JP2010519544A - 燃焼ガス分析 - Google Patents
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Abstract
燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を決定するための化学分析法である。この方法は以下の段階を含む：（ａ）波長が２から２．５マイクロメートルの範囲である、単一のチューナブルダイオードレーザーからの波長が調節された光を、燃焼ガスを通過して、燃焼ガスの吸収プロファイルを生成するための光検知器の方向に向ける段階と、（ｂ）燃焼ガスの吸収プロファイルをデジタル化する段階と、（ｃ）デジタルコンピュータにデジタル化された吸収プロファイルを保存する段階と、（ｄ）デジタルコンピュータのデジタル化された吸収プロファイルを処理して燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を示すコンピュータからの出力を生成する段階。
Description
本発明は燃焼ガス分析の分野に関し、より詳細には燃焼ガスチューナブルダイオードレーザー分光分析の分野に関する。
燃焼ガスチューナブルダイオードレーザー分光分析は従来技術において知られ、例えば、Ｌａｃｋｎｅｒら、Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖ．６，ｐ１３−２７，２００２；Ａｌｌｅｎ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖ．９，ｐ５４５−５６２，１９９８；Ｎｉｋｋａｒｙら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖ．４１（３），ｐ４４６−４５２，２００２；Ｕｐｓｃｈｕｌｔｅら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖ．３８（９），ｐ１５０６−１５１２，１９９９；Ｍｉｈａｌｃｅａら、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖ．９，ｐ３２７−３３８，１９９８；Ｗｅｂｂｅｒら、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｖ．２８，ｐ４０７−４１３，２０００；Ｅｂｅｒｔら、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｖ．３０，１６１１−１６１８，２００５；Ｎａｇａｌｉら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖ．３５（２１），ｐ４０２７−４０３２，１９９６；及び米国特許第７，２４８，７５５号明細書、米国特許第７，２４４，９３６号明細書、及び米国特許第７，２１７，１２１号明細書に記載されている。
従来技術における顕著な利点にもかかわらず、一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素に対する燃焼ガスチューナブルダイオードレーザー分光同時分析の適用に関する重大な問題として、選択性に乏しいこと、背景干渉、及び温度干渉に関する問題が残っている。
Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖ．６，ｐ１３−２７，２００２
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Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｖ．２８，ｐ４０７−４１３，２０００
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｖ．３０，１６１１−１６１８，２００５
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖ．３５（２１），ｐ４０２７−４０３２，１９９６
