CN102183476A - 一种烟气在线监测仪中的检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种烟气在线监测仪中的检测设备，包括一检测探头，所述检测探头插入到烟道中，检测探头的尾部通过安装法兰固定在烟道壁上，光学检测部件固定在检测探头的尾部，在检测探头内部设有光学窗片，所述光学窗片的外周与检测探头的内壁相接触并密封，在光学窗片和检测探头头部入口之间的检测探头内部空间还设置防尘结构，所述防尘结构包括沿检测探头轴向依次设置的至少一段防尘模块，每段防尘模块内形成沿检测探头轴向贯穿的气体通道，并且气体通道靠近光学窗片一侧的口径大于靠近检测探头头部一侧的口径。

Description

一种烟气在线监测仪中的检测设备

技术领域

本发明涉及在线监测仪技术领域，尤其涉及一种烟气在线监测仪中的检测设备。

背景技术

在利用光学吸收光谱方法对烟气污染物的排放进行采样检测时，传统的方法是将排放的污染气体抽取出来，然后送入到检测设备中进行检测，这种方式需要长距离的采样加热管道、过滤器和冷凝器等复杂装置。为了简化结构，在烟气的在线监测过程中越来越多的采用原位式安装，即将检测设备直接插入到烟气排放的通道里，检测设备包括一检测探头，在检测探头中通过光学窗片隔离光谱仪和烟道环境，并且能够让检测光通过，原位式安装方法提高了烟气监测的便捷性、连续性和实施性，而且结构更加简单。

但是，烟道内的恶劣环境也给采用原位式安装方式的检测设备带来了严峻的考验。由于烟道内粉尘浓度很高，为了不会对检测设备带来影响，需要采取一定的防尘措施，避免粉尘落在光学窗片上给检测结果带来偏差。

传统的防尘措施是吹扫防尘方法，图1示出了吹扫防尘方法的原理图，检测探头6通过安装法兰2固定后插入到烟道4中进行在线分析，光学部件1与烟道4内部的烟尘7之间通过光学窗片8隔离，使得烟尘7不能扩散到光学部件1中。洁净空气通过高压泵后从洁净空气入口3通入检测探头6外周的管道内，从光学窗片8外侧的出口喷出，并在光学窗片8前形成一层气帘5，气帘5将进入到检测探头6内的部分烟尘阻挡在光学窗片8内，防止其落在光学窗片8上，达到除尘的效果。

采用上述吹扫防尘方法时，形成气帘的洁净空气会继续在检测探头6内向烟道内部的方向流动，有可能会对被测气体的分布带来一定的影响，从而影响检测结果的准确性。另外，采用了吹扫防尘方法的检测设备的结构相对比较复杂，会给加工带来一定的难度。再者，还需要配备高压气泵等辅助工具，增加了成本。此外，一旦检测设备插入到烟道后，高压气泵必须连续不间断地工作，因为如果高压气泵停止工作，烟道内的气体和烟尘将从原本用来流通洁净气体的通道反向流出到外部，所以连续不间断工作的高压气泵将造成能源的极大浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种烟气在线监测仪中的检测设备，能够在防止烟尘落在光学窗片上的同时，降低对被测气体的分布的影响。

为实现上述目的，本发明的一个实施例提供一种烟气在线监测仪中的检测设备，包括一检测探头，所述检测探头插入到烟道中，检测探头的尾部通过安装法兰固定在烟道壁上，光学检测部件固定在检测探头的尾部，在检测探头内部设有光学窗片，所述光学窗片的外周与检测探头的内壁相接触并密封，在光学窗片和检测探头头部入口之间的检测探头内部空间还设置防尘结构，所述防尘结构包括沿检测探头轴向依次设置的至少一段防尘模块，每段防尘模块内形成沿检测探头轴向贯穿的气体通道，并且气体通道靠近光学窗片一侧的口径大于靠近检测探头头部一侧的口径。

