CN102507509A - 一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪 - Google Patents

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林兆祥
刘林美
吴金泉
李虹杰
井传发
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Wuhan Tianhong Instruments Co Ltd
South Central Minzu University
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Wuhan Tianhong Instruments Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，包括用于采集空气污染物的样品采集机构、接收样品采集机构所采集的空气污染物并利用光学原理对其进行分析后并将光信号转换为电信号的光学分析测量机构、以及将光学分析测量机构输出的电信号转换为数字信号后进行分析的分析系统。因此，本发明具有如下优点：通过先对有毒颗粒进行富集到滤膜上可以大大的降低检测限；可以同时检测烟气中铁、铜、铝、铅、镉、汞、砷等污染物及其浓度；通过测距和反馈系统使聚焦透镜与滤膜的位置保持恒定等于聚焦透镜的焦距，大大提高了由于焦点位置变化引起的波动；结构简单，操作方便，适合对烟气中有毒颗粒物的实时在线监测。

Description

一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪
技术领域
本发明涉及一种实时在线检测分析仪，尤其是涉及一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪。
背景技术
随着经济发展和社会进步，人们的环保意识也日益增强。研究和实践都表明，燃烧所产生的烟气是大气环境最大的污染源。我国的《国家环境保护“十一五”规划》对烟气排放的治理提出了具体的要求，同时也制定了《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》的严格技术标准。因此，如何有效地控制和治理燃烧烟气污染物的排放，已成为政府部门乃至全社会关注的焦点，同时也成为相关科学研究工作的热点和前沿。
燃烧过程中产生的污染物种类很多，其危害形式也各不相同。烟气排放的许多有害气体如COx、SOx、NOx等，对生态环境以及全球气候的影响早已受到重视，并已经或正在采取措施来降低其危害。但是，对烟气排放中的多种有毒微粒元素如As、Hg、Pb、Cr、Cd等的危害，则直到上世纪末期才逐渐引起人们的重视。美国环境保护协会曾指出：在燃烧烟气排放的多种污染物中尤以亚微米量级的有毒微粒元素对人类的健康构成最大的威胁。这些有毒微粒元素会经煤燃烧、气燃烧、垃圾焚烧、黑色金属和有色金属冶炼等过程排放，然后在大气中扩散并长期驻留，不易降解。不但会造成对大气、水体和土壤等的污染，破坏生态环境，而且这些有毒的可吸入颗粒物一旦吸入人体，便会在体内沉积，并转化为毒性更大的相应有机化合物，产生致癌、致畸和致突变等作用，对人类健康造成严重危害。因此，对监测、控制和治理烟气中有毒微粒元素的需求非常迫切。
目前常用的检测烟气中污染物的方法代表性的有电感耦合等离子体发射光谱法ICP-AES和火焰光度分析法。这两种方法虽然提高了对污染物质的检测精度，但均须在实验室完成，且在检测前需对样品进行前期处理，因此，对检测环境要求严格、测试周期长，需耗费大量的人力、物力资源，无法在燃烧的过程中进行实时检测。XRF分析浓度范围较宽，但只适合于测量原子序数大于11的元素，且其检测精度和灵敏度不高；AAS灵敏度高，但是一次只能检测一种元素，进行多元素同时测量尚有困难。这些方法均不适合用于燃烧过程中烟气中有毒颗粒物的实时在线监测。
目前国际上提出采用激光击穿光谱LIBS技术来解决这一问题。LIBS是20世纪末期发展起来的一种全新的物质元素分析方法。该方法利用聚焦的高能量激光束将被检测物质击穿形成高温等离子体，由于各种物质都被激发到高能态，它们在回到基态的过程中将辐射出各自的特征光谱，通过分析这些光谱可得到被检测物质的种类和含量。LIBS检测烟气中重金属元素的研究刚起步，一般直接将烟气作为样品进行测量，如专利200820190025.2所述，但是由于烟气中有毒重金属元素的含量较低，这种直接检测的方法检测限不足。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种通过先对有毒颗粒进行富集到滤膜上可以大大的降低检测限；可以同时检测烟气中铁、铜、铝、铅、镉、汞、砷等污染物及其浓度的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪。