本発明は、チューナブルダイオードレーザー分光による燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の同時分析に関する上述の問題を解決する。分析の精度は２から２．５マイクロメートルの範囲の波長でチューナブルダイオードレーザーを操作することによって改良される。スペクトルデータ操作に関する多変量処理法は、たとえ単一のチューナブルダイオードレーザーが使用される場合にも、一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の同時測定を可能にする。より詳細には、本発明は燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を決定するための化学分析法であり、以下の段階を含む。（ａ）波長が２から２．５マイクロメートルの範囲である、単一のチューナブルダイオードレーザーからの波長が調節された光を、燃焼ガスを通過して、燃焼ガスの吸収プロファイルを生成するための光検知器の方向に向ける段階と、（ｂ）燃焼ガスの吸収プロファイルをデジタル化する段階と、（ｃ）デジタルコンピュータにデジタル化された吸収プロファイルを保存する段階と、（ｄ）デジタルコンピュータのデジタル化された吸収プロファイルを処理して燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を示すコンピュータからの出力を生成する段階。
関連する実施形態において、本発明は、燃焼駆動熱処理システムを、効率がよく、環境及び操作の安全性の目的を達成するよう監視し制御する方法であり、燃焼駆動熱処理システムは燃焼ガスを生成し、前記方法は以下を含む。（ａ）燃焼ガスの内の酸素の濃度を決定する段階と、（ｂ）燃焼ガスの温度を決定する段階と、（ｃ）（ｉ）波長が２から３マイクロメートルの範囲である、単一のチューナブルダイオードレーザーからの波長が調節された光を、燃焼ガスを通過して、燃焼ガスの吸収プロファイルを生成するために単一の光検知器の方向に向ける段階と、（ｉｉ）燃焼ガスの吸収プロファイルをデジタル化する段階と、（ｉｉｉ）デジタルコンピュータにデジタル化された吸収プロファイルを保存する段階と、（ｉｖ）デジタルコンピュータのデジタル化された吸収プロファイルを処理して燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を示すコンピュータからの出力を生成する段階とを含む方法によって、燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を決定する段階。
燃焼システム中のガス種の測定は、安全な、環境応答型の、効率的な操作に関して重要である。それに限定されるわけではないが、本発明は炭化水素処理炉及びヒーターに関して特に重要である。
本発明において使用される特定のガス種及び測定条件は、酸素（Ｏ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、燃焼ガス温度、水（Ｈ２Ｏ）及びメタン（ＣＨ４）等の炭化水素（Ｃ−Ｈ）である。
図１を参照すると、そこには例えばエチレン分解装置、石油精製ヒーター、石油精製水素化分解装置、石油精製流動接触分解装置、及び電力生成スチームボイラー等の炭化水素処理ヒーター又は炉１０が概略的に図示されている。ヒーター又は炉１０は囲い又は壁１１、例えばバーナー１２及び１３からの炎１４及び１５によって加熱される炭化水素の蒸気を運ぶパイプ１６を含む。
図２を参照すると、図１のヒーター又は炉に関する重要な燃焼パラメータ間の関係に関して、濃度とバーナー空気過剰率とのプロットが示される。本発明によって提示される主な操作上の関心事は、バーナーの効率（最適化された空気／燃料比）、燃焼システムからの排出物質（ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯｘ、等）、及び安全な監視（炎の損失、燃料リッチなバーナー条件、生成物チューブの漏れ又は破壊）である。
燃焼効率に要求されることは、燃焼副生成物における過剰空気の量が最も低いバーナーに対して空気／燃料比を最適化することであり得る。バーナーに供給される燃料は、典型的には、処理に必要とされる燃焼速度（必要とされる熱の量）によって決定される。バーナーに供給される空気は、過剰な排出物質（ＣＯ等）、及び非燃焼燃料（炭化水素）の生成なしに完全な燃焼を可能とするように十分多くなくてはならない。過剰な空気は炎によって加熱され、燃焼系（クラッキング原料等）の当初の目的に対して使用することができない、ある程度の熱を消費する。バーナーに対する過剰な空気は、ＮＯｘ排出物質も形成するだろう。図２は、効率、安全性、及び排出物質の間の関係を説明する。
