CN1434293A - 燃烧系统中气体监测方法和设备 - Google Patents

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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

Abstract

一种监测燃烧器(100)中气体浓度的设备和方法，该设备是一具有多个电极(204、206)的气体传感器(102)，这些电极与一电解质电池(202)配合以检测废气(212)中是否存在组成气体以及这些组成气体的浓度。由横过电解质的电极检测的气体的不同浓度造成离子流，从而产生一电压。电压变化与例如废气中的可燃气体氮氧化物、一氧化碳的检测气体的浓度相关联而用来确定该浓度。然后可以所需方式使燃烧器的运行最佳，提高效率，尽可能降低废气中有害气体浓度。可用一校准气体校准该设备，向一电极供应参考气体作为与气体浓度相关的基础。

Description

燃烧系统中气体监测方法和设备
技术领域
本发明涉及监测燃烧系统中例如废气中各种组成气体的气体，该系统包括在燃烧应用中使用传感器的系统，例如锅炉、高炉、燃气涡轮机或化石燃烧器。
背景技术
举出某些例示性应用场合对理解本发明的性质和工作情况是有益的。例如，在许多工业设施或环境中在燃烧器(例如锅炉或高炉)中燃烧碳氢燃料以便产生热量从而提高流体的温度。为了使燃烧器有效工作、并产生可接受的完全燃烧该燃烧的副产品/产品符合环保和设计要求，任何锅炉都得干净并有效地工作，所有后火焰控制系统都应正确平衡和调节。
为符合环保要求，通常对未燃烧碳、氮氧化物(NO、NO2、NOx)、一氧化碳或其他副产品的排放物进行监测。如在本说明书和权利要求书中使用的那样，术语氮氧化物应包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和氧化氮(NOx，其中，NOx为NO和NO2之和)。在此之前，不得不对燃烧器的总排放物进行监测(即整个燃烧炉阵列作为一个整体)。某些排放物如热废气中的可燃气体浓度的在线连续监测是很困难和/或昂贵的。一般定期或偶尔测量这些排放物。当发现某一燃烧副产品的浓度太高时，应调节燃烧器以便恢复正常工作状态。但是，测量总排放物或定期或偶尔测量排放物所能提供的关于应改变哪些特定燃烧器参数以作这一调节的有用信息即使有也很少。
为了使燃烧过程最佳和实现效率最高并排放量最小的目标，应连续监测三个主要燃烧变量即O2、CO和NOx。基于固态电解质(例如氧化锆)的燃烧传感器是公知的，通常在化石燃烧器中用来测量氧气和可燃物(供应商包括Rosemount Analytical，Ametek Thermox，andYokogawa)。这些传感器通常把参考气体加到两电极之一上。在大多数情况下，现有传感器可抽出，需要经常维修。
新近某些供应商引进不连续供应参考气体的氧传感器。相反，这些传感器具有一填充金属/金属氧化物的内部密封电极，在该密封空间中产生氧气的恒定局部压力。
使用固态电解质测量废气可燃物(主要是CO)有多种方法。方法之一基于使用一直接设置在高温废气流中的现场电位计固态电解质电池中的波动信号，参见(Khesin等人)题为“System And Method ForMonitoring Gaseous Combustibles In Fossil Combustors”的美国专利No.6,277,268(下文称为’268专利)。这些传感器设计较简单，反应快。市面上生产和销售的一种现有传感器的一个例子为General Electric Reuter-Stokes Company of Twinsburg，Ohio制造的MK CO传感器。
’268专利公开了一种监测环境中至少第一类型的气体分子的浓度变化的设备。该设备包括一团材料和第一和第二电极。该团材料可由第一类型的气体分子电离时产生的离子所渗透。第一和第二电极布置在该团材料上，从而当第一类型的气体分子在第一电极处的浓度与第一类型的气体分子在第二电极处的浓度不同时，第一类型的气体分子在第一电极处电离以便形成从第一电极经该团材料流向第二电极的离子并在第二电极处再结合以便产生第一类型的气体分子，从而在第一与第二电极之间产生一信号。第一和第二电极都与环境连通。
确切说，’268专利公开了一种监测环境中氧气浓度变化的系统，该系统包括至少一个能斯脱型气体传感器。该传感器包括一团固态电解质材料和第一和第二电极。第一和第二电极位于该团固态电解质材料上，两电极之间产生一表示第一电极处氧气浓度和第二电极处氧气浓度之差的信号。第一电极和第二电极都与环境连通。但是，可用能斯脱型传感器监测任何数量的气体的浓度。传感器中的该团材料可由第一类型的气体分子电离时产生的离子所渗透。随着环境中第一类型的气体分子的浓度变化，至少在第一和第二电极之间产生一信号。此外，该传感器无需使用温度控制装置。
’268专利还公开了一种校准气体传感器的方法，该方法包括：以预定次序向该气体传感器供应具有第一分布的第一气体和具有不同于第一分布的第二分布的第二气体。根据该气体传感器的输出信号调节该传感器或与之相关联的信号分析器，从而校准该气体传感器。校准气体传感器的设备包括一转换系统和一程序装置。该转换系统与具有第一预定气体分布的第一气罐和具有第二预定气体分布的第二气罐连通。该程序装置使得该转换系统以预定次序从第一和第二气罐向该气体传感器供应气体。
’268专利例如在图8A和8B中公开了一种在现场燃烧器中装配和安装该传感器的多件管子和接头结构。
使用能斯脱固态电解质传感器以混合电位电位计方式测量废气中的NOx的方法有多种。在这类设计中，被分析气体在到达测量电极前通过多孔过滤器来提高其对NO或NO和NO2之和的NOx的灵敏度。这类“经过滤的”NOx传感器由于主要是CO和O2的其他成分影响很难获得实际使用。
