CN104280409A - 石膏雨成分在线监测分析方法及仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种石膏雨成分在线监测分析方法及仪器，涉及环境监测技术领域。所述的在线监测分析方法包括进纸、测量空白滤纸、采集样气、测量含石膏雨成分的滤纸、计算样气中石膏雨成分的质量浓度；所述的在线监测分析仪器包括检测单元、采样单元、传输单元。本发明为在线监测烟气中石膏雨成分的浓度，便于采取措施减少烟气中石膏雨成分的排放，从而减少环境污染；而且，该监测分析方法及仪器可实现自动采集、监测、计算、输出，采样频率高，测量时间短、精度高。

Description

石膏雨成分在线监测分析方法及仪器

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种石膏雨成分在线监测分析方法及仪器。

背景技术

长期以来，我国二氧化硫(SO2)的排放量都在2000万吨左右，排在世界第一位。近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国开始加速对环境污染的治理。2013年9月，国务院印发《大气污染防治行动计划》，要求“加快重点行业脱硫、脱硝、除尘改造工程建设。所有燃煤电厂、钢铁企业的烧结机和球团生产设备、石油炼制企业的催化裂化装置、有色金属冶炼企业都要安装脱硫设施，每小时20蒸吨及以上的燃煤锅炉要实施脱硫。”截止2008年底，我国已投产烟气脱硫机组3.97亿千瓦，我国已投产烟气脱硫机组3.97亿千瓦，全国火电厂已投运烟气脱硫机组容量占全国燃煤机组容量的66％，其中90％以上采用石灰石—石膏湿法脱硫工艺。

目前，大部分火力发电厂的脱硫系统采用石灰石—石膏湿法脱硫工艺，取消了气气换热器(GGH)装置，直接将净烟气从烟囱排出，烟囱采用内衬防腐材料，形成“湿烟囱”排放的方案。无GGH装置的脱硫系统投产后，虽有效地避免了GGH的堵塞问题，但由于“湿烟囱”无烟气再热措施，排烟温度较低，吸收塔出口带有饱和水的净烟气在排出过程中部分冷凝形成液滴，烟气自烟囱口排出后不能有效地抬升、扩散到大气中，导致取消GGH装置后烟气不能迅速消散，特别是当地区温度、气压较低或在阴霾天气的时间段，烟气中携带的粉尘及液滴聚集在烟囱附近，落到地面形成“石膏雨”，对电厂及周边环境产生污染，甚至腐蚀设备。

“石膏雨”的成分含有SO₂、SO₃等酸性物质，PH值一般在4.5—5.8左右，具有较强的腐蚀性；“石膏雨”还含有大量的CaSO₃、CaSO₄以及飞灰等固体物质，因此，“石膏雨”对周围环境具有很大的影响。降落的“石膏雨”会使土壤酸化，致使有毒的重金属离子从土壤中释出，造成鱼类中毒死亡，同时危害农作物和森林生态系统；“石膏雨”中的酸性物质渗入地下水和进入江河湖泊中，会引起水质污染；“石膏雨”还会腐蚀建筑材料，使其风化过程加速。“石膏雨”中的固体物质会附着在路面、建筑物、植物等物体的外表面，极难清理，污染外观，影响美观。

现有的烟气脱硫系统大多数没有监测石膏雨的排放，少数采用基于重量法的手工监测方法。手工监测方法的原理：工作人员使用采样器，以恒定采样流量采集一定时段的烟气，烟气中的颗粒物被截留在已知重量的滤纸上。再将采样后的滤纸放在恒温恒湿设备中平衡24小时后，用分析天平对滤纸进行称量，记录采样后的滤纸重量，根据采样前后滤纸的重量变化和累积采样体积，计算出颗粒物浓度。

手工监测方法的缺点：需要手工进行操作，不能连续自动监测，采样频率低，样品代表性不足，测量时间长，测量精度受诸多因素影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种石膏雨成分在线监测分析方法及仪器。

