CN109557037A - 应用于富氧装置中连续监测汞浓度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于烟气中汞含量检测领域，特别是一种应用于富氧装置中连续监测汞浓度的系统及方法。主要包括依次由特制管道连接在富氧烟道上的流量控制装置、两个串联的反应瓶、干燥装置、分析测试系统；反应瓶应放在盛有冰水混合物的容器中，并且应配备有由具有流量调节能力的蠕动泵及液体储存瓶组成的反应液自动更新装置；所述干燥装置为可以连续去除烟气中水蒸气的半导体冷凝器。本发明能够实现反应液的实时更新以及水蒸气的连续去除，使得富氧燃烧装置中循环烟气汞浓度的测试过程连续、便捷，同时可以保证测试数据的有效性和重复性，可为脱汞技术人员提供指导依据，具有一定的工业价值。

Description

应用于富氧装置中连续监测汞浓度的系统及方法

技术领域

本发明属于烟气中汞含量检测领域，特别是一种应用于富氧装置中连续监测汞浓度的系统及方法。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭生产、消费和进口国，并且以煤炭作为主要能源。在未来较长一段时间，我国以煤炭作为主体能源的地位仍然难以改变，且煤炭需求总量呈上升趋势。而燃煤所排放的CO₂是造成温室效应的罪魁祸首之一。因此，新型燃煤CO₂控制技术亟需开发。

富氧燃烧技术是最具有潜力的燃煤电厂大规模碳减排技术之一，它是一种成本效益高的二氧化碳捕集技术。并且，在现有技术条件下，富氧燃烧技术是相对具有高可行性的碳富集捕集技术，可以在现有燃煤电站的基础上相对容易地进行改造，因此该新技术实施的风险相对较小，前景广阔。

在富氧燃烧装置中，循环烟气中的汞会与富氧燃烧系统中CO₂压缩系统中的铝质金属发生汞齐反应，从而腐蚀铝制金属，使其强度下降，造成很严重的安全问题。同时，汞也是环境问题的一个重要因素。汞是一种痕量元素，有毒，易挥发，具有持久性、易迁移性、高度生物累积性和生物放大性的特点。近年，以燃煤为主要污染源的大气汞污染问题逐渐引起人们的重视。对此，国家也出台了严格的汞排放政策。因此，无论从安全性还是环保性角度来说，富氧烟气中的汞含量都应当被实时监测，并严格控制。

在富氧烟气气氛中，汞的存在形式主要有三种，分别是颗粒态汞(Hg_p)、气态氧化汞(Hg²⁺)和气态元素汞(Hg⁰)。其中气态元素汞因其高挥发性和低水溶性，最难脱除。因此，对零价汞的有效监测及控制是富氧烟气脱汞技术中的关键环节。

富氧燃烧技术同常规空气燃烧技术相比，其烟气组分有显著区别。在富氧燃烧状态下，由于其使用高纯度氧气代替助燃空气，并运用循环烟气代替N₂作为热载体，其燃烧器入口N₂浓度一般不高于5％，但CO₂浓度可达到70％以上。由于富氧烟气的循环特性，其气氛中的SO₂和H₂O浓度会明显高于常规空气气氛，NO_x的排放约为常规空气燃烧的四分之一，HCl的浓度平均约为空气气氛下的三倍。

对此，应用于常规空气燃烧的汞测试方法已经不再适用，其主要问题有二。其一，反应液不能实时更新，无法保证整个测试系统始终处于测试的最佳状态。富氧气氛中酸性气体浓度较高，如反应液不及时更新，轻则影响测试数据，造成测试结果失去重复性，波动较大，无法保证测量精度和数据有效性；重则腐蚀测试仪器高灵敏度元件，造成整个测汞仪的报废。其二，常规测试系统采用干燥剂管作为干燥装置，然而富氧气氛中的水蒸气含量较高，如需保证干燥效果以达到标准测试环境要求，则势必要频繁更换干燥剂，这会使得测试过程繁琐，且无法保证测试过程的连续性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种应用于富氧装置中的连续监测汞浓度的系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种应用于富氧装置中连续监测汞浓度的系统，所述系统通过管道连接在富氧烟道上，包括：

