CN106442857A - 一种基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法及检测装置 - Google Patents

一种基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法及检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法，其通过进入燃烧设备的空气中氧含量与排出燃烧设备的烟气中氧含量的差值计算二氧化碳排放量，该方法过程简单，数据波动较小，分析精准，检测成本低。本发明还公开了一种应用于上述检测方法的检测装置，包括：空气流量测定装置、烟气流量测定装置、烟气含氧量测定装置及数据分析装置。该装置可以实现在线检测，检测速度快。

Description

一种基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法及检测装置
技术领域
本发明属于碳排放检测领域，尤其是涉及一种基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法及检测装置。
背景技术
碳排放是关于温室气体排放的一个总称或简称，随着经济的快速发展，能源消耗在逐年递增，由于资源的不合理利用导致环境问题日益严峻，全球气候变暖问题突出，究其原因主要是温室气体大量排放。温室气体又以二氧化碳的贡献量最大，因此控制碳排放，对碳排放量进行测量是一个重要问题。
目前常用的二氧化碳排放量测量是基于碳含量变化的测量，即需要先测量煤中的碳含量，灰渣碳含量，煤炭消耗量，灰渣生成量等数据，计算碳的减少量即为二氧化碳排放量。但是该测量方法具有以下缺点：1)煤和灰渣成分分析过程复杂，需要采样后送实验室分析，周期较长，无法在线测量；2)煤含碳量不均匀，受煤产地、采样方法等因素影响，误差较大；灰渣含碳量受燃烧条件、采样方法、颗粒大小等影响，误差较大；3)煤消耗量、灰渣生成量需要称重测量，难以实现自动测量；4)煤、灰渣分析样品成本较高，经济性差。
另一种二氧化碳排放量测量是直接测量二氧化碳浓度和烟气排放量，二氧化碳浓度测量可采用红外或电化学原理。这两种方法均具有较高的测试成本：电化学探头在线测量时损耗较快，更换成本高；红外探头由于红外线受粉尘、水蒸气等成分干扰较大，探测前需要对烟气进行过滤，并在保温状态下进行干燥以防止酸性腐蚀，附属设备较为复杂，部分需要定期更换，红外探测系统本身价格昂贵，成本较高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种测量方法简便、高效、测量数据准确的基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法及检测装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法，包括以下步骤：
a.测量设置在燃烧设备上的空气入口的截面积；
b.获取进入燃烧设备的空气流速；
c.获取进入燃烧设备的空气温度；
d.计算进入燃烧设备的空气体积；
e.利用理想气体状态方程pV＝nRT对计算得到的空气体积进行修正，将其换算成标准状态下体积，修正公式为
f.获取进入燃烧设备的空气中的氧气在标准状态下的体积流量，计算公式为
g.测量设置在燃烧设备上的烟气出口的截面积；
h.获取排出燃烧设备的烟气流速；
i.获取排出燃烧设备的烟气温度；
j.测量排出燃烧设备的烟气中的氧气浓度；
k.计算排出燃烧设备的烟气体积；
l.利用理想气体状态方程pV＝nRT对计算得到的烟气体积进行修正，将其换算成标准状态下体积，修正公式为
m.获取排出燃烧设备的烟气中的总含氧量，计算公式为
n.根据化学反应C+O2＝CO2确定二氧化碳排放量的计算公式
式中Vair为空气流速，Ain为空气入口的截面积，tair为空气温度，Vex为烟气流速，Aout为烟气出口的截面积，Co2为烟气中氧气浓度，tex为烟气温度。
