專利名稱：用于連續(xù)測量氣流中焦油濃度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于分析并測量氣流中污染物的技術(shù)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及用于連續(xù)測量氣體中焦油的裝置和方法，
這些焦油能夠被追蹤并且處于高溫(T>800 °C)下。
背景技術(shù)：
在蒸氣一氣化法中遭遇的主要問題之一是，能夠連續(xù)地確定生成氣體的品質(zhì)以便查明后者遵守其應(yīng)用所需規(guī)范(發(fā)電、產(chǎn)生機(jī)械能、發(fā)熱，合成燃料或其它化學(xué)產(chǎn)品，或者進(jìn)一步形成氫)。
確定合成氣體的參數(shù)需要獲知該氣體的組成，以及不同種類污染物的濃度，這些污染物為含硫、含氮、含氯化合物，堿金屬，灰塵以及焦油。
由氣化法衍生出的氣體中存在的焦油造成了不同目標(biāo)化應(yīng)用中的許多問題，舉例來說，如渦輪機(jī)葉片的劣化，或者進(jìn)一步地，因鈍化而損失催化劑(對(duì)于金屬和沸石催化劑更為顯著)的活性。在熱解或氣化反應(yīng)器中，焦油可以顯著地造成其它問題，在熱解或氣化反應(yīng)器中，在熱的作用下，焦油導(dǎo)致較重的烴類化合物(稱為焦炭)淀積在反應(yīng)器的壁部上，這種現(xiàn)象被稱為焦化。由于這種淀積而減少了向反應(yīng)器傳遞的熱。形成焦炭還趨于增大導(dǎo)管中的壓力損失，并且缺少中和反應(yīng)而導(dǎo)致阻塞
管道。焦炭源于復(fù)雜機(jī)制，該機(jī)制被拆解成以下部分催化程序和熱工程序。
因此，工業(yè)中切實(shí)需要能夠定量、連續(xù)并且在線地測量焦油痕量的裝置和方法。
而且，作為有機(jī)物質(zhì)熱裂解的副產(chǎn)品的焦油在蒸氣一氣化方法的跟蹤方面具有良好的指示作用。因而，連續(xù)測量焦油的濃度或者至少跟蹤示蹤劑(焦油種類的典型分子)的濃度，可以是針對(duì)以實(shí)時(shí)最優(yōu)化后者的參數(shù)為目的的氣化方法的控制工具。
當(dāng)前，測量作為氣流中的痕量而存在的焦油的含量面對(duì)許多困難。第一困難涉及通用術(shù)語"焦油"的含義，其隨應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域而不同。
在大氣污染、冶金、垃圾焚燒、熱電聯(lián)產(chǎn)以及生產(chǎn)合成燃料的范圍內(nèi)，
用"焦油"通常來指定具有超過苯的分子量(即78g/mo1)的全部有機(jī)化合物；但對(duì)于這個(gè)術(shù)語來說，不存在正式定義，并且文獻(xiàn)報(bào)告了針對(duì)單詞"焦油"的大約三十種定義，其含義現(xiàn)今仍然經(jīng)受討論。作為一種指示，我們可以列舉這些定義中的幾種"室溫下凝結(jié)在金屬表面上的化學(xué)合成物的混合物"，或者進(jìn)一步地，"具有超過15(TC的沸騰溫度的全部成分"。
焦油覆蓋了寬泛的物類譜(2000以上)，其物理化學(xué)特性(極性、揮發(fā)性、摩爾量、化學(xué)親和性)在較大的值域上改變，其使得特別難于獲取報(bào)告總焦油含量的測量?，F(xiàn)今，已經(jīng)被提出了這些不同化合物的幾種分類，舉例來說，如M7"e &的分類(1998)，其列出了三種類別下的不同焦油-
-類別1:主要物類，
-類別2:次要物類，-類別3:第三物類。
主要成分是多環(huán)芳烴(PAH)、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)以及酚類。存在用于測量焦油的不同技術(shù)，但后者僅部分滿足測量需要。
為此，希望具有同時(shí)實(shí)現(xiàn)下列功能的裝置和方法
-按氣體基質(zhì)(matrix)執(zhí)行對(duì)作為痕量而存在的焦油的測量(按大約mg/Nm3的數(shù)量級(jí)或更小的濃度)；
-執(zhí)行對(duì)全部焦油的定量測量，而不管它們的物理狀態(tài)。實(shí)際上，為了估計(jì)氣體的品質(zhì)，絕對(duì)需要測量值代表焦油總濃度；
-執(zhí)行實(shí)時(shí)測量，即，該裝置應(yīng)當(dāng)能夠每分鐘提供測量結(jié)果，或者至少該測量與包括痕量濃度的跟蹤相兼容，該跟蹤被認(rèn)為是連續(xù)進(jìn)行的(大約一分鐘的量級(jí))；
-執(zhí)行對(duì)焦油濃度的在線測量，并且至少在盡可能接近于在測量點(diǎn)中主要的溫度和壓力條件的那些溫度和壓力條件下進(jìn)行測量，以便限制與附加的拾取或取樣操作有關(guān)的測量誤差。問題是避免因溫度和壓力的參數(shù)值的變化而造成焦油濃度的任何改變?？梢詫⒁獪y量氣體的溫度定
位在高溫區(qū)(T> 800°)中，其對(duì)于測量具有強(qiáng)約束性；-不擾動(dòng)生產(chǎn)氣體的上游和下游工業(yè)生產(chǎn)過程。迄今提出的用于確定氣體中焦油濃度的方法被分成四大類
-第一類，其歸類為基于接合有檢測器的液相或氣相層析法
(chromatography)的分析方法。測量焦油的最常用的檢測器是火焰電離檢測器(FID)和質(zhì)譜儀。后者當(dāng)前被用于分析煉鋼廠的燃燒氣體。然而，這種裝置(其首先仍然是實(shí)驗(yàn)室裝置)依然昂貴的，且因解釋質(zhì)譜中的困難和測量的低可重復(fù)性而不總是能夠執(zhí)行定量測量。在缺少預(yù)備濃度步驟時(shí)，層析法不允許針對(duì)較低檢測閾值(小于lmg/Nm3)連續(xù)執(zhí)行測量。當(dāng)前針對(duì)預(yù)濃縮(pre-concentration)的痕量使用的方法是固相萃取法(SPE)，并且最近幾年為固相微萃取法(SPME)。這些技術(shù)在于，在覆蓋有吸收劑或吸附劑類的支承體上吸收或吸附化學(xué)種類。這例如是覆蓋有聚合物的、由熔融硅石制成的纖維，其例如可以是諸如聚二甲基硅氧垸(polydimethylsiloxane) (PDMS)的液態(tài)聚合物。這個(gè)取樣步驟造成不同問題，如同與吸收劑或吸附劑的選擇性特征有關(guān)的代表性樣本一樣。而且，使用液相或氣相層析法不完全適于測量摩爾量相對(duì)較大(M>400 g/mol)的物類。因而，不能通過層析法獲取連續(xù)測量的氣體中總焦油濃度。
-第二類，其歸類為所謂的在于檢測和分析光譜的"光譜測定方法"。這例如是紅外、紫外(UV)或發(fā)光光譜測定法，LIBS (激光誘導(dǎo)擊穿光譜)技術(shù)。與紅外線中的吸收優(yōu)點(diǎn)非常接近的、應(yīng)用UV吸收的優(yōu)點(diǎn)在于，蒸汽不干擾UV范圍。后者例如被用于檢測受污染土壤中的多環(huán)芳經(jīng)，如在發(fā)明名禾爾為"/"加〃加.ow o/決e rapzV/ awa/戸、o/tor com/ owe她朋dm"/zc^/or wc/z a"朋a/j^"的專利EP0446975中所提到的。至于專利WO9833058,其涉及用于通過用過濾器收集浮質(zhì)(aerosol)并且通過使后者經(jīng)受經(jīng)由UV輻射的激發(fā)來在線分析多環(huán)烴的方法。接下來，問題是比較獲取的光譜圖像與數(shù)據(jù)庫中列出的各種光譜。連續(xù)監(jiān)測燃燒氣體的另一當(dāng)前使用技術(shù)是FTIR (紅外傅立葉變換)紅外光譜測定法。多方面的文獻(xiàn)提到這種技術(shù)，舉例來說，如WO2006015660、 WO03060480以及US 5984998。該文獻(xiàn)沒有提到測量焦油的可能性(當(dāng)前跟蹤的產(chǎn)品為CO、 C02、 02、 H2以及H20)。在本發(fā)明的情況中，合成氣體中存在的蒸汽是干擾紅外吸收的源。FTIR方法在其獲得與原子團(tuán)的性質(zhì)和比例有關(guān)的信息的意義上和在僅可以測量不對(duì)稱分子的意義上是定性的。另一局限性在于，確定量化測量所需的數(shù)學(xué)模型。專利WO030227650涉及使用以檢測多環(huán)芳烴(PAH)和單芳烴為目的的LIBS (激光誘導(dǎo)擊穿光譜)技術(shù)。這種快速方法適于監(jiān)測PAH。 LIBS技術(shù)包括通過激光將取樣的物類汽化并電離為等離子。然而，其需要使用其上存在待分析的物質(zhì)的支承體。因此，其需要取樣步驟并且不允許在線測量氣體。
-第三類，其歸類為所謂的"電子"方法。我們可以作為示例來列舉，通過光致電離或火焰電離來測量有機(jī)化合物。引用為(9. 7V^eac/7、 //.
