CN105043952A - 煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置及方法，包括助燃气体供给与调控系统、高温管式炉系统、管线系统、烟气污染物分析系统，所述助燃气体供给与调控系统通过管线系统的前端耐高温可拆卸法兰连接高温管式炉系统，高温管式炉系统通过管线系统的后端耐高温可拆卸法兰连接烟气污染物分析系统，用于同时实现煤、生物质或煤与生物质混燃过程气态和颗粒污染物排放特性的一体化测试。本发明能够一次性全面综合的测量煤或生物质燃烧烟气中各污染物排放特性，经济有效，减少多次测量的误差，可广泛应用于能源、环境、化工等科学与工程等领域。

Description

煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种燃烧污染物排放监测与控制装置，涉及一种煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置及方法。
背景技术
根据1989-2013年中国环境状况公报，由工业源包括燃料燃烧引起的大气污染是我国大气的主要来源，其中SOx、NOx、颗粒物(PM)等是主要大气污染物，对自然环境和人体健康造成了极大危害。鉴于燃烧源大气污染对整体大气环境质量、排放和污染的贡献，燃烧污染物的排放、监测与控制日趋紧迫。从宏观政策法规和标准体系的层面，为了改善大气环境质量和防治大气污染物，促进技术进步和可持续发展，环保部先后更新发布了《中华人民共和国环境保护法》(2015年1月1日施行)、《中华人民共和国大气污染防治法(修订草案)》、《环境空气质量标准GB3095-2012》以及《火电厂最新排放标准GB13223-2011》等法规标准来控制或规范燃烧污染物的阈值。作为重要的能源，以煤为代表的化石能源以及以生物质为代表的一类可再生能源在我国当前能源结构中占有相当比重，以燃烧的方式对其进行能源化利用仍是目前的主要利用方式。但是，燃烧过程中不可避免的排放燃烧污染物，而且燃烧污染物的排放特性及成分、含量是对其评估和控制的前提和基础，实时在线监测的结果可以发现燃烧过程中污染物的具体排放规律，能为相应的防治措施的制定提供有效的监测数据。
目前主要通过沉降炉系统、管式炉系统、热重分析系统、流化床系统模拟实际燃烧过程，对污染物排放进行监测。但以上实验系统均为燃烧过程中的单一或某一类污染检测，不能够实现烟气污染物与颗粒污染物的同步测量，对污染物的监测不全面。例如，利用高温沉降炉系统中通过LPI仅研究不同气氛下混煤燃烧的颗粒物排放特性，或者仅在管式炉、恒温系统或流化床系统中通过烟气分析仪研究煤或生物质燃料的排放特性或添加剂对气态污染物NOx和SO2排放特性的影响。但上述的研究方法与系统只能对烟气中所含污染物中的某一种或某一类进行监测，不能够一次性的实现全面综合的测量煤或生物质燃烧烟气中各污染物排放特性，这就导致了研究整体的不同步性和不完善性。
为实现燃烧过程中多污染物的综合监测，常规污染物监测方法需要多次实验、多套系统来分步完成。这就延长了测试周期，增加了大量的人力物力资源消耗，且多次测量由系统、操作造成的误差使得多次测量的实际结果并非为同一工况的同步值。一般的管式炉实验中刚玉管两端采用普通的法兰，添加燃料后需要较长的时间来实现刚玉管两端采用连接与密封。这就会引起燃烧初始段实际供气量的误差，从而导致的最终实验结果误差增大。
发明内容
本发明的目的在于：针对以上背景技术存在的问题，提供一种煤或生物质燃烧烟气污染物的综合测试装置及方法，能够解决单一污染物研究的不全面性与不同步性以及多次实验造成的实验周期长、人力物力投资大、多次测量不同种类污染物的实验值不同步等问题，该装置所需气体切换方便，在线PM10/PM2.5颗粒分析仪前增设的水冷与惰性气体稀释系统，有效的扩大了颗粒分析仪的监测范围，使其能够更加广泛的用于不同燃料燃烧污染物的监测领域。
本发明是通过以下具体技术方案实现的：
