NL1021946C2 - Measuring nitrogen oxide emissions from industrial installations, by measuring nitrogen oxide and oxygen concentration - Google Patents

Abstract

A sensor is used to measure the concentration of nitrogen oxide and oxygen in the fume flow, the oxygen concentration is used to determine fume volume output and the latter is combined with the nitrogen oxide concentration to determine nitrogen oxide loading. A method for recording the amount of nitrogen oxide (NOx) emitted from industrial installations comprises placing at least one sensor in the fume flow in order to measure a NOx concentration and an oxygen concentration, using the latter to determine the fume volume output and using the latter and nitrogen oxide concentration to determine the NOx loading.

Description

Titel: Registreren van industriële NOx-uitstootTitle: Registration of industrial NOx emissions

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het registreren van NOx-uitstoot door stationaire installaties.The invention relates to a method for registering NOx emissions from stationary installations.

Teneinde emissies van schadelijke stoffen door industrieën beter te kunnen reguleren (met als doel deze uiteindelijk te verminderen) is er trend 5 waarneembaar om zgn. emissiehandel op te zetten. Een dergelijk handelssysteem bestaat bijvoorbeeld reeds voor C02-emissies. Ook voor de emissie van NOx bestaan dergelijke systemen of zijn deze systemen in de maak.In order to be able to better regulate emissions of harmful substances by industries (with the aim of ultimately reducing them), trend 5 can be observed to set up emissions trading. Such a trading system already exists for CO2 emissions, for example. Such systems also exist or are in the making for NOx emissions.

Het meten van NOx-uitstoot vindt reeds plaats en wordt met name 10 uitgevoerd voor het controleren op overschrijding van (wettelijke) concentratie-eisen. De huidige systemen zijn gebaseerd op metingen met apparatuur die werkt op basis van chemiluminescentie of infrarood. Dergelijke apparatuur is vrij kostbaar. Bovendien is het met behulp van dergelijke apparatuur uitsluitend mogehjk om concentraties te bepalen.The measurement of NOx emissions is already taking place and is in particular carried out for checking for exceeding (legal) concentration requirements. Current systems are based on measurements with equipment that works on the basis of chemiluminescence or infrared. Such equipment is quite expensive. Moreover, with the help of such equipment it is only possible to determine concentrations.

15 Teneinde deze concentratie om te werken naar een vracht (uitgedrukt in een hoeveelheid - bijvoorbeeld kg- per tijdseenheid), hetgeen noodzakelijk is om een emissiehandelssysteem te kunnen opzetten, zijn aanvullende bepalingen van het volumedebiet van de betreffende afgasstromen noodzakelijk. Het bepalen van volumedebieten is doorgaans gecompliceerd, 20 met name indien het om industriële afgasstromen gaat, die omvangrijk zijn. Dergelijke metingen zijn derhalve omslachtig en worden gekenmerkt door een onnauwkeurigheid. Een ander nadeel van de gebruikelijke op chemiluminescentie of infrarood gebaseerde meetapparaten is, dat dergelijke apparaten een grote afmeting hebben. Bovendien vereisen 25 dergelijke apparaten de inname van een monsterstroom, waardoor speciale leidingen en dergelijke dienen te worden aangelegd om metingen aan de industriële afgasstromen te kunnen verrichten. Een ander nadeel van dergelijke apparatuur is, dat deze regelmatig gecalibreerd moet worden, Λ Λ o λ λ λ ι I teneinde een betrouwbare concentratie te kunnen bepalen. Bij I chemiluminescentiemetingen is daarnaast nog een verbruiksgas benodigd.In order to convert this concentration to a load (expressed in a quantity - for example kg - per unit of time), which is necessary to set up an emissions trading system, additional determinations of the volume flow of the relevant waste gas flows are necessary. Determining volume flows is generally complicated, in particular if it concerns industrial waste gas flows that are large. Such measurements are therefore cumbersome and are characterized by an inaccuracy. Another drawback of the conventional chemiluminescence or infrared-based measuring devices is that such devices have a large size. Moreover, such devices require the intake of a sample stream, whereby special lines and the like have to be laid in order to be able to take measurements on the industrial waste gas streams. Another disadvantage of such equipment is that it must be regularly calibrated in order to determine a reliable concentration. In addition, I consumption gas is required for I chemiluminescence measurements.

