CN110907386A - 一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统及其方法，该系统包含：高温采样探头，用于从待监测烟囱中抽取样本气体；用于初步过滤的一级过滤装置，其与所述高温采样探头连接；预处理装置，与所述一级过滤装置连接；用于过滤悬浮物的二级过滤装置，与所述预处理装置连接；用于分析样本气体的红外光谱仪，与所述二级过滤装置连接。其优点是：该系统通过将高温采样探头、一级过滤装置、预处理装置、二级过滤装置、红外光谱仪相结合，结构简单，测试方便，可同时测量多种气体组分。
Description
技术领域
本发明涉及气体监测领域，具体涉及一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统及其方法。
背景技术
随着我国经济高速发展，环境问题日益突出。环境污染呈现复杂的复合污染态势。按照排放污染物的空间分布方式，可分为点污染源、线污染源、面污染源。
火力发电厂、垃圾焚化炉等烟气排放是典型的点污染源，准确测量烟气的成分和浓度，对于控制污染排放，改善空气质量具有重要作用。
常规测量系统为连续排放测量系统(CEMS)，有插入式的烟道光谱测量方法，或用抽取式的采样稀释光学测量(紫外荧光法、化学发光法)，但CEMS系统都比较庞大笨重，并且价格昂贵；也有采用电化学方法测量，但其寿命较短，不能实现连续测量，一般应用于定期检测目的。对于多点源、无组织排放源，其所包含的各种污染排放情况复杂且存在较多未知因素，通常是采用污染源调查统计方法来获得排放总量，然而源清单调查耗时费力，特别是我国经济快速发展，变化日新月异，及时更新源数据显得力不从心。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统及其方法，该系统通过将高温采样探头、一级过滤装置、预处理装置、二级过滤装置、红外光谱仪相结合，结构简单，测试方便，结合基于该系统的分析方法，可精确且稳定地测定各气体组分的含量，且本系统采用的红外光谱仪具有较宽的动态测量范围和很低的检测限，其具有宽谱分析、测量组分多的优点。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统，该系统包含：
高温采样探头，用于从待监测烟囱中抽取样本气体；
用于初步过滤的一级过滤装置，其与所述高温采样探头连接；
预处理装置，与所述一级过滤装置连接；
用于过滤悬浮物的二级过滤装置，与所述预处理装置连接；
用于分析样本气体的红外光谱仪，与所述二级过滤装置连接。
优选地，所述预处理装置为移动式预处理箱。
优选地，所述红外光谱仪为傅立叶变换红外光谱仪。
优选地，一种采用所述垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统分析气体的方法，该方法包含以下步骤：
S1、采用高温采样探头从待监测烟囱中抽取样本气体；
S2、采用一级过滤装置对所述样本气体进行初步过滤；
S3、采用预处理装置对步骤S2得到的样本气体进行预处理；
S4、采用二级过滤装置对步骤S3得到的样本气体进行过滤，将悬浮物滤出；
S5、采用红外光谱仪对步骤S4所得的样本气体进行测量得到红外吸收光谱，并对所述红外吸收光谱进行定性与定量的分析。
优选地，所述步骤S5中的所述定性与定量的分析包含：
T1、建立红外吸收特征数据库；
T2、根据所述步骤T1的数据来数字合成第一标准光谱；
T3、样本气体定性识别；
T4、样本气体定量识别。
优选地，所述步骤T1具体为：
通过已公开的红外标准数据库，得到多种大气化合物分子的标准吸光度信息，基于红外光谱仪完成分辨率转换，对需要定性定量的吸收峰和吸收波段进行选择，并进行多次测试验证，建立红外吸收特征数据库。
优选地，所述已公开的红外标准数据库为QAsoft、HITRAN、NIST。
优选地，所述步骤T2具体为：
将所述红外吸收特征数据库中的谱线参数网格化，将其与红外光谱仪仪器的线型函数进行卷积，使用逐线积分的方法计算得到高分辨率透过率，进行红外光谱仪仪器函数的修正，分别考虑扩展源带来的离轴光程误差、干涉图的采样、截断和切趾的影响，计算得到与红外光谱仪仪器测量参数相匹配的第一标准光谱。
优选地，所述步骤T3具体为：
依据所述步骤T1和T2的结果，运用判别分析、自组织映射神经网和反向传播人工神经网络三种多元分析技术，建立和验证样本气体组分与其红外吸收光谱之间的数学模型，通过比较判别模型的性能，得到样本气体红外光谱多元定性分析的结果。
优选地，所述步骤T4具体为：