排出物質に対する要求は、オペレータ又は政治当局によって決定される。多くの場合、個々のプラント、又は個々の炉／ヒーターは、排出され得る汚染物質の量及び温室ガスの量に制限を有する。主な汚染物質は一酸化炭素（ＣＯ）、ＮＯｘ（一酸化窒素＋二酸化窒素）及び二酸化炭素（ＣＯ２）である。特定の場合には、バーナーの燃焼速度（生成速度）は、下記の要求される排出制限を保持する必要によって制限され得る。汚染物質の測定、又は汚染物質を生成するのに必要とされる条件は、排出物質を制御及び低減するために使用され得る。
燃焼系の安全な操作には、燃焼系内に爆発性の混合物が存在しないことが必要とされる。これらの爆発性混合物は三つの一般的な条件下で生じ得る。第１に、バーナーに十分な空気が供給されない場合、燃焼されていない燃料がバーナー中に存在するだろう。この燃焼されない燃料は、バーナーの空気供給によって又はシステム内部への空気の漏れによって、過剰な空気がシステム内に導入されるとき、発火し得る。第２に、バーナーの炎が消える場合（フレームアウト、リフトオフ）、バーナーに供給される空気／燃料は燃焼チャンバに入り、その後の任意の発火源がこの混合物を発火させ得る。第３に、炉／ヒーターが炭化水素を処理するために使用される場合、生成物チューブ内の漏れは燃焼されていない炭化水素を燃焼チャンバ内に導入し得る。もしも過剰な空気が存在する場合、発火源により爆発が起こり得る。他の条件での爆発性混合物の存在の測定によって、不安全な状態、及び安全違反の原因の双方を示し得る。
図３ａを参照すると、チューナブルダイオードレーザー伝送ユニット１７及び検知器１８を含むチューナブルダイオードレーザーガス分析システムを使用する、図１のヒーター又は炉の概略的図が示される。図４を参照すると、チューナブルダイオードレーザーガス分析システムのより詳細な図が示される。チューナブルダイオードレーザーガス分析システムは、チューナブルダイオードレーザーを含むレーザーモジュール３７を含む。制御ユニット３１は信号処理（以下でより詳細に議論される）、並びに温度及びチューナブルダイオードレーザー及びユーザインターフェイス及びディスプレイの電流制御のためにプログラムされた中央処理ユニットを含む。アラインメントプレート２９及び調節ロッド３０は、レーザービーム４１の位置合わせを可能にする。二重処理分離窓２８は４インチパイプフランジ４０に取り付けられる。窓２８の間の空間は、立方インチあたり１０ポンドのゲージ圧で１分あたり約２５リットルの窒素でパージされる。フランジ４０は炉の壁を通して取り付けられる。
図４を参照すると、レーザービーム４１は近赤外光検知器３８に向かって燃焼ガスを通過され、その後二重処理分離窓３３を通過される。窓３３は４インチパイプフランジ３９に取り付けられる。窓３３の間の空間は、立方インチあたり１０ポンドのゲージ圧で１分あたり約２５リットルの窒素でパージされる。フランジ３９は炉の壁を通して取り付けられる。アラインメントプレート３４及び調節ロッド３５は、検知光学機器のレーザービーム４１との位置決めを可能にする。検知電子機器３６はケーブル３７ａによって制御ユニット３１と電気的に接続されている。制御ユニット３１も（電気ケーブル３８ａによって）炉１０を制御するための処理制御システム３２と電気的に接続される。図４に示されるシステムはテキサス州ヒューストンのＡｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓから商業的に入手可能である。
図４によって示されるシステムは特定の波長におけるレーザー光の量を測定することによって操作され、その光は燃焼ガスを通って移動するとき吸収される（失われる）。一酸化炭素、気相の水、及び炭化水素は各々特有の微細構造を示す赤外光のスペクトル吸収を有する。スペクトルの個々の特徴は、チューナブルダイオードレーザー３７の高い解像度においてみられる。
図３ｂを参照すると、二つのチューナブルダイオードレーザーガス分析システム１７、１８、１９、及び２０、及びジルコニア酸素センサー２１及び２２の対を使用する、図１のヒーター又は炉の概略的図が示される。図３ｂに示されるシステムは、本発明の好ましい実施形態である。酸素測定は様々な方法で実行され得る。二つの一般的な方法は、酸化ジルコニウムプローブ、チューナブルダイオードレーザー（ＴＤＬ）分光、又は両方の組み合わせである。この出願は、図３ｂに関連する酸化ジルコニウムプローブとチューナブルダイオードレーザー分光との組み合わせの記載を含む。７５９から７７９ナノメーターの範囲の波長においてＴＤＬ酸素分析器１９、２０は、火室を横切る不均一な酸素分布に起因する誤差を回避するため経路平均酸素濃度を提供する。二つの酸素吸収ピークを測定することによって、ガス温度が分析器からの出力として計算され、及び提供され得る。ジルコニア酸素プローブは、マルチバーナーシステムにおける局在化された非効率性を診断するのに使用され得る酸素の点測定値を提供する。