发明内容
本发明提供一种监测燃烧系统中气体的改进方法和系统来克服上述问题并获得其他优点。本发明可用于若干场合，包括电力锅炉和化石燃烧器。在一种方式中，本发明使用一基于固态电解质的现场电位计传感器监视和/或测量如氧气、NOx和CO的主要燃烧成分。这些传感器可组合在一起以便提供燃烧变量的分布和测绘以作为燃烧最佳化的有效工具。
按照本发明的一个方面，一波动可燃物传感器提供一组合电位计O2+CO传感器。在该实施例中，一参考气体(空气)供应给可燃物传感器的一电极(参考电极)，使得该参考气体流过该传感器。这可称为流通式O2+CO传感器。该传感器的O2分量的工作情况与普通能斯脱型传感器相同，即符合能斯脱方程。但是，能斯脱型传感器一般常指基于固态电解质氧化锆的传感器而不按照能斯脱方程工作。传感器的CO和NOx方面在技术含义上不是“能斯脱”的。而是，本发明CO和NOx传感器构型以混合电位方式工作，即与确定CO和NOx有关的处理按照如温度、所使用材料等若干因素偏离能斯脱方程。
在一种方式中，可用本发明把现有传感器如MK CO传感器改装成组合电位计O2+CO传感器。这一做法使得传感器设计简化，从而该传感器包括一具有两个测量电极的固态电解质电池。该现场电位计传感器产生一由两个分量DC和AC构成的输出信号。以往，用DC分量使用能斯脱方程计算O2，从该信号中过滤掉AC分量。最近，如美国专利No.6,277,268所述，用波动AC分量确定一氧化碳(CO)、NOx或其他可燃气体的浓度。图2A和3A例示出两种组合O2+CO传感器：一种传感器有一固态电解质电池，两端开口(图2A)，一种传感器有一固态电解质电池，一端封闭(图3A)。
当一燃烧器工作在平衡通风方式(负压)下时，可把自然通风用作参考空气供应的驱动力。参考空气供应管线也可用来通过将校准气体供应给参考电极，从而定期校准O2和CO传感器。
传感器不是连续加热和温度控制，而是把传感器设置在废气区中适当温度窗上，例如在许多锅炉/高炉中废气温度约为700-1500°F的场合。不断测量该温度并提供补偿。传感器头设置在一护壳中，以便于校准传感器，减小废气速度的影响并防止传感器表面积灰。
按照本发明的另一个方面，可燃物传感器如上所述构造或改装成一组合O2+CO传感器外还构造成与一密封O2传感器组合(密封O2+CO传感器)。在这一结构中，无需连续供应参考气体。
按照本发明的另一个方面，该可燃物传感器与一“经过滤的”NOx传感器组合使用而构造或改装成一组合电位计CO+NOx传感器。该传感器包括一具有两个测量电极和一共同参考电极的共同固态电解质电池。由可将CO氧化成CO2、并消除CO的影响的材料制成的多孔薄过滤器设置在测量电极之一上。用于过滤CO的技术和材料。该电极工作在混合电位方式下，用来测量NOx。另一电极用作波动CO传感器。因此，在一电位计固态电解质传感器中产生两个信号CO+NOx。这一传感器结构无需连续供应参考气体，大致如图4A所示，只是不供应参考气体。因此，在该实施例中，没有用来确定O2浓度的DC分量。
按照本发明的另一个方面，可把上述组合O2+CO传感器与该“经过滤的”NOx传感器组合成一组合O2+NOx+CO传感器(图4A)。在这一结构中，该传感器包括一具有两个测量电极和一共同参考电极的共同固态电解质电池。一组与参考电极组合的例如CO电极的电极作为能斯脱传感器如上所述用作一具有DC和波动AC分量的组合O2+CO传感器。另一组与参考电极组合的例如NOx电极的电极如上所述用来测量NOx。因此，在一电位计固态电解质传感器中监视和测量三种气体浓度O2+NOx+CO。
按照本发明的另一个方面，上述现场固态电解质传感器配备有一不锈钢软管或导管，便于其包装、在一锅炉中的装配、安装和维护。实际气体测量探头可长达20-30英尺以上。当气体测量探头很长时(超过6-8英尺)，探头必须现场装配，因此装配、运输、插入和抽出工作很复杂。与一装在后火焰区中的支承导管相结合，使用软管可提高现场安装的灵活性，整个探头的制作可在厂中进行。然后可把该完全装配好的装置运送到现场，该传感探头装置的插入和抽出特别是在拥挤的厂区中大大简化。图4A示出一有软管的气体传感探头。
因此，本发明的一个目的是使用一基于固态电解质的现场电位计传感器同时和即时测量若干如氧气、氮氧化物(包括NO2、NO、NOx)的浓度的主要燃烧变量。现有现场固态电解质电位计燃烧传感器只能测量一个燃烧变量且其运行困难。一可同时和即时监测若干主要燃烧变量的传感器大大有利于成功在线诊断燃烧情况而使之最佳。
在一种方式中，本发明对现有方法作出的改进在于提高了同时监测各种例如O2、CO和NOx的气体能力。本发明一实施例提供供应到一电极的参考空气、另一电极的外部过滤器、用于校准的外部壳体和在一实施例中由不锈钢制成以便在燃烧应用场合和环境中更有效装配、安装和维护的软管。
本发明的另一个目的是通过在一现场电位计固态电解质传感器中组合测量若干主要燃烧变量而提高可燃物传感器的能力。
另一个目的是通过向可燃物传感器(参考空气传感器)的一电极供应参考气体(空气)流或通过它与一密封O2传感器的组合使用把现有波动可燃物传感器改装成一组合(O2+CO)传感器。
本发明的另一个目的是提供一可改装成一组合(NOx+CO)传感器的传感器，为此，该传感器与一经过滤的NO传感器组合使用。此外，该传感器可改装成一组合(O2+NOx+CO)传感器，为此，一流通(或密封)O2传感器与一经过滤的NOx传感器组合使用。
本发明的另一个目的是提供一种同时监测各废气成分的浓度大小以尽可能减少有害排放物从而使燃烧过程最佳化的设备和系统。