mef/w(i"， 5/omow "w/5/oewer^, Pb/wme 7S, 2000， / "ges 79-56提至lj用于通過兩個(gè)火焰電離檢測器來確定焦油的準(zhǔn)連續(xù)方法。利用第一檢測器可以確定烴的總量，而第二測量測量不凝結(jié)烴的量。兩個(gè)檢測器放置在針對(duì)要測量氣體的同一取樣導(dǎo)管的不同點(diǎn)處，并且以用于通過撞擊和凝結(jié)來捕集(trapping)焦油的過濾器隔開。火焰電離技術(shù)的限制之一是，因可燃?xì)怏w(如CH4、 H2以及CO)而干擾測量，如果合成氣體為CO和H2的混合物并且還包含甲烷，那么就確實(shí)會(huì)受到限制。而且，響應(yīng)取決于要測量氣體的氧含量。最終，獲知焦油的組成并且獲知各種化合物的響應(yīng)因子必然需要獲取總焦油的定量測量值。還存在允許連續(xù)監(jiān)測焦油的其它電子方法具有利用電化電池的檢測器和利用半導(dǎo)體的傳感器。電化電池包括允許通過要通過滲透來分析的化合物的隔膜；在隔膜的另一側(cè)上定位有液體電解質(zhì)，其在存在要檢測物類的情況下在可測量電流的起源處發(fā)生氧化還原反應(yīng)。這個(gè)裝置不適于按溫度測量，并且，隔膜的選擇性與多種成分的取樣不兼容，對(duì)于其來說，物理化學(xué)性質(zhì)在寬泛的值范圍上改變。利用半導(dǎo)體的傳感器在耐溫方面具有類似局限性，另一方面，利用它們可以測量大量污染物。這個(gè)裝置的顯著局限性還在于，放置在基板上的半導(dǎo)體的敏感層會(huì)快速污染。這些所謂的"電子"方法允許連續(xù)跟蹤焦油的濃度，但不能獲取對(duì)高溫下氣流中存在的全體焦油的
'-第四類，其歸類為所謂的"重量測定"方法，在該方法中，可以根據(jù)是否使用溶劑來進(jìn)行劃分。在文獻(xiàn)中遇到的大多數(shù)方法都涉及至少一種溶劑。它們按組合方式采用相同物理原理，其為過濾(撞擊)、凝結(jié)、溶劑吸收以及萃取(蒸發(fā))。接下來的問題是，通過在測量的開始與結(jié)束之間進(jìn)行稱重來估算各種部件(過濾器、低溫捕集器、...)的質(zhì)量差。這些方法(伴隨通常復(fù)雜且較長的實(shí)驗(yàn)過程)僅適于實(shí)驗(yàn)室用途。它們
需要長的取樣時(shí)間(> 30分鐘)，以便能夠檢測低濃度(小于1 mg/Nm3)，而且它們不允許連續(xù)和在線跟蹤熱氣體的焦油含量。源自歐洲"焦油規(guī)程"項(xiàng)目(ENK5CT2002-80648)的成果，是分析和測量來自氣化生產(chǎn)過程的氣體中焦油含量領(lǐng)域的一個(gè)參考。最后一個(gè)版本更新(版本3.3)題名為"(7^ '(^6//"〇^br iSamp/z'wg awe Jwa/ys/s o/ T^r awc/戶ar"c/es z'w B/o^was^iVo^c^GwW。伴隨這個(gè)過程，可以對(duì)每個(gè)樣本來定量和定性地測量以氣態(tài)和固態(tài)存在的焦油。針0到900 "C的溫度范圍和0.6到60巴的壓力范圍通過同流態(tài)取樣來進(jìn)行測量，并且這針對(duì)1到300 mg/Nm3的焦油濃度。這個(gè)規(guī)程證實(shí)這樣不適于測量焦油痕量(<lmg/Nm3)。目前從這個(gè)規(guī)程導(dǎo)出大量工序，其旨在簡化該規(guī)程。 一般來說，重量測定方法證實(shí)適于測量所謂的"較重"焦油(對(duì)于多環(huán)芳烴來說具有三個(gè)以上的芳環(huán))，但完全不適于測量揮發(fā)性有機(jī)化合物。如上所述，還存在不使用任何溶劑的重量測定方法，如Iowa State University開發(fā)出的重量測定方法。在弓I用的M/"g Xw 、 i o6er/ C. 5ra麗、G7e朋iVo加w 、 "wd Jerac /S附eewA:，
/wfem加'owa/ Energy々ewcy's 7^r Measwewe對(duì)戶ratoco/", Cewfer々r
Fwe/s 79, 2509-25"的文獻(xiàn)中，作者提出了一種測量，其原理包
括將維持在超過沸水溫度的溫度(即，105 °C)下的Santoprene管中的有機(jī)成分凝結(jié)。Santoprene是一種針對(duì)其耐脫揮發(fā)現(xiàn)象而選擇的材料。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于其簡單性，但其對(duì)于2 L/min的氣體流速來說需要60分鐘的取樣時(shí)間，以便獲取大約lmg/NmS的檢測極限。獲取的性能非常接近"焦油規(guī)程"的性能，但利用這種方法，僅可以測量所謂的"較重"焦油。因此，這是相對(duì)較長的、局部的且不連續(xù)的方法。
因而，用于測量焦油的多數(shù)方法首先是定性和不連續(xù)，致使它們不能滿足在線且連續(xù)監(jiān)測焦油濃度的工業(yè)需要。
而且，需要非常頻繁地采用過濾并去除蒸汽的附加步驟，以便一方面限制對(duì)測量結(jié)果的干擾，另一方面限制測量物質(zhì)的可能的劣化。這同樣應(yīng)用于存在氧的情況。
為達(dá)到這一點(diǎn)，可以進(jìn)一步參考文獻(xiàn)P Bra敏'"、F 7 op/to/、
i^"ctora", i ev/F尸，吣/. 54 G999人/ ; 375-3S5:這就是應(yīng)用于在反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)中使用的不同覆層的焦化測試。與針對(duì)焦化的熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)的漸進(jìn)焦化率通過微量稱量來估算。這個(gè)方法代替測量氣體中焦油痕量的濃度，通過測量它們的焦化率，根據(jù)稱重、用于形成焦炭的各種覆層的親合力來測量。本發(fā)明涉及另一種測量，并且更確切地，利用針對(duì)催化劑的焦化的催化效應(yīng)。
因此，提出的解決方案無一能夠滿足下列需求連續(xù)、定量、全部以及在線測量焦油痕量(小于1 mg/Nm3的檢測閾值)。
提出的裝置無一能夠通過大約1分鐘量級(jí)的測量過程而連續(xù)執(zhí)行對(duì)總焦油濃度的測量。
而且，提出的裝置不測量全部焦油，而不管其處于固相還是處于氣態(tài)。
所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，執(zhí)行對(duì)高溫下氣流中按固相或氣態(tài)存在的全部焦油的定量和連續(xù)測量。而且，該測量應(yīng)當(dāng)代表在主導(dǎo)管中主要的總焦油含量，在該主導(dǎo)管中流有指定溫度和壓力條件下的合成氣體。

發(fā)明內(nèi)容
前述目標(biāo)通過發(fā)明人所開發(fā)出的本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)。這是一種用于連續(xù)測量可能處于高溫下的氣體中焦油濃度的裝置和方法。此外，其還包括可以根據(jù)情況而與比色測量相結(jié)合的熱解重量組件。
總體上，本發(fā)明涉及用于連續(xù)測量氣體中焦油濃度的裝置，其特征在于，該裝置包括用于對(duì)一部分氣流進(jìn)行取樣的導(dǎo)管，和該取樣導(dǎo)管所通向的天平，并且該天平懸掛有用作焦化焦油的支承體和催化劑的主體，該主體可在氣體管道罩中移動(dòng)。
