CN104764649B - 一种低浓度烟气检测预处理除水方法及装置及其烟气检测应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低浓度烟气检测预处理除水方法及装置及其烟气检测应用系统，属于烟气检测领域。装置包括取样管、预处理单元和加热线，预处理单元包括加酸单元和冷凝单元，其中加酸单元由盛放酸液的容器、空气流通管、三通阀和泵组成，泵把酸液泵入通向冷凝单元的管道，盛放酸液的容器与泵之间通过管道连接；泵与三通阀之间通过管道连接，管道周围缠绕加热丝进行加热，加酸入口至冷凝器入口之间的管道通过加热丝加热。通过上述装置以及系统和方法，实现无丢失或少丢失酸性气体组分，实现更加精确检测低浓度烟气。

Description

一种低浓度烟气检测预处理除水方法及装置及其烟气检测应 用系统

技术领域

本发明涉及烟气检测领域，尤其涉及一种低浓度烟气检测预处理除水方法及装置及其烟气检测应用系统。

背景技术

火力发电厂、化工厂和水泥厂等污染源排放烟气作为重要污染源被严格监测，污染源排放的种类、浓度、总量等参数通过各种烟气分析系统测量得到。但是污染源直接排放的烟气通常含有大量粉尘、水分等，会对测量仪器造成腐蚀、堵塞等损害，因此在使用测量仪器进行检测前需要对污染源直接排放烟气进行预处理，包括除尘和除水，一般通过滤网或陶瓷滤芯进行除尘，通过冷凝器把气态水分冷凝成液态并排除。

通过常规冷凝器除水会出现一个问题：烟气中含有大量的酸性物质，例如 SO₂、NO、NO₂等，这些酸性物质均易溶于水，即污染源烟气通过冷凝器除水过程会发生酸性气体与水一起被带走的情况，造成SO₂、NO、NO₂等气体组分的丢失，影响最终气体浓度和总量结果的准确性。在烟气污染物浓度较高时，气体溶于水后导致结果的偏差通常小于2％，因此在通常的烟气监测设备中对此现象忽略不计。

但是，这种现象在低浓度烟气排放时则变得不容忽视，随着环保排放标准越来越严格，污染源物排放浓度越来越低，检测难度增加，组分的丢失对于结果准确度的影响更加严重，例如在SO₂排放浓度小于100mg/m³时,此组分丢失的偏差可大于5％。特别是在我国新的火电厂排放标准2014年7月1日实施以后，火电厂排放实施严格的超低限排放，即烟尘限值5mg/m³，二氧化硫限值35mg/m³，氮氧化物限值50mg/m³，气体组分溶于水丢失的影响更为严重，对检测的要求更高，对现有检测的设备要求更高。

中国专利号：201410309049.5，专利名称：“一种污染源二氧化硫排放在线监测系统及方法”，提供了一种污染源二氧化硫排放在线监测系统及方法，所述监测系统包括预处理装置、加热部件、冷凝装置及检测装置；所述监测系统进一步包括：注入装置，所述注入装置设置在所述预处理装置和冷凝装置之间的管路上，用于向所述管路内注入浓度处于1-25％之间的磷酸。这样做的有益效果是：烟气中析出的水会进入低浓度磷酸中，而不会吸收烟气中的二氧化硫，二氧化硫也不会溶于磷酸中，从而保证了烟气中二氧化硫监测的准确性，适用于高湿环境下低浓度二氧化硫的准确测量。虽然低浓度的磷酸可以抑制SO₂溶解到水中，但是效果有限，首先因为25％的磷酸还远没有达到磷酸的饱和度，即低浓度磷酸中还可以继续溶解酸，仍然会造成少量的酸性气体丢失。同时该专利技术方案对于加酸温度没有控制，加酸温度将大大影响测量组分丢失率。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明为了解决污染源烟气检测预处理过程酸性气体组分丢失的问题，提供一种低浓度烟气检测预处理除水方法及装置及其烟气检测应用系统，通过上述装置和方法，实现无丢失或少丢失酸性气体组分，实现更加精确检测低浓度烟气检。