流量控制装置：所述流量控制装置包括气泵和流量计，用于为测试提供稳定流量的烟气；

两个串联的前置反应瓶和后置反应瓶：前置反应瓶中放置吸收二价汞的溶液或还原二价汞的溶液，后置反应瓶中放置强碱性溶液，用于吸收待测烟气中的酸性气体；

干燥装置：设置在后置反应瓶后端，经过后置反应瓶的烟气进入干燥装置进行干燥；

分析测试系统：设置在干燥装置后端，用于汞浓度的检测。

在所述干燥装置后端设置三通阀，三通阀后端连接两条并联的管路，为测试气路和排空气路；测试气路上设置分析测试系统，分析测试系统后端设置测试气路尾气处理装置，排空气路设置排空气路尾气处理装置。

所述前置反应瓶中放置中性盐溶液或酸性条件下的SnCl₂溶液，所述后置反应瓶中放置强碱性溶液。

所述前置反应瓶和后置反应瓶放置在盛有冰水混合物的容器中，冰水混合物的液面高度覆盖住反应瓶内的液体高度，保证反应瓶内温度不超过4℃。

所述前置反应瓶和后置反应瓶中设有进气管和出气管，所述进气管为长管，末端配有多孔球泡，进气管伸入反应液中；所述出气管为短管，出气管的端部位于反应液液面上部；所述前置反应瓶和后置反应瓶中液面的高度为反应瓶高度的三分之一至三分之二。

所述前置反应瓶和后置反应瓶各配有一个反应液自动更新装置；

所述前置反应瓶的反应液自动更新装置包括进液单元和排液单元，所述进液单元包括前置进液蠕动泵及前置标液储存瓶，前置标液储存瓶中应盛放与前置反应瓶中相对应的标准液体；所述排液单元包括前置排液蠕动泵及前置废液储存瓶，前置进液蠕动泵及前置排液蠕动泵同步工作，转速之差不超过百分之三，保证前置反应瓶中液面处于稳定状态；

所述后置反应瓶的反应液自动更新装置包括进液单元和排液单元，所述进液单元包括后置进液蠕动泵及后置标液储存瓶，后置标液储存瓶中应盛放与后置反应瓶中相对应的标准液体；所述排液单元包括后置排液蠕动泵及后置废液储存瓶，后置进液蠕动泵及后置排液蠕动泵同步工作，转速之差不超过百分之三，保证后置反应瓶中液面处于稳定状态。

所述干燥装置为连续去除水蒸气的半导体冷凝器，包括冷却系统、强排风组、电源及温度控制器；所述冷凝器腔体的材质为不与汞发生反应的材料，温度维持在±4℃。

所述管道的材料为聚四氟乙烯或者石英，内径为6mm至15mm。

所述分析测试系统为基于原子吸收法原理的测汞仪，或基于原子荧光法的测汞仪；所述排空气路尾气处理装置和测试气路尾气处理装置中盛有具有汞吸附能力的吸附剂。

一种利用上述的系统测试汞浓度的方法，包括如下步骤：

(1)按照要求组装系统，对应的反应液及标准溶液应提前配制完毕，并加入到相应的容器中，所述排空气路尾气处理装置和测试气路尾气处理装置提前装填汞吸附剂，所述三通阀调节至切断测试气路状态，所述分析测试系统提前至少半小时打开预热；

(2)将所述系统入口与所述富氧烟道连接，调节流量控制装置，使得总测试烟气流量在1～3L/min；

(3)开启所述反应液自动更新装置，开启干燥装置。

(4)将所述三通阀调节至三通状态，待分析测试系统数据稳定后开始记录数据；

(5)测试完毕后，首先将所述系统与富氧烟道断开，然后对所述分析测试系统进行清洗操作，并且将所述流量控制装置中的气泵打开吹扫整个测试系统，以保护所述测试装置，延长仪器寿命及分析精度。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)反应液可以根据要求实时更新，保证整个测试系统始终处于最佳测试状态。保证测试数据的有效性和重复性。避免了测试结果的波动及仪器的损坏。

(2)采用可以连续去除水蒸气的半导体冷凝器作为干燥装置，保证了干燥效果，使得测试环境始终可以达到标准测试环境要求，并且无需频繁更换干燥剂，使得测试过程连续、便捷。

