CN101701930A

CN101701930A - 一种烟气成份浓度快速测试方法和测试仪器

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Publication number: CN101701930A
Application number: CN200910237336A
Authority: CN
Inventors: 楼竞晖; 张万山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2010-05-05

Abstract

本发明公开了一种烟气成份浓度快速测试方法和测试仪器，属于大气污染防治技术领域。本发明的测试仪器包括封装有传感器的测试单元、连接单元、控制单元和数据处理单元；所述测试单元经所述连接单元与所述控制单元连接；所述控制单元通过无线传输模块或数据线与所述数据处理单元连接。本发明的方法为：将校准后的测试仪器的传感器插入到被测烟道内，获取测试结果。与现有技术相比，本发明测试结果的准确性得到大大提高，同时测试速度快，具有广泛的市场前景。

Description

一种烟气成份浓度快速测试方法和测试仪器

技术领域

本发明涉及的是一种烟气排放测试方法及仪器，特别涉及的是一种烟气成份浓度快速测试方法和测试仪器，属于大气污染防治技术领域。

背景技术

电厂锅炉、工业窑炉、供暖锅炉等污染源的烟气排放是我国大部地区环境大气污染的主要源头，其中的二氧化硫(SO₂)和氮氧化物(NO_x)是主要污染因子。世界大部分国家都对其进行控制和监测。在我国，除了固定安装在锅炉排放口的在线连续烟气监测仪外，便携式烟气成分直读监测仪是各个环保监测、环境监理以及烟气排放控制设备安装调试的主要检测工具。现有仪器的基本工作方式都是抽气泵将烟气从烟道中抽取到在烟道外的电化学传感器分析部分，对烟气中的二氧化硫、氮氧化物等进行分析。

最常用于烟气测试的电化学传感器是定电位电解式气体传感器，其工作原理是：使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择地使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。其结构是：在一个塑料制成的筒状池体内安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。气体在电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。

因为电化学传感器具有价格低、体积小、反应速度快和线性好的特点，采用电化学传感器的泵吸式烟气分析仪是目前被使用最广泛的烟气测试工具。常用电化学传感器烟气分析仪器的结构见附图1。

在实际进行烟气测量的过程中，烟气排放温度一定高于环境温度，如果不加处理，烟气通过暴露在环境空气中的仪器导气管后，烟气中的气态水蒸气由于露点降低形成水珠，附着在导气管壁上，从而形成冷凝水。由于气态二氧化硫和氮氧化物是易溶于水的物质，烟气中的这些成分会被部分溶解进冷凝水中，在到达传感器之前就损失了一部分。特别是二氧化硫是极易溶于水的，1单位体积的水能够溶解40单位体积的二氧化硫，对分析结果的准确性产生严重影响。因此，国内外众多烟气分析仪生产厂对此问题进行了研究，并推出了各自的烟气预处理器对烟气在进入仪器分析部分前进行脱水处理，以降低仪器采样管路中冷凝水的产生，减少烟气中二氧化硫和氮氧化物的损失。

目前在使用的众多型号品牌的烟气预处理器主要是采用半导体或压缩机对烟气进行快速制冷进而进行气、水分离的方法。基本原理是：冷凝器将烟气快速制冷到1℃～3℃，形成的冷凝水经特殊通道向下排出，气体向上通过另外制冷器出口通道进入仪器分析部分。因为通常仪器的工作环境温度都高于制冷器的出口温度，这样烟气就不易在制冷器后部的管路中形成冷凝水。相对于没有对烟气进行处理的直接采样烟气分析仪，使用冷凝脱水预处理器的分析仪可以在一定程度上减少冷凝水对烟气中二氧化硫和氮氧化物气体的溶解损失，虽然在一定程度上提高了二氧化硫和氮氧化物的分析准确度，但是增加了设备的生产成本和复杂性。见附图2和附图3。

近年来我国对烟气中二氧化硫排放制定了日益严格的控制标准，北京市政府甚至制定了更严格的标准：新建、改建和扩建锅炉二氧化硫排放浓度极限值仅为20mg/m³。严格的烟气排放标准，促使锅炉运营企业采取各种措施降低烟气中二氧化硫的浓度。湿法脱硫是目前在我国被最广泛采用的降低烟气排放中二氧化硫的方法。锅炉烟气通过湿法脱硫设备后，其温度降低而湿度增高(通常烟气温度和露点温度都在70摄氏度以下，)，烟气中二氧化硫的含量大大降低，通常只有30mg/m3以下。即使使用带有制冷脱水预处理器的便携式烟气分析仪对这些锅炉的烟气排放进行监测，分析结果经常出现仪器读数为0mg/m3或是只有几个mg/m3的情况。但是根据燃料含硫量分析以及脱硫装置的脱硫效率计算，烟气中的二氧化硫浓度都应该大大高于仪器的监测结果。因此目前的测试设备和测试方法存在很大的局限性。

