CN110940559A - 燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，包括内管(2)，所述内管(2)内设有一级台阶挡板(7)将其分为取样段和烟气通道段；第一高温滤芯(4)与第一内芯短管(3)之间为颗粒物收集室；第二高温滤芯(6)与第二内芯短管(5)之间为气相重金属吸附室，所述气相重金属吸附室灌注有吸附剂颗粒；所述烟气通道段尾端与输气管(13)固定连接，所述输气管(13)上设有抽气泵(11)，且其出气端与在线检测烟气成分的设备连接，在燃煤燃气重金属吸附的同时实现烟气成分一体化分析。本发明还公开了一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置的使用方法，解决重金属取样过程容易反应难题，具有较高重复性。

Description

燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置及方法

技术领域

本发明属于燃煤装置技术领域，更具体地，涉及一种燃煤烟气重金属 吸附与烟气组分分析一体取样装置及方法。

背景技术

煤炭在我国一次能源消费中占主导地位，2017年煤炭消费约占中国一 次能源消费总量的69％，尤其是在火力发电领域，燃煤发电占90％。煤中 元素根据浓度可分为大量元素C、H、O、N、S等，其浓度大于1000ppm； 微量元素Si、Al、Ca、Mg、K、Na、Fe、Mn、Ti、F、Cl、Br、I等，其浓 度为100-1000ppm；痕量元素As、Se、Pb等，其浓度低于100ppm。煤中 重金属包括砷(As)、镉(Cd)、锰(Mn)、钴(Co)、铅(Pb)、汞(Hg)、 硒(Se)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、铁(Fe)、锑(Sb) 等，这些元素的含量较低，但由于燃煤电厂巨大的煤耗量，造成的排放量 亦十分巨大。随着环保要求的提高，国内社会对重金属等污染物排放限制 也提上日程。但国内现行的火电厂大气污染物排放标准仅对Hg的排放进行 了明确的限定，而对其他痕量元素的排放限制还处于空白阶段。对比国外 实施的先进标准以及国内严峻的环保压力，相关标准的制定亟需完成。

目前对火电厂重金属的迁徙、转化、释放、吸附的研究包括采用实验 室装置研究和电厂取样研究，电厂取样装置多为取样管和间接取样。

取样管取样是将开有气孔的不锈钢管放入锅炉烟气通道内，通过采样 管末端抽气泵将烟气抽出，烟气经溶液浸洗，重金属溶于溶液。新型的取 样管增加了保温装置和烟气冷却系统，成本高昂，仅一根取样管就价值上 万元，且适用试验条件苛刻，难以满足锅炉现场试验的要求。且传统取样 管装置简陋，采用化学溶液完全吸收，吸收溶液多为强酸，需消耗大量化 学试剂，溶液更换操作复杂且容易造成二次污染和危害操作人员健康，新 型采样装置设置保温和冷却系统，成本高昂，对实验操作有较高要求，装 置应用于高温环境是个难题，此外新型装置复杂，一旦遇到颗粒物堵塞， 装置的修复将严重耽误试验进程；

间接取样包括对底灰、脱硫石膏、静电除尘器等区域分别取样，工作 量大，实施较困难，此外无论是传统取样管和改良后的新型取样管还是间 接取样，其目标都是将烟气中重金属尽可能全部取出，而不能对不同存在 形态的重金属进行分离。实际上，燃煤烟气中重金属部分以气相存在于烟 气中，部分固存于颗粒物中，气相和富集于细小颗粒物的重金属难以被除 尘设备捕获，对环境危害较大，因此研究重金属在不同温度下的存在形式， 对理解真实燃煤锅炉内重金属的迁徙转化规律至关重要，为重金属治理方 案和标准的提出提供更加可靠的指导。采用现有试验取样装置研究Pb、As、 Se等重金属，电厂实际高温条件下的稳定反应、取样过程中重金属和取样 器反应及冷凝到取样器上的重金属影响试验结果以及对气相、固相重金属 在高温条件下的分离是个难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种燃煤烟气重金 属吸附与烟气组分分析一体取样装置，通过一级台阶挡板将内管分为取样 段和烟气通道段，其中，烟气通道段内采用交错设置的高温滤芯和内芯短 管实现烟气中颗粒物与气相重金属的分离，同时取样段内的吸附剂直接实 现对烟气重金属的吸附取样；烟气通道段通过输气管依次与抽气泵和烟气 在线分析设备连接，实现在重金属取样的同时完成烟气的组分分析。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种燃煤烟气重金属 吸附与烟气组分分析一体取样装置，包括内管，所述内管内设有一级台阶 挡板将其分为取样段和烟气通道段；其中，