附图说明
从以下结合附图对示例实施例的详细说明中可更充分理解本发明，附图中：
图1A和1B例示出一具有本发明固态电解质传感器的锅炉的实例，该传感器定位成可产生表示可燃气体含量的信号；
图2A和2B为结合本发明第一实施例的气体传感探头剖面图，特别是一具有一组电极的氧气/可燃物传感器的剖面图；
图3A和3B为本发明第二实施例剖面图，特别是一具有一组电极的氧气/可燃物传感器(一端封闭)的剖面图；
图4A、4B和4C为本发明第三实施例剖面图，特别是一具有两组电极的组合O2+NOx+CO传感器的剖面图；以及
图5示出本发明具有一便于装配和安装的柔性部件的气体传感探头。
部件列表
标号 部件
100 燃烧器
102 气体传感器
106 燃烧炉
200、300、400 气体传感器
202、302、402 电解质电池
204、304、404 电极
206、306、406 电极
208、308、408 电极引线
210、310 电极引线
214、314、414 参考气体导管
218、324、418 密封
220、322、420 传感器外壳
228、328、428 校准导管
230、326、426 热电偶
320 装配接头
410 过滤器
502 气体传感器
504 导管或外套
506 安装法兰
具体实施方式
本发明可用于若干燃烧应用场合，包括电力锅炉和化石燃烧器。在一种方式中，本发明使用一以电位计方式工作的共同现场电位计传感器监视和/或测量氧气、NOx和各种可燃气体。这些传感器可组合在一起以便提供燃烧变量的分布和测绘以作为燃烧最佳化的有效工具。
为实现任何燃烧设备的稳定和有效工作的目标，连续、在线监测不同燃烧区中各种燃烧变量及其分布是有用的。当有效实现这类监测时，可调节各燃烧炉和后火焰燃烧控制，实现燃料和气流之间的最佳关系、各气流和再燃烧燃料流的最佳分布并使锅炉其他调节最佳化，从而大大提高燃烧器效率。
使用现场氧气传感器监测一燃烧器中的氧气浓度是公知的。这类传感器一般使用一对在一固态电解质(例如用氧化钇(Y2O3))稳定的氧化锆(ZrO2)(YSZ)元件两边上互相靠近的多孔金属(例如铂)电极，电极之一由具有一定氧气浓度的气体包围，另一电极(传感电极)暴露在待监测气体中。在这些传感器中，当把固态电解质元件加热到足够温度(例如600℃以上)时，固态电解质变成可为氧离子渗透。因此，当氧分子浓度在电极之一比另一电极高时，氧离子从电极之一向另一电极迁移，两电极用作使氧分子变成氧离子的催化表面。由这一氧离子流造成的电子不平衡和出现在两电极上的电离/消电离在两电极之间产生一电压，该电压为氧气在两电极上局部压力之比以及固态电解质材料的温度的函数。产生在两电极之间的该电压由如下所谓“能斯脱”方程确定：
E＝(RT/4F)×Ln(P1/P2)+C其中，
E＝输出电压；
T＝传感器绝对温度；
R＝通用气体常数；
F＝法拉第常数；
P1＝参考气体中氧气的局部压力；
P2＝受监测气体中氧气的局部压力；
C＝每一单个传感器的常数，以及
Ln(P1/P2)为比例P1/P2的自然对数。
可以看出，能斯脱方程中的变量只有E、T、P1、P2。当参考气体中的氧气局部压力(P1)保持恒定时，这一现有传感器输出的信号E只受(1)受测量气体中氧气局部压力P2的变化和(2)传感器温度T的变化的影响。通过消除传感器温度T对电压E的值的影响，这一传感器输出的电压E只随P2的变化而变化，因此可用来精确指示受测量气体中氧气浓度(即E＝f(P2))。一般使用两种方法之一消除能斯脱型气体传感器温度对电压输出E的值的影响。按照一种方法，在传感器中设置一加热器，该加热器有选择地启动以便将该传感器保持在一恒定温度T上。按照另一种方法，一热电偶以便布置在传感器中测量传感器温度T，然后调节电压E以补偿温度T的变化。在本文中，术语“温度控制装置”指使用上述两种方法中的任一种方法消除能斯脱型气体传感器的温度T对电压输出E的影响的任何装置、电路、硬件、软件或其组合。
因此对于使用至少一个多孔催化电极(例如多孔铂电极)的能斯脱型气体传感器，当可燃气体在正常条件下与该催化电极发生接触时，造成它们在燃烧型反应中与氧气化学结合成非可燃副产品。例如，两个一氧化碳分子(2CO)可与一个氧分子(O2)结合成两个二氧化碳分子(2CO2)(即 )或两个氢分子(2H2)可与该电极上一个氧分子(O2)结合成两个水分子(2H2O)(即 )。在本文中，术语“可燃气体”指可在燃烧型反应中与氧气化学结合的任何气体分子。由于在催化电极上可燃气体与氧气的这一化学反应，可燃气体含量的升高造成该电极附近氧分子的额外消耗，因此氧气在该电极上的浓度减小，传感器输出的电压相应变化。同样，电极附近可燃气体含量的减小造成电极附近氧气消耗减小，从而电极上氧气浓度提高，传感器输出的电压相应变化。
在一燃烧器后火焰区(下文说明)中的废气中，一氧化碳(CO)为最常见的可燃气体。事实上，一氧化碳一般占废气中可燃气体的95％以上。因此，来自传感燃烧器的废气的能斯脱型气体传感器输出的信号可用作废气中CO含量的可靠指示器。
来自能斯脱型的信号包括两个分量：(1)强度(“DC分量”)和(2)波动频率(“AC分量)。按照能斯脱方程，DC分量是包括传感器温度和受分析和参考气体中氧气浓度的若干参数的函数。在使用这些传感器确定氧气浓度的系统中人们感兴趣的是DC分量。波动AC分量由于被看作无用噪声通常从氧气传感器的输出信号中滤去。在非现场传感器中，例如传感元件设置在后火焰区外部并抽取废气样本后传给外部传感器的情况下，发生延迟，波动AC分量的准确性显著受损，在许多情况下根本无效。因此，在这类系统中波动分量一般被看成没有什么用处。