对此，本发明创作人对以下两方面进行了详细的研究和大量现场实验。

第一、通过调查分析大量现场烟气二氧化硫测试结果为零或极低的记录中发现，由于采用湿法脱硫采用的是往脱硫塔内喷入大量含有碱性脱硫剂的水雾，这样在降低二氧化硫的同时也把烟道温度降低了，为了脱硫烟道内必须有液体的水存在，以便将二氧化硫溶解在液体的水中，这就保证烟道温度是低于100℃，同时烟道的湿度是接近露点。经大量现场测量数据证明绝大部分(99％以上)湿法脱硫测试点的烟气温度小于80摄氏度，在这些测试中，很多也使用了快速制冷器脱水烟气处理器以减少冷凝水对二氧化硫的损失，但是仪器的二氧化硫分析结果并没有提高，还是远远低于合理的计算值。

第二、通过对半导体制和压缩机制冷脱水处理器工作状态通过低浓度二氧化硫气体结果分析，很少的冷凝水产生都将在影响低浓度二氧化硫的分析结果。实验步骤如下：

1)选用一台安装了二氧化硫电化学传感器的烟气分析仪，在洁净的环境空气中开机并完成零点校准。此时，仪器二氧化硫度数显示为“0ppm”。

2)选用一瓶内装有浓度为9ppm二氧化硫标准气的钢瓶，用聚四氟乙烯导管连接钢瓶气阀出口和仪器进气口，对仪器进行标定后，仪器显二氧化硫度数为“9ppm”。

3)关闭气瓶气阀，断开气瓶与仪器的导气管，仪器抽取环境空气，二氧化硫读数逐渐回到“0ppm”。

4)用聚四氟乙烯导管连接带有二氧化硫电化学传感器的烟气分析仪和制冷脱水处理器，打开仪器并开启处理器。此时仪器采气泵将环境空气通过脱水处理器抽到仪器传感器分析单元，仪器二氧化硫显示读数结果为“0ppm”。经过一段时间，处理器的制冷器壁上有冷凝水雾滴产生。马上用导气管连接处理器进气口和上述气瓶，打开气阀，此时仪器气泵抽的是9ppm的二氧化硫标准气体。仪器二氧化硫读数为“0ppm”。这种读数为“0ppm”的情况会保持5分钟以上，随之冷凝器壁上的水滴消失，度数才慢慢上升到“9ppm”。

以上研究结果说明，很少的冷凝水都会对二氧化硫有吸收，但采用制冷器脱水原理的烟气处理器进行烟气处理过程中，烟气中二氧化硫和氮氧化物气体不可避免的在冷凝器中共存，这样就不可避免的造成气体的溶解损失，特别是当烟道气体浓度低的时候造成测结果为零。因此，采用对烟气抽取后制冷脱水的方法不能有效地解决二氧化硫在测试中的损失，不能保证仪器对烟气中低浓度二氧化硫浓度测试的准确。

为了解决上述问题，本发明专利创作人经过长期研究和实验，开发出能够根本解决以上问题的烟气分析仪及测试方法。

发明内容：

本发明目的在于提供一种烟气成份浓度快速测试方法和测试仪器，可以直接、快速和准确地分析出高湿度烟气中的二氧化硫、氮氧化物等污染物的浓度，不受烟气湿度的影响。本发明是基于对烟道温度湿度的充分研究理解，及对高湿烟气测量问题的长期现场测试和观察所得出。

为了实现上述目的，本发明的方法为：采用将测量烟气成分浓度的电化学传感器直接放置于烟道内，使其直接接触烟气，从而从根本上解决烟气抽取法中冷凝水吸附二氧化硫等气体的问题，本发明根据直接放置于烟道中的传感器的输出电信号随烟气中的气体浓度的高低而变化，通过信号放大传输和A/D转换，得出分析结果。

本发明的技术方案为：

一种烟气成份浓度快速测试仪器，其特征在于包括封装有传感器的测试单元、连接单元、控制单元和数据处理单元；所述测试单元经所述连接单元与所述控制单元连接；所述控制单元通过无线传输模块或数据线与所述数据处理单元连接。