(3)所述流量控制装置至少由一个流量计和一个气泵组成。当富氧烟道内流速压强较大时，气泵不工作，单纯依靠流量计来调节进入测试系统的烟气流量；当富氧烟道内流速压强较小时，气泵开始工作，从富氧烟道内抽取待测气体，协同流量计，调节进入测试系统的烟气流量。如此，避免了烟道内因压强不稳定造成的取样烟气流量的不稳定，提高了测试精度。当测试完毕后，还可以打开气泵吹扫整个测试系统，以保护所述测试装置，延长仪器寿命及分析精度。

(4)本发明拥有两种测试模式，可以分别实现连续测量烟气中零价汞和总汞的功能，并且在此基础上，还可以完成二价汞的测量。适用于不同的工作场合，满足不同的使用需求。

(5)本发明由三通阀(7)引出的两个并联支路，可以实时满足分析测试系统(10)所需的流量，保证仪器正常工作。避免直接将分析测试系统接入主气路时，因测试流量不稳定而造成的测量数据波动，也可以避免测试流量过大而造成仪器损坏。

(6)本发明所涉及到的与待测烟气接触的管道及腔体材料，均为由不与汞发生反应的材料组成，如石英。如此，可以避免因待测烟气与常规材料，如不锈钢，直接接触反应，而造成的测量误差。

本发明可以满足富氧燃烧装置汞测试现场的灵活使用，也降低了测汞技术的人力成本，实时监测烟气中汞浓度,为脱汞技术人员提供指导依据。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本申请监测汞浓度的系统结构示意图。

附图标记说明：

1-富氧烟道，2-流量控制装置，3-前置反应瓶，4-后置反应瓶，5-冰水混合物容器，6-干燥装置，7-三通阀，8-排空气路尾气处理装置，9-测试气路尾气处理装置，10-分析测试系统，11-后置排液蠕动泵，12-后置进液蠕动泵，13-前置排液蠕动泵，14-前置进液蠕动泵，15-前置标液储存瓶，16-前置废液储存瓶，17-后置标液储存瓶，18-后置废液储存瓶。

具体实施方式

本发明一种富氧燃烧装置中连续监测汞浓度的应用系统，如图1所示，其中主要包括依次由特制管道连接在富氧烟道1上的流量控制装置2、两个串联的前置反应瓶3及后置反应瓶4、干燥装置6、三通阀7、分析测试系统10以及排空气路尾气处理装置8和测试气路尾气处理装置9。

其中，流量控制装置2应至少包括一个气泵和一个流量计。当富氧烟道内流速压强较大时，气泵不工作，单纯依靠流量计来调节进入测试系统的烟气流量；当富氧烟道内流速压强较小时，气泵开始工作，从富氧烟道内抽取待测气体，协同流量计，调节进入测试系统的烟气流量。

当需要测试烟气中零价汞浓度时，所述前置反应瓶3中应盛放中性盐溶液如KCl溶液，以保证待测气体取样的稳定性，并选择性吸收烟气中的二价汞；所述后置反应瓶4中应盛放强碱性溶液如NaOH溶液，以吸收待测烟气中的酸性气体。其中发生的反应主要有R(1)-R(3)。

NaOH+HCl→NaCl+H₂O R(1)

2NaOH+SO₂→Na₂SO₃+H₂O R(2)

2Na₂SO₃+O₂→2Na₂SO₄ R(3)

当需要测试烟气中总汞浓度时，所述前置反应瓶3中应盛放酸性条件下的SnCl₂溶液，其中用于酸化的酸应为盐酸，以还原烟气中的二价汞为零价汞，涉及的反应有R(4)-R(5)；所述后置反应瓶4中应盛放强碱性溶液如NaOH,以吸收待测烟气中的酸性气体。其中发生的反应主要有R(1)-R(3)。

2Hg²⁺+Sn²⁺→Hg₂ ²⁺+Sn⁴⁺ R(4)

Hg₂ ²⁺+Sn²⁺→2Hg+Sn⁴⁺ R(5)

