CN107636451B - 热量测定装置以及热量测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于，提供能够以较高的可靠性测定炼铁工艺产生副产气体的热量的热量测定装置以及热量测定方法。在本发明中，通过对副产气体测定的折射率的值以及声速的值计算出折射率换算热量QO以及声速换算热量QS，并基于该副产气体所含的一氧化碳气体的浓度XCO，通过下述式(1)，使用在‑0.08～‑0.03的范围内选择的值作为热量换算系数ζ，计算误差热量QCO，基于折射率换算热量QO、声速换算热量QS以及误差热量QCO，通过下述式(2)，使用在1.1～4.2的范围内选择的值作为校正系数α，求出该副产气体的热量Q。式(1)QCO＝XCO·ζ
Description
技术领域
本发明涉及例如将在炼铁工艺中产生的炼焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)、转炉煤气(LDG)这类副产气体作为热量测定对象气体的热量测定装置以及热量测定方法。
背景技术
在炼铁工艺中产生的炼焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)、转炉煤气(LDG)这类副产气体包含例如氢气、一氧化碳气体或者甲烷气体等可燃性气体成分。因此，这些副产气体单独或混合有多种，作为燃料气体等而被再次利用。另外，副产气体的发热量与一般的燃料气体相比更小，因此有时通过混合发热量比副产气体大的燃料气体进行发热量的调整。
而且，在将副产气体作为燃料气体而再次利用的情况下，需要掌握每种副产气体的热量以及混合气体的热量。
目前，作为测定燃料气体的热量的方法，例如在专利文献1中公开了一种热量测定方法，其将以链烷烃系烃气体以及氢气中的至少1种为主要成分、并含有二氧化碳气体、一氧化碳气体、氮气以及氧气中的至少一种的气体作为热量测定对象气体。具体而言，在专利文献1中记载有，基于根据热量测定对象气体的折射率获得的折射率换算热量和根据该热量测定对象气体的密度获得的密度换算热量，通过特定的关系式，使用在特定的范围内选择出的值作为校正系数，对热量测定对象气体的热量进行计算。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010－175261号公报
发明内容
发明所要解决的问题
而且，在专利文献1记载的热量测定方法中，关于除了链烷烃系烃气体以外的各杂气，利用密度计误差与折射率计误差之比(校正系数)无关于气体种类地处于特定的范围内的值(大致为恒定值)这一点，对基于杂气的折射率换算热量以及密度换算热量所产生的测定误差进行补偿。
然而，很明显在通过专利文献1记载的方法测定炼铁工艺中产生的炼焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)、转炉煤气(LDG)这类副产气体的热量时产生了测定误差。
本发明是基于以上那样的情况而进行的，目的是提供能够以较高的可靠性测定在炼铁工艺中产生的副产气体的热量的热量测定装置以及热量测定方法。
用于解决问题的手段
本发明的热量测定装置用于测定在炼铁工艺中产生的副产气体的热量，其特征在于，该热量测定装置包括：
折射率换算热量计算机构，基于作为热量测定对象气体的副产气体的折射率计算折射率换算热量QO〔MJ/Nm3〕；
声速换算热量计算机构，基于该副产气体的声速计算声速换算热量QS〔MJ/Nm3〕；
误差热量测定机构，基于该副产气体所含的一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕，通过下述式(1)，使用在－0.08～－0.03的范围内选择的值作为热量换算系数ζ，计算误差热量QCO〔MJ/Nm3〕；以及
热量计算机构，基于上述折射率换算热量QO、上述声速换算热量QS、以及上述误差热量QCO，通过下述式(2)，使用在1.1～4.2的范围内选择的值作为校正系数α，计算该副产气体的热量Q〔MJ/Nm3〕，
