CN2585219Y - 烟气连续监测系统的低稀释比样气处理装置 - Google Patents
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Abstract
“烟气连续监测系统的低稀释比样气处理装置”属环境污染监测领域。对烟气中二氧化硫等污染物作在线监测和计量。本实用新型具体涉及系统中的样气处理部分。低稀释比样气处理装置适合用光电法或电化学法检测二氧化硫浓度。气路构思独特,能完成检测、标定和自控功能。检测气体浓度同时,测量样气、空气温湿度和流量等参数。稀释比是随机测量值,稀释量孔孔经改变不影响计量准确,长时间运行稳定可靠;测出烟气中水分体积比等数据,可直接计算执法要求的二氧化硫质量浓度。
Description
技术领域
本发明属于环境污染监测领域。具体涉及到烟气连续监测系统中关于样气处理部分。
背景技术
我国能源70%来自燃烧煤碳,排放的烟气中含有大量的大气污染物。其中二氧化硫对大气环境的污染最严重,形成酸雨破坏生物链,危害人类的生存和社会经济发展。为控制烟气中二氧化硫的污染,国家相继出台多项规定。其中有:在国土范围内划定酸雨控制区和二氧化硫污染控制区;排放二氧化硫要达标,并压缩二氧化硫排放量,实行总量控制;按二氧化硫排放量收取排污费。进一步又明确规定,从2001年1月起,新改扩建的单台容量大于14MW的锅炉,必须同时安装烟尘和二氧化硫监测系统。这就需要有适合中国国情,能满足执法要求的烟气连续监测系统。
纵观国内外开发研究和生产的烟气连续监测系统,按其内部功能可以分为三个子体系,它们是:样气处理体系、信号检测体系和数据计算管理体系。以下具体涉及就是样气处理体系。为检测烟气中的二氧化硫等大气污染物,按行业标准HJ/T75-2001和HJ/T76-2001中规定,检测烟气可以用直接测量法,这种方法由于受烟气中的粉尘和高水气的影响,测量准确度难以把握,因此,较少采用。而绝大多数系统是采用抽取烟气的方法,把烟气从烟道中抽出来,经过处理作为样气以供检测使用。其一是完全抽取法,以样气处理体系的泵为动力,用安装在烟道上的采样枪,从烟气中连续抽出一定数量的烟气,经过除尘、降温脱水等处理过程,形成无尘的干烟气供检测。基于连续监测的需要,样气处理体系的除尘效率要达到99.9%以上,对于颗粒在1μm以下的烟尘也要严格的滤除;抽取样气流量要稳定,流量的变化不能大于±5%;降温脱水要尽量少的溶解二氧化硫;还要保证样气处理体系的管路和部件连接不允许漏气。这些要求是很难实现的,尤其是连续运行几个月不仃机维护就更难。其二是稀释抽取法,该法取烟气和空气按一定比例的体积稀释,通常采用1∶100的稀释比。稀释的样气在除尘和脱水的环节上没有压力了,但是,要保证长期稳定在一个不变的稀释比例上则难上加难。因为控制烟气提供量的关键部位,是烟气通过一个直径很小的量孔来实现的。实践证明在连续运行中,烟尘不可能100%除净,烟尘逐渐附着在量孔上,改变了孔径,从而导至烟气的稀释比逐渐增大。而二氧化硫传感器时时检测出的二氧化硫浓度是被稀释后样气的实际浓度,数据处理时要乘上稀释的倍数才是烟气真实的二氧化硫浓度。由于稀释比例在改变,显然按固定的稀释比例倍数来处理检测数据是不当的,随时间增长,偏离准确值将愈来愈大,作为执法的计量仪器是不可以的。
发明内容
一、目的
本发明提出一套动态的自动确定稀释比的样气处理装置。经本装置处理的后的样气,对检测元有广泛的适用性,可以用光电方法检测烟气中的二氧化硫浓度,也可以用电化学传感器来检测烟气中的二氧化硫等大气污染物的浓度。本装置的检测室中设置电化学的二氧化硫和氧气传感器,用于检测样气中对应物质的体积浓度电信号。装置运行中还同步测量混合空气的温度、湿度和流量,测量样气的温度、湿度和流量,实行每秒钟测量一次,取得相关数据由计算机处理,计算出该时刻的稀释比,进一步参与计算最后确定烟气中二氧化硫和氧气的体积浓度,这样长时间连续运行,就克服了现在使用稀释抽取法采样的不足,保证检测的准确。