所述一级台阶挡板至所述取样段顶部依次交错设有第二高温滤芯、第 二内芯短管、第一高温滤芯以及第一内芯短管，且所述第一高温滤芯与所 述第一内芯短管之间为颗粒物收集室，用于吸附燃煤烟气颗粒物；所述第 二高温滤芯与所述第二内芯短管之间为气相重金属吸附室，所述气相重金 属吸附室灌注有吸附剂颗粒，用于吸附烟气中气相重金属；

所述烟气通道段位于所述取样段尾部，且所述烟气通道段尾端与输气 管固定连接，所述输气管上设有抽气泵，且所述抽气泵出气端与在线检测 烟气成分的设备连接，在燃煤燃气重金属吸附的同时实现烟气成分一体化 分析。

进一步地，所述烟气通道段外壁设有外管，且所述外管尾部设有分别 冷却水入口和冷却水出口，所述冷却水入口与循环水泵连接。

进一步地，所述外管和所述内管之间设有与其平行且顶部具有开口的 分隔管，所述内管与所述分隔管之间形成第一换热冷却水通道，所述分隔 管与所述外管之间形成第二冷换热冷却水通道。

进一步地，所述内管和所述分隔管之间，以及所述分隔管与所述外管 之间设有若干换热器翅片。

进一步地，所述冷却水入口设于所述第一冷却水通道底部，所述冷却 水入口设于所述第二换热冷却水通道底部。

进一步地，所述内管的顶端设有保护盖，所述保护盖上设有若干烟气 流通开孔，另一端外壁设有螺纹，与所述内管的内螺纹相匹配。

进一步地，所述一级台阶挡板至所述保护盖盖帽密合处底端的距离大 于两个高温滤芯厚度和两个内芯短管高度之和。

进一步地，所述输气管上还设有气体流量计。

进一步地，所述第一高温滤芯和所述第二高温滤芯分别由氧化铝、氧 化硅、高温陶瓷、合金、玻璃纤维材料中一种或几种制备。

按照本发明的另一个方面，提供一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分 分析一体取样装置的使用方法，应用于所述的一种燃煤烟气重金属吸附与 烟气组分分析一体取样装置，包括如下步骤：

S1：取样前，选择相应材料的内芯短管和高温滤芯并依次安装于所述 内管，在依次安装完所述第二高温滤芯和第二内芯短管后，在所述气相重 金属吸附室内填充吸附剂颗粒，再依次安装所述第一高温滤芯和第一内芯 短管，拧紧保护盖；

S2：连接循环水管路，打开循环水泵；循环水经冷却水入口进入，由 冷却水出口流出；

S3：取样时，将所述取样段伸入烟气管道，打开抽气泵，并由气体流 量计计量流经烟气体积，将所述抽气泵的出气端与在线检测烟气成分的设 备相连，在重金属取样同时，完成烟气组分分析；

S4：待吸附反应1-60min后，取出取样装置，待冷却后，打开所述保 护盖，分别收集所述第一内芯短管内的颗粒物以及所述第二内芯短管内的 吸附剂颗粒，以用于后续进一步分析测试，使用过的内芯短管和高温滤芯 用去离子水和稀酸清洗并烘干备用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：

(1)本发明的燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，通 过一级台阶挡板将内管分为取样段和烟气通道段，其中，烟气通道段内采 用交错设置的高温滤芯和内芯短管实现烟气中颗粒物与气相重金属的分 离，同时取样段内的吸附剂直接实现对烟气重金属的吸附取样；烟气通道 段通过输气管依次与抽气泵和烟气在线分析设备连接，实现在重金属取样 的同时完成烟气的组分分析。

(2)本发明的燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，外 管与内管之间存在对流换热冷却水通道，冷却水在烟气通道段外冷却吸附 后的烟气，保证了流量计和抽气泵的安全，且不影响吸附反应温度。且在 换热器翅片的作用下，冷却水在通道中流通的过程中，能够得到缓冲，使 冷却水与内管中的气体充分接触达到更为理想的对流换热效果。

