CN202939120U - 连续地监测使用流动气体流的单元中的气体物种的设备 - Google Patents
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Abstract
一种连续地监测使用流动气体流的单元中的氨的设备，包括：至少一个空心采样探针，每个采样探针均包括中空管，该中空管的管壁限定内部通路并具有至少一个贯穿的开口，该内部通路与进入管线流体连接；将采样探针定位在流动气体流中的装置；在所述内部通路与流动气体流间产生负压差的装置；引导样本气体流过位于可调谐二极管激光器的发射器和接收器间的样本路径的装置，以及将样本气体的温度维持在预定值的装置；将来自发射器的被调谐至选定波长的光束引导通过样本路径中的样本气体而到达接收器并生成代表所接收信息的信号的装置；基于所述信号计算流动气体流中的物种浓度的装置。该设备使得能实时并且连续地分析和控制气体流中氨的浓度。
Description
技术领域
本实用新型总体上涉及气体流的连续监测，该监测通过从设备的一个或更多位置提取气体样本并利用可调谐二极管激光吸收光谱技术分析该样本来进行，以便确定氨浓度。
背景技术
为评估其中采用尿素或氨的许多工艺的性能，经常必须具备确定工艺中或流出流中有多少氨的能力。传统上，通过化学发光技术提取并分析样本，这导致样本获取和分析之间存在长的时间延迟。这些方法在低浓度下还缺乏期望的精度，这是因为它们依赖于假定条件来进行必要的计算。
近年来，人们已经将兴趣转向可调谐二极管激光（TDL）吸收光谱技术。在典型的TDL设施中，发射器和接收器直接安装至管道网络。由于在低于500℉的温度时，氨会转变成其他化合物或被吸收在灰烬中，TDL的理想安装位置是空气加热器的上游。这种安装由于各种原因而十分困难。由于节能器或催化转换器出口与空气加热器入口之间存在的空间有限，操作经常十分困难。经常没有供操作者使用的通道。TDL依赖于发射器和接收器之间的视线，其中较长的距离有助于低浓度时的精度。然而，当距离增加时，设备的对准变得更为困难。热循环也会影响这种对准。灰烬堵塞降低了信号的质量，并且在高灰烬环境中，更长的TDL路径长度可能无法实现。由于所安装的仪器、位置和操作的挑战，而使得维修经常十分困难。
TDL测量发射器和接收器之间的视线路径上的氨浓度。如果气体流分层并且管道网络较大，该氨浓度可能无法表征实际的总体氨浓度。为此，在具有多个管道的较大单元上，典型的TDL设施可能需要一个以上的发射和接收单元。
许多商业工艺使用提取技术从排气中获得废气样本。所提取的气体通常被冷却，然后使用质谱分析法或非弥散红外吸收法或化学电气来进行分析。然而，利用提取技术从废气获取样本所需的步骤可能导致获取数据时的时间延迟。相比而言，使用实时传感器的工艺能够实现废气组成的选择性测量，并在连续反馈环上将输入调整提供给反应炉。在连续提取分析的一个示例中，Frish等人的WO97/499979描述了一种监测从燃烧煤的实用锅炉提取的气体中的氨的痕量浓度（例如约每百万一份）的TDL系统。该系统包括用来去除颗粒的过滤器和维持所提取的气体的温度的加热器和温度传感器。所示的设备采用赫里欧电池来放大小痕迹中的TDL灵敏度，然而这并不是用于从实用锅炉中获得精确读数的理想设备，对于实用锅炉来说，气体（和颗粒）成分组成会横跨任意给定横截面变化。
用来控制从发电厂和其他燃烧器释放的氮氧化物的选择性非催化NOx还原（SNCR）和选择性催化NOx还原（SCR）工艺都直接或间接地采用氨作为NOx还原剂。必须以相对于NOx浓度的恰当浓度和温度供给氨以确保有效的NOx控制而不会发生过量氨泄漏。这始终是一个棘手的平衡问题，并且控制系统必须具备精确信息来确保有效操作以符合所有法规和约定，并且避免实践上会产生硫酸氢铵的问题。
需要设计一种系统来解决典型TDL设施的困难。实用的系统应该能够通过探针在各种位置对气体进行采样，所述探针被设计和操作成确保能够获取表征实际操作条件的提取气体样本。
当前需要一种能够实时分析工艺中或流出流中的氨浓度的方法、设备和系统。
实用新型内容
本实用新型提供了用于测量生产过程中或流出流中的氨的工艺、设备和系统。
