CN107121488A - 一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，包括烟气取样主管、至少一根烟气取样支管、电离装置、信号采集装置以及供电电源，烟气取样主管的进气口与外界待测烟道相连通，烟气取样主管的出气口与烟气取样支管的进气口同时连通；每根烟气取样支管对应配置一套电离装置和一套信号采集装置；电离装置包括电离腔室、电荷发生器以及电荷感应器，电离腔室的入气口与烟气取样支管的出气口管路连通，电荷发生器以及电荷感应器均同轴装在电离腔室的入气口处；信号采集装置包括用于将电流信号转化为电压信号的信号放大器以及用于采集电压信号的信号采集器。本发明的有益效果是：简易便携，适应锅炉现场测量环境，在线测量烟气中的碱金属，特别是Na和K的含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置。
背景技术
中国新疆准东煤田煤炭资源储备丰富。在燃用准东煤过程中，出现炉膛结渣以及受热面积灰问题，严重影响锅炉的安全和经济运行。沾污结渣问题与准东煤煤质直接相关，其典型特征是其碱金属含量特别是钠含量高。
高碱煤燃烧过程中产生的气相碱金属对于受热面沾污结渣有直接的影响。高碱金属对煤燃烧过程中沾污结渣的影响主要体现在两方面：(1)挥发的气相碱金属较多，产生的碱金属蒸汽遇到温度相对较低的受热面会发生凝结，形成一层具有粘性的初始层，导致受热面对飞灰颗粒的吸附性增强；(2)灰颗粒吸附烟气中的碱金属，形成含Na、K的矿物成分，易与其它矿物成分之间形成熔点较低的低温共熔体，如霞石(Na6K12Al7Si89O32)、钠长石(Na(AlSi3O8))等，致使煤灰熔点降低，易黏附在受热面上。
能准确在线检测高碱煤燃烧过程中烟气中的碱金属含量对于锅炉安全经济运行具有重要意义。本发明即涉及一种燃煤烟气中气相碱金属浓度的在线测量装置。
气相中碱金属成分与含量的测量，传统方法以离线测量为主，如电感耦合等离子体、离子色谱法、毛细管电泳、活性矾土吸附等，这些方法都需要进行前处理，普遍存在测量耗时长、取样为均值、数值不准确等缺点。近几年，激光光谱技术较多应用于气相碱金属的在线检测，例如平面激光诱导荧光法(PLIF)、激光诱导击穿光谱法(LIBS)、感应荧光碎片受激准分子激光法(ELIF)，利用Na和K特定的吸收波长来测定其浓度。质谱技术也逐渐应用于碱金属的在线检测，通过与电离装置的联用，可以分析不同形态气相碱金属的含量。但以上几种技术的装置对使用环境要求均很高，无法实现锅炉系统的现场测量；另一方面，这些设备成本昂贵，操作繁琐，很难应用于工业锅炉现场环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种气相碱金属在线测量装置，该测量装置可以测量燃煤烟气中碱金属特别是Na、K的浓度，装置成本低廉，简易便携，使用方便，可用于工业锅炉的燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置。
本发明是所述的一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，其特征在于：包括烟气取样主管、至少一根烟气取样支管、电离装置、信号采集装置以及供电电源，所述烟气取样主管的进气口与外界待测烟道相连通，所述烟气取样主管的出气口与所述烟气取样支管的进气口同时连通；每根烟气取样支管对应配置一套电离装置和一套信号采集装置；
所述电离装置包括电离腔室、电荷发生器以及电荷感应器，所述电离腔室的入气口与所述烟气取样支管的出气口管路连通，所述电荷发生器以及电荷感应器均同轴装在电离腔室的入气口处，并且所述电荷感应器设置在所述电荷发生器下游；电荷发生器用于电离烟气的电离面外沿与电离腔室的入气口内壁之间留有间隙；所述电荷发生器与加热供电电源相连，加热供电电源一端与升压供电电源的升压电路相连；所述电荷感应器与信号采集装置的信号放大器串联后接地，使得所述电荷发生器与所述电荷感应器之间产生电压差；
