CN111679038A - 一种烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪，其包括：外壳，所述外壳内具有容置空间；烟气探头，其安装在待测烟道内；在所述容置空间内设置有混气模块、具有自校准功能的二氧化碳浓度检测模块、信号处理与传输模块以及双通道控制模块；信号处理与传输模块将所述二氧化碳浓度检测模块检测的二氧化碳浓度值反馈至双通道控制模块，所述双通道控制模块调整所述混气模块中烟气的混合比例，以将烟气中二氧化碳的浓度稀释到所述二氧化碳浓度检测模块中二氧化碳气体传感器的最佳响应值，信号处理与传输模块将浓度值和稀释比传至数据分析处理系统。本发明在降低成本的同时，实现了二氧化碳连续在线测量的功能，且测量结果准确可靠。

Description

一种烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪
技术领域
本发明属于环保领域，特别是涉及一种烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪。
背景技术
二氧化碳气体排放过多是造成温室效应的主要原因，对全球环境及生态系统产生了深远影响。企业燃料燃烧产生的二氧化碳是城市区域碳排放的主要来源，为了通过碳排放交易来实现企业减排，就必须对企业烟囱内二氧化碳进行精确的计量。而我国目前采用排放因子法计算碳排放量，这种方法准确性低，且有较强的滞后性。烟气分析仪大多采用非分散红外技术，但通常需要采气之后进行测量，无法进行现场连续在线测量。目前，二氧化碳气体传感器大多针对空气中的二氧化碳进行浓度检测，而烟道内二氧化碳浓度一般在20％以下，无法利用二氧化碳传感器直接对烟道内的二氧化碳进行浓度检测。
因此，亟需开发一种实用可靠的碳排放在线监测设备，获取准确而全面的碳排放数据。同时尽量降低检测设备的成本，推动企业安装二氧化碳连续在线监测系统的进程，可为减排计划的执行和减排效果的评价提供必要的技术支持。
发明内容
本发明旨在提供一种带自校准功能的烟气排放二氧化碳浓度连续在线测量的低成本监测仪，以实时获取准确而全面的碳排放数据。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提出的带自校准功能的烟气排放二氧化碳浓度连续在线测量的低成本监测仪由烟气稀释和浓度检测两个模块组成，其中，烟气稀释模块主要由三个质量流量控制器、超纯氮气和混匀池组成。烟气和超纯氮气经两个质量流量控制器分别进入混匀池，双通道控制模块可以实时调整质量流量控制器的流量，以达到指定的稀释浓度。浓度检测模块带有自校准功能，由至少三个二氧化碳传感器组成，使测量结果准确可靠。传感器的测量浓度与稀释倍数相乘，结果即为烟气内二氧化碳的浓度。
本发明提供了一种烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪，其包括：外壳，所述外壳内具有容置空间；烟气探头，其安装在待测烟道内；在所述容置空间内设置有混气模块、具有自校准功能的二氧化碳浓度检测模块、信号处理与传输模块以及双通道控制模块；信号处理与传输模块将所述二氧化碳浓度检测模块检测的二氧化碳浓度值反馈至双通道控制模块，所述双通道控制模块调整所述混气模块中烟气的混合比例，以将烟气中二氧化碳的浓度稀释到所述二氧化碳浓度检测模块中二氧化碳气体传感器的最佳响应值，信号处理与传输模块将浓度值和稀释比传至数据分析处理系统。
其中，所述混气模块包括采集泵、至少两个质量流量控制器、混匀池。
其中，所述二氧化碳浓度检测模块内设置有至少三个相同的二氧化碳气体传感器。
其中，所述二氧化碳浓度检测模块内设置有温湿度控制模块。
其中，进一步设置有冷凝器，所述冷凝器与所述烟气探头连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种带自校准功能的烟气排放二氧化碳浓度连续在线测量的低成本监测仪，通过将超纯氮气和烟气进行混合稀释，以达到二氧化碳传感器的最佳响应值，再将响应值和稀释倍数相乘，进而得到烟气内二氧化碳的浓度。降低成本的同时，实现了二氧化碳连续在线测量的功能，且测量结果准确可靠。
附图说明
图1烟气二氧化碳浓度检测装置示意图。