依据所述步骤T3的结果，根据样本气体的未知光谱的红外光谱数据库特征参数、预设的样本气体的组分和浓度、仪器线型参数和第一标准光谱，计算得到第二标准光谱，通过迭代计算第二标准光谱去拟合测量的样本气体的光谱，采用非线性最小二乘法进行曲线拟合，不断重复这一过程直至所得的拟合残差达到预定值，反演出各个组分的浓度信息，完成光谱的在线分析。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明的一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统，通过将高温采样探头、一级过滤装置、预处理装置、二级过滤装置、红外光谱仪相结合，结构简单，结合基于该系统的分析方法，可精确且稳定地测定各气体组分的含量，且本系统采用的红外光谱仪具有较宽的动态测量范围和很低的检测限，其具有宽谱分析、测量组分多的优点；
(2)本发明的一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统中，高温采样探头的设置，使该系统可精确地测量样本气体中H2O的含量。
附图说明
图1为本发明的一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统示意图；
图2为本发明的傅立叶变换红外光谱仪结构示意图；
图3为本发明的步骤S5中对多组分气体进行定性定量分析方法的示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，为本发明的一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统示意图，该系统包含依次连接的：高温采样探头1、一级过滤装置2、预处理装置3、二级过滤装置4、红外光谱仪5。
其中，所述高温采样探头1用于从待监测烟囱中抽取样本气体，所述一级过滤装置2用于初步过滤样本气体中的较大颗粒，随后将样本气体传给所述预处理装置3进行预处理，所述预处理装置3将经过预处理后的样本气体传给所述二级过滤装置4，将样本气体中较小的悬浮物进行过滤，过滤后的样本气体进入红外光谱仪5进行测量分析。
在本实施例中，所述预处理装置3为移动式预处理箱，所述移动式预处理箱对样本气体进行高温伴热处理。所述样本气体为多组分气体，常见的组分包含：H2O、CO2、SO2、NO、NO2、N2O、CO、CH4等。因此，本发明的垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统可实现同时对H2O、CO2、SO2、NO、NO2、N2O、CO、CH4等多种气体进行在线监测。
另外，本实施例的所述红外光谱仪5为傅立叶变换红外光谱仪(具体型号为：GFT1-LD19)，采用该红外光谱仪5对垃圾焚烧电厂多组分气体进行红外光谱信息的采集，如图2所示，该红外光谱仪5包含：光源、反射镜、迈克尔逊干涉仪、准直镜、光阑和样品池等核心部件，其采集测量范围为：4200-600cm-1，光谱分辨率1cm-1，扫描次数为32次。每种气体都重复采样5次进行平均法去噪处理，获取准确高信噪比的不同气体的红外光谱信息。
另外，本发明还提供了一种采用所述垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统分析气体的方法，该方法包含以下步骤：
S1、采用高温采样探头1从待监测烟囱中抽取样本气体；
S2、采用一级过滤装置2对所述样本气体进行初步过滤；
S3、采用预处理装置3对步骤S2得到的样本气体进行预处理；
S4、采用二级过滤装置4对步骤S3得到的样本气体进行过滤，将悬浮物滤出；
S5、采用红外光谱仪5对步骤S4所得的样本气体进行测量得到红外吸收光谱，并对所述红外吸收光谱进行定性与定量的分析。
傅立叶红外光谱仪无法采用标准气体进行校准，而需要依据建立的红外吸收特征数据库快速生成校准光谱，用于气体浓度的反演。
如图3所示，所述步骤S5中的所述定性与定量的分析包含：
T1、建立红外吸收特征数据库。
所述步骤T1具体为：
通过已公开的红外标准数据库，得到多种大气化合物分子的标准吸光度信息，基于红外光谱仪5完成分辨率转换，对需要定性定量的吸收峰和吸收波段进行选择，并进行多次测试验证，建立红外吸收特征数据库。在本实施例中，所述已公开的红外标准数据库为QAsoft、HITRAN、NIST(此三种数据库均为国际标准光谱数据库)。
T2、根据所述T1的数据来数字合成第一标准光谱。
所述步骤T2具体为：
将所述红外吸收特征数据库中的谱线参数网格化(如线强、半宽等)，将其与红外光谱仪仪器的线型函数进行卷积，使用逐线积分的方法计算得到高分辨率透过率，随后进行红外光谱仪仪器函数的修正，分别考虑扩展源带来的离轴光程误差、干涉图的采样、截断和切趾的影响，计算得到与红外光谱仪仪器测量参数相匹配的第一标准光谱。
T3、样本气体定性识别，即多组分气体定性识别。
所述步骤T3具体为：