烟气与空气混合的体积稀释比控制在1∶10~1∶20之间,相比通常使用的高稀释比,这里称为低稀释比样气处理装置。
二、结构与连接
参照低稀释比样气处理装置的气体管道与部件连接图1,由双点划线围成四个独立部分,它们是:安装在烟道旁的A区,装置气路部件和电器件的B区(仪器柜),有高压空气源和开关的C区以及设置二氧化硫和氧气传感器的D区(仪器柜中的检测室)。按其功用可以分为五个有不同功能的通道,具体分为:
1、提取烟气、稀释及传输通道:从烟道中取出烟气,混入空气稀释,再传送到连续监测系统的仪器柜内。由采样枪(1)、电磁阀(2)、烟气稀释器(3)、及三芯电加热保温管(4)组成。
2、供空气通道:提供一定温度的干净空气参与混合成样气。由温湿度传感器(5)、测速管(6)、流量计(7)和膜式滤尘器(8)组成。
3、样气检测通道:样气在检测室中的气体传感器中通过,检测电信号。由温湿度传感器(9)、膜式滤尘器(10)、隔膜泵(11)、测速管(12)、二氧化硫传感器(13)、氧气传感器(14)及流量计(15)组成。
4、标准气通道:需要对气体传感器标定时,提供不同浓度的二氧化硫标准气。由电磁阀(16)、流量计(17)、高浓度二氧化硫标气瓶(18)、低浓度二氧化硫标气瓶(19)和电磁阀(20)组成。
5、采样枪滤片清灰通道:使用清洁的高压空气,吹除附着在采样枪内部滤片上的烟尘。由电磁阀(22)和高压空气源(23)组成。
低稀释比样气处理装置的气体管道与部件连接图1的连接,其特征是:采样枪(1)的烟气入口端置于烟道中,(1)的烟气出口端接电磁阀(2)的入口端,(2)的出口端接烟气稀释器(3)的烟气入口端,(3)的样气出口端接三芯电加热保温管(4)的第一支芯管一端,该芯管另一端接温湿度传感器(9)的一端,(9)的另一端接膜式滤尘器(10)的一端,(10)的另一端接隔膜泵(11)的入口端,(11)的出口端接测速管(12)的一端,(12)的另一端接二氧化硫传感器(13)的一端,(13)另一端接氧气传感器(14)的一端,(14)的另一端接流量计(15)的入口端,(15)的出口端置于仪器柜外放空;膜式滤尘器(8)的入口端设在仪器柜内,(8)的出口端接流量计(7)入口端,(7)的出口端接测速管(6)的一端,(6)的另一端接温湿度传感器(5)的一端,(5)的另一端接三芯电加热保温管(4)的第二支芯管的一端,该芯管的另一端接烟气稀释器(3)的空气入口端;标气瓶(18)的标准气出口端接流量计(17)的入口端,(17)的出口端接电磁阀(16)的入口端,(16)的出口端接三芯电加热保温管(4)的第三支芯管的一端,该芯管另一端接烟气稀释器(3)的标准气入口端;标气瓶(19)的标准气出口端接电磁阀(20)的入口端,(20)的出口端并接在隔膜泵(11)的出口端;高压空气源(23)的高压空气出口端接电磁阀(22)的入口端,(22)的出口端接采样枪(1)的高压空气入口端。即完成全部气路体系的连接。
图1中在烟道内设温度传感器(21),测烟道内烟气温度。设绝对压力传感器(24),测环境大气压。测量信号直接输入计算机参与计算,但与气路连接无关。
三、效果
在烟气连续监测系统中,本发明的样气处理装置能够完成检测和标定等所有功能,实现最终的检测目的,即测定干烟气(不含水分)在标准状态下(温度t0=0℃,大气压P0=101.325kPa),当燃烧的空气过剩系数α=1.4(或1.7)时的二氧化硫质量浓度。由于体系连续工作,每秒钟测取一组数据,经处理就能按规定要求每10秒获得一个累积平均值,作为执法依据。
