CN107664590A - 基于射流调制的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统及其预处理方法 - Google Patents

基于射流调制的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统及其预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于射流调制的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统及其采用上述系统对烟道其他进行预处理的方法，包括：射流调制子系统、零气制备子系统、零气控制子系统、样气引入子系统、样气混合子系统、样气加热子系统、样气除湿子系统、颗粒物检测子系统和空气压缩机。本发明采用基于射流调制的烟道颗粒物等速采样技术，利用一台空气压缩源作为系统中多个射流调制系统的动力源，为各级功能子系统中实现流量控制的射流调制系统提供动力，利用射流调制系统产生的负压抽吸待测样气，并通过射流调制系统(由电磁阀、流量计、控制器等组成)实现烟道烟气等速采样的自动控制。

Description

基于射流调制的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统及其预 处理方法
技术领域
本发明属于实时在线监测领域，特别涉及一种烟道颗粒物等速采样系统及恒流控制技术以及采用上述系统对烟道气体进行预处理的方法。
背景技术
目前，影响CEMS中颗粒物监测系统技术性能的主要因素是在高温、高湿、高流速、低浓度等状态下，如何满足测量仪表在上述复杂工况条件下稳定可靠运行，并具有较高的灵敏度、准确性、精度和较小的误差率，以满足实际监测的需求。
等速采样，除湿、降温、稀释等样气预处理方法，是解决上述问题的主要途径。国标《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T16157-1996)和《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》(HJ/T 76-2007)中对烟气等速采样都有明确的要求。
目前，已公开的专利中有许多关于这些技术和系统方面的内容，其采样动力一般会采用真空泵将样气吸入，其中已公开的中国发明专利(申请号：201511028285.0)《颗粒物在线监测系统及方法》，(申请号：201310008119.9)《固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统及其采样方法》中公开了一种利用真空泵抽吸样气的装置。
采用负压真空泵抽吸样气的缺点主要表现在如下几个方面，首先是真空泵要想达到一定的负压抽气，必须加大抽气流量，因此，功耗比较大；其次是小型真空泵在连续工作的情况下，工作寿命比较短，容易损坏，其三是在一个连续监测系统中，有多个子系统需要对样气进行预处理，如：除湿、稀释、仪表检测等，采用多个分散真空泵布置的系统结构，对整个系统的恒流控制比较困难，对实现等速采样也难以保证。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于射流调制的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，并提供采用上述系统对烟道气体进行预处理的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于射流调制的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，包括：射流调制子系统、样气引入子系统、样气混合子系统、样气加热子系统、样气除湿子系统、颗粒物检测子系统和空气压缩源；采用空气压缩源作为一个以上射流调控系统的动力源，利用射流调制系统产生的负压将烟道中的样气等速吸入样气引入子系统中，并在射流调制系统的作用下将样气分流，同时控制部分样气经样气混合子系统、样气加热子系统、样气除湿子系统的稀释、加热、除湿处理后，在颗粒物检测子系统中实现等速采样检测。