本发明还有一目的是解决现有技术所存在的等的技术问题；提供了一种通过测距和反馈系统使聚焦透镜与滤膜的位置保持恒定等于聚焦透镜的焦距，大大提高了由于焦点位置变化引起的波动；并且结构简单，操作方便，适合对烟气中有毒颗粒物的实时在线监测的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，包括用于采集空气污染物的样品采集机构、接收样品采集机构所采集的空气污染物并利用光学原理对其进行分析后并将光信号转换为电信号的光学分析测量机构、以及将光学分析测量机构输出的电信号转换为数字信号后进行分析的分析系统。
在上述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，所述的样品采集机构包括样品采集腔、设置在样品采集腔内的样品采集装置、设置样品采集腔内且进气口设在样品采集腔外与大气相通出气口设置在样品采集装置上方的进气管、以及设置在样品采集腔下方并与样品采集腔连通的抽气装置。
在上述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，所述的抽气装置包括一个通过通气管与上述样品采集腔连通的真空泵，所述通气管上还设置有流量阀。
在上述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，所述的样品采集装置包括传送带以及均匀设置在传送带上的滤膜，所述传送带两端分别缠绕在通过步进电机带动旋转的传动轮上。
在上述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，所述光学分析测量机构包括与上述样品采集腔相通的样品分析腔，上述传送带一端设置在样品采集腔内，另一端被步进电机输送至样品分析腔内；所述传送带另一端上方设有用以聚光的聚焦透镜，下方设有用以测量所述聚焦透镜与传送带位置的测距仪；所述聚焦透镜上方设有用以发射检测光源的激光器；所述激光器通过聚焦透镜将平行光源射至聚焦后设置传送带的滤膜上；所述聚焦透镜与激光器之间还设有用以接收滤膜反射光并将该反射光发射出去的中空反射镜，该光学分析测量机构还包括设置在中空反射镜旁用以接收中空反射镜的发射光的且依次连接的收光系统和分光系统，所述分光系统出射端设置有光电探测器。
在上述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，所述光学分析测量机构还包括一个与上述激光器相连用以控制激光器发射频率的脉冲发生器。
在上述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，所述分析系统包括一个与上述光电探测器相连且设置在样品分析腔内的A/D转换器以及设置在样品分析腔外的控制分析器。
在上述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，所述的聚焦透镜通过传动机构与一个聚焦透镜步进电机相连，用以控制聚焦透镜的上下垂直运动。
在上述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，所述测距仪、步进电机、A/D转换器以及聚焦透镜步进电机均与上述控制分析器相连。
在上述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，所述收光系统包括至少两个同轴设置的凸透镜。
因此，本发明具有如下优点：1、通过先对有毒颗粒进行富集到滤膜上可以大大的降低检测限；2、可以同时检测烟气中铁、铜、铝、铅、镉、汞、砷等污染物及其浓度；3、通过测距和反馈系统使聚焦透镜与滤膜的位置保持恒定等于聚焦透镜的焦距，大大提高了由于焦点位置变化引起的波动；4、结构简单，操作方便，适合对烟气中有毒颗粒物的实时在线监测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是用本发明检测到的烟气中Cd元素226.5纳米特征谱线的“光谱强度-浓度”的曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，进气管1、样品采集腔2、压缩喷嘴3、流量阀4、真空泵5、滤膜6、传动轮7、步进电机8、测距仪9、聚焦透镜10、聚焦透镜步进电机11、中孔反射镜12、收光系统13、分光系统14、光电探测器15、激光器16、脉冲发生器17、A/D转换器18、控制分析器19、样品分析腔20。