从下面的计算中能够看到本装置中参与计算的干烟气稀释比,是同步测算出来的数值,所以在长时间运行中,即使烟气量孔由于积灰改变了孔径,导至稀释比变化,但不影响检测的准确,这就是本发明要达到的主要目的。
此外,本装置测算出烟气中的含水量,也就免去了直接在烟道内设置测湿度的其他手段,由此带来降低造价和减少维护的好处。
为进行深层次的计算,把本装置设置的传感器在第一层次测算出的数据意义、符号和单位明确如下:二氧化硫传感器(13)直接测出样气中二氧化硫的实际体积浓度C'v(ppm);氧气传感器(14)直接测出样气中氧气的体积百分比含量y%;温度传感器(5)、(9)分别测出空气的温度t2(℃)和相对湿度B2(%RH),样气的温度t3(℃)和相对湿度B3(%RH),从而确定空气绝对湿度p2(mg/mL)和样气绝对湿度p3(mg/mL);测速管(6)、(12)分别测出空气的流速V2(m/s和样气的流速V3(m/s),结合进测速管的截面积,可以确定空气的流量Q2(mL/min)和样气的流量Q3(mL/min),由于设流量计(7)、(15)可以直接观察到空气和样气的流量,因此,把测速管测出流速的电信号直接转换成对应流量,即空气流量Q2(mL/min)和样气流量Q3(mL/min),参与以下的计算;温度传感器(21)测烟气的温度t(℃);绝对压力传感器(24)测出大气压P(kPa)。
有了以上各项基本参数,进一步计算就可以实现检测的最终目的。推导过程从简,只列出相关的计算公式:
a、样气流量Q3中含有的烟气流量Q1(在t3温度下)
b、流量Q1中水分所占的体积Q1H2O
Q1H2O=4.176·(273+t3)·(p3Q3-p2Q2)(mL/min)
c、Q1H2O与Q1的体积比Xsw
d、流量Q1中干烟气与样气流量Q3的流量比K(即干烟气稀释比)
e、流量Q1中的干烟气所含氧气的体积百分比含量Y(%)
f、燃烧的空气过剩系数α
g、干烟气中二氧化硫的体积浓度Cv
h、修正到标准状态下的干烟气中二氧化硫质量浓度Cm
i、当α=1.4时,标准状态干烟气中二氧化硫的质量浓度Cm α=1.4
该数值就是国家规定的烟气二氧化硫排放浓度的执法依据。
以下分析在本样气处理装置上实施检测和标定等功能。
1、检测
气路部件动作:开启电磁阀(2),启动隔膜泵(11)。
气体流动途径:烟道中的烟气经采样枪(1)、电磁阀(2)进烟气稀释器(3)。空气经膜式滤尘器(8)、流量计(7)、测速管(6)、温湿度传感器(5),通过三芯电加热保温管(4)的第二支芯管进烟气稀释器(3)与烟气混合稀释成样气。然后经过三芯电加热保温管(4)的第一支芯管进温度传感器(9)、膜式滤尘器(10)、隔膜泵(11)、测速管(12)、二氧化硫传感器(13)、氧气传感器(14)和流量计(15)、样气排出仪器柜外。
调节:流量计(15)控制样气流量。流量计(7)控制空气流量。烟气稀释器(3)的针阀控制烟气流量。
当样气经过各传感器时,输出电信号即完成检测。
2、标定
连续监测系统运行一段时间以后,要用二氧化硫标准气进行标定,矫正二氧化硫和氧气传感器的“零点”和“满量程”漂移。同时修正样气处理装置可能吸收部分二氧化硫形成的误差。按规定标定的全过程分为标定传感器和样气处理体系两部分。
(1)标定传感器:实现矫正二氧化硫和氧气传感器的“零点”和“满量程”漂移。
①空气清扫管道和传感器
气路部件动作:关闭电磁阀(2),启动隔膜泵(11)。
气体流动途径:空气经膜式滤尘器(8)、流量计(7)、测速管(6)、温湿度传感器(5)、三芯电加热保温管(4)的第二支芯管到烟气稀释器(3),再从三芯电加热保温管(4)的第一支芯管经温湿度传感器(9)、膜式滤尘器(10)、隔膜泵(11)、测速管(12)、二氧化硫传感器(13)、氧气传感器(14)和流量计(15),然后排空。
调节:流量计(15)、(7)控制空气流量。