[数学式1]
式(1)
QCO＝XCO·ζ
式(2)
在本发明的热量测定装置中，优选的是，上述误差热量测定机构具备测定作为热量测定对象气体的副产气体所含的一氧化碳气体的浓度的CO浓度测定机构。
在这样的构成中，优选的是，上述CO浓度测定机构具备红外线式传感器。
本发明的热量测定方法用于测定在炼铁工艺中产生的副产气体的热量，其特征在于，该热量测定方法包括如下步骤：
测定作为热量测定对象气体的副产气体的折射率以及声速，根据该折射率的值计算折射率换算热量QO〔MJ/Nm3〕，并且根据该声速的值计算声速换算热量Qs〔MJ/Nm3〕，
基于该副产气体所含一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕，通过下述式(1)，使用在-0.08～-0.03的范围内选择的值作为热量换算系数ζ，计算误差热量QCO〔MJ/Nm3〕，
基于获得的折射率换算热量QO、声速换算热量QS以及误差热量QCO，通过下述式(2)，使用在1.1～4.2的范围内选择的值作为校正系数α，求出该副产气体的热量Q〔MJ/Nm3〕。
发明效果
根据本发明的热量测定方法，因作为热量测定对象气体的副产气体所含的杂气而产生的折射率换算热量以及声速换算热量的测定误差被补偿，因此能够以较高的可靠性测定副产气体的热量。在本发明中，“杂气”指的是氢气和甲烷气体(链烷烃系烃气体)以外的气体成分，例如包含二氧化碳气体、一氧化碳气体、氮气以及氧气等。
根据执行这样的热量测定方法的本发明的热量测定装置，能够以较高的可靠性测定副产气体的热量。并且，能够连续地取得结合实际的状况的副产气体的热量，因此即使在产生了气体组成的变动、例如转炉煤气所含的一氧化碳浓度的变动等的情况下下，也能够迅速地检测出伴随着气体组成的变动的热量的变动。
附图说明
图1是表示本发明的热量测定装置的一个例子中的构成的概略的框图。
图2是表示杂气的浓度与误差热量的关系的图。
图3是表示关于实验例中使用的各试验用气体的、通过本发明的热量测定方法获得的热量的值和依据JIS K 2301：2011获得的热量的值的关系的图表。
图4是表示关于比较实验例中使用的各试验用气体的、在未进行关于一氧化碳气体的校正的情况下获得的热量的值和依据JIS K 2301：2011获得的热量的值的关系的图表。
具体实施方式
以下，详细地说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的热量测定装置的一个例子中的构成的概略的框图。
该热量测定装置在共用的外装容器10内配设有热量测定机构20和显示机构40而构成，该热量测定机构20将在炼铁工艺中产生的炼焦炉煤气、高炉煤气以及转炉煤气这类副产气体作为热量测定对象气体，对该热量测定对象气体的热量进行测定，该显示机构40对热量测定对象气体的热量等信息进行显示。这里，在本发明中，通过适当地设定后述的校正系数以及热量换算系数，能够测定总发热量(Gross)以及真发热量(Net)中的任一方，以下，除了特别限定的情况，简称为“热量”。
热量测定机构20例如具备：折射率换算热量测定机构21，用于获得根据热量测定对象气体的折射率的值求出的折射率换算热量QO；声速换算热量测定机构25，用于获得根据该热量测定对象气体的声速的值求出的声速换算热量QS；误差热量测定机构30，基于该热量测定对象气体所含的一氧化碳气体浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕测定一氧化碳气体所引起的误差热量QCO；以及热量计算机构35，计算该热量测定对象气体的热量Q的值。
折射率换算热量测定机构21具备测定热量测定对象气体的折射率的折射率测定机构22、以及具有基于通过折射率测定机构22测定出的折射率的值求出折射率换算热量QO的功能的折射率－热量换算处理机构23。
折射率－热量换算处理机构23对于热量测定对象气体中不包含不燃性气体成分而仅由燃烧性气体成分(链烷烃系烃气体)构成的特定气体，例如利用通过进行图表化等而预先取得的折射率与热量的相关关系，假定关于热量测定对象气体得到的折射率的值为特定气体的折射率，将得到的折射率的值对照于该相关关系来计算折射率换算热量QO。