所述信号采集装置包括用于将电流信号转化为电压信号的信号放大器以及用于采集电压信号的信号采集器，所述信号放大器为高阻值电阻，所述信号放大器与所述电荷感应器串连接地，所述信号放大器与所述信号采集器并连；
所述升压供电电源包括升压电路以及恒压电源，升压电路共四个引脚，其中两个与恒压电源相连，剩余两个引脚：一处与电荷感应器连，一处接地。
所述电荷发生器包括陶瓷圆盘和电离金属丝，所述陶瓷圆盘由陶瓷骨架在同一平面上螺旋缠绕而成，所述陶瓷圆盘安装在所述电离腔室的入气口处，所述陶瓷圆盘与所述电离腔室同轴，且陶瓷圆盘的外沿与电离腔室的入气口内壁之间留有间隙；所述电离金属丝绕制在陶瓷圆盘的陶瓷骨架上并且所述电离金属丝与加热供电电源相连，供电电源负极与升压供电电源的升压电路相连。
所述烟气取样主管出气口处一分二，分别连接两根平行布置的烟气取样支管，所述烟气取样支管相同位置各设有用于插入标定装置的测量探头的通孔，且两个通孔大小一致；每根烟气取样支管对应一个电离腔室，其中一个电离腔室的金属丝为铂(Pt)丝，形成铂电离腔室；另一个电离腔室的金属丝为铱(Ir)丝，形成铱电离腔室。
金属丝的直径为0.3～0.5mm。
所选电荷感应器中为由金属钽制成的电荷感应圆形薄片，电荷感应圆形薄片的直径与电荷发生器的陶瓷圆盘的外径一致；电荷感应圆形薄片与电荷发生器间的距离小于10mm。
所述电离腔室、所述烟气取样主管以及所述烟气取样支管外部均设有保温层。
所述电离腔室设有用于观察电离发生器的透明观测孔，并通过红外高温仪监测金属丝的表面温度，其中红外高温仪的温度感应器设置在透明观测孔处，金属丝的表面温度控制在1300K到1600K之间。
所述信号放大器的阻值大于0.1MΩ，保证所述金属丝外接电压为300～500V。
该装置基于表面电离原理。当气体接触灼热的金属表面时，若某气体成分的电离电位(IP)小于该金属的表面功函数(Φ)，该成分就会发生电离，电离率依据Saha—Langmuir公式计算：
α＝n+/n0＝g+/g0*exp[e(Φ-IP)/kBT]
β＝α/(α+1)
其中，α(％)为电离颗粒流和中性颗粒流的比值，β(％)为电离率，对于碱金属g+/g0的值取0.5，e(C)表示元电荷，表面功函数，IP(eV)电离电位，kB(J/K)表示玻尔兹曼常数，T(K)表示温度。本发明所选电离金属的材质为铂(Pt)和铱(Ir)，其表面功函数分别为：ΦPt＝5.65eV，ΦIr＝5.27eV。碱金属Na和K的电离电位分别为：IPNa＝5.14eV，IPK＝4.34eV。
本发明的工作过程：烟气由烟气取样主管进入测量装置，所选烟气取样管外部有保温装置，使取样管保持一定的温度，避免烟气中的碱金属在管内凝结；烟气取样主管后接两根烟气取样支管，两个烟气取样支管直径和长度相同且平行布置；所选烟气取样支管相同位置处开大小相同的孔用于布置标定装置；所选的两个电离腔室入口处设置有电离金属丝，电离金属丝分别为铂和铱。两个电离腔室中一个是铂电离腔室，一个是铱电离腔室，选取两种不同的金属，是为了提高测量准确性。金属丝绕制在陶瓷圆盘骨架上形成电荷发生器，该电荷发生器布置在电离腔室入口处，陶瓷圆盘的外径略小于电离腔室进口支取样管内径，保证烟气中的碱金属能完全电离，提高测量结果的精确性。金属丝外部通过导线与供电电源相连，在电加热下达到目标温度，维持金属丝的表面温度于1300K-1600K。电离腔室一侧有观察口，红外高温仪通过该处测定金属表面温度。所选金属通过外加升压电路，电压范围为300V-500V的高电压。电离腔室外层布置保温层，避免碱金属凝结。电荷感应圆形薄片通过导线接地，使之与电离发生器的金属丝之前产生300V-500V的高电压，促使气体中的离子移动，增强电荷感应器内的电信号。信号采集器所选的电荷感应器与接地之前，外加高电阻，使回路中的电信号放大。电信号放大后，通过电压的形式由信号采集器进行记录。烟气中碱金属浓度不同，通过信号采集器显示的电压信号不同间接反应。