受理论分析支持，对锅炉进行的实验测试表明，现场氧气传感器的波动AC分量可用作燃烧效率的指示器。对这一课题的讨论例如可见作为参考材料结合于此的以下两篇文章(1)Khesin，M.J.，JohnsonA.J.，“Combustion Control：New Environmental Dimension”，American Power Conference，Chicago，1993；和(2)Khesin，M.J.，Ivantotov，A.A.，“Fluctuation of Flue Gas Oxygen as Indicatorof Combustibles，”Teploenetgetika，1978，5。如在这些文章中讨论的那样，通过使一固态电解质、现场氧气传感器产生的输出信号中的波动AC分量与可燃气体相关联即可用该输出信号监测可燃气体。
但是，要在实际上有效地利用上述文章(1)和(2)所述现象，必须克服严重的技术困难。这些困难包括工作温度太高(例如800℃以上)，传感电极的催化能力的逐渐下降，结果的不一致性和用来获得这些结果的信号处理算法的不确定性。本发明通过提供一种改进的并更通用的传感器设计和一种监测燃烧器中的可燃气体的有效和通用的方法和系统来克服这些困难。
在本发明的一种应用场合中，将一个或多个固态电解质气体传感器102定位在一燃烧器100后火焰区(下文结合图1A说明)中的废气中测量废气的氧气浓度的波动。可用这些传感器所测量的波动计算与可燃气体的实时含量有关的值。
在本发明一实施例中，每一传感器包括一固态电解质(例如YSZ)元件和至少两个与该元件相关联的金属并最好是多孔的(例如铂)电极。按照本发明的一个方面，电极中至少一个电极与废气流体连通以监测废气中的各种组成气体分子。至少另一个电极隔绝而不与废气直接流体连通，该电极可浸没在参考气体中，受监测的气体例如可以是氧气、CO、NOx或其他可燃气体。举例说，与废气隔绝的电极浸没在如空气的参考气体中。而另一电极与废气连通并与监测氧气浓度或根据氧气浓度确定某些其他气体的浓度的系统连接。这样，当废气中的氧气浓度从第一浓度变为第二浓度时，废气电极上氧气浓度从第一浓度变为第二浓度的速率不同于隔绝电极上氧气浓度从第一浓度变为第二浓度的速率，如果隔绝电极上氧气浓度发生变化的话。换句话说，每一电极可构造和布置成使得有一与该电极有关的时间常数确定电极上氧气浓度上升或下降到废气和隔绝参考环境中新氧气浓度有多快。
每一电极上的氧气浓度及各自环境中的氧气浓度之间可存在与一时间常数有关的若干不同关系中的任一关系，本发明不限于某一特殊类型的关系。一电极上氧气浓度及其环境中的氧气浓度之间关系的一个例子为与一时间常数Tc有关的指数关系，例如：
CB＝Cc+□Cc*(1-e-t/Tc)，
其中，
CE＝该电极上氧气浓度，
Cc＝环境中氧气浓度，
□Cc＝环境中氧气浓度变化，
e＝指数算符，
t＝自氧气浓度发生改变以来经过的时间，以及
Tc为该电极独有的时间常数。
当两电极的时间常数Tc不同时，电极与各自环境的连通“程度”不同。各电极可以多种方式中的任一方式构造和/或布置成使得它们的时间常数Tc彼此不同，本发明不局限于任何实现上述目的的特定方法。例如，在各例示性实施例中，使用其设计、材料和/或特性不同的电极就可做到这一点。例如，电极的几何形状可不同，电极可涂以气孔率不同的材料，电极可涂以不同种类和/或不同数量的例如多孔耐高温环氧树脂的材料。
当各电极构造并布置成具有不同时间常数时，与上述一对传感器之一由具有预定氧气浓度的气体包围的现有传感器不同，所测得的电极之间的电位主要表示所测气体中氧气浓度的AC分量而不是表示AC和DC分量或DC主要分量。电极的时间常数的合适差值随应用场合的不同而不同，本发明不限于时间常数之间的任何特殊差值。例如，在各实施例中，电极的时间常数之间的差值可在几(例如2)毫秒到几(例如10)分钟之间某一值。
应该指出，本文所述新颖传感器结构不限于用来监测氧气浓度，也可用来传感多种如一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)的其他气体的浓度。
在本发明一实施例中，从一现场氧气传感器输出的信号传送给一例如编程计算机的信号分析器后经分析用来产生一个或多个与燃烧条件关联的燃烧参数。
在一种方式中，传感器输出信号经分析使得输出范围与已知气体浓度相关联。例如，在某一应用场合和某一燃料中，特别令人感兴趣的NOx范围可为0-500ppm(每百万份数)NOx。据此，使传感器由已知数量的NOx所包围后绘制所测得的电压(例如以伏特为单位)输出随已知NOx浓度的改变，即可获得响应曲线。同样，对于0-10％的氧气范围，可使传感器由已知氧气浓度所包围，所得电压响应曲线可用来处理在预定应用场合中接收的信号。同样，对于0-1000ppm的CO范围，可获得电压响应曲线用来处理在预定应用场合中测量的浓度。尽管按照给定设计制成的传感器最好大致相同操作，但可能需要在现场或不在现场作出调节或补偿，以“强迫”或使得具体传感器与设计响应曲线相符。尽管给出气体浓度范围的某些例子，但该范围主要取定于燃烧器具体应用场合或设计、工作方式和所使用具体燃料。
在一实施例中，以频域处理输出信号，为此使用信号的一频域振幅频谱产生极值函数(见下文)，然后根据所产生极值函数的一个或多个特性计算一个或多个燃烧参数。在另一实施例中，以时域(见下文)处理该信号，为此在选定时间间隔中分析代表该信号的时域的一个或多个特性。在又一实施例中，同时以频域和时域处理该信号，结合频域和时域计算结果获得一个或多个燃烧参数。然后可使用这些算出的燃烧参数的组合与限制条件一起估计各可燃气体浓度，这些限制条件例如可取定于温度、受控气体中氧气和/或各可燃物的浓度。这些限制条件可例如用传感器信号的DC分量确定。应该指出，与以频域和/或时域处理氧气传感器输出的信号产生燃烧参数的新颖方法有关的本发明这一方面即可用于电极由参考气体包围的上述现有氧气传感器也可用于其中至少两个电极都与共同气体环境流体连通的上述氧气传感器或用于产生包括表示气体(例如氧气)或其他流体的浓度的波动AC分量的信号的任何类型的传感器。
