TWI278621B - Apparatus for monitoring gases in a combustion system - Google Patents

Description

1278621 ί久、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於監測及測量在燃燒系統，包桉i 士 ^ 匕祜具有使用於 燃燒應用（諸如銷爐、爐、燃燒氣體滿輪機或化 。、 % 現咨室 應用）中之感測器之系統中之氣體，諸如煙道氣中之組成^ 體。 、、氣 【先前技術】 為瞭解本發明的性質及操作’考慮一些範例的應用可能有 幫助。比方說，在許多工業設備或環境中，使烴燃料於^燒 器室（例如，鍋爐或爐）中燃燒產生熱，而提高流體之溫度= 為使燃燒器室有效率地操作及產生具有落於由環境法規及設 計限制所加諸之界限内之燃燒副產物/產物之可接受的完$ 燃燒，所有個別的燃燒器皆應乾淨且有效率地操作，且所有 火焰後燃燒控制系統皆應經適當地平衡及調整。 一般監測未燃燒碳、氧化氮^〇、ν〇2、Ν〇χ)、一氧化碳 或其他副產物的排放，以確保符合環境法規。於此處及於申 請專利範圍中所使用之術語氧化氮應包括一氧化氮（Ν〇）、二 氧化氮（Ν〇2)、及氮氧化物（Ν〇χ，其中NC^N〇2之總 和）。说今為止，排放物的監測係視需要而於來自燃燒器室的 整體排放物上進行（即將全部的燃燒器陣列視為一體）。一些 排放物，諸如熱煙道氣中之氣態可燃物的濃度，很難在線 上連續監測及/或其之監測成本$貴。此等排放物典型上係 疋期或偶爾測量。當發現特定的燃燒副產物以令人無法接 受的高濃度產生時，應調整燃燒器室，以回復適當的操作 82269 1278621 。然而，測量整體排放物，或定期或偶爾測量排放物，若 有的話，亦僅提供極少關於應改變何種特定的燃燒器室參 數，以達成此一調整的有用訊息。 應連續監測二主要的燃燒變數，即〇2、c〇及Ν〇χ，以使 燃燒程序最適化，及達成以最低量之排放提供最大效率的 目標。熟知以固態電解質（例如，锆氧）為主的燃燒感測器， 且其常被用於化石燃燒器室中，以測量氧及可燃物（商業的 供應商包括Rosemoimt Analytic^、Ametek Thermox、及 Yokogawa)。此等感測器通常係將參考空氣供給至兩電極之 其t 一者而使用。在大多數的情況中，現有的感測器係可 取出且需要高度維修。 近來’ 一些供應商引入不利用參考氣體之連續供給的氧 感測器。實際上，此等感測器具有經填充於密封體積内部 產生恒足〇2分壓之金屬/金屬氧化物之混合物的密封内部電 極。 有許多使用固態電解質測量煙道氣可燃物（主要係C〇)之 方法。其中一種方法係基於使用直接設置於高溫煙道氣流 中之現場電位固態電解質電池中的波動信號，如說明於美 國專利第6,277,268號（Khesin等人），標題為「監測化石燃燒 3 A中之氣悲可燃物的系統及方法（SyStein And Method For

Monitoring Gaseous Combustibles In Fossil Combustors)」 (在本文中稱為‘268專利）。此等感測器的設計相當簡單， 且可提供立即響應。現有之生產中且可於市面購得之感測 器的一例子係 General Electric Reute卜Stokes Company 82269 1278621 (Twinsburg，Ohio)製造之MK C〇感測器。 ’268專利尤其揭示一種監測環境中之至少第一類型氣體 分子之濃度變化的裝置。此裝置包括一塊材料及第一及第 二電極。此塊材料可使當第一類型氣體分子離子化時所生 成之離子透過。第一及第二電極係設置於此塊材料上，以 致當在第一電極上之第一類型氣體分子之濃度與在第二電 極上之第一類型氣體分子之濃度不同時，第一類型氣體分 子於第一電極離子化生成離子，其自第一電極經由材料塊 流至第二電極，並於第二電極再結合形成第一類型氣體分 子；因而於第一及第二電極之間產生信號。各第一及第二 電極係與環境流體相通。 更明確言之，’268專利揭示一種監測存在於環境中之氧濃 度變化之系統，此系統包括至少一能斯提安（Nernstian)型氣 體感測器。此感測器包括一塊固態電解質材料及第一及第 二電極。第一及第二電極係設置於此塊固態電解質材料上 ，以於其間產生指示在第一電極之氧濃度與在第二電極之 氧濃度之間之差的信號。各第一及第二電極係與環境流體 相通。然而，可使用能斯提安型氣體感測器於監測任何數 目之氣體的濃度。包含於感測器中之此塊材料係可使當第 一類型氣體分子離子化時所生成之離子透過。在至少第一 及第二電極之間產生反應環境中之第一類型氣體分子濃度 變化的信號。此外，此感測器可不包括溫度控制裝置。 ’268專利更揭示一種校準氣體感測器之方法，此方法包括 將具有第一分佈之第一氣體及具有不同於第一分佈之第二 82269 1278621 分佈之第二氣體的各者以預定順序供給至氣體感測器。基 於氣體感測器之輸出信號調整氣體感測器或與其結合之信 號分析器’以校準氣體感測器。校準氣體感測器之裝置包 括一開關系統及一定序器。開關系統係與具有第一預定氣 體分怖之第一槽及具有第二預定氣體分佈之第二槽的各者 流體相通。