I De onderhavige uitvinding beoogt een werkwijze te verschaffen I voor het registreren van NOx-uitstoot, in het bijzonder NOx-vracht, welke I 5 bovengenoemde nadelen althans gedeeltelijk opheft. Gevonden is, dat dit I kan worden verwezenlijkt door met behulp van een of meer geschikte I sensoren de zuurstofconcentratie en de NOx-concentratie van het I industriële afgas te meten. Derhalve betreft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het registreren van de hoeveelheid uitstoot van I 10 stikstofoxiden (NOx) in afgassen van industriële installaties, waarbij men in I de afgasstroom ten minste één sensor aanbrengt, zodanig, dat een NOx- I concentratie en een zuurstofconcentratie bepaald kan worden, waarbij uit I genoemde zuurstofconcentratie, samen met het brandstofverbruik,het I volumedebiet van genoemde afgasstroom wordt bepaald, en waarbij uit 15 genoemde NOx-concentratie en genoemd volumedebiet de NOx-vracht wordt bepaald.The present invention has for its object to provide a method for registering NOx emissions, in particular NOx cargo, which at least partially overcomes the above-mentioned disadvantages. It has been found that this I can be achieved by measuring the oxygen concentration and the NOx concentration of the industrial waste gas by means of one or more suitable I sensors. The present invention therefore relates to a method for recording the amount of emission of nitrogen oxides (NOx) in waste gases from industrial installations, wherein at least one sensor is applied in I the waste gas flow such that an NOx concentration and an oxygen concentration can be determined, wherein from I said oxygen concentration, together with the fuel consumption, the I volume flow of said waste gas stream is determined, and wherein the NOx load is determined from said NOx concentration and said volume flow.

I De concentraties NOx en zuurstof worden bepaald door de respectieve signalen die de sensor afgeeft (doorgaans in de vorm van een I elektrische stroom of een elektrische spanning) té meten en deze signalen op 20 basis van eerder uitgevoerde calibraties vervolgens om te rekenen naar de I repectieve concentraties. Door het bepalen van de zuurstofconcentratie kan I men een goede schatting krijgen van het volumedebiet. Indien bijvoorbeeld I het afgas afkomstig is van een verbrandingstap waarin koolwaterstoffen I van bekende samenstelling (in het bijzonder H/C-verhouding) en I 25 hoeveelheid worden verbrand, volgt onder de aanname van volledige I verbranding (tot CO2 en H2O) de geproduceerde hoeveelheid afgas. De I aanname van volledige verbranding is in vrijwel alle praktische toepassingen gerechtvaardigd.The concentrations of NOx and oxygen are determined by measuring the respective signals emitted by the sensor (usually in the form of an I electric current or an electric voltage) and subsequently converting these signals to the I on the basis of previously performed calibrations. representative concentrations. By determining the oxygen concentration one can get a good estimate of the volume flow. For example, if I the off-gas comes from a combustion step in which hydrocarbons I of known composition (in particular H / C ratio) and amount are burned, assuming full I combustion (to CO2 and H2O) follows the amount produced waste gas. The assumption of complete incineration is justified in almost all practical applications.

Geschikte sensoren voor toepassing in de werkwijze volgens de 30 uitvinding zijn op zich bekend en worden vooralsnog uitsluitend toegepast 3 in de automobielindustrie. Zeer geschikt zijn keramische sensoren die volgens een defectmechanisme werken. Voorbeelden hiervan zijn de Siemens-NGK Smart NOx-sensor™, alsmede de sensoren beschreven in US-A-6 303 011 en US-A-6 134 883. Ook kunnen zgn. microchipsensoren 5 worden toegepast.Suitable sensors for use in the method according to the invention are known per se and are currently only used in the automotive industry. Ceramic sensors that work according to a defect mechanism are very suitable. Examples of this are the Siemens-NGK Smart NOx sensor ™, as well as the sensors described in US-A-6 303 011 and US-A-6 134 883. So-called microchip sensors 5 can also be used.

Omdat volgens de uitvinding sensoren worden toegepast in plaats van de conventionele meetapparaten, is het niet nodig om een monsterstroom uit het afgas af te tappen. De sensoren kunnen direct in de gasstroom worden geplaatst, hetgeen een snelle respons waarborgt (zgn.Because sensors are used in accordance with the invention instead of the conventional measuring devices, it is not necessary to drain a sample stream from the off-gas. The sensors can be placed directly in the gas flow, which guarantees a rapid response (so-called

10 non-sampling of niet extractieve methode methode).10 non-sampling or non-extractive method method).

Doordat volgens de uitvinding continu of althans met een grote frequentie (bijvoorbeeld groter dan 1 maal per uur) een bepaling kan worden gedaan, worden representatieve waarden voor de NOx-vracht verkregen. Weliswaar is de nauwkeurigheid van deze sensoren doorgaans niet zo hoog 15 als die van de conventionele op IR of chemiluminescentie gebaseerde meetapparaten, maar dit weegt ruimschoots op tegen de verbeterde representativiteit, bij een gelijk kostenniveau, van de metingen.Because according to the invention a determination can be made continuously or at least with a large frequency (for example greater than 1 time per hour), representative values for the NOx load are obtained. Although the accuracy of these sensors is generally not as high as that of the conventional measuring devices based on IR or chemiluminescence, this far outweighs the improved representativeness, with an equal cost level, of the measurements.