所述测试单元具有一层保护罩，所述保护罩内部封装有若干传感器；所述保护罩上开有进气孔。

所述测试单元为一腔体，所述腔体的一端面为密封盖，另一端面通过接头与所述连接单元连接；所述腔体为圆柱状腔体。

所述传感器依次垂直或平行于圆柱壁进行固定封装，每一所述传感器位于一传感器室内，所述传感器室设有进气孔。

所述传感器为电化学传感器。

所述连接单元为一信号线，所述信号线外套有一空心杆。

所述数据处理单元通过数据线连接一打印机；所述数据处理单元通过数据线与一报警器连接。

一种烟气成份浓度快速测试方法，其方法为：将校准后的测试仪器的传感器插入到被测烟道内，获取测试结果。

所述传感器封装于一测试单元内；将所述测试单元在环境空气中开机，然后将所述测试单元直接插入烟道进行测量。

所述测试单元将所述传感器测试的电压信号发送到所述测试仪器的控制单元，所述控制单元将接收的电压信号处理成数据信号后，通过无线传输模块或数据线发送给所述数据处理单元。

相对于现在普遍采取传感器放置于烟道外的主机内，将烟气抽取到主机内传感器的测试方法，本发明的主要优点是：

1)由于传感器直接被置于测试点，从根本上不会产生由管路水冷凝而产生的二氧化硫等气体损失的问题；同样，也不会出现由于锅炉烟囱的负压的太大，抽气泵无法保证将分析所需要流量的烟气抽到传感器部分的问题。

2)反应速度大大加快，T₉₀不大于15秒。传统烟气分析仪器由于气体抽取后需要一段时间烟气才能到达烟气分析仪主机内的传感器测量区，因此T₉₀通常都大于40秒。

采用本发明方法和结构的仪器经过了长期的不同现场测试，包括发电厂锅炉、采暖供热锅炉、石化企业生产用锅炉等。测试结果都证实了本发明的上述优点。

一典型测试如下：

测试时间：2009年9月

测试对象：天津某热电厂锅炉烟气排放口，烟气温度为78℃，锅炉采用湿法脱硫，烟气湿度高；

参比仪器：某知名品牌烟气分析仪，其带有加热采样探头、加热烟气导管和烟气快速制冷脱水处理器，其结构如图3所示；

测试步骤：

1)本发明结构仪器和参比仪器同时在空气中开机进行零点校准；

2)待两仪器都完成零点校准，并且参比仪器的所有加热部分都达到工作要求后，

将本发明仪器的测试单元和参比仪器的采样探针同时插入同一烟道测试口(参比仪器通过插入烟道的采样探针采集气体，在烟道外部进行测量)；

3)观察两个仪器显示的测试数据：

4)待两仪器显示测试数据都稳定10分钟后，将本发明结构仪器的测试单元和参比仪器的采样探针拔出到环境空气中进行回零；

5)将两仪器关机。

两台仪器的的测试数据见表3，

表3、现场测试数据

注：时间是从上述步骤2)完成即后开始计时

根据对比可以得出，采用本发明的仪器和方法可以更加准确的得到测量结果，使测量结果更符合实际情况。

附图说明

图1、现有电化学传感器烟气分析仪的结构；

1.1-采样区，1.2-取样管，1.3-连管，1.4-进气口，1.5-传感器，1.6-出气口，1.7-放大器，1.8-A/D转换系统，1.9-按键控制系统，1.10-单片机处理系统，1.11-显示屏，1.12-气泵驱动，1.13-气泵；

图2、现有前置式烟气脱水处理器的结构简图；

2.1-加热外套，2.2-加热带，2.3-进气管，2.4-进气口，2.5-冷却块，2.6-风扇，2.7-制冷片，2.8-出气口，2.9-出气管，2.10-制冷体，2.11-手把，2.12-储水瓶，2.13-保温瓶，2.14-采样区；

图3、现有全程加热烟气脱水处理器的结构简图；

3.1-烟道，3.2-加热取样管，3.3-加热软管，3.4-气体冷凝室，3.5-储水瓶，3.6-散热片，3.7-风扇，3.8-制冷片，3.9-排水泵，3.10-烟气分析仪主机；

图4、本发明烟气分析仪的结构简图；

4.1-传感器安装托板，4.2-保护罩进气孔，4.3-保护罩，4.4-中间连接管，4.5-信号线，4.6-手柄连接件，4.7-信号处理发射电路板，4.8-手柄外套，4.9-数据处理单元，4.10-数据处理单元按键，4.11-数据处理单元显示屏，4.12-数据连接线；

图5、本发明烟气分析仪测试单元结构简图；

5.1-进线孔，5.2-传感器托板，5.3-传感器室，5.4-传感器室进气孔，5.5-传感器室盖板；

图6、本发明烟气分析仪的测试步骤；

图7、本发明的实验系统简图；

7.1-恒温箱7.2-气袋7.3-SO2传感器7.4-信号放大电路7.5-电压表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细描述：