定序器使開關系統以預定順序自各第一及第二 槽將氣體供給至氣體感測器。 ’268專利更揭示（諸如在圖8a及8B)將感測器組合及裝設 於現場燃燒器室應用中的多件管及連結器設置。 肴許多使用能斯提安固態電解質感測器以混合位能電位 板式測量煙道氣中之NOx的方法。在此種設計中，被分析氣 骨豆在到達測量電極之前先通過可增進其對NO或NOx (NO及 N〇2之總和）之敏感度的多孔過濾器。此種「經過濾」NOx 感測咨的實際使用由於其他成份（主要係CO及02)的影響而 有困難。 【發明内容】 本發明經由提供監測燃燒系統中氣體之改良方法及系統 ’而克服以上指出的問題，並提供額外的優點。本發明可 使用於許多應用，包括動力鍋爐及化石燃燒器室中。在一 種方式中，本發明提供使用一以固態電解質為主之現場電 位感測器而同時監測及/或測量關鍵燃燒成份，諸如氧、Ν〇χ 及Co。可將此種感測器組在一起，以提供燃燒變數之必需 刀佈及詳細測定，作為將燃燒最適化的有效工具。 根據本發明之一態樣，一波動可燃物感測器提供組合電 82269 1278621 L 〇2+〇：〇感/則杏。在此具體實施例中，將參考氣體（空氣）供 給至可燃物感測器之-電極（參考電極），以致此參考氣體流 經感測器。可將其稱為流通〜+⑶感測器。此感測器之 成份的操作如同傳統的能斯提安型感測器，其中其係根據 能士特（Nernst)方程式而操作。然而，術語能斯提安通常大 致係用於指示以固態電解質#氧為主，且不根據能士特方 程式操作的感測器。此感測器的c〇及Ν〇χ方面就技術層面 而吕並非「能斯提安」。反之，本發明之(：〇及]^〇\感測器構 造係以混合位能模式操作，其中與測定c〇及Ν〇χ之濃度相 關的處理基於許多因素，諸如溫度、使用材料等等，而偏 離能士特方程式。 在一種方式中，可使用本發明於將現有的感測器或感測 器設計，諸如MK C0感測器，轉變為組合電位〇2 + c〇感測 器。此方式提供較不複雜的感測器設計，其中感測器具有 一固態電解質電池與兩測量電極。此現場電位感測器產生 由兩成份（DC及AC)所組成之輸出信號。過去使用dc成份， 利用能士特方程式及由信號過濾出之AC成份計算〇2。近來 已使用波動AC成份於測定一氧化碳（CC))、氧化氮（Ν〇χ)、或 其他氣態可燃物之濃度，如說明於美國專利第6,277,268號 圖2 Α及3 Α就明組合〇2 + C〇感測器之兩範例形式：具有兩 端開放之固態電解質電池的感測器（圖2A)及具有一端封閉 之固態電解質電池的感測器（圖3 A)。 當燃燒器室在均衡通風模式（在負壓下）操作時，可使用自 然通風作為參考空氣供給的驅動力。亦可使用參考空氣供 82269 -10- 1278621 ^ &、’泉、’·二由將杈準氣體供給至參考電極，而定期校準〇2 及CO感測器兩者。 ，替代連〜感測器加熱及溫度控制，將此感測器設置於在 適當溫度窗下的煙道氣區中，例如，在許多的鍋爐/爐應用 中，大約在900-1 5〇〇卞之間的煙道氣溫度。連續測量溫度， 並使用其於提供補償^將感測器頭置於保護外殼内’以促 進其之校準，降低煙道氣速度的影響’及保護其之表面防 止灰沈積物。 根據本發明 < 另一態樣，將可燃物感測器構造或轉變為 如則所述的組合〇2 + C〇感測器，並另與密封〇2感測器結合構 造（密封〇2+C〇感測器）。在此設置中，並不需要參考氣體之 連續供給。 根據本發明之另一態樣，經由將可燃物感測器與「經過 濾」NOx感測器結合使用，而將其構造或轉變為組合電位 C〇 + NOx感測器。此感測器具有一共同固態電解質電池與 兩測量電極及-共同參考電極。將由可將⑶氧化成為叫 ，及消除CO影響之材料製成的多孔性薄過濾器置於其中一 個"、彳虽笔極之上。過滤C 0之技術及材料。此電極係以混合 位能模式操作，並使用其於測量ΝΟχ。另一測量電極係以 波動CO感測為操作。結果，於一電位固態電解質感測器中 產生兩信號CO + NOx。此感測器設置並不需要連續參考氣 體供給，其基本上係如圖4A所示，僅除了沒有參考氣體供 給。因此，在此具體實施例中，沒有用以測定農度的DC 成份。 82269 -11- 1278621 感測器僅可測量一燃燒變數，且其具有實質的操作困難。 同時及JL即描述數個關鍵燃燒變數的燃燒感測器提供成功 線上燃燒珍斷及最適化的顯著優點。 在一方式中’本發明經由提供同時監測各種氣體，例如 〇2、C〇及ΝΟχ的增進能力，而改良已知之方法。本發明之 一具體實施例提供至一電極之參考空氣之供給、至另一電 極之外邵過濾器、校準用之外部框罩及撓性軟管，在由不 銹鋼製成之一具體實施例中’提供在燃燒應用及環境中之 更有效的組合、裝設及維修。 未發明之另一目的為經由將數個關鍵燃燒變數之測量結 合於一現場電位固態電解質感測器中，而增進可燃物感測 器之能力。 另一目的為經由將參考氣體（空氣）流供給至可燃物感測 器（參考空氣感測器）之一電極，或經由將其與密封〇2感測器 結合使用’而將現有的波動可燃物感測器轉變為組合（〇2+ C0)感測器。 本發明之又另一目的為提供一種可經由與經過濾NO感測 器結合使用而轉變為組合（Νθχ+cO)感測器之感測器。