本发明公布了一种基于β射线法的在线监测分析方法。β射线是从核素放射性衰变中释放出来的高速电子流，电离本领小，穿透能力大。天然放射系列放出的β粒子能量在0-4Mev，温度、压力、磁场等都不能显著影响β射线的发射，应用放射源作为测量手段具有较强的抗干扰能力，保证测量结果稳定可靠。

β射线法工作原理是利用β射线衰减量测量采样期间增加的颗粒物质量，所述的β射线放射源是¹⁴C放射源，是放射性能弱的物质，不属于放射性管理局规定的“放射性同位素”物质，¹⁴C的半衰期长，安全耐用，可以克服检测仪的射线源逐渐减弱的不利影响。

当β射线通过介质时，β粒子与介质中的电子相互碰撞损失能量而被吸收，在低能条件下，吸收程度取决于介质的质量，与颗粒物粒径、成分、颜色及分散状态无关。环境气体由采样泵吸入采样管，经过滤纸后排出。颗粒物沉积在滤纸上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤纸时能量衰减，通过对衰减前后的β射线能量测定，可以计算出颗粒物的浓度，具体方案如下：

石膏雨成分在线监测分析方法，包括以下步骤：

步骤1：输送一段空白滤纸到检测单元；

步骤2：β射线探测器测出穿过空白滤纸的β粒子计数值I₀；

步骤3：对含石膏雨成分的烟囱排放气体进行采样，样气通过滤纸过滤，使样气中的石膏雨成分附着在滤纸上，根据采样流量和采样时间计算出采样气体体积V；

步骤4：β射线探测器测出穿过含石膏雨成分滤纸的β粒子计数值I；

步骤5：计算样气中石膏雨成分的质量浓度C；

所述的样气中石膏雨成分的质量浓度C根据公式(1)计算：

$C=-\frac{S}{\mathrm{\μV}}\ln \left(\frac{I}{I_0}\right)$   (1)

C：样气中石膏雨成分的质量浓度，mg/m³；

I₀：β射线探测器测出穿过空白滤纸的β粒子计数值；

I：β射线探测器测出穿过含石膏雨成分滤纸的β粒子计数值；

μ：质量吸收系数，cm²/mg；

S：β射线照射面积，cm²；

V：采样气体体积，m³。

所述的样气在经滤纸过滤前，还包括对样气加热，使样气的温度达到60℃-100℃，以免样气中水蒸气在采样管内因温度降低而冷凝成水滴，吸附固体颗粒物。

所述的样气在经滤纸过滤前，还包括对样气除湿，使样气的相对湿度<80％，以免因样气湿度过大而损坏滤纸，同时避免测量误差。

所述的步骤1-5可按时序间隔连续进行。

本发明还公布一种应用上述方法的石膏雨成分在线监测分析仪器，所述的监测分析仪器包括检测单元、采样单元、传输单元；

所述的检测单元包括上腔、下腔、β射线探测器、β射线放射源；所述的下腔位于上腔的下方；所述的β射线探测器插设在上腔内，其接收端位于上腔中；所述的β射线放射源位于下腔内；上腔底部设有与β射线探测器接收端对应的上孔，下腔顶部设有与β射线放射源对应的下孔，上孔与下孔的位置对应。

所述的采样单元包括采样器、采样管、排气管、流量控制器、采样泵；所述的采样器位于烟囱内；所述的采样管连接采样器和上腔；所述的排气管连接下腔和采样泵，所述的流量控制器位于排气管上。

所述的传输单元包括滤纸、滤纸传输装置，所述的滤纸为滤纸带，位于上腔与下腔之间，所述的滤纸传输装置包括压纸电机、进纸电机、压紧轮、传送轮；所述的进纸电机驱动传送轮可使滤纸从上腔的一侧向另一侧行进，压紧轮与上腔之间设有连杆，压纸电机驱动压紧轮控制上腔与下腔紧压与分离。