其中由于R(4)产生的中间产物Hg₂ ²⁺离子不稳定，见光易分解，所以前置反应瓶3和后置反应瓶4中最好放在黑暗环境中，或者采用棕色玻璃作为反应瓶的材料。

本装置所涉及到的溶液配制均应至少由分析纯试剂和去离子水配制而成。

前置反应瓶3和后置反应瓶4的液面高度应当为瓶高的三分之一至三分之二。同时，两瓶应放在盛有冰水混合物的容器5中，其中冰水混合物容器5的液面也应当为其高度的三分之一至三分之二，且要能覆盖住瓶内的液体，以保证反应瓶内温度不超过4℃，从而有利于水蒸气的一次凝结及反应的稳定进行。

在前置反应瓶3和后置反应瓶4中，待测烟气应从长管进，短管出，且长管末端配有多孔球泡，以便烟气与反应液充分反应。

其中，前置反应瓶3和后置反应瓶4应当各配备有一个反应液自动更新装置，其工作原理大致相同。下面以连接在前置反应瓶3上的反应液自动更新装置为例，叙述其工作原理。

前置进液蠕动泵14及前置标液储存瓶15为配套的进液单元，其中前置标液储存瓶15中应盛放与前置反应瓶3中相对应的标准液体；前置排液蠕动泵13及前置废液储存瓶16为配套的排液单元。当其进行反应液自动更新工作时，前置进液蠕动泵14及前置排液蠕动泵13将同步工作，其转速之差不得超过百分之三，以保证前置反应瓶3中液面处于稳定状态。蠕动泵输液所用的管道材料应符合两个特性：第一，其必须具有一定弹性；其二，其必须为稳定材料，即不与反应液反应。实际操作时，应当注意在前置标液储存瓶15中及时添加标准溶液，维持其液面高度在三分之一在三分之二处，同时应当及时将前置废液储存瓶16中的废液排出。

进一步，可以在废液储存瓶底部加装一个阀，以方便废液排出。

干燥装置6应为可以连续去除水蒸气的半导体冷凝器，其主要由冷却系统、强排风组、电源及温度控制器构成，半导体电子冷凝器提供一个珀尔帖效应的冷却系统，用于气体分析前的预处理过程，除去样气中的冷凝物如水蒸气，使样气洁净、恒温、稳流、起到提高分析测定精度的作用。冷腔温度应维持在4℃左右，腔体应由不与汞发生反应的材料制成，如石英。在冷腔内冷凝的水蒸气可以通过蠕动泵排出，也可以通过自动流水器排放。

当测试系统处于调试状态时，应将三通阀7调节至切断测试气路状态，等烟气流量、装置温度等实验条件稳定后，方可开启三通阀至三通状态，开始测试。

所述分析测试系统10可以为基于原子吸收法原理的测汞仪，也可以为基于原子荧光法的测汞仪。

所述排空气路尾气处理装置8和测试气路尾气处理装置9中应盛有具有汞吸附能力的吸附剂，如活性炭。该装置可以对测试完毕后的尾气中的汞进行反应吸收,降低直接排放造成的环境污染。

本发明一种富氧燃烧装置中连续监测汞浓度的方法，主要应包括以下步骤：

步骤一，将所述装置按照要求组装完毕，对应的反应液及标准溶液应提前配制完毕，并加入相应的容器中。所述排空气路尾气处理装置8和测试气路尾气处理装置9应提前装填汞吸附剂。所述三通阀7应调节至切断测试气路状态，仅通气路7-8。所述分析测试系统10应提前至少半小时打开预热。

步骤二，将所述装置入口与所述富氧烟道1连接，调节流量控制装置2，使得总测试烟气流量在1～3L/min。

步骤三，开启所述反应液自动更新装置，主要是蠕动泵11至14，并开启所述干燥装置6。

步骤四，将所述三通阀7调节至三通状态，待分析测试系统10数据稳定后方可开始记录数据。

步骤五，当测试完毕后，应首先将所述装置与富氧烟道1断开，然后对所述分析测试系统10进行清洗操作，并且将所述流量控制装置2中的气泵打开吹扫整个测试系统，以保护所述测试装置，延长仪器寿命及分析精度。

Claims (10)

