用于测定气体的硅氧烷含量的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于测定气体的硅氧烷含量的方法和装置 发明领域
[0001] 本发明涉及一种用于通过非分散红外分析测量气体的硅氧烷含量的方法和装置。
[0002] 发明背景
[0003] 沼气是一种重要的可再生能源的来源。沼气可以从有机物质通过消化例如在废水 处理厂、废物处理厂、以及农业现场厌氧厂生产。它还可以从填埋场收集。因此，术语"沼气" 在本文件中作为常见术语使用来指"沼气"、"填埋气体"、"消化池气体"等中的任一项。沼气 的主要组分是甲烷CH 4和二氧化碳C02,并且它典型地还包含少量的硫化氢H2S、水分、和硅氧 烷作为杂质。使用沼气作为能源是基于其组分的能量释放燃烧。沼气典型地被用作气体发 动机、气体涡轮机、微型涡轮机、和产生电的燃料电池中的燃料。它还可以被燃烧以产生热 量。
[0004] 硅氧烷是半挥发性的有机硅化合物，它们被用在许多工业应用中和消费品中，如 化妆品和润滑剂。由于它们的广泛使用的结果，大量的硅氧烷最终到了填埋场和下水道，在 这里它们挥发成填埋气体或消化池气体。沼气中的硅氧烷通常是有机硅化合物。硅氧烷是 在有机硅化学中具有Si-O-Si键的一个官能团。
[0005] 对在废物管理和污水处理中生产沼气和可再生能源的日益增加的兴趣已经引起 了对沼气中硅氧烷的存在的显著关注。硅氧烷作为气态化合物就其本身而言不是反应性的 或腐蚀性的，但它们在其中使用沼气的设备的各个表面上形成作为沉积物的硬质、磨料二 氧化硅。此类沉积物还充当一种热和电绝缘体。这种沉积物可能在沼气利用设备中造成严 重的损害，例如结垢、腐蚀和较低的能量输出。
[0006] 表1列出了在消化池气体中最常见出现的一些硅氧烷。基于它们的分子结构，硅氧 烷通常被分成直链(用"L"表示)和环状(用"D"表示）的硅氧烷。沼气的硅氧烷浓度总体上是 在0-50mg/m 3的范围内，典型地低于10mg/m3。
[0007] 表1 ·
[0009]根据文献，填埋气体中最常见的硅氧烷是03、04、05丄2和1^3。除了硅氧烷之外，填 埋气体还含有相对大浓度的硅醇。
[0010] 为了减少硅氧烷的上述有害影响，沼气的硅氧烷含量应被保持或使得尽可能低。 例如，沼气生产厂典型地包括沼气纯化系统，在其中通过使用各种方法将有害的硅氧烷从 沼气中除去。因此，例如在气体发动机中使用沼气作为燃料之前降低了硅氧烷含量。然而， 沼气的硅氧烷含量可以在不同位置处并且甚至在不同时段期间在同一位置处变化。因此， 将需要在纯化系统之前和/或之后连续监测硅氧烷含量以便当它的清洁效果改变或有待清 洁的气体的硅氧烷含量改变时优化硅氧烷去除设备的操作。
[0011] 将沼气注入到天然气管道中是要求可靠的硅氧烷含量监测的应用的另一个实例。 对于待注入天然气管道中的沼气的质量设定了严格的要求，从而使准确测定沼气中的硅氧 烧含量成为必需。
[0012] 在其中需要硅氧烷监测的塑料制造和半导体生产工业中尤其是在控制洁净室中 的空气质量时也认识到监测气体中的硅氧烷的需要。
[0013] 传统上，沼气中的硅氧烷含量是通过取得气体样品离线测定的，这是在实验室进 行分析的。在取样和实验室分析中所用的方法是缓慢且费力的，并且存在与取样和储存相 关联的损失的危险。现今使用的方法不允许现场监测和直接监测工艺设备。最常见的分析 方法是基于气相色谱法和质谱法(GC/MS)的组合。当有待分析的气体的硅氧烷含量低至 0. l-5ppm时，对分析方法具有高要求。
[0014]存在光谱分析方法，这些方法是基于确定样品的整个IR光谱并且允许对沼气的组 成的综合分析。通过基于例如FTIR(傅里叶变换红外)光谱法的多组分分析器，原则上有可 能测定所有显著气体组分的浓度。然而，FTIR分析器是非常昂贵且复杂的装置。此外，其用 作在线测量装置和测量结果的评估需要长期经验。
