[发明专利]烃燃料气体组成和性质的测量

说明书

一种可调谐二极管激光吸收光谱仪和一种处理吸收光谱的方法，其用于测量所选燃料气体组分的浓度并且计算几个燃料气体参数，包含热值、相对密度、可压缩性、理论烃液体含量和沃泊指数。在所描述的实体中，可调谐激光二极管(10)将近红外光(11)导入光学腔(16)中透过燃料气体样品。当在规定范围内调谐激光波长以构建所述燃料气体的腔增强吸收光谱A₍₂₎时，传感器(20)测量离开所述腔的光的强度。一组预期组分物质的基础光谱用于分析所述光谱并且测定组分浓度C_a，包含甲烷、乙烷、二氧化碳和其它离散和结构化吸收体。关键地，通用宽带吸收用于对自身呈现为几乎无特点的吸收光谱的高级烃进行建模。随后，直接由所测定的组分浓度和表示所述高级烃的所述宽带吸收C_BB计算所述燃料气体参数(F、I_w、G、Z、L)。

技术领域

本发明涉及测量烃燃料混合物的化学成分和相关性质，并且进一步涉及可调谐二极管激光吸收光谱测定气体分析器。

背景技术

不论何时产生、输送或使用燃料气体(天然气、煤合成气、生物气等)，通常都需要其污染等级、热值、相对密度、可压缩性、理论烃液体含量和沃泊指数(Wobbe index)。各种污染物(例如H₂S、H₂O、O₂、CO₂)测量对于防止因腐蚀或化学反应性所致的基础设施损坏为至关重要的。天然气生产商必须清洁所提取的天然气以去除污染物并且随后在将其引入管道中之前验证任何残余量。燃料重组器中的脱硫床需要定期置换或再生以防止H₂S贯穿到重组燃料产物中，并且因此需要频繁的污染等级监控。包含热值、相对密度、可压缩性、理论烃液体含量和沃泊指数的关键气体参数的测量对于定价燃料、优化炉头条件和测定燃烧效率为至关重要的。

燃料生产商和其客户通常使用高达四个分离分析器(例如电化学、冷冻镜、引线带和气体色谱仪)以分析燃料气体特征，如痕量污染物的量或热值。举例来说，客户地点可以包含用以测量H₂S的引线带系统、用以测量H₂O的冷冻镜仪器和用于O₂的顺磁传感器。气体色谱仪将烃混合物分离到其组分物种中以测定热值和其它气体特征(例如相对密度、可压缩性、理论烃液体含量和沃泊指数)。这些分析器中的每一个都具有其自身的局限性和缺点。举例来说，引线带系统需要消耗品和频繁维修，同时提供在小动态范围内的相对慢的读数。同样，冷冻镜器件为极慢的并且易于遭受来自其它冷凝组分的干扰。最后，作为当前工业标准品的气体色谱仪为慢的(每项分析几分钟)并且需要成本高的消耗品和维护。整套仪器操作昂贵并且需要大规模现场维护。

可调谐二极管激光吸收光谱测定法(TDLAS)已经广泛地用于测量燃料气体和其它石油化学品中的痕量污染物(例如H₂S、H₂O、O₂、CO₂…)，但是尚未用于测定热值或其它气体特征。举例来说，在董丰、克里斯汀朱迺迪、苏比尔罗伊乔杜里和马尼什古普塔,“使用近红外线腔增强激光吸收光谱进行的JP-8燃料重组物中的H2S的快速在线定量(Rapid,OnlineQuantification of H2S in JP-8Fuel Reformate Using Near-InfraredCavity-Enhanced Laser Absorption Spectroscopy)”,分析化学(Analytical Chemistry)83,第4132-4136页(2011)的论文中，离轴ICOS分析器接近1.59μm操作，同时在宽动态范围内的快速、高度精确的测量、低检测极限和与其它现存物种的最低交叉干扰的情况下定量重组军用燃料中的H₂S、CO₂、CH₄、C₂H₄和H₂O。表明通过包含额外的在其它波长下的近红外线二极管激光器，仪器可以延伸到测量其它物种，包含CO和H₂。

发明内容