ＣＯ測定にも同様に、固相センサー、非分散的な赤外及びチューナブルダイオードレーザー等の複数の分析方法を使用することが可能である。本発明の好ましい実施形態は、燃焼ガス中のＣＯを測定するＴＤＬ分光を使用する。２から２．５マイクロメートルの波長範囲における適切な吸収ラインを選択して、単一のチューナブルダイオードレーザーシステムでＨ２Ｏ及び炭化水素（メタン及びその他）を測定することも可能である。レーザーあたり単一の化学種、又はレーザーあたり単一及び複数の化学種の組み合わせの測定結果を提供するために複数のレーザーを使用することも可能である。
図３ｂを参照すると、二つの個々のダイオードレーザーシステム１７、１８、１９、及び２０が、Ｏ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ガス温度、及び燃焼されていない炭化水素（制限はされないが、メタン（ＣＨ４）を含む）の測定結果を提供するために使用される。ＴＤＬは光学的測定である。測定されたガスは特定の波長でレーザー光を吸収する。吸収された光の量は、ガス濃度、圧力、温度、及び光学的経路長の関数である。処理ヒーター／炉も熱処理のための熱を提供するのに使用される単一の又は複数のバーナー１２及び１３を同様に有する。これらのバーナーは空気及び燃料を供給され、この空気及び燃料は所定の熱、制御効率を提供し、排出物質を低減し、及び安全な操作を保証するため制御される。複数の潜在的な操作条件が存在し、その幾つかは以下に説明され、ガス種測定は最大熱容量、効率的操作（最小限のバーナー燃料コスト）、安全な操作（炉内の爆発性混合物を回避する）、及び排出物質を低減するという目的を満たすために使用されてよい。
図３ｂを参照すると、バーナー１２及び１３が点火され処理される生成物が生成物チューブ１６内に含まれる通常の操作条件の下で、重要な操作パラメータは過剰な空気を最小化することであり、同時に所定の熱を提供し、燃焼されない燃料を最小限にし、及び排出物質制限内に留まるようにすることである。上述のガス測定結果は以下のように使用され得る。酸素及びＣＯ測定結果は、バーナーの効率を示し、有意のレベルのＣＯが存在しないときの最小の酸素濃度は全体的な炉燃料効率の最適値を示し得る。酸素の経路平均測定及び点測定を組み合わせることによって、複数のバーナーがシステム内に存在する場合、局在化されたバーナー効率を示し得る。ガス温度測定結果は生成物処理に使用できる熱量を示し得る。ＣＯは、バーナー燃料（可燃性）が燃焼されず燃焼チャンバ内に存在する燃料豊富な条件に対して、前駆体として使用されてもよい。Ｃ−Ｈ測定結果はバーナーからの燃焼されていない燃料の存在を示すために使用されてよい。Ｈ２Ｏ測定結果は計算効率のため使用されてよい。酸素及びＣＯ測定結果の組み合わせは、ＣＯ２及びＮＯｘ等の汚染排出物質を予測又は計算するために使用されてよい。なぜなら、これらの汚染物質はどちらも、バーナーに対する空気及び燃料レベルが増加するにしたがって増加するためである。例えば、ＮＯｘはバーナーに供給される空気中に存在する窒素及び酸素から生成され、過剰空気（要求される最小レベルを超える）が増えるとＮｏｘの生成も増加する。
バーナーの炎の損失又はフレームアウトによって生成される状態の下で、ガス測定結果は以下のように使用され得る。バーナー空気供給中に存在する酸素は燃焼プロセスによって消費されないので、酸素レベルは上昇する。ガス温度レベルは熱源（炎）を失うので急激に下がる。燃焼副生成物として生成されるので、気相Ｈ２Ｏレベルは急激に下がる。メタン及び他の炭化水素レベルは大きく増加する。これらのガス測定結果の各々を提供及び監視することによって、バーナー炎の損失が推測され得る。
生成物チューブが炭化水素を含むとき、生成物チューブの漏れにより生成される状態の下で、以下の状態が監視され得る。チューブからの生成物が燃焼チャンバに入るとき、燃焼チャンバ内で炭化水素レベルは増大する。生成物チューブ内に蒸気も存在する場合、Ｈ２Ｏレベルは蒸気が燃焼チャンバに入るとき増加する。酸素レベル、ガス温度、及びＣＯレベルはこれらの状態の下で変化し、診断及び制御に使用され得る。
生成物チューブが蒸気を含むが炭化水素を含まないとき、生成物チューブの漏れによって生成される状態の下で、以下の状態が監視され得る。Ｈ２Ｏレベルは燃焼チャンバに蒸気が入るとき増加する。酸素レベル、ガス温度、及びＣＯレベルはこれらの状態の下で変化し、診断及び制御に使用され得る。
