2传感器。
2、测量各种气体体积浓度
运用NDIR测量CO、CO2、CH4、CnHm，读数分别记为TCO、TCO2、TCH4、TCnHm。
运用TCD测量H2体积浓度，记为TH2。
运用ECD测量O2体积浓度，记为TO2。
3、气体体积浓度修正和热值计算。
(1)通过CH4对CnHm进行修正。
由于CH4对CnHm有一定的干扰，待通过标定曲线计算出CnHm测量结果(TCnHm)时，还需要根据CH4的体积浓度(TCH4)对TCnHm进行修正，得到修正后的CnHm体积浓度(RCnHm)。
为修正CH4对CnHm测量的影响，对本案例的生物质气化6组分煤气分析仪通入CH4标准气体，标准气体体积浓度及测量结果如表3：
表3：CH4标准气体体积浓度及测量结果
Figure BDA0000123835010000052
Figure BDA0000123835010000061
通过分析数据，可以得到以下修正公式：
RCnHm＝TCnHm-A×TCH4
将表3的数据代入公式可以得出，A＝0.02868
因此RCnHm＝TCnHm-A×TCH4＝TCnHm-0.02868×TCH4。
(2)修正H2的体积浓度。
对于采用TCD测量H2体积浓度，由于CH4、CO2与H2标定用的平衡气N2在相对热导率上有较大差异，见表4，因此CH4、CO2对H2测量结果有一定的干扰；CnHm虽然在热导率上与N2有差异，但是其在煤气中的含量仅为CH4的1/5左右，因此不予考虑；而CO、O2的热导率与N2的热导率差异很小，也不予考虑。所以只需要根据CH4、CO2的测量结果TCO2、TCH4对H2的测量结果TH2进行修正，得到修正后的H2的体积浓度(RH2)。
表4：不同气体的热导率
Figure BDA0000123835010000062
Figure BDA0000123835010000071
为修正CH4、CO2对H2测量结果的影响，对本案例的生物质气化6组分煤气分析仪通入CH4、CO2标准气体，标准气体体积浓度及测量结果如表5：
表3：CH4、CO2对H2的影响
Figure BDA0000123835010000072
通过分析数据，可以得到以下修正公式：
RH2＝TH2-a×TCH4-b×TCO2。
将表5的数据代入公式可以得出，a＝0.13989；b＝-0.11026
因此RH2＝TH2-a×TCH4-b×TCO2。＝TH2-0.13989×TCH4+0.11026×TCO2。
(3)计算煤气热值
根据以上得到的气体浓度，将TCO、TCH4、RCnHm和RH2代入公式
Q＝TCO×12.64+RH2×18.79+TCH4×35.88+RCnHm×93.18求出煤气的热值。
其中，Q单位为MJ/m3，12.64、18.79、35.88和93.18分别为CO、H2、CH4、CnHm的低位热值系数，单位均为MJ/m3。
本案例设计了一种CO量程为40％、CO2量程为30％、CH4量程为20％、CnHm量程为5％、H2量程为20％、O2量程为25％的6组分煤气分析仪，适合在空气煤气化、生物质空气气化、高炉、热处理用吸热式、放热式气体发生炉等多个行业应用。案例2：生物质热解、焦化6组分煤气分析仪
1、各种气体气室长度、量程的选择
在NDIR红外气体传感器设计的滤光片选择方面同案例1。在气室设计方面：CO气室长度选择为43mm，制作量程为40％的CO气体传感器；CO2气室长度选择为3mm，制作量程为20％的CO2气体传感器；CH4气室长度选择为34mm，制作量程为50％的CH4气体传感器；CnHm气室长度为20mm，制作量程为10％的CnHm气体传感器；
采用公知的技术制作量程为75％的H2传感器；制作量程为25％的O2传感器。
2、测量各种气体体积浓度
运用NDIR测量CO、CO2、CH4、CnHm，读数分别记为TCO、TCO2、TCH4、TCnHm。
运用TCD测量H2体积浓度，记为TH2。
运用ECD测量O2体积浓度，记为TO2。
3、气体体积浓度修正和热值计算。
(1)通过CH4对CnHm进行修正。
为修正CH4对CnHm测量的影响，对本案例的生物质热解、焦化6组分煤气分析仪通入CH4标准气体，标准气体体积浓度及测量结果如表6：
表6：CH4标准气体体积浓度及测量结果
Figure BDA0000123835010000081
Figure BDA0000123835010000091
通过分析数据，可以得到以下修正公式：
RCnHm＝TCnHm-A×TCH4
将表6的数据代入公式可以得出，A＝0.02837
因此RCnHm＝TCnHm-A×TCH4＝TCnHm-0.02837×TCH4。
(2)修正H2的体积浓度。
为修正CH4、CO2对H2测量结果的影响，对本案例的生物质热解、焦化6组分煤气分析仪通入CH4、CO2标准气体，标准气体体积浓度及测量结果如表7：
表7：CH4、CO2对H2的影响
Figure BDA0000123835010000101
通过分析数据，可以得到以下修正公式：
RH2＝TH2-a×TCH4-b×TCO2。
将表7的数据代入公式可以得出，a＝0.14097；b＝-0.11091
因此RH2＝TH2-a×TCH4-b×TCO2。＝TH2-0.14097×TCH4+0.11091×TCO2。
(3)计算煤气热值