实施例：
一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，包括用于采集空气污染物的样品采集机构、接收样品采集机构所采集的空气污染物并利用光学原理对其进行分析后并将光信号转换为电信号的光学分析测量机构、以及将光学分析测量机构输出的电信号转换为数字信号后进行分析的分析系统。
样品采集机构包括样品采集腔2、设置在样品采集腔2内的样品采集装置、设置样品采集腔2内且进气口设在样品采集腔2外与大气相通出气口设置在样品采集装置上方的进气管1、以及设置在样品采集腔2下方并与样品采集腔2连通的抽气装置，所述的进气管1的出气口端还设置有压缩喷嘴3，为了测量不同粒径颗粒物中的元素含量可以在进气管的入口处接不同尺寸的空气切割器；样品采集装置包括传送带以及均匀设置在传送带上的滤膜6，所述传送带两端分别缠绕在通过步进电机8带动旋转的传动轮7上；抽气装置包括一个通过通气管与上述样品采集腔2连通的真空泵5，所述通气管上还设置有流量阀4。这里，压缩喷嘴3的喷嘴处于滤膜6上方1-3毫米，直径为1mm，与真空泵5的相连的通气管进气口处于压缩喷嘴3的正下方10-25毫米处。样品分析腔20的通过一个玻璃板将其分隔为上下两部分。
光学分析测量机构包括与上述样品采集腔2相通的样品分析腔20，上述传送带一端设置在样品采集腔2内，另一端被步进电机输送至样品分析腔20内；所述传送带另一端上方设有用以聚光的聚焦透镜10，下方设有用以测量所述聚焦透镜10与传送带位置的测距仪9；聚焦透镜10通过传动机构与一个聚焦透镜步进电机11相连，用以控制聚焦透镜10的上下垂直运动；所述聚焦透镜10上方设有用以发射检测光源的激光器16；这里，激光器16采用Nd:YAG激光器，输出波长为1064纳米，激光能量范围为100～500毫焦。所述激光器通过聚焦透镜10将平行光源射至聚焦后设置传送带的滤膜6上；所述聚焦透镜10与激光器16之间还设有用以接收滤膜6反射光并将该反射光发射出去的中空反射镜12，该光学分析测量机构还包括设置在中空反射镜12旁用以接收中空反射镜12的发射光的且依次连接的收光系统13和分光系统14，所述分光系统14出射端设置有光电探测器15，收光系统13包括至少两个同轴设置的凸透镜，光学分析测量机构还包括一个与上述激光器16相连用以控制激光器16发射频率的脉冲发生器17。
分析系统包括一个与上述光电探测器15相连且设置在样品分析腔20内的A/D转换器18以及设置在样品分析腔20外的控制分析器19。
测距仪9、步进电机8、A/D转换器18以及聚焦透镜步进电机22均与上述控制分析器29相连，在本实施例中，控制分析器29即计算机系统。
下面具体介绍下本分析仪的工作步骤：
a、将烟气中有毒颗粒物的激光击穿光谱实时在线检测分析仪安置在需检测的烟气附近，打开抽气真空泵5调节流量阀4，使抽气的流量控制在1L/s，抽气1分钟；
b、此时，步进电机8开始工作将滤膜6上的样品移到聚焦透镜10的焦点处，测距仪9测出聚焦透镜10与滤膜6的距离，然后反馈到控制分析器19，由控制分析器19控制步进电机11使聚焦透镜10与滤膜6的距离始终恒定等于聚焦透镜10的焦距，然后脉冲发生器17给Nd:YAG激光器16一个脉冲信号，Nd:YAG激光器16在外触发端收到一个脉冲信号就发出一个脉冲激光，脉冲经聚焦透镜10，聚焦到滤膜6上；
c、当滤膜6上的有毒颗粒物被聚焦的高能量激光束击穿后，会形成等离子体，烟气中的各种物质将被激发到高能态，在下一个脉冲激光到达之前，高能态的各种物质将回到基态，在此过程中，各种物质会辐射出各自的特征光谱；
d、等离子体发出特征光谱会经烟气中有毒颗粒物的激光击穿光谱实时在线检测分析仪的聚焦透镜10准直，然后经中孔反射镜12反射，进入收光系统13，直接进入分光系统14进行分光；
e、分光系统14对接收到的光信号分光后传入光电探测器15，此时，脉冲发生器17激发该脉冲激光同时发出的另一个脉冲信号触发光电探测器15进行开门采集，并将采集到的光信号转换成电信号，电信号经A/D转换器18把模拟信号转为数字信号，并导入控制分析器19，通过控制分析器19的处理以后得到所含物质浓度。
表1为现有LIBS技术直接检测标准样品的检测精度和误差。
表1
Figure BSA00000597182700071
表2为烟气中有毒颗粒物的激光击穿光谱实时在线检测分析仪检测标准样品的检测精度和误差。