一种煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置，包括助燃气体供给与调控系统、高温管式炉系统、管线系统、烟气污染物分析系统，所述助燃气体供给与调控系统通过管线系统的前端耐高温可拆卸法兰连接高温管式炉系统，高温管式炉系统通过管线系统的后端耐高温可拆卸法兰连接烟气污染物分析系统，用于同时实现煤、生物质或煤与生物质混燃过程气态和颗粒污染物排放特性的一体化测试。
所述的助燃气体供给与调控系统包括空气或富氧气体钢瓶、附件减压阀以及流量计，空气或富氧气体钢瓶出气口连接附件减压阀和流量计，实现流量调控。
所述的高温管式炉系统包括包含自动程序升温控制卧式管式炉、高温陶瓷管以及燃料陶瓷舟，高温陶瓷管置于自动程序升温控制卧式管式炉内，通过自动程序升温控制卧式管式炉的自动程序升温控制来实现燃烧温度精准控制。
所述的烟气污染物分析系统包括同时在线监测SO2和NOx的烟气分析仪和在线PM10/PM2.5颗粒分析仪。
所述高温陶瓷管前端与前端耐高温可拆卸法兰连接，后端通过后端耐高温可拆卸法兰和连接管路分别连接烟气污染物分析系统的烟气分析仪和颗粒分析仪，用于燃烧烟气污染物浓度在线实时监测。
所述烟气分析仪和颗粒分析仪前端增设惰气引入系统，所述颗粒分析仪前端增设烟气螺管水冷系统，用于满足高烟气污染物的稀释或降温以便达到仪器的浓度监测量程和要求；所述颗粒采样仪内置颗粒采样膜片，用于所收集颗粒进行SEM形貌及XRD/EDX理化特性分析。
一种煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试方法，首先打开自动程序升温控制卧式管式炉的自动温控程序，设定好温控程序后开始运行程序，待炉膛内温度达到预设值后，开启助燃气体供给与调控系统中的气体钢瓶及其附件减压阀通过流量计调节气流，使得气体流量满足预定值，持续加热10分钟，使得高温陶瓷管中心温度与炉膛温度一致且保持恒定；将颗粒采样仪内置颗粒采样膜片装入在线PM10/PM2.5颗粒分析仪中，打开烟气污染物分析系统中的SO2和NOx的烟气分析仪、在线PM10/PM2.5颗粒分析仪完成仪器归零及相关参数的设定，并开启监测；将燃料煤或生物质或煤与生物质混合物试样迅速推入高温陶瓷管，开始计时并迅速连接后端可拆卸的法兰，开始测量；待燃烧污染物排放值趋于零时再次计时，然后打开后端可拆卸法兰，取出盛放燃料的容器；停止烟气分析仪、在线PM10/PM2.5颗粒分析仪的测量，导出PC端获得的实验数据，更换内置颗粒采样膜片后重复前面操作流程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)合理地设计了监测系统使得燃烧后烟气分别单相连接至烟气分析仪和颗粒分析仪进行燃烧烟气污染物浓度在线同步实时监测，相比于多次实验缩短了实验周期，减少了人力物力资源的投入，降低了实验误差。
(2)颗粒分析仪前端增设惰气引入以及螺管水冷系统，能够满足高浓度颗粒污染物的稀释及降温从而达到仪器的浓度监测量程和要求。加入内置颗粒采样膜片，可对所收集颗粒进行SEM形貌及XRD/EDX理化特性分析。
(3)自行设计的法兰装置，能够实现灵活、快速密封，耐用性与密封性良好，能够保证实验数据的可靠性。
(4)能一次性全面综合的测量煤或生物质燃烧烟气中各污染物排放特性，经济有效，减少多次测量的误差，可检测的燃料范围广，可广泛应用于能源、环境、化工等科学与工程等领域。
附图说明
图1本发明测试方法、装置及流程示意图；
图2本发明采用的新型高温陶瓷管与法兰连接整体示意图及放大剖面图；
图3本发明实施例：SO2、NOx实时排放监测曲线图；
图4本发明实施例：PM10、PM2.5实时排放监测曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明的煤或生物质燃烧烟气污染物的综合测试装置，主要包括：助燃气体供给与调控系统1、高温管式炉系统2、管线系统3、烟气污染物分析系统4。