根据以上得到的气体体积浓度，将TCO、TCH4、RCnHm和RH2代入公式
Q＝TCO×12.64+RH2×18.79+TCH4×35.88+RCnHm×93.18求出煤气的热值。
其中，Q单位为MJ/m3，12.64、18.79、35.88和93.18分别为CO、H2、CH4、CnHm的低位热值系数，单位均为MJ/m3。
本案例设计了一种CO量程为40％、CO2量程为20％、CH4量程为50％、CnHm量程为10％、H2量程为75％、O2量程为25％的6组分煤气分析仪，适合在焦化、生物质热解、干馏、钢铁中混合煤气等多个行业应用。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种用于测量煤气成分和热值的方法，采用热导气体传感器(TCD)测量H2体积浓度TH2，采用电化学传感器(ECD)测量O2体积浓度，其特征在于包括以下步骤：
(1)采用非分光红外(NDIR)技术，测量煤气中的CO、CO2、CH4、CnHm体积浓度；分别计为TCO、TCO2、TCH4、TCnHm；
(2)运用公式RCnHm＝TCnHm-A×TCH4来修正CH4对CnHm的干扰，其中，A是待定系数，TCnHm、TCH4依次是NDIR测得的CnHm、CH4的体积浓度；
(3)运用公式RH2＝TH2-a×(TCH4+RCnHm)-b×TCO2修正H2体积浓度的测量值，其中TH2是TCD实测H2体积浓度，TCH4和TCO2分别是NDIR实测CH4和CO2体积浓度，RCnHm是修正后的CnHm体积浓度，a、b为待定系数；
(4)运用热值公式Q＝TCO×12.64+RH2×18.79+TCH4×35.88+RCnHm×93.18来计算煤气热值，其中TCO和TCH4为实测体积浓度，RH2和RCnHm为修正后的气体体积浓度。
2.根据权利要求1所述的煤气成分和热值的测量方法，其特征在于：采用NDIR原理准确测量CH4，所选取的窄带滤光片参数即中心波长CWL/半峰带宽HWBP为7.85±0.05μm/180±5nm。
3.根据权利要求1所述的煤气成分和热值的测量方法，其特征在于：采用NDIR原理测量CnHm，所选取的窄带滤光片参数即中心波长CWL/半峰带宽HWBP为3.46±0.05μm/120±5nm。
4.根据权利要求1所述的煤气成分和热值的测量方法，其特征在于：采用NDIR原理测量CO，所选取的窄带滤光片参数即中心波长CWL/半峰带宽HWBP为4.66±0.05μm/90±5nm。
5.根据权利要求1所述的煤气成分和热值的测量方法，其特征在于：采用NDIR原理测量CO2，所选取的窄带滤光片参数即中心波长CWL/半峰带宽HWBP为4.26±0.05μm/120±5nm。
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Denomination of invention: Method for measuring coal gas component and calorific value

Effective date of registration: 20180607

Granted publication date: 20140101

Pledgee: Wuhan rural commercial bank Limited by Share Ltd Optics Valley branch

Pledgor: Wuhan Cubic Optoelectronics Co., Ltd.

Registration number: 2018420000022

CP03 Change of name, title or address
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Address after: 430205, No. three, No. 3, Fenghuang garden, Phoenix Industrial Park, East Lake New Technology Development Zone, Hubei, Wuhan

Patentee after: Sifang Optoelectronic Co., Ltd.

Address before: 430205 Fenghuang three road, Fenghuang Industrial Park, East Lake New Technology Development Zone, Hubei, Wuhan, 3

Patentee before: Wuhan Cubic Optoelectronics Co., Ltd.

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Date of cancellation: 20200611

Granted publication date: 20140101

Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd.

Pledgor: Wuhan Cubic Optoelectronics Co.,Ltd.

Registration number: 2018420000022