声速换算热量测定机构25具备测定热量测定对象气体中的声波的传播速度(热量测定对象气体的声速)的声速测定机构26、以及具有基于通过声速测定机构26测定的声速的值求出声速换算热量QS的值的功能的声速－热量换算处理机构27。
声速－热量换算处理机构27对于在热量测定对象气体中不包含不燃性气体成分(例如N2等)而仅由燃烧性气体成分(链烷烃系烃气体)构成的特定气体，例如利用通过进行图表化等而预先取得的声速与热量的相关关系，假定关于热量测定对象气体得到的声速的值为特定气体的声速，将得到的声速的值对照于该相关关系来计算声速换算热量QS。
误差热量测定机构30具备例如测定热量测定对象气体所含的一氧化碳气体的浓度的CO浓度测定机构31、以及计算一氧化碳气体的浓度所引起的误差热量QCO的CO浓度－热量换算处理机构32。
作为CO浓度测定机构31，虽然没有特别限定，例如优选通过具备根据因红外线被作为检测对象气体的一氧化碳气体吸收而产生的红外线光量的衰减的程度来检测一氧化碳气体的气体浓度的红外线式传感器而构成。作为CO浓度测定机构31，通过使用利用了所谓的非分散型红外线吸收法的测定单元，能尽可能地减小热量测定对象气体中包含的其他杂气的影响，能够以高精度检测一氧化碳气体的浓度。
CO浓度－热量换算处理机构32基于检测出的一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕的值，通过上述式(1)，以使用在－0.08～－0.03的范围内选择的值作为热量换算系数ζ的条件，计算一氧化碳气体所引起的误差热量QCO。
上述式(1)通过如下方式获得。即，首先，分别对于例如以甲烷气体为主要成分、且一氧化碳气体的浓度互不相同的多种试验用气体，以将上述式(2)中的误差热量QCO的项设为“0”、将校正系数α设为例如2.30的条件，计算各试验用气体的真发热量Qa。另外，对于该试验用气体的每一个，依据JIS K 2301：2011测定热量Qb。然后，将依据JIS K 2301：2011获得的热量Qb作为例如真值，将以上述条件计算出的热量Qa相对于真值的误差〔MJ/Nm3，Net〕作为纵轴，将一氧化碳气体的浓度〔vol％(体积百分率)〕作为横轴，对结果进行作图(用叉号的曲线图表示。)。将一个例子表示在图2中。如图2所示，可理解为一氧化碳气体所引起的误差热量处于按一氧化碳气体的浓度升高而成比例关系地变大的趋势。因此，通过对各试验用气体的结果进行线性近似，取得上述式(1)所表示的近似直线。即，将近似直线的斜率设定为热量换算系数ζ。而且，由于热量换算系数ζ为在－0.08～－0.03的范围内选择的值，能够无关于热量测定对象气体的种类地以高精度计算一氧化碳气体所带来的误差热量。
此外，在图2中，对于取代一氧化碳气体而混入了氮气或者二氧化碳气体的试验用气体，将通过与上述相同的方法取得的数据进行作图，但可理解为，关于氮气(圆圈的图标)以及二氧化碳气体(三角印的图标)，无论浓度如何，误差热量的影响都为实质上恒定的大小，误差热量自身也为实际上没有问题的程度的大小。因此，作为给声速换算热量以及折射率换算热量带来影响的误差热量，只要考虑一氧化碳气体所带来的误差热量，就能够以高精度测定热量测定对象气体的热量。
若示出热量换算系数ζ的一个例子，在测定热量测定对象气体的总发热量的情况下，热量换算系数ζ例如能够设定为－0.0475。另外，在测定热量测定对象气体的真发热量的情况下，热量换算系数ζ例如能够设定为－0.0629。
热量计算机构35基于通过折射率换算热量测定机构21获得的折射率换算热量QO的值、通过声速换算热量测定机构25获得的声速换算热量QS的值、通过误差热量测定机构30获得的一氧化碳气体所带来的误差热量QCO的值，通过上述式(2)，以使用在1.1～4.2的范围内选择的值作为校正系数α的条件，计算热量测定对象气体的热量Q的值。