一方面，提供了一种用于连续地监测利用含氨流动气体流的设备中的氨（或其他气体物种）的方法，该方法包括：提供至少一个（优选多个）中空采样探针，每个探针包括中空管，该中空管具有由管壁限定的内部通路，所述管壁具有至少一个贯穿该管壁的开口，每个探针还包括用于将所述内部通路连接至进入管线的装置；将多个所述探针设置在所述流动气体流中，使其定位成允许所述管中的内部通路与所述流动气体流之间气体连通；为每个中空探针（在多个探针的情况下）设置至少一个阀以控制流过探针的气体流；在每个探针的每个内部通路与所述流动气体流之间产生负压差；从所述流动气体流引导气体流过定位在用于可调谐二极管激光器的发射器和接收器之间的样本路径；将所述样本路径中的气体的温度维持在预定值；将来自所述发射器的被调谐至选定波长的光束引导通过所述样本路径中的气体流而到达所述接收器，并且生成表征所接收信号的信号；基于所述信号计算气体流中的氨的浓度；以及优选地，利用所计算的氨的浓度控制一个或更多个操作参数。
在优选方面中，将样本流从所述样本路径再次引导以与所述流动气体流汇合。
另一方面，提供了一种用于连续地监测使用流动气体流的单元中的气体物种的设备，该流动气体流含有该气体物种，该设备包括：至少一个空心的采样探针，每个采样探针均包括中空管，该中空管具有由管壁限定的内部通路，所述管壁具有至少一个贯穿该管壁的开口，所述内部通路与一进入管线流体连接，该进入管线与来自所述单元的所述流动气体流连通；将所述采样探针定位在所述流动气体流中以便允许所述中空管中的内部通路与所述流动气体流中的气体之间连通的定位装置；用于在每个采样探针的每个内部通路与所述流动气体流之间产生负压差的装置；引导来自所述流动气体流的样本气体流过位于可调谐二极管激光器的发射器和接收器之间的样本路径的样本气体引导装置，以及用于将所述样本路径中的样本气体的温度维持在预定值的温度维持装置；用于将来自所述发射器的被调谐至选定波长的光束引导通过所述样本路径中的样本气体而到达所述接收器并且生成表征所接收信息的信号的光束引导及信号生成装置；用于基于所述信号计算所述流动气体流中的物种的浓度的计算装置。
本实用新型的设备包括如下优选特征：
-所述单元是选择性催化还原反应器或选择性非催化还原反应器；以及，所述气体物种是氨；
-该设备包括多个采样探针，每个采样探针设有至少一个阀以便控制气体通过该采样探针的流动；
-所述多个采样探针根据所述流动气体流的预定流动样式安放在该流动气体流在其中流动的管道中；
-将探针定位在所述流动气体流中的所述定位装置包括支架，该支架设置在所述流动气体流在其中流动的管道上；
-用于产生负压差的装置包括设置在该设备的出口管线处的风扇；
-所述样本气体引导装置包括位于所述发射器和接收器之间并形成所述样本路径的样本管线，该样本管线在其邻近所述发射器的一端与采样探针的内部通路连通，该样本管线在其远离发射器的一端通向一返回管线，该返回管线使得样本气体流回所述单元；
-所述温度维持装置包括用于加热该样本管线的加热器；
-所述光束引导及信号生成装置包括分别设置在所述发射器和所述接收器处以将它们与样本路径中的样本气体隔开的视镜，以及与该发射器和接收器信号连接的逻辑和计算单元；以及
-所述计算装置包括所述逻辑和计算单元。
本实用新型的设备使得能实时且高精度地连续确定以及控制流动气体流中的气体物种尤其是氨的浓度。
在又一方面中，本实用新型提供了采用所公开的工艺和设备的系统。
下面将描述本实用新型的其他优选方面。
附图说明
结合在该说明中并构成该说明的一部分的附图示出本实用新型当前优选的实施方式，并且用来与以下给出的优选实施方式的详细描述一起说明本实用新型的原理。如图所示，在所有附图中，相同的附图标记表示相同或对应的部件。在附图中：
图1是利用了本实用新型的方法和设备的燃烧设施的示意图；
图2示出图1中所示类型的本实用新型的系统的更多细节；
图3示出采样探针在含有待分析的流动气体流的管道内的可能布置；
图4是沿图3中的线4-4截取的采样探针的剖视图。
具体实施方式
在描述本实用新型时参照附图，附图示意性示出了简化的优选实施方式。下面将简要描述附图和它们所代表的工艺和设备。
如上所述，通过已有设备不容易针对目标物种例如氨连续且精确地分析来自燃烧器的气体流。本实用新型旨在解决该问题，并且提供一种简单、可靠且成本低的解决方案。
图1是燃烧设施的示意图，该燃烧设施采用本实用新型来针对氨泄漏分析燃烧流出物，即，分析在通过喷射氨自身或喷射用来提供活性NOx还原物种其他化学物种进行排气SNCR或SCR处理之后留下的氨。
燃烧设施包括具有烧嘴的燃烧器10，所述烧嘴通过燃烧来自未示出的来源的燃料与由管道网络14供应的空气而在燃烧区12中提供热量。热的燃烧气体将沿着箭头所示的方向通过炉子10，燃烧产生的热传递到热交换器16和18，然后进入选择性催化还原（SCR）反应器20，在该反应器20中，可以利用氨或气化的尿素（包括氨和HNCO）处理在燃烧过程中产生的NOx，以通过试剂储罐22和注射栅格24将NOx转变成氮和水。或者，许多设施都可受益于以更高温度单独使用尿素的选择性非催化还原（SNCR），而不需要反应器20，如Epperly等的US专利No.5,057,293中所教导的那样。