Vair×Ain是用空气流速乘以面积得到空气的体积流量，单位是m3/s。空气中一般氧气浓度为21％，相乘得到氧气的体积流量。由于气体积受温度压力影响较大，因此不同温度下同样质量气体的体积和密度不同，因此需要对体积进行修正。公式中采用的方法是将实际温度下的体积换算成标准状态下(1个大气压，温度0℃)的体积。一般气体可认为是理想气体，可用理想气体状态方程pV＝nRT(或pv＝RgT)进行修正，由公式可知，体积与热力学温度成正比。因此要换算成标准状态下体积，应乘以温度的比值：因此需要在公式后乘以其中tair是仪表测得的空气温度，单位一般为℃，换算成热力学温度需要加273.15。
Vex×Aout是用烟气流速乘以面积得到烟气的体积流量，再乘以氧浓度得到氧气体积流量，再对温度进行修正。两者相减得到氧气的消耗速度(单位m3/s)，由于氧气和二氧化碳体积是1：1的关系，该消耗速度即为二氧化碳的生成速度。将该速度乘以标准状态下二氧化碳的密度，就得到二氧化碳的排放速度(kg/s)。
本发明还公开了一种应用于上述基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法的检测装置，包括：
空气流量测定装置：设于燃烧设备的空气入口，用于测定进入燃烧设备中的空气流速和空气温度，并将其传输至数据分析装置；
烟气流量测定装置：设于燃烧设备的烟气出口，用于测定排出燃烧设备的烟气流速，并将其传输至数据分析装置；
烟气含氧量测定装置：设于燃烧设备的烟气出口，用于测定排出燃烧设备的烟气中的氧气浓度和烟气温度，并将其传输至数据分析装置；
数据分析装置：接收所述空气流量测定装置、烟气流量测定装置及烟气含氧量测定装置中获取的数据，并根据公式计算得出二氧化碳排放量。
进一步的，所述空气流量测定装置包括第一气体流速传感器、第一温度传感器及第一信号转换传输装置。
进一步的，所述气体流速传感器为皮托管、热线风速仪或涡轮风速仪中的任一种。
进一步的，所述烟气流量测定装置包括第二气体流速传感器和第二信号转换传输装置。
进一步的，所述烟气含氧量测定装置包括氧浓度传感器、第三温度传感器及第三信号转换传输装置。
进一步的，所述氧浓度传感器为氧化锆氧量计或电化学氧量计或顺磁式氧量计。
进一步的，所述温度传感器为热电偶或热电阻。
进一步的，所述空气流量测定装置为均速管。
本发明基于化学反应C+O2＝CO2，通过测试氧气含量变化测量碳排放，即测量空气吸入量，空气含氧量，烟气排放量，烟气含氧量三个数据，计算氧气的减少量即可得到二氧化碳排放量。氧气含量测试相对容易，可采用较简单的氧化锆氧量计等仪器实现在线测量，预处理简单，成本较低，烟气和空气流量可采用均速管在线测量。
氧气虽然可能与碳以外的其他成分反应，但煤中可燃成分绝大部分是碳，虽然存在部分氢、硫、磷等元素，但可与其含有的氧元素部分抵消。通过氧气变化量测量，不存在空气中原有二氧化碳干扰的问题。
本发明采用的测温、测速仪器均为低成本常用仪表，测氧浓度采用氧化锆氧量计是成熟的氧浓度测试仪表，广泛应用于热处理、电力、钢铁、石化等行业，整套系统具有成本低、精度高、在线测量、使用方便、成熟稳定等特点。
本发明的有益效果是：采用热力学温度将气体体积换算至标准状态后进行计算，得出的结果更加准确、稳定，空气中氧气含量直接取值21％，无需进行额外的测量，简化了整个检测过程，检测方便简单便捷，检测速度快，检测数据准确性高。
附图说明
图1为本发明的检测装置分布示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一
参照图1所示，先测量燃煤热风炉得出空气入口的截面积Ain，在燃煤热风炉的空气入口处设置一空气流量测定装置，空气流量测定装置包括第一气体流速传感器、第一温度传感器及第一信号转换传输装置，于本实施中，第一气体流速传感器为皮托管，皮托管测得空气流速为Vair，第一温度传感器测得空气温度为tair，第一信号转换传输装置将测得的空气流速和空气温度传输至数据分析装置。空气流量测定装置也可以采用均速管—阿纽巴管，获得截面上多个采样点的平均流速，数据获得更加全面、准确。
