CN112147287B - 一种烟气中HCl的在线测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种烟气中HCl的在线测量系统及方法，包括取样系统、供液系统、第一温度控制箱、第二温度控制箱、第三温度控制箱、HCl吸收器、HCl定量器、氯离子检测仪、湿式流量计、抽气泵、液体流量计、气体流量计、蠕动泵、废液储罐、氧气监测仪、测量控制系统、标定系统、反吹系统；其中，取样系统与HCl吸收器气体入口相连，供液系统与HCl吸收器液体入口相连，HCl吸收器气体出口与抽气泵相连，HCl吸收器液体出口经第二蠕动泵与HCl定量器相连；HCl定量器中布置有氯离子检测仪。本发明可以测量每分钟烟气中HCl的浓度，数据更具有代表性。

Description

一种烟气中HCl的在线测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种酸性气体的测量系统，具体涉及一种烟气中HCl的在线测量系统及方法，适用于燃煤电厂、玻璃窑炉、垃圾焚烧厂、生物质电厂、焦化行业、水泥行业、有色金属冶炼、HCl生产厂等的HCl的在线测量。
背景技术
90％以上的中国煤是低氯煤，含量一般在0.01％～0.05％。煤中的氯含量及其在煤中的存在形式与煤的形成过程和形成条件有关。氯在煤中主要的存在形式是无机氯化物和有机氯化物。一般情况，植物体内的氯的浓度范围是0.2％～2.0％。城市固体废弃物中含有一定量的PVC和NaCl。在焚烧时，煤炭、生物质、固体废弃物将会释放一定量的氯化氢。
氯化氢是无色而有刺激性气味的气体。氯化氢水溶液为盐酸，纯盐酸为无色液体，在空气中冒雾(由于盐酸有强挥发性)，有刺鼻酸味。氯化氢的危害主要为引发酸雨、腐蚀和生成二噁英。氯化氢的排放是全球酸雨形成的第三大来源(前两位是SO2和NOx)。因为氯化氢极易溶于雨水，所以与前两位相比，氯化氢是一个当地污染源，基本上都会在释放源附近排放。酸雨是我国现阶段正在面临的严重环境问题。氯化氢还会对锅炉设备造成腐蚀。腐蚀是由炉膛排出的烟气和灰颗粒造成的化学破坏。腐蚀最为严重的锅炉部件为焚烧腔、水冷壁的第一个空层以及过热器。氯化氢还是垃圾焚烧中二噁英生成的来源。
现有的HCl测量方法都是离线监测法，即先采样，再到实验室对采集样品进行离线分析，该方法的采样、测试时间长，无法长时间监测烟气中的HCl浓度。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种烟气中HCl的在线测量系统及方法，设计合理，使用方便，测量准确，能够实现对HCl浓度的实时监测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种烟气中HCl的在线测量系统，包括取样系统、HCl吸收器、HCl定量器、供液系统和测量控制系统；取样系统、HCl吸收器、HCl定量器以及供液系统均与测量控制系统相连，其中，取样系统与HCl吸收器气体入口相连，供液系统与HCl吸收器液体入口相连，HCl吸收器气体出口与抽气泵相连，HCl吸收器液体出口经第二蠕动泵与HCl定量器相连；HCl定量器中布置有氯离子检测仪。
本发明进一步的改进在于，HCl吸收器气体出口经氧气检测仪、抽气泵、湿式流量计与气体流量计相连。
本发明进一步的改进在于，HCl吸收器为填料塔。
本发明进一步的改进在于，取样系统包括取样枪、前置过滤器与热电偶，其中，取样枪入口设置前置过滤器，取样枪一侧设置有热电偶。
本发明进一步的改进在于，取样枪内置石英管或玻璃管，取样枪上设置有伴热系统，取样枪出口经细粉尘过滤器与HCl吸收器相连。