在SCR反应器20之后，燃烧气体将流过空-空热交换器26，该热交换器26用来对经由管道28供应的外部空气进行预热以经由管线14输送至燃烧区12。离开热交换器26的燃烧气体在它们经过管道网络29传送至静电沉淀器（ESP）30时显著冷却，在将气体向上传送到烟囱32之前颗粒被收集在静电沉淀器30中。这是实际工业或实用燃烧器和流出物处理工艺的高度简化版本，但示出了行得通的方案。
图1中大体示出本实用新型的可调谐二极管激光分析设备40，该设备包括用于保持多个中空探针44（参见图3的示意性配置）的支承结构42。设有管道46以用于将气体流从SCR反应器20之后的流动气体流引导到探针44。
每个探针44都包括具有由管壁限定的内部通路的中空管以及用于将所述内部通路连接至进入管线46的装置，所述管壁具有至少一个贯穿该管壁的开口。在通过经过设备40而被分析之后，气体经由管线48优选正好在采样点（未示出）下游—但也可以稍晚、即在管道29中（如图所示）—返回到排出气体流。管线46和48仅示意性示出，并且优选是不锈钢管，不锈钢管往往较刚硬。如果适当的软管可用，则可以使用软管。
本实用新型使得能对从管道21中的SCR单元20经由进入管线46流到适当连接点、例如设备40上的进入法兰46（如图2所示）的气体流获取的气体流针对氨进行简化并且实时的分析。如将从图3的讨论中清楚的，探针44可以装配有阀，并且相对于管道21进行调节以便能从具体位置获取表征整个横截面或具体横截面的平均值的样本。设有风扇50，以推动气体通过设备40并使它们借助于通过适当连接例如法兰48’附装的管线48返回到适当的管道、即29。待分析的气体通过每个探针44的每个内部通路与管道21中的流动气体流之间的负压差而被吸入样本路径52，该样本路径52通常是不锈钢管。样本路径52是绝热的，例如以标号54局部示出的，以便维持气体温度并避免对操作者造成伤害。样本路径52的优选长度为十二英尺，但该优选长度可以根据要求规定而改变，例如从大约三英尺到大约二十英尺。
样本路径52具有位于两相对端上的视镜（观察镜）56和56’，其中视镜56位于发射器端而视镜56’位于接收器端，以便保护用于可调谐二极管激光器的发射器60和接收器62免受通过样本路径的热气体的任何污染。视镜在物理上将发射器60和接收器62与样本路径52的内部空间隔开，但仍允许发射器60引导被调谐至选定波长的光束，并允许接收器62接收该光束以便通过逻辑和计算单元64进行分析。可以借助于总体示出为66的电线向发射器供应电能以及向逻辑和计算单元64供给控制信号并从该逻辑和计算单元64输出控制信号。优选为发射器单元60和接收器单元62中均设置未示出的冷却空气源，以维持安全的操作温度。
通过维持流过样本路径52的适当高流量，容易将该路径52中的气体的温度维持在预定值，例如至少450℉，优选在500℉到600℉的范围内，而无需任何附加热量。如果必要，可通过加热器（未示出）加热样本路径，该加热器可以嵌入在绝缘部54中。本实用新型的优点在于，热气体的高流量使得不必加热，除非在异常情况下。在长十二英尺且直径为两英寸的样本路径52的示例性情况下，120scfm（例如从20到300scfm）的流量提供了约每秒八次的完整气体交换。在整个系统中的停留时间通常小于一秒。这确保气体不会被显著冷却。目标系统停留时间将在0.2秒和5秒之间，例如为约1秒，并且优选目标测量容积停留时间在其中能维持温度并保持提取效率的范围内，该停留时间优选在0.05秒和0.5秒之间。高流量还消除了用以去除灰烬的过滤器的需要，因为灰烬没有机会聚集。
所选择的具体可调谐二极管激光器的光波长、电气和温度要求的细节都可以从制造商获得。目前优选Yokogawa TDLS2000分析仪，但该选择并不重要。该分析仪能将来自发射器60的被调谐至选定波长的光束引导通过样本路径52中的气体流而到达接收器62，并且产生表征所接收信息的信号。基于该信号，逻辑和计算单元64能够计算气体流中的氨的浓度，并且将会计算该氨浓度。基于该表征氨浓度的信号，例如用于SCR反应器和氨源的处理控制器将控制一个或更多个操作参数。
