CN102519760A - 一种总气态汞烟气采样枪及其采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种总气态汞烟气采样枪及其采样系统，属于烟气中总气态汞的采集装置领域。为了减少现场工作的负担，保证采样吸附管采样成功率，本发明设计了新型汞采样枪及其采样系统，将吸附管安装在采样枪后端。采样枪，包括采样枪体，采样枪体一端有进气口，另一端设置烟气出口，吸附管固定器设置在采样枪后端近烟气出口位置。本发明具有保护采样用吸附管，有效减少了现场的工作量，提高采样重复性，稳定流经吸附管气流，提高采样精度等优势。

Description

一种总气态汞烟气采样枪及其采样系统

技术领域

本发明涉及一种环境监测采样设备，具体涉及一种用于烟气中总气态汞的采集的采样枪及采样系统。

背景技术

向大气排放汞的主要来源之一是燃煤，每年由于煤燃烧造成的汞污染物排放占人类活动所释放汞的较大部分。对煤燃烧后排放的尾部气体检测治理是有效降低燃煤过程释放汞量的措施，这就必须对尾部气体进行采样，检测其中的汞浓度。根据不同的浓度选择适当的治理措施。

在烟气中汞主要有三种形式：元素汞、二价汞和颗粒物态汞。由于汞具有零价和二价等不同形态，其组态又会因温度或催化剂等因素的不同而发生改变，因此对汞污染物的检测是一件有难度的事情。目前针对烟气中汞采样的方法主要有安大略烟道气体湿法取样方法、吸附剂捕捉汞方法以及汞连续排放监测系统等几种不同方法，其中吸附剂捕捉汞方法，特别是基于EPA Method 30B标准的吸附管法（30B方法），因其操作方便、便于携带、精度高等优点，既可以作为参比方法对安装在燃煤锅炉的Hg CEMS和Hg STMS的相对准确度进行检测审核，也可作为标准方法对燃煤锅炉排放的Hg进行常规检测。

目前，汞污染物排放的检测，我国目前主要采用美国EPA的相关方法， 本发明主要就是依据EPA Method 30B的标准流程，并加以完善改进，在确保相同的检测精度的同时，简化了现场测试的操作步骤，提高采样的成功率。

U．S.EPA Method 30B是以适当的流量从烟道或管道通过插入烟道或管道的配对吸附管抽取已知体积的烟气，将富集在吸附管上的汞与采样体积作为排放气体汞浓度的计算参数。目前参考30B方法的汞采样系统，都是遵照30B流程将吸附管安装在探杆前端，插入烟道或管道中，而吸附管一般采用玻璃材质，属于易碎品，在插入烟道或管道中容易出现碰碎而导致采样失败；且每次采样结束需要更换采样探杆前端的吸附管，给现场采样带来较大的工作量，降低了采样效率。

附图中图1为目前30B方法采样枪前端局部放大示意图，其中可明显看到为保护吸附管而凸出与采样枪前端的探针。图2为吸附管安装后使用状态局部放大示意图，可以看到，吸附管实际实用中，明显超出探针部分，原采样枪对吸附管的保护作用有限，容易造成玻璃吸附管碎裂等，进而导致采样失败。

发明内容

为了减少现场工作的负担，保证采样吸附管采样成功率，本发明设计了总气态汞烟气采样枪及其采样系统，将吸附管安装在采样枪后端。有效防止玻璃管移动过程的碰碎情况，并方便了更换玻璃管的操作，针对一个点的采样工作，不需要再将探杆从采样孔拔出，直接在后端更换吸附管。

本发明的总气态汞烟气采样枪，包括采样枪体，采样枪体一端有进气口，另一端设置烟气出口，吸附管固定器设置在采样枪后端近烟气出口位置。采样枪体内壁为PFA、FEP、PTFE任意一种材料或覆有硅涂层。采样枪体上设置加热层。采样枪体内吸附管固定器对应位置设置吸附腔温度传感器；加热层对应位置设置加热线温度传感器。

枪体吸附管固定器对应位置设置换样开口、换样盖，换样盖在作业状态下与采样枪气密连接。

采样枪体外配装安装法兰7，采样枪后端设置采样枪握持部5，所述的吸附管固定器3为卡槽结构，采样枪吸附管固定器3位置之后部分为所述的换样盖。

采样枪体外配装安装法兰7，采样枪内包括前限位器8、后限位器9，后限位器9位于采样枪后端的换样盖上，采样枪前端对接位置10和采样枪后端对接位置11设置相互配合的内外螺纹或磨砂接口。