进一步的，所述的β射线探测器的接收端设有隔热透膜，用于避免β射线探测器接触高温热气而失灵。

进一步的，所述的采样管为伴热的采样管，采样管上设有除湿器，所述的采样管内设有对样气通过除湿器后的温度、湿度进行检测的温度计和湿度计。

进一步的，所述流量控制器与下腔之间的排气管上设有冷凝器，冷凝器和流量控制器之间设有用于测量冷凝后样气温度的温度计，冷凝器用于降低样气的温度，以免高温样气损坏流量控制器。

石膏雨成分在线监测分析仪器的工作过程：启动压纸电机驱动压紧轮，使上腔与下腔分离，启动进纸电机，驱动传送轮将滤纸空白段传输至上腔与下腔之间，停止驱动传送轮；压纸电机驱动压紧轮，控制上腔与下腔压紧滤纸；β射线探测器测出穿过空白滤纸的β粒子计数值I₀；启动采样泵及流量控制器，通过流量控制器进行恒流控制，样气经过采样管加热、除湿器除湿后进入上腔，穿过滤纸后进入下腔，样气中的石膏雨成分附着在滤纸上，在采样泵产生的负压作用下样气进入排气管，经冷凝器冷凝后通过流量控制器，最后被采样泵排出仪器。到达设定的采样时间时，关闭采样泵，根据流量和采样时间，计算出采样气体体积V；β射线探测器测出穿过含石膏雨成分滤纸的β粒子计数值I；根据公式(1)计算样气中石膏雨成分的质量浓度C，其中，β射线照射面积S为放射源对应的下孔的面积。

进一步的，所述的监测分析仪器还包括分析控制单元,对仪器进行自动化控制及流量测控、数据采集与处理、存储与输出。分析控制单元可控制上述的工作过程按时序间隔连续运行，使滤纸上形成连续的被测颗粒物斑和空白段，得到对应的一系列样气中石膏雨成分的质量浓度。

本发明的有益效果：在线监测烟气中石膏雨成分的浓度，便于采取措施减少烟气中石膏雨成分的排放，从而减少环境污染。而且，该监测分析方法及仪器可实现自动采集、监测、计算、输出，采样频率高，测量时间短、精度高。

附图说明

图1为本发明实施例中石膏雨成分在线监测分析仪器的工作流程图；

图2为本发明实施例中石膏雨成分在线监测分析仪器的结构示意图；

图3为本发明实施例中石膏雨成分在线监测分析仪器中β射线法的结构示意图；

图4为本发明实施例中石膏雨成分在线监测分析仪器中上腔、下腔及滤纸的局部结构示意图；

图5为本发明实施例中石膏雨成分在线监测分析仪器中β射线源的结构示意图；

图6为本发明实施例中石膏雨成分在线监测分析仪器中增加分析控制单元的结构示意图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明。

实施例

如图2-5所示的石膏雨成分在线监测分析仪器，包括检测单元、采样单元、传输单元；检测单元包括上腔1、下腔2、β射线探测器3、β射线放射源4；采样单元包括采样器11、采样管6、除湿器9、排气管10、冷凝器13、流量控制器15、采样泵7；传输单元包括滤纸5、滤纸传输装置12，滤纸5为滤纸带，滤纸传输装置12包括压纸电机、进纸电机121、压紧轮123、传送轮122，压紧轮123与上腔1之间设有连杆124，压纸电机可驱动压紧轮123。