具体实施方案
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
图1为本发明的在线自校准监测仪的结构示意图。如图1所示，本发明的低成本在线自校准监测仪包括外壳，所述外壳内具有容置空间，检测装置的大部分组件设置在所述容置空间内；烟气探头1和冷凝器2设置在壳体外侧，且与待测烟道连接，优选所述烟气探头1安装在所述待测烟道内，所述烟气探头1与所述冷凝器2进行连接；在外壳的第一端设置有检测装置入口3，在所述外壳的第二端设置有检测装置出口18。
在所述外壳内设置有混气模块12。所述混气模块12包括采集泵5、第一质量流量控制器6和第二质量流量控制器7、超纯氮气瓶8、混匀池10和第三质量流量控制器11、三通9以及其他连接管路。
所述检测装置入口3连接到所述混气模块12的采集泵5的一端，所述采集泵5的另一端连接到第一质量流量控制器6的进气端，超纯氮气瓶8连接到第二质量流量控制器7的进气端，第一质量流量控制器6的出气端连接到三通9的第一端，第二质量流量控制器7的出气端连接到三通9的第二端，所述三通9的第三端连接到混匀池10的进气端，所述混匀池10的出气端连接到第三质量流量控制器11，所述第一质量流量控制器6和第二质量流量控制器7分别连接到双通道控制模块，所述双通道控制模块连接到信息处理与传输模块，所述信息处理与传输控制模块能实时调节第一质量流量控制器6和第二质量流量控制器7的流量。
在所述外壳内还设置有具有自校准功能的二氧化碳浓度检测模块17，第三质量流量控制器11通过所述二氧化碳浓度检测模块17的入口13连接到二氧化碳气体传感器14，二氧化碳浓度检测模块17内设置有至少三个相同的二氧化碳气体传感器14，控制电路15与所述至少三个相同的二氧化碳气体传感器14相连接，其中，控制电路15对所述二氧化碳气体传感器14进行控制，所述二氧化碳气体传感器14测量的数据通过控制电路15传送到信息处理与传输模块。
从烟囱里获得的检测气体与超纯氮气混合稀释后通过第三质量流量控制器11连接到二氧化碳浓度检测模块17的入口13，从至少三个二氧化碳气体传感器14的出口通过管路连接到二氧化碳浓度检测模块17的出口16，所述二氧化碳浓度检测模块出口16与所述检测装置的出口18相连接。
为降低温湿度对二氧化碳气体传感器14的影响，所述二氧化碳浓度检测模块17设置有温湿度控制模块，所述温湿度控制模块优选包括有温度控制模块和湿度控制模块，该温湿度控制模块使得所述二氧化碳气体传感器14在恒温恒湿的条件下工作，保证了测量的准确性。为了防止传感器本身损坏带来的影响，该检测装置包括至少三个相同的二氧化碳气体传感器14，以实现数据之间的相互比对，消除系统误差。
信号处理与传输模块将所述二氧化碳浓度检测模块检测的二氧化碳浓度值反馈至双通道控制模块，所述双通道控制模块调整所述混气模块中烟气的混合比例，以将烟气中二氧化碳的浓度稀释到所述二氧化碳浓度检测模块中二氧化碳气体传感器的最佳响应值，信号处理与传输模块将浓度值和稀释比传至数据分析处理系统。具体而言，信号处理与传输模块将所述二氧化碳浓度检测模块17的浓度值传至双通道控制模块，以不断调整高纯氮气瓶8对烟气的稀释倍数，所述混气模块12能够调整烟气和超纯氮气的混合比例，以将烟气二氧化碳的浓度稀释到二氧化碳气体传感器的最佳响应值，直至二氧化碳浓度检测模块17的输出浓度为400ppm，信号处理与传输模块将浓度值和稀释比传至数据分析处理系统20。
如图1所示的实施案例中，对烟气二氧化碳气体进行稀释的具体流程如下：当对烟气二氧化碳浓度进行稀释时，采集泵3开启，由采样探头1采样所述烟气通道中的烟气，所述烟气经由冷凝器2冷凝除水后进入第一质量流量控制器6，同时将超纯氮气瓶8中的超纯氮气进入第二质量流量控制器7，此时双通道控制模块控制开启所述第一质量流量控制器6和第二质量流量控制器7，使烟气和超纯氮气在混匀池10内按比例混匀。
如图1所示的实施案例中，当对烟气二氧化碳浓度进行检测时，二氧化碳浓度检测模块17首先通过氮气在检测之前完成自校准，混匀池10里的气体经由第三质量流量控制器11，通过二氧化碳浓度检测模块17的入口13进入三个二氧化碳气体传感器，经过信号处理与传输模块将浓度值传至双通道控制模块，以不断调整烟气的稀释倍数，直至二氧化碳浓度检测模块17的输出浓度为400ppm，信号处理与传输模块将浓度值和稀释比传至数据分析处理系统20，烟气二氧化碳浓度即为400与稀释倍数的乘积(ppm)，分析完的二氧化碳气体经二氧化碳浓度检测模块出口16从检测装置出口18排出。
