用于測定流動氣體混合物中氣體濃度的裝置和方法
【專利說明】
[0001] 本發(fā)明是申請日2012年2月24日、發(fā)明名稱為"用于測定流動氣體混合物中氣體 濃度的裝置和方法"、申請?zhí)枮?01210046561. 6的申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種用于測定流動的、包含固體的氣體混合物中氣體濃度的方法，還 涉及一種用于實施這種方法的裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] 在化學(xué)產(chǎn)業(yè)中，測定固體-氣體混合物中氣體的濃度常常是必要的，例如對于工 藝控制。這例如在工藝結(jié)束時進(jìn)行，為了在產(chǎn)物從未反應(yīng)的殘留的原料或者任何副產(chǎn)品中 分離并且從反應(yīng)器中去除之前測定在包含固體產(chǎn)物和原料的混合物中氣體分?jǐn)?shù)。同樣，氣 體分?jǐn)?shù)可以在反應(yīng)過程中測定，為了例如測定在反應(yīng)氣體混合物中原料氣體的分?jǐn)?shù)或者產(chǎn) 物氣體的分?jǐn)?shù)。
[0004] 這種類型的氣體分析在燃燒裝置產(chǎn)業(yè)中也是已知的，因為法律要求這種系統(tǒng)的運 營商定期證明符合排放限值。對于煙氣中C0、NO、N0 2、SO2等分?jǐn)?shù)的測量來說，使用例如順 磁氧測量和非色散紅外光譜。
[0005] 在測量技術(shù)中特別關(guān)注測定氧氣的濃度。氧氣的重要性在于，特別是在燃燒過程 的控制、反應(yīng)的監(jiān)測或者在安全方面。
[0006] 從汽車產(chǎn)業(yè)，已知廢氣中精確的氧氣測量使用拉姆達(dá)（lambda)探頭，以控制燃 料-空氣混合物。在此，利用了二氧化鋯可以在高溫輸送電解氧離子的事實，借以產(chǎn)生電 壓。
[0007] 對于氧氣測量，因此考慮ZrO2探頭。這種測量是基于在測量電池中通過兩面都涂 有鉑的氧化鋯膜將參考?xì)怏w（例如空氣）從樣品氣體中分離的事實。因而形成電化學(xué)電 池，其中，如果在兩邊的氧氣濃度不同，導(dǎo)致氧化鋯膜的厚度上的氧梯度和鉑電極之間的電 位差。從壓降可以測定氧分壓。
[0008] 在供熱鍋爐的監(jiān)測過程中，拉姆達(dá)探頭可以測量廢氣中的氧氣含量，并且因此控 制在鍋爐中的最佳混合物，以防止燃燒空氣過?；虿蛔恪?br>[0009] 然而，在具有很高的顆粒分?jǐn)?shù)（particle fraction)和可能引起交叉敏感或者導(dǎo) 致探頭老化的物質(zhì)的氣流的應(yīng)用上，這些探頭過于敏感并且使用這種探頭操作的裝置維護(hù) 非常頻繁。
[0010] 用于氧氣測量的另一個可能性是二極管激光光譜儀。探測器通過氣體分子測量激 光的吸收。由此可以計算出氣體濃度。
[0011] 然而，如果待研究的工藝氣體具有相對高的固體分?jǐn)?shù)，二極管激光光譜儀的使用 始終是一個問題。固體損害激光的傳輸，從而影響測量結(jié)果。
[0012] 因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，已作出努力來改善在負(fù)載固體的氣體中的濃度測量。
[0013] 在CN 100545634C中，為此目的，提出了使用偏轉(zhuǎn)機構(gòu)（displacement body)或者 阻斷系統(tǒng)（blocking system)，以偏轉(zhuǎn)或者阻擋固體顆粒。偏轉(zhuǎn)機構(gòu)具有，例如，擋板的形 狀。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在稀釋的固體-氣體流和一些高度流動的固體中，由于旋渦形成和反 向流，固體可以傳遞到擋板上面和后面，并且激光束也被損害。
