NIST使用新型传感器测量废气排放

内置传感器持续监控燃煤电厂的烟气浓度

据麦姆斯咨询报道，燃煤电厂每年都需要进行烟囱排放测试，而这个测试过程异常耗时。为了加速这一过程，美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)的研究人员近日完成了首次关于测量燃煤电厂烟囱排放的潜在改进方法在真实场景的测试。该过程使用新型传感器探头来测量废气流量排放以及新的测量方法，有望将现场审核速度提高10倍。

NIST的Joey Boyd(左)和Aaron Johnson在一家电厂对新型烟气传感器进行测试

作为电力研究所(Electric Power Research Institute，EPRI)合作研发协议(cooperative research and development agreement，CRADA)的一员，NIST开展了这项工作。EPRI是一家独立的非营利组织，其成员包括电力公司、企业和政府机构。

为了监测燃煤电厂的废气排放，技术人员需要测量烟囱排放烟气的速率。烟囱内的气流包含涡流和漩涡，但通常是向上流动的。NIST的试验是将四个探头(又称为皮托管)水平插入烟囱内。

四个传感器探头分别在四个不同的位置进行流量测量，总共进行16次。有了这些测量信息，NIST的科学家们就可以对新的皮托管设计和测量方法的精度和准确度进行测试。

EPRI的项目经理Tom Martz在一份声明中说道：“燃煤发电厂商们完全可以从当前NIST的工作中受益，因为它可以通过改进标准和技术来更准确地测量大规模排放，增加了所有电厂基于统一标准进行报告的信心。”他还补充道，关于是否可以节约测量时间“目前我们无法准确量化，但这将是未来工作的关键指标之一。”

EPRI的研究人员认为美国环保局(U.S. Environmental Protection Agency，EPA)有朝一日会制定新的烟囱排放审核标准。“我们的目标是将我们的研究成果作为EPA的标准。”Johnson说道，“但是否愿意使用它仍取决于行业成员们。”

燃煤电厂的烟囱装有监测器，可持续测量烟气排放物的浓度，包括二氧化碳、汞、二氧化硫和氮氧化物，以及烟气的流速。根据联邦法律，内置流量传感器需要在年度审核期间进行校准。

这种校准是通过将称为皮托管的小型便携式设备插入烟囱中来完成的。这项工作中最常用的传感器是“S型探头”，它有两个孔或端口。一个孔直接面对气流，检测管道内积聚的压力。另一个孔则面向相反的方向。流速越快，两个孔之间的压差就越高，通过测量这其中的压差，审核员就能够计算流速。

使用传统的S型探头太费人力，因为技术人员必须手动旋转传感器，直到一侧直接面对气流进行测量。因为烟道气流不一定在测试点直接向上流动，因此现场年度审核可能需要一天甚至更长时间才能完成。

为加快这一进程，NIST的科学家们进行了三项创新。首先，他们创造了两种新的皮托管模型，用五个孔代替两个孔，比S型探头性能更好，可能比目前使用的其它五孔皮托管模型更有优势。

NIST的物理学家Iosif Shinder设计的探头有两种形状：半球形和圆锥形。

科学家们还为他们的新传感器开发了新的校准方案，这种方案不需要技术人员在烟囱内旋转探头来找到每次测量的真正流向。因此，虽然传感器在使用前需要校准，但在实际审核过程中使用时间要少得多。

当NIST的研究人员分析这些数据时，他们得到的结果与在实验室发现的结果误差在2%以内。

“探头在烟囱中的表现和在NIST的测试实验环境中一样好。”Johnson说。

未来的现场测试将有助于研究人员解决他们目前面临的最大问题：传感器堵塞，因为皮托管的孔被水和颗粒物质粘住，在测试继续之前必须冲洗干净。