此外 ，可經由將此感測器使用作為流通（或密封）〇2感測器並與經 過濾ΝΟχ感測器結合，而將其轉變為組合（〇2+N0x+c〇）感測 器。 本發明之再一目的為提供一種同時監測及測量煙道氣成 份之濃度值’以使不期望之排放物減至最少及使燃燒器室 操作最適化的裝置及系統。 82269 -13- 1278621 【貫施方式】 巴祜勁刀鍋爐及化石 本發明可使用於許多燃燒應用 燒器室中。在一種方式中，本發明提供使用一以電位模式 操作之共同現場感測器，而同時監測及/或測量氧、及 氣態可燃物。可將此種感測器组在一起，以提供燃燒變數 之必需分佈及詳細測定，作為將燃燒最適化的有效工具。 為達成任何燃燒裝置之穩定且有效率之操作的目標，在 不同的燃燒區中進行各種燃燒變數及其分体之連續線上監 測有用。當有效地完成此種監測時，可調整個別的燃燒器 以灰火焰後燃燒控制，以達到在燃料與空氣流量之間的最 週關係’個別空氣流量及再燃燒燃料流量之最適分佈，及 其他鍋爐調整之最適化，因而顯著提高燃燒器室之效率。 已知使用現場氧感測器於監測燃燒器室中之氧濃度。典 型上’此-感測器使用在固態電解質（例如，經乾氧⑺ 安疋化之錯氧⑽2)(YSZ))元件之相對側上彼此相鄰設置 =屬(例如，銘)電極，其中-電極(參考電極)被 :!=氧':度，氣體環繞’及另—電極(感測電極)係暴露 土 4。在此等感測器中，當固態 加熱至足夠溫度（例如，高於600。 子。木士 其交為可透過氧離 氧離子將電極之氧分子濃度較在另-電極大時， 可使氧分;成/㈣動至另—η ’而電極則提供作為 使虱刀子成為氧離子的催化表面。 所造成的電子不平衡及發生於各別電極㈣離子之流動 在電極之間產生係為 子化/去離子化 私 ^刀壓之比以及固態電解 82269 -14- 1278621 質材料之溫度之函數的電壓。在兩電極之間產生的電壓係 經所謂的「能士特」方程式定義如下： E=(RT/4F)xLn(Pl/P2) + C 其中： 五=輸出電壓； 感測器之絕對溫度； 通用氣體常數； 法拉第（Faraday)常數； 尸7 =參考氣體中之氧分壓； 户2=監測氣體中之氧分壓； C=各個別感測器之常數；及 Ln(尸7ΛΡ2)係尸7ΛΡ2比之自然對數。 如可注意到，能士特方程式中之僅有的變數為五、Γ、P7 、及P2。因此，當參考氣體中之氧分壓（P7)維持恒定時，由 此一先前技藝感測器輸出之信號五僅受下列因素的影響：（1) 測量氣體中之氧分壓户2的變化，及（2)感測器之溫度丁的變化 。經由消除感測器之溫度Γ對電壓值£的影響，由此一感測 器輸出之電壓五僅對值之變化起反應，因此可將其使用作 為測量氣體中之氧濃度的準確指示（即五=f(P2))。能斯提安 型氣體感測器之溫度T7對自其輸出之電壓值£的影響典型上 係使用以下兩技術的其中一者消除。根據一技術，將一加 熱器設置於感測器内，且加熱器經選擇性活化，而將感測 器維持在恒溫：Γ下。根據另一技術，將一熱電偶設置於感測 器内以測量感測器之溫度Γ，及調整電壓£以補償溫度Γ的變 82269 -15 - 1278621 化。此處所使用之術語「溫度控制裝置」係指使用前述兩 技術之任一者消除能斯提安型氣體感測器之溫度r對自其 輸出之電壓五之影響的任何裝置、電路系統、硬體、軟體、 或其之任何組合。 對於使用至少一多孔性催化電極（例如，多孔性鉑電極） 之能斯提安型氣體感測器，當氣態可燃物在適當條件下與 催化電極接觸時，其會於燃燒型反應中與氧化學結合，而 生成非可燃性副產物。舉例來說，兩一氧化碳分子（2C0)會 與一氧分子（〇2)結合形成兩二氧化碳分子（2C〇2)(即2C0 + 〇2 =2C〇2)，或兩氫分子（2H2)會於電極與一氧分子（02)結合 形成兩水分子（2H20)(即2H2 + 02 = 2H2〇）。此處所使用之術語 「氣態可燃物」係指可於燃燒型反應中與氧化學結合的任 何氣態分子。由於此在氣態可燃物與在催化電極之氧之間 的化學反應，氣態可燃物濃度之上升使得靠近電極之額外 的氧分子被消耗，因而使在電極的氧濃度減小，及相對地 改變由感測器輸出之電壓。同樣地，靠近電極之氣態可燃 物濃度的減低使得較少靠近電極的氧分子被消耗，因而提 高在電極的氧濃度，及相對地改變由感測器輸出的電壓。 在燃燒器室之火焰後區（說明於下）中之煙道氣中，一氧化 碳（C0)典型上係最普遍存在的氣態可燃物。事實上，一氧 化碳典型上佔存在於煙道氣中之氣態可燃物的多於95百分 比。因此，來自感測燃燒器室之煙道氣之能斯提安型氣體 感測器的輸出信號可提供作為存在於其中之C0濃度的可靠 指示。 82269 -16- 1278621 來自能斯提安型氣體感測器之信號包括兩成份：（1)強度 (「DC成份」），及波動頻率（「ac成份」）。根據能士特 方私式’ DC成份係數個參數之函數，包括感測器溫度及分 析和參考氣體中之氧濃度。DC成份係使用此等感測器於測 足〇2;辰度之系統中的重要成份。波動AC成份由於被認為係 播用的雜訊，因而一般將其自氧感測器之輸出信號過濾掉 。在非現場感測器，諸如感測器元件係在火焰後區域外部 ’及將煙道氣樣品引出並輸送至外部感測器的引出設置中 ，會產生延遲，且波動AC成份之準確度會顯著受損，及在 许多情況中大大地損失。因此，波動成份在此種系統中典 型上被認為幾乎無用。 由理响刀析支持之銷爐的實驗測試顯示可將現場氧感測器 之波動AC成份使用作為燃燒效率之指示。此主題論述於，例 如’以下兩文件中：⑴Khesin，M. j·、J〇hns〇n Α· j·，「燃燒 控制·新環境次元（Combustion Control: New Environmental DlmenS1〇n)」’美國動力討論會（American Power Conference) ，芝加哥，1993 ;及（2) Khesin，Μ· J.、lvant0t0v，Α· a·，「 作為可燃物指標之煙道氣氧的波動（Fluctuati〇ns 〇f