[0015] US 2010/0223015 Al披露了一种用于通过FTIR光谱法监测沼气中的硅氧烷化合 物的方法。基于第一光谱测量和第二光谱测量的比率产生第一吸收光谱。该第一光谱测量 是来自在感兴趣的指定波长范围内基本上不具有红外吸收的一种非吸收性气体。该第二光 谱测量是来自一种包含沼气的样品气体。该方法还包括以下步骤:至少基于已知浓度的至 少一种硅氧烷化合物的一个第一单独的吸收光谱使用第二吸收光谱计算沼气中该至少一 种硅氧烷化合物的浓度。该测量设备是复杂且昂贵的。
[0016] 作为一种更简单且低成本的方法，JP 2006098387 A披露了一种用于通过NDIR(非 分散红外)技术测量气体的硅氧烷含量的分析器。该分析器包括一个宽带IR源和一个滤光 器，该滤光器将与有待分析的样品气体和参考气体相互作用的光限制在1250-770(3!!^的波 数范围。不同的硅氧烷在此波数范围内具有它们的吸光度最大值，使得可以在检测到的吸 收的基础上确定样品气体中硅氧烷的存在。然而，在此波数范围内测量结果还受沼气的许 多其他组分，如水分、二氧化碳、甲烷等的影响，这些其他组分的浓度比硅氧烷的浓度高多 个数量级。因此，需要特定措施来消除干扰气体组分的影响。这使得分析器变复杂并且测量 结果的解释变为挑战性的。例如，需要除湿器或湿度分析器来消除水分对测量的影响。在分 析器中使用了一种特定的检测器系统，它检测在1250-770〇1^的所述波数范围内的光。
[0017] 总而言之，市场上对于使能够以合理的成本实现气体中，特别是沼气中的硅氧烷 含量的可靠的、在线分析的技术存在持续需要。
[0018] 发明目的
[0019] 本发明的目的是提供一种用于成本有效且简单地测定气体的硅氧烷含量的方法 和装置。
[0020] 概述
[0021] 本发明的方法和装置的特征在于分别在权利要求1和11中呈现的。
[0022] 根据一个方法方面，本发明集中于一种用于通过非分散红外分析测定气体的硅氧 烷含量的方法。通过硅氧烷含量在此意思是有待分析的气体中存在的一种或多种硅氧烷的 浓度。在一些应用中，足以测定总硅氧烷含量，包括讨论的气体中存在的所有硅氧烷类型的 总浓度。在一些其他应用中，可以测定其不同硅氧烷类型的组的含量。有待通过该方法分析 的气体可以是沼气。在另一方面，该方法也可以用于例如分析半导体工业中洁净室空气的 硅氧烷含量。
[0023] 通过非分散红外(NDIR)分析是指基于使用在有待测定的化合物的吸收光谱的基 础上选择的在窄波数(或波长）带处的光的吸收的一种特定的、简单且成本有效的光谱技 术。NDIR光谱法因此不同于以下二者:分散技术，其中将宽带光分散为单独的波长分量，每 一个波长分量分别进行分析，和例如FTIR(傅里叶变换红外)光谱法，基于使用干涉仪和所 测量的原始数据的复杂计算。
[0024] 本发明的方法包括以下步骤:提供在根据这些硅氧烷的吸收带选择的限定波数带 处的红外光;使在该限定波数带处的红外光透射至一定体积的有待分析的气体;检测穿过 该有待分析的气体的在该限定波数带处的红外光的强度;并且基于在该限定波数带处的红 外光的吸收测定硅氧烷含量。
[0025]因此，该方法的基本原理总体上是在NDIR分析领域中已知的：红外光透射穿过有 待分析的气体，并且检测其在对应于硅氧烷的吸收带的限定波数带处的强度。强度的减少 然后用作该有待分析的气体中的硅氧烷的存在的指示。
[0026]根据本发明，该限定波数带位于800至δθΟαιΓ1的范围内。通过位于所述范围内在此 意思是在该限定波数带内的红外光的最大强度位于此范围内，并且在该方法中使用的红外 光的能量集中在所述波数范围内，使得没有显著量的在该方法中使用的光能位于此范围之 外。例如，当考虑在所述限定波数带处的红外光的强度谱时，强度等于或超过最大强度值的 一半的波数优选位于所述800至δθΟαιΓ 1的范围内。
[0027] 将在硅氧烷测定中使用的红外光限制在所述范围提供了极大的优点，在于可以强 烈地降低该方法对有待分析的气体(例如沼气）中存在的其他化合物的灵敏度。例如在JP 2006098387 A的宽带工艺中影响硅氧烷测定的