进一步的，多个射流调控系统包括第一、第二、第三射流调制系统。
进一步的，样气在样气引入子系统中，在第三射流调制系统的作用下分为两路，一路通过管道进入样气混合子系统，另一路通过管路进入第三射流调制子系统并返回到烟道。
进一步的，等速采样系统还包括零气制备子系统和零气控制子系统，所述空气压缩源的空气依次连接零气制备子系统和零气控制子系统，将零气送入样气混合子系统中和样气混合稀释成混合样气。
进一步的，混合样气在样气加热子系统中被加热后，在第一和第二射流调制系统的作用下分为两路，一路直接被排放出去，另一路经样气除湿子系统除湿处理后，在颗粒物检测子系统中实现等速采样检测。
进一步的，系统中在每个设备的管路上设置有采样节点，通过三个射流调制系统的协同控制各个采样节点的气流量，使得各个采用节点的气流量同时满足以下条件从而实现实现等速采样和同步节点恒流控制：
(1)从零气控制子系统和样气引入子系统进入样气混合子系统的气流量和等于从样气混合子系统排出的气流量；
(2)进入第一和第二射流调控系统的气流量和等于从样气混合子系统排出的气流量；
(3)从空气压缩源进入第三射流调控系统的气流量等于从样气混合子系统进入第三射流调控系统的气流量；
(4)从烟道进入样气引入子系统的气流量等于从样气引入子系统进入样气混合子系统和第三射流调控系统的气流量和。
进一步的，射流调制子系统包括射流泵、电磁比例阀、流量计和微控制单元；其中空气压缩源在电磁比例阀的控制下，压缩空气产生的高压喷射气流使射流泵吸入室形成真空，从而使进气进入吸入室后被射出；微控制单元动态控制电磁比例阀，实时调节射流泵喷射气流量，以达到动态调节射流泵按需喷射恒定气流量。
进一步的，样气除湿子系统包括外壳以及设置在外壳内的除湿容器、样气容器和选择性透膜；其中样气容器是由金属制成的密闭容器，在该容器四壁开有多个小孔，在样气容器的外部用选择性透膜包裹，所述选择性透膜能够选择性的通过水分子而不通过气体；样气容器设置在除湿容器内，并分别设置有样气进气管和样气出气管；所述除湿容器在样气容器外部具有除湿气体流动通道，通道分别连接除湿气体进气管和出气管。
进一步的，样气除湿子系统还设置有温湿度检测模块、气量控制模块和微处理器；其中所述温湿度检测模块实时周期性地检测除湿气体流动通道中气流的温度和湿度，将数据传送给微处理器，微处理器通过分析数据调控设置在除湿气体进气管上的气量控制模块调节除湿气体的流量；所述除湿气体由空气压缩源提供。
一种等速采样和恒流控制系统对烟道气体进行预处理的方法，采用空气压缩机作为多个射流调制系统的动力源，利用射流调制系统产生的负压将烟道中的样气等速吸入样气引入子系统，并在多个射流调制系统的协同控制下将样气分流，协同控制各节点气流量，以便使任意时刻采集的样气与同时颗粒物检测子系统计算颗粒物浓度的样气进气量同步，同时控制部分样气经稀释、加热、除湿等预处理后按需实现恒定流量控制。
本申请以空气压缩机为动力源，各气流控制节点在电磁阀和微控制单元的调节下，自动提供给“射流调制系统”一定的动力，使之产生满足节点流量控制要求的负压，抽吸样气，从而实现气流流量的恒流调控。各流量调制节点产生的负压与样气引入子系统的流量自适应同步，从而实现等速采样和各节点的恒流控制。
若采用传统的负压真空泵实现等速样气采样，在烟囱高流速排放烟气的情况下，监测系统需要提供大流量的真空泵抽气才能实现等速采样(因为负压抽气泵的特性是流量大，产生的负压低，因此，要想达到一定的负压，必须增大流量)。在实时在线监测的条件下，连续高负荷工作，将大大影响真空泵的使用寿命，容易造成经常性的系统故障。采用射流控制技术，使用空压机作为动力源，驱动射流泵产生负压吸入样气，这将大大提高空压机的寿命，减少能量消耗，提高系统工作的稳定性和可靠性，并可自适应烟囱烟气排放的流速，实现比较精准的等速采样。