Gas Oxygen as Indicator of Combustibles) j > Teploenetgetika ，1978，5，將其各以引用的方式併入本文中。如於此等文 件中所論述，可使用由固態電解質、現場氧感測器產生之 輸出L號、”二由使此一#號之波動A C成份與氣態可燃物相 關聯，而監測氣態可燃物。 然而，為以實際且有用的方式利用說明在以上列為參考 82269 -17- 1278621 資料之參考文獻（1)及（2)中之現象’需克服嚴苛的技術困難 。此等困難包括高操作溫度（例如，高於800)、感測器電 極之催化能力的逐漸降低、結果的不一致、及用於得到此 等結果之信號處理演算法的不確定性。本發明經由提供一 種改良且更多用途的感測器設計，及一種監測燃燒器室中 之氣態可燃物之有效且通用的方法及系統，而克服此等困 難。 。。在本發明之一應用中，將一或多個固態電解質氣體感測 器102設置於燃燒器室1〇〇之火焰後區（參照圖丨Α說明於下） 中的煙道氣流中，以測量煙道氣之氧濃度的波動。可使用 由此等感測益測得之波動於計算與氣態可燃物之即時濃度 相關的值。 在本發明（一具體實施例中，各感測器包括一固態電解質 (例如，Ysz)兀件及與其結合之至少兩金屬（以多孔性較佳） (例銘）電極。根據本發明之一態樣，至少一電極係與煙 道氣流體相通’以監測煙道氣中之組成氣體分子。至少一 其他的電極經隔離成不與煙道氣直接流體接觸，且可浸泡 、多考U待t測之氣體可為，例如，氧、c〇、 二或其他可燃性氣體。舉例來說，與煙道氣隔離之電極係 浸泡於參考氣體，例如，空氣中。此外，比方說，另一電 ί係與煙道氣㈣，並料接至用於監測氧濃度或基於氧 :度測定一些其他氣體之濃度的系統。以此方式，當煙道 2之氧濃度自第-值改變至第二值時，在煙道氣電極之 氧/辰度自第-值改變至第二值之速率亦不同於若有之在隔 82269 18 1278621 離電極之氧濃度自第一值改變至第一 可將各電極構造及設置成具有與值〈速率。換τ之， 上升或下降至在煙道氣及隔離：：二在該電極之氧濃度值 速度相關的時間常數。 晨A中之新氧濃度值之 在於各電極之氧濃度與各別環境中… 許多涉及時間常數之不同關係的任：：氧濃度之間可存在 限於任何特殊類型的關係、。在於一:一纟，本發明並不受 境中之氧濃度之間之關係的—例：極之氧濃度與各別環 數關係，諸如·· 系牽涉時間常數丁 c的指 C£=Cc + ACc*(i.e-t/Tc), 其中： Q ==在電極之氧濃度，

Cc=環境中之氧濃度， △Cc-ί哀境中之氧濃度的變化， e=指數算子， t發生氧濃度變化起所經過的時間 TC係電極特異的時間常數。 當兩電極之時間常數Tc 不同「程戶&、、_ 包極與其之各別環境有 及/或設置雷杯，、 、 卉夕万式的任何方式構造 ”以致其之時間常數Tc彼此不同，本 不受限於邊士，丨 丨N 本發明並 、成11目標的任何特殊技術。舉例來二 說明具體實 牛W术既，在各種 只她例中，此目標可簡單地經由 材料及/或特性不π 田使用其又設計、 不冋的电極而達成。舉例來說，兩 不同的形體，可铖泠太兒極可具有 二塗布具有不同孔隙度之材料，可經塗布 82269 -19- 1278621 例如，多孔性高 不同材料，及/或可經塗布不同量的材料 溫環氧樹脂。 、當電極經構造及設置成具有不同時間f數時，在電極之間 ^量以以要代表測量氣體中之氧丨農度的波動AC成份，而 =前述之一對感測器之其中一者被具有預定氧濃度之氣 :每繞之先前技藝感測器之代表从㈣成份兩者，或主要 厂表DC成份。電極之時間常數之間的適當差異可視應用而定 二本發明並不受限於時間常數之間的任何特殊差異。舉例來 P在各種具體實施例中’電極之時时數可彼此相差在數 (例如，2)毫秒及數（例如，1〇)分鐘之間的值。 、應明睁說明於此之新顆感測器構造並不限线監測氧濃 :的應用’由於此感測器亦可應用於感測許多其他類型氣 例如，一氧化碳（CO)、氧化氮（Ν〇χ)等等之濃度。 f本發明 < 一具體實施例中，將來自現場氧感測器之輸 L號仏…土彳3號分析儀，例如，程式化電腦，於此進行 刀析並使用其於產生與燃燒條件相目的_或多個燃燒參 數0 在種方式中，分析感測器輸出信號，以使輸出範圍與 已知的氣;辰度產生關聯。舉例來說，在一特殊應用及特 殊燃料中，特別受重視之NOx範圍可自0-500 ppm(每百萬份 乏份數）N〇X。由此，可經由使感測器暴露至已知量之N〇x ，及描繪測量輸出電壓響應（諸如以毫伏特為單位）與已知的 Ν〇Χ濃度，而建立響應曲線。