采样管6为伴热的采样管，可对采集的样气进行加热，采样管6连接上腔1，采样器11位于烟囱内，采样器11连接采样管6，除湿器9位于采样管6上，采样管6内设有温度计、湿度计，用于测定经除湿后样气的温度和湿度；β射线探测器3插设在上腔1上，其接收端32位于上腔1内，β射线放射源4位于下腔2内，上腔1底部设有与β射线探测器3接收端32对应的上孔24，下腔2顶部设有与β射线放射源4对应的下孔25，上孔24与下孔25的位置对应，β射线放射源4发出的β粒子经下孔25、上孔24后可由β射线探测器3接收；β射线探测器3的接收端32设有隔热透膜31，用于防止β射线探测器3温度过高而失灵；滤纸5位于上腔1、下腔2之间，进纸电机121驱动传送轮122可使滤纸从上腔1的一侧向另一侧行进，压纸电机可驱动压紧轮123，通过连杆124控制上腔1与下腔2紧压与分离；排气管10连接下腔2，采样泵7连接排气管10，流量控制器15位于排气管10上；冷凝器13位于流量控制器15与下腔2之间的排气管10上，冷凝器13和流量控制器15之间设有用于测量冷凝后气体温度的温度计。

β射线放射源4中的放射源是以微分散无机粉尘形式存在的¹⁴C放射源42，¹⁴C放射源42位于放射源盒体41中间的凹槽内，凹槽口处设有耐辐射薄膜43，以防石膏雨成分进入，并能防止放射源受意外操作而造成污染，放射源盒体41内部其它方向采用铅层44进行阻挡。

上述石膏雨成分在线监测分析仪器的工作流程如图1所示，包括以下步骤：

进纸：启动压纸电机驱动压紧轮123，使上腔1与下腔2分离，启动进纸电机121，传送轮122将滤纸5空白段传输至上腔1与下腔2之间后，停止进纸电机121，传送轮122停止传送，压纸电机驱动压紧轮123控制上腔1与下腔2压紧滤纸5；

测量空白滤纸：β射线探测器3测出穿过空白滤纸5的β粒子计数值I₀；

采集样气：启动采样泵7及流量控制器15，通过流量控制器15进行恒流控制，含石膏雨成分的烟囱气体由采样器11进入采样管6，伴热的采样管6加热含石膏雨成分的样气，使含石膏雨成分的样气温度达到60℃-100℃；含石膏雨成分的样气经除湿器9除湿后，相对湿度小于80％；样气经过滤纸5从上腔1进入下腔2，在采样泵7产生的负压作用下样气进入排气管10，经冷凝器13冷凝后通过流量控制器15，最后被采样泵7排出，样气中石膏雨成分附着在上腔1与下腔2之间的滤纸5上；抽气至设定时间，关闭采样泵7；根据流量控制器15测定的流量和采样时间，计算出采样气体体积V；

测量含石膏雨成分的滤纸：β射线探测器3测出穿过含石膏雨成分滤纸5的β粒子计数值I；

计算样气中石膏雨成分的质量浓度：根据公式(1)计算样气中石膏雨成分的质量浓度C：

$C=-\frac{S}{\mathrm{\&mu;V}}\ln \left(\frac{I}{I_0}\right)$   (1)

C：样气中石膏雨成分的质量浓度，mg/m³；

I₀：β射线探测器测出穿过空白滤纸的β粒子计数值；

I：β射线探测器测出穿过含石膏雨成分滤纸的β粒子计数值；

μ：质量吸收系数，cm²/mg；

S：β射线照射面积，cm²；

V：采样气体体积，m³。

如图6所示的石膏雨成分在线监测分析仪器，在仪器中增加分析控制单元14，分析控制单元14对仪器中的检测单元、采样单元、传输单元进行控制，对流量控制器15、温度计、湿度计、β射线探测器3检测的数据进行数据采集与处理、存储与输出，按时序根据设定的采样时间对样气进行监测分析，计算多组样气中石膏雨成分的质量浓度C。

质量吸收系数μ的校准：

取一段空白滤纸5，分析天平测量空白滤纸5的重量M₀；根据上述本发明的石膏雨成分在线监测分析方法，将空白滤纸5紧压在上、下腔之间，β射线探测器3测出穿过空白滤纸5的β粒子计数值I₀；采样泵7抽取样气一定时间后，计算出采样气体体积V；β射线探测器3测出穿过含石膏雨成分滤纸5的β粒子计数值I；取下含石膏雨成分滤纸5，分析天平测量含石膏雨成分滤纸5的重量M₁；根据公式(1)、(2)计算出质量吸收系数μ：