将本发明应用于30B方法时，可以将吸附管固定器平行设置两个，即可达到双路平行采样的目的。

采样枪后依次连接冷凝器、干燥装置，干燥装置与采样控制台连接；采样控制台内依次设置采样泵、流量计，隔离阀与单向阀串联后并联连接在采样泵两端。采样控制台内隔离阀前设置真空压力传感器。

本发明具有以下明显的效果：

1）保护采样用吸附管；现场操作时，现有普通采用30B方法的气体采样器，吸附管装在探杆前端的，会有部分裸露出来，极易碰到硬物而损毁，导致采样失败，而本发明将采集总气态汞的玻璃吸附管后置于采样枪体内部，可起到有效保护采样管的作用，避免了玻璃吸附管因碰管壁等情况导致的破碎。

2）有效减少了现场的工作量；30B的方法采样过程中，如需更换吸附管，需将采样枪取出后进行更换，而采用本发明的采样枪，可直接打开采样枪后部进行更换作业，更加方便快捷，提高现场采样效率。

3）提高采样重复性；在针对同一管道的分时多次采样或同一较粗管道不同采样点的多次采样时，可以在固定采样枪后，不再变更枪管位置即可更换吸附管，从而确保不同次的采样作业是在烟道内部同一采样点进行的作业，提高采样重复性。

4）稳定流经吸附管气流，提高采样精度；普通30B方法采样时，吸附管和烟道内烟气流动方向呈90°夹角，而采用本发明的采样枪，烟气在进入吸附管前流经采样枪枪管部分，由于采样枪枪管与吸附管固定器位置的配合设置，改变烟气流动方向使其与吸附管放置方向一致，从而稳定流经吸附管的气流，提高采样精度。

5）吸附管后置后，在恶劣环境中使用，例如没有除尘装置的烟道中，可在采样枪前加装除尘过滤设备，提高采样枪使用的适应性。

6）枪管内壁采用特殊材料制成，避免烟气中气态汞在采样枪管内壁的吸附对采样结果带来的不利影响，打破了吸附管必须放在采样枪前段的惯例。

7）在采样枪体上设置加热层，可保持烟气在采样枪体内部时的温度，最大程度模拟烟道环境，通过加热层、采样枪体、吸附管三者相互间平行设置的位置关系，从而使得烟气流速、稳定性、烟气温度均能够符合吸附管最佳工作状态所需的工况条件。

8）采用本发明采样枪的采样系统，可大大提高采样效率，按照单个样品采样20分钟计算，完成一个采样口的单次采样即可节约大约5分钟的换样时间，相当于将单个采样时间缩短约20%。

附图说明

图1为目前30B方法采样枪前端局部放大示意图。

图2为吸附管安装后使用状态局部放大示意图。

图3为采用本发明技术方案实施例1示意图。

图4为采用本发明技术方案实施例2示意图。

图5为本发明采样系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行阐述：

实施例1：

图3为本发明技术方案的其中一个具体实施例，如图3所示，总气态汞烟气采样枪，包括采样枪体，采样枪一端有进气口1，另一端设置烟气出口2，吸附管固定器3设置在采样枪后端近烟气出口位置，所述的吸附管固定器3为设置在采样枪枪管内壁、凸起形成的卡槽，吸附管固定器3为耐高温橡胶材料（本实施例采用硅橡胶）制成，吸附管由卡槽后部插入固定。为便于吸附管的更换，可在采样枪后部设置成可拆卸或可打开结构，并与采样枪枪体气密连接，即采样枪吸附管固定器3位置之后部分整体为所述的换样盖，换样盖对应采样枪体位置为换样开口，吸附管可由换样开口推入卡槽即可，换样方便快捷。为便于操作，还包括一个采样枪握持部5，采样枪体上设置加热层4。

采样时采样枪通过设置在烟道壁6的采样孔伸入烟气管道内，吸附管放置在卡槽中，采样管一端与烟气出口连接，依次连接冷凝器、干燥装置后，采样管末端与采样控制台连接，即可完成采样准备工作，可使用采样枪开始作业。