同樣地，對於0-10%之氧範圍 ，可使感測咨暴露至已知濃度之氧，及應用所得之電壓響 82269 -20- 1278621 =於處理在設計應用中接收到之信號。同樣地，對於 -〇 ppm疋C0範圍，建立電壓響應曲線，並應用並於處 ==之測量濃度。雖然依照一定設計製造之感測 一此:二補广，佳，但可能需要在現場或現場外的 二肩正或補償，以「扭扯」或以其他方式使 器^設計響應曲線。雖,然提供—些氣體濃度範圍的 ’但執圍係大大地視特定的燃燒器室應用或設計、操作方 式及所使用的特殊燃料而定。 在-具體實施例中，經由使用信號之頻率領域振幅頻譜 在頻率領域中處理輸出信號以產生極值函數（說明於下），及 ，於如此產生之極值函數的_或多個特性計算—或多個燃 燒參數H具體實施例中，經由分析代表在選定時間 間隔内之信號之時間領域的一或多個特性，而於時間領域 (說明於下）處理信號。在又另一具體實施例中，在頻率及時 間領域兩者中處理信號，並將於各領域中的計算結果結合 產生「或多個燃燒參數。接著可使用此等計算燃燒參數I 組合連同可視，例如，控制氣體中之溫度、氧、及/或可燃 物辰度而疋的限制條件估計氣態可燃物之濃度。此等限 、’、彳如了由感測益#號之D C成份測定。應明瞭可將關 万、.在頻率及/或時間領域中處理來自氧感測器之信號以產生 ^燒參數之新穎技術之本發明的此態樣使用於以參考氣體 "^ %極之的述的先前技藝氧感測器、至少兩電極各與 共同的氣體環境流體相通之前述的氧感測器、或產生包括 代表氣(例如，氧）或其他流體濃度之波動Ac成份之信號 82269 -21 - 1278621 之任何其他類型的感測器。 當使用單一感測器時，其產生指示在分析氣體與感測器 接觸之特定位置之氣態可燃物濃度的信號。來自此一單一 感測器之信號可提供足夠量的資訊，而可將單一燃燒器之 小工業燃燒器室的操作最適化。當將數個感測器插入至燃 燒洛室之煙道氣流（例如，橫越寬度）中時，感測器之輸出呈 現燃燒器室内之氣態可燃物的分佈狀況。可利用此一分佈 進行燃燒器室的平衡及最適化。舉例來說，可調整個別的 燃燒器及/或火焰後燃燒系統，以改變所產生之分佈，直至 其反映已達到最佳及平衡燃燒條件為止。可經由實驗測量 而明瞭（1)當達到此種最適及平衡燃燒條件時所應呈現的分 佈狀況，及（2)個別的燃燒器及/或火焰後燃燒系統如何影響 分佈狀況的不同方面。此鍋爐的平衡及最適化對於較大型 的多燃燒器燃燒系統可能尤其有用。 參照圖1A及1B，其顯示燃燒器室100的橫剖面說明及橫越 燃燒器室100之火焰後煙道氣管道104的寬度設置，以監測 於火絡後區中流過之熱煙道氣流之數個現場氧感測器丨〇2 的典型情況。感測器1 02例如可為測量煙道氣中之氧濃度 (及/或濃度變化）的固態電解質感測器，或任何其他可產生 指示存在於煙道氣中之一或多種其他類型氣體之濃度（及/ 或濃度變化）之信號的感測器。實際上，可橫越煙道氣管道 1 04之寬度裝設任何數目的感測器1 〇2(以排成一列較佳）。感 測器亦可以垂直定向的列、或以似格栅的方式或其他有效 圖案設置’且其可延伸至管道内的不同深度，以監測氣鮮 82269 -22- 1278621 可燃物之分佈狀況。 在一些具體實施例中 一 —^ T u燒态至100可為多於一、二或甚 至二百英尺南。如圖1A所千 加、 •、 t，、&為罜1 〇 〇可包括複數個在 燃燒器室100内之火焰囊套1〇s由 、 畏各中將燃料及空氣混合產生火 焰的燃燒裝置(例如’燃燒裝置106)。燃燒裝置可為許多類 土之火產生裝置的任何一 #，本發明並不受限於特殊類 型的燃燒裝置。舉例來命，姐被 e ^ ^ 木况根據一具體貫施例，燃燒裝置 可包括燃燒器（例如，燒翕辦败、诗哭 >凡虱燃燒态、燒煤燃燒器、燒油燃 燒器等等）。在此一具體實施例中，燃燒器可以任何方式設 置’本發明並不爻限於任何特殊的設置。舉例來說，可將 燃燒器置於壁燃燒、相對燃燒、切線燃燒、或氣旋設置中 且可將其叹置成產生複數個明火、一般的火球、或其之 任何組合。或者，可使用包括移動或振動爐篦之稱為「加 煤機」的燃燒裝置於在燃燒器室1⑻内產生火焰。 如於國木防火協會（NFPA ; National Fire Protection

Association)(Quincy，Mass·)，標題為「NFPA 85C，美國國 永標準（NFPA 85C，an American National Standard)」，85C-l 1 頁’ 1991年8月6日的刊物中所定義，「火焰」係指「燃料及空 氣快速轉變為燃燒產物之化學程序之可見或其他的實證」 ’及「火焰囊套」係指「將燃料及空氣轉變為燃燒產物之 獨立程序的邊界（不一定為可見）」。 參照圖1A，當燃燒器室1〇〇中之燃燒裝置1〇6主動燃燒燃 料時，可於燃燒器室100内確認兩明顯的位置：（1)火焰囊套 108，及（2)所謂的「火焰後」區11〇，其係在朝出口 112跨越 82269 -23 - 1278621 一些距離4火焰囊套1 〇8外部的區。在火焰囊套1 〇8外部， 熱燃燒氣體及燃燒產物可亂竄地伸出。此等總稱為「煙道 氣」< 熱燃燒氣體及產物自火焰囊套1〇8朝燃燒器室1〇〇之 出口 112行進。