2.技术方案

发明原理：

SO₂、NO₂、NO等酸性物质在水中溶解，即发生如下化学反应：

3NO₂+H₂O＝H⁺+NO₃ ^—+NO ②

4NO+3O₂+2H₂O＝4H⁺+4NO₃ ^— ③

根据化学平衡的原理，如果在水中加入酸，即H⁺，则会使上面提到的反应1、 2、3的化学平衡向左移动，即达到抑制SO₂、NO、NO₂等酸性物质水解的目的。因此，在烟气进入冷凝器前，往烟气中注入酸溶液，使在冷凝器中冷凝的水呈酸性，抑制SO₂、NO、NO₂等酸性物质的水解。

一种低浓度烟气检测预处理除水装置，包括取样管、预处理单元和加热线，所述的预处理单元包括加酸单元和冷凝单元，其中加酸单元由盛放酸液的容器、空气流通管、三通阀和泵组成，泵把酸液泵入通向冷凝单元的管道，冷凝单元为冷凝器，上述元器件之间通过管道连接，盛放酸液的容器与泵之间通过管道连接，管道材质为PTFE等耐酸腐蚀材料；泵与三通阀之间通过管道连接，管道周围缠绕加热丝进行加热，控制温度范围为70-100℃，管道材质为PTFE等耐酸腐蚀、耐高温材料。加酸入口至冷凝器入口之间的管道通过加热丝加热，通过温控单元控制温度在70-100℃，管道材质为PTFE等耐酸腐蚀、耐高温材料。

在加酸单元的加酸管道中加入流量计控制加酸速度。

所述的冷凝器有排空管路，排出液态水。

一种烟气检测应用系统，包含以上低浓度烟气检测预处理除水装置，还包括分析仪和取样单元，其中取样单元控制温度为100-240℃，通过温控单元控制温度；其中取样单元和预处理单元通过管道连接，管道周围缠绕加热丝进行加热，控制温度范围为100-240℃，通过温控单元控制温度，管道材质为PTFE等耐酸腐蚀、耐高温材料；预处理单元与分析仪通过管道连接。

所述的取样单元，包含有取样管，取样管设置有过滤器。

低浓度烟气检测预处理除水方法，其步骤为：

(1)烟气从烟道中进入取样管，取样管中包含过滤器，过滤掉大颗粒烟尘；

(2)在烟气进入冷凝器之前，在加热管道与冷凝器连接处，引入酸液，酸液连同烟气一起经过加热管道进入冷凝器，经过冷凝除水后，烟气经过气体管线进入分析仪，分析SO₂、NO、NO₂等污染物组分的浓度，然后排空。

其中酸液的引入温度范围70-100℃，温度过低，水蒸气容易凝结成液态水，滞留在管道中，温度过高，对管道耐热性要求过高，成本较高。在泵与三通阀的连接管道上通过缠绕加热丝加热，在三通阀与冷凝器连接管道上通过缠绕加热丝加热，对以上两处管道以及三通阀通过温控单元进行温度控制，温度控制范围为 70-100℃。

所述的引入酸液的浓度范围为1％-85％(质量百分数)，优选为25％-85％(质量百分数)，浓度过低的话，抑制气体溶解的效果不佳；浓度过高的话，部分酸液粘度变大，例如磷酸，泵入管道后流动困难，并且对管道的耐酸性要求过高，增加成本。

酸液可以是高氯酸，氢碘酸，硫酸，氢溴酸，盐酸，硝酸，碘酸，草酸，亚硫酸，磷酸，丙酮酸，碳酸，亚硝酸，柠檬酸，氢氟酸，甲酸，乳酸，苯甲酸，丙烯酸，乙酸，丙酸，硬脂酸，氢硫酸或次氯酸，或两种以上酸的混合溶液，优选磷酸。

3.有益效果：

(1)本发明通过在烟气预处理冷凝器除水之前，通过加酸单元引入酸液，降低或消除冷凝器除水过程中SO₂、NO、NO₂等气体溶解于液态水的数量，减少烟气测量的组分丢失率。

(2)本发明通过对于加酸单元中泵至三通阀之间的温度控制70-100℃，保证酸液以气态形式引入到烟气预处理管道中，避免水蒸气凝结成液态水，滞留在管道中，对管道造成损害。

