采用了基于催化剂的一氧化碳传感器的系统以及防止该传感器被硫和积炭损害的方法

摘要

本发明公开的是采用了基于催化剂的一氧化碳传感器的系统以及防止该传感器被硫和积炭损害的方法，其中涉及的一种一氧化碳(CO)传感器装置包括用来采集废气的采集装置和连接于所述采集装置的CO传感器。所述采集装置包括硫氧化物吸收剂，用来吸收所述采集的废气中的硫氧化物。所述CO传感器用来接收所述硫氧化物被吸收后的采集废气并检测其中的一氧化碳当量水平，该CO传感器包括含铂的活性元件。本发明还涉及一种防止CO传感器因硫酸盐和积炭的产生而导致迅速恶化的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料燃烧系统的一氧化碳(CO)传感器装置，具体 地，涉及防止该传感器被硫酸盐和积炭损害的方法。

背景技术

火力发电厂通过燃烧煤、天然气或石油等化石燃料来发电，其将燃烧产 生的热能转化为机械能来运作发电机。燃烧产生的废气中的一氧化碳当量 (COe)水平是一种可以准确可靠且敏锐地用来显示未燃烧的可燃物的指标， 其中所述Coe是指主要包括一氧化碳的可燃性气体，其不仅包括一氧化碳， 也包括其他可燃性气体，如氢气、甲烷、乙烷及其他高烃成分。因此，可通 过监控所述废气中的COe水平来控制空气燃料比，从而获得最优的燃烧效率。 基于不同的技术和原理，有多种装置可用来测量燃料锅炉废气中的COe水平， 比如固态CO传感器和光学探测器等，其中光学探测器包括红外、非分光红 外、可调谐二极管激光光谱仪等。COe水平的平稳控制能实现的最小的能量 损失和最大的能量效率，且不受锅炉负载、燃料类型或燃料数量的影响。

一种方法是用基于催化剂的CO传感器来测量COe水平，所述CO传感 器用氧化催化剂来将COe氧化成二氧化碳。在催化氧化反应过程中产生的反 应热可提高温度，测得的温度升高可用来估计废气中的COe水平。然而，在 有些有害物质的存在下，所述催化剂可能会迅速恶化，比如，燃烧锅炉废气 中可能存在的硫氧化物，可能导致CO传感器表面产生硫酸盐固体沉积，从 而导致其失效。此外，在一些应用中还可在CO传感器表面发现积炭。

因此，需要一种燃料燃烧系统，其用来检测COe水平的基于催化剂的 CO传感器不会因硫酸盐和积炭的产生迅速地恶化。

发明内容

本发明的一方面涉及一种一氧化碳(CO)传感器装置，其包括用来采集 废气的采集装置和连接于所述采集装置的CO传感器。所述采集装置包括硫 氧化物吸收剂，用来吸收所述采集的废气中的硫氧化物。所述CO传感器用 来接收所述硫氧化物被吸收后的采集废气并检测其中的一氧化碳当量水平， 该CO传感器包括含铂的活性元件。

本发明的另一方面涉及一种方法，该方法包括从燃料燃烧锅炉中采集废 气，吸收所述采集的废气中的硫氧化物，然后用包括含铂的活性元件的CO 传感器检测所述采集的废气中的一氧化碳当量水平。

本发明的另一方面涉及一种方法，该方法包括从燃料燃烧锅炉中采集废 气，以及用CO传感器检测所述采集的废气中的一氧化碳当量水平，所述CO 传感器包括含铂的活性元件，其在高于硫酸盐分解温度和焦炭燃烧温度的温 度下操作，其中，高于所述硫酸盐分解温度时，硫酸盐的分解速度高于其沉 积速度，高于所述积炭燃烧温度时，焦炭的燃烧速度高于其沉积速度。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明， 在附图中：

图1显示了根据根发明的一个实施例的一种示例性的CO传感器装置。

图2显示了根据根发明的另一个实施例的一种示例性的CO传感器装置。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施例进行描述。除非另作定义，权利要求书和 说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所述技术领域内具有一 般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中 使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一 个。“或”是指包括所列举的元件或者物件中的任一个或全部。“包括”或者“包 含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出 现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其 他元件或者物件。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能 的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修 正的数值不限于该准确数值本身。此外，在“大约第一数值到第二数值”的 表述中，“大约”同时修正第一数值和第二数值两个数值。在某些情况下，近 似性语言可能与测量仪器的精度有关。本文中所给出的数值范围可以合并或 相互交换，除非文中有其它语言限定，这些范围应包括范围内所含的子范围。

