NIST使用新型傳感器測量廢氣排放

內(nèi)置傳感器持續(xù)監(jiān)控燃煤電廠的煙氣濃度

據(jù)麥姆斯咨詢報道，燃煤電廠每年都需要進行煙囪排放測試，而這個測試過程異常耗時。為了加速這一過程，美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)的研究人員近日完成了首次關于測量燃煤電廠煙囪排放的潛在改進方法在真實場景的測試。該過程使用新型傳感器探頭來測量廢氣流量排放以及新的測量方法，有望將現(xiàn)場審核速度提高10倍。

NIST的Joey Boyd(左)和Aaron Johnson在一家電廠對新型煙氣傳感器進行測試

作為電力研究所(Electric Power Research Institute，EPRI)合作研發(fā)協(xié)議(cooperative research and development agreement，CRADA)的一員，NIST開展了這項工作。EPRI是一家獨立的非營利組織，其成員包括電力公司、企業(yè)和政府機構。

為了監(jiān)測燃煤電廠的廢氣排放，技術人員需要測量煙囪排放煙氣的速率。煙囪內(nèi)的氣流包含渦流和漩渦，但通常是向上流動的。NIST的試驗是將四個探頭(又稱為皮托管)水平插入煙囪內(nèi)。

四個傳感器探頭分別在四個不同的位置進行流量測量，總共進行16次。有了這些測量信息，NIST的科學家們就可以對新的皮托管設計和測量方法的精度和準確度進行測試。

EPRI的項目經(jīng)理Tom Martz在一份聲明中說道：“燃煤發(fā)電廠商們完全可以從當前NIST的工作中受益，因為它可以通過改進標準和技術來更準確地測量大規(guī)模排放，增加了所有電廠基于統(tǒng)一標準進行報告的信心?！彼€補充道，關于是否可以節(jié)約測量時間“目前我們無法準確量化，但這將是未來工作的關鍵指標之一?！?/p>

EPRI的研究人員認為美國環(huán)保局(U.S. Environmental Protection Agency，EPA)有朝一日會制定新的煙囪排放審核標準?！拔覀兊哪繕耸菍⑽覀兊难芯砍晒鳛镋PA的標準。”Johnson說道，“但是否愿意使用它仍取決于行業(yè)成員們?！?/p>

燃煤電廠的煙囪裝有監(jiān)測器，可持續(xù)測量煙氣排放物的濃度，包括二氧化碳、汞、二氧化硫和氮氧化物，以及煙氣的流速。根據(jù)聯(lián)邦法律，內(nèi)置流量傳感器需要在年度審核期間進行校準。

這種校準是通過將稱為皮托管的小型便攜式設備插入煙囪中來完成的。這項工作中最常用的傳感器是“S型探頭”，它有兩個孔或端口。一個孔直接面對氣流，檢測管道內(nèi)積聚的壓力。另一個孔則面向相反的方向。流速越快，兩個孔之間的壓差就越高，通過測量這其中的壓差，審核員就能夠計算流速。

使用傳統(tǒng)的S型探頭太費人力，因為技術人員必須手動旋轉(zhuǎn)傳感器，直到一側(cè)直接面對氣流進行測量。因為煙道氣流不一定在測試點直接向上流動，因此現(xiàn)場年度審核可能需要一天甚至更長時間才能完成。

為加快這一進程，NIST的科學家們進行了三項創(chuàng)新。首先，他們創(chuàng)造了兩種新的皮托管模型，用五個孔代替兩個孔，比S型探頭性能更好，可能比目前使用的其它五孔皮托管模型更有優(yōu)勢。

NIST的物理學家Iosif Shinder設計的探頭有兩種形狀：半球形和圓錐形。

科學家們還為他們的新傳感器開發(fā)了新的校準方案，這種方案不需要技術人員在煙囪內(nèi)旋轉(zhuǎn)探頭來找到每次測量的真正流向。因此，雖然傳感器在使用前需要校準，但在實際審核過程中使用時間要少得多。

當NIST的研究人員分析這些數(shù)據(jù)時，他們得到的結(jié)果與在實驗室發(fā)現(xiàn)的結(jié)果誤差在2%以內(nèi)。

“探頭在煙囪中的表現(xiàn)和在NIST的測試實驗環(huán)境中一樣好。”Johnson說。

未來的現(xiàn)場測試將有助于研究人員解決他們目前面臨的最大問題：傳感器堵塞，因為皮托管的孔被水和顆粒物質(zhì)粘住，在測試繼續(xù)之前必須沖洗干凈。