CN106092846B - 一种超低浓度湿烟气烟尘在线测量装置及其在线测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于火电厂烟气监测技术领域，具体涉及一种超低浓度湿烟气烟尘在线测量装置及其在线测量方法。技术方案是：包括三组设有采样孔的采样头、三组采样管、冷凝器、集液器、集液组分分析仪、储液器、排液泵、伴热管、光散射分析仪、取样泵、控制器、皮托管测速仪、温度传感器、流量控制阀、流量计、压力表、电磁阀；本发明适用于火电厂实现超低排放后的超低浓度湿烟气烟尘在线测量。具有不受烟气湿度、温度等干扰，误差来源小，测量准确性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于火电厂烟气监测技术领域，具体涉及一种超低浓度湿烟气烟尘在线测量装置及其在线测量方法。
背景技术
近几年大气污染日益严重，雾霾现象时有发生，粉尘对大气的污染越来越受到人们的关注。火电厂排烟中的烟尘作为粉尘的重要来源，需要对其严格控制。为此，国务院印发《大气污染防治行动计划》(国发〔2013〕37号)，要求加快燃煤锅炉现有除尘设施的升级改造，确保颗粒物排放达到国家标准。国家发改委、能源局、环保部联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划》([2014]2093号)，指出到2020年现役燃煤发电机组大气污染物中烟尘排放限值要低于10mg/Nm3。为响应国家号召，各省市先后对火电厂进行了超低排放改造。改造后，烟尘浓度普遍低于10mg/Nm3，部分火电厂甚至低于5mg/Nm3。
随着环保标准越来越严格，对烟尘监测设备的要求越来越高。目前国内外对颗粒物浓度的监测主要有以下两大类方法：一、传统烟尘在线测量技术；二、低浓度烟尘在线测量技术。传统烟尘在线测量技术主要是浊度法，其受烟气中液滴的影响大，最大误差在50mg/Nm3以上；正常测量范围>50mg/Nm3，其量程大，灵敏度低；随粉尘粒径变小和浓度降低，其测量精度明显下降。由于浊度法的以上缺点，它远远不能满足湿烟气超低烟尘浓度在线测量的技术要求。低浓度烟尘在线测量技术主要包括电荷探针法、β射线法和激光前向散射法。交流探针法必须在安装后进行校正，工作量大，程序复杂；对于直流探针法，温度、湿度的变化及烟尘对探头的粘附都对测量精度有较大影响。因此，在湿烟气的烟尘浓度在线测量中很少采用电荷探针法。由于β射线法数据延迟大，不适合过程监视，只能算是准实时测量技术，且其测量范围为0～30mg/Nm3，所以β射线法不适合10mg/Nm3以下的超低烟尘浓度的在线测量。对于激光前向散射法，取样量较少，为避免液滴对测量的干扰，一般都采用引入稀释风的办法进行加热，并且引入量为样气的数倍以上，而对于10mg/Nm3以下的超低烟尘浓度，稀释势必会对测量造成较大的误差，再者稀释风的品质也会影响测量的准确性。在面对超低浓度烟尘的监测时，以上方法都或多或少不太适合。
面对巨大的环保压力，烟尘的排放限值越来越低，这对烟尘监测设备提出了更高的要求。鉴于以上各种监测方法的不足，亟需开发一种当前形势下适合超低浓度烟尘的监测技术。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有的监测设备在监测超低浓度湿烟气烟尘中存在的受烟气湿度、温度等干扰，误差来源大，影响测量的准确性等问题，提供一种适用于火电厂实现超低排放后的超低浓度湿烟气烟尘在线测量装置。