本程序实现的目的是:二氧化硫传感器标“零点”。氧气传感器标“满量程”,即20.9%。
②低浓度二氧化硫标准气标定传感器
使用小于或等于二氧化硫传感器实际量程的二氧化硫标准气。
气路部件动作:关闭电磁阀(2),停止隔膜泵(11),开启电磁阀(20)。
气路流动途径:低浓度二氧化硫标准气从标气瓶(19)流出,经电磁阀(20)、测速管(12)、二氧化硫传感器(13)、氧气传感器(14)和流量计(15)排空。
调节:流量计(15)控制标准气流量。
本程序实现的目的是:二氧化硫传感器标“满量程”。氧气传感器标“零点”。
(2)标定样气流过的通道:修正样气处理装置可能吸收部分二氧化硫形成的误差。
①空气清扫管道和传感器
气路部件动作:同(1)、①动作。
气体流动途径:同(1)、①气体流动。
调节:流量计(15)、(7)控制空气流量。
②高浓度二氧化硫标准气标定样气通道。
使用仪器满量程浓度80%以上的二氧化硫标准气。
气路部件动作:关闭电磁阀(2),启动隔膜泵(11),开启电磁阀(16)。
气体流动途径:高浓度二氧化硫标准气从标气并(18)流出,经流量计(17)、电磁阀(16),通过三芯电加热保温管(4)的第三支芯管进烟气稀释器(3)。空气经膜式滤尘器(8)、流量计(7)、测速管(6)、温湿度传感器(5)、三芯电加热保温管(4)的第二支芯管进烟气稀释器(3)。标准气与空气混合后经电热保温管(4)的第一支芯管、温湿度传感器(9)、膜式滤尘器(10)、隔膜泵(11)、测速管(12)、二氧化硫传感器(13)、氧气传感器(14)和流量计(15),然后排空。
调节:流量计(15)控制混合器的总流量。流量计(7)控制空气流量。流量计(17)控制二氧化硫标准气的流量,以保证检测要求的稀释比。
本程序实现的目的是:样气通道若有二氧化硫被吸收,则作出修正。
3、高压空气吹除采样枪滤片上附着的烟尘
采样枪内置多孔滤片随运行时间增长,附着滤除的烟尘增多,滤片局部阻力增大,将改变气体运行参数。所以要在运行一段时间以后,用高压空气从反方向吹除滤片上的附着烟尘。吹除动作的控制可以是设定时间自动完成,也可以是人为随时进行操作。部件的动作是相同的。首先关闭电磁阀(2),然后开启电磁阀(22)。高压空气源(23)的高压空气经电磁阀(22)进采样枪(1)实现吹除滤片上烟尘。每一次吹除的时间为10秒左右,两次吹除的时间间隔在1-7天,视烟气中含尘量具体确定。
4、三芯电加热保温管加热温度的控制混合后的样气湿度增高(相比空气),防止样气输送中在第一支芯管内壁以及仪器柜内样气通道的各部位,出现结露,至使样气中二氧化硫部分溶解于水,使检测不准确。必须保证样气的温度在“露点”以上,不结露。
三芯电加热保温管(4)的加热温度由温湿度传感器(9)来管理。设定样气相对湿度B=90%为温度控制的转折点,当实测B3>90%时,提高加热温度,实测B3<90%时,降低加热湿度。使样气温度t3稳定在B3=90±2%的平衡点上。
附图说明
图1、低稀释比样气处理装置的气体管道与部件连接图,也是摘要附图。
图2、烟气稀释器(比例1∶1)主视剖面图。
图1、图2中各元器件代号说明如下:
1、采样枪;2、电磁阀;3、烟气稀释器;4、三芯电加热保温管;5、温湿度传感器;6、测速管;7、流量计;8、膜式滤尘器;9、温湿度传感器;10、膜式滤尘器;11、隔膜泵;12、测速管;13、二氧化硫传感器;14、氧气传感器;15、流量计;16、电磁阀;17、流量计;18、高浓度二氧化硫标气并;19、低浓度二氧化硫标气并;20、电磁阀;21、温度传感器;22、电磁阀;23、高压空气源;24、绝对压力传感器;25、烟气入口;26、端盖;27、空气入口;28、外壳;29、针阀;30、针阀座;31、调节螺栓与旋钮;32、螺母;33、平垫圈;34、胶垫A;35、样气出口;36、电加热带;37、标准气入口;38、隔套;39、胶垫B。