只使用单个传感器时，该传感器产生表示受分析气体与该传感器接触的特定点上的可燃气体的浓度的信号。来自该单个传感器的信号可提供足够数量的信息使得一小型单燃烧炉工业燃烧器工作最佳化。当把若干传感器插入燃烧器的废气流(例如在废气的横向上)中时，这些传感器的输出代表该燃烧器中可燃气体的分布。可用这一分布使得燃烧器平衡和最佳。例如，可调节各燃烧炉和/或后火焰燃烧系统改变所产生的分布，直到该分布反映出已实现最佳和平衡的燃烧条件。通过经验测量可了解(1)在已经实现最佳和平衡的燃烧条件时该分布怎样出现和(2)各燃烧炉和/或后火焰燃烧系统是如何影响该分布的不同方面的。锅炉的这一平衡和最佳对较大型、多燃烧炉燃烧系统特别有用。
参见图1A和1B，示出一燃烧器100的剖视图和若干设置在燃烧器100一后火焰、废气管道104的宽度上以便监测在一后火焰区中流过该废气管道的热废气流的氧气传感器102。这些传感器102例如可以是测量废气中氧气浓度(和/或浓度变化)的固态电解质传感器或任何其他能产生表示废气中一种或多种气体的浓度(和/或浓度变化)的信号的传感器。事实上，可在废气管道104的宽度上安装(最好排成一排)任何数量的传感器102。传感器也可在垂直方向上排成一排或布置成格栅状或其他有效图案和伸入管道中不同深度，以监测各可燃气体的分布。
在某些实施例中，燃烧器100可高达100、200、甚至300英尺以上。如图1A所示，燃烧器100可包括多个燃烧装置(例如燃烧装置106)，这些燃烧装置混合燃料和空气在燃烧器100内产生一火焰包围物108中的火焰。这些燃烧装置可为任何类型的火焰产生装置，本发明不限于特定类型的燃烧装置。例如，按照一实施例，这些燃烧装置可包括燃烧炉(例如烧气燃烧炉、烧煤燃烧炉、烧油燃烧炉等)。在该实施例中，燃烧炉可以任何方式布置，本发明不限于任何特定布置。例如，这些燃烧炉可位于壁燃烧、两边燃烧、切向燃烧或旋风布置中或它们的任何组合。也可用一包括移动或振动炉篦的称为“层燃炉”的燃烧装置在燃烧器100中产生火焰。
根据由National Fire Protection Association(NFPA)ofQuincy，Mass.，出版的“NFPA 85C，an American Standard，”p.85C-11中的定义，“火焰”指“燃料和空气迅速转变成燃烧产物的化学过程的可见或其他物理迹象”，“火焰包围物”指“燃料和空气转变成燃烧产物的独立过程的边界(不必可见)。”
参见图1A，当燃烧器100中的各燃烧装置106燃烧燃料时，可明显看到燃烧器100中的两个不同部位：(1)一火焰包围物108，以及(2)一所谓的“后火焰”区110，该区在火焰包围物108外部，向出口112横过一定距离。在火焰包围物108外部，热燃烧气体和燃烧产物可呈紊流向四周射出。这些统称为“废气”的热燃烧气体和燃烧产物从火焰包围物108喷向燃烧器100的出口。沿燃烧器100的各壁(例如壁114)流动的水或其他流体(未示出)被加热、转变成蒸汽，用来产生例如驱动涡轮机的能量。在所示实施例中，传感器102位于燃烧器100的后火焰区110中。但是，应该指出，本发明在这方面不受限制，传感器102如能承受火焰包围物108的高温、恶劣环境也可位于火焰包围物108中。
如上所述，在本发明一实施例中，传感电极和参考电极上的电压差包括可经分析后测量可燃气体浓度的波动分量。此相关联的理由如下说明。各燃烧炉火焰包括在火焰包围物108内部和周围的许多大小各异的涡流。这些涡流由于在燃料和空气喷气边缘处的紊流混合有助于以各种频率产生熟知的火焰闪烁。这些涡流在燃烧过程中变换并通常向出口112方向移动。总燃烧紊流反映出能量从大规模涡流到越来越小的涡流并直到分子水平的转移。该混合过程的速率和这些紊流活动的所得强度决定着燃烧稳定性并与可燃气体的形成和破坏过程直接有关。这些无序、紊流活动的大多数开始并出现在火焰包围物108中。
某些紊流活动的确发生在后火焰区110的废气流中。但是，与燃烧动力学有关的小涡流(即小规模、高频紊流)倾向于迅速消散，一般不到达后火焰区110。一般来说，后火焰区110中只有大涡流(即大规模规模、低频紊流)。该低频紊流反映出燃烧变量(例如未燃烧碳和其他可燃物的数量)、特别是与受后火焰燃烧控制系统影响的次燃烧过程如过热空气和再燃烧有关的燃烧变量。流入废气管道104中的热废气的紊流带有不完全燃烧的产物，包括可燃气体。如上所述，这些可燃气体呈较大涡流在紊流废气流中移动。含有可燃气体的这类涡流中的氧气的浓度很低。每当条件合适，例如传感器102附近存在催化剂和高温(例如900-1500°F)时，造成可燃气体燃烧，该传感器附近的氧气浓度降低。传感器电极附近氧气浓度的这一波动造成传感器102输出信号的脉动。这些脉动的频率和振幅反映出受分析废气流中的可燃气体的浓度。
传感器输出信号和可燃气体浓度之间的该关系可受各种因素的影响，包括燃烧工作参数、物理参数和化学反应。为了精确监测这一多变量过程，按照本发明一实施例，采用两个或多个不同的信号处理数学算法同时分析传感器的输出信号并组合若干算法所得结果。
处理从上述类型气体传感器收到的信息和信号的方法和算法的例子例如见作为参考材料结合于此的美国专利No.6,277,268。’268专利公开了例如以频域或时域进行的可用于本文所述各传感器实施例的信号处理和计算。但是，应该指出，本发明气体传感器不限于使用在本文所述处理系统中或’268专利中，也可使用在任何可实现或评价使用本发明气体传感器所获得信息的系统中。