Een ander belangrijk voordeel van de toepassing van sensoren volgens de uitvinding, is dat deze relatief goedkoop zijn, vergeleken met 20 meetmethoden gebaseerd op conventionele op IR of chemiluminescentie gebaseerde meetapparaten. Daarnaast zijn de bedoelde sensoren robuust, hebben weinig onderhoud nodig, zijn weinig storingsgevoelig, hebben weinig last van drift en is er geen rookgasbehandeling (voor het zuiveren van het gas alvorens een meting te kunnen doen) nodig. Hierdoor zijn de 25 investeringen en onderhoudskosten voor een NOx-registratiesysteem relatief laag, hetgeen van belang is voor een brede invoering ervan. Monitoring van NOx-concentraties volgens de stand van de techniek vergt een investering van ca. EUR 50 000,=. Volgens de uitvinding kan dit een factor tien lager zijn.Another important advantage of the use of sensors according to the invention is that they are relatively inexpensive, compared to measuring methods based on conventional measuring devices based on IR or chemiluminescence. In addition, the intended sensors are robust, require little maintenance, are not susceptible to malfunction, are not troubled by drift and no flue gas treatment (for purifying the gas before being able to take a measurement) is required. As a result, the investments and maintenance costs for a NOx registration system are relatively low, which is important for a broad implementation thereof. Monitoring of NOx concentrations according to the state of the art requires an investment of approximately EUR 50,000. According to the invention this can be a factor of ten lower.

1 n?1QAR1 n? 1QAR

44

De volgens de uitvinding gemeten NOx-concentratie kan worden gekoppeld aan een vermogens- of koppelmeting, waardoor tevens de hoeveelheid NOx (bijvoorbeeld uitgedrukt in g) per geleverde eenheid van energie worden bepaald en worden vergeleken met de prestatienorm.The NOx concentration measured according to the invention can be coupled to a power or torque measurement, whereby the amount of NOx (for example expressed in g) per unit of energy supplied is also determined and compared with the performance standard.

5 De uitvinding zal thans worden toegelicht aan de hand van Fig.l.The invention will now be explained with reference to Fig.

In deze figuur wordt een NOx-bevattende afgasstroom volgens de uitvinding in contact gebracht met een sensor bij (1). De sensor geeft een signaal (4) af, dat overeenkomt met een NOx-concentratie (7). Tevens wordt een zuurstofgehaltebepaling van de afgasstroom gedaan bij (2), resulterend in 10 een zuurstofconcentratiesignaal (5). Het brandstofdebiet (3) wordt eveneens gemeten, resulterend in een brandstofdebietsignaal (6). Signalen (5) en (6) worden gecombineerd bij (8) en een afgasdebiet, Φ, wordt bepaald. Bij (9) wordt de NOx-vracht bepaald door het product van Φ en de NOx-concentratie te nemen. Deze vracht wordt vervolgens geregistreerd, 15 bijvoorbeeld op een computersysteem, bij (10).In this figure, an NOx-containing waste gas stream according to the invention is brought into contact with a sensor at (1). The sensor emits a signal (4) that corresponds to an NOx concentration (7). An oxygen content determination of the waste gas stream is also done at (2), resulting in an oxygen concentration signal (5). The fuel flow rate (3) is also measured, resulting in a fuel flow rate signal (6). Signals (5) and (6) are combined at (8) and an off-gas flow rate, Φ, is determined. At (9) the NOx load is determined by taking the product of Φ and the NOx concentration. This load is then registered, for example on a computer system, at (10).

Claims (5)

1. Werkwijze voor het registreren van de hoeveelheid uitstoot van stikstofoxiden (NOx) in afgassen van industriële installaties, waarbij men in de afgasstroom ten minste één sensor aanbrengt, zodanig, dat een NOx-concentratie en een zuurstofconcentratie bepaald worden, waarbij mede uit 5 genoemde zuurstofconcentratie het volumedebiet van genoemde afgasstroom wordt bepaald, en waarbij uit genoemde NOx-concentratie en genoemd volumedebiet de NOx-vracht wordt bepaald.A method for recording the amount of nitrogen oxides (NOx) emissions in waste gases from industrial installations, wherein at least one sensor is installed in the waste gas stream, such that an NOx concentration and an oxygen concentration are determined, also including those mentioned in 5 oxygen concentration, the volume rate of said waste gas stream is determined, and wherein the NOx load is determined from said NOx concentration and said volume rate. 2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij één sensor wordt toegepast, welke zowel de NOx-concentratie als de zuurstofconcentratie meet.The method of claim 1, wherein one sensor is used which measures both the NO x concentration and the oxygen concentration. 3. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij genoemde sensor een keramische sensor die werkt volgens een zuurstofdefectmechanisme is.A method according to any one of the preceding claims, wherein said sensor is a ceramic sensor that operates according to an oxygen defect mechanism. 4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij genoemde bepalingen van NOx- en zuurstofconcentraties continu of met 15 regelmatige tussenposen worden uitgevoerd.4. A method according to any one of the preceding claims, wherein said determinations of NOx and oxygen concentrations are carried out continuously or at regular intervals. 5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij genoemde sensor een sensor is die volgens een defectmechanisme werkt. 1 021948.A method according to any one of the preceding claims, wherein said sensor is a sensor that operates according to a defect mechanism. 1 021948.