如图1所示的实施案例中，由于二氧化碳气体传感器14在二氧化碳浓度为400ppm时的响应最稳定，因此可以通过不断调整烟气和超纯氮气的混合比例，以将烟气二氧化碳的浓度稀释到二氧化碳气体传感器的最佳响应值。本发明公布的校准方法使用定值准确可靠的超纯氮气和三个质量流量控制器完成，且二氧化碳浓度检测模块具有自校准功能，能够实现烟气二氧化碳浓度连续在线测量，且测量结果准确可靠。
不确定度评定
本发明的测量模型为：
Figure BDA0002543350260000041
式中，x0为传感器输出浓度，本发明中设置为400ppm；m、n分别为第一质量流量控制器6和第二质量流量控制器7的流量值，根据烟气中二氧化碳浓度的不同实时调整。
本发明中使用的超纯氮气浓度为99.99999％，对稀释后二氧化碳浓度的影响及不确定度的贡献均小于0.001％，故略去超纯氮气的影响。稀释倍数通过质量流量控制器的流量值进行计算，假设烟气流量为10L/min，超纯氮气流量为90L/min,则稀释比为
Figure BDA0002543350260000042
即稀释倍数为100倍。
测量原理式中各参量相互独立，根据不确定度传递原理，可以得到：
Figure BDA0002543350260000043
式中，下标“r”表示相对值。
进一步可以得到如下的不确定度分析，如表1所示。
表1测量不确定度分析
Figure BDA0002543350260000051
在A类不确定度中对二氧化碳传感器和第一质量流量控制器6、第二质量流量控制器7进行多次重复实验，测量结果的重复性不确定度分别为3％，0.2％，0.2％。在B类不确定度中最大的为二氧化碳传感器ur(x0)，使用二氧化碳标气对400ppm处的响应值进行标定校准，得到二氧化碳传感器在400ppm处的相对不确定度为0.25％。由表1可知，本发明提出的带自校准功能的烟气二氧化碳浓度连续在线测量的低成本探测器的相对扩展不确定度为6.13％(k＝2)。
本发明提供了一种带自校准功能的烟气排放二氧化碳浓度连续在线测量的低成本监测仪，通过将超纯氮气和烟气进行混合稀释，以达到二氧化碳传感器的最佳响应值，再将响应值和稀释倍数相乘，进而得到烟气内二氧化碳的浓度。降低成本的同时，实现了二氧化碳连续在线测量的功能，且测量结果准确可靠。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪，其包括：外壳，所述外壳内具有容置空间；烟气探头，其安装在待测烟道内；在所述容置空间内设置有混气模块、具有自校准功能的二氧化碳浓度检测模块、信号处理与传输模块以及双通道控制模块；其特征在于：信号处理与传输模块将所述二氧化碳浓度检测模块检测的二氧化碳浓度值反馈至双通道控制模块，所述双通道控制模块调整所述混气模块中烟气的混合比例，以将烟气中二氧化碳的浓度稀释到所述二氧化碳浓度检测模块中二氧化碳气体传感器的最佳响应值，信号处理与传输模块将浓度值和稀释比传至数据分析处理系统。
2.如权利要求1所述的烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪，其特征在于：所述混气模块包括采集泵、至少两个质量流量控制器、混匀池。
3.如权利要求1所述的烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪，其特征在于：所述二氧化碳浓度检测模块内设置有至少三个相同的二氧化碳气体传感器。
4.如权利要求1所述的烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪，其特征在于：所述二氧化碳浓度检测模块内设置有温湿度控制模块。
5.如权利要求1所述的烟气排放二氧化碳浓度的在线自校准监测仪，其特征在于：进一步设置有冷凝器，所述冷凝器与所述烟气探头连接。
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