下面参见例示性而非限制性附图的例示性气体传感器实施例，图2A和2B为用于燃烧系统中的结合本发明的传感元件200的剖面图。确切说，组合的O2+CO传感器200布置如下。固态电解质(例如氧化锆)电池202有一组电极，包括内电极204和外电极206及其引线208和210。该电池在由受分析气体本身提供或由额外加热器或其他热源提供的所需高温条件(通常为900-1500°F)下设置在过程气体流212中。在一种布置中，电池202做成开口管。较小管214与参考气体(例如空气)供应源连接，把参考气体供应给该电池(如端部开口)，该参考气体导管穿过该电池，参考气体(空气)流过电池202。这种传感器称为“流通”传感器。管214最好用热膨胀系数与电池202的固态电解质材料一致的材料制成。该管内部有开口216以便在形成在该电池中的传感室中提供浓度恒定的氧气。内管214与电池202之间的间隙应用耐高温密封、密封环或密封粘胶218在电池的两端完全密封，该密封件的热膨胀系数也必须与该传感器一致。
在测量如氧气的组成气体时，电池的微小泄漏也会对传感器工作有害；例如会大大扭曲氧气测量结果。因此必须确保(a)内管密封合适；以及(b)传感器设计成防止潜在泄漏对测量结果的影响。在测量O2时，使用能斯脱方程的上述处理是合适的。可使用上述以及’268专利所述一般方法测量CO。可用频域和/或时域分析CO浓度。应该指出，为确定CO浓度，所选择的处理波动分量的方式可取定于例如燃烧器类型、燃料类型和所需精度的若干因素。在某些例如在简化燃烧器的情况下或对CO测量精度或敏感性要求不高的情况下，简化处理可以接受，例如计算信号波动(AC分量)的标准偏差。
该现场传感器有若干设计特点。在一实施例中，电池202做得足够长(例如长达3-5英寸)，电极204和206位于其中部(约总长的1/4)。电池的端部最好不由电极覆盖以提供更有效气密密封并创造条件使得即使发生泄漏也被受分析的过程气体的气流带走。为此，该传感器置于外壳220中，在一实施例中，该外壳有三个开口：供过程气体通向外电极206的中央开口222和供潜在泄漏额外通风的两端开口224和226。图2B为沿开口216和222和电极204和206横向剖取的剖面图。为防止腐蚀和积灰，开口222-226应指向远离进入废气流的方向。密封材料218不与(例如用铂制成的)多孔电极接触也是很重要的。
外壳220中还有用于校准的管子228。固定氧气浓度的校准气体可从外部供应给外电极206，或者可把受分析气体的样本抽出到参考气体分析器。热电偶230紧靠电池202定位以便用来监测、控制和/或补偿温度。
下面参见图3A和3B剖视图，它们示出结合本发明组合O2+CO传感器300第二实施例，该固态电解质电池302的一端封闭，包括同样一组电极：内电极304和外电极306及其引线308和310。该电池在所需高温条件下置于过程气体流312中。在该布置中，从管子314供应参考气体(空气)。护套322可有侧面开口316或端部开口318以便允许过程气体到达外电极306。固态电解质电池302安装并粘结在一焊接在接头324上的金属件320上。安装件320还提供与外引线310的电连接。
安装件320用热膨胀系数与电池302的材料一致的材料制成。参考气体(空气)经管子314供应到电池302内部后经护套322向后流出。电池302装在护套322中，用接头324密封。
该组件内另有用于校准的管子328。固定O2+CO浓度的校准气体可供应给电池302的外电极306，或者可把受分析过程气体的样本抽出到参考气体分析器。图3B为沿开口316和电极304和306横向剖取的剖面图。热电偶326紧靠该测量电池定位以便用来监测、控制或补偿温度。
按照本发明的另一个方面，该可燃物传感器使用密封O2传感器构作或改装成组合O2+CO传感器(密封O2+CO传感器)。密封O2传感器的一个例子为Panametrics，Inc.of Waltham，Mass.制造的FGA411型。这一密封O2传感器无需使用参考气体。此时传感器设计可与图3A所示传感器大致相同，只是没有参考空气供应，电极由介质或材料密封和围绕而产生内部参考传感器。
按照本发明的另一个方面，该可燃物传感器可与“经过滤的”NOx传感器组合使用而构造或改装成组合CO+NOx传感器。该传感器具有一具有两个测量电极和一共同参考电极的共同固态电解质电池。由适合将CO氧化成CO2从而消除CO的影响的材料制成的多孔薄过滤器设置在测量电极之一上。该电极以混合电位方式工作，用来测量NOx。混合电位方式工作情况和用于NOx分析的过滤装置的例子见作为参考材料结合于此的下列参考材料：Nicholas Szabo等人的“MicroporousZeolite Modified Yttia Stabilized Zirconia Sensors For NitricOxide Determination In Harsh Environments”，The OhioUniversity，2001以及Eric Wachsman等人的“Selective DetectionOf NOx By Differential Electrode Equilibria”，Solid StateIonic Devices II-Ceramic Sensors，Electrochem.Soc.，Ed.，2002-32，298-304(2001)。另一测量电极用作如上所述波动CO传感器。因此，在一个电位计固态电解质传感器中产生两个信号CO+NOx。在这一布置中，该传感器无需不断供应参考气体。