(3)本发明的燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，采 用气体流量计做吸附气体量的定量依据，可实现试验结果的定量化。

(4)本发明的燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，一 级台阶挡板至保护盖盖帽密合处底端的距离应略大于两个高温滤芯厚度和 两个内芯短管高度之和，能够保证高温滤芯和内芯短管安装完毕后，拧紧 盖帽内管内部完整贴合，既不出现盖帽螺纹无法拧紧，也不会出现晃动内 管，内芯短管和高温滤芯存在松动的情况，保证烟气都通过内芯短管，并 经高温滤芯过滤干净。

(5)本发明的燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置的使 用方法，通过将固体吸附剂填充于反应管，并送入烟气通道内，直接实现 对烟气重金属的高温吸附取样，解决重金属取样过程容易反应难题，防止 重金属在烟气中提前聚集凝结或与取样器管道反应，使吸附反应定量更加 准确，相对于化学吸收方法，本发明简单可靠，具有较高的重复性。

附图说明

图1为本发明实施例燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装 置整体结构示意图；

图2为本发明实施例燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装 置涉及的内芯短管、高温滤芯与内管之间布置示意图；

图3为本发明实施例燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装 置涉及的冷却水换热器布置道示意图；

图4为本发明实施例涉及的保护盖示意图；

图5为本发明的优选实施例所构建的部分氧化物吸附剂不同试验时间 下对模拟烟气中As的吸附效率的实验结果图；

图6为本发明的优选实施例所构建的部分氧化物吸附剂不同试验时间 下对模拟烟气中Pb的吸附效率的实验结果图；

图7为本发明的优选实施例所构建的复合氧化物吸附剂不同试验时间 下吸附电厂烟气中As的吸附量的实验结果图；

图8为本发明的优选实施例所构建的复合氧化物吸附剂不同试验时间 下吸附电厂烟气中Pb的吸附量的实验结果图；

图9为本发明的优选实施例所构建的电厂烟气组分随时间变化测试的 实验结果图；

图10为本发明的优选实施例所构建的电厂烟气颗粒物取样及其重金属 测试试验的结果图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-保护 盖、2-内管、3-第一内芯短管、4-第一高温滤芯、5-第二内芯短管、6-第二 高温滤芯、7-一级台阶挡板、8-外管、9-换热器翅片、10-冷却水出口、11- 冷却水入口、12-循环水泵、13-输气管、14-气体流量计、15-抽气泵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本 发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以 相互组合。

图1为本发明实施例燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装 置整体结构示意图。如图1所示，本发明的保护盖1、内管2、第一内芯短 管3、第一高温滤芯4、第二内芯短管5、第二高温滤芯6、一级台阶挡板7、 外管8、换热器翅片9、冷却水出口10、冷却水入口11、循环水泵12、输 气管13、气体流量计14、抽气泵15。

具体地，内管2的顶端设有保护盖1，保护盖1上设有若干烟气流通开 孔，另一端外壁设有螺纹，与内管2的内螺纹相匹配。

内管2中部设有一级台阶挡板7，一级台阶挡板7将内管2分为取样段 和烟气通道段。一级台阶挡板7用于支撑内芯短管和高温滤芯，将内芯短 管和高温滤芯固定安装在内管2内。具体地，一级台阶挡板7至取样段顶 部(保护盖处)依次设有第二高温滤芯6、第二内芯短管5、第一高温滤芯 4以及第一内芯短管3，内心短管和高温滤芯交替安装，形成颗粒物收集室 和气相重金属吸附室。其中第一高温滤芯4与第一内芯短管3之间为颗粒 物收集室，第二高温滤芯6与第二内芯短管5之间为气相重金属吸附室。 气相重金属吸附室内部灌注有吸附剂颗粒。且第一高温滤芯4用于阻隔烟 气中的颗粒物，实现将颗粒物收集于第一高温滤芯4和第一内芯短管3之 间的颗粒物收集室内部；第二高温滤芯6用于阻隔与盛放第二高温滤芯6 与第二内芯短管5之间灌注的吸附剂颗粒。内芯短管能够被高温滤芯完全 覆盖，第一高温滤芯和第二高温滤芯与内管贴合紧密，保证取样时过滤掉 烟气中的固体颗粒，通过气体。本发明采用高温滤芯和内芯短管将内管分 割为两个室，在高温滤芯分隔作用下，可实现高温烟气中颗粒物与气相重 金属分离，便于分别取样分析，且本发明采用高温滤芯和内芯短管方便拆 卸，便于清洗，防止取样管被烟气颗粒物堵塞时影响后续试验。