本发明进一步的改进在于，细粉尘过滤器设置在温度为130～180℃的第一温度控制箱内；HCl定量器设置在温度为15～25℃的第三温度控制箱内内；第二蠕动泵经第三液体流量计与HCl定量器相连，HCl定量器中布置有液位计，取样枪还与压缩空气反吹系统相连。
本发明进一步的改进在于，供液系统包括吸收液箱、电动调节阀、第一蠕动泵与第一液体流量计，吸收液箱中装有除盐水，吸收液箱出口经电动调节阀、第一蠕动泵、第一液体流量计与HCl吸收器相连。
一种基于上述的系统的烟气中HCl的在线测量方法，样品气体从取样系统进入HCl吸收器，供液系统中的除盐水进入HCl吸收器中，样品气体中的HCl在HCl吸收器中被捕集后的样品液体经过第二蠕动泵进入氯离子检测仪，测量水中Cl-浓度，并将Cl-浓度数据发送给测量控制系统，根据下式计算烟气中HCl浓度CHCl,烟气：
CHCl,烟气＝1.028*(QV,液*CCl,液体)/QV,烟气 (1)
式中：
CHCl,烟气：烟气中HCl浓度；
QV,液：吸收液流量；
CCl,液体：氯离子的质量浓度；
Qv,烟气：烟气体积流量。
本发明进一步的改进在于，HCl吸收器中的样品气体经过氧气检测仪、抽气泵、湿式流量计与气体流量计排出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明中取样系统采集的烟气输送到HCl吸收器中吸收烟气中的HCl，将吸收HCl的液体经第二蠕动泵输送到氯离子检测仪进行检测氯离子，从而实现对烟气中HCl浓度的实时监测，实时反映排放烟气中的HCl浓度。本发明中通过设置HCl吸收器，在HCl吸收器中采用水吸收烟气中的HCl，然后将吸收后的吸收液通过蠕动泵送入HCl定量器，由于在HCl吸收器中存在鼓泡现象，本发明中吸收液通过蠕动泵送入HCl定量器后，HCl定量器中无气泡，仅测量HCl定量器的吸收液中的氯的含量，保证测量的准确性。并且本发明中可以每分钟的烟气中HCl浓度的测量，数据更具有代表性。
进一步的，本发明通过设置HCl吸收器，中采用化学吸收法进行烟气采样，通过在取样枪入口设置前置过滤器，可以避免烟气中粉尘的干扰，实现HCl精准采样，提高HCl浓度测量结果的精确度。
进一步的，取样枪上设置有伴热系统，保证烟气温度高于120℃，适用于不同的环境，能够实现在线测量，并能够保证测量的准确性。
进一步的，本发明中通过除盐水作为吸收液，对于电厂来说除盐水很容易得到，只需要连接已有的除盐水管路就可以用于本发明中的测试系统。
进一步的，在本发明中通过主气路上接入高压氮气或电厂自备压缩空气作为吹扫气，通过压缩空气反吹系统可以对前置过滤器进行反吹，从而实现对前置过滤器的除灰清理，延长了装置保养周期。
本发明通过将烟气中的气态HCl连续地转移到水溶液中，并采用氯离子检测仪测量得出水溶液中的氯离子浓度，同时利用湿式流量计、液体流量计测量抽气流量和水流量，计算得到烟气中HCl浓度，实现在线测量的同时，保证测量的准确性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1、前置过滤器，2、取样枪，3、细粉尘过滤器，4、第一温度控制箱，5、反吹系统，6、HCl标气，7、减压阀，8、流量计，9、HCl吸收器，10、第二温度控制箱，11、氧气检测仪，12、抽气泵，13、湿式流量计，14、气体流量计，15、吸收液箱，16、电动调节阀，17、第一蠕动泵，18、第一液体流量计，19、第二液体流量计，20、三通阀，21、第二蠕动泵，22、第三液体流量计，23、液位计，24、氯离子检测仪，25、HCl定量器，26、第三温度控制箱，27、废液储罐。
具体实施方式
下面结结合附图对本发明进行详细描述。