优选地，每段防尘模块内部的气体通道沿轴向分成彼此相邻、并且孔径不同的两部分圆柱形孔，并且靠近光学窗片的部分的孔径大于靠近检测探头头部的部分的孔径。

优选地，每段防尘模块内部的气体通道沿轴向分成彼此相邻、并且截面面积不同的两部分方形孔，并且靠近光学窗片的部分的截面面积大于靠近检测探头头部的部分的截面面积。

优选地，每段防尘模块内部的气体通道呈圆台状，并且圆台的顶部朝向靠近检测探头的头部的一侧，圆台的底部朝向靠近光学窗片的一侧。

优选地，所有段防尘模块独立放置。

优选地，所有段的防尘模块连成一体，并一体成型。

优选地，在检测探头头部外侧还安装一朝向内侧的反射镜。

本发明实施例提供的烟气在线监测仪中的检测设备在采取防尘措施时，没有泵入外部气体，而是通过自身内部的防尘结构将气体中的烟尘颗粒沉降下来，对检测过程中的被测气体的分布没有影响。而且本实施例中的防尘结构的构造也较为简单，易于加工，大大降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中采用吹扫防尘方法的检测设备的示意图；

图2是恒定流动的流体的一端流管的示意图；

图3是运动中的含尘气流中的烟尘颗粒的受力情况示意图；

图4是本发明中的烟气在线监测仪中的检测设备的一个实施例的示意图；

图5是图4中的在线监测仪中的检测设备的每段防尘模块的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

发明人在实现本发明的过程中，利用流体力学和空气动力学的原理对防尘结构的具体形状进行了设计和分析。为了能够有效地防止烟尘颗粒落在光学检测仪器前的光学窗片上，需要了解烟尘在气体中的运动规律。烟尘粒子在分散气体中是不断运动的，作用域烟尘颗粒上的力可以归纳成以下几种：烟尘粒子自身的重力P1、烟尘粒子受到气体介质的浮力P2、烟尘粒子运动时收到气体介质的阻力P3、机械力、静电力、以及风力、气体介质分组热运动的撞击力(例如布朗运动产生的力)、粒子间的相互作用力(例如吸引力)等。其中，最后两种力相比于前四种力是很小的，近乎可以忽略。

将恒定流动的原理应用于恒定流动的流管，并且该流管具有足够小的横横截面积，以至于任何给定横截面积上的速度可认为是常数，如图2所示，对于满足上述条件的流管的断面①和断面②之间的区域，因为不可能有穿过流管壁面的流动，因此在断面①单位时间内流入的质量等于在断面②单位时间内流出的质量。

如果在断面①处流管的截面面积为δA₁，流体速度为μ₁，而其密度为ρ₁，在断面②处截面面积为δA₂，流体速度为μ₂，而其密度为ρ₂，则在断面①单位时间内流入的质量等于δA₁μ₁ρ₁，在断面②单位时间内流出的质量等于δA₂μ₂ρ₂，于是则有下式成立：

δA₁μ₁ρ₁＝δA₂μ₂ρ₂＝C                    (式子1)

其中，速度μ₁和μ₂与横截面面积δA₁和δA₂成直角测量。

对于流体在实际的圆管或其他管道的流动过程，流体的速度从一侧管壁到另一侧管壁是变化的，所以上述式子中的断面上的流体速度应该用该断面上的平均速度代替，由此式子1可以改写成下式的形式：

${\mathrm{\ρ}}_1{A}_1{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_1={\mathrm{\ρ}}_2{A}_2{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_2=m$ (式子2)

图3示出了运动中的烟尘颗粒(图中简称尘粒)的受力情况，此时，烟尘颗粒主要受自身重力、浮力和沉降时的阻力的作用。重力和沉降方向一致，浮力和沉降方向相反，重力和浮力的差值为烟尘颗粒的沉降力Fc。烟尘颗粒在受到沉降力的作用向下运动，由于气体介质阻力不断增加，所以气体介质阻力很快与沉降力达到平衡。

不妨假设烟尘颗粒的形状为球形，则可以得出以下两式：

$F_c=\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}^{3}g({\mathrm{\ρ}}_c-\mathrm{\ρ})$ (式子3)