1.一种应用于富氧装置中连续监测汞浓度的系统，其特征在于，所述系统通过管道连接在富氧烟道(1)上，包括：

流量控制装置(2)：所述流量控制装置(2)包括气泵和流量计，用于为测试提供稳定流量的烟气；

两个串联的前置反应瓶(3)和后置反应瓶(4)：前置反应瓶(3)中放置吸收二价汞的溶液或还原二价汞的溶液，后置反应瓶(4)中放置强碱性溶液，用于吸收待测烟气中的酸性气体；

干燥装置(6)：设置在后置反应瓶(4)后端，经过后置反应瓶(4)的烟气进入干燥装置进行干燥；

分析测试系统(10)：设置在干燥装置(6)后端，用于汞浓度的检测。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述干燥装置(6)后端设置三通阀(7)，三通阀(7)后端连接两条并联的管路，为测试气路和排空气路；测试气路上设置分析测试系统(10)，分析测试系统(10)后端设置测试气路尾气处理装置(9)，排空气路设置排空气路尾气处理装置(8)。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前置反应瓶(3)中放置中性盐溶液或酸性条件下的SnCl₂溶液，所述后置反应瓶(4)中放置强碱性溶液。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前置反应瓶(3)和后置反应瓶(4)放置在盛有冰水混合物的容器(5)中，冰水混合物的液面高度覆盖住反应瓶内的液体高度，保证反应瓶内温度不超过4℃。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前置反应瓶(3)和后置反应瓶(4)中设有进气管和出气管，所述进气管为长管，末端配有多孔球泡，进气管伸入反应液中；所述出气管为短管，出气管的端部位于反应液液面上部；所述前置反应瓶(3)和后置反应瓶(4)中液面的高度为反应瓶高度的三分之一至三分之二。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前置反应瓶(3)和后置反应瓶(4)各配有一个反应液自动更新装置；

所述前置反应瓶(3)的反应液自动更新装置包括进液单元和排液单元，所述进液单元包括前置进液蠕动泵(14)及前置标液储存瓶(15)，前置标液储存瓶(15)中应盛放与前置反应瓶(3)中相对应的标准液体；所述排液单元包括前置排液蠕动泵(13)及前置废液储存瓶(16)，前置进液蠕动泵(14)及前置排液蠕动泵(13)同步工作，转速之差不超过百分之三，保证前置反应瓶(3)中液面处于稳定状态；

所述后置反应瓶(4)的反应液自动更新装置包括进液单元和排液单元，所述进液单元包括后置进液蠕动泵(12)及后置标液储存瓶(17)，后置标液储存瓶(12)中应盛放与后置反应瓶(4)中相对应的标准液体；所述排液单元包括后置排液蠕动泵(11)及后置废液储存瓶(18)，后置进液蠕动泵(12)及后置排液蠕动泵(11)同步工作，转速之差不超过百分之三，保证后置反应瓶(4)中液面处于稳定状态。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述干燥装置(6)为连续去除水蒸气的半导体冷凝器，包括冷却系统、强排风组、电源及温度控制器；所述冷凝器腔体的材质为不与汞发生反应的材料，温度维持在±4℃。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管道的材料为聚四氟乙烯或者石英，内径为6mm至15mm。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分析测试系统(10)为基于原子吸收法原理的测汞仪，或基于原子荧光法的测汞仪；所述排空气路尾气处理装置(8)和测试气路尾气处理装置(9)中盛有具有汞吸附能力的吸附剂。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的系统测试汞浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按照要求组装系统，对应的反应液及标准溶液应提前配制完毕，并加入到相应的容器中，所述排空气路尾气处理装置(8)和测试气路尾气处理装置(9)提前装填汞吸附剂，所述三通阀(7)调节至切断测试气路状态，所述分析测试系统(10)提前至少半小时打开预热；

(2)将所述系统入口与所述富氧烟道(1)连接，调节流量控制装置(2)，使得总测试烟气流量在1～3L/min；

(3)开启所述反应液自动更新装置，开启干燥装置(6)。

(4)将所述三通阀(7)调节至三通状态，待分析测试系统(10)数据稳定后开始记录数据；

(5)测试完毕后，首先将所述系统与富氧烟道(1)断开，然后对所述分析测试系统(10)进行清洗操作，并且将所述流量控制装置(2)中的气泵打开吹扫整个测试系统，以保护所述测试装置，延长仪器寿命及分析精度。