实现方式:
参照图1、图2提出对元器件和加工件的要求,以实现本发明。相同元器件归为一组,排一个编号,每组里的顺序按元器件的代号从小到大依次排列。
1、采样枪(1):称为采样枪是业内人士对该部件的通用说法。该部件的法兰固定在烟道外侧,一支不锈钢管伸入烟道内部,作为从烟道内抽取烟气的通道,管的末端装不锈钢粉末烧结的滤片,滤除烟尘。为了防止烟气中的水分在滤片上结露,通常滤片周围装有电加热带对其加温。
实现本发明可以采用完全抽取法使用的成品采样枪,亦可采用不锈钢材料自行设计加工制造。具体的要求:(1)不锈钢粉末烧结滤片的形状不限(平面或管状均可),接触烟气的表面积不小于30cm2、厚度2mm、孔隙为5-15μm、孔隙率为40%以上。(2)电加热带的电功率为160W,交流220V供电。
2、电磁阀(2):常闭型二位二通,无洩漏不锈钢电磁阀。公称通径4mm,承受压不小于1.0MPa,使用温度不小于150℃,直流24V供电。
3、烟气稀释器(3):该部件是本装置中自行设计加工制造,经组装完成。采用不锈钢和聚四氟乙烯等材料。其中的各零件在其后叙述。
4、三芯电加热保温管(4):三支芯管的材料采用φ7×1mm聚四氟乙烯管,成三角形摆放,外围导电橡胶加热带,每米芯管长加热功率20W,交流220V供电,外层再包玻璃丝保温材料,厚度10mm。按现场需要的管长度自制。
5、温湿度传感器(5)、(9):选择成品温湿度传感器可按如下要求:
a、温度测量范围0-60℃,精度±0.2℃;
b、温度测量范围0-100%RH,精度±1%RH(0-90%RH)±2%RH(90-100%RH);
c、信号:变送器输出(电流或电压);
d、其他:低迟滞,长期稳定,耐化学腐蚀。
本说明书中,在叙述连接时的写法是:××接温湿度传感器一端,其另一端接××。在实施中是指按选好型的温湿度传感器探头部分的尺寸,制作不锈钢质一端封闭的空心管件(约60mm长),其两侧对称焊接φ8×1.5mm的不锈钢管接头各一个,将测温湿度的探头部分插入空心管中,保证探头部分与空心管接触部分密闭不洩漏,两个接头作为两端用于气路的连接。
6、测速管(6)、(12):由于管路中气体流速不大于1m/s,因此,选择能准确测量近于0m/s空气速率风速传感器(变送器),并保证在较宽范围内的非方向依赖性和较好的抗尘能力。可以选择E+E公司产品,型号EE660风速变送器。其测量范围0~1m/s,精度0~1m/s±(0.06m/s+2%读数)。由于外形与温湿度传感器的探头基本相似,所以其安装与温湿度传感器的安装基本相同。
7、流量计(7)、(15):有针阀可调节不锈钢浮子流量计。量程0.2-2.0L/min,精度±1%。
8、膜式滤尘器(8)、(10):设置膜式滤尘器用来除去微小尘粒,是一次性使用的更换件,可以选用高分子多孔滤膜的成品轿车汽油滤清器代用,亦可用孔隙0.5-1.0μm,局部阻力小于20mmH2O(在流速0.5m/s时测定),表面积大于50cm2的高分子材料的滤片制作。
9、隔膜泵(11):该泵是本装置中气体流动的驱动源,采用耐腐蚀隔膜泵。其要求是:空载流量为5.5L/min,吸程压-12kPa,扬程压+10kPa,交流220V供电。可选用GAST公司的系列专用泵。
10、二氧化硫传感器(13):采用电化学二氧化硫传感器。特性:测量范围0-100ppm,分辨0.5ppm,输出信号0.37±0.07μA/ppm,过载范围500ppm,使用温度-20~+50℃。信号由变送器输出(电流或电压),可按其特性选择传感器。
11、氧气传感器(14):采用电化学氧气传感器。特性:测量范围0~100%O2,分辨率0.1%O2,使用温度+5-+40℃,信号输出10.0~15.5mv。可按其特性选择传感器。