根据空气流速Vair和空气温度tair计算得到通过空气入口进入至燃煤热风炉的空气体积，利用理想气体状态方程pV＝nRT对计算得到的空气体积进行修正，将其换算成标准状态下体积，修正公式为再根据空气中氧气浓度为21％，得到进入燃煤热风炉的空气中的氧气在标准状态下的体积流量的计算公式
先测量燃煤热风炉烟气出口的截面积Aout，在燃煤热风炉的烟气出口处设置一烟气流量测定装置，烟气流量测定装置由第二气体流速传感器和第二信号转换传输装置组成，于本实施中，第二气体流速传感器为涡轮风速仪，涡轮风速仪测得烟气流速为Vex，第二信号转换传输装置将测得的烟气流速传输至数据分析装置。
在燃煤热风炉的烟气出口处还设置一烟气含氧量测定装置，烟气含氧量测定装置包括氧浓度传感器、第三温度传感器及第三信号转换传输装置，于本实施中，氧浓度传感器为氧化锆氧量计，氧化锆氧量计测得烟气中氧气浓度为Co2，第三温度传感器测得烟气温度为tex，第三信号转换传输装置将测得的烟气中氧气浓度和烟气温度传输至数据分析装置。烟气含氧量测定装置也可以在烟气出口的截面上多个采样点同时采样，以获得含氧量的平均值，使得最终结果更加精确。
根据烟气流速Vex和烟气温度tex，计算得到通过烟气出口排出燃煤热风炉的烟气体积，利用理想气体状态方程pV＝nRT对计算得到的烟气体积进行修正，将其换算成标准状态下体积，修正公式为再根据烟气中氧气浓度Co2，得到排出燃煤热风炉的烟气中总含氧量的计算公式
数据分析装置接收到分别从空气流量测定装置、烟气流量测定装置及烟气含氧量测定装置中传输的数据，根据化学反应C+O2＝CO2确定二氧化碳排放量的计算公式
于本实施例中，空气入口直径为30cm，入口风速Vair为14m/s，入口空气温度tair为25℃。烟气出口温度180℃，烟气出口直径60cm，出口烟气流速Vex为6m/s，氧气浓度Co2为4％，则可根据公式计算碳排放量：
实施例二
先测量燃煤锅炉得出空气入口的截面积Ain，在燃煤锅炉的空气入口处设置一空气流量测定装置，空气流量测定装置包括第一气体流速传感器、第一温度传感器及第一信号转换传输装置，于本实施中，第一气体流速传感器为涡轮风速仪，涡轮风速仪测得空气流速为Vair，第一温度传感器测得空气温度为tair，第一信号转换传输装置将测得的空气流速和空气温度传输至数据分析装置。空气流量测定装置也可以采用均速管—阿纽巴管，获得截面上多个采样点的平均流速，数据获得更加全面、准确。
根据空气流速Vair和空气温度tair计算得到通过空气入口进入至燃煤锅炉的空气体积，利用理想气体状态方程pV＝nRT对计算得到的空气体积进行修正，将其换算成标准状态下体积，修正公式为再根据空气中氧气浓度为21％，得到进入燃煤锅炉的空气中的氧气在标准状态下的体积流量的计算公式
先测量燃煤锅炉烟气出口的截面积Aout，在燃煤锅炉的烟气出口处设置一烟气流量测定装置，烟气流量测定装置由第二气体流速传感器和第二信号转换传输装置组成，于本实施中，第二气体流速传感器为皮托管，皮托管测得烟气流速为Vex，第二信号转换传输装置将测得的烟气流速传输至数据分析装置。
在燃煤锅炉的烟气出口处还设置一烟气含氧量测定装置，烟气含氧量测定装置包括氧浓度传感器、第三温度传感器及第三信号转换传输装置，于本实施中，氧浓度传感器为电化学氧量计，电化学氧量计测得烟气中氧气浓度为Co2，第三温度传感器测得烟气温度为tex，第三信号转换传输装置将测得的烟气中氧气浓度和烟气温度传输至数据分析装置。烟气含氧量测定装置也可以在烟气出口的截面上多个采样点同时采样，以获得含氧量的平均值，使得最终结果更加精确。
根据烟气流速Vex和烟气温度tex，计算得到通过烟气出口排出燃煤锅炉的烟气体积，利用理想气体状态方程pV＝nRT对计算得到的烟气体积进行修正，将其换算成标准状态下体积，修正公式为再根据烟气中氧气浓度Co2，得到排出燃煤锅炉的烟气中总含氧量的计算公式