其次是除湿问题。当样气相对湿度大于40％，此时，样气中颗粒物对光散射影响比较大，如果不合理解决好除湿问题，对检测数据的准确性就会产生极大的影响。通观已公开的相关专利，都是采用加热除湿的方法，我们知道，经预处理后的样气，需要经过较长管路，最后才能进入仪表检测(检测仪表在系统的后端)，在此过程中，温度的降低，加热过的待测样气，在密闭管路中冷凝(水分并未除去)，这样，样气中颗粒物的湿度又会增大，直接影响检测结果。
在本系统中，先对样气加热，然后利用“除湿装置”，分离样气中的水分，并将水分析出密闭管路外，使待检样气的湿度大大降低，满足检测精度的要求。
利用“除湿装置”实现在密闭管路中分离待测样气中的水分，既解决了样气中的除湿问题，使加热过后的待测样气冷凝后的湿度满足检测要求，又减少除湿的处理过程(有时需多次加热除湿)，提高了系统的工作效率，也降低了功耗。
第三是样气的稀释。检测的样气需稀释后，以一定的浓度比例进入仪表(仪表量程所限)，在已公开的中国专利中，未发现公布以什么样的控制技术来实现按比例要求得到满足测量要求的被测样气。
在本系统中，零气制备子系统的作用是过滤空气杂质，为稀释样气提供比较纯净的空气。该子系统的工作过程是：由空气压缩机提供空气，经过滤装置去除空气中的杂质后存入储气罐。使用时，在微控制器、电磁比例阀的控制下，按所需比例，由储气罐出口进入样气混合子系统，为样气稀释提供洁净“零气”。
零气制备子系统将空气经过过滤，产生洁净气体(零气)，通过射流控制系统控制进入“混合腔”，与采样腔采进的原始烟气混合，并按一定的比例得到稀释样气，然后进入“加热装置”。
这样处理的有益效果是一方面稀释了原始样气，另一方面“零气”也降低了原始样气的湿度，减少了后续系统的除湿时间，降低了能耗，提高了工作效率。
本发明采用基于射流调制的烟道颗粒物等速采样和恒流控制技术，利用一台空气压缩机 (正压)作为系统中多个射流调制系统的动力源，为各级功能子系统中实现流量控制的射流调制系统提供动力，利用射流调制系统产生的负压抽吸待测样气，并通过射流调制系统(由电磁阀、流量计、控制器等组成)实现烟道烟气等速采样和恒流控制的自动化。同时，利用这样的系统结构，也能控制各功能子系统协同工作，为系统中各节点提供精确、恒定的待捡样气奠定坚实的基础。此外，通过本系统中的加热子系统、除湿子系统和稀释子系统的协同配合，可有效解决基于光散射理论实现工业烟囱排放污染物复杂工况条件下实时在线监测系统的灵敏度、分辨率、准确度和误差率等方面需要解决的技术难点。
附图说明
图1是实施例基于射流调制的烟道颗粒物等速采样系统的结构示意图。
图2是实施例射流调制子系统的结构示意图。
图3是实施例样气除湿子系统的结构示意图。
图4是实施例样气除湿子系统在线实用性检测数据。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明。
图1基于射流调制的烟道颗粒物等速采样系统的结构示意图，其中Ji为射流调制系统， i＝1，2，3，Lj为气流采集点单位时间内的样气体积，以L/min为单位。L＝0，1…7。
整个系统由射流调制子系统、零气制备子系统、零气控制子系统、样气引入子系统、样气混合子系统、样气加热子系统、样气除湿子系统、颗粒物检测子系统、空气压缩源和相应管路构成，如图1所示。
空气压缩源包括空气压缩机和储气柜，空气压缩机对储气柜进行充气，达到一定压力后停止工作，由储气柜对外部进行送气。在储气柜的压力下降到规定数值后，空气压缩机重新开始工作对储气柜进行充气。空气压缩源作为系统的动力源，为各射流调制系统提供射流泵喷射动力。具体工作过程如下：
1、由空气压缩源产生的压缩空气经干燥、过滤处理后产生洁净的“零气”，并进入样气混合子系统，作为稀释样气所用。零气控制子系统按微控制单元指令，调节零气的流量；
2、压缩空气驱动射流调制子系统L3，产生负压，将烟道节点L7处的样气吸进样气引入子系统，样气分两路，一路进入样气混合子系统，另一路经射流调制子系统J3返回烟道；
3、零气与部分样气在样气混合子系统中混合；
4、混合后的待检样气经样气加热子系统加热后分两路，在射流调制子系统J1和射流调制子系统J2的控制下，一路进入采样除湿子系统除湿，然后进入颗粒物检测子系统检测样气中的颗粒物浓度并排出，形成循环；另一路与检测完成后的样气一起，返回烟道，完成一个实时检测周期；