本発明の好ましい実施形態は、酸素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素、水蒸気、及び温度を測定するためチューナブルダイオードレーザー分光器を使用する。これらの測定は多くの燃焼駆動熱処理システムにおいて、一つの例では精製プロセスヒーターにおいて、使用され得る。
ＴＤＬ分光器は光源としてチューナブルダイオードレーザーを使用する。このレーザーは典型的には一定の温度で制御され進行波長位置を確立し、その後レーザーは制御電子機器からのカレントランプを用いて調節され、調節により繰り返しの範囲（すなわち、酸素に関して７６０ｎｍから７６１ｎｍ）にわたって波長スキャンを行なう。調節されたレーザー光はビームに形状を付与する光学機器を通過し、その後第１の処理分離窓を通過し、もしも測定されるガスが存在するとき測定されるガスを通過し（プロセスを横切って伝達される赤外光の一部を吸収する）、他の処理分離窓を通過し、測定に使用される波長に関して選択された適切な感光性検知器へと向かう。検知信号は適切なデータ取得システムによってサンプリングされ、その後結果は分析デジタル中央処理ユニット（ＣＰＵ）によって処理される。そのような装置の一例は、テキサス州ヒューストンのＡｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｉｅｓ，Ｉｎｃから入手可能であるＴｒｕｅＰｅａｋ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ分析器である。
測定に使用される各々のガスは、赤外光の特有の吸収を有する。この一例が図５に示されており、これは酸素に関する赤外吸収スペクトルである。特定の吸収ピークの一つ以上を選択し、ガス温度及び圧力とともにプロセスを横切ってレーザー光が伝達される距離を入力することによって、経路平均濃度が計算され報告され得る。この経路平均濃度は、基本的にレーザー光のビーム中に存在する。測定されるガスの分子の数を計測する。点源測定に対する経路平均測定（ジルコニア酸素センサーを備えるとき）の一つの有利な点は分析物の全てが測定されることであり、点センサーはプロセスの小さな部分を測定するのみであり、分析物がプロセス全体に分散されている場合、点測定の結果はシステム全体を表すものではないだろう。特定の場合、例えばバーナーの不調の診断には、経路平均測定及び一つ以上の点源測定の両方が望ましいだろう。経路及び点測定が望まれる場合、図３ｂに示されるように両方のタイプの測定の組み合わせが使用されてよい。
酸素測定結果は、７５９ｎｍから７７９ｎｍまでの、図５に示される任意の適切な吸収ピークを選択することによって、このタイプの分析装置で行われ得る。
二つの適切な酸素ピーク、例えば７６０．５５ｎｍ及び７６０．５６ｎｍ、にわたってレーザーを走査することによってガス温度を推測することも可能である。酸素吸収ピーク強度はガス温度と強く関連し、十分に異なる線強度対温度を有する二つの線が選択される場合、線強度をどちらも測定し比較することによってガス温度の推測が可能になる。この同じ方法は他の分析（例として水分）で使用され得、この実施形態は温度測定に関して酸素ピークを使用する。
一酸化炭素（ＣＯ）の測定は同様の方法で実行される。図６及び７は二つの異なる波長領域における吸収ＣＯピークを示す。ＣＯ測定の精度に対する要求及びダイオードレーザーのコストの何れかに応じて、波長領域は選択され得る。
本発明の好ましい実施形態は２２９０ｎｍから２５８０ｎｍの波長範囲のＣＯピークを使用する。二つの特定の例は、高温における燃焼分析の要求に特によく適するとして説明される。バーナーに近いＣＯの測定は、ＣＯレベルがバーナーの最も近くで典型的には高く測定及び制御を簡単にするという点で、それ自身有利な点を有する。燃焼ガスは反応に寄与するバーナーシステムからさらに遠く移動するので、この反応は低温領域においてバーナーからさらに離れたところで低いＣＯレベルをもたらす。加えて測定応答時間が低減される。
図８は２３２４から２３２８ｎｍのＣＯ、Ｈ２Ｏ、及びＣＨ４のＨＩＴＲＡＮ吸収スペクトルを示す。この波長領域は、単一のダイオードレーザーがＣＯ、Ｈ２Ｏ、及び複数の炭化水素（ここでは例としてメタンを使用する）の吸収波長をカバーする調節された波長であり得るところの一例である。
図９は２３０１．９から２３０２．４ｎｍのＣＯ、Ｈ２Ｏ、及びＣＨ４のＨＩＴＲＡＮ吸収スペクトルを示す。この波長領域は、単一のダイオードレーザーがＣＯ、Ｈ２Ｏ、及び複数の炭化水素（ここでは例としてメタンを使用する）の吸収波長をカバーする調節された波長であり得るところの他の例である。