由此，本發(fā)明利用了因焦炭淀積而使催化劑鈍化的這一有害現(xiàn)象，由此實(shí)現(xiàn)了在對(duì)氣流中的焦油痕量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的這一特別領(lǐng)域中的測量。
提出了本發(fā)明的各種改進(jìn)。根據(jù)它們中的第一個(gè)，將用于調(diào)節(jié)取樣氣體溫度的裝置添設(shè)在熱解重量天平的位置或正好上游處，以便在應(yīng)當(dāng)促進(jìn)焦化的催化體的位置處顯著地獲得確定的、并且通常更高的溫度。另一方面，該裝置的剩余部分，并且首先是取樣導(dǎo)管，通常設(shè)置有專用于將氣體溫度維持至主氣流中的優(yōu)勢溫度的裝置，以便避免焦油的凝結(jié)和反應(yīng)。該裝置的除了催化體以外的其它部件優(yōu)選地按不具有針對(duì)焦炭形成的更多親合力的材料來選擇，以便在氣體按直角抵達(dá)催化體之前不被弄臟尤其是不降低焦油濃度。
有利的是，催化體是多個(gè)板的復(fù)合體或更一般來說是具有較大特定面積/特定重力比的固體，以便針對(duì)確定的容積提供用于催化的最大表面積，并且因?yàn)椴牧系撵`敏性，這同時(shí)最小化了催化體的重量。
在管道罩的上游添加勻流器有利地形成了環(huán)繞催化體的均勻氣流，并且改進(jìn)了測量的規(guī)律性。而且，在環(huán)繞催化體的管道罩中加設(shè)匯流器基本上將全部轉(zhuǎn)向氣流引導(dǎo)到催化體上，從而改進(jìn)了催化的效率。
利用管道罩中的驅(qū)動(dòng)器氣體噴射器，可以保護(hù)微量稱量測量組件的電子部分。
有利的是，將至少一個(gè)緩沖容積定位在管道罩上游的導(dǎo)管上，以便調(diào)整轉(zhuǎn)向流速，從而在此再次改進(jìn)測量的準(zhǔn)確度。可以在緩沖容積下游的導(dǎo)管上設(shè)置橫膈膜，以便協(xié)助設(shè)定橫越管道截面和催化體的流速值。
還有利的是，天平包括對(duì)稱擺動(dòng)梁，該對(duì)稱擺動(dòng)梁的一端懸掛催化體，而該對(duì)稱擺動(dòng)梁的相對(duì)端懸掛用于焦化焦油的非催化體，該催化體和非催化體具有相同重量。
作為天平的這個(gè)形式執(zhí)行微差測量，在測量期間僅一個(gè)催化體變得更重，天平因其對(duì)稱性而特別準(zhǔn)確。如果將非催化體安裝成使其在與催化體的罩相同的第二罩中移動(dòng)，以便通過對(duì)稱氣流而有助于測量的規(guī)律性，則它更有利。還將兩個(gè)罩之間的壓力均衡器添加至這個(gè)規(guī)則。
如果所述桿利用磁耦合體懸掛在天平的梁上，則包括催化體的罩垂直并且在一個(gè)底部包括用于回收催化體的孔，由此，非常易于更換從一種測量到另一測量的催化體。為了加強(qiáng)這個(gè)效果，可以將一部件添加至該裝置，其用于在管道部底部的孔與用于改變催化體的位置之間改變?cè)摽梢苿?dòng)的催化體。
根據(jù)本發(fā)明的一可選但特別有用的部件，添加輔助傳感器，該輔助傳感器定位在排氣管上，用于測量焦化期間在催化體下游生成的氣體的濃度；或者進(jìn)一步優(yōu)選地，添加催化體的輔助比色傳感器。因催化體隨著焦炭淀積的進(jìn)行逐漸改變顏色而可以這樣使用比色法。通過結(jié)合重力測量和比色測量，如果需要可以在通過重力測量校準(zhǔn)了比色測量之后，單獨(dú)使用比色測量，利用其非常低的、小于天平的檢測閾值的檢測閾值，可以替換該天平而用于非常低的焦油濃度或用于預(yù)備測量步驟。
有利的是，比色傳感器被設(shè)計(jì)成，當(dāng)存在非催化體時(shí)針對(duì)催化體和該非催化體進(jìn)行微差測量。
可以通過定位在轉(zhuǎn)向?qū)Ч苌系牧髁坑?jì)來改進(jìn)測量。
要考慮的一個(gè)重要方面是同時(shí)頻繁存在氣相下或固相下的焦油。如到目前為止描述的前述方法給出了用于檢測氣相焦油的優(yōu)選，氣相焦油占優(yōu)勢甚或在許多應(yīng)用中僅含有氣相焦油，尤其是在相對(duì)較高的氣體溫度下。然而，輔助裝置允許測量固相焦油的濃度。
尤其是在這個(gè)情況下，將保留固體顆粒的過濾器設(shè)置在取樣導(dǎo)管上游的位置，以便僅在主裝置中測量氣相焦油。
用于測量固相下焦油的輔助裝置可以包括捕集器，該捕集器用于捕集可以被稱重的固體顆粒。
可以加設(shè)用于分類固體顆粒的旋風(fēng)分離器，以便向固體顆粒捕集器輸送僅可以被視為焦油的顆粒。
本發(fā)明還涉及用于連續(xù)測量氣體中焦油濃度的方法，其特征在于包括以下步驟對(duì)一部分氣流進(jìn)行取樣并且將這部分氣流引導(dǎo)向主體，該主體用作使焦化焦油的支承體和催化劑。還可以調(diào)節(jié)該氣流的溫度以便促進(jìn)焦化。
作為提示，稱重在嚴(yán)格意義上是連續(xù)的，或者至少按接近的時(shí)間間隔(大約一分鐘的數(shù)量級(jí)或以下)執(zhí)行，多數(shù)先前裝置和方法都無法做到這一點(diǎn)。
應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，雖然焦化被特別同化為熱學(xué)性質(zhì)的裂化，但是在本發(fā)明中，催化方面優(yōu)選采用焦化。催化現(xiàn)象尤其是在形成第一淀積層(其通常因吸收構(gòu)成焦炭的重?zé)N化合物而執(zhí)行)期間起作用，熱焦化現(xiàn)象隨后逐漸占優(yōu)。因此，對(duì)于測量低濃度焦油來說，本發(fā)明更特別有用。用于焦化的催化劑材料根據(jù)其性質(zhì)、其形狀以及制造來選擇，以使催化效
果大于目標(biāo)化溫度范圍(通常為200到1200 °C)中的熱影響。
作為己經(jīng)提到的，基本方法可以利用附加測量固相焦油濃度(其包
括捕集支承體上的固體焦油)而變得更加有效。
因?yàn)樾纬山固客ǔ０殡S有焦油化合物的脫氫作用，所以根據(jù)微量稱
量的主要測量可以通過基于催化體的顏色變化或基于源自焦化的氣體的
濃度和顯著地為二氫(dihydrogen)氣體的濃度的輔助測量來完成。
本發(fā)明特征的最后方面是，選擇催化體(性質(zhì)、組成、成形、幾何
尺寸等)。其取決于四個(gè)基本參數(shù)，它們?yōu)?br> -材料的催化特性；
特定表面積
-應(yīng)當(dāng)足夠大的特定重力比率，以便使測量盡可能準(zhǔn)確和有代表性；
-使甲垸不焦化或僅非常少地焦化的材料；-與比色測量相兼容的顏色和形狀。全部這些參數(shù)始終不能同時(shí)最優(yōu)化，其需要根據(jù)-目標(biāo)化測量范圍；-所應(yīng)用焦油的性質(zhì)；-操作條件等 來折衷處理，以便全局地最優(yōu)化測量。 后面，將提出示例實(shí)施方式。


當(dāng)參照附圖閱讀本發(fā)明的作為示例而決非限制的實(shí)施方式的詳細(xì)描 述時(shí)，將理解本發(fā)明，其中
圖1示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法，其目的是按溫度連續(xù) 測量氣流中包含的氣態(tài)和固態(tài)下的焦油；
