CN112414791B

CN112414791B - 一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置及方法

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Publication number: CN112414791B
Application number: CN202011053516.4A
Authority: CN
Inventors: 常东武; 李鹏飞; 董源
Original assignee: Tsinghua University; Central Research Institute of Building and Construction Co Ltd MCC Group
Current assignee: Tsinghua University; Central Research Institute of Building and Construction Co Ltd MCC Group
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: CN112414791A

Abstract

一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置及方法，该装置包括采样管、等速采样仪、温控装置和吸收瓶，采样管采用吸附和解吸附一体化采样管。所述方法分为吸附和解吸附两个阶段；吸附时，将采样管放入工业气体中，加热到一定温度，利用等速采样仪抽取工业气体，气体中的颗粒物和三氧化硫分别被纤维缠丝拦截和吸附介质吸附。解吸附时，利用氮气或惰性气体在高温下对采样管进行吹扫，将吹扫后的气体通入装有盐溶液的吸收瓶中进行收集吸收。本发明由于采用一体化采样管，简化了采样系统，减少了因过多接口造成漏气现象；同时利用气体吹扫的方法收集三氧化硫，没有清洗死区出现，降低了采样误差，增加了采样精度，后期也无需对部件进行清洗、烘干等操作。

Description

一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置和方法，属于大气污染与治理技术领域。

背景技术

三氧化硫是一种危害非常大的大气污染物，普遍存在于电力、化工、冶金、建材等行业排放的尾气中，对这种污染物的治理与检测受到业内高度重视。

以美国EPA 8方法为代表的常规方法在检测这样的污染物时通常对三氧化硫或硫酸雾采用撞击吸附、溶液吸收、富集等方法进行制样，制得的溶液进行实验室分析。由于受三氧化硫与硫酸雾的强腐蚀性、吸附性、化学不稳定性以及含量低等条件的制约，在从测量点到吸收的采样阶段产生的吸附、漏气和化学反应等问题影响了三氧化硫测量结果的准确性。

图1为美国EPA 8硫酸采样方法原理图，EPA 8方法是带有伴热功能的伴热石英管1伸入炉墙内的采样点(伴热温度设置为260℃)，工业气体通过伴热石英管进入系统。工业气体依次通过石英滤料瓶4、螺旋凝结管9、特氟隆软管6、撞击式吸收瓶7、硅胶干燥器8、抽气泵17、流量计16和累积流量计15等。石英滤料瓶4内装有石英滤料，用加热套5加热，并配合保温盒3维持260℃的工作温度。工业气体经过石英滤料瓶4时，灰尘被截留在其中石英滤料上。过滤后的气体进入螺旋凝结管9，由于螺旋凝结管恒温设置于75-85℃，气体中的三氧化硫会吸附在螺旋凝结管管壁上，少部分吸附在石英滤料上。包括二氧化硫在内的其它气体通过特氟隆软管6后进入撞击式吸收瓶7，二氧化硫被吸收瓶中的溶液吸收，残余气经过硅胶干燥器8后经过抽气泵17、流量计16、测温计14和累积流量计15后可以测量得到干燥工业气体的累积流量。

采样结束后，用去离子水淋洗滤料瓶4(包括其中的石英滤料)和螺旋凝结管9。收集淋洗液体并定容后，测量出液体中总的硫酸含量，并通过计量得到总工业气体量，计算出单位体积工业气体中三氧化硫(或硫酸)的含量。

该方法的缺点是:由于烟气在石英采样管内流动，导致采样管内的温度控制不能达到均匀，会形成较大的温度梯度，且有灰尘沉积，发生三氧化硫在低温区域吸附在管路上或灰尘上，因而不能保证三氧化硫，硫酸等能够通过采样管到达螺旋凝结管部位；同时现有系统的结构复杂，接口多，检漏复杂，容易发生漏气的现象，给测试结果带来较大的误差；在硫酸凝结管部分由于温度低于水的沸点，工业气体中的水会凝结并吸收二氧化硫，影响各种硫化物的测试结果；后期要淋洗多个部件，且容易形成清洗死区，操作繁琐，溶液易残留；且没有考虑工业气体中有吸附作用的固体颗粒吸附的三氧化硫和硫酸等成分。

发明内容

本发明的目的是提供一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置及方法，旨在解决冶金、电力、化工、建材等行业的工业气体中微量三氧化硫测量系统结构复杂，采样损失大的技术缺陷，同时解决三氧化硫测试效率低，测量结果不准确等问题。