5、样气除湿子系统将加热后样气中的水分分离析出密闭管外，使待捡样气湿度达到检测要求；
6、利用射流调制子系统按需自动分配各节点所需流量，动态自适应烟道排放流速，保证各样气采样节点的流量需求；
7、各样气采样节点的流量关系如下：
L4＝L1+L2
L4＝L0+L5
L3＝L6
L7＝L5+L6
假设烟囱以100L/min的流量排放烟气
采样节点：经J3调制，使L3＝L6＝82L/min，L5＝18L/min
稀释节点：经J1调制，使L4(稀混合气)＝18L/min(烟气)+2L/min(零气)
按比分配：经J2控制，使L4(稀混合气)＝18L/min(稀混合气)+2L/min(稀混合气)2L/min(稀混合气)进入颗粒物检测子系统
由于射流调制系统自适应的流量自动量化调制，使得烟道颗粒物实时在线监测等速采样和节点恒流控制成为可能，达到国家相关标准的技术性能指标要求。
图2是射流调制子系统的结构示意图。射流调制系统是“基于射流调制的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统”的核心关键子系统。该装置主要由射流泵、电磁比例阀、流量计、微控制单元和相关管路线路组成。该系统利用射流泵，在空气压缩源产生的高压气流的喷射下，使射流泵吸入室形成真空，从而使待捡样气进入吸入室，并按指定气路和节点流量控制要求，在系统管道内流动。在流量计、电磁比例阀与微控制单元的控制下，通过动态调节射流泵喷射气流量的大小，可动态实现气路中各样气采样节点恒定流量控制的目标。
工作过程如下：
流量计实时检测流量计喷射嘴的流量，将采集到的实时数据传给微控制单元；
微控制单元实时处理传来的流量数据，根据采集点事先计算好的阈值，调节控制电磁比例阀，以实现流量自动控制的功能；
电磁比例阀实时接受控制单元下发的指令，动态控制流量，满足各样气采样点的流量要求。
图3是样气除湿子系统的结构示意图。样气除湿子系统包括外壳以及设置在外壳内的除湿容器、样气容器和选择性透膜。
其中样气容器是由金属制成的密闭容器，在该容器四壁开有多个小孔，在样气容器的外部用选择性透膜包裹。选择性透膜能够选择性的通过水分子而不通过气体。样气容器设置在除湿容器内，并分别设置有样气进气管和样气出气管。除湿容器在样气容器外部具有除湿气体流动通道，通道分别连接除湿气体进气管和出气管。
除湿气体由空气压缩源提供，干燥、常温的除湿气体经过气量控制子系统进入除湿装置，将样气容器外管道中析出的水分带出容器外，并冷却由于加热引起的热样气。
样气除湿子系统还设置有温湿度检测模块、气量控制模块和微处理器。其中温湿度检测模块实时周期性地检测除湿气体流动通道中气流的温度和湿度，将数据传送给微处理器，微处理器通过分析数据调控设置在除湿气体进气管上的气量控制模块调节除湿气体的流量。
图4是本公司烟尘连续监测系统在进行中国环境保护产品认证(CCEP)，环保产品适用性检测时得到的产品技术性能指标，其相关系数达到0.93，超过国家标准0.85规定的限值，置信区间和允许区间值也均落在国家标准规定的限值区间内。本公司产品正是在样气采样和样气预处理时使用了本专利的技术，才使得产品的技术性能指标优良，在国内处领先地位。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于射流调制的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，其特征在于包括：射流调制子系统、样气引入子系统、样气混合子系统、样气加热子系统、样气除湿子系统、颗粒物检测子系统和空气压缩源；采用空气压缩源作为一个以上射流调控系统的动力源，利用射流调制系统产生的负压将烟道中的样气等速吸入样气引入子系统中，并在射流调制系统的作用下将样气分流，同时控制部分样气经样气混合子系统、样气加热子系统、样气除湿子系统的稀释、加热、除湿处理后，在颗粒物检测子系统中实现等速采样检测。
2.根据权利要求1所述的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，其特征在于：所述多个射流调控系统包括第一、第二、第三射流调制系统。