$F=\mathrm{\ξ}\frac{\mathrm{\π}{d}^2{\mathrm{\ρ}}_c{\mathrm{\υ}}_c^2}{8}$ (式子4)

其中，F_c为烟尘颗粒的沉降力，单位为牛(N)，F为气体介质的阻力，单位也为牛(N)；d为烟尘颗粒的直径，单位为m；ρ_c为烟尘颗粒的密度，单位为kg/m³；ρ为含尘颗粒的密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²，ξ为烟尘颗粒沉降时所受到的气体介质阻力的阻力系数，υ_c为烟尘颗粒的沉降速度，单位为m/s。

当烟尘颗粒的沉降力与其收到的阻力相等时，烟尘颗粒等速下降，此时的速度称为沉降速度，记为υ_c。烟尘颗粒以沉降速度下降，并在一段时间后到达底部而分离。假设含尘气流的水平速度为υ₀，则其中所含的烟尘颗粒的水平速度也为υ₀，如图3所示，烟尘颗粒从高度为H的地方开始下降，落在水平距离为L的地点，则存在以下关系式：

υ_c＝υ₀H/L                (式子5)

当υ₀和H越小并且L越大时，烟尘微粒的沉降越明显，对光学系统镜片组的防尘效果越好。

基于上述分析，本发明在检测设备中安置了类似喇叭口形状的防尘模块，以下详细说明各个具体的实施例。

实施例一

图4为本发明提供的烟气在线监测仪中的检测设备的一个实施例的示意图，该检测设备包括一检测探头59，检测探头59用于插入到烟道中，检测探头59的尾部与安装法兰52固定，并通过安装法兰52可拆卸地固定在烟道壁上。光学检测部件51固定在检测探头59的尾部。光学检测部件51中包括向检测探头59内侧输出光的光源、以及接收从检测探头59内侧反射回的光并进行检测的光学分析器件，例如光谱仪。在检测探头59的内部设有光学窗片53，光学窗片53的外周与检测探头59的内壁相接触并密封，光学窗片53可以隔离位于光学窗片53前方的烟道内的环境和位于光学窗片53后方的光学检测部件51，另外，光学窗片53能够允许检测光通过。

在光学窗片53和检测探头59的头部之间内部空间区域设置了防尘结构，防尘结构包括沿检测探头轴向依次设置的至少一段防尘模块，图4中防尘模块共有3段，标记依次为54、55和56。

图5示出了每段防尘模块的具体结构，其中以图4中的防尘模块54为例说明。每段防尘模块内部形成沿检测探头的轴向贯穿的气体通道。在本实施例中，该气体通道分成彼此相邻、并且孔径不同的两部分圆柱形孔，其中靠近光学窗片的部分记为542，靠近检测探头头部的部分记为541，靠近光学窗片的部分542的孔径r₂大于靠近检测探头头部的部分541的孔径r₁。在气流从检测探头59的头部流入并经过防尘模块54时，其中的烟尘流入防尘模块54的速度为υ₁，烟尘流出防尘模块54的速度为υ₂，将孔径较大的部分542的轴向长度记为L。则有

π·r₁ ²·υ₁＝π·r₂ ²·υ₂                   (式子6)

由此得出：

${\mathrm{\υ}}_2=\frac{{r_1}^2\·{\mathrm{\υ}}_1}{{r_2}^2}$ (式子7)

由于r₁＜r₂，所以υ₂＜υ₁。

由此可以看出，当混有烟尘的气体扩散到装有光学检测部件的检测探头中时，气流每经过一段防尘模块，其速度将明显降低，使得含尘气体中的烟尘颗粒借助自身的重力自然沉降下来，以免烟尘颗粒落在光学窗片上。

由于本实施例中的检测设备在采取防尘措施时，没有泵入外部气体，而是通过自身内部的防尘结构将气体中的烟尘颗粒沉降下来，对检测过程中的被测气体的分布没有影响。而且本实施例中的防尘结构的构造也较为简单，易于加工，大大降低了成本。