内管2尾端外壁上(烟气通道段外壁上)设有外管8，且与内管2同心 安装。外管8设于一级台阶挡板7远离保护盖2的一侧。外管8的尾部分 别设有冷却水入口11和冷却水出口10，冷却水入口11与循环水泵12连接。 外管8的内部设有若干换热器翅片9。

一级台阶挡板7将内管分为两段，其中取样段进入烟气通道；另外一 段烟气通道段外部设有外管8，冷却水在烟气通道段外冷却吸附后的烟气， 保证了流量计和抽气泵的安全，且不影响吸附反应温度。

内管2的尾端中间开烟气输气孔，与输气管13固定连接，输气管13 上设有气体流量计10与抽气泵11。其中抽气泵11出气端与烟气分析仪或 者其他在线检测烟气成分的设备连接，用于将进入输气管13的烟气进一步 输送至烟气在线分析设备，作烟气氧量、NOx等分析。本发明采用气体流 量计做吸附气体量的定量依据，可实现试验结果的定量化，抽气泵的出气 端与烟气分析仪等在线检测烟气成分的设备相连，可在重金属取样同时， 完成烟气组分分析。

进一步地，图2为本发明实施例燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析 一体取样装置涉及的内芯短管、高温滤芯与内管之间布置示意图；如图2 所示，一级台阶挡板7将内管分割为取样段和烟气通道段两段，一级台阶 挡板7至保护盖1盖帽密合处底端的距离应略大于两个高温滤芯厚度和两 个内芯短管高度之和，保证高温滤芯和内芯短管安装完毕后，拧紧盖帽内 管内部完整贴合，既不出现盖帽螺纹无法拧紧，也不会出现晃动内管，内 芯短管和高温滤芯存在松动的情况，保证烟气都通过内芯短管，并经高温 滤芯过滤干净。

图3为本发明实施例燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装 置涉及的冷却水换热器布置道示意图；外管8与内管2之间存在对流换热 冷却水通道，通道中间设有与内管2和外管8平行的分隔管，分隔管的顶 端设有开口，内管2与分隔管之间形成第一换热冷却水通道，分隔管与外 管8之间形成第二冷换热冷却水通道。内管2和分隔管之间，以及分隔管 与外管8之间设有若干换热器翅片9，起到扰流的作用；第一冷却水通道底 部设有冷却水入口11，第二换热冷却水通道底部设有冷却水出口10，保证 靠近内管输入冷却水的流动方向与内管内采集烟气的流动方向相反，靠近 外管的输出冷却水与内管内采集烟气的流动方向一致。冷却水从冷却水入 口11进入，依次流经第一换热冷却水通道和第二换热冷却水通道，最后从 冷却水出口10流出，返回储水容器，在换热器翅片9的作用下，在通道中 流通的过程中，能够得到缓冲，使冷却水与内管2中的气体充分接触达到 更为理想的对流换热效果。

图4为本发明实施例涉及的保护盖示意图。保护盖1的盖帽上设有若 干烟气流通开孔，用于吸收燃煤的烟气及颗粒物质；另一端外壁设有螺纹， 与内管2的内螺纹相匹配，拆装方便。

优选地，保护盖1长度可根据试验要求选择，保证自保护盖顶端至内 管伸入锅炉烟道部分或吸附剂完全放进锅炉烟气通道位置长度满足锅炉通 道不同位置取样深度要求。

优选地，内管2为不锈钢材质，能够承受高温、腐蚀。

优选地，外管8为不锈钢、铝合金等材料，能够良好散热且耐高温、 腐蚀。

优选地，吸附剂颗粒为氧化硅、氧化铝等氧化物，吸附包括物理和化 学吸附。

优选地，高温滤芯由氧化铝、氧化硅、高温陶瓷、合金、或玻璃纤维 材料中一种或几种高温烧结制备，可允许烟气通过而防止烟气颗粒物及吸 附剂颗粒通过，且同时满足高温条件。高温滤芯材料根据不与对目标重金 属吸附影响原则可选择。