表2
Figure BSA00000597182700081
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了进气管1、样品采集腔2、压缩喷嘴3、流量阀4、真空泵5、滤膜6、传动轮7、步进电机8、测距仪9、聚焦透镜10、聚焦透镜步进电机11、中孔反射镜12、收光系统13、分光系统14、光电探测器15、激光器16、脉冲发生器17、A/D转换器18、控制分析器19、样品分析腔20等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (10)

1.一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，包括用于采集空气污染物的样品采集机构、接收样品采集机构所采集的空气污染物并利用光学原理对其进行分析后并将光信号转换为电信号的光学分析测量机构、以及将光学分析测量机构输出的电信号转换为数字信号后进行分析的分析系统。
2.根据权利要求1所述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，所述的样品采集机构包括样品采集腔(2)、设置在样品采集腔(2)内的样品采集装置、设置样品采集腔(2)内且进气口设在样品采集腔(2)外与大气相通出气口设置在样品采集装置上方的进气管(1)、以及设置在样品采集腔(2)下方并与样品采集腔(2)连通的抽气装置。
3.根据权利要求2所述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，所述的抽气装置包括一个通过通气管与上述样品采集腔(2)连通的真空泵(5)，所述通气管上还设置有流量阀(4)。
4.根据权利要求2所述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，所述的样品采集装置包括传送带以及均匀设置在传送带上的滤膜(6)，所述传送带两端分别缠绕在通过步进电机(8)带动旋转的传动轮(7)上。
5.根据权利要求2所述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，所述光学分析测量机构包括与上述样品采集腔(2)相通的样品分析腔(20)，上述传送带一端设置在样品采集腔(2)内，另一端被步进电机输送至样品分析腔(20)内；所述传送带另一端上方设有用以聚光的聚焦透镜(10)，下方设有用以测量所述聚焦透镜(10)与传送带位置的测距仪(9)；所述聚焦透镜(10)上方设有用以发射检测光源的激光器(16)；所述激光器通过聚焦透镜(10)将平行光源射至聚焦后设置传送带的滤膜(6)上；所述聚焦透镜(10)与激光器(16)之间还设有用以接收滤膜(6)反射光并将该反射光发射出去的中空反射镜(12)，该光学分析测量机构还包括设置在中空反射镜(12)旁用以接收中空反射镜(12)的发射光的且依次连接的收光系统(13)和分光系统(14)，所述分光系统(14)出射端设置有光电探测器(15)。
6.根据权利要求5所述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，所述光学分析测量机构还包括一个与上述激光器(16)相连用以控制激光器(16)发射频率的脉冲发生器(17)。
7.根据权利要求6所述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，所述分析系统包括一个与上述光电探测器(15)相连且设置在样品分析腔(20)内的A/D转换器(18)以及设置在样品分析腔(20)外的控制分析器(19)。
8.根据权利要求5所述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，所述的聚焦透镜(10)通过传动机构与一个聚焦透镜步进电机(11)相连，用以控制聚焦透镜(10)的上下垂直运动。
9.根据权利要求7所述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，所述测距仪(9)、步进电机(8)、A/D转换器(18)以及聚焦透镜步进电机(22)均与上述控制分析器(29)相连。
10.根据权利要求7所述的一种烟气中有毒颗粒物的实时在线检测分析仪，其特征在于，所述收光系统(13)包括至少两个同轴设置的凸透镜，所述的进气管(1)的出气口端还设置有压缩喷嘴(3)。
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