3.根据权利要求2所述的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，其特征在于：所述样气在样气引入子系统中，在第三射流调制系统的作用下分为两路，一路通过管道进入样气混合子系统，另一路通过管路进入第三射流调制子系统并返回到烟道。
4.根据权利要求3所述的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，其特征在于：所述等速采样系统还包括零气制备子系统和零气控制子系统，所述空气压缩源的空气依次连接零气制备子系统和零气控制子系统，将零气送入样气混合子系统中和样气混合稀释成混合样气。
5.根据权利要求4所述的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，其特征在于：所述混合样气在样气加热子系统中被加热后，在第一和第二射流调制系统的作用下分为两路，一路直接被排放出去，另一路经样气除湿子系统除湿处理后，在颗粒物检测子系统中实现等速采样检测。
6.根据权利要求5所述的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，其特征在于：所述系统中在每个设备的管路上设置有采样节点，通过三个射流调制系统的协同控制各个采样节点的气流量，使得各个采用节点的气流量同时满足以下条件从而实现实现等速采样和同步节点恒流控制：
(1)从零气控制子系统和样气引入子系统进入样气混合子系统的气流量和等于从样气混合子系统排出的气流量；
(2)进入第一和第二射流调控系统的气流量和等于从样气混合子系统排出的气流量；
(3)从空气压缩源进入第三射流调控系统的气流量等于从样气混合子系统进入第三射流调控系统的气流量；
(4)从烟道进入样气引入子系统的气流量等于从样气引入子系统进入样气混合子系统和第三射流调控系统的气流量和。
7.根据权利要求1所述的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，其特征在于：所述射流调制子系统包括射流泵、电磁比例阀、流量计和微控制单元；其中空气压缩源在电磁比例阀的控制下，压缩空气产生的高压喷射气流使射流泵吸入室形成真空，从而使进气进入吸入室后被射出；微控制单元动态控制电磁比例阀，实时调节射流泵喷射气流量，以达到动态调节射流泵按需喷射恒定气流量。
8.根据权利要求1所述的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，其特征在于：所述样气除湿子系统包括外壳以及设置在外壳内的除湿容器、样气容器和选择性透膜；其中样气容器是由金属制成的密闭容器，在该容器四壁开有多个小孔，在样气容器的外部用选择性透膜包裹，所述选择性透膜能够选择性的通过水分子而不通过气体；样气容器设置在除湿容器内，并分别设置有样气进气管和样气出气管；所述除湿容器在样气容器外部具有除湿气体流动通道，通道分别连接除湿气体进气管和出气管。
9.根据权利要求8所述的烟道颗粒物等速采样及恒流控制系统，其特征在于：所述样气除湿子系统还设置有温湿度检测模块、气量控制模块和微处理器；其中所述温湿度检测模块实时周期性地检测除湿气体流动通道中气流的温度和湿度，将数据传送给微处理器，微处理器通过分析数据调控设置在除湿气体进气管上的气量控制模块调节除湿气体的流量；所述除湿气体由空气压缩源提供。
10.一种采用权利要求1至9任一所述采样控制系统对烟道气体进行预处理的方法，其特征在于：采用空气压缩机作为多个射流调制系统的动力源，利用射流调制系统产生的负压将烟道中的样气等速吸入样气引入子系统，并在多个射流调制系统的协同控制下将样气分流，协同控制各节点气流量，以便使任意时刻采集的样气与同时颗粒物检测子系统计算颗粒物浓度的样气进气量同步，同时控制部分样气经稀释、加热、除湿等预处理后按需实现恒定流量控制。
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