圖2是能夠通過微量稱量來連續(xù)跟蹤焦油的熱解重量分析子組件的 實(shí)施例；
圖3是熱解重量子組件的另一實(shí)施例。這些是利用適于本申請(qǐng)的情 況的磁懸浮的熱解重量分析天平；
圖4表示用于催化體、焦化的支承體的不同形狀；
圖5表示可以從熱解重量天平的桿懸掛的并且可以包含焦化材料30 的微穿孔船狀部；
圖6表示根據(jù)微量稱量針對(duì)具有恒定焦油濃度的氣體跟蹤焦化的曲 線，將甲苯用作了示蹤劑。
具體實(shí)施例方式
首先參照?qǐng)D1，示意性地出示了專用于根據(jù)微量稱量和/或比色法來 測量焦油的裝置。
待分析的氣體混合物在采用不銹鋼例如AISI 310或AISI 316的主導(dǎo) 管80內(nèi)流動(dòng)?；阪嚭豌t的合金(例如，鎳鉻鐵合金(Incond))當(dāng)前 也可用作導(dǎo)管的構(gòu)成材料，其可經(jīng)受住120(TC以上的溫度，并且具有這 樣的優(yōu)點(diǎn)，S卩，對(duì)于焦化現(xiàn)象具有非常小的催化效應(yīng)，這使得能夠限制 焦炭和煤煙淀積在管道的內(nèi)表面上。所述導(dǎo)管80包括能夠連續(xù)測量其內(nèi) 部主要的壓力Pp和溫度Tp的裝置81和82。該氣體混合物的性質(zhì)和組成 根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用而改變。例如，在通過氣化生物質(zhì)或垃圾來獲取合成氣體的情況下，存在的主要物類為CO和H2，這兩種化合物都形成氣體基 質(zhì)。在較小程度上，發(fā)現(xiàn)了諸如C02、 CH4、 H20以及焦油之類的氣體。 在打算將合成氣體用于生成合成燃料的情況下，F(xiàn)ischer-Tmpsch工藝上游 的氣流處于大約300 "的溫度和范圍可達(dá)30巴的壓力。
如圖1所示，使主流量的一部分轉(zhuǎn)向兩個(gè)取樣裝置從而造成二次氣 流Cpdi和q)d2。實(shí)際上，總測量系統(tǒng)包括兩個(gè)裝置，第一個(gè)裝置被指定成 不連續(xù)地測量固相下的焦油，而第二個(gè)裝置被指定成連續(xù)測量氣態(tài)下的 焦油。正是用于連續(xù)測量氣態(tài)下焦油的這個(gè)第二裝置是本發(fā)明的主題，并 且將主要進(jìn)行描述；第一裝置為可選的并且是用于完成測量的簡單輔助。
為了限制對(duì)主氣流cpp的干擾，并且還考慮到節(jié)省合成氣體，樣本氣
流(pd = cpdl + (Pd2滿足下面關(guān)系
*<lo/o
在主氣流(Pp中存在的全部焦油處于氣相下時(shí)的情況下(例如，溫度
超出35(TC)，僅將第一裝置用于檢查固體焦油的缺失。
指定成測量固相焦油的第一裝置包括根據(jù)ISO 9096和/或ISO 2066 標(biāo)準(zhǔn)的同流態(tài)取樣裝置83。該同流態(tài)取樣裝置83通過金屬不銹鋼導(dǎo)管 84連接至顆粒分類單元，舉例來說，如一個(gè)旋風(fēng)分離器1或一組旋風(fēng)分 離器，其執(zhí)行尺寸大于幾微米的顆粒特別是煤或"炭(char)"顆粒、生物 廢棄物的熱解副產(chǎn)品與具有更適中尺寸的顆粒比如源自焦油縮聚的煤煙 之間的分離。接著，通過撞擊在過濾介質(zhì)2上來收集所述煤煙，以便按 第二相態(tài)進(jìn)行稱重。這個(gè)裝置的全部導(dǎo)管隔熱并且維持在主導(dǎo)管的溫度 Tp下，以便避免以氣態(tài)存在于主氣流中的焦油凝結(jié)。
打算用于連續(xù)測量焦油氣體的第二裝置由三個(gè)大的組件組成，它們?yōu)?-用于取樣、處理以及輸送氣體的系統(tǒng)(3、 4、 5、 6、 7、 8以及9); -適于本發(fā)明的應(yīng)用的情況的熱解重量天平(IO)，其通過微量稱量， 通過監(jiān)測焦油焦化現(xiàn)象(焦油轉(zhuǎn)化成含碳負(fù)載(load))來按溫度連續(xù)測 量氣流中的焦油濃度；
-結(jié)合至微量稱量的分析系統(tǒng)，根據(jù)希望的應(yīng)用涉及光學(xué)比色測量
系統(tǒng)、H2分析器或C02分析器。前兩個(gè)子組件對(duì)于恰當(dāng)?shù)貓?zhí)行本發(fā)明是絕對(duì)必需的，第三個(gè)組件在 極其低的焦油濃度的情況下通過確認(rèn)結(jié)果或針對(duì)第二子組件進(jìn)行補(bǔ)償來 改進(jìn)該結(jié)果。
第二裝置定位在主導(dǎo)管80上的第一個(gè)裝置的下游，以便不干擾它。 第一子組件
用于取樣、處理以及輸送氣體的系統(tǒng)隔熱并且維持在溫度Tp，以避 免生成促進(jìn)焦油凝結(jié)的"冷區(qū)"。該問題還在于，在與主導(dǎo)管80中主要的 溫度和壓力盡可能接近的溫度和壓力條件下將待分析的氣體輸送直達(dá)熱 解重量天平10，以避免焦油凝結(jié)和反應(yīng)。因此，該問題就是測量這樣的 氣體焦油濃度，其盡可能代表主導(dǎo)管80中的氣體焦油濃度。導(dǎo)管的溫度 和各種其它部件(例如，后面描述的緩沖容積(buffervolume)4和6)的溫 度的維持可以通過電加熱裝置或通過使熱氮圍繞所述導(dǎo)管和用于處理并 輸送待分析氣體的其它部件循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。
用于取樣、處理以及輸送氣體的系統(tǒng)包括可以在不同的點(diǎn)測量溫度 和壓力的裝置85和86。
取樣系統(tǒng)包括可以是金屬的過濾器板(frit) 3。過濾器板3的構(gòu)成材 料應(yīng)當(dāng)靈巧地選擇，以便限制導(dǎo)致形成焦炭并由此破壞焦油的催化效應(yīng)； 這例如可以是基于碳化硅SiC而形成的材料。過濾器板3也可以采用石 英、陶瓷或玻璃纖維，但這是非限制性的。所述過濾器板3通過加熱裝 置維持在這樣的溫度，以避免因其引起的壓力損失而顯著促進(jìn)焦油化合 物凝結(jié)。過濾器板3被用作針對(duì)固體顆粒的過濾器，但允許一部分氣流 在取樣導(dǎo)管87中流動(dòng)，該取樣導(dǎo)管從主導(dǎo)管80通向熱解重量天平10并 且承載下面將要逐漸描述的各件裝置。取樣導(dǎo)管87隔熱并且維持在主導(dǎo) 管80中的主要?dú)饬鳒囟萒p。
截止閥89、凈化導(dǎo)管112以及膨脹閥90設(shè)置在過濾器板3與第一緩 沖容積4之間。
第一緩沖容積4是配備有可以用來在其中測量壓力和溫度的裝置的 容量體。其包括與壓力控制裝置相關(guān)聯(lián)的充氮和排空系統(tǒng)88，它可以使 待分析的氣體的流速和壓力平滑。將安全閥5設(shè)置在緩沖容積4的頂部處，以避免可能過壓并保證該裝置的安全。
具有比第一緩沖容積4的動(dòng)力學(xué)更低的動(dòng)力學(xué)的第二緩沖容積6使
氣流和壓力更加平滑；其跟隨在第一緩沖容積4后，并且也包括充氮和 排空系統(tǒng)111和安全閥7。
熱交換器8設(shè)置在第二緩沖容積6的下游，以便在將待分析氣體引 入熱解重量天平10的兩個(gè)恒溫罩中之前適應(yīng)該氣體的溫度。在熱解重量 天平10內(nèi)部的溫度比主導(dǎo)管內(nèi)部溫度Tp高得多的情況下，交換器8將形 成用于預(yù)熱待分析氣體的區(qū)域，以便獲取熱解重量裝置的更好效率；熱 解重量天平10的恒溫罩中的溫度針對(duì)根據(jù)催化效應(yīng)的焦油最佳焦化率來 確定。