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超低浓度湿烟气烟尘在线测量装置，其包括三组设有采样孔的采样头、三组采样管、冷凝器、集液器、集液组分分析仪、储液器、排液泵、伴热管、光散射分析仪、取样泵、控制器、皮托管测速仪、温度传感器、流量控制阀、流量计、压力表、电磁阀；所述采样头与水平方向成一定角度固定在烟道内；所述三组采样管的一端分别与三组采样头连接，所述三组采样管的另一端与冷凝器通过冷凝器的三个样气入口相连接；所述集液器设置在冷凝器的下方，且与冷凝器相通；所述储液器位于集液器的下方且集液器的出口与储液器的入口相连，所述排液泵的入口与储液器的出口连接；所述集液组分分析仪位于集液器的一侧，并通过连接管与集液器连接；所述电磁阀安装在集液器和储液器之间，且位于集液组分分析仪的下方；所述伴热管的一端与冷凝器的样气出口相连，另一端与光散射分析仪连接，所述取样泵通过连接管与光散射分析仪连接；所述皮托管测速仪的测试端与温度传感器的感应端通过取样口置于烟道内，所述皮托管测速仪与温度传感器的另一端分别通过电线与控制器的接线端连接；所述集液组分分析仪、光散射分析仪通过电线与控制器连接；在所述三组采样管上从左到右依次分别安装流量计、压力表、温度传感器、流量控制阀；在所述伴热管的样气入口与出口分别也各布置一个温度传感器；在所述伴热管与取样泵的入口也各布置一个流量计。
进一步优选方式，所述采样头采用笛型管型式，分三组布置，每组开3个取样孔，形成多点取样。
所述采样头的采样孔正对烟气来流方向。
所述采样头与采样管设有自动反吹扫装置。
所述采样管与水平方向成2°～5°倾角。
所述取样泵的流量不小于100Nm3/h。
一种使用上述的一种超低浓度湿烟气烟尘在线测量装置进行超低浓度湿烟气烟尘在线测量的方法，其包括如下步骤：
A、启动取样泵，根据皮托管测速仪测得的烟气流速，通过监测三组采样管上的流量计，分别调节三组采样管上的流量控制阀实现等速采样；
B、通过监测冷凝器入口和出口温度传感器的温度值，对冷凝器的功率进行设定；
C、根据伴热管出口的温度传感器的温度值对伴热管的功率进行设定；
D、样气流经采样头、采样管进入冷凝器，样气中的饱和水蒸汽和小液滴在冷凝器中凝结汇聚，汇聚在一起的冷凝液顺着冷凝器底部的锥段进入集液器；
E、集液器下部的电磁阀设定每隔时间t1开关一次，在电磁阀关的时间t1内，集液器内收集一定量的集液，固定在集液器一侧的集液组分分析仪对集液的烟尘含量进行分析，得出相对应的烟尘浓度；
F、当电磁阀开时，集液顺着集液器向下流入储液器，此时启动排液泵，利用排液泵将储液器中的集液排尽，记录排液泵工作时间t2，由t2可以得出集液量；
G、经冷凝除湿之后的干烟气从冷凝器右下方的样气出口出来，进入伴热管加热，进一步对烟气除湿，最终干烟气进入光散射分析仪，对干烟气中的烟尘浓度进行分析；
H、当冷凝器的出口温度传感器的温度降到饱和温度以下，且伴热管的出口温度传感器的温度达到105℃时，通过控制器对集液组分分析仪和光散射分析仪的数据进行采集，经分析运算得出最终的烟尘浓度。
本发明将原烟气烟尘浓度分两部分进行测量，先经过冷凝烟气测量单元测出饱和水蒸汽和小液滴中的烟尘浓度，再经过干烟气光学测量单元得到干烟气中的烟尘浓度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
第一、采样头采用笛型管形式，分三组布置，实现多点采样，可以真实反映整个烟道截面的烟气分布情况，避免单点采样因速度场、浓度场分布不均造成的测量误差。
第二、在本发明中，样气先经过冷凝器将小液滴与饱和水蒸汽进行冷凝，再经过伴热管进行加热，已经最大程度的对湿烟气进行去湿处理，可以避免烟气湿度、温度和烟气中小液滴对光散射分析仪测量的干扰。