助燃气体供给与调控系统1通过管线系统3的前端耐高温可拆卸法兰31连接高温管式炉系统2，高温管式炉系统2通过管线系统3的后端耐高温可拆卸法兰32连接烟气污染物分析系统4。助燃气体供给与调控系统包含空气或富氧气体钢瓶及其附件减压阀11、流量计12。高温管式炉系统包含自动程序升温控制卧式管式炉21、高温陶瓷管22以及燃料陶瓷舟23。所述的管线系统包含新型前后两端耐高温可拆卸法兰31、32、连接管路33。烟气污染物分析系统包括同时在线监测SO2和NOx的烟气分析仪41、在线PM10/PM2.5颗粒分析仪42，在其前端增设惰气引入系统43。颗粒分析仪可内置颗粒采样膜片422，前端增设螺管水冷系统421。
如图2所示，本发明提出一种新型的高温陶瓷管与法兰连接方法。将高温陶瓷管22与口径配套的缩口接头322连接，接口处通过耐高温胶321实现二者之间的固定于密封。将变口接头323与活夹结构324、325、326、327前端接头324连接并固定，其中活夹装置中加装耐高温密封垫圈326用以保证其整体的密封效果。将活夹装置324、325、326、327中的变口接头327与末端管路连接变口接头328连接并固定。实验过程中打开缩口接头322与变口接头323的连接，松动活夹外壳326与变口接头327处连接，待燃料送入炉膛后首先迅速连接缩口接头322与变口接头323，然后将活夹外壳326与变口接头327紧密连接。其优势在于加装了活夹装置，在燃料添加时能够实现灵活快速的密封，法兰整体为刚体结构，在其与陶瓷管22接口处通过高温密封胶321密封与固定，连接装置整体刚性较好，不仅能较好的实现密封从而确保实验整体的测量精度，且能够保证其操作的灵活性与使用的持久性。
本发明的煤或生物质燃烧烟气污染物的综合测试方法：进行综合测试时，打开自动程序升温控制卧式管式炉21的自动温控程序，设定好温控程序后开始运行程序，待炉膛内温度达到预设值后，开启助燃气体供给与调控系统1中的气体钢瓶及其附件减压阀11通过流量计12调节气流，使得气体流量满足预定值，持续加热10分钟，使得高温陶瓷管22温度与炉膛温度一致且保持恒定；将颗粒采样仪内置颗粒采样膜片422装入在线PM10/PM2.5颗粒分析仪42中，打开烟气污染物分析系统中4的SO2和NOx的烟气分析仪41、在线PM10/PM2.5颗粒分析仪42完成仪器归零及相关参数的设定（若实验为高浓度烟气或高温烟气此时还需同步的开启惰气引入系统43及螺管水冷系统421，用于满足仪器的浓度监测量程和温度要求）并开启监测；将燃料煤或生物质或煤与生物质混合物试样迅速推入高温陶瓷管22，开始计时并迅速连接后端可拆卸的法兰32，开始测量；待燃烧污染物排放值趋于零时再次计时，然后打开后端可拆卸法兰32，取出盛放燃料的容器；停止烟气分析仪41、在线PM10/PM2.5颗粒分析仪42的测量，导出PC端获得的实验数据，更换内置颗粒采样膜片422后重复前面操作流程。
图3为采用本发明进行一类藻类生物质燃烧排放的气态污染物SO2和NOx的监测曲线。试验称取100mg的马尾藻粉在900℃下进行燃烧，助燃气体采用3L/min的空气。烟气分析仪对NOx和SO2进行了同步在线测量。NOx与SO2随时间的变化曲线均呈双峰分布，初始阶段随时间推移NOx与SO2迅速升高，在20s达到了第一个峰值。在经历一个快速下降过程后NOx、SO2的排放达到了第二个峰值，但SOx在第二阶段的排放值相对于NOx依然很高，这也就说明此种燃料NOx排放主要集中在挥发分燃烧阶段，而SO2的排放在挥发分燃烧阶段与焦炭燃烧阶段均较为明显。
图4为采用本发明进行一类藻类生物质燃烧排放的颗粒污染物PM2.5和PM10的监测曲线。试验称取100mg的马尾藻粉在900℃下进行燃烧，助燃气体采用3L/min的空气。在线PM10/PM2.5颗粒分析仪对PM10、PM2.5进行了同步在线测量。随着时间变化PM2.5与PM10曲线呈三峰分布，其中以第二个峰值最为明显。

Claims (7)