本发明的有益效果是：简易便携，适应锅炉现场测量环境，在线测量烟气中的碱金属，特别其中Na和K的含量。
附图说明
图1是本发明的结构图(以两根烟气取样支管为例，箭头代表烟气流动方向；+、-分别代表电源的正负极)。
图2是本发明的电离发生器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1本发明是所述的一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，包括烟气取样主管1、两根烟气取样支管2、电离装置3、信号采集装置4以及供电电源5，所述烟气取样主管1的进气口与外界待测烟道相连通，所述烟气取样主管1的出气口与所述烟气取样支管2的进气口同时连通；每根烟气取样支管2对应配置一套电离装置3和一套信号采集装置4；
所述电离装置3包括电离腔室31、电荷发生器32以及电荷感应器33，所述电离腔室31的入气口与所述烟气取样支管2的出气口管路连通，所述电荷发生器32以及电荷感应器33均同轴装在电离腔室31的入气口处，并且所述电荷感应器33设置在所述电荷发生器32下游；电荷发生器32用于电离烟气的电离面外沿与电离腔室31的入气口内壁之间留有间隙；所述电荷发生器32与加热供电电源5相连，加热供电电源5的负电极一端与升压供电电源6的升压电路61相连；所述电荷感应器33与信号采集装置的信号放大器串联后接地，使得所述电荷发生器32与所述电荷感应器33之间产生电压差；
所述信号采集装置4包括用于将电流信号转化为电压信号的信号放大器41以及用于采集电压信号的信号采集器42，所述信号放大器41为高阻值电阻，所述信号放大器41与所述电荷感应器33串连接地，所述信号放大器41与所述信号采集器42并连；
所述升压供电电源6包括用于将12V直流电压转化为400V的升压电路61以及用于提供12V电压的恒压电源62，升压电路共四个引脚，其中两个与12V恒压电源相连，剩余两个引脚：一处与电荷感应器连，一处接地。
所述电荷发生器32包括陶瓷圆盘321和电离金属丝322，所述陶瓷圆盘321由陶瓷骨架323在同一平面上螺旋缠绕而成，，所述陶瓷圆盘321安装在所述电离腔室31的入气口处，所述陶瓷圆盘321与所述电离腔室31同轴，且陶瓷圆盘321的外沿与电离腔室31的入气口内壁之间留有间隙；所述电离金属丝322绕制在所述陶瓷圆盘321的陶瓷骨架323上，并且所述电离金属丝322与所述供电电源5电连，电源5的负电极与升压电路61相连。
所述烟气取样主管1出气口处一分二，分别连接两根平行布置的烟气取样支管，所述烟气取样支管相同位置各设有用于插入标定装置的测量探头的通孔，且两个通孔大小一致；每根烟气取样支管对应一个电离腔室，其中一个电离腔室的金属丝为铂(Pt)丝，形成铂电离腔室；另一个电离腔室的金属丝为铱(Ir)丝，形成铱电离腔室。
金属丝322的直径为0.3～0.5mm。
所选电荷感应器33为由金属钽制成的电荷感应圆形薄片，电荷感应圆形薄片的直径与电荷发生器的陶瓷圆盘的外径一致；电荷感应圆形薄片与电荷发生器间的距离小于10mm。
所述电离腔室31、所述烟气取样主管1以及所述烟气取样支管2外部均设有保温层。
所述电离腔室31设有用于观察电离发生器的透明观测孔311，并通过红外高温仪监测金属丝的表面温度，其中红外高温仪的温度感应器设置在透明观测孔处，金属丝的表面温度控制在1300K到1600K之间。
所述信号放大器41的阻值大于0.1MΩ，保证所述金属丝322外接电压为300～500V。
该装置基于表面电离原理。当气体接触灼热的金属表面时，若某气体成分的电离电位(IP)小于该金属的表面功函数(Φ)，该成分就会发生电离，电离率依据Saha—Langmuir公式计算：
α＝n+/n0＝g+/g0*exp[e(Φ-IP)/kBT]
β＝α/(α+1)