在开设了专用采样口或者采样口位置设置的对装法兰的采样烟道，可在采样枪上配装安装法兰7，与烟道采样口的对装法兰对接安装，可更好固定采样枪。

实施例2：

图4为本发明技术方案的另一个具体实施例，图4为采样枪呈换样时的拆卸状态示意图，换样开口呈打开状态；采样枪结构同实施例1基本相同，实施例2中，吸附管固定器改为设置在吸附管位置前后两端的限位器，包括设置在采样枪前端的前限位器8，设置在采样枪后部的后限位器9，此时采样枪后部整体为换样盖，采样枪前端对接位置10和采样枪后端对接位置11为相互配合密封结构，可以设置为对应配合的内外螺纹或磨砂接口，达到气密连接即可。

本发明所述的吸附管固定器，包括但不限于上述两种实施方式，例如收束式V型槽等，均为环境监测领域采样用品常用固定方式，达到能够固定吸附管位置、使其相对采样枪稳定放置功能的固定方式均可使用；又例如换样盖，仅为说明达到工作状态下封闭换样开口位置即可，可设置在采样枪侧面，覆盖采样枪侧面，或作为采样枪整体的后半部分，本发明中的名称仅起表述作用，并不限定必须为盖状结构，对于采样枪对应的换样位置起气密作用的结构很多，在此不一一赘述。

采用本发明技术方案的采样枪，通过采样枪枪体内部的枪管和采样用的吸附管的位置配合设计，避免了以往采样枪中吸附管前置造成的烟气流动方向与吸附管内气流方向相互垂直的技术缺陷，采用本方案的采样系统，不论烟道情况如何，在采样位置选择上，确保满足GB16157-1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》中4.2.1.1“采样位置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径和距上述部件上游方向不小于3倍直径处。”的规定，通过稳定采样气流以达到更好的采样精度和采样效果。

为减少汞蒸气在采样枪枪体内壁上的吸附，本发明采样枪枪体内壁选用PFA、FEP、PTFE任意一种材料或在枪体内壁上覆有防吸附涂层，达到更好的采样效果；PFA为四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物，又称过氟烷基化物、可溶性聚四氟乙烯；FEP为氟化乙烯丙烯共聚物；PTFE中文名称为聚四氟乙烯；防吸附涂层主要为解决汞蒸气在采样枪内壁的吸附对采样结果带来不利影响的问题，可采用硅涂层，或者采用上述的PFA、FEP、PTFE材料制成的涂层。

在使用在火电厂烟气采样时，可在采样枪外加装加热层，用于保持烟气进入采样枪后到吸附管位置时的问题，所述的加热层加热温度控制在80℃~150℃之间。针对不同污染物采样可设定不同温度，加热层电源及温度控制由采样控制主机供给、设定。采样枪体内吸附管固定器对应位置设置吸附腔温度传感器，加热层对应位置设置加热线温度传感器；两个温度传感器分别与采样控制主机连接，供采样主机监测工作状态下吸附管位置烟气温度和加热层当前加热温度，以达到更好的温度控制效果。

枪体吸附管固定器对应位置设置换样开口。换样开口可根据采样枪具体结构调整，换样开口上包括一个换样盖。所述的换样盖以方便更换采样吸附管以及能够在工作状态下对采样枪进行密闭为目的，并不局限换样盖的样式及结构。所述的换样盖可以为整个采样枪体的后部，例如，在图4中，换样盖为采样枪整体后部，所述的后限位器9、烟气出口2、采样枪握持部5均设置在换样盖部分，换样盖采用螺纹、磨砂接口等气密连接方式与采样枪前端连接即可。

实施例3：

如图5所示，采样本发明采样枪的采样系统，在采样枪后依次连接冷凝器、干燥装置，干燥装置与采样控制台连接；采样控制台内依次设置采样泵、流量计，隔离阀与单向阀串联后并联连接在采样泵两端。采样控制台内隔离阀前设置真空压力传感器；还可在系统内加装温度传感器。采样系统主要部件按照30B标准配置调试。

图5中新增的附图标记对应部件如下：12、冷凝器；13、干燥装置；14、隔离阀；15、真空压力传感器；16、采样泵；17、单向阀；18、流量计；19吸附腔温度传感器；20、加热线温度传感器；21、温度传感器；22、吸附管；23、采样控制台。A为烟气进气口，B为系统排空口，箭头为烟气流动方向。

系统各部件主要功能如下：

冷凝器：经加热管线输送进来的烟气，冷凝器冷凝除水，脱除烟气中大部分水分。

干燥装置：采用干燥剂吸水的方式再次除水。

隔离阀：控制气路通断，采样时打开隔离阀；气密性检查时分为两种状态：1、静态检查：将采样枪和采样系统连接完毕，用气密性检查帽堵住采样枪进气口，打开采样泵抽气路内呈负压后，关闭隔离阀，观察真空压力传感器示数变化情况；2、动态检查：将采样枪和采样系统连接完毕，关闭单向阀支路，启动采样泵，此时在烟气管路内形成负压，观察流量计示数与负压间的关系；气密性检查判定数据参照30B方法中的要求。