1.一种煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置，包括助燃气体供给与调控系统(1)、高温管式炉系统(2)、管线系统(3)、烟气污染物分析系统(4)，其特征在于：所述助燃气体供给与调控系统(1)通过管线系统(3)的前端耐高温可拆卸法兰(31)连接高温管式炉系统(2)，高温管式炉系统(2)通过管线系统(3)的后端耐高温可拆卸法兰(32)连接烟气污染物分析系统(4)，用于同时实现煤、生物质或煤与生物质混燃过程气态和颗粒污染物排放特性的一体化测试。
2.根据权利要求1所述的煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置，其特征在于：所述的助燃气体供给与调控系统(1)包括空气或富氧气体钢瓶、附件减压阀(11)以及流量计(12)，空气或富氧气体钢瓶出气口连接附件减压阀(11)和流量计(12)，实现流量调控。
3.根据权利要求1所述的煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置，其特征在于：所述的高温管式炉系统(2)包括包含自动程序升温控制卧式管式炉(21)、高温陶瓷管(22)以及燃料陶瓷舟(23)，高温陶瓷管(22)置于自动程序升温控制卧式管式炉(21)内，通过自动程序升温控制卧式管式炉(21)的自动程序升温控制来实现燃烧温度精准控制。
4.根据权利要求1所述的煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置，其特征在于：所述的烟气污染物分析系统(4)包括同时在线监测SO2和NOx的烟气分析仪(41)和在线PM10/PM2.5颗粒分析仪(42)。
5.根据权利要求3所述的煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置，其特征在于：所述高温陶瓷管(22)前端与前端耐高温可拆卸法兰(31)连接，后端通过后端耐高温可拆卸法兰(32)和连接管路(33)分别连接烟气污染物分析系统(4)的烟气分析仪(41)和颗粒分析仪(42)，用于燃烧烟气污染物浓度在线实时监测。
6.根据权利要求4所述的煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置，其特征还在于：所述烟气分析仪(41)和颗粒分析仪(42)前端增设惰气引入系统(43)，所述颗粒分析仪(42)前端增设烟气螺管水冷系统(421)，用于满足高烟气污染物的稀释或降温以便达到仪器的浓度监测量程和要求；所述颗粒采样仪(42)内置颗粒采样膜片(422)，用于所收集颗粒进行SEM形貌及XRD/EDX理化特性分析。
7.一种采用权利要求1-6任一所述煤或生物质燃烧烟气污染物综合测试装置的测试方法，其征在于：首先打开自动程序升温控制卧式管式炉(21)的自动温控程序，设定好温控程序后开始运行程序，待炉膛内温度达到预设值后，开启助燃气体供给与调控系统(1)中的气体钢瓶及其附件减压阀(11)通过流量计(12)调节气流，使得气体流量满足预定值，持续加热10分钟，使得高温陶瓷管中心(22)温度与炉膛温度一致且保持恒定；将颗粒采样仪内置颗粒采样膜片(422)装入在线PM10/PM2.5颗粒分析仪(42)中，打开烟气污染物分析系统中(4)的SO2和NOx的烟气分析仪(41)、在线PM10/PM2.5颗粒分析仪(42)完成仪器归零及相关参数的设定，并开启监测；将燃料煤或生物质或煤与生物质混合物试样迅速推入高温陶瓷管(22)，开始计时并迅速连接后端可拆卸的法兰(32)，开始测量；待燃烧污染物排放值趋于零时再次计时，然后打开后端可拆卸法兰(32)，取出盛放燃料的容器；停止烟气分析仪(41)、在线PM10/PM2.5颗粒分析仪(42)的测量，导出PC端获得的实验数据，更换内置颗粒采样膜片(422)后重复前面操作流程。
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