优选地，内芯短管为石英、刚玉、不锈钢、合金等材料，满足高温和 防腐要求，且根据对烟气中目标重金属不吸附原则选择内芯短管材料。

优选地，所述循环水泵采用安全电压DC24V，能提保证供系统最大工 作烟气流量和最高烟气温度时冷却水所需流量和压力。用于输送冷却水。

优选地，气体流量计14能够在高温、震动条件下计量烟气流量，满足 试验流量、压力以及最大量程需要。

优选地，抽气泵15可直接接市电220V交流电路，抽气压力、流量满 足试验要求，在现场高温、震动环境试验时能够稳定运行。

燃煤烟气包括燃煤锅炉烟气、燃烧污泥锅炉和燃烧城市垃圾锅炉烟气 等，重金属包括砷、铅、硒、铬、镉、铜、锌、镍、铁、锑等。本发明的 重金属吸附取样装置，除了吸附重金属外，还包括碱金属、碱土金属、硫、 氯等其他矿物质元素的吸附取样。

本发明的燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，取样方 法如下：

S1：取样前，拧开保护盖1，选择相应材料的内芯短管和高温滤芯并依 次安装于内管2，在依次安装完第二高温滤芯6和第二内芯短管5后，称取 一定质量吸附剂颗粒填充气相重金属吸附室，再依次安装第一高温滤芯4 和第一内芯短管3，安装并拧紧保护盖1；

S2：连接循环水管路，打开循环水泵12；循环水经外管8下端冷却水 入口11进入，由冷却水出口10流出；

S3：取样时，将取样段通过锅炉烟气预留孔放入烟气中，准备工作完 成后，打开抽气泵15，并由气体流量计14计量流经烟气体积，此时可以将 抽气泵15的出气端与烟气分析仪等在线检测烟气成分的设备相连，可在重 金属取样同时，完成烟气组分分析；

S4：待吸附反应1-60min后，取出取样装置，待冷却后，打开保护盖1， 分别收集第一内芯短管3内的颗粒物以及第二内芯短管5内的吸附剂颗粒， 以用于后续进一步分析测试，使用过的内芯短管和高温滤芯用去离子水和 稀酸清洗并烘干备用。

本发明的燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置使用方 法，通过将固体吸附剂填充于反应管，并送入烟气通道内，直接实现对烟 气重金属的高温吸附取样，解决重金属取样过程容易反应难题，防止重金 属在烟气中提前聚集凝结或与取样器管道反应，使吸附反应定量更加准确， 相对于化学吸收方法，本发明简单可靠，具有较高的重复性。

为便于更好地理解本发明取样装置性能，下面将利用重金属吸附法取 样开展试验，具体为：选用的烟气为模拟烟气，As以化学发生氢化物形式 发生，Pb以醋酸铅溶液形式火焰燃烧发生，烟气中As和Pb的浓度均为100 mg/kg，以现有高效复合吸附剂、γ-Al₂O₃、CaO、SiO₂、Fe₂O₃和MgO为吸 附剂颗粒原料。

实施例1

本轮吸附剂吸附As性能实验：将烟气中As浓度设置为100mg/kg，设 置烟气温度500℃，将装有不同吸附剂颗粒的取样装置放于烟气中，打开循 环水泵和抽气泵，抽气流速为3L/min，测试时间为1、10、20、30、40、 50、60min，试验结束后取出吸附剂颗粒，称量质量并消解、ICP-MS分析。

实验结果：图5为本轮吸附剂吸附As效率的实验结果图。由图可知， 1、10、20、30、40、50、60min样品中As总量与烟气中As发生总量的比 值稳定，复合吸附剂最高达53％。

此实验说明，本发明吸附法取样模拟烟气中As在测试时间内稳定，通 过吸附量和吸附效率计算烟气中气相As含量，可实现准确测量烟气中的 As。

实施例2

本轮吸附剂吸附Pb性能实验：将烟气中Pb浓度设置为100mg/kg，设 置烟气温度700℃，将装有不同吸附剂颗粒的取样装置放于烟气中，打开循 环水泵和抽气泵，抽气流速为3L/min，测试时间为1、10、20、30、40、 50、60min，试验结束后取出吸附剂颗粒，称量质量并消解、ICP-MS分析。