本发明的技术方案如下：

一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置，其特征在于：该装置包括采样管、等速采样仪、温控装置和吸收瓶；所述采样管和等速采样仪中的皮托管放置在工业气体中；所述的温控装置分别通过信号线与设置在采样管内的加热丝和热电偶连接。所述的采样管包括外保护套管和采样内管；所述采样内管由进气管段和出气管段两部分组成，进气管段的管壁上布置有透气孔和尖突，尖突部分缠绕有纤维缠丝；所述的进气管段外部套有密封管，该密封管上设有采样和解吸附进气口；采样内管的出气口和皮托管分别通过气体管路与等速采样仪连接；在所述出气管段内填充有吸附介质，该出气管段与外保护套管之间以及外保护套管与密封管之间设有保温瓦。所述吸收瓶设有气体进口管和气体出口管，其内装有碱性溶液。

进一步地，在所述的外保护套管的进气端设有进气口管槽，所述的采样和解吸附进气口通过进气口管槽与外部连通。

进一步地，所述保温瓦的横截面为半圆形，两片保温瓦对放起来构成圆筒状；每片保温瓦内壁面设有用于安放加热丝的凹槽。

进一步地，所述吸收瓶的气体进口管采用双层套管结构，外层套管设置在瓶口处，内层套管呈L形，其一端插入吸收瓶内部，另一端穿过外层套管伸出瓶外与采样内管出气口连接；外层套管和采样内管出气口外壁间设有套管密封圈。

上述技术方案中，所述的吸附介质和纤维缠丝优选为石英棉。所述的保温瓦的材质为硅酸铝；所述的采样内管和密封管的材质均为石英玻璃。

本发明提供的一种采集工业气体中微量三氧化硫的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)吸附过程

a.把采样管和皮托管放入待采集的工业气体中，使采样和解吸附进气口对准工业气流方向；使温控装置控制采样管内的温度于130～150℃；

b.开启等速采样仪进行等速采样，使含三氧化硫的工业气体经采样和解吸附进气口进入密封管内，气体中的固体颗粒物首先被尖突部分缠绕的纤维缠丝拦截，然后经透气孔进入采样内管，再经吸附介质吸附后流出采样内管，并由等速采样仪记录抽取的气体总流量，使工业气体中的三氧化硫吸附在纤维缠丝和吸附介质上；

c.采集结束后，把采样管从工业气体中取出，并断开与等速采样仪22的连接；

2)解吸附过程：

a.将吸收瓶的气体进口管的内层套管插入采样内管出气口内，从采样和解吸附进气口通入流率20～100毫升/分钟的氮气或惰性气体；通过温控装置调节采样管的温度到350～400℃，温度稳定后继续通入氮气或惰性气体10～20分钟，使吸附介质和固体颗粒物上的三氧化硫完全被吸收瓶中的碱溶液吸收；

b.解吸附过程结束后，停止通入氮气或惰性气体，断开吸收瓶与采样管的连接，把吸收瓶中的溶液收集到容量瓶中；用去离子水冲洗吸收瓶，并把冲洗液收集在同一个容量瓶中，再将瓶中的溶液进行实验室分析。

上述方法中，所述等速采样仪记录抽取的气体总流量优选为1～3标准立方米。所述的碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液、碳酸钾溶液和铵盐中的一种或几种；所述碱溶液的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明的核心在于应用了吸附和解吸附一体化采样管，简化了采样系统，减少了过多的连接口产生漏气造成的采样误差；②采用在高温下进行惰性气体吹扫的方法收集三氧化硫，没有清洗死区出现，增加了采样的精度，后期不需要用液体对部件进行清洗、烘干等操作；③石英采样内管等部件易于更换，多套部件配合使用可实现连续多次采集，通过集中进行三氧化硫的收集工作，有效提高工作效率；④采样内管温度稳定区长，减少了三氧化硫因进、出口处形成的温度梯度而在管壁上发生凝结，减少了采样损失；⑤吸附在工业气体灰尘颗粒上的三氧化硫在脱附操作中也被加热和惰性气体冲洗，因此也被纳入测量的范围，是其它测量方法无法实现的。