水或另一流體（未示於圖中）可流經燃燒器室 100<壁（例如，壁114)，在此其可經加熱，轉變為蒸氣，及 使用其於產生，例如，驅動渦輪機的能量。在所示之具體 實施例中，感測器102係設置於燃燒器室1⑻之火焰後區u〇 中。然而，應明瞭本發明在此方面並不受限，且如感測器 1 02係經構造成可承受其之嚴苛的高溫環境，則另一種方式 為可將其設置於火培囊套108中。 如前所述’在本發明之一具體實施例中，在感測器與參 考電極兩端之電壓差包括可經分析以測量氣態可燃物之濃 度的波動成份。咸信此關聯的理由如下。個別的燃燒器火 培包括在火培囊套108内部及周圍之不同尺寸的大量渦流 。此等滿流由於在燃料與空氣喷射之邊緣之擾動混合的結 果而有助於在不同的頻率下產生熟悉的火焰顫動。渦流在 燃燒過程中轉變，及在爐出口 1丨2之一般方向中移動。整體 的燃燒擾動反映能量自大型渦流轉移至低至分子層級之愈 來愈小滿流的程序。混合程序的速率及此等擾動活動之所 得強度決定燃燒穩定性，且與氣態可燃物之生成及破壞的 程序直接相關。此等混亂、擾動活動之大部分係於火焰囊 套108中開始及發生。 在火焰後區110之煙道氣流中會發生一些擾動活動。然而 ’與燃燒動力（即小型、高頻擾動）相關之小渦流有快速消散 -24- 82269 !278621 的傾向’且其一般不會到達火焰後區2 i 〇。典型上，在火焰 後區11 0中僅存在大滿流（即大型、低頻擾動）。此低頻擾動 反映燃燒變數（例如’未燃燒碳及其他可燃物之量），尤其係 與文火焰後燃燒控制系統影響之二次燃燒程序相關的燃燒 4數’諸如頂燃空氣及再燃燒。進入至煙道氣管道丨〇4中之 熱煙道氣之擾動氣流帶有不完全燃燒之產物，包括氣態可 燃物。如前所述’此等氣態可燃物於擾動煙道氣流中以相 當大的渦流行進。此外，此種含有氣態可燃物之渦流應包 含相當低濃度的氧。每當發生適當的條件，諸如在感測器 1 〇 2附近存在彳隹化劑及南溫（例如，在9⑽及1 $ 〇 〇下之間）時， 氣怨可燃物會燃燒，且靠近感測器的氧濃度會降低。此等 罪近感測器電極之氧濃度的波動導致於感測器1 〇2之信號 輸出中產生脈衝。此等脈衝之頻率及振幅描述存在於經分 析煙道氣流中之氣態可燃物的濃度。 在感測器輸出信號與氣態可燃物之濃度之間的關係會受 各種因素，包括操作燃燒參數、物理參數、及化學反應的 影響。為更準確地監測此多變數程序，根據本發明之一具 體實施例，同時使用兩個以上之在數學上不同的信號處理 演算法於分析感測器之信號輸出，及將數個演算法的結果 結合。 處理自前述類型之氣體感測器接收得之訊息及信號之方 法及演算法的例子說明於’例如，美國專利第6,2?7,268號 中，將其全體内容以引用的方式併入本文中。，268專利揭示 可應用於此處說明之感測器具體實施例之諸如在時間及頻 82269 -25 - 1278621 率領域中進行的信號處理系統及計算〜叩，恩明瞭本發 明之氣體感測器並不受限於使用在說明於此或於，268專利 中之處理系統，而係可使用在可理解及認知可由本發明之 氣體感測器之有利使用而得之資訊的任何系統中。 現參照提供作為例子而非限制用之附圖之範例的氣體感 測态具體實施例，圖2Α及2Β說明使用於燃燒系統之加入本 發明之感測器元件200的剖面圖。明確言之，如下設置組入 〇2+co感測器200。固態電解質（例如，錐氧）電池2〇2具有二 組具内部電極204及外部電極206之電極及相對的引線2〇8及 21 〇。將電池置於在由分析氣體之本身或由額外加#器或其他 來源所提供I所需高溫條件（通常係在9〇〇-15〇〇卞範圍）下、 製轉體212的氣流中。在-設置中，電㈣2係經製成為: 放官的形將一較小管214連接至參考氣體（例如，空幻 之供給’並將參考氣體供給至電池（如末端開放的話卜 氣體導管通過電池’及參考氣體（空氣）流經電池2〇2。:此 形式稱為「流通」感測器。管214係由具有與電池加之 態電解質材料相容之熱膨服係數的材料製成較佳。此 有内部開口 2 1 6，以名认♦ j ^ 八 在4池中形成之感測室的内部提供恒 ’辰-’ 2。怎利用咼溫密封、密封環或密封黏 電池之末端將在内管214與電細之間之間隙微底㈣於 此被封亦必需可與感_器之熱膨脹相容。 當測I組成氣體’例如氧時，即使係少量進 漏亦會對感測器操作不#(J . 池 < 戌 量社果。此即传μ Γ 其會顯著地扭曲〇2測 可應確疋⑷内管經適當密封；及(b)感測 82269 -26 - 1278621 器係經設計成可防止潛在戌漏對測量結果的影響。在測量 〇2時如觔文所銳明之使用能士特方程式的處理適當。為 測量C0，可使用說明於前及於，268專利中之一般方法。c〇 濃度可使用時間領域及/或頻率領域分析。應明瞭處理波動 成份以測定C0濃度之選定形式可視許多因素，諸如燃燒器 室之類型、燃料類型、及期望或所需之準確度而定。在特 足的情況，諸如在簡化燃燒器室或C〇測量不需高準確度或 靈敏度的情況中，可能可接受簡化的處理，例如計算信號 波動（AC成份）之標準差。 現場感測器具有數項設計特徵。在一具體實施例中，電 池202經製成夠長（例如直至3_5英吋長），且電極2〇4及2〇6係 設置於其之中段（大約總長度之1/4)。電池之末端段未經電 極覆蓋，以提供更有效的氣密密封，以及產生即使當發生 洩漏時’其亦將可被分析製程氣體之氣流帶離的情況較佳 。