第三、在本发明中，样气先后经过冷凝烟气测量单元和干烟气光学测量单元，将烟尘浓度分两部分进行测量，可定量的分析出饱和水蒸气和小液滴中的烟尘含量和干烟气中的烟尘含量，以便更深入的研究烟尘的分布情况。
第四、目前多数激光前向散射法都会引入稀释风，因稀释作用使烟尘浓度进一步降低，并且稀释风品质变差时，都会对测量结果带来较大误差，而本发明中的干烟气光学测量单元无需引入稀释风，可以避免因稀释风带来的测量误差，同时。本发明采用多点取样，可避免速度场、浓度场分布不均造成的测量误差。
第五、本发明取样流量大，流量在2m3/min左右，增加了取样的稳定性，可以避免取样偏差和取样流量太小带来的误差。
总之，本发明具有不受烟气湿度、温度等干扰，误差来源少，测量精准的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中采样头的结构示意图。
图3是本发明中采样管的反吹结构示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本实施例一种超低浓度湿烟气烟尘在线测量装置，其包括三组设有采样孔18的采样头1、三组采样管2、冷凝器3、集液器4、集液组分分析仪5、储液器6、排液泵7、伴热管8、光散射分析仪9、取样泵10、控制器11、皮托管测速仪12、温度传感器13、流量控制阀14、流量计15、压力表16、电磁阀17；所述采样头1与水平方向成一定角度固定在烟道19内；所述三组采样管2的一端分别与三组采样头1连接，所述三组采样管2的另一端与冷凝器3通过冷凝器的三个样气入口相连接；所述集液器4设置在冷凝器3的下方，且与冷凝器3相通；所述储液器6位于集液器4的下方且集液器4的出口与储液器6的入口相连，所述排液泵7的入口与储液器6的出口连接；为实现对集液烟尘含量的实时测量，所述集液组分分析仪5位于集液器4的一侧，并通过连接管与集液器4连接；为实现集液的收集与排放，所述电磁阀22安装在集液器4和储液器6之间，且位于集液组分分析仪5的下方；所述伴热管8的一端与冷凝器3的样气出口相连，另一端与光散射分析仪9连接，所述取样泵10通过连接管与光散射分析仪9连接；所述皮托管测速仪12的测试端与温度传感器13的感应端通过取样口置于烟道19内，所述皮托管测速仪12与温度传感器13的另一端分别通过电线与控制器11的接线端连接；所述集液组分分析仪5、光散射分析仪9通过电线与控制器11连接；在所述三组采样管2上从左到右依次分别安装流量计15、压力表16、温度传感器13、流量控制阀14；在所述伴热管8的样气入口与出口分别也各布置一个温度传感器13，以便监测样气的冷凝与加热效果；在所述伴热管8与取样泵10的入口也各布置一个流量计15，用于监测沿样气流向流量的变化情况。压力表16用于监测原烟气的压力。
通过监测本实施例所述流量计15的测试数据，与皮托管测速仪12的实时数据进行比对，调节流量控制阀14可以实现等速取样。所述光散射分析仪9无需通入稀释气，直接对来自伴热管8的样气进行分析。
本实施例中所述采样头1采用笛型管型式，分三组布置，每组开3个取样孔，形成多点取样。可以真实反映整个烟道截面的烟气分布情况，避免单点采样因速度场、浓度场分布不均造成的测量误差。
本实施例中所述采样头1的采样孔18正对烟气来流方向。
本实施例中所述采样头1与采样管2设有自动反吹扫装置20。
所述采样头1、采样管2反吹扫时，先关停取样泵10，再关闭流量控制阀14，开启自动反吹扫装置20进行吹扫。待吹扫完毕，先关停自动反吹扫装置20，调节流量控制阀14至合适开度，最后再起动取样泵10。