[0014] 傳統(tǒng)的激光光譜儀只能在具有達(dá)約50g/m3顆粒分?jǐn)?shù)的氣體混合物的情況下可靠 地運行。
[0015] 然而，在化學(xué)產(chǎn)業(yè)中有應(yīng)用，其中顆粒分?jǐn)?shù)明顯更高。
[0016] 其中一個例子是在高度分散的二氧化硅的生產(chǎn)中的工藝控制。
[0017] 在通過從氯硅烷和氫氣沉積多晶硅的生產(chǎn)中，例如在西門子反應(yīng)器中，四氯化硅 (SiCl 4)生成。
[0018] 例如，從DE2620737和EP790213中已知通過火焰水解（flame hydrolysis)生產(chǎn) SiO2粉末（高度分散的二氧化硅）。除上述四氯化硅之外，許多其他含硅化合物及其混合 物也可以作為原料，例如甲基三氯硅烷、三氯硅烷或者其與四氯化硅的混合物。也可以使用 無氯硅烷或者硅氧烷。根據(jù)EP790213,使用二聚體氯硅烷和硅氧烷也是可能的。
[0019] 為了過程控制和安全措施，在二氧化硅的生產(chǎn)中需要氧氣測量。
[0020] 在二氧化硅的生產(chǎn)中，氣流通常包括大于50g/m3的顆粒分?jǐn)?shù)，通常為100-200g/ m3〇
[0021] 這意味著，沒有額外的裝置，由傳統(tǒng)的光學(xué)測量技術(shù)（諸如，例如，由激光技術(shù)測 量氧氣）測量氣體濃度是不可能的。
[0022] 在CN 100545634C中提出的偏轉(zhuǎn)機構(gòu)，當(dāng)在通過火焰水解生產(chǎn)的二氧化硅的生產(chǎn) 中使用時，導(dǎo)致不確定的測量結(jié)果。這首先與存在于氣流中的顆粒的尺寸和密度是相關(guān)的。 也已證明顆粒極低的慣性對測量是不利的。激光測量被偏轉(zhuǎn)機構(gòu)損害，由于漩渦形成，不能 夠確保無顆粒進(jìn)入測量部分。激光的傳輸在這樣的氣流中太低。特別是在由火焰水解生產(chǎn) 二氧化硅中，技術(shù)檢驗機構(gòu)不允許具有太低的傳輸值的激光作為防備可燃性氣體混合物形 成的保護(hù)裝置。
[0023] 本發(fā)明的目的由這些問題產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 本發(fā)明的目的是通過一種用于測定在流動氣體混合物中的氣體濃度的方法實 現(xiàn)，其中該流動氣體混合物包括具有一定的粒徑分布（規(guī)定的粒徑分布，defined size distribution)的固體，其中通過光譜儀測量在流動氣體混合物中氣體的濃度，其包括在測 量過程中光譜儀（optical spectrometer)的測量光束被引導(dǎo)通過具有由透氣材料制成的 壁的測量通道。
[0025] 本發(fā)明還涉及用于測定工業(yè)裝置的含固體的氣體混合物的氣體濃度的裝置，該裝 置包括：氣體管線，適用于引導(dǎo)含固體的氣體混合物，光譜儀，在氣體管線內(nèi)包括光譜儀的 測量光束的測量通道，其中測量通道被由透氣材料制成的壁所包圍。
[0026] 本發(fā)明進(jìn)一步涉及由透氣材料制成的空心圓柱用于使光譜儀的測量光束與流動 氣體混合物中固體屏蔽的用途。
[0027] 光譜儀優(yōu)選是激光光譜儀。
[0028] 測量光束優(yōu)選是激光光束。
[0029] 工業(yè)裝置優(yōu)選是反應(yīng)器。該反應(yīng)器優(yōu)選包括用于反應(yīng)氣體的進(jìn)料裝置、反應(yīng)器腔 室和用于產(chǎn)品氣體的出口裝置。
[0030] 測量通道可以位于反應(yīng)器的內(nèi)部和外部。
[0031] 測量通道或者空心圓柱的壁的材料具有與顆粒-氣體條件最佳匹配的性質(zhì)。
[0032] 優(yōu)選地，測量通道由圓柱體形成。在本發(fā)明的背景下圓柱意味著該圓柱體包括殼 體表面和橫截面，其中橫截面可以是，例如，圓形或者矩形。
[0033] 測量通道管可以是例如管子的形狀。