為此’將感測器置於外邵框罩2 2 0中，其在一具體實施例 中具有三個開口 ：提供製程氣體至外部電極206之通道的中 心開口 222及產生潛在洩漏之額外通風的末端開口 224及 226。圖2B之剖面圖係横越開口 21 6及222及電極204及2〇6。 為防止侵蝕及沈積物，開口 222-226應遠離進入的煙道氣淨 。密封材料2 1 8亦不應與多孔性電極（例如由鉑製成）接觸。 於框罩220内設置額外的管228供校準用。可將具固定〇2 濃度之校準氣體自外部供給至外部電極206，或可將分析氣 體之樣品引出至參考氣體分析儀。將熱電偶230緊鄰電池 202設置，以使用於溫度監測、控制及/或補償。 82269 -27- 1278621 現參照圖3 A及3B之剖面圖，龙 ^ ^ ό兄月加入本發明之組合〇2 〇氣m感測器3 0 0的第二且，每 hh山 ” 只施例，固態電解質電池302 的—端封閉且具有一組類似的雷 0 〇兒極·内邵電極304及外部電 極306與相對的引線3〇8及31〇。 將电池置於在所需高溫條件 下的製程氣體流312中。在此設置中，經由管3Μ供給參考 風體（空氣）。保護性套筒322可具有側面開口 316或末端開口 川，以使製程氣體可到達外部電極遍。固態電解質電池 3〇2經裝置及黏合至金屬元件32()，金屬元件咖經硬焊至配 合件324。裝置320亦提供與外部引線31〇的電連接。 裝置320係由具有與電池3〇2之材料相容之熱膨服係數的 材料1成。參考氣體（至氣）經由管314供給至電池逝之内部 ’並經由保護性套筒322往回逸出。電池斯係裝置於保護 性套筒322中，並藉由配合件324密封。 於組合内設置額外的管328供校準用。可將具固定〇2 + c〇 濃度之校準氣體供給至電池302之外部電極3〇6，或可將分 析製程氣體之樣品引出至參考氣體分析儀。圖3B之剖面圖 係k越開口 3 16及電極304及306。將熱電偶326緊鄰測量電 池設置，以使用於溫度監測、控制或補償。 根據本發明之另一態樣，將可燃物感測器構造或轉變為使 用密封〇2感測器之組合〇2+CO感測器（密封〇2+C〇感測器）。 密封 〇2 感測器之一例子係 panametrics，Inc.(Waltham， Mass·)製造之型號FGA411。此一密封〇2感測器並不需使用 參考氣體。在此情況，感測器設計基本上可與圖3 A相同， 只不過沒有參考空氣供給，及將電極密封並被產生内部參 82269 -28- 1278621 考感測器之介質或材料環繞。 、根？本發明之另一態樣，可經由結合使用「經過濾」— ^ 而將可燃物感測器構造或轉變為組合CO+NOx感測 器。此感測器具有一共同固態電解質電池與兩測量電極及一 共同參考電極。將由適合將c〇氧化成為c〇2以除*c〇之影響 之材料製成的多孔性薄過濾器置於其中一測量電極上。此電 極係以混合位能模式操作，並使用其於測量NOx。以混合位 能模式操作及使用於N0x分析之過濾器裝置的例子說明於以 下的參考文件中，將其以引用的方式併入本文中·· Nich〇las Szabo等人，「用於嚴苛環境中之氧化氮測定之經微孔隙性沸 石改質經允氧安定化之錘氧感測器（Micropor〇us Zeolite

Modified Yttria Stabilized Zirconia Sensors For Nitric Oxide

Determination In Harsh Environments)」，俄亥俄州州立大學 (丁he Ohio State University)，2001 ;及 Eric Wachsman等人 利用差分電極平衡選擇性偵測Ν〇χ (Selective Detection Of NOx By Differential Electrode Equilibria)」，固態離子裝 置 II 陶资感測益（Solid State Ionic Devices II-Ceramic Sensors)，電化學學會編輯（Electrochem. s〇c·，Ed·)，2000-32 ’ 298-304(2001)。另一測量電極係以如前所述之波動c〇感 測器操作。結果，於一電位固態電解質感測器中產生兩信 號CO+NOx。在此設置中，感測器並不需要連續參考空氣供 給。 根據本發明之另一態樣，可經由結合使用前述之「經過 濾」NOx感測器，而將前述之組合〇2 + c〇感測器轉變為組合 -29· 82269 1278621 2 N〇x + c〇感測态。圖4A及4B概略顯示此種感測器之「流 通」形式。感測器400包括具有兩組電極之電池4〇2 ••一共 同參考電極404及兩測量電極406及4〇8與相對的連接？丨線1 、B&C。經由供給管414中之開口416將參考氣體，例如空 氣’輸送至環繞電極404之密封空間。土匕空間係由電池彻 邵分界定，並經與圖2A所示者類似之高溫密封或密封劑OS 隔絕。圖4B之剖面圖係橫越電極4〇4及4〇6。 將由可將CO氧化及實際上消除其之影響之材料（例如，說 :於以上經併入本文中之參考文件中)製成的多孔性薄過濾 态410置於測量電極4〇8上方。圖牝之剖面圖係橫越電極4叫 、及過遽器41G。