为了测量更加精准，使样气中的小液滴从采样管2流畅进入冷凝器3，所述采样管2与水平方向成2°～5°倾角。
为了增加取样的稳定性，避免因取样偏差和取样流量太小带来的误差，所述取样泵10的流量不小于100Nm3/h。
本实施例一种使用上述的一种超低浓度湿烟气烟尘在线测量装置进行超低浓度湿烟气烟尘在线测量的方法，其包括如下步骤：
A、启动取样泵10，根据皮托管测速仪12测得的烟气流速，通过监测三组采样管2上的流量计15，分别调节三组采样管2上的流量控制阀14实现等速采样；
B、通过监测冷凝器3入口和出口温度传感器13的温度值，对冷凝器3的功率进行设定；
C、根据伴热管8出口的温度传感器13的温度值对伴热管8的功率进行设定；
D、样气流经采样头1、采样管2进入冷凝器3，样气中的饱和水蒸汽和小液滴在冷凝器3中凝结汇聚，汇聚在一起的冷凝液顺着冷凝器3底部的锥段进入集液器4；
E、集液器4下部的电磁阀17设定每隔时间t1开关一次，在电磁阀17关的时间t1内，集液器4内收集一定量的集液，固定在集液器4一侧的集液组分分析仪5对集液的烟尘含量进行分析，得出相对应的烟尘浓度；
F、当电磁阀17开时，集液顺着集液器4向下流入储液器6，此时启动排液泵7，利用排液泵7将储液器6中的集液排尽，记录排液泵7工作时间t2，由t2可以得出集液量；
G、经冷凝除湿之后的干烟气从冷凝器3右下方的样气出口出来，进入伴热管8加热，进一步对烟气除湿，最终干烟气进入光散射分析仪9，对干烟气中的烟尘浓度进行分析；
H、当冷凝器3的出口温度传感器13的温度降到饱和温度以下，且伴热管8的出口温度传感器13的温度达到105℃时，通过控制器11对集液组分分析仪5和光散射分析仪9的数据进行采集，经分析运算得出最终的烟尘浓度。
本实施例在线测量超低浓度湿烟气烟尘的方法，其将原烟气烟尘浓度分两部分进行测量，先经过冷凝烟气测量单元测出饱和水蒸汽和小液滴中的烟尘浓度，再经过干烟气光学测量单元得到干烟气中的烟尘浓度。
本实施例的工作过程如下：
将测量装置按图1所示固定安装好，启动取样泵10，调节流量控制阀14进行等速采样，对冷凝器3的功率进行设定；样气流经采样头1、采样管2进入冷凝器3，样气中的饱和水蒸汽和小液滴在冷凝器3中凝结汇聚，汇聚在一起的冷凝液顺着冷凝器3底部的锥段进入集液器4；集液器4下部的电磁阀17设定每隔时间t1开关一次，在电磁阀17关的时间t1内，集液器4内收集一定量的集液，固定在集液器4一侧的集液组分分析仪5对集液的烟尘含量进行分析，得出相对应的烟尘浓度；当电磁阀17开时，集液顺着集液器4向下流入储液器6，此时启动排液泵7，利用排液泵7将储液器6中的集液排尽，记录排液泵7工作时间t2，由t2可以得出集液量；经冷凝除湿之后的干烟气从冷凝器3右下方的样气出口出来，进入伴热管8加热，进一步对烟气除湿，最终干烟气进入光散射分析仪9，对干烟气中的烟尘浓度进行分析；最后通过控制器11对集液组分分析仪5和光散射分析仪9的数据进行分析运算，得出最终的烟尘浓度。
在所述测量过程中，根据原烟气的温度与压力可以得到原烟气中饱和水蒸汽的含量，进而分析出原烟气的湿度；在此基础上，结合烟气流量可以分析出饱和水蒸汽冷凝为饱和水的放热量与冷凝液的流量，根据放热量可以对冷凝器3的功率进行预设，再根据冷凝液流量可以对电磁阀17开关时间t1和排液泵7的转速进行预设；最后把冷凝测量单元中集液的含尘量和光学测量单元中干烟气的含尘量进行叠加运算，得到最终的实际烟尘浓度。
Claims (2)