(3)本发明通过对酸液浓度的优化，提高抑制SO₂、NO、NO₂等气体溶解于液态水的效果，同时避免浓度过高，部分酸液粘度变大，例如磷酸，泵入管道后流动困难，并且对管道的耐酸性要求过高，增加成本。

(4)本发明通过对于取样单元、取样单元与预处理单元连接管线的温度控制100-240℃、预处理单元中加酸单元的三通阀与冷凝器之间的温度控制 70-100℃，避免烟气中的水分在以上过程中凝结成液态水，滞留在管道中，对管道造成损害；同时避免冷凝水带走烟气中的SO₂、NO、NO₂等气体，造成烟气测量中的组分丢失。

附图说明：

图1为本发明的加酸单元示意图。

图2为本发明的烟气检测冷凝除水流程图。

图3为实施例1中污染源烟气排放检测结构图。

图4为低浓度烟气检测预处理除水装置结构示意图。

图中标注：1为盛放酸液容器，2为空气流通管，3为泵，4为流量计，5为三通阀，6为加热丝，8为取样管，9为管道，10为预处理单元，11为冷凝器， 12为分析仪。

具体实施方式

实施例1

如图4所示：一种低浓度烟气检测预处理除水装置，包括取样管8、预处理单元10和加热线，所述的预处理单元10包括加酸单元和冷凝单元，如图1所示：其中加酸单元由盛放酸液的容器1、空气流通管2、三通阀5和泵3组成，泵3 把酸液泵入通向冷凝单元的管道，冷凝单元为冷凝器11，上述元器件之间通过管道9连接，盛放酸液的容器与泵之间通过管道连接，管道材质为PTFE等耐酸腐蚀材料；泵与三通阀之间通过管道连接，管道周围缠绕加热丝6进行加热，控制温度范围为70-100℃，管道材质为PTFE等耐酸腐蚀、耐高温材料。加酸入口至冷凝器入口之间的管道通过加热丝加热，通过温控单元控制温度在70-100℃，管道材质为PTFE等耐酸腐蚀、耐高温材料。如图1所示，在加酸单元的加酸管道中设置流量计4控制加酸速度。所述的冷凝器11有排空管路，排出液态水。

如图3所示：一种烟气检测应用系统，包含以上低浓度烟气检测预处理除水装置，还包括分析仪12和取样单元，其中取样单元控制温度为100-240℃，通过温控单元控制温度；其中取样单元和预处理单元10通过管道9连接，管道9周围缠绕加热丝进行加热，控制温度范围为100-240℃，通过温控单元控制温度，管道材质为PTFE等耐酸腐蚀、耐高温材料；预处理单元10与分析仪12通过管道连接。

所述的取样单元，包含有取样管8，取样管8设置有过滤器。

如图2所示：烟气从烟道中，经过取样管，取样管中包含过滤器，过滤掉大颗粒烟尘，然后经过加热管道进入冷凝器，在加热管道与冷凝器连接处，使用三通阀引入85％(质量百分数)的磷酸溶液，磷酸溶液连同烟气一起进入冷凝的冷凝管，经过冷凝除水后，烟气经过气体管线进入气体分析仪，分析SO₂、NO、 NO₂等气体组分的浓度。

在泵与三通阀管道加热至80℃，三通阀处加热至80℃，三通阀与冷凝器连接处加热至80℃。

验证以上方法气体组分丢失率，方法如下：

对取样管通SO₂、NO、NO₂含量为50mg/m³标准气体，记录三通阀打开前后气体分析仪内SO₂浓度的读数，数据如下：

可以看到，注酸时，三种气体组分丢失率小于0.2mg/m³(标准值减去测量值)，而停止注酸后，三种气体组分丢失率增大，为2～5mg/m³，且周期性波动。

实施例2

装置和系统，同实施例1。烟气从烟道中，经过取样管，取样管中包含过滤器，过滤掉大颗粒烟尘，然后经过加热管道进入冷凝器，在加热管道与冷凝器连接处，使用三通阀注入30％(质量百分数)的磷酸溶液，磷酸溶液连同烟气一起进入冷凝的冷凝管，经过冷凝除水后，烟气经过气体管线进入气体分析仪，分析 SO₂、NO、NO₂等气体组分的浓度。