此電極係以混合位能模式操作，並使 用其於測1 NQx。另—測量電極係以能斯提安感測器操作， 並，使用作為如描述及說明於圖2A及以上的組合〇2 + c〇感 ^ m此感測姦將需要連續參考空氣供給。結果，於一泰 位固態電解質感測器中產生所有三個信號Q2+N〇x + c〇。％ …騎職敎，應以諸如前述之方式基於在自經過遽電極 山于《電壓與已知Ν 〇 χ濃度之間之關係預校準感測器以建立 期望的響應曲線’而涵蓋經判定適合於特殊設計或應用的 NOx濃度範圍。可於現場或現場外，經由使特定感測器暴露 至已知之ΝΟχ濃度，及調整感測器㈣使其更接近於預 設計響應曲線，而將料感測器及處理函數作進—步校準: 所根據本發明（又另一態樣’如圖5所說明’現場固態電 貝感測器502設有撓性不銹鋼軟管或外套5〇4，以使並 爐中之包裝、組合、裝設及維修容易。現有的現場燃燒感 82269 -30- 1278621 測器可具有20-30英尺以上之相當的長度。此等感測器傳統 上係於現場組合，且其之組合、輸送、插人及取出困難。 使用撓性軟管可使感測器完全於工廠組合及測試。在現場 可容易地將感測器组合及插人至永久性支承管中。可消除 在現場組合過程中損壞的風險，且可簡化移除及更換。感 測器之總重量經降低超過3〇百分比。挽性設置亦提供在實 質上難以接近之地點（諸如感測器係位在侷限空間中）中裝 設及更新感測器的容易性。 雖然爾述說明包括許多細節及特徵，但應明瞭其僅係作 為叙明用’而不應將其㈣為限制本發明。可不脫離如由 以下申請專利範圍及其法定相等内容所涵蓋之發明精神及 範圍，而對前述具體實施例進行許多修改。 【圖式簡單說明】 本發明可經由結合附圖閱讀以上之實施方式而更完全明 暸，其中： 圖1A及1B獍明具有具體實施本發明，且經設置成產生指 π氣態可燃物濃度之信號之固態電解質感測器之鍋爐的一 例子； 圖2八請係加人本發明之第_具體實施例之氣體感測探 針’明確e之為具有一組電極之氧/可燃物感測器的剖面圖； 圖3A及3B係說明本發明之第二具體實施例，明確言之為 具有組私極之氧/可燃物感測器（一端封閉）的剖面圖； 圖4A 4B及4C係說明本發明之第三具體實施例，明確言 之為具有兩組電極之組合〇2 + Ν〇χ + c〇感測器的剖面圖； 82269 -31 -

Claims (1)

127 雖品]l137843 號專利申請案 ' 中文申請專利範圍替換本(95年8月） // )、 拾、申請專利範圍： 卞）、丨 1. 一種監測由燃燒器室（100)所產生煙道氣中氣體濃度之 系統中之氣體感測器（1 〇 2 )，其包括： 一設置於燃燒器室之火焰後區（110)中之煙道氣流中 ，且具有至少一與煙道氣（2 12)流體相通之開口（222)的 外殼（220); 一設置於外殼内之固態電解質電池（202); 至少一與電解質電池共同形成與煙道氣隔離之感測 室的密封（218); 設置於感測室内，且與煙遒氣隔離，而不與煙道氣直 接流體接觸之第一電極（204);及 設置於外殼内且緊鄰至少一開口設置，而與煙道氣流 體接觸之第二電極（206)，在呈現至少兩條件之第一及第 二電極的兩端產生一電壓。 2. 根據申請專利範圍第1項之氣體感測器，其更包括設置 於外殼内且與煙道氣流體相通之第三電極（408)，該第三 電極與第一及第二電極之其中一者共同感測煙道氣中 之預計氣體的濃度，該預計氣體係由氧、一氧化碳、及 氧化氮所組成之群的其中一者。 3. 根據申請專利範圍第2項之氣體感測器，其中該第三電 極經與煙道氣中之第二氣體反應以除去第二氣體之影 響，而增進預計氣體之測量濃度準確度的過濾器（4 1 0) 至少部分覆蓋。 4. 根據申請專利範圍第2項之氣體感測器，其中該第一及 82269-950831.doc 1278621 !修，-r 第二電極共同產生代表第一預計^ 號，及該第二及第三電“同產濃度的第-信 、、……一、、 代表第二預計氣體之 /辰度々罘一仏號，該第一及第— β於*卜 及弟—預6十氧體各係由氧、— 虱化奴、及氧化氮所組成之群的其中—者。 5·根據中請專利範圍第4項之氣體感測器，其中可進 分析第一及第二信號之其中一、 ‘ 之濃度。 Τ者以測定第三預計氣體 6 · 根據申請專利範圍第1項之氣體感測器，1中產生代表 分別由第-及第二電極感測得之氣體濃度的電信號，該 信號由系統於時間或頻率領域之一或多者中處理，而產 生燃燒參數。

根據申請專利範圍第6項之氣體感 係波動AC成份及Dc成份之一或多者 測器，其中該電信號 8. 根據申請專利範圍第”員之氣體感測器，其中該燃燒器 1係由鍋爐、爐、及氣體渦輪機所组成之群之其中一 者0 9.根據申請專利範圍第w之氣體感測器，其中該燃燒器 A包括產生煙迢氣之燃燒器（丨06)，該燃燒器係由燒氣體 燃燒器、燒煤燃燒器、燒油燃燒器、及燒化石燃料燃燒 器所組成之群之其中一者。 1 〇·根據申請專利範圍第1項之氣體感測器，其中該第一及 第二電極係由多孔性及催化性之材料製成。 82269-950831.doc -2- 1278621 第091137843號專利申請案 中文圖式替換頁(95年8月J

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