按照本发明的另一个方面，上述组合O2+CO传感器可与上述一“经过滤的”NOx传感器组合使用而改装成一组合O2+CO+NOx传感器。图4A和4B示意表示出这类传感器的一种“流通”型式。传感器400包括一具有两组电极的电池：一共同参考电极404和两测量电极406和408及其引线A、B和C。例如空气的参考气体从供气管414中的开口416供应给由密封空间包围的电极404。该空间一部分由电池402限定，与图2A所示那样用耐高温密封件或密封剂418密封。图4B为沿电极404和406横向剖取的剖面图。
如上述结合于此的参考材料所述，由可氧化并特别消除CO的影响的材料制成的多孔薄过滤器410设置在测量电极408上。图4C为沿电极404、408和过滤器410横向剖取的剖面图。该电极以混合电位方式工作，用来测量NOx。另一测量电极以能斯脱传感器方式工作并用作组合O2+CO传感器，如图2A所示。该传感器将需要连续供应参考气体。因此，在一个电位计固态电解质传感器中产生所有三个信号O2+CO+NOx。
为确定NOx，应预先校准该传感器，为此，根据从经过滤的电极上测得的电压和已知NOx浓度之间的关系如上所述在适合于具体设计或应用场合的特定NOx浓度范围内确立一预期响应曲线。可在现场或不在现场进一步校准具体传感器和处理函数，为此将该具体传感器暴露于已知NOx浓度中，然后把传感器响应调节到与预期或设计响应曲线更为一致。
按照本发明另一个方面，如图5所示，该现场固态电解质502上装备有不锈钢软管或软套504以便于其包装、在一锅炉中的装配、安装和维护。现有现场燃烧传感器可长达20-30英尺或以上。这些传感器通常在现场装配，其装配、运输、插入和抽出困难。使用软管使得传感器的全部装配和测试可在工厂中进行。该传感器可在现场方便地装配后插入一永久性支撑管中。在现场装配过程中遭损坏的风险消除，拆卸和更换简化。传感器的总重减小30％以上。使用软管还便于在例如设置传感器的空间狭窄的人体难以接近的位置上安装和改装传感器。
尽管以上说明包括许多细节和特性，但应指出，这些细节和特性只是用来说明本发明而非对本发明有所限制。在由后附权利要求及其合法等同物限定的本发明精神和范围内可对上述各实施例作出种种修正。

Claims (37)

1.在一种监测一燃烧器(100)产生的废气中的气体浓度的系统中，一气体传感器(102)包括：
一位于该燃烧器后火焰区(110)中废气流中的外壳(220)，该外壳有至少一与废气(212)流体连通的开口(222)；
一位于该外壳中的固态电解质电池(202)；
至少一与该电解质电池配合以便形成一与废气隔绝的传感室的密封件(218)；
位于该传感室中并与废气隔绝从而不与废气直接流体接触的第一电极(204)；以及
位于该外壳中并紧靠该至少一开口定位从而与废气流体接触的第二电极(206)，在第一和第二电极之间产生一代表至少两种条件的电压。
2.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，其还包括一位于该传感室中并适于向该室供应参考气体的参考气体导管(214)。
3.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，其还包括一位于该外壳中并邻近该电解质电池和第二电极的导管(228)，该导管与废气流体连通。
4.如权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，该导管把校准气体传送到第二电极紧附近，该第二电极至少部分地根据校准气体对由第二电极传感的条件的影响得到有效校准。
5.如权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，该校准气体包括浓度大致恒定的氧气。
6.如权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，从该传感器抽取的废气样本经该导管传送给一参考气体分析器。
7.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，该固态电解质电池呈管状，该传感器包括两个大致位于该电解质电池各自端部以便相互配合形成该传感室的密封件。
8.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，其还包括一邻近电解质电池并适于用来监测温度并用作外壳中变化温度条件的调节参考的热电偶(326)。
9.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，第一电极与参考气体流体接触，分析第一和第二电极之间产生的一电压信号来监测废气中气体的浓度。
10.如权利要求9所述的气体传感器，其特征在于，该电压信号表示包括氧气、一氧化碳和氮氧化物的组中的一种或多种气体的浓度。
11.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，其还包括位于该外壳中并与废气流体连通的第三电极，该第三电极与第一和第二电极之一配合从而传感废气中一预定气体的浓度，该预定气体是包括氧气、一氧化碳和氮氧化物的组中的一种气体。
12.如权利要求11所述的气体传感器，其特征在于，该第三电极的至少一部分由一与废气中第二气体反应以便消除该第二气体的影响从而提高该预定气体的浓度测量精度的过滤器(410)覆盖。
13.如权利要求11所述的气体传感器，其特征在于，第一和第二电极配合产生表示第一预定气体的浓度的第一信号，第二和第三电极配合产生表示第二预定气体的浓度的第二信号，第一和第二预定气体分别是包括氧气、一氧化碳和氮氧化物的组中的一种气体。