[0034] 形成測量通道的圓柱體優(yōu)選設(shè)置在工藝氣體的路徑中，該氣體例如在反應(yīng)器或者 在（生產(chǎn)）裝置中產(chǎn)生。
[0035] 優(yōu)選地，圓柱體安裝在支架上以使用于維護(hù)目的圓柱體可以被簡單的移除。
[0036] 測量通道（光路長度）的長度可以選擇可變的，并且它優(yōu)選在200mm和幾米之間。
[0037] 測量通道的橫截面優(yōu)選適應(yīng)于光學(xué)系統(tǒng)。光譜儀的測量光束具有一定的寬闊的區(qū) 域。測量通道的橫截面應(yīng)選擇相應(yīng)更大的。優(yōu)選測量通道的內(nèi)徑至少比測量光束的直徑大 10%。測量通道的內(nèi)徑可以是，例如，3-100mm，優(yōu)選10-90mm，特別優(yōu)選20-80mm，非常特別 優(yōu)選 30_70mm。
[0038] 測量通道的壁應(yīng)該具有使它們可以承受流動的工藝氣體所造成的力量的厚度。
[0039] 優(yōu)選地，壁厚為1至20謹(jǐn)，特別優(yōu)選4至10謹(jǐn)。
[0040] 測量通道的壁的氣體滲透性優(yōu)選為0.0 lm/ (s · bar)-〇. lm/ (s · bar)。
[0041] 優(yōu)選地，透氣材料是多孔材料，其孔的尺寸根據(jù)氣體混合物中顆粒或者固體的粒 徑分布選擇。
[0042] 如果顆粒具有例如5至20 μπι的粒徑分布，材料的中值孔徑（median pore size) 應(yīng)該理想的是小于或者等于5 μ m。
[0043] 作為透氣材料，優(yōu)選使用聚合物。
[0044] 特別優(yōu)選使用聚四氟乙烯（PTFE)。優(yōu)選地，由PTFE制成的測量通道的透氣性優(yōu)選 為 0· 03m/ (s · bar) -〇· 08m/ (s · bar)，非常特別優(yōu)選 0· 04m/ (s · bar) -〇· 07m/ (s · bar)。
[0045] 非常特別優(yōu)選使用燒結(jié)的PTFE (sintered PTFE)。
[0046] 透氣的燒結(jié)陶瓷或者燒結(jié)金屬（sintered metal)都同樣適合。如果測量具有大 于或等于200°C的溫度的氣體混合物，特別優(yōu)選使用它們。
[0047] 優(yōu)選地，在測量過程中的氣體混合物的溫度是從0至1500°C。特別優(yōu)選地，氣體混 合物的溫度是120至KKKTC。
[0048] 通過使用這種測量通道，使氣體混合物中的固體遠(yuǎn)離激光束。氣體可以穿透壁；遠(yuǎn) 離固體顆粒。根據(jù)選擇的孔徑或者透氣性，小顆?？梢圆糠执┩笢y量通道的壁，但不干擾測 量。
[0049] 同時，它確保在氣體混合物中的固體不能阻塞測量通道。
[0050] 令人驚訝的是，在測量通道的外壁上沒有發(fā)生沉積。
[0051] 在現(xiàn)有技術(shù)中觀察的有助于顆粒密度的增加的渦旋不會在根據(jù)本發(fā)明的方法中 發(fā)生。
[0052] 當(dāng)氣流中的顆粒比較輕時，即，因此具有低的慣性，與現(xiàn)有技術(shù)的偏轉(zhuǎn)機構(gòu)或者擋 板相比，該方法顯示出特別的優(yōu)點。這是因為擋板只能在當(dāng)顆粒足夠重以沿著擋板而不是 流動氣體時達(dá)到他們的目的。然而，在許多應(yīng)用中并不總是這樣。
[0053] 優(yōu)選當(dāng)測量用作生產(chǎn)工藝的控制時，氣體濃度的更精確的測量也對工藝變化做出 了改進(jìn)（更快）的響應(yīng)行為。
[0054] 優(yōu)選地，對腐蝕性或者含灰塵、焦油或者煙灰的氣體混合物進(jìn)行觀測。
[0055] 優(yōu)選地，工藝氣體中的微量水分由該方法測定。
[0056] 優(yōu)選地，鍋爐系統(tǒng)中的排放由該方法觀測。
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