本方法是基于如下研究：

在实验室中搭建一个温控系统，见附图7，进行以下实验。

1)将浓度为100ppm的SO₂标准气体充满气袋，设置恒温箱为不同温度，测试气袋中传感器的输出电信号，见表1：

表1、温度变化对传感器(二氧化硫)输出的影响

注：测量气体为用99.99％的纯氮气和二氧化硫气体配成的湿度为零的干燥标准气体

2)将恒温箱温度设定为在0～80℃内的任意温度，将气袋充满不同湿度的100ppm标准气，测量传感器的输出电信号，见表2：

表2、湿度变化对传感器(二氧化硫)输出的影响

以上研究结果说明，在一定的范围内(温度0℃～80℃)，温度变化对传感器的输出信号产生的影响不大；同样，在一定范围内，湿度变化对传感器的输出信号产生的影响不大，符合通常的仪器测试精度要求，即±5％之内，(假如测量有更高的要求，还可以通过对测量烟道的温、湿度进行温、湿度补偿使仪器达到更高的精度)。那么将传感器直接置于烟气温度在0℃～80℃内的烟道内进行烟气测量就是可以保证测量精度的。

根据本方法，本发明采用如下技术方案实现了一种烟气分析仪，见附图4，其包括：

1)测试单元：将电化学传感器包括氧气、二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮传感器，封装在一个圆筒状腔体中。其侧面开孔，利于烟气通过。

2)连接单元：连接测试单元和控制单元的空心杆；杆内有连接测试单元和控制单元的信号连接线。

3)控制单元：将传感器产生的电压信号处理成数字信号，经过修正并通过无线传输模块或RS232端口将数据传往数据处理单元。

4)数据处理单元。接收控制单元传来的数据，并以浓度单位ppm或mg/m3显示在屏幕上。同时可提供数据存储、打印、运行状态报警以及仪器标定等操作。

上述控制单元和数据处理单元也可集成为一体的控制和数据处理单元。

测试单元为一圆柱状腔体，一面为密封盖，另一面有接头与连接单元的连接杆连接。传感器(如氧气、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮传感器)被依次垂直于圆柱壁固定封装在腔体内。圆柱壁侧面有多个孔，便于烟气通过柱体，与传感器接触，见附图5。

利用本发明仪器进行烟气测试的步骤如下，另见附图6：

1)将所述仪器在环境空气中开机，进行传感器零点校准(也可不在空气中较零，开机直接测量)；

2)将所述测试单元插入到被测烟道内；

3)等所述数据处理单元显示的测试结果稳定后，就可进行存储或打印记录；

4)将所述测试单元从烟道内拔出，放在环境空气中，等所述数据处理单元显示的测试结果回零后即可关机或进行下一次测试。

Claims

1.一种烟气成份浓度快速测试仪器，其特征在于包括封装有传感器的测试单元、连接单元、控制单元和数据处理单元；所述测试单元经所述连接单元与所述控制单元连接；所述控制单元通过无线传输模块或数据线与所述数据处理单元连接。

2.如权利要求1所述的测试仪器，其特征在于所述测试单元具有一层保护罩，所述保护罩内部封装有若干传感器；所述保护罩上开有进气孔。

3.如权利要求2所述的测试仪器，其特征在于所述测试单元为一腔体，所述腔体的一端面为密封盖，另一端面通过接头与所述连接单元连接；所述腔体为圆柱状腔体。

4.如权利要求3所述的测试仪器，其特征在于所述传感器依次垂直或平行于圆柱壁进行固定封装，每一所述传感器位于一传感器室内，所述传感器室设有进气孔。

5.如权利要求1或4所述的测试仪器，其特征在于所述传感器为电化学传感器。

6.如权利要求1所述的测试仪器，其特征在于所述连接单元为一信号线，所述信号线外套有一空心杆。

7.如权利要求1所述的测试仪器，其特征在于所述数据处理单元通过数据线连接一打印机；所述数据处理单元通过数据线与一报警器连接。

8.一种烟气成份浓度快速测试方法，其方法为：将校准后的测试仪器的传感器插入到被测烟道内，获取测试结果。

9.如权利要求8所述的测试方法，其特征在于所述传感器封装于一测试单元内；将所述测试单元在环境空气中开机，然后将所述测试单元直接插入烟道进行测量。

10.如权利要求9所述的测试方法，其特征在于所述测试单元将所述传感器测试的电压信号发送到所述测试仪器的控制单元，所述控制单元将接收的电压信号处理成数据信号后，通过无线传输模块或数据线发送给所述数据处理单元。