探针44的细节和布置在图3中示意性示出，图4示出了沿着图3中的线4-4获取的一个探针44的横截面。可以看到，每个探针44都包括：中空管，该中空管具有由管壁限定的内部通路，所述管壁具有至少一个贯穿该管壁的开口；以及用于将所述内部通路连接至进入管线的装置。图4示出具有中心开口45的管44，孔47贯穿管44。如在图3中看到的，可以有多个孔。设有可以为简单支架的装置（在图1中由标号为44的外虚线表示），以便能将多个探针安放在管道21中的流动气体流内，并将它们定位成有效地允许管中的内部通路45与管道21中流动气体流的气体相连通。为每个中空探针设置至少一个阀70，以控制通过该探针的气体流动。根据已经利用适当建模、例如计算流体动力学建模或冷流体建模确定的具体流动样式（流型），通过正确地在管道21中放置探针，可以手动或通过控制器来操作阀70，以在管道21内的预定位置取样。这将能从具体位置获得样本，表征整个横截面的样本或表征具体横截面的平均值的样本。通过具体地放置探针44并且操作阀70，可以将氨的浓度映射到多个负载设定值，并且将允许连续控制。本实用新型提供了这样的能力，即，随着锅炉负载变化而在沿着烟气路径的各种位置进行测试，而无需在每个测试位置安装成对的发射器和接收器。尽管缺乏全面映射能力，但仍可使上述设备安装有没有任何阀的单个探针，并仍利用本实用新型的某些方面的优点。
采用所述方法和设备的系统组合了所公开的特征，并且结合了各种工业应用所必须的细节。
上面的描述仅是为了教导本领域技术人员如何实践本实用新型。其目的不是详尽说明所有改变和变型，本领域技术人员通过阅读上述描述将清楚这些变型。然而，所有这些改变和变型都包含在由随后的权利要求限定的本实用新型的范围内。所述权利要求意在覆盖对满足期望目的有用的任何顺序的所要求保护的部件和步骤，除非上下文明确表明相反情况。
Claims (10)
1.用于连续地监测使用流动气体流的单元中的气体物种的设备，该流动气体流含有该气体物种，该设备包括：
a．至少一个空心的采样探针，每个采样探针均包括中空管，该中空管具有由管壁限定的内部通路，所述管壁具有至少一个贯穿该管壁的开口，所述内部通路与一进入管线流体连接，该进入管线与来自所述单元的所述流动气体流连通；
b．将所述采样探针定位在所述流动气体流中以便允许所述中空管中的内部通路与所述流动气体流中的气体之间连通的定位装置；
c．用于在每个采样探针的每个内部通路与所述流动气体流之间产生负压差的装置；
d．引导来自所述流动气体流的样本气体流过位于可调谐二极管激光器的发射器和接收器之间的样本路径的样本气体引导装置，以及用于将所述样本路径中的样本气体的温度维持在预定值的温度维持装置；
e．用于将来自所述发射器的被调谐至选定波长的光束引导通过所述样本路径中的样本气体而到达所述接收器并且生成代表所接收信息的信号的光束引导及信号生成装置；
f.用于基于所述信号计算所述流动气体流中的物种的浓度的计算装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述单元是选择性催化还原反应器或选择性非催化还原反应器；以及，所述气体物种是氨。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，该设备包括多个采样探针，每个采样探针设有至少一个阀以便控制气体通过该采样探针的流动。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述多个采样探针根据所述流动气体流的预定流动样式安放在该流动气体流在其中流动的管道中。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，将探针定位在所述流动气体流中的所述定位装置包括支架，该支架设置在所述流动气体流在其中流动的管道上。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，用于产生负压差的装置包括设置在该设备的出口管线处的风扇。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述样本气体引导装置包括位于所述发射器和接收器之间并形成所述样本路径的样本管线，该样本管线在其邻近所述发射器的一端与采样探针的内部通路连通，该样本管线在其远离发射器的一端通向一返回管线，该返回管线使得样本气体流回所述单元。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述温度维持装置包括用于加热该样本管线的加热器。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述光束引导及信号生成装置包括分别设置在所述发射器和所述接收器处以将它们与样本路径中的样本气体隔开的视镜，以及与该发射器和接收器信号连接的逻辑和计算单元。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述计算装置包括所述逻辑和计算单元。
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