真空压力传感器：用于采样前和采样后的设备气密性检查，以及采样过程中烟气压力的测量。

采样泵：产生采样动力将气体抽入采样系统。

单向阀：采样气路中采样泵采用的是隔膜采样泵，工作的理想状态需要保持进出口两端的压力偏差不能太大，采用单向阀可以平衡采样泵两端的压力，保护采样泵，延长采样泵的寿命。

流量计：实现采样系统采样流量控制和测量。

吸附腔温度传感器：吸附腔的温度测量，用于吸附腔温控器的温度反馈控制。

加热线温度传感器：加热层的温度测量，用于加热层温控器的温度反馈控制。

温度传感器：测量采样气路，机箱部分中烟气的温度。

采样控制台：整合设置系统主要部件及传感器连接，并配备系统电源供给、人机交互单元。

采用本发明的采样枪及采样系统在上海某电厂进行了实际采样实验，数据如下：

表1  汞采样数据结果

 

采样点选取电厂SCR设备烟气最终排放口，烟温90℃~110℃，采样枪设定加热温度110℃，采样时间：20min，采样流量750ml/min。

表格中单位L：升；ng：纳克；μg/dscm：微克每立方厘米。穿透率：烟气中第二吸附带汞吸附量与第一吸附带汞吸附量比值，30B方法中穿透率为主要质控指标之一。

为验证本发明技术效果，采样时采用了3种技术方案，分别为：组1、传统30B方法采样枪，双路同时采样；组2、改进后本发明后置吸附管采样枪；组3、改进后本发明后置吸附管采样枪且枪管内壁采用PFA材料。通过比对可以发现，组2由于未采用PFA材料内壁，导致采样枪本身对烟气中的汞蒸气有一定的吸附影响，最终数据下降约20%，但是由于采用了吸附管后置的技术方案，因此穿透率较组1有明显下降；而组3采用了后置吸附管采样枪且枪管内壁采用PFA材料组合的方案，不仅穿透率明显下降，而且最终采样结果与原方法结果的一致性较高，证明技术方案可行。

Claims (10)

1.一种总气态汞烟气采样枪，包括采样枪体，采样枪体一端有进气口，另一端设置烟气出口，其特征在于：吸附管固定器设置在采样枪后端近烟气出口位置。

2.根据权利要求1所述的总气态汞烟气采样枪，其特征在于：采样枪体内壁为PFA、FEP、PTFE任意一种材料或防吸附涂层。

3.根据权利要求2所述的总气态汞烟气采样枪，其特征在于：采样枪体上设置加热层。

4.根据权利要求3所述的总气态汞烟气采样枪，其特征在于：采样枪体内吸附管固定器对应位置设置吸附腔温度传感器；加热层对应位置设置加热线温度传感器。

5.根据权利要求1至4中任一所述的总气态汞烟气采样枪，其特征在于：枪体吸附管固定器对应位置设置换样开口、换样盖，换样盖在作业状态下与采样枪气密连接。

6.根据权利要求5所述的总气态汞烟气采样枪，其特征在于：采样枪体外配装安装法兰（7），采样枪后端设置采样枪握持部（5），所述的吸附管固定器（3）为卡槽结构，采样枪吸附管固定器（3）位置之后部分为所述的换样盖。

7.根据权利要求5所述的总气态汞烟气采样枪，其特征在于：采样枪体外配装安装法兰（7），采样枪内包括前限位器（8）、后限位器（9），后限位器（9）位于采样枪后端的换样盖上，采样枪前端对接位置（10）和采样枪后端对接位置（11）设置相互配合的内外螺纹或磨砂接口。

8.根据权利要求1所述的总气态汞烟气采样枪，其特征在于：吸附管固定器平行设置两个。

9.一种采用权利要求1所述的总气态汞烟气采样枪的采样系统，其特征在于：采样枪后依次连接冷凝器、干燥装置，干燥装置与采样控制台连接；采样控制台内依次设置采样泵、流量计，隔离阀与单向阀串联后并联连接在采样泵两端。

10.根据权利要求9所述的采样系统，其特征在于：采样控制台内隔离阀前设置真空压力传感器。

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