図１０は、１１００Ｃにおいて長い経路を横切って収集された、図９と殆ど同じ波長範囲（２３０１．９から２３０２．４ｎｍ）の吸収スペクトルを示し、平坦な曲線はＣＯ及びＨ２Ｏに関する一方で、三角形で印を付けた曲線はＨ２Ｏに関する。標準的なＨＩＴＲＡＮスペクトルを操作炉からの測定されたスペクトルと比較することによってわかるように、背景のＨ２Ｏ吸収パターンは予測されたものと異なる。これは、ＨＩＴＲＡＮが本来大気中での監視用途のために設計され、高温条件下ではそれほど正確ではないという事実に主に起因する。経路が長い（２０ｍ）ため、背景のＨ２Ｏ吸収とＣＯ吸収との干渉は有意に起こる。測定の完全性を保ちつつ、簡単なピーク高さ測定、又はピーク面積積分に基づいて濃度を予測することは不可能（又は少なくとも非常に困難）である。
ＣＬＳ（古典的最小二乗法）信号処理は本発明におけるこの問題の好ましい解決方法である。好ましくは、信号処理はデジタルコンピュータ（好ましくは、デジタルコンピュータの中に保存された信号に対する以下のタイプの分析の一つを実行するようプログラムされた一般的な目的のデジタルコンピュータ）によって実施される。ＣＬＳは各成分の濃度レベルを予測するための数学モデルを使用する多変量解析の一つである。多変量解析は、古典的最小二乗法（ＣＬＳ）、主成分回帰（ＰＣＲ）、及び部分最小二乗法（ＰＬＳ）を含む。おそらくＣＬＳが最も簡単である。それは、各成分のスペクトルの全てを得て、その後の混合物測定に関する数学的モデルを構築するため較正を必要とする。較正は装置の出力をサンプルの性質に関連付ける数学モデルを構築する方法である。予測は、モデルを用いて装置出力として与えられるサンプルの性質を予測するための方法である。例えば、所定の波長における吸収は分析物の濃度に関連付けることができる。モデルを構築するために、既知の濃度レベルを有するサンプルからの装置の応答が測定され、数学的な関係が見積もられ、これは化学的成分の濃度に対する装置の応答に関連する。このモデルは、それらのサンプルからの測定された装置応答を用いて、その後のサンプルの化学的成分の濃度を予測するため使用されてよい。多くの装置応答が考えられ、サンプルの多くの性質が予測され得る。多くの用途において、装置からの一つの応答が単一の化学的成分の濃度に関連付けられる。唯一つの装置応答がサンプル毎に使用されるので、これは一変量較正と呼ばれる。多変量較正は装置からの複数の応答をサンプルの一つの又は複数の性質に関連付ける方法である。サンプルは、例えば、プロセス流中の化学的成分の混合物であり、目的は流れ中の様々な化学的成分の濃度レベルを赤外測定から予測することである。
ＣＯ、Ｈ２Ｏ、及びＣＨ４等の特定の炭化水素に関する個々の吸収ピークにわたってレーザー波長を走査することは、これらの成分の測定及び報告を可能にする。多変量モデルは測定を強化するために必要とされ、及び使用されてよい。以下の特定の波長（ナノメートル）は燃焼ガスの温度が約１，１００℃であるときに特に推奨される：２３０２．１；２３０３．９；２３１９．１；２３２３．６；２３２５．２；２３２６．８；２３３１．９；２３３３．７；２３３５．５；２３４２．８；２３４６．８；２３４８．２；２３５６．１；２３６３．１；及び２３７３．１。以下の特定の波長（ナノメートル）は燃焼ガスの温度が約３００℃であるときに特に推奨される：２３０７．８；２３２０．６；２３２３．６；２３３１．９；２３３９．３；２３５３．９；２３６０．８；２３６８．０；２３７３．１；２３８９．３；及び２４０１．０。このように、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、及び炭化水素（ＣＨ４等）の同時測定を可能にする、複数の選択し得る波長が存在する。最もよい波長の選択は用途に依存し、適度の実験によって決定される。所定の精度、光学的経路長（炉のサイズ）、及び燃焼ガス温度等の因子は、重要な変数である。
本発明の好ましい実施形態の主な特徴は、単一の分析システム中の酸素、温度、一酸化炭素、水蒸気、及び／又は炭化水素を監視することである。これらの測定と、これらのガス測定に影響するプロセス条件の理解との組合せによって、燃焼効率最適化、排気物質低減、及び安全な監視が可能となるだけではなく、条件間の識別も可能となる。本発明の一つの実施形態は、空気が豊富であるか、又は燃料が豊富な条件の間での識別と同時に、生成物チューブの漏れ、及びバーナーのフレームアウト等の不安全な条件の間の識別を可能にする。酸素のさらなる測定点を含む本発明の他の実施形態は、複数バーナーシステム内の局所的な診断を可能にする。