对于用来燃烧空气与燃料的混合物来发电的燃料燃烧锅炉而言，希望能 将空气-燃料比控制在一个理想的水平来获得最高的燃烧效率。通过监控燃烧 锅炉的废气中纯氧(O₂)的水平和一氧化碳当量(carbonmonoxideequivalent， COe)的水平并调节燃烧条件来使所述空气-燃料比接近理想值，可对所述空 气-燃料比进行调整校正。在所述燃烧锅炉的后端排布有一氧化碳传感器(CO 传感器)，用来检测燃烧锅炉的废气中的COe水平。

所述CO传感器可包括一种催化剂，可用来促进COe发生放热反应，引 起温度变化。在一个实例中，所述催化剂包括铂(Pt)。在一些实施例中，所 述用来检测COe水平的基于催化剂的CO传感器包括一个活性元件和一个非 活性的参考元件，其中活性元件可促进将COe氧化成二氧化碳(CO₂)的氧 化反应，而非活性的参考元件不可促进该氧化反应。在一个具体的实施例中， 所述活性元件包括覆有Pt/Al₂O₃涂层的电阻温度探测器(resistancetemperature detector，RTD)，所述非活性的参考元件包括覆有Al₂O₃涂层的电阻温度探测 器。所述Pt起氧化催化剂的作用，所述Al₂O₃是很好的热导体。所述催化氧 化反应在所述活性元件上产生热量，可对照地测量所述活性元件和非活性的 参考元件的温度，它们之间的温差可用来估计废气中的COe水平。因此所述 基于Pt催化剂的传感器可实时在线地快速测量废气中的COe水平，这有利于 调整空气-燃料比来获得最优的燃烧效率。

所述Pt/Al₂O₃催化剂特别适用于在高温恶劣环境下氧化一氧化碳，但在 燃料锅炉废气中存在硫氧化物的情况下Pt/Al₂O₃催化剂可能会迅速地恶化。 Pt/Al₂O₃催化剂可将SO₂氧化成SO₃，SO₃再与Al₂O₃反应形成硫酸盐Al₂(SO₄)₃， 该硫酸盐Al₂(SO₄)₃在500摄氏度以下的温度下保持稳定。在传感器的表面形 成的所述硫酸盐Al₂(SO₄)₃减少了Pt/Al₂O₃催化剂与COe及氧气的有效接触面 积，从而会降低催化氧化的效率。当SO₂的浓度小于400ppm时，所述Pt/Al₂O₃催化剂的效率会降低约10％然后达到稳定。然而当SO₂的浓度超过400ppm， 尤其是在超过500ppm时，在催化剂表面会不断形成所述硫酸盐，这可能损 坏Pt/Al₂O₃催化剂，降低其催化能力，最终使得催化剂与COe及氧气完全隔 离，从而导致CO传感器的永久失效。

为了提高所述在燃料燃烧系统中使用的基于催化剂的CO传感器的寿命 及可靠性，可采用两种方式，其中一种是在CO传感器的气体采集装置中装 载硫氧化物吸收剂，以在所述废气接触到Pt/Al₂O₃催化剂之前将其中的SO₂和SO₃等硫氧化物降低至安全水平，比如400ppm，来防止硫氧化物对所述 催化剂的毒害。所述硫氧化物吸收剂可选自金属氢氧化物、金属氧化物、碳 酸盐以及它们的任意组合。硫氧化物吸收剂的一些具体例子有CaCO₃、CaO、 Ca(OH)₂、MgCO₃、MgO和Mg(OH)₂。另一种方式是在一个相对较高的温度， 比如，在500摄氏度以上，操作所述CO传感器，来避免积炭和硫酸盐沉积 于所述CO传感器的含Pt的表面。根据需要，也可将所述两种方式结合使用。

如图1所示，一种燃料燃烧系统中用的CO传感器装置100包括用来从 化石燃料锅炉101的废气中采气的气体采集装置102，其内设有硫氧化物吸 收剂104，用来吸收所采集的废气中的硫氧化物。所述气体采集装置102后 端连接有CO传感器115，用来探测所述用硫氧化物吸收剂104吸收了硫氧化 物后的采集气体中的COe水平。所述CO传感器有一个含Pt催化剂的活性元 件，其中的Pt催化剂可被所述废气中的硫氧化物恶化。可通过加热器120来 将所述CO传感器115的操作温度控制在一个合适的值。