数据分析装置接收到分别从空气流量测定装置、烟气流量测定装置及烟气含氧量测定装置中传输的数据，根据化学反应C+O2＝CO2确定二氧化碳排放量的计算公式
于本实施例中，空气入口直径为40cm，入口风速Vair为13m/s，入口空气温度tair为15℃。烟气出口温度210℃，烟气出口直径70cm，出口烟气流速Vex为7m/s，氧气浓度Co2为5％，则可根据公式计算碳排放量：
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法，其特征在于包括以下步骤：
a.测量设置在燃烧设备上的空气入口的截面积；
b.获取进入燃烧设备的空气流速；
c.获取进入燃烧设备的空气温度；
d.计算进入燃烧设备的空气体积；
e.利用理想气体状态方程pV＝nRT对计算得到的空气体积进行修正，将其换算成标准状态下体积，修正公式为
f.获取进入燃烧设备的空气中的氧气在标准状态下的体积流量，计算公式为
g.测量设置在燃烧设备上的烟气出口的截面积；
h.获取排出燃烧设备的烟气流速；
i.获取排出燃烧设备的烟气温度；
j.测量排出燃烧设备的烟气中的氧气浓度；
k.计算排出燃烧设备的烟气体积；
l.利用理想气体状态方程pV＝nRT对计算得到的烟气体积进行修正，将其换算成标准状态下体积，修正公式为
m.获取排出燃烧设备的烟气中的总含氧量，计算公式为
n.根据化学反应C+O2＝CO2确定二氧化碳排放量的计算公式
式中Vair为空气流速，Ain为空气入口的截面积，tair为空气温度，Vex为烟气流速，Aout为烟气出口的截面积，Co2为烟气中氧气浓度，tex为烟气温度。
2.一种应用于如权利要求1中所述的基于氧含量测定的二氧化碳排放检测方法的检测装置，其特征在于包括：
空气流量测定装置：设于燃烧设备的空气入口，用于测定进入燃烧设备中的空气流速和空气温度，并将其传输至数据分析装置；
烟气流量测定装置：设于燃烧设备的烟气出口，用于测定排出燃烧设备的烟气流速，并将其传输至数据分析装置；
烟气含氧量测定装置：设于燃烧设备的烟气出口，用于测定排出燃烧设备的烟气中的氧气浓度和烟气温度，并将其传输至数据分析装置；
数据分析装置：接收所述空气流量测定装置、烟气流量测定装置及烟气含氧量测定装置中获取的数据，并根据公式计算得出二氧化碳排放量。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于：所述空气流量测定装置包括第一气体流速传感器、第一温度传感器及第一信号转换传输装置。
4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于：所述气体流速传感器为皮托管、热线风速仪或涡轮风速仪中的任一种。
5.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于：所述烟气流量测定装置包括第二气体流速传感器和第二信号转换传输装置。
6.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于：所述烟气含氧量测定装置包括氧浓度传感器、第三温度传感器及第三信号转换传输装置。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于：所述氧浓度传感器为氧化锆氧量计或电化学氧量计或顺磁式氧量计。
8.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于：所述温度传感器为热电偶或热电阻。
9.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于：所述空气流量测定装置为均速管。
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