在泵与三通阀管道加热至100℃，三通阀处加热至100℃，三通阀与冷凝器连接处加热至100℃。

验证以上方法气体组分丢失率，方法如下：

对取样管通SO₂、NO、NO₂含量为50mg/m³标准气体，记录三通阀打开前后气体分析仪内SO₂浓度的读数，数据如下：

实施例3

装置和系统，同实施例1。烟气从烟道中，经过取样管，取样管中包含过滤器，过滤掉大颗粒烟尘，然后经过加热管道进入冷凝器，在加热管道与冷凝器连接处，使用三通阀注入1％(质量百分数)的磷酸溶液，磷酸溶液连同烟气一起进入冷凝的冷凝管，经过冷凝除水后，烟气经过气体管线进入气体分析仪，分析 SO₂、NO、NO₂等气体组分的浓度。

在泵与三通阀管道加热至70℃，三通阀处加热至70℃，三通阀与冷凝器连接处加热至70℃。

验证以上方法气体组分丢失率，方法如下：

对取样管通SO₂、NO、NO₂含量为50mg/m³标准气体，记录三通阀打开前后气体分析仪内SO₂浓度的读数，数据如下：

实施例4-20

装置和系统，同实施例1。烟气从烟道中，经过取样管，取样管中包含过滤器，过滤掉大颗粒烟尘，然后经过加热管道进入冷凝器，在加热管道与冷凝器连接处，使用三通阀引入浓度为A(A值见表1)的B溶液(B溶液种类见表1)，磷酸溶液连同烟气一起进入冷凝的冷凝管，经过冷凝除水后，烟气经过气体管线进入气体分析仪，分析SO₂、NO、NO₂等气体组分的浓度。

在泵与三通阀管道加热至90℃，三通阀处加热至90℃，三通阀与冷凝器连接处加热至90℃。

验证以上方法气体组分丢失率，方法如下：

对取样管通SO₂含量为50mg/m³标准气体，记录三通阀打开前后气体分析仪内SO₂浓度的读数，试验结果见表1

表1

实施例1、2、4、5、7、8、9等组分丢失率较小，因为这4组实施例中用的酸为强酸或中强酸，且浓度较高，对于酸性气体SO₂、NO、NO₂的溶解抑制效果较好。加酸管路温度控制较高，避免了水蒸气的凝结。实施例6的SO₂测试值大于实际发生值，是因为采用的硫酸作为酸液，可能有微量的硫酸分解并还原生成SO₂。

Claims (5)

1.一种低浓度烟气检测预处理除水装置，包括取样管、预处理单元和加热丝，所述的预处理单元包括加酸单元和冷凝单元，其中加酸单元由盛放酸液的容器、空气流通管、三通阀和泵组成，泵把酸液泵入通向冷凝单元的管道，冷凝单元为冷凝器，盛放酸液的容器与泵之间通过管道连接；泵与三通阀之间通过管道连接，管道周围缠绕加热丝进行加热，控制温度范围为70-100℃，加酸入口至冷凝器入口之间的管道通过加热丝加热，通过温控单元控制温度在70-100℃，所述酸液为强酸或中强酸，且质量百分数为30-85%。

2.根据权利要求1所述的一种低浓度烟气检测预处理除水装置，其特征在于，所述的加酸单元的加酸管道中设置流量计控制加酸速度。

3.根据权利要求2所述的一种低浓度烟气检测预处理除水装置，其特征在于，所述的冷凝器有排空管路，排出液态水。

4.根据权利要求1所述的一种低浓度烟气检测预处理除水装置，其特征在于，所述管道的材质为PTFE耐酸腐蚀、耐高温材料。

5.一种烟气检测应用系统，其特征在于，包含权利要求1-4任意一项所述的低浓度烟气检测预处理除水装置，还包括分析仪和取样单元，其中取样单元控制温度为100-240℃，通过温控单元控制温度；其中取样单元和预处理单元通过管道连接，管道周围缠绕加热丝进行加热，控制温度范围为100-240℃，通过温控单元控制温度；预处理单元与分析仪通过管道连接。