实验结果：图6为本轮吸附剂吸附Pb效率的实验结果图。由图可知， 1、10、20、30、40、50、60min样品中Pb总量与烟气中Pb发生总量的比 值稳定，复合吸附剂最高达57％。

此实验说明，本发明吸附法取样模拟烟气中Pb在测试时间内稳定，通 过吸附量和吸附效率计算烟气中气相Pb含量，可实现准确测量烟气中的 Pb。

此实验说明，本发明吸附法重金属取样性能稳定，定量精度高。

进一步地，为便于更好地理解本发明一种燃煤烟气颗粒物与气相重金 属分离及重金属吸附取样装置和方法应用于电厂烟气重金属取样试验的性 能，下面将利用该装置开展试验，具体为：

本实例以某火电厂烟气为测试对象，测试煤种分别为典型高As和高 Pb煤，以现有高效复合吸附剂为吸附剂颗粒原料。

实施例3

本轮吸附剂颗粒吸附燃煤电厂烟气As实验：将锅炉煤种调为试验高 As煤，待电厂负荷稳定后，将装有复合吸附剂颗粒的取样装置放于SCR入 口烟气中，打开循环水泵和抽气泵，抽气流速为3L/min，测试时间为10、 20、30、40、50、60min，试验结束后取出吸附剂颗粒称量质量并消解、ICP-MS 分析。

实验结果：图7为本轮吸附剂吸附燃煤电厂烟气As的实验结果图。由 图可知，10、20、30、40、50、60min样品中As总量与测试时间之间呈 现线性相关关系，每1kg吸附剂10min吸附量为1.08mg As。

此实验说明，本发明吸附法取样电厂烟气中As在测试时间内稳定，通 过吸附量和吸附效率数据计算烟气中气相As含量，适用于电厂烟气重金属 取样As，可实现准确测量烟气中的As。

实施例4

本轮吸附剂颗粒吸附燃煤电厂烟气Pb实验：将锅炉煤种调为试验高Pb 煤，待电厂负荷稳定后，将装有复合吸附剂颗粒的取样装置放于SCR入口 烟气中，打开循环水泵和抽气泵，抽气流速为3L/min，测试时间为10、20、 30、40、50、60min，试验结束后取出吸附剂颗粒称量质量并消解、ICP-MS 分析。

实验结果：图8为本轮吸附剂颗粒吸附燃煤电厂烟气Pb的实验结果图。 由图可知，10、20、30、40、50、60min样品中Pb总量与测试时间之间呈 现线性相关关系，每1kg吸附剂10min吸附量为1.3mg Pb。

此实验说明，本发明吸附法重金属取样性能稳定，适用于电厂烟气重 金属取样。

进一步地，为便于更好地理解本发明一种燃煤烟气颗粒物与气相重金 属分离及重金属吸附取样装置和方法应用于电厂烟气组分测试试验的性 能，下面将利用该装置开展试验，具体为：

本实例以某火电厂烟气为测试对象，测试工况为高负荷某负荷点，抽 气泵出口接便携式烟气分析仪，检测空气预热器入口处烟气中O2、CO和 NOx含量。

实施例5

本轮电厂烟气组分测试试验：在锅炉高负荷某负荷点时，将装有复合 吸附剂颗粒的取样装置放于空气预热器入口烟气中，打开循环水泵和抽气 泵，抽气流速为3L/min，抽气泵出口接便携式烟气分析仪，记录空气预热 器入口处烟气中O2、CO和NOx含量。

实验结果：图9为本轮电厂烟气组分测试试验的实验结果图。由图可 知，在测试工况下，空气预热器入口O₂含量稳定在2.5％，CO和NO含量 约为10mg/kg，测试结果与该工况表盘值一致。

此实验说明，本发明实验装置性能稳定，适用于同时进行燃煤烟气重 金属取样和烟气组分在线分析，实验精度高，可重复性好。

进一步地，为便于更好地理解本发明一种燃煤烟气颗粒物与气相重金 属分离及重金属吸附取样装置和方法应用于电厂烟气组分测试试验的性 能，下面将利用该装置开展试验，具体为：

本实例以某火电厂烟气为测试对象，测试煤种分别为典型高As和高 Pb煤，测试收集颗粒物中As和Pb含量。

实施例6

本轮电厂烟气颗粒物取样及其重金属测试试验：在锅炉高负荷某负荷 点时，在150-400℃温度取样位置，依次将取样装置放于空气预热器入口烟 气中，打开循环水泵和抽气泵，抽气流速为3L/min，取样时间为30min， 试验结束，取出取样装置，收集颗粒物并经消解、ICP-MS测试重金属含量。