校正系数α是因热量测定对象气体含有杂气而产生的、声速换算热量QS的测定误差的与折射率换算热量QO的测定误差之比的值，并且对应于热量测定对象气体的组成地被选择。
在上述式(2)中，作为校正系数α，使用在1.1～4.2的范围内选择的值，但特别优选的是使用在2.20～2.60的范围内选择的值。
在校正系数α的值过小的情况下，不能充分地校正折射率换算热量QO以及声速换算热量QS所产生的测定误差，最终获得的热量测定对象气体的热量Q的值将会产生因含有杂气而引起的测定误差。另一方面，在校正系数α的值过大的情况下，不会适当地校正折射率换算热量QO以及声速换算热量QS所产生的测定误差，最终获得的热量测定对象气体的热量的值将会产生测定误差。
在以上说明中，图1中的11是用于将热量测定对象气体分别供给到声速测定机构26、折射率测定机构22以及CO浓度测定机构31的热量测定对象气体导入部，12是用于导入在折射率测定机构22检测原理上所需的参照气体的参照气体导入部，13是气体排出部。另外，图1中的双点划线表示气体配管。
在上述的热量测定装置中，以炼焦炉煤气、高炉煤气或者转炉煤气这类副产气体的一部分作为热量测定对象气体而从热量测定对象气体导入部11分别向声速换算热量测定机构25的声速测定机构26以及折射率换算热量测定机构21的折射率测定机构22依次供给。另外，例如空气等参照气体从参照气体导入部12向折射率换算热量测定机构21的折射率测定机构22供给。由此，在声速换算热量测定机构25中，副产气体的声速被声速测定机构26测定，基于该结果，由声速－热量换算处理机构27求出声速换算热量QS的值。另外，在折射率换算热量测定机构21中，副产气体的折射率被折射率测定机构22测定，基于该结果，由折射率－热量换算处理机构23求出折射率换算热量QO。
另一方面，从热量测定对象气体导入部11导入的副产气体的其余全部被供给到误差热量测定机构30的CO浓度测定机构31。由此，在误差热量测定机构30中，副产气体所含的一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕被CO浓度测定机构31测定。基于获得的一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕的值，通过上述式(1)，以使用在特定的范围内选择的值作为热量换算系数ζ的条件，利用CO浓度－热量换算处理机构32求出一氧化碳气体的浓度所引起的误差热量QCO。
基于如以上那样获得的折射率换算热量QO的值、声速换算热量QS的值、以及误差热量QCO的值，通过上述式(2)，以使用在特定的范围内选择的值作为校正系数α的条件，利用热量计算机构35计算出副产气体的热量Q，其结果被显示于显示机构40。
此外，副产气体以及参照气体经由气体排出部13向装置外部排出。
而且，在基于折射率换算热量QO与声速换算热量QS测定副产气体的热量的情况下，如上述那样，仅靠选择声速测定机构26的测定误差与折射率测定机构22的测定误差之比所示的校正系数α的值，不能补偿杂气所带来的折射率换算热量QO以及声速换算热量QS所产生的测定误差。关于该理由，本发明人们着眼于作为副产气体所含的杂气的一氧化碳气体带来的影响，发现对于氮气以及二氧化碳气体等其他杂气来说，即使它们的气体浓度变化，误差热量的大小实际上也为恒定，相对于此，一氧化碳气体所带来的误差热量在与一氧化碳气体的浓度之间的关系中成比例变化。而且发现，通过进行与一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕相应的校正，能够以高精度测定副产气体的热量。
因此，根据上述的热量测定方法，能够测定副产气体所含的一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕，基于获得的结果，通过上述式(1)，以使用在特定的范围内选择的值作为热量换算系数ζ的条件，计算一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕所引起的误差热量QCO。其结果，因作为热量测定对象气体的副产气体所含的一氧化碳气体以及其他杂气而产生的折射率换算热量QO以及声速换算热量QS的测定误差被补偿，因此能够以较高的可靠性测定副产气体的热量Q。