$C=-\frac{S}{\mathrm{\&mu;V}}\ln \left(\frac{I}{I_0}\right)$   (1)

C＝(M₁-M₀)/V  (2)

以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (10)

1.石膏雨成分在线监测分析方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤1：输送一段空白滤纸到检测单元； 

步骤2：β射线探测器测出穿过空白滤纸的β粒子计数值I₀； 

步骤3：对含石膏雨成分的烟囱排放气体进行采样，样气通过滤纸过滤，使样气中的石膏雨成分附着在滤纸上，根据采样流量和采样时间计算出采样气体体积V； 

步骤4：β射线探测器测出穿过含石膏雨成分滤纸的β粒子计数值I； 

步骤5：计算样气中石膏雨成分的质量浓度C； 

所述的样气中石膏雨成分的质量浓度C根据公式(1)计算： 

  (1) 

C：样气中石膏雨成分的质量浓度，mg/m³； 

I₀：β射线探测器测出穿过空白滤纸的β粒子计数值； 

I：β射线探测器测出穿过含石膏雨成分滤纸的β粒子计数值； 

μ：质量吸收系数，cm²/mg； 

S：β射线照射面积，cm²； 

V：采样气体体积，m³。 

2.根据权利要求1所述的石膏雨成分在线监测分析方法，其特征在于：所述的样气在经滤纸过滤前，还包括对样气加热，使样气的温度在60℃-100℃。 

3.根据权利要求2所述的石膏雨成分在线监测分析方法，其特征在于：所述的样气在经滤纸过滤前，还包括对样气除湿，使样气的相对湿度<80％。 

4.根据权利要求1-3任一项所述的石膏雨成分在线监测分析方法，其特征在于：所述的步骤1-5按时序间隔连续进行。 

5.石膏雨成分在线监测分析仪器，其特征在于：所述的在线监测分析仪器包括检测单元、采样单元、传输单元； 

所述的检测单元包括上腔、下腔、β射线探测器、β射线放射源；所述的下腔位于上腔的下方；所述的β射线探测器插设在上腔上，其接收端位于上腔内；所述的β射线放射源位于下腔内；上腔底部设有与β射线探测器接收端对应的上孔，下腔顶部设有与β射线放射源对应的下孔，上孔与下孔的位置对应； 

所述的采样单元包括采样器、采样管、排气管、流量控制器、采样泵；所述的采样器位于烟囱内；所述的采样管连接采样器和上腔；所述的排气管连接下腔和采样泵，所述的流量控制器位于排气管上； 

所述的传输单元包括滤纸、滤纸传输装置，所述的滤纸为滤纸带，位于上腔与下腔之间。 

6.根据权利要求5所述的石膏雨成分在线监测分析仪器，其特征在于：所述的滤纸传输装置包括压纸电机、进纸电机、压紧轮、传送轮；压紧轮与上腔之间设有连杆，压纸电机驱动压紧轮可控制上腔与下腔紧压与分离。 

7.根据权利要求6所述的石膏雨成分在线监测分析仪器，其特征在于：所述的β射线探测器的接收端设有隔热透膜。 

8.根据权利要求7所述的石膏雨成分在线监测分析仪器，其特征在于：所述的采样管为伴热的采样管，采样管上设有除湿器，所述的采样管内设有对样气通过除湿器后的温度、湿度进行检测的温度计和湿度计。 

9.根据权利要求8所述的石膏雨成分在线监测分析仪器，其特征在于：所述流量控制器与下腔之间的排气管上设有冷凝器，冷凝器和流量控制器之间设有用于测量冷凝后样气温度的温度计。 

10.根据权利要求9所述的石膏雨成分在线监测分析仪器，其特征在于：所述的在线监测分析仪器还包括分析控制单元,对仪器进行自动化控制及流量测控、数据采集与处理、存储与输出。