参见图1，一种烟气中HCl的在线测量系统，包括取样系统、供液系统、第一温度控制箱4、第二温度控制箱10、第三温度控制箱26、HCl吸收器9、HCl定量器25、氯离子检测仪24、湿式流量计13、抽气泵12、第一液体流量计18、第二液体流量计19、第三液体流量计22、气体流量计14、第一蠕动泵17、第二蠕动泵21、废液储罐27、氧气检测仪11、测量控制系统、标定系统和反吹系统5。取样系统、HCl吸收器9、HCl定量器25以及供液系统均与测量控制系统相连，
取样系统由取样枪2、前置过滤器1、伴热系统与热电偶组成。取样枪2入口设置有前置过滤器1，可将含尘样气进行预除尘，前置过滤器1可采用但不限于氧化铝或碳化硅材质，过滤精度0.5μm～3μm，使用温度-50℃～450℃，阻力小于2kPa。取样枪2外壳材质的选取取决于取样系统所处烟气温度下的材料稳定性，可以采用但不限于不锈钢、碳钢、合金材料等，取样枪2内置石英管或玻璃管。取样枪2一侧设置有热电偶。热电偶可实时监测取样枪2所处环境的温度。抽取的烟气温度在120℃以上时，取样枪2不需要伴热；当抽取的烟气温度低于120℃时，取样枪2上设置有伴热系统，保证烟气温度高于120℃。
在本发明中通过主气路上通过接入高压氮气或电厂自备压缩空气作为吹扫气，通过压缩空气反吹系统5可以对前置过滤器进行反吹，从而实现对前置过滤器的除灰清理。
在取样系统下游，即在取样枪2出口的管路上可设置细粉尘过滤器3，对烟气二次除尘净化。细粉尘过滤器3设置在第一温度控制箱内。
第三温度控制箱内布置氯离子检测仪，第三温度控制箱内温度控制在15～25℃温度范围内。
粉尘对HCl测试会产生一定干扰的工况下，如烟气中粉尘和水含量较高的工况，取样系统需要采用等速取样的形式；需要根据烟气流速、烟气温度、烟气湿度、烟气静压等确定采样嘴尺寸和抽气泵流量，最终实现等速跟踪采样的目的。
样品气体从取样系统进入细粉尘过滤器3进一步过滤除尘，然后进入HCl吸收器9脱掉HCl，样品气体从HCl吸收器9排出后，最后经过氧气检测仪11、抽气泵12、湿式流量计13、气体流量计14排到大气中。湿式流量计13可布置在抽气泵12入口，也可布置在抽气泵12出口。抽气泵12作用是提供烟气采样所需的压头，稳定地抽取一定流量的烟气。湿式流量计13可稳定运行，精度不低于1％示值；湿式流量计13可显示抽气泵抽取的气体体积，气体体积可传输至测量控制系统。氧气检测仪11可以采用但不限于热磁式氧分析仪、氧化锆传感器式氧分析仪。
连接取样系统、细粉尘过滤器一直到HCl吸收器入口的样气传输管路，都需要伴热，以避免水汽凝结。样气传输管路的伴热温度可控制在120～180℃。
HCl吸收器9需要实现完全吸收样品气体中的HCl，HCl吸收器9可以采用但不限于填料塔的形式。
第一温度控制箱4的温度控制在130～180℃，第一温度控制箱4内布置细粉尘过滤器3，细粉尘过滤器的粉尘脱除效率在99％以上。
第二温度控制箱10可采用但不限于半导体制冷原理，第二温度控制箱10内温度控制在2～6℃，箱内布置HCl吸收器9，第二温度控制箱10的制冷系统可实现烟气快速降温，利于烟气中的HCl完全捕集。
第三温度控制箱26内布置HCl定量器25，第三温度控制箱26内温度控制在氯离子检测仪24的最佳工作温度范围内，具体为15～25℃。
供液系统由吸收液箱15、电动调节阀16、第一蠕动泵17与第一液体流量计18组成。吸收液箱15中装有除盐水，供液系统可稳定供应设定流速下的除盐水。液体流量计的测量误差需要达到1％以内。