將橫膈膜9定位在將取樣導(dǎo)管87連接至熱解重量天平10之前，以 便限制流速。
第二子組件第一實(shí)施方式
下面，參照?qǐng)D2和3，對(duì)配備有熱解重量天平10的熱解重量子系統(tǒng) 進(jìn)行描述。圖2示意性地表示了熱解重量天平10的第一實(shí)施方式。此后 示出的不同實(shí)施方式全部具有這樣的特征，即，具有帶恒溫罩的兩個(gè)爐， 這些就是所謂的具有"對(duì)稱構(gòu)造"的天平。具有單一恒溫罩的熱解重量天 平10 (它們沒有從本發(fā)明排除)，將需要在每一個(gè)測量之后執(zhí)行空測量， 以便消除各種測量誤差源，舉例來說，如靜浮力和流速波動(dòng)。
熱解重量天平IO包括
-由幾個(gè)部分組成的罩，容納有梁20的上罩90，和垂直延伸的一對(duì) 下恒溫罩91和92，下恒溫罩91和92向上延伸直到上罩90,并 且向下延伸直到可及塞33;
-用于供應(yīng)保護(hù)氣體例如He或N2以便通過將惰性氣體吹入上罩90 中來保護(hù)電子稱重裝置的系統(tǒng)26;
-恒溫罩91和92通過入口孔24至取樣導(dǎo)管87 (已經(jīng)分支)的連接 部，利用該連接部，通過使其從頂部到底部覆蓋恒溫罩91和92， 從而在其中形成通道，可以將待分析氣體輸送至熱解重量天平10;
-凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)22，包括加熱系統(tǒng)23，利用該加熱系統(tǒng)23可以將在系統(tǒng)的凈化期間溫度的降低限制在恒溫罩91和92中。該凈 化氣體例如可以是惰性氣體或空氣； -管狀的焦耳效應(yīng)加熱系統(tǒng)36，其至少部分地包括每一個(gè)恒溫罩91 和92;
-用于均化待分析氣體的溫度和氣流的裝置25，其定位在恒溫罩91 和92中的每一個(gè)的入口處；
-匯流裝置29，其通過限制向氣體提供的氣流截面來起作用；
-提供液態(tài)冷卻劑例如水的冷卻裝置31，利用該冷卻裝置，兩個(gè)恒 溫罩91和92都可以在該恒溫罩91和92的下部和上部的外周和 密封墊處被冷卻；
-用于均勻化恒溫罩91和92兩者之間的壓力27的系統(tǒng)；
-可及塞33，處于恒溫罩91和92中的每一個(gè)的底部處，以便限制 恒溫罩91和92中的溫度降低，同時(shí)允許接近它們，用于替換待 描述的催化體30和非催化體35的操作；
-具有小于一微克的分辨率的微量稱量測量裝置，其包括電子和機(jī)械 裝置。該機(jī)械裝置包括容納在上罩90中的對(duì)稱梁20和從梁20懸 掛的并且分別容納在恒溫罩91和92中的兩個(gè)桿28。該電子裝置 未示出，其實(shí)際上是已知的，并且測量梁20的軸的旋轉(zhuǎn)；
-催化體30，作為焦化反應(yīng)的支承體和催化劑其連接系統(tǒng)連接到一 個(gè)桿28，該連接系統(tǒng)根據(jù)情況可以是穿孔船狀部(圖5中的105)、 支承環(huán)或允許桿28穩(wěn)固地連接至催化體30的任何其它形狀。該 催化體30懸掛在恒溫罩91的匯流器29的高度處；
-非催化體35，其重量和催化體30相同，從另一桿28懸掛的以便 平衡梁20，其本身也處于匯流器29的高度處；
-加熱裝置，包括在催化體30和35處包圍恒溫罩91和92的筒形爐 36，包圍恒溫罩91和92以及筒形爐36的隔熱覆層93，以及熱交 換器94，該熱交換器設(shè)置在連接至冷卻系統(tǒng)31的恒溫室的隔熱覆 層中以便將該裝置維持在恒溫；
-最后，處于恒溫罩91和92的底部處的排出孔32，待分析氣體通過該排出孔32從恒溫罩逸出，以便流到排出導(dǎo)管113中(分流到 接近熱解重量天平的兩個(gè)支路中，以便通到每一個(gè)恒溫罩91和92 中)。
催化體30例如可以是活化氧化鋁、沸石甚或活性炭。應(yīng)當(dāng)優(yōu) 選淡色的材料，以便能夠?qū)⑽⒘糠Q量測量結(jié)合至比色測量。圖4 中實(shí)施例所示的催化體30的形狀是基本的，因?yàn)槠湟詼y量的代表 性和準(zhǔn)確度為條件。為此，可以根據(jù)待分析氣體中焦油含量和/或 根據(jù)需不需要結(jié)合至比色測量來計(jì)劃使用不同的形狀和質(zhì)量?？?以將氣體中焦油含量的在0.1 mg/Nm3與100 mg/Nn^之間的目標(biāo) 化測量范圍分成如下所述的范圍
-測量范圍1: 0.1到1 mg/Nm3;
畫測量范圍2: 1至lj 10 mg/Nm3;
-測量范圍3: 10到100 mg/Nm3。
針對(duì)測量準(zhǔn)確度問題，形成焦炭的質(zhì)量me。ke滿足下面條件
附
^^^>1%
附
其中，
mb。at+^m^表示船狀部的質(zhì)量與焦化材料(例如，這里為氧化鋁)的 質(zhì)量之和。
形成的焦炭的質(zhì)量由下面表達(dá)式獲得
附c血《峰網(wǎng)xAf
其中，
At表示以分鐘表示的測量持續(xù)時(shí)間，
K。tog["]說明以mg/min表示的、在At期間的平均焦化率。 應(yīng)注意到，At大約為一分鐘長短的數(shù)量級(jí)。
催化體的形狀可以是而并非限制性的是盤、中空錐體、珠子等，或 這些形狀的組合，并且尤其是具有任何形狀的盤的組合。在圖4的示例 中找到了具有方形橫截面的管子106、圓管107、杯108、蜂巢109以及 十字狀部件110。比所用形狀重要的是使焦化率最大化。無量綱量(adimensional quantity)焦{七率Tcoking由下面表達(dá)式獲f尋:
<formula>formula see original document page 20</formula>
其中，
mc。ke表示在At期間形成的焦炭的質(zhì)量， m一表示在針對(duì)持續(xù)時(shí)間At的氣流中包含的焦油的質(zhì)量。 在指定時(shí)刻的焦化率主要取決于--諸如溫度和壓力的操作條件；
-用作用于形成和淀積焦炭的支承體和催化劑的材料(性質(zhì)、成形、 烴物類交疊率...)；
-待分析氣體中的焦油濃度；
-流動(dòng)特性，如速度、氣流、流動(dòng)狀態(tài)的種類(湍流狀態(tài)促進(jìn)焦化現(xiàn) 象)、氣流輸送裝置29的效率。
在At期間通過測量裝置的氣體中所包含的焦油的質(zhì)量m^由下面表 達(dá)式獲得<formula>formula see original document page 20</formula>
其中，
-m加,表示以毫克表示的、在達(dá)持續(xù)時(shí)間At的氣流中所包含的焦油 的質(zhì)量；
-& 表示以NmVmin表示的氣體容積流速； -/"to^/w表示以mg/N3表示的焦油的質(zhì)量濃度； -A表示以分鐘表示的測量持續(xù)時(shí)間。
焦化率Te。ktag是將測量出的量K。—關(guān)系到未知的/"tora厶的:<formula>formula see original document page 20</formula>
因此，焦化率是性能的指示符和測量的代表性的指示符。
對(duì)于指定的催化體30和后者的指定質(zhì)量來說，因其形狀和其制造方 法而可獲的其表面積必須最大化。推薦大于50 m5/kg2的特定表面積/特定 重力的比率。
第二子組件第二實(shí)施方式圖3示意性地表示了熱解重量天平的第二實(shí)施方式。存在具有磁懸
