[發明專利]火焰離子化檢測器以及內燃機、發電站和燃燒器噴嘴

在審

• 申請號: 201611124533.6
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN106872555A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: J·利珀特-格里森;M·格勞登茲;P·卡佩克;P·沙斯托克;S·菲利普
• 申請（專利權）人: ABB瑞士股份有限公司
• 主分類號: G01N27/62
• 分類號: G01N27/62
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所11256
• 代理人: 鄭立柱

技術領域

本發明涉及一種火焰離子化檢測器，包括：燃燒室，該燃燒室具有電極裝置，用于測量從氣體火焰到電極裝置的電極的離子電流；燃燒器噴嘴，該燃燒器噴嘴具有輸出側的至少一個嘴和輸入側的至少一個輸入端，該至少一個嘴用于在電極裝置之間噴出待點燃的氣體混合物，該至少一個輸入端用于將含氫的燃燒氣體和含碳的測量氣體經過傳輸通道輸送到嘴；以及用于將含氧的燃燒氣體輸送到燃燒室內的部件。此外本發明還涉及一種內燃機以及發電站和相應的燃燒器噴嘴。

背景技術

本發明的應用領域延伸至過程控制，其中測量和監測氣體中的有機化合物如碳氫化合物，例如通過燃燒化石燃料制造氣體或者測量排放。通常已知的現有技術為此設置火焰離子化檢測器(FID)，其中在氣體火焰中電離含碳的分子并且通過測量電流流量來驗證。

為了產生足夠熱地燃燒以致電離分子的火焰，需要氫氣火焰。所謂的燃用空氣供應所需的氧氣。碳氫化合物通過待測量的測量氣體被混合并且通過燃燒器噴嘴被輸送到燃燒室內。在燃燒器噴嘴的燃燒器尖端上方，氫氣與氧氣燃燒成水。所包含的碳氫化合物同樣燃燒，并且除了形成水外還形成二氧化碳。

在火焰中產生溫度為1000-1500℃的區域，其中產生經電離的中間產物，如CHO+離子。在這些離子能夠完全轉化成CO₂和H₂O之前，通過施加的電場將這些離子從火焰中吸出。帶正電的CHO+離子通過陰極導出并因此產生電流，該電流由放大器采集。

為了產生CHO+離子，在火焰中需要氧和氫原子，其結合在碳原子上。如果提高測量氣體中的氧氣濃度，則有更多的氧原子可供用于反應，由此使C-H鍵的轉換率升高，但是同時保持碳氫化合物的數量不變。氧氣交叉靈敏度是FID已知的缺點。

為了減小氧氣交叉靈敏度的問題，不是在燃燒器噴嘴的輸入側將燃用空氣與燃燒氣體和測量氣體混合，而是在燃燒氣體之前單獨地將燃用空氣輸入到燃燒室內。于是氧氣必須從外部向火焰內擴散(擴散火焰)。

除了交叉靈敏度外，FID取決于材料的敏感度是根本原因。每個測量氣體分子的C-H鍵的數量提高所測量的電流強度。例如每個碳原子具有四個H鍵的甲烷提供比每個碳原子具有最多三個H鍵的丙烷更高的電離概率。取決于材料的轉換比是FID最重要的測量技術特征且被稱為響應因子。

由DE 203 20 336 U1已知一種FID，其中使用具有兩個或者更多個孔的燃燒器噴嘴。由此產生多個火焰，這些火焰在必要時合并成一個具有擴大的表面積的大火焰，通過該擴大的表面積能夠使更多的氧氣擴散到火焰中，以此意在降低氧氣誤差。

原則上，對FID的研發和優化由于多個影響量是復雜的。因此，雖然FID如所述地能夠在低氧氣誤差方面優化，但是這通常相互地造成其他測量技術上的特征惡化。原因在于，在具有擴散火焰的FID中，在低氫氣量及低燃用空氣量或者低燃用空氣壓力情況下，才實現低氧氣誤差。在此，火焰下降且變得更寬，這造成金屬的燃燒器尖端變熱。火焰形狀的改變導致改變的響應因子。因此，當火焰變得更寬時，對甲烷重要的響應因子正好急劇增大。隨著燃燒器尖端上的火焰降低，其他碳氫化合物的轉化率變得越來越好，因為金屬的燃燒器尖端變得越來越熱。然而，可能明顯是優點的地方馬上會變為缺點，因為轉化率由于非線性特性非常快地變大，使得其被過度補償。從一個閾值開始，即使小的改變也會造成響應因子超過30％的強烈變化。因為對響應因子來說不僅在靜態排放測量設備的而且在汽車工業的廢氣測量設備的FID的許可中設置有嚴格的限制，所以如果響應因子改變超過5-10％則會超過各自允許的限制值。

另一個問題在于燃燒室內的燃燒器尖端和電極取決于溫度的磨損。靈敏度也在龐大的火焰中更低，因為在火焰的中心產生的離子在火焰變得更大時相對更少地有助于所測量的電流流量。

發明內容

本發明的任務是，實現一種FID，其中以盡可能少的耗費減少上述FID的問題，尤其是交叉靈敏度和響應因子的影響。

本發明包括以下技術教導，即在燃燒器噴嘴中設置至少一個缺口，通過該缺口能夠使來自燃燒室的燃用空氣擴散到從嘴中漏出的氣體混合物中。

也就是說，在本發明中，燃燒器噴嘴設置有缺口，例如設置有槽或者入孔。該缺口布置為，使得一部分燃用空氣被輸送到燃燒氣體中。由此，燃用空氣在到達火焰之前就已經通過缺口到達由燃燒氣體和測量氣體組成的混合物中，因此改進了用于火焰的氧氣傳輸。

這帶來多個優點：