依据所述步骤T1和T2的结果，运用判别分析、自组织映射神经网和反向传播人工神经网络三种多元分析技术，建立和验证样本气体组分与其红外吸收光谱之间的数学模型，通过比较判别模型的性能，得到样本气体红外光谱多元定性分析的结果。
T4、样本气体定量识别。
所述步骤T4具体为：
依据所述步骤T3的结果，根据样本气体的红外光谱数据库特征参数、预设的样本气体的组分和浓度、仪器线型参数和第一标准光谱，卷积计算得到第二标准光谱，通过迭代计算第二标准光谱去拟合测量的样本气体的光谱，采用非线性最小二乘法进行曲线拟合，不断重复这一过程直至所得的拟合残差达到预定值，再反演出各个组分的浓度信息，完成光谱的在线分析。
综上所述，本发明的一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统，通过将高温采样探头1、一级过滤装置2、预处理装置3、二级过滤装置4、红外光谱仪5相结合，结构简单，测试方便，结合基于该系统的分析方法，可精确且稳定地测定各气体组分的含量，且本系统采用的红外光谱仪具有较宽的动态测量范围和很低的检测限，其具有宽谱分析、测量组分多的优点。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统，其特征在于，该系统包含：
高温采样探头，用于从待监测烟囱中抽取样本气体；
用于初步过滤的一级过滤装置，其与所述高温采样探头连接；
预处理装置，与所述一级过滤装置连接；
用于过滤悬浮物的二级过滤装置，与所述预处理装置连接；
用于分析样本气体的红外光谱仪，与所述二级过滤装置连接。
2.如权利要求1所述的垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统，其特征在于，
所述预处理装置为移动式预处理箱。
3.如权利要求1所述的垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统，其特征在于，
所述红外光谱仪为傅立叶变换红外光谱仪。
4.一种采用如权利要求1～3所述的垃圾焚烧电厂多组分气体分析系统分析气体的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
S1、采用高温采样探头从待监测烟囱中抽取样本气体；
S2、采用一级过滤装置对所述样本气体进行初步过滤；
S3、采用预处理装置对步骤S2得到的样本气体进行预处理；
S4、采用二级过滤装置对步骤S3得到的样本气体进行过滤，将悬浮物滤出；
S5、采用红外光谱仪对步骤S4所得的样本气体进行测量得到红外吸收光谱，并对所述红外吸收光谱进行定性与定量的分析。
5.如权利要求4所述的垃圾焚烧电厂多组分气体分析方法，其特征在于，所述步骤S5中的所述定性与定量的分析包含：
T1、建立红外吸收特征数据库；
T2、根据所述步骤T1的数据来数字合成第一标准光谱；
T3、样本气体定性识别；
T4、样本气体定量识别。
6.如权利要求5所述的垃圾焚烧电厂多组分气体分析方法，其特征在于，所述步骤T1具体为：
通过已公开的红外标准数据库，得到多种大气化合物分子的标准吸光度信息，基于红外光谱仪完成分辨率转换，对需要定性定量的吸收峰和吸收波段进行选择，并进行多次测试验证，建立红外吸收特征数据库。
7.如权利要求6所述的垃圾焚烧电厂多组分气体分析方法，其特征在于，所述已公开的红外标准数据库为QAsoft、HITRAN、NIST。
8.如权利要求5所述的垃圾焚烧电厂多组分气体分析方法，其特征在于，所述步骤T2具体为：
将所述红外吸收特征数据库中的谱线参数网格化，将其与红外光谱仪仪器的线型函数进行卷积，使用逐线积分的方法计算得到高分辨率透过率，进行红外光谱仪仪器函数的修正，分别考虑扩展源带来的离轴光程误差、干涉图的采样、截断和切趾的影响，计算得到与红外光谱仪仪器测量参数相匹配的第一标准光谱。
9.如权利要求5所述的垃圾焚烧电厂多组分气体分析方法，其特征在于，所述步骤T3具体为：
依据所述步骤T1和T2的结果，运用判别分析、自组织映射神经网和反向传播人工神经网络三种多元分析技术，建立和验证样本气体组分与其红外吸收光谱之间的数学模型，通过比较判别模型的性能，得到样本气体红外光谱多元定性分析的结果。
10.如权利要求5所述的垃圾焚烧电厂多组分气体分析方法，其特征在于，所述步骤T4具体为：
依据所述步骤T3的结果，根据样本气体的未知光谱的红外光谱数据库特征参数、预设的样本气体的组分和浓度、仪器线型参数和第一标准光谱，计算得到第二标准光谱，通过迭代计算第二标准光谱去拟合测量的样本气体的光谱，采用非线性最小二乘法进行曲线拟合，不断重复这一过程直至所得的拟合残差达到预定值，反演出各个组分的浓度信息，完成光谱的在线分析。
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