1.一种超低浓度湿烟气烟尘在线测量的方法，包括超低浓度湿烟气烟尘在线测量装置，该装置包括三组设有采样孔(18)的采样头(1)、三组采样管(2)、冷凝器(3)、集液器(4)、集液组分分析仪(5)、储液器(6)、排液泵(7)、伴热管(8)、光散射分析仪(9)、取样泵(10)、控制器(11)、皮托管测速仪(12)、温度传感器(13)、流量控制阀(14)、流量计(15)、压力表(16)、电磁阀(17)；所述采样头(1)与水平方向成一定角度固定在烟道(19)内；所述三组采样管(2)的一端分别与三组采样头(1)连接，所述三组采样管(2)的另一端与冷凝器(3)通过冷凝器的三个样气入口相连接；所述集液器(4)设置在冷凝器(3)的下方，且与冷凝器(3)相通；所述储液器(6)位于集液器(4)的下方且集液器(4)的出口与储液器(6)的入口相连，所述排液泵(7)的入口与储液器(6)的出口连接；所述集液组分分析仪(5)位于集液器(4)的一侧，并通过连接管与集液器(4)连接；所述电磁阀(22)安装在集液器(4)和储液器(6)之间，且位于集液组分分析仪(5)的下方；所述伴热管(8)的一端与冷凝器(3)的样气出口相连，另一端与光散射分析仪(9)连接，所述取样泵(10)通过连接管与光散射分析仪(9)连接；所述皮托管测速仪(12)的测试端与温度传感器(13)的感应端通过取样口置于烟道(19)内，所述皮托管测速仪(12)与温度传感器(13)的另一端分别通过电线与控制器(11)的接线端连接；所述集液组分分析仪(5)、光散射分析仪(9)通过电线与控制器(11)连接；在所述三组采样管(2)上从左到右依次分别安装流量计(15)、压力表(16)、温度传感器(13)、流量控制阀(14)；在所述伴热管(8)的样气入口与出口分别也各布置一个温度传感器(13)；在所述伴热管(8)与取样泵(10)的入口也各布置一个流量计(15)；其特征在于：包括如下步骤：
A、启动取样泵(10)，根据皮托管测速仪(12)测得的烟气流速，通过监测三组采样管(2)上的流量计(15)，分别调节三组采样管(2)上的流量控制阀(14)实现等速采样；
B、通过监测冷凝器(3)入口和出口温度传感器(13)的温度值，对冷凝器(3)的功率进行设定；
C、根据伴热管(8)出口的温度传感器(13)的温度值对伴热管(8)的功率进行设定；
D、样气流经采样头(1)、采样管(2)进入冷凝器(3)，样气中的饱和水蒸汽和小液滴在冷凝器(3)中凝结汇聚，汇聚在一起的冷凝液顺着冷凝器(3)底部的锥段进入集液器(4)；
E、集液器(4)下部的电磁阀(17)设定每隔时间t1开关一次，在电磁阀(17)关的时间t1内，集液器(4)内收集一定量的集液，固定在集液器(4)一侧的集液组分分析仪(5)对集液的烟尘含量进行分析，得出相对应的烟尘浓度；
F、当电磁阀(17)开时，集液顺着集液器(4)向下流入储液器(6)，此时启动排液泵(7)，利用排液泵(7)将储液器(6)中的集液排尽，记录排液泵(7)工作时间t2，由t2可以得出集液量；
G、经冷凝除湿之后的干烟气从冷凝器(3)右下方的样气出口出来，进入伴热管(8)加热，进一步对烟气除湿，最终干烟气进入光散射分析仪(9)，对干烟气中的烟尘浓度进行分析；
H、当冷凝器(3)的出口温度传感器(13)的温度降到饱和温度以下，且伴热管(8)的出口温度传感器(13)的温度达到105℃时，通过控制器(11)对集液组分分析仪(5)和光散射分析仪(9)的数据进行采集，经分析运算得出最终的烟尘浓度。
2.根据权利要求1所述的一种超低浓度湿烟气烟尘在线测量的方法，其特征在于：将原烟气烟尘浓度分两部分进行测量，先经过冷凝烟气测量单元测出饱和水蒸汽和小液滴中的烟尘浓度，再经过干烟气光学测量单元得到干烟气中的烟尘浓度。
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