附图说明

图1为美国EPA 8硫酸采样方法原理图。

图2为采集吸附过程的结构原理示意图。

图3为解吸附过程的结构原理示意图。

图4为保温瓦结构示意图。

图5为吸收瓶与采样管连接结构示意图。

图中标记：1—伴热石英采样管；2—炉墙；3—保温盒；4—石英滤料瓶；5—加热外套；6—特氟隆软管；7—撞击式吸收瓶；8—硅胶干燥器；9—螺旋凝结管；14—测温计；15—累积流量计；16—流量计；17—抽气泵；18—针型调节阀；19—采样管；20—皮托管；21—气体连接管路；22—等速采样仪；23—抽气管；24—温控器；25—信号线；28—吸收瓶；29—气体出口管；30—外层套管；31—内层套管；32—保温瓦；33—吸附介质；34—外保护套管；35—密封管；36—采样和解吸附进气口；37—透气孔；39—尖突；40—纤维缠丝；41—进气口管槽；42—密封圈；43—采样内管；44—连接密封圈；45—采样内管出气口；46—凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的原理结构和工作过程做进一步的说明。

参见图2和图3，本发明提供的一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置，该装置包括采样管19、等速采样仪22、温控装置24和吸收瓶28；所述采样管19和等速采样仪的皮托管20放置在工业气体中；所述的温控装置24分别通过信号线25与设置在采样管内的加热丝和热电偶连接。

采样管19包括外保护套管34和采样内管43；所述采样内管43分为进气管段和出气管段两部分，所述的进气管段外部套有密封管35，该密封管35上设有采样和解吸附进气口36；进气管段的管壁上布置有透气孔37和尖突39，尖突部分缠绕有纤维缠丝40；采样内管出气口45和皮托管20分别通过气体管路与等速采样仪22连接。

所述出气管段内填充有吸附介质33，该出气管段与外保护套管34之间，以及外保护套管与密封管35之间设有保温瓦32。所述吸收瓶28上设有气体进口管和气体出口管29，其内部装有碱性溶液。所述的碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液、碳酸钾溶液和铵盐中的一种或几种，碱溶液的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L。

为了便于安装和维护，在外保护套管34的进气端设有进气口管槽41，所述的采样和解吸附进气口36通过进气口管槽41与外部连通。进气口管槽41是一径向贯穿外保护套管34和保温瓦32的矩型切口，设置在密封管35上的采样和解吸附进气口36卡在进气口管槽里。

所述吸收瓶的气体进口管采用双层套管结构，外层套管30设置在瓶口处，内层套管31呈L形，其一端插入吸收瓶内部，另一端穿过外层套管伸出瓶外与采样内管出气口45连接；外层套管30和采样内管出气口45外壁间设有套管密封圈44(如图3所示)。

本发明所述的吸附介质33和纤维缠丝40优选采用石英棉。所述的保温瓦32的材质优选为硅酸铝；所述的采样内管43和密封管35的材质均为石英玻璃。

图4为保温瓦的结构示意图；所述的保温瓦32的横截面为半圆形，两片保温瓦对放起来构成圆筒状；每片保温瓦内壁面设有用于安放加热丝的凹槽46。

本发明提供的一种采集工业气体中微量三氧化硫的方法，该方法分为两个阶段，即吸附过程和解吸附过程。

吸附是将工业气体中的三氧化硫吸附在吸附介质33和纤维缠丝40上。工作时，通过抽气管23把采样管与等速采样仪连接；通过气体连接管路21把皮托管20与等速采样仪连接；由温控器24把采样管的温度控制在130～150℃；把采样管插入炉墙2内部的工业气体中，采样和解吸附进气口36对准工业气流方向；开启等速采样仪22开始进行等速采样，由等速采样仪记录抽气的总流量，一般为1-3标准立方米(参见图2)。吸附过程结束时，把采样管19从工业气体中取出，并断开与等速采样仪22的连接。

解吸附过程是将吸附在吸附介质33的三氧化硫和被纤维缠丝40拦截的固体颗粒物上的三氧化硫收集在吸收瓶28内的碱溶液中。工作时，将吸收瓶中加入适量的碱溶液，进一步的将吸收瓶的内层套管31插入采样内管气体出口45内，外层套管30和采样内管气体出口45外壁间隙塞入套管密封圈44，以保证三氧化硫无损失地进入到吸收瓶28中；从采样和解吸附进气口36通入流率20～100毫升/分钟的氮气或惰性气体；通过温控装置调节采样管的温度到350～400℃，温度稳定后继续通入氮气或惰性气体10～20分钟，使吸附介质和固体颗粒物上的三氧化硫完全被吸收瓶中的碱溶液吸收。