浮的熱解重量天平95，其具有在該裝置的電子部分與機(jī)械和磁部分之間
執(zhí)行物理去耦的優(yōu)點(diǎn)。這使得能夠經(jīng)由在待分析氣體與電子部分的保護(hù)
氣體之間發(fā)生的混合而進(jìn)行壓力操作并且不出現(xiàn)任何稀釋現(xiàn)象；在檢測 低濃度焦油的情況下稀釋可以是限制性的。包含電子部分(未示出)和 梁41的上罩96連續(xù)接收通過壓力供應(yīng)系統(tǒng)46注入到其中部內(nèi)的氮?dú)饬鳎?該梁41在其兩個(gè)端部處具有磁體43及它的支承體42。特別地，當(dāng)懸掛 桿(這里為67)如后面將描述地?cái)嚅_時(shí)，支柱40限制了梁41的移動(dòng)。 從上罩96連續(xù)提取惰性氣體，并接著通過泵44使惰性氣體在其中再循 環(huán)。所述上罩96通過陶瓷壁部45與恒溫罩97和98、待分析氣流的位置 以及測量的位置物理隔開，該陶瓷壁部還將后者與外部隔開。在這些壁 部45的任一側(cè)上，找到了已經(jīng)提到的磁體43和另一磁體60以及它們的 支承體61，其允許桿67以磁方式從熱解重量天平95懸掛，從這些桿67 的另一端部分別懸掛有用于焦化的催化體58和非催化體69。利用徑向磁 懸浮系統(tǒng)，可以確保桿67向上和向下運(yùn)動(dòng)，己經(jīng)在圖3的左側(cè)下恒溫罩 97中的下部構(gòu)造和右側(cè)下恒溫罩98中的高處的所謂"測量"位置進(jìn)行了表 示。徑向懸浮包括連接至桿67的磁體62、連接在罩97和98中的磁芯 63以及罩97和98外部的線圈64，該線圈能夠激勵(lì)磁芯63以便利用磁 體62形成線性馬達(dá)，并且將桿67朝該裝置底部降低，或者提升它們， 直到在磁體對(duì)43和60之間的一距離處重新建立吸引為止。當(dāng)建立了吸 引時(shí)，桿67和連接至它們的部件在梁41上施加與它們的重量相對(duì)應(yīng)的 力，而與沒有接觸無關(guān)。每一個(gè)下罩97或98中的待分析氣體的輸入孔 24設(shè)置在所有這些磁體以及組件60和64的下面。
在氣體通過排出孔70從恒溫罩97和98逸出之前，通過匯流器裝置 53將氣體的流動(dòng)被引導(dǎo)到催化體58和非催化體69上。
例如，接近于文獻(xiàn)US 6468475 Bl中提到的、在馬達(dá)57上自動(dòng)化旋 轉(zhuǎn)式傳送帶(carrousel)機(jī)械裝置59，允許催化體58和非催化體69從 具有對(duì)稱構(gòu)造的熱解重量天平95的兩個(gè)下罩97和98中的任一個(gè)自動(dòng)地 加載和卸載。對(duì)于其余部分來說，這些部件與較早提出的實(shí)施方式中的以及圖2 所示的那些部件類似。 第三子組件
下面，參照?qǐng)D1、 2以及3，對(duì)結(jié)合有微量稱量的分析裝置進(jìn)行描述， 其根據(jù)希望的應(yīng)用涉及利用比色法的光學(xué)測量系統(tǒng)56、H2分析器18、C02 分析器52。
用于利用比色法進(jìn)行測量的所述光學(xué)系統(tǒng)包括光學(xué)裝置99和用于 獲取并處理圖像的模塊34。利用這個(gè)裝置，就測量的進(jìn)行時(shí)間(大約一 分鐘的數(shù)量級(jí))足夠進(jìn)行在線監(jiān)測焦油含量的意義上來說，可以執(zhí)行連 續(xù)測量。所述光學(xué)比色測量系統(tǒng)56允許針對(duì)不可以通過微量稱量來執(zhí)行 測量的焦油的濃度進(jìn)行測量。該想法是要在吸附第一層焦炭時(shí)，觀察作 為焦化反應(yīng)的支承體和催化劑的催化體30的顏色變化。超出這個(gè)第一層， 淀積的焦炭層的繼續(xù)增長，但后者接著在熱反應(yīng)的影響下出現(xiàn)而不再以 催化方式或熱方式出現(xiàn)。
在圖2的實(shí)施方式中，比色裝置比較催化體30與35的色調(diào)，光學(xué) 裝置99被設(shè)置在可及塞33的底部處，并且垂直于管道部的軸線而定向； 在圖3的實(shí)施方式中，在旋轉(zhuǎn)式傳送帶59占用了管道部的底部的情況下， 當(dāng)光學(xué)裝置99被發(fā)現(xiàn)處于恰好在匯流器53下面的測量位置時(shí)，光學(xué)裝 置99橫過隔熱壁部93在催化體58的高度處水平定向。在圖3的實(shí)施方 式中，已經(jīng)描述了另外的可選方案，根據(jù)該方案，測量不是微差的并且 光學(xué)裝置99沒有朝著非催化體69定向。然而，這不是相應(yīng)的實(shí)施方式 特有的，而是可以針對(duì)它們中的每一個(gè)選擇相反的排布結(jié)構(gòu)。
如已經(jīng)提到，在一系列預(yù)測量期間，首先將比色裝置校準(zhǔn)，在這些 預(yù)測量中，基于催化體30或58的逐漸變暗所獲取的結(jié)果與熱解重量天 平10或95所測量出的催化體30或58的重量增加相互關(guān)聯(lián)；并接著， 特別意識(shí)到，當(dāng)?shù)矸e在催化體30或58上的焦炭的重量仍太小或者當(dāng)焦 油含量非常低，重量測定測量未提供足夠的準(zhǔn)確度時(shí)，比色裝置能夠進(jìn) 行獨(dú)立測量；其還可以用于確證通過重量測定法所獲取的那些結(jié)果而進(jìn) 行測量。這些全部應(yīng)用到以下裝置，所述裝置用來分析源自焦化或源自所形 成焦炭的隨后燃燒的氣體。
返回參照?qǐng)D1，將H2分析器18設(shè)置在熱解重量裝置10的下游，用 于跟蹤焦化。這例如可以是順磁性類型的分析器。該想法是獲取關(guān)于自 從在形成焦炭時(shí)使焦油化合物脫氫以來的焦油分解的附加信息。這種分 析器可以被應(yīng)用于其中氣體基質(zhì)不包含氫甚或包含非常少的氫的情況 下。在來自熱解重量天平10的氣體的出口與H2分析器18之間，在排出 導(dǎo)管113上的下列部件按所示順序定位
-可以用來降低離開熱解重量天平10的氣體的溫度的交換器11;
-諸如流量計(jì)12和容積計(jì)算器13的測量裝置；
-允許調(diào)節(jié)通過恒溫罩的氣流的測微閥14;并且在匯合排出導(dǎo)管113 的兩個(gè)分支之后；
-可以用來凝結(jié)沒有被焦化或蒸發(fā)的不同可凝結(jié)物類諸如焦油的凝
結(jié)器15;
-可以捕集可凝結(jié)物類的吸收劑16，例如，硅膠；
-允許調(diào)節(jié)待分析氣流的泵17。
在圖3的實(shí)施方式中，C02分析器52分析恒溫爐54內(nèi)部存在的氣 體，在該恒溫爐中， 一旦所使用的催化體通過旋轉(zhuǎn)式傳送帶59的裝置去 除，就通過添加從配備有熱交換器52的導(dǎo)管抵達(dá)的氧而將形成在催化體 30表面處的焦炭點(diǎn)燃。該想法是估算所形成焦炭的量。為此，必須查明 恒溫爐54在通過燃燒來點(diǎn)燃淀積的焦炭之前沒有任何痕量的C02。測量 在焦炭燃燒期間放出的co2的量并使該量與焦炭的量相關(guān)聯(lián)。自動(dòng)化機(jī) 械裝置，舉例來說，如自動(dòng)化搖桿55，在旋轉(zhuǎn)式傳送帶59與恒溫爐之間 執(zhí)行樣本的加載和卸載。在通過添加氧來燃燒焦炭之后，可以重新使用催 化體30達(dá)有限次數(shù)。添加的氧通過包括加熱裝置51的供應(yīng)系統(tǒng)來提供。