而且，根据执行这样的热量测定方法的本发明的热量测定装置，能够以较高的可靠性测定副产气体的热量Q。并且，能够连续地取得根据实际的状况的副产气体的热量Q，因此即使在产生了气体组成的变动、例如转炉煤气所含的一氧化碳气体的浓度变动等的情况下，也能够迅速地检测出伴随着气体组成的变动的热量Q的变动。
另外，在上述的热量测定装置中，构成热量测定机构20的折射率换算热量测定机构21、声速换算热量测定机构25以及误差热量测定机构30这类检测原理互不相同的多种测定机构(传感器)被配设于共用的外装容器10内，因此测定系统的构建以及操作变得简便。并且，在测定时不需要相当长的时间，并且，折射率换算热量QO以及声速换算热量QS以及误差热量QCO的计算处理不会产生时滞，因此能够实时地测定副产气体的热量Q。
以上，对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，可以加以各种变更。
例如，误差热量测定机构中的CO浓度测定机构并不限定于利用所谓的非分散型红外线吸收法，也可以具备能够检测一氧化碳气体的浓度的其他气体传感器。另外，也可以构成为，热量测定装置自身无需配备CO浓度测定机构，而是利用适当的CO浓度测定装置测定热量测定对象气体所含的一氧化碳气体的浓度，并输入由此获得的浓度数据。
以下，对本发明的实验例进行说明。
〔实验例1〕
作为试验用气体，准备具有下述表1所示的组成的炼焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)以及转炉煤气(LDG)。
对于这3种试验用气体，分别使用具备折射率传感器的气体折射率计、具备声速传感器的气体密度计、具备红外线式传感器的气体浓度计，测定折射率、声速(密度)以及一氧化碳气体的浓度。
基于获得的折射率的值、声速的值以及一氧化碳气体的浓度值，通过上述式(1)以及式(2)，将校正系数α设为2.27，将热量换算系数ζ设为－0.0475，计算出各个试验用气体的总发热量的值。然后，在将依据JIS K2301：2011获得的热量的值设为真值时，调查了测定到的热量的值(测定热量值)与真值的关系。将炼焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)以及转炉煤气(LDG)的结果在图3中分别用涂黑的三角形的图标(▲)、涂黑的圆圈的图标(●)以及涂黑的四方形的图标(■)表示。这里，图3中的横轴是作为真值的热量，纵轴是测定热量。另外，虚线所示的直线是测定热量的值与真值的误差为0的理想曲线。
[表1]
〔实验例2〕
作为试验用气体，通过除了使用上述炼焦炉煤气(COG)与上述高炉煤气(BFG)的混合气体(M气体)、并且是适当地变更了炼焦炉煤气(COG)与高炉煤气(BFG)的混合比的多种气体之外与实验例1相同的方法，测定了各试验用气体的总发热量。然后，在将依据JIS K2301：2011获得的热量的值设为真值时，调查了测定热量值与真值的关系。将结果在图3中用空心的四方形的图标(□)表示。
〔实验例3〕
作为试验用气体，通过除了使用上述炼焦炉煤气(COG)与上述转炉煤气(LDG)的混合气体(M气体)、并且是适当地变更了炼焦炉煤气(COG)与转炉煤气(LDG)的混合比的多种气体之外与实验例1相同的方法，测定了各试验用气体的总发热量。然后，在将依据JISK2301：2011获得的热量的值设为真值时，调查了测定热量值与真值的关系。将结果在图3中用空心的三角形的图标(△)表示。
〔实验例4〕
作为试验用气体，通过除了使用上述高炉煤气(BFG)与上述转炉煤气(LDG)的混合气体(M气体)、并且是适当地变更了高炉煤气(BFG)与转炉煤气(LDG)的混合比的多种气体之外与实验例1相同的方法，测定了各试验用气体的总发热量。然后，在将依据JIS K2301：2011获得的热量的值设为真值时，调查了测定热量值与真值的关系。将结果在图3中用空心的圆圈的图标(○)表示。