脱附结束后，三氧化硫被吸收瓶28中的碱溶液吸收；停止通入氮气或惰性气体，断开吸收瓶与采样管的连接，把吸收瓶中的溶液收集到容量瓶中；用去离子水冲洗吸收瓶，并把冲洗液收集在同一个容量瓶中，完成采样过程。

后续的工作中，在实验室内完成容量瓶中三氧化硫含量的测定，并利用标况抽气量计算出工业气体中三氧化硫的浓度。

Claims

1.一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置，其特征在于：该装置包括采样管(19)、等速采样仪(22)、温控装置(24)和吸收瓶(28)；所述采样管(19)和等速采样仪的皮托管(20)放置在工业气体中；所述的温控装置(24)分别通过信号线(25)与设置在采样管内的加热丝和热电偶连接；所述采样管(19)包括外保护套管(34)和采样内管(43)；所述采样内管(43)分为进气管段和出气管段两部分，所述的进气管段外部套有密封管(35)，该密封管(35)上设有采样和解吸附进气口(36)；进气管段的外管壁上布置有透气孔(37)和尖突(39)，尖突部分缠绕有纤维缠丝(40)；在吸附过程中采样内管出气口(45)和皮托管分别通过气体管路与等速采样仪(22)连接；

在所述出气管段内填充有吸附介质(33)，该出气管段与外保护套管(34)之间以及外保护套管与密封管(35)之间设有保温瓦(32)；所述吸收瓶(28)上设有气体进口管和气体出口管(29)，其内部装有碱性溶液。

2.如权利要求1所述的一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置，其特征在于：在外保护套管(34)的进气端设有进气口管槽(41)，所述的采样和解吸附进气口(36)通过进气口管槽(41)与外部连通。

3.如权利要求1所述的一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置，其特征在于：所述保温瓦(32)的横截面为半圆形，两片保温瓦对放起来构成圆筒状；每片保温瓦内壁面设有用于安放加热丝的凹槽(46)。

4.如权利要求1所述的一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置，其特征在于：所述吸收瓶气体进口管采用双层套管结构，外层套管(30)设置在瓶口处，内层套管(31)呈L形，该内层套管在解吸附过程中，其一端插入吸收瓶内部，另一端穿过外层套管伸出瓶外与采样内管出气口(45)连接；外层套管(30)和采样内管出气口(45)外壁间设有套管密封圈(44)。

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置，其特征在于：所述的吸附介质(33)和纤维缠丝(40)选用石英棉。

6.如权利要求5所述的一种采集工业气体中微量三氧化硫的装置，其特征在于：所述的保温瓦(32)的材质为硅酸铝；所述的采样内管(43)和密封管(35)的材质均为石英玻璃。

7.采用如权利要求1-6任一权利要求所述装置的一种采集工业气体中微量三氧化硫的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)吸附过程

a.把采样管(19)和皮托管(20)放入待采集的工业气体中，使采样和解吸附进气口(36)对准工业气流方向；使温控装置(24)控制采样管内的温度于130～150℃；

b.开启等速采样仪(22)进行等速采样，使含固体颗粒物和三氧化硫的工业气体经采样和解吸附进气口(36)进入密封管(35)内，气体中的固体颗粒物首先被尖突部分缠绕的纤维缠丝拦截，然后工业气体经透气孔(37)进入采样内管(43)，经吸附介质(33)吸附，使工业气体中的三氧化硫吸附在纤维缠丝(40)和吸附介质(33)上，之后气体流出采样内管，并由等速采样仪记录抽取的气体总流量；

c.采集结束后，把采样管(19)从工业气体中取出，并断开与等速采样仪(22)的连接；

2)解吸附过程：

a.将吸收瓶的气体进口管的内层套管(31)插入采样内管出气口(45)内，从采样和解吸附进气口(36)通入流率20～100毫升/分钟的氮气或惰性气体；通过温控装置(24)调节采样管的温度到350～400℃，温度稳定后继续通入氮气或惰性气体10～20分钟，使吸附介质和固体颗粒物上的三氧化硫完全被吸收瓶中的碱溶液吸收；

8.如权利要求7所述的一种采集工业气体中微量三氧化硫的方法，其特征在于，所述等速采样仪记录抽取的气体总流量为1～3标准立方米。

9.如权利要求7或8所述的一种采集工业气体中微量三氧化硫的方法，其特征在于，所述的碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液、碳酸钾溶液和铵盐中的一种或几种；所述碱溶液的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L。