其中，α(％)为电离颗粒流和中性颗粒流的比值，β(％)为电离率，对于碱金属g+/g0的值取0.5，e(C)表示元电荷，表面功函数，IP(eV)电离电位，kB(J/K)表示玻尔兹曼常数，T(K)表示温度。本发明所选电离金属的材质为铂(Pt)和铱(Ir)，其表面功函数分别为：ΦPt＝5.65eV，ΦIr＝5.27eV。碱金属Na和K的电离电位分别为：IPNa＝5.14eV，IPK＝4.34eV。
本发明的工作过程：烟气由烟气取样主管进入测量装置，所选烟气取样管外部有保温装置，使取样管保持一定的温度，避免烟气中的碱金属在管内凝结；烟气取样主管后接两根烟气取样支管，两个烟气取样支管直径和长度相同且平行布置；所选烟气取样支管相同位置处开大小相同的孔用于布置标定装置；所选的两个电离腔室入口处设置有电离金属丝，电离金属丝分别为铂和铱。两个电离腔室中一个是铂电离腔室，一个是铱电离腔室，选取两种不同的金属，是为了提高测量准确性。金属丝绕制在陶瓷圆盘骨架上形成电荷发生器，该电荷发生器布置在电离腔室入口处，陶瓷圆盘的外径略小于电离腔室进口支取样管内径，保证烟气中的碱金属能完全电离，提高测量结果的精确性。金属丝外部通过导线与供电电源相连，在电加热下达到目标温度，维持金属丝的表面温度于1300K-1600K。电离腔室一侧有观察口，红外高温仪通过该处测定金属表面温度。所选金属通过外加升压电路，电压范围为300V-500V的高电压。电离腔室外层布置保温层，避免碱金属凝结。电荷感应圆形薄片通过导线接地，使之与电离发生器的金属丝之前产生300V-500V的高电压，促使气体中的离子移动，增强电荷感应器内的电信号。信号采集器所选的电荷感应器与接地之前，外加高电阻，使回路中的电信号放大。电信号放大后，通过电压的形式由信号采集器进行记录。烟气中碱金属浓度不同，通过信号采集器显示的电压信号不同间接反应。
图1中烟气取样主管1可连接在锅炉的烟气出口或烟气采样口，烟气进入取样主管1后均分为两股，分别进入内径相同的取样分管2。
图1中取样分管2平行布置，同时与取样主管1也保持平行。烟气取样管整体通过外部保温装置来维持温度，防止碱金属管内发生凝结，提高测量结果的准确性，同时保证两个腔室的温度一致。在两根取样分管相同位置处开大小相同的孔，以布置标定装置。当进行烟气在线测量时，这两处的孔将关闭。
图1中31为电离腔室，所选的两个电离腔室入口处设置有电离金属丝，电离金属丝分别为铂(Pt)和铱(Ir)。两个电离腔室中一个是铂电离腔室，一个是铱电离腔室，选取两种不同的金属，测量准确性高。
图1中32为电荷发生器，金属丝的直径在0.3-0.5mm，电离金属丝322绕制在陶瓷圆盘321的骨架323上形成电荷发生器32，该电荷发生器布置在电离腔室31入口处，陶瓷圆盘的外径略小于电离腔室进口支取样管内径，保证烟气中的碱金属能完全电离，测量精确性高，如图2所示。
所选金属丝322外部通过导线与电源相连，在电加热下使其升温。在各腔室的同侧等距处，分别配备两个耐温玻璃的观测孔311，通过红外高温仪监测电离金属的表面温度，保证金属丝的表面温度于1300K-1600K，同时控制两种金属的表面温度一致。
所选金属丝322通过外加升压电路6，升压至300V-500V。
电离腔室31外层布置保温装置，避免碱金属凝结。
图1中33为电荷感应器。
电荷感应圆形薄片通过导线接地，使之与电荷发生器32的金属丝322之前产生300V-500V的高电压，当烟气中的碱金属发生电离后，Na+、K+离子会在电场作用下移动，并在电压较低的感应金属附近富集。由于正离子在感应金属的一端的富集，导致感应金属内产生感应电流，并通过接地流向大地，其瞬时值与Na+、K+离子的含量成正比。
图1中的41为信号放大装置，通过两高电阻将较小的电流信号转化成电压信号，起到信号放大的作用，测量数值精确性高。
图1中42为信号采集器，烟气中碱金属浓度不同，通过信号采集器显示的电信号不同。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (8)