操作
下面，參照?qǐng)D1，對(duì)氣體取樣、處理以及輸送系統(tǒng)(1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8以及9)的操作進(jìn)行描述。
在正常操作期間，在同流態(tài)取樣裝置83處對(duì)主氣流cpp的一部分進(jìn)行取樣。截止閥打開并且使一次取樣氣流(PcU通過，該氣流穿過旋風(fēng)分離 器l，在該旋風(fēng)分離器中，在煤(或"炭")顆粒、富碳生物質(zhì)的副產(chǎn)品以 及凝結(jié)焦油之間執(zhí)行分離。接著，將焦油在維持在溫度Tp的導(dǎo)管中向過 濾介質(zhì)2輸送，在過濾介質(zhì)中，通過撞擊來捕集已經(jīng)凝結(jié)的焦油。超過
300 t:的主導(dǎo)管的溫度Tp限制了氣體焦油在過濾介質(zhì)2處凝結(jié)。在同流 態(tài)取樣裝置83的下游，將主氣流cpp的一部分取樣作為二次取樣氣流cpd2。 通過維持在溫度Tp的過濾器板3來捕集顆粒。在過濾器板3處的加壓氮 供應(yīng)的間歇操作避免了過濾器板結(jié)垢。截止閥89使流通量cpd2的氣流通 過，通過定位在第一緩沖容積4上游的膨脹閥90來改變?nèi)託怏w的壓力。 記錄在第一緩沖容積4中的壓力的變化通過第一緩沖容積4的、利用隔 膜與待分析氣體隔開的下部的容積膨脹來調(diào)整。該下部的負(fù)和正膨脹分 別通過增加或減少氮壓力來控制。在第一緩沖容積4超壓的情況(壓力 超過安全閥5的設(shè)置壓力)下，安全閥5打開并且使一部分氣流通向排 出導(dǎo)管。在第一緩沖容積4的出口處，將該氣流向第二緩沖容積6輸送， 該第二緩沖容積6的操作和第一緩沖容積4的操作相同；僅操作動(dòng)力學(xué) 不同，在第二緩沖容積6的情況下的操作動(dòng)力學(xué)比在第一緩沖容積4的 情況下低。在第二緩沖容積6的出口處，熱交換器8允許氣流的溫度在 該氣流被容許進(jìn)入到熱解重量天平10的恒溫罩內(nèi)部之前被改變。在恒溫 罩中主要的溫度是因高溫和氣體基質(zhì)中存在蒸汽而造成的焦油焦化率與 諸如焦炭熱裂化及蒸汽重組現(xiàn)象之間的最佳條件。利用橫膈膜9，可以減 輕氣體取樣、輸送以及處理系統(tǒng)中存在的流速和壓力波動(dòng)。 下面，參照?qǐng)D2，對(duì)熱解重量天平10的操作進(jìn)行描述。 在正常操作期間，容許待分析氣體通過入口孔24并且通過氣體均化 區(qū)25。待分析氣體與其中的保護(hù)氣體26混合。用于輸送待分析氣流的裝 置29將該氣流引導(dǎo)到催化體30上，在催化體30中，該催化體的催化效 應(yīng)使將被吸附在該催化體的表面處的氣體焦油的主要部分焦化。只要催 化體30的表面沒有被稱為焦炭的烴化合物的淀積層全部覆蓋，催化效應(yīng) 對(duì)于焦炭形成的貢獻(xiàn)就廣泛地超過熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)。覆蓋率可以通過比色 測量或通過微量稱量來估算。在催化體30被全部覆蓋情況下，熱解重量天平10通過在其底部開放并且裝置20、 24、 25、 28以及30向下移動(dòng) 至傳送帶類型的自動(dòng)樣本改變裝置，該自動(dòng)樣本改變裝置利用新樣本來 更換催化體30旋轉(zhuǎn)式。接著，將舊樣本輸送至罩中，在該罩中舊樣本將 被設(shè)置成與富氧大氣接觸的罩以便執(zhí)行焦炭燃燒并且經(jīng)由利用co2分析 器的測量來估算淀積焦炭的量。在催化體的第一層上沒有被充滿情況下 (對(duì)于大約mg/NmS數(shù)量級(jí)的焦油濃度來說，這需要幾個(gè)小時(shí))，焦油淀 積物致使通過熱解重量天平IO連續(xù)測量出的重量增加。表示樣本的質(zhì)量 增加與時(shí)間的關(guān)系的曲線的斜率(參見圖6)的估測和基于曲線100測量 出的焦化率相對(duì)應(yīng)，更具體地說，和預(yù)先休止部分102與對(duì)應(yīng)于熱焦化 的最終部分103之間的強(qiáng)斜率部分101相對(duì)應(yīng)。部分101的斜率(這里， △m/At = 0.274 mg/min)給出催化焦化率。通過獲知焦化率，可以在校準(zhǔn) 熱解重量天平10之后計(jì)算主氣流cpp中的氣體焦油濃度。在執(zhí)行測量之前， 必須調(diào)節(jié)測微閥14，以便使熱解重量天平中的兩個(gè)恒溫罩中的待分析氣 體均衡。
下面，參照?qǐng)Dl，對(duì)結(jié)合的分析系統(tǒng)18的操作進(jìn)行描述。 利用H2分析器18，可以測量來自熱解重量天平10的氣體離開時(shí)的 二氫濃度；這個(gè)測量與微量稱量相結(jié)合給出響應(yīng)于焦油的組成的要素。 由此，可以建立焦化率與尤其是從焦化期間發(fā)生的焦油脫氫而產(chǎn)生的H2 排出率之間的聯(lián)系。 示例實(shí)施方式
焦油測量裝置的不同組件根據(jù)在主導(dǎo)管中流動(dòng)的氣體(Pp的容積流速 并且根據(jù)在該主導(dǎo)管中主要的壓力和溫度條件(分別為Pp和Tp)而確定 所需尺寸。
通過考慮針對(duì)直徑為1V4英寸的主導(dǎo)管的容積流速為100 NmVh，將 確定了所需尺寸的示例提供如下。在該主導(dǎo)管中主要的壓力和溫度分別 為10巴和400 °C。
-過濾器板3的外部尺寸為5 mm x 5 mm
-過濾器板3在沒有載荷條件下的壓力損失為<0.1巴
-過濾器板3的孔隙度為0.1到2 pm-過濾器板3的效率為對(duì)于直徑超過2 pm的顆粒來說為99.9 %。 -過濾器板3的維持溫度為400 °C
-管道和熱解重量天平上游的其它部件的維持溫度為400°C
-連接導(dǎo)管的直徑為1/8英寸或3mm;
-取樣氣體流速(Pd2為0.7NmVh
-第一緩沖容積4的容積為5L
-第二緩沖容積6的容積為10 L
-觸發(fā)安全閥5和7的壓力為Pp + 5巴
-交換器8處的溫度為20- 1000 °C
-橫膈膜9的尺寸為1/16英寸或1.5mm
-熱解重量天平10的高度為850mm
-熱解重量天平10的寬度為500mm
-熱解重量天平10的長度為450 mm
-液體冷卻劑的溫度為60 °C
-惰性氣體的溫度為200 ■ 1200 °C
-惰性氣體的壓力為2.5巴
-惰性氣體的容積流速為6Nm3/h
-熱解重量天平10的恒溫罩內(nèi)部的溫度為200- 1200 °C -熱解重量天平10的恒溫罩內(nèi)部的壓力為0-4巴 -恒溫罩的直徑為15-20mm -焦化材料為活性氧化鋁
-活性氧化鋁的特定重力為2.8kg/L
-催化體30或58的特定表面積/特定重力的比率為107m5/kg2
-交換器ll處的溫度為50 °C
-凝結(jié)器15處的溫度為-15至U+20 °C
-凈化壓力為4巴
-微量稱量裝置的靈敏度
權(quán)利要求