14.如权利要求13所述的气体传感器，其特征在于，可进一步分析第一和第二信号中的一个信号以确定第三预定气体的浓度。
15.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，表示分别由第一和第二电极传感的气体浓度的电信号产生后由该系统以一个或多个时域或频域处理而获得燃烧参数。
16.如权利要求15所述的气体传感器，其特征在于，电信号是一个或多个波动AC分量和DC分量。
17.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，燃烧器是包括锅炉、高炉或燃气涡轮机的组中的一个。
18.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，燃烧器包括一产生废气的燃烧炉(106)，该燃烧炉是包括烧气燃烧炉、烧煤燃烧炉、烧油燃烧炉或烧化石燃料燃烧炉的组中的一个。
19.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，第一和第二电极由多孔和催化材料制成。
20.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，该电解质电池具有一封闭端。
21.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，第一和第二电极产生一包括一DC分量和一波动AC分量的信号。
22.如权利要求21所述的气体传感器，其特征在于，该DC分量按照能斯脱方程处理，用来确定氧气浓度。
23.如权利要求21所述的气体传感器，其特征在于，处理该AC分量以确定包括一氧化碳、氮氧化物和可燃气体的组中的至少一种气体的浓度。
24.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，这两个条件包括一DC分量和一波动AC分量。
25.如权利要求24所述的气体传感器，其特征在于，分析DC分量以确定废气中氧气浓度。
26.如权利要求24所述的气体传感器，其特征在于，分析波动AC分量以确定一表示废气中可燃物的浓度的参数。
27.如权利要求24所述的气体传感器，其特征在于，分析波动AC分量以确定废气中包括一氧化碳和氮氧化物的组中至少之一的浓度。
28.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，燃烧器的后火焰区中有一支撑管，其一端支撑并固定在燃烧器的一壁上，该气体传感器在其一端连接在该支撑管上并由该支撑管的支撑，电引线与第一和第二电极连接并位于该支撑管中并在支撑管的一端从后火焰区和支撑管引出。
29.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，该电解质电池包括氧化锆。
30.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，该电解质电池包括由氧化钇稳定的氧化锆。
31.在一种监测一燃烧器(100)中的废气成分浓度的排放监测系统中，该监测系统包括：
第一取样探头(102)，包括：
一位于该燃烧器(100)后火焰区(110)中的外壳(220)，该外壳有至少一接收废气(212)的开口(222)；
一位于该外壳中的固态电解质电池(202)；
至少一与该电解质电池配合以便形成一与废气隔绝的传感室的密封(218)；
位于该传感室中并与废气隔绝从而不与废气流体直接接触的第一电极(204)；以及
位于该外壳中并紧靠该至少一个开口定位从而与废气流体接触的第二电极(206)，在第一和第二电极之间产生一代表第一废气成分的浓度的电压；
类型与第一取样探头相同并用来监测第二废气成分的浓度的第二取样探头(102)；以及
至少一分析器，其具有用来监测由第一和第二取样探头产生的接收电压的输入和一用来分析电压数据以确定第一和第二废气成分的浓度的处理器。
32.在一种用于燃烧器运行中的排放监测系统中，一种监测由燃烧器运行产生的废气(212)中组成气体的浓度的方法，该方法包括下列步骤：
用一设置在一燃烧器(100)的后火焰区(110)中的气体传感器(102)对废气取样；
把第一多孔电极(204)放置在其至少一部分由一固态电解质电池(202)限定的传感室中并使第一电极与废气隔绝；
相对第一电极放置第二多孔电极(206，408)，该固态电解质电池的一部分位于其间，放置该第二电极与废气流体连通；以及
分析在第一和第二电极之间产生的电压以确定废气中两种组成气体的浓度。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，其还包括向该传感室供应参考气体的步骤。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，其还包括使一校准气体冲击第二电极并分析电压变化以调节一与至少一组成气体浓度相关的参数的步骤。
35.如权利要求32所述的方法，其特征在于，其还包括下列步骤：
相对第一电极放置第三多孔电极(406)，该固态电解质的一部分位于其间，放置该第三电极与废气流体连通；以及
分析在第一和第三电极之间产生的电压以确定废气中组成气体的浓度。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，组成气体来自包括氧气、一氧化碳和氮氧化物的一组。
37.如权利要求32所述的方法，其特征在于，组成气体来自包括为氧气、一氧化碳和氮氧化物的一组。
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