需要说明的是，上述防尘模块的个数可以根据实际需要灵活选择；另外，在图4中，所有段的防尘模块是独立放置的，也可以将所有段的防尘模块连成一体，并一体成型。

另外，在检测探头59的头部外侧还设置了朝向内侧的反射镜58，光学检测部件51中的光源输出的光经过检测探头59中的烟气后，再经过反射镜58的反射，再次经过烟气，并最终被光学检测部件51接收，用来通过光学方法分析烟气的成分。反射镜58的形状可以设计成两面呈90度夹角的平面镜，并且平面镜的反射面均朝向检测探头59的内侧。

实施例二

本实施例提供的烟气在线监测仪中的检测设备与实施例一的区别仅在于：各段防尘模块的内部的气体通道与实施例一中的结构不同，在本实施例中，每段防尘模块内部的气体通道沿轴向分成彼此相邻、并且截面面积不同的两部分方形孔，而且靠近光学窗片的部分的截面面积大于靠近检测探头头部的部分的截面面积。本领域技术人员基于上文中对烟尘颗粒受力情况的分析过程，应该也能够得知当气体通道呈两段方形孔，并且靠近光学窗片的部分的截面面积大于靠近检测探头头部的部分的截面面积时，也能够使得气流的流出速度相比流入速度减小很多，使得其中的烟尘颗粒依靠自身重力沉降。

实施例三

本实施例提供的烟气在线监测仪中的检测设备与前述实施例的区别仅在于：各段防尘模块内部的气体通道呈圆台状，并且圆台的顶部朝向靠近检测探头的头部的一侧，圆台的底部朝向靠近光学窗片的一侧。

本领域技术技术人员基于上文中对烟尘颗粒受力情况的分析过程，不难得出：采用本实施例中的防尘模块的结构，也能够使得气流的流出速度小于流入的速度，从而使得烟尘颗粒依靠自身重力沉降。

需要说明的是，防尘模块中的气体通道的形状并不限于上述诸多实施例，只要气体通道靠近光学窗片一侧的口径大于靠近检测探头头部一侧的孔径，均可以实现气体从气体通道的小口径端进、大口径端出，从而都可以使得含尘气流从防尘模块的大口径端流出的速度小于从小口径端流入的速度，也就都能解决本发明要解决的技术问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种烟气在线监测仪中的检测设备，包括一检测探头，所述检测探头插入到烟道中，检测探头的尾部通过安装法兰固定在烟道壁上，光学检测部件固定在检测探头的尾部，在检测探头内部设有光学窗片，所述光学窗片的外周与检测探头的内壁相接触并密封，其特征在于，在光学窗片和检测探头头部入口之间的检测探头内部空间还设置防尘结构，所述防尘结构包括沿检测探头轴向依次设置的至少一段防尘模块，每段防尘模块内形成沿检测探头轴向贯穿的气体通道，并且气体通道靠近光学窗片一侧的口径大于靠近检测探头头部一侧的口径。

2.根据权利要求1所述的烟气在线监测仪中的检测设备，其特征在于，每段防尘模块内部的气体通道沿轴向分成彼此相邻、并且孔径不同的两部分圆柱形孔，并且靠近光学窗片的部分的孔径大于靠近检测探头头部的部分的孔径。

3.根据权利要求1所述的烟气在线监测仪中的检测设备，其特征在于，每段防尘模块内部的气体通道沿轴向分成彼此相邻、并且截面面积不同的两部分方形孔，并且靠近光学窗片的部分的截面面积大于靠近检测探头头部的部分的截面面积。

4.根据权利要求1所述的烟气在线监测仪中的检测设备，其特征在于，每段防尘模块内部的气体通道呈圆台状，并且圆台的顶部朝向靠近检测探头的头部的一侧，圆台的底部朝向靠近光学窗片的一侧。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的烟气在线监测仪中的检测设备，其特征在于，所有段防尘模块独立放置。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的延期在线监测仪中的检测设备，其特征在于，所有段的防尘模块连成一体，并一体成型。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的烟气在线监测仪中的检测设备，其特征在于，在检测探头头部外侧还安装一朝向内侧的反射镜。

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