12、电磁阀(16)、(20)、(22):常闭型二位二通、无洩漏不锈钢电磁阀。公称直径4mm,承受压不小于1MPa,使用温度0~+60℃,直流24V供电。
13、流量计(17):有针阀可调节不锈钢浮子流量计。量程0~0.5L/min,精度±1%。
14、高浓度二氧化硫标气瓶(18):8L容积的标准气并(包括连接件)。内充二氧化硫气体浓度为800-1000ppm。从标准气厂家购买。
15、低浓度二氧化硫标气瓶(19):8L容积的标准气瓶(包括连接件)。内充二氧化硫气体浓度为90-100ppm。从标准气厂家购买。
16、温度传感器(21):采用Pt100或Pt1000铂电阻温度传感器。铠装管长度不小于600mm。
17、高压空气源(23):采用压强为0.6~0.8MPa无油压缩机与10L容积的贮气罐组合,配以气压开关和安全阀等附件的空气压缩机组。亦可使用企业的管道高压空气。所以本说明书中泛指为高压空气源。
18、绝对压力传感器(24):可以选用量程0~110kPa,精度±0.2%,信号输出1~5V的绝对压力变送器产品。
19、烟气入口(25):选用材料不锈钢棒,材质1Cr18Ni9Ti,加工制作。以下各件使用不锈钢材,采用相同材质,均省略材质重复。
20、端盖(26):材料不锈钢棒加工制作。
21、空气入口(27):样气出口(35)、标准气入口(37):材料φ8×1.5mm不锈钢管加工制作。
22、外套(28):材料φ40×3.5mm不锈钢管加工制作。
23、针阀(29):材料聚四氧乙烯棒加工制作。
24、针阀座(30):材料不锈钢棒加工制作。
25、调节螺栓与旋钮(31):材料不锈钢棒加工制作。
26、螺母(32):螺母M8 GB54-86,标准件。
27、平垫图(33):垫圈8 GB97-86,标准件。
28、胶垫A(34):材料采用耐温250℃氟橡胶,模具成型。
29、电加热带(36):φ40×40mm环形电加热带。电功率50W,交流220V供电。
30、隔套(38):材料聚四氟乙烯棒加工制作。
31、胶垫B(39):材料采用耐温250℃氟橡胶,模具成型。
32、气体传输连接管:用φ9×2mm硅橡胶管作为仪器柜内各部件之间的连接用管。
Claims (1)
1、烟气连续监测系统的低稀释比样气处理装置,其特征是:采样枪(1)的烟气入口端置于烟道中,(1)的烟气出口端接电磁阀(2)的入口端,(2)的出口端接烟气稀释器(3)的烟气入口端,(3)的样气出口端接三芯电加热保温管(4)的第一支芯管一端,该芯管另一端接温湿度传感器(9)的一端,(9)的另一端接膜式滤尘器(10)的一端,(10)的另一端接隔膜泵(11)的入口端,(11)的出口端接测速管(12)的一端,(12)的另一端接二氧化硫传感器(13)的一端,(13)的另一端接氧气传感器(14)的一端,(14)的另一端接流量计(15)的入口端,(15)的出口端置于仪器柜外放空;膜式滤尘器(8)的入口端设在仪器柜内,(8)的出口端接流量计(7)入口端,(7)的出口端接测速管(6)的一端,(6)的另一端接温湿度传感器(5)的一端,(5)的另一端接三芯电加热保温管(4)的第二支芯管的一端,该芯管的另一端接烟气稀释器(3)的空气入口端;标气瓶(18)的标准气出口端接流量计(17)的入口端,(17)的出口端接电磁阀(16)的入口端,(16)的出口端接三芯电加热保温管(4)的第三支芯管的一端,该芯管另一端接烟气稀释器(3)的标准气入口端;标气瓶(19)的标准气出口端接电磁阀(20)的入口端,(20)的出口端并接在隔膜泵(11)的出口端;高压空气源(23)的高压空气出口端接电磁阀(22)的入口端,(22)的出口端接采样枪(1)的高压空气入口端。
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