結論として、本発明は好ましい実施形態と関連して上記のように記載されたが、本発明はそれらによって制限されず、以下のクレームによって規定される本発明の範囲内に含まれる全ての代替物、修正物、及び均等物を含むものと理解されるべきであることは明白である。
１０ ヒーター又は炉
１１ 囲い又は壁
１２、１３ バーナー
１４、１５ 炎
１６ パイプ
１７ チューナブルダイオードレーザー伝送ユニット
１８ 検知器
２９ アラインメントプレート
３０ 調節ロッド
３１ 制御ユニット
３７ レーザーモジュール
４０ フランジ
１１ 囲い又は壁
１２、１３ バーナー
１４、１５ 炎
１６ パイプ
１７ チューナブルダイオードレーザー伝送ユニット
１８ 検知器
２９ アラインメントプレート
３０ 調節ロッド
３１ 制御ユニット
３７ レーザーモジュール
４０ フランジ
Claims (11)
- （ａ）波長が２から２．５マイクロメートルの範囲である、単一のチューナブルダイオードレーザーからの波長が調節された光を、燃焼ガスを通過して、燃焼ガスの吸収プロファイルを生成するための光検知器の方向に向ける段階と、（ｂ）燃焼ガスの吸収プロファイルをデジタル化する段階と、（ｃ）デジタルコンピュータにデジタル化された吸収プロファイルを保存する段階と、（ｄ）デジタルコンピュータのデジタル化された吸収プロファイルを処理して燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を示すコンピュータからの出力を生成する段階と、を含む、燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を決定するための化学分析法。
- 前記段階（ｄ）において、前記処理が多変量解析を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記燃焼ガスが、エチレン分解装置、石油精製ヒーター、石油精製水素化分解装置、石油精製流動接触分解装置、及び電力生成スチームボイラーからなる群から選択されるプロセスによって生成される、請求項１に記載の方法。
- （ａ）燃焼ガスの内の酸素の濃度を決定する段階と、（ｂ）燃焼ガスの温度を決定する段階と、（ｃ）（ｉ）波長が２から３マイクロメートルの範囲である、単一のチューナブルダイオードレーザーからの波長が調節された光を、燃焼ガスを通過して、燃焼ガスの吸収プロファイルを生成するために単一の光検知器の方向に向ける段階と、（ｉｉ）燃焼ガスの吸収プロファイルをデジタル化する段階と、（ｉｉｉ）デジタルコンピュータにデジタル化された吸収プロファイルを保存する段階と、（ｉｖ）デジタルコンピュータのデジタル化された吸収プロファイルを処理して燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を示すコンピュータからの出力を生成する段階とを含む方法によって、燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素の濃度を決定する段階と、を含み、燃焼駆動熱処理システムは燃焼ガスを生成する、燃焼駆動熱処理システムを、効率、環境及び操作の安全性の目的を達成するよう監視し制御する方法。
- 燃焼ガス中の酸素濃度が一つ以上の点源酸素センサーを使用して測定される、請求項４に記載の方法。
- 燃焼ガス中の酸素濃度及び燃焼ガスの温度が分光学的に測定される、請求項４に記載の方法。
- 前記燃焼ガスが、エチレン分解装置、石油精製ヒーター、石油精製水素化分解装置、石油精製流動接触分解装置、及び電力生成スチームボイラーからなる群から選択されるプロセスによって生成される、請求項４に記載の方法。
- 燃焼駆動熱処理システムが一つ以上の炭化水素バーナーを使用し、測定結果がバーナーの空気及び燃料供給速度を制御するために使用され、効率を改善しかつ排出物質を低減する、請求項４に記載の方法。
- 測定結果が燃焼システム中の安全ではない状態を表すために使用される、請求項４に記載の方法。
- 燃焼駆動熱処理システムが複数の炭化水素バーナー、及び生成物チューブを使用し、測定結果が、一つ以上のバーナーが豊富であるか、一つ以上のバーナーがフレームアウトしているか、及び生成物チューブが漏れているか、からなる群から選択される状態を測定するため使用される、請求項４に記載の方法。
- 点源一酸化炭素センサーを用いる燃焼ガス中の一酸化炭素の測定をさらに含む、請求項４に記載の方法。
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