实验结果：图10为本轮电厂烟气颗粒物取样及其重金属测试试验的实 验结果图。由图可知，在测试工况下，颗粒物中重金属随温度变化，测试 结果与文献报道一致。

此实验说明，本发明实验装置性能稳定，适用于燃煤烟气颗粒物取样， 实验精度高，可重复性好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，其特征在于，包括内管(2)，所述内管(2)内设有一级台阶挡板(7)将其分为取样段和烟气通道段；其中，

所述一级台阶挡板(7)至所述取样段顶部依次交错设有第二高温滤芯(6)、第二内芯短管(5)、第一高温滤芯(4)以及第一内芯短管(3)，且所述第一高温滤芯(4)与所述第一内芯短管(3)之间为颗粒物收集室，用于吸附燃煤烟气颗粒物；所述第二高温滤芯(6)与所述第二内芯短管(5)之间为气相重金属吸附室，所述气相重金属吸附室灌注有吸附剂颗粒，用于吸附烟气中气相重金属；

所述烟气通道段位于所述取样段尾部，且所述烟气通道段尾端与输气管(13)固定连接，所述输气管(13)上设有抽气泵(11)，且所述抽气泵(11)出气端与在线检测烟气成分的设备连接，在燃煤燃气重金属吸附的同时实现烟气成分一体化分析。

2.根据权利要求1所述的一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，其特征在于，所述烟气通道段外壁设有外管(8)，且所述外管(8)尾部设有分别冷却水入口(11)和冷却水出口(10)，所述冷却水入口(11)与循环水泵(12)连接。

3.根据权利要求2所述的一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，其特征在于，所述外管(8)和所述内管(2)之间设有与其平行且顶部具有开口的分隔管，所述内管(2)与所述分隔管之间形成第一换热冷却水通道，所述分隔管与所述外管(8)之间形成第二冷换热冷却水通道。

4.根据权利要求3所述的一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，其特征在于，所述内管(2)和所述分隔管之间，以及所述分隔管与所述外管(8)之间设有若干换热器翅片(9)。

5.根据权利要求3或4所述的一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，其特征在于，所述冷却水入口(11)设于所述第一冷却水通道底部，所述冷却水入口(10)设于所述第二换热冷却水通道底部。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，其特征在于，所述内管(2)的顶端设有保护盖(1)，所述保护盖(1)上设有若干烟气流通开孔，另一端外壁设有螺纹，与所述内管(2)的内螺纹相匹配。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，其特征在于，所述一级台阶挡板(7)至所述保护盖(1)盖帽密合处底端的距离大于两个高温滤芯厚度和两个内芯短管高度之和。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，所述输气管(13)上还设有气体流量计(10)。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，其特征在于，所述第一高温滤芯(4)和所述第二高温滤芯(6)分别由氧化铝、氧化硅、高温陶瓷、合金、玻璃纤维材料中一种或几种制备。

10.一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置的使用方法，应用于如权利要求1-9任一项所述的一种燃煤烟气重金属吸附与烟气组分分析一体取样装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1：取样前，选择相应材料的内芯短管和高温滤芯并依次安装于所述内管(2)，在依次安装完所述第二高温滤芯(6)和第二内芯短管(5)后，在所述气相重金属吸附室内填充吸附剂颗粒，再依次安装所述第一高温滤芯(4)和第一内芯短管(3)，拧紧保护盖(1)；

S2：连接循环水管路，打开循环水泵(12)；循环水经冷却水入口(11)进入，由冷却水出口(10)流出；

S3：取样时，将所述取样段伸入烟气管道，打开抽气泵(15)，并由气体流量计(14)计量流经烟气体积，将所述抽气泵(15)的出气端与在线检测烟气成分的设备相连，在重金属取样同时，完成烟气组分分析；

S4：待吸附反应1-60min后，取出取样装置，待冷却后，打开所述保护盖(1)，分别收集所述第一内芯短管(3)内的颗粒物以及所述第二内芯短管(5)内的吸附剂颗粒，以用于后续进一步分析测试，使用过的内芯短管和高温滤芯用去离子水和稀酸清洗并烘干备用。

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