〔实验例5〕
作为试验用气体，通过除了使用上述炼焦炉煤气(COG)、上述高炉煤气(BFG)以及上述转炉煤气(LDG)的混合气体(M气体)、并且是适当地变更了炼焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)以及转炉煤气(LDG)的混合比的多种气体之外与实验例1相同的方法，测定了各试验用气体的总发热量。然后，在将依据JIS K 2301：2011获得的热量的值设为真值时，调查了测定热量值与真值的关系。将结果在图3中用叉号的图标(×)表示。
〔比较实验例1～5〕
对于在实验例1～实验例5中使用的多个试验用气体的每一个，通过除了未进行基于试验用气体所含的一氧化碳气体的浓度的校正(上述式(1)Qco＝0)之外与实验例1相同的方法，测定了各试验用气体的总发热量。然后，在将依据JIS K 2301：2011获得的热量的值设为真值时，调查了测定热量值与真值的关系。将结果表示在图4中。
根据以上的结果可确认到，在实验例1～实验例5中，通过进行与试验用气体所含的一氧化碳气体的浓度相应的校正，能够以高精度测定试验用气体的热量(总发热量)。与此相对，确认到在比较实验例1～比较实验例5中，由于一氧化碳气体的影响，产生了实用上不能忽略的程度的测定误差。
附图标记说明
10 外装容器
11 热量测定对象气体导入部
12 参照气体导入部
13 气体排出部
20 热量测定机构
21 折射率换算热量测定机构
22 折射率测定机构
23 折射率－热量换算处理机构
25 声速换算热量测定机构
26 声速测定机构
27 声速－热量换算处理机构
30 误差热量测定机构
31 CO浓度测定机构
32 CO浓度－热量换算处理机构
35 热量计算机构
40 显示机构
Claims (4)
1.一种热量测定装置，用于测定在炼铁工艺中产生的副产气体的热量，其特征在于，该热量测定装置包括：
折射率换算热量计算机构，基于作为热量测定对象气体的副产气体的折射率计算折射率换算热量QO〔MJ/Nm3〕；
声速换算热量计算机构，基于该副产气体的声速计算声速换算热量QS〔MJ/Nm3〕；
误差热量测定机构，基于该副产气体所含的一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕，通过下述式(1)，使用在－0.08～－0.03的范围内选择的值作为热量换算系数ζ，计算误差热量QCO〔MJ/Nm3〕；以及
热量计算机构，基于上述折射率换算热量QO、上述声速换算热量QS、以及上述误差热量QCO，通过下述式(2)，使用在1.1～4.2的范围内选择的值作为校正系数α，计算该副产气体的热量Q〔MJ/Nm3〕，
[数学式1]
式(1)
QCO＝XCO·ζ
式(2)
2.根据权利要求1所述的热量测定装置，其特征在于，
上述误差热量测定机构具备测定作为热量测定对象气体的副产气体所含的一氧化碳气体的浓度的CO浓度测定机构。
3.根据权利要求2所述的热量测定装置，其特征在于，
上述CO浓度测定机构具备红外线式传感器。
4.一种热量测定方法，用于测定在炼铁工艺中产生的副产气体的热量，其特征在于，该热量测定方法包括如下步骤：
测定作为热量测定对象气体的副产气体的折射率以及声速，根据该折射率的值计算折射率换算热量QO〔MJ/Nm3〕，并且根据该声速的值计算声速换算热量QS〔MJ/Nm3〕，
基于该副产气体所含一氧化碳气体的浓度XCO〔vol％(体积百分率)〕，通过下述式(1)，使用在－0.08～－0.03的范围内选择的值作为热量换算系数ζ，计算误差热量QCO〔MJ/Nm3〕，
基于获得的折射率换算热量QO、声速换算热量QS以及误差热量QCO，通过下述式(2)，使用在1.1～4.2的范围内选择的值作为校正系数α，求出该副产气体的热量Q〔MJ/Nm3〕
[数学式2]
式(1)
QCO＝XCO·ζ
式(2)
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