确定烃燃料的热值及相对密度的方法和用于该方法的仪器的制造方法
【专利摘要】公开了一种确定燃料的热值的方法，该燃料包含至少一种烃，所述至少一种烃包括以最高摩尔浓度存在的第一种烃，所述方法包括：测量该燃料的化学计量氧化的摩尔流量比;从该测量的化学计量氧化的摩尔流量比来确定理想的摩尔热值（HVm,i）;测量所述第一种烃的摩尔浓度；和从该理想的摩尔热值（HVm,i）和该第一种烃的摩尔浓度来确定实际的摩尔热值（HVm,r）。还公开了一种仪器。
【专利说明】确定烃燃料的热值及相对密度的方法和用于该方法的仪器
[0001]本申请是申请日为2008年10月24日，申请号为200880123483.7，发明名称为“确定烃燃料的热值及相对密度的方法和用于该方法的仪器”的中国专利申请(PCT/IB2008/003237)的分案申请。
[0002]本发明涉及确定烃燃料的热值及相对密度(或比重)的方法和仪器。这些值被用于定义烃燃料的能量含量和/或沃贝指数。
[0003]烃燃料的供应合同是根据气体的能量含量的按小时或按天的平均值的。相应地，燃料的能量含量的测量设备的设计人员最关心的一直是测量精度。今天最常用的用于测量燃料气体的能量含量的工业用测量设备是在线气相色谱仪(PGC)。该设备有时被称为“BTU分析仪”，特点是既有高精度也有长的分析时间，该分析时间是几分钟的量级，通常为3至5分钟。此外，该设备的建造、操作及维护复杂，需要多组分气体来校正。这些因素对既快捷准确又易于建造操作维护的、改进的测量燃料的能量含量的仪器提出了需求。
[0004]沃贝指数是一个计算值，用于提供不同燃料流特别是气态燃料的燃烧能量输出的比较。通过比较不同的燃料的沃贝指数，可以得到在燃烧期间它们的不同的能量输出的指示。因此，两种具有相近的沃贝指数的不同组成的燃料在给定的一组条件下燃烧时，将会提供相近的能源输出。
[0005]沃贝指数(WI)是由燃料的热值(HV)和燃料的相对密度(RD)来计算的，且由下式定义:
[0006]WI=HV/ V RD
[0007]沃贝指数在商业规模上被用于比较不同烃燃料特别是烃燃料气体的燃烧能量输出。因此，沃贝指数的准确测定对很多工业、最引人注目的是天然气产业是重要的。
[0008]对于在燃料燃烧设备特别是在气体燃烧设备中应用既快捷又准确的确定沃贝指数的仪器有特别的需要。这种需要是作为与燃烧设备的操作相关联的安全和环境问题的结果而产生的。这样的确定沃贝指数的改进的装置在燃料混合站中也会有大的作用，在燃料混合站中要求快的分析时间以减小在燃料供应系统中采用的缓冲管线的内部容积。
[0009]确定能量和/或沃贝指数的快速仪表是已知的。第一种类型是基于ASTM标准D-4891，题为“利用化学计量燃烧的天然气范围内的气体的热值的标准化测试方法”。D-4891关注的是确定在某一定组成范围内的气体的热值。该方法是根据在该标准中公开的天然气的热值与化学计量的气体氧化流量之间的线性关系。该燃料用氧气(或空气)燃烧，在出口测量该燃烧的温度或氧气(或空气)流量，以确定化学计量氧化的气体流量状况。公开在D- 4891中的该方法是快的，响应时间小于15秒，该方法是相对准确的，精度为约0.4%。该方法也具有的优点是它可以不需进行繁琐且耗时的重新校正而广泛应用于大范围的气体组成。然而，为了确定沃贝指数，D- 4891的方法必须与具有同级的精度和响应速度的测量燃料气体的密度的方法结合起来。
[0010]确定燃料的能量含量和/或沃贝指数的快速仪表的第二种类型被用于所谓的普通燃料气体的测量，该普通燃料气体即为烃开采和生产活动所产生的天然气。假设普通天然气的组成是由4种相关的组分组成:氮气(N2),二氧化碳(CO2),甲烷(CH4)和所谓的“等效烃(equivalent hydrocarbon) (CH)”。等效烃代表该气体的更高级的烃,假定主要由链烷烃构成。根据普适于一般气体的三分之一规则，连续高级烃的摩尔比为约1/3，即:例如，丙烷与乙烷的摩尔比为约1/3，气体中的丙烷与丁烷的摩尔比为约1/3，等等。这些特点让普通天然气利用该气体的三种独立的性质来表征，被称为“普通天然气的相关原则”。在三分之一规则的原理上运行的确定普通天然气的能量含量和/或沃贝指数的仪表被称为“关联仪表”，并应用3个独立的性质的测量。合适的独立的性质的例子包括气体的热值、气体的密度、在气体中的声速、气体的热容、气体的热导率和二氧化碳的浓度。这样的仪表的特点是结合了快速响应时间(通常小于15秒)和热值与气体密度二者的可以接受的测量精度(通常在0.5%之内)。然而，作为这些仪表操作所根据的原理特别是等效烃理论和三分之一规则的结果，它们的应用仅限于天然产生的气体燃料。关联仪表不能用于其它燃料气体，如已处理例如除去了丙烷和丁烷或混合了氮气的天然气及诸如沼气、炼厂气等其它燃料气体，因为这些燃料没有遵守三分之一规则的组成。
[0011]因此，有对于结合了快的响应速度和高精确度、确定宽范围的燃料而不仅仅是天然气的沃贝指数的仪器的需要。如果这种装置能够易于建造和操作、需要极少或根本不需要校正或维修，那也将是有利的。