所述气体采集装置102可包括采集管103，用来将采集到的废气输送到 所述CO传感器115，还可包括一个或多个用来实施气体采集的采集元件，如 采样探头、泵或阀等。所述硫氧化物吸收剂104可直接设置于所述采集管103， 也可设置在一个通过阀108和法兰110连接于所述采集管103，即，连接于 所述采集管103的两段之间的一个额外的容器106内。在如图1所示的实施 例中，所述额外的容器106是一个管路，其径向尺寸与所述采集管103大致 相同。由于所述额外的容器106是通过阀108和法兰110可拆卸地连接到所 述采集管103的，其可以很容易而且很快地进行安装，且其替换不受硬件设 计的限制。在其他实施例中，所述额外的容器106也可设置成其他形状和尺 寸。

比如，在如图2所示的CO传感器装置200中所使用的容器206便具有 不同的设置。与图1所示的CO传感器装置100相似，在所述CO传感器装 置200中，容器206通过阀208、法兰210和管路212连接到采集管203。容 器206内装有硫氧化物吸收剂204，这样，采集的废气流过所述硫氧化物吸 收剂204再流到连接于所述容器206后端的CO传感器(未图示)。与容器106 不同的事，所述容器206的径向尺寸比所述采集管203的大。此处所述的径 向尺寸是指所述容器在与所述采集的废气流经该容器的流动方向的大致垂直 的方向上的尺寸。

所述硫氧化物吸收剂104或204可设置成多孔结构，比如，蜂窝结构、 管结构或任何其他可实现高吸收效率的结构。在一个实例中，所述硫氧化物 吸收剂设置为蜂窝状多孔结构。

如果有足够的氧气与COe一起被吸附到CO传感器的Pt/Al₂O₃涂层上， 所述CO传感器上的Pt催化剂可将COe完全氧化成CO₂。但在一些异常的情 况下，当COe:O₂比太高，所吸附的氧气不够时，以及(或)当所述CO传感 器性能降低时，可能发生COe的歧化反应(如2CO＝CO₂+C)，形成积炭。此 外，所述废气中的烃也可能会因为氧气不够而发生不完全氧化形成积炭。当 COe浓度超过800ppm是时，在催化剂表面吸附的氧气变得不够，积炭的形 成可能成为CO传感器失效的一个关键因素，当所述催化剂不断地暴露于COe 浓度高的废气的情况下时尤其如此。

因此，所述由于高SO₂水平导致的硫酸盐沉积和由于将CO传感器不断 暴露于具有高COe浓度的废气而导致的积炭可能成为导致传感器失效的关键 原因。在一些情形下，SO₂和COe的含量都高，传感器表面可能同时发生硫 酸盐(主要为Al₂(SO₄)₃)沉积和积炭的问题，这二者可加速彼此的形成，从 而可能导致最终整个催化剂表面被完全覆盖住，阻止了催化剂与气体的接触， 使得CO传感器完全失效。

为了避免出现这样的情况，可在一个相对较高的温度下操作所述CO传 感器，在该温度下，所述传感器表面的硫酸盐和积炭可分解或燃烧。与传统 的CO传感器装置中将CO的温度控制在约400摄氏度，并在约370摄氏度 的温度下操作CO传感器，以保持所采集的气体在其露点温度(DewPoint) 以上的情况不同，本文中所描述的燃料燃烧系统的CO传感器的操作温度显 著提高。在一些实施例中，所述CO传感器的操作温度高于硫酸盐分解温度 和焦炭燃烧温度，其中，高于所述硫酸盐分解温度时，所述硫酸盐(如Al₂(SO₄)₃) 的分解速度大于其沉积速度，高于所述积炭燃烧温度时，所述焦炭的燃烧速 度大于其沉积速度。在一个示例中，所述CO传感器在高于500摄氏度，或 进一步地，在高于550摄氏度的温度下操作。所述CO传感器的操作温度可 通过加热器(如，图1所示的加热器120)进行控制。

通过在CO传感器的气体采集装置中设置硫氧化物吸收剂来减少或除去 硫氧化物，且(或)在一个相对较高的温度下操作所述CO传感器使得所述 沉积在传感器表面的硫酸盐和焦炭可以分解和燃烧，可保护所述CO传感器 使其免受硫酸盐和积炭的损害。因此所述CO传感器的寿命和可靠性能显著 提高。此外，两种方式都可在尽可能小地改动现有硬件、软件和操作的情况 下实现。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可 以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书 的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。