NIST使用新型傳感器測量廢氣排放

 據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，燃煤電廠每年都需要進(jìn)行煙囪排放測試，而這個(gè)測試過程異常耗時(shí)。為了加速這一過程，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)的研究人員近日完成了首次關(guān)于測量燃煤電廠煙囪排放的潛在改進(jìn)方法在真實(shí)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(duì)新型煙氣傳感器進(jìn)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(xiàng)工作。EPRI是一家獨(dú)立的非營利組織，其成員包括電力公司、企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)。

為了監(jiān)測燃煤電廠的廢氣排放，技術(shù)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(dòng)的。NIST的試驗(yàn)是將四個(gè)探頭(又稱為皮托管)水平插入煙囪內(nèi)。

四個(gè)傳感器探頭分別在四個(gè)不同的位置進(jìn)行流量測量，總共進(jìn)行16次。有了這些測量信息，NIST的科學(xué)家們就可以對(duì)新的皮托管設(shè)計(jì)和測量方法的精度和準(zhǔn)確度進(jìn)行測試。

EPRI的項(xiàng)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(dāng)前NIST的工作中受益，因?yàn)樗梢酝ㄟ^改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)來更準(zhǔn)確地測量大規(guī)模排放，增加了所有電廠基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行報(bào)告的信心。”他還補(bǔ)充道，關(guān)于是否可以節(jié)約測量時(shí)間“目前我們無法準(zhǔn)確量化，但這將是未來工作的關(guān)鍵指標(biāo)之一。”

EPRI的研究人員認(rèn)為美國環(huán)保局(U.S. Environmental Protection Agency，EPA)有朝一日會(huì)制定新的煙囪排放審核標(biāo)準(zhǔn)。“我們的目標(biāo)是將我們的研究成果作為EPA的標(biāo)準(zhǔn)。”Johnson說道，“但是否愿意使用它仍取決于行業(yè)成員們。”

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(jìn)行校準(zhǔn)。

這種校準(zhǔn)是通過將稱為皮托管的小型便攜式設(shè)備插入煙囪中來完成的。這項(xiàng)工作中最常用的傳感器是“S型探頭”，它有兩個(gè)孔或端口。一個(gè)孔直接面對(duì)氣流，檢測管道內(nèi)積聚的壓力。另一個(gè)孔則面向相反的方向。流速越快，兩個(gè)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(jì)算流速。

使用傳統(tǒng)的S型探頭太費(fèi)人力，因?yàn)榧夹g(shù)人員必須手動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器，直到一側(cè)直接面對(duì)氣流進(jìn)行測量。因?yàn)闊煹罋饬鞑灰欢ㄔ跍y試點(diǎn)直接向上流動(dòng)，因此現(xiàn)場年度審核可能需要一天甚至更長時(shí)間才能完成。

為加快這一進(jìn)程，NIST的科學(xué)家們進(jìn)行了三項(xiàng)創(chuàng)新。首先，他們創(chuàng)造了兩種新的皮托管模型，用五個(gè)孔代替兩個(gè)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(xué)家Iosif Shinder設(shè)計(jì)的探頭有兩種形狀：半球形和圓錐形。

科學(xué)家們還為他們的新傳感器開發(fā)了新的校準(zhǔn)方案，這種方案不需要技術(shù)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(zhǔn)，但在實(shí)際審核過程中使用時(shí)間要少得多。

當(dāng)NIST的研究人員分析這些數(shù)據(jù)時(shí)，他們得到的結(jié)果與在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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?yàn)槠ね泄艿目妆凰皖w粒物質(zhì)粘住，在測試?yán)^續(xù)之前必須沖洗干凈。