[0012]在第一个方面，本发明提供了一种确定燃料的热值的方法，所述燃料包含至少一种烃，所述至少一种烃包括以最高摩尔浓度存在的第一种烃，所述方法包括:
[0013]测量该燃料的化学计量氧化的摩尔流量比；
[0014]从该测量的化学计量氧化的摩尔流量比来确定理想的摩尔热值(HVnu);
[0015]测量所述第一种烃的摩尔浓度；和
[0016]从该理想的摩尔热值(HVnu)和该第一种烃的摩尔浓度来确定实际的摩尔热值(HVm’r)。
[0017]理想的摩尔热值(HVnu)与氧气(或空气)/燃料化学计量比成线形关系，HVnu可以用已知的方式从该线性关系来确定。然而，人们发现，实际的摩尔热值(HVm-)偏离HVnu相当大的量。这进而又将利用已知技术确定该HVm，r的精度限制在±0.40%左右。因此，基于HVnu的燃料燃烧设备的操作等操作将会不准确，导致燃料未有效使用。在本发明的第一方面的方法中，从HVni, i结合根据该燃料的烃组成的校正来确定已经发现，以这种方式，有可能对宽范围的天然气将HVm，i确定至高达±0.05 %的精度上，对宽范围的液化石油气(LPG)燃料将HVnu确定至高达±0.10%的精度上。
[0018]本发明的方法可应用于多种烃类燃料，包括气态燃料和液体燃料，尽管燃料燃料在注射入测量设备前要气化。在实践中，对烃燃料的热值及沃贝指数的测量将受限于燃料的沸点和粘度。这意味着，该方法的实际使用仅限于在原油的取暖用油蒸馏馏分之下(沸点在200-350°C之间，烃链的长度为C15-C18X更高的原油衍生的烃馏分，例如润滑油、浙青和残留物，很少用作加热或燃烧应用的燃料。在实践中，由于需要气化烃，在技术上将难以使用本发明的方法测量它们的热值和沃贝指数。因此，本发明的方法一般更适用于带有分馏产物例如液化石油气(LPG)的在较轻的原油馏分中的液体燃料(有时称为A类)、汽油和诸如柴油、煤油、喷气燃料和取暖用油等轻燃料油。
[0019]本发明的这一方面的方法特别适用于确定气态燃料的摩尔热值。该方法的优点是，它可应用于多种气态燃料组合物，包括普通天然气和其它的燃料气体，如炼厂气、处理的天然气、合成天然气(SNG)和沼气等。换句话说，本发明的方法可应用于普通燃料和非普通燃料即不遵守三分之一规则的燃料。
[0020]如上所述，本发明的方法要求识别所述第一种烃组分，其是以最高的摩尔浓度存在于燃料中的烃组分，还要求测量其浓度。还如所指出的，在普通天然气或处理的天然气的情况下，该组分是甲烷。在世界范围内商业分布的天然气的摩尔组成普遍在如下的范围内
变化:
[0021]
【权利要求】
1.一种确定燃料氧化的化学计量摩尔流量比的仪器，其包括惰性材料的基材，在所述基材中已经形成了: 用于燃料的第一入口； 用于氧气(或空气)的第二入口 ； 用于反应后的流体的出口 ；和 多个反应器组件，每一个反应器组件包括: 腔； 在所述腔和第一入口之间延伸以将燃料输送到所述腔的第一管道； 在所述腔和第二入口之间延伸以将氧气(或空气)输送到所述腔的第二管道； 在所述腔和出口之间延伸的出口管道；和 用于测量在所述氧化腔的内部反应的流体的温度的温度传感器，或用于测量在所述氧化腔的出口处的氧气(或空气)的浓度的传感器； 其中每一个反应器组件被设置为以不同的预定的摩尔比向所述腔提供燃料和氧气(或空气)。
2.根据权利要 求1的仪器，其中所述仪器是MEMS设备。
3.根据权利要求1或2的仪器，其包括并行配置的至少4个、更优选至少10个反应器组件。
4.根据权利要求1至3中的任意一项的仪器，还包括用于测量燃料中的第一种烃的浓度的装置。
5.根据权利要求1至4中的任意一项的仪器，还包括用于测量在所述燃料中的声速的>j-U ρ?α装直。
6.一种确定燃料氧化的化学计量摩尔流量比的方法，该方法包括: 一提供多个反应器组件，每一个反应器组件包括: 氧化腔； 将燃料输送到所述腔的第一管道；和 将氧气(或空气)输送到所述腔的第二管道； 其中每一个反应器组件被设置为以不同的预定的摩尔比向所述腔提供燃料和氧气(或空气)； 一将燃料提供给每一个反应器组件的第一管道； 一将氧气(或空气)提供给每一个反应器组件的第二管道； 一用内部孔口控制在每一个管道中的流体的摩尔流量； 一使所述燃料的氧化在每一个腔中发生； 一测量在每一个腔中的氧化温度或在所述腔的出口处的氧气(或空气)的浓度；和 一从测量的温度和预定的摩尔流量比来确定化学计量氧化的摩尔流量比。
7.根据权利要求6的方法，包括提供至少4个并行的反应器组件，更优选至少10个并行的反应器组件。
8.根据权利要求6或7的方法，还包括测量第一种烃的浓度。
9.根据权利要求6至8中的任意一项的方法，还包括测量在所述燃料中的声速。
【文档编号】G01N9/00GK103822941SQ201410074349
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2008年10月24日 优先权日:2007年10月31日
【发明者】J·拜茨, F·J·J·惠杰斯曼斯 申请人:阿努比兹私人有限公司