1.一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，其特征在于：包括烟气取样主管、至少一根烟气取样支管、电离装置、信号采集装置以及供电电源，所述烟气取样主管的进气口与外界待测烟道相连通，所述烟气取样主管的出气口与所述烟气取样支管的进气口同时连通；每根烟气取样支管对应配置一套电离装置和一套信号采集装置；
所述电离装置包括电离腔室、电荷发生器以及电荷感应器，所述电离腔室的入气口与所述烟气取样支管的出气口管路连通，所述电荷发生器以及电荷感应器均同轴装在电离腔室的入气口处，并且所述电荷感应器设置在所述电荷发生器下游；电荷发生器用于电离烟气的电离面外沿与电离腔室的入气口内壁之间留有间隙；所述电荷发生器与加热供电电源相连，加热供电电源的一端与升压供电电源的升压电路相连；所述电荷感应器与信号采集装置的信号放大器串联后接地，使得所述电荷发生器与所述电荷感应器之间产生电压差；
所述信号采集装置包括用于将电流信号转化为电压信号的信号放大器以及用于采集电压信号的信号采集器，所述信号放大器为高阻值电阻，所述信号放大器与所述电荷感应器串连接地，所述信号放大器与所述信号采集器并连；
所述升压供电电源包括升压电路以及恒压电源，升压电路共四个引脚，其中两个与恒压电源相连，剩余两个引脚：一处与电荷感应器连，一处接地。
2.如权利要求1所述的一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，其特征在于：
所述电荷发生器包括陶瓷圆盘和电离金属丝，所述陶瓷圆盘由陶瓷骨架在同一平面上螺旋缠绕而成，所述陶瓷圆盘安装在所述电离腔室的入气口处，所述陶瓷圆盘与所述电离腔室同轴，且陶瓷圆盘的外沿与电离腔室的入气口内壁之间留有间隙；所述电离金属丝绕制在陶瓷圆盘的陶瓷骨架上并且所述电离金属丝与加热供电电源相连，加热供电电源负极与升压供电电源的升压电路相连。
3.如权利要求1所述的一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，其特征在于：所述烟气取样主管出气口处一分二，分别连接两根平行布置的烟气取样支管，所述烟气取样支管相同位置各设有用于插入标定装置的测量探头的通孔，且两个通孔大小一致；每根烟气取样支管对应一个电离腔室，其中一个电离腔室的金属丝为铂丝，形成铂电离腔室；另一个电离腔室的金属丝为铱丝，形成铱电离腔室。
4.如权利要求2或3所述的一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，其特征在于：金属丝的直径为0.3～0.5mm。
5.如权利要求1所述的一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，其特征在于：所选电荷感应器为由金属钽制成的电荷感应圆形薄片，电荷感应圆形薄片的直径与电荷发生器的陶瓷圆盘的外径一致；电荷感应圆形薄片与电荷发生器间的距离小于10mm。
6.如权利要求4所述的一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，其特征在于：所述电离腔室、所述烟气取样主管以及所述烟气取样支管外部均设有保温层。
7.如权利要求6所述的一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，其特征在于：所述电离腔室设有用于观察电离发生器的透明观测孔，并通过红外高温仪监测金属丝的表面温度，其中红外高温仪的温度感应器设置在透明观测孔处，金属丝的表面温度控制在1300K到1600K之间。
8.如权利要求6所述的一种燃煤烟气中气相碱金属在线测量装置，其特征在于：所述信号放大器的阻值大于0.1MΩ，保证所述金属丝外接电压为300～500V。
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