1、一種用于連續(xù)測量氣體中焦油濃度的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括用于對(duì)一部分氣流進(jìn)行取樣的導(dǎo)管(87)，和所述導(dǎo)管所通向的天平(10、95)，并且從所述天平懸掛有主體(30、58)，所述主體用作使焦油焦化的支承體和催化劑，所述催化體可在氣體管道罩(91、97)中移動(dòng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括圍繞所述催化體(30、 58)的恒溫爐(36、 31)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括用于調(diào)節(jié)所述天平上游的所述取樣導(dǎo)管(87)中氣體的溫度的裝置(8)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量裝置，特征在于，所述取樣導(dǎo)管(87)隔熱并且維持在一溫度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任一項(xiàng)所述的測量裝置，特征在于，所述催化體(30、 58)的特定表面積/特定重力的比值大于50mS/kg2。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任一項(xiàng)所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括圍繞所述催化體定位的匯流器(29、 53)和位于所述匯流器上游的勻流器(25)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括定位在所述取樣導(dǎo)管(87)上的至少一個(gè)緩沖容積(4、 6)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一項(xiàng)所述的測量裝置，特征在于，所述天平包括擺動(dòng)式對(duì)稱梁(20、 41)，從所述擺動(dòng)式對(duì)稱梁的一端部懸掛所述催化體(30、 58)，而從所述對(duì)稱擺動(dòng)梁的相對(duì)端部懸掛焦化焦油的非催化體，所述催化體(35、 69)和所述非催化體具有相同的重量。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1到8中的任一項(xiàng)所述的測量裝置，特征在于，所述催化體利用磁耦合(43、 60)通過桿(67)從所述天平的梁懸掛，并且回收孔在所述催化體之下在所述恒溫罩中延伸。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括用于改變所述催化體(58)的可移動(dòng)裝置(59)，所述可移動(dòng)裝置包括可在所述回收孔與用于改變催化體的位置之間移動(dòng)的容量單元。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1到10中的任一項(xiàng)所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括輔助傳感器(18)，所述輔助傳感器用于測量在所述催化體下游的焦化過程中所生成的氣體的濃度，并且所述輔助傳感器定位在用于排出所述一部分氣流的導(dǎo)管(113)上。
12、 根據(jù)權(quán)利要求l到ll中的任一項(xiàng)所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括用于對(duì)所述催化體進(jìn)行光學(xué)比色測量的光學(xué)比色測量系統(tǒng)(56)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求8和12所述的測量裝置，特征在于，所述光學(xué)比色測量系統(tǒng)(56)被設(shè)計(jì)成用于進(jìn)行針對(duì)所述催化體和針對(duì)所述非催化體進(jìn)行微差測量。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1到13中的任一項(xiàng)所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括容納所述催化體(58)的爐(54)，該爐被設(shè)計(jì)成用于執(zhí)行焦炭的燃燒并且設(shè)置有C02傳感器(52)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1到14中的任一項(xiàng)所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括處于所述取樣導(dǎo)管(87)上游的一部分處的固體顆粒過濾器(3)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的測量裝置，特征在于，該測量裝置包括用于測量固相焦油的濃度并且位于所述固體顆粒過濾器(3)的前面的裝置。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的測量裝置，特征在于，用于測量固相焦油的濃度的所述裝置包括用于捕集能夠被稱重的固體顆粒的捕集器(2)。
18、 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的測量裝置，特征在于，所述輔助裝置包括用于使顆粒分類的旋風(fēng)分離器(1)。
19、 一種用于連續(xù)測量氣體中焦油濃度的測量方法，特征在于，該方法包括以下步驟對(duì)一部分氣流進(jìn)行取樣并且將所述一部分氣流引導(dǎo)向主體，該主體用作使焦油焦化的支承體和催化劑，以及對(duì)所述主體連續(xù)稱重。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的測量方法，特征在于，該方法還包括調(diào)節(jié)所述氣流部分的溫度以便促進(jìn)焦化的步驟。
21、 根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的測量方法，特征在于，該方法包括附加地測量固相焦油的濃度的步驟，所述附加地測量固相焦油的濃度的步驟包括在支承體(2)上捕集所述固相焦油的步驟以及連續(xù)或斷續(xù)稱重所述支承體的步驟。
22、 根據(jù)權(quán)利要求19、 20或21所述的測量方法，特征在于，該方法包括基于所述催化體的顏色變化進(jìn)行輔助測量的步驟。
23、 根據(jù)權(quán)利要求19、 20或21所述的測量方法，特征在于，該方法包括基于對(duì)在焦化期間生成并且被所述部分氣流帶走的氣體的濃度(18)的測量來進(jìn)行輔助測量的步驟。
全文摘要
通過熱解重量天平(10)進(jìn)行測量，在梁(20)的一個(gè)端部處支承用于催化氣態(tài)焦油的焦化反應(yīng)的催化體(30)。采取預(yù)防措施，以便確保取樣氣流的同質(zhì)性和一致性并保證催化反應(yīng)主要發(fā)生在催化體(30)上，其中催化體增加的重量等于淀積焦炭的重量，從而間接地給出待測量氣體中氣態(tài)焦油的含量。用于分析來自焦油焦化的氣體的比色裝置(34)提供了補(bǔ)充和/或附加測量。固體焦油被預(yù)先過濾，但它們的含量可以通過輔助裝置來測量。本發(fā)明可以應(yīng)用于分析來自生物質(zhì)的氣體。
文檔編號(hào)G01N5/02GK101568832SQ200780048333
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者梅莉爾·布羅捷, 皮埃爾·埃斯圖貝爾, 約翰·索伊茲 申請(qǐng)人:法國原子能委員會(huì)