来自供液系统的除盐水按一定流量进入HCl吸收器9，湿热的样品气体进入HCl吸收器9，样气中的HCl在HCl吸收器9中被捕集。一定流量的样品液体经过第二蠕动泵21、第三液体流量计22，进入HCl定量器25，剩余的液体进入废液储罐27，HCl定量器25排出的液体也进入废液储罐27。HCl定量器25中布置液位计23和氯离子检测仪24，根据液位计示数和蠕动泵设置的参数，可实时确定样品液体的流量。氯离子检测仪24能连续、稳定测量水中Cl-浓度，反应时间小于1min，样气传输通路、液体传输转移时间小于1min。
烟气采样枪中的过滤器运行一定时间后，阻力逐步增大，阻力到一定程度后用压缩空气反吹系统5清扫。
标定系统由HCl标气6、减压阀7与流量计8组成，HCl标气6经减压阀7、流量计8与HCl吸收器9相连。标定系统也可以采用将高纯氯化氢和氮气(或空气)按需要的流量比例进行连续混合。定期采用标定系统对测试系统进行标定。
测量控制系统用于实现模拟信号采集和状态信号收集、数据计算、数据显示、数据存储和检索、数据输出、数据远程联网等。
对于以下部件，可根据具体现场情况，全部或者选出其中几种部件与测量控制系统相连：第一温度控制箱4、反吹系统5、第二温度控制箱10、氧气检测仪11、抽气泵12、湿式流量计13、气体流量计14、电动调节阀16、第一蠕动泵17、第一液体流量计18、第二液体流量计19、第二蠕动泵21、第三液体流量计22、液位计23、氯离子检测仪34、第三温度控制箱26。
气体流量计14与湿式流量计13实时监测抽气泵出口的烟气体积流量Qv,烟气，并将烟气体积流量Qv,烟气传输至测量控制系统；氧气检测仪11实时监测抽气泵出口处烟气中氧气的体积浓度CO2,烟气，并将氧气的体积浓度CO2,烟气传输至测量控制系统中；氯离子检测仪24实时监测吸收液中氯离子的质量浓度CCl,液体，并将氯离子的质量浓度CCl,液体传输至测量控制系统中；液体流量计实时监测吸收液流量QV,液，并将吸收液流量QV,液传输至测量控制系统中。
测量控制系统根据烟气体积流量Qv,烟气、氯离子的质量浓度CCl,液体、吸收液流量QV,液计算烟气中HCl浓度CHCl,烟气：
CHCl,烟气＝1.028*(QV,液*CCl,液体)/QV,烟气 (1)
式中：
CHCl,烟气：烟气中HCl浓度，mg/m3；
QV,液：吸收液流量，L/h；
CCl,液体：氯离子的质量浓度，mg/L；
Qv,烟气：烟气体积流量，标态、湿基，m3/h。
也可以根据氧气的体积浓度CO2,烟气将烟气中HCl浓度CHCl,烟气折算到某氧气基准浓度下的HCl浓度，如6％氧气基准浓度下的HCl浓度。
测量原理是将烟气中的气态HCl连续地转移到水溶液中，并采用氯离子检测仪测量得出水溶液中的氯离子浓度，同时利用湿式流量计、液体流量计测量抽气流量和水流量，计算得到烟气中HCl浓度。整套装置通过测量控制系统计算、显示、控制和传输数据。
一种基于上述系统的烟气中HCl的在线测量方法，包括以下步骤：
1)烟气通过取样枪2顶部的前置过滤器1将含尘样气进行预除尘，抽取的烟气温度在120℃以上时，取样枪不需要伴热；当抽取的烟气温度低于120℃时，取样枪设置伴热系统，保证烟气温度高于120℃；如烟气中粉尘和水含量较高的工况，取样系统需要采用等速取样的形式。
2)样品气体从取样系统进入细粉尘过滤器3进一步过滤除尘，来自供液系统的除盐水按一定流量进入HCl吸收器9，湿热的样品气体进入HCl吸收器9，样气中的HCl在HCl吸收器9中被捕集。
3)一定流量的样品液体经过第二蠕动泵21、第三液体流量计22，进入HCl定量器25，HCl定量器25中布置液位计23和氯离子检测仪24，氯离子检测仪24能连续、稳定测量水中Cl-浓度。
4)样品气体从HCl吸收器9排出后，最后经过氧气检测仪11、抽气泵12、湿式流量计13、气体流量计14排到大气中。
5)烟气采样枪中的过滤器运行一定时间后，阻力逐步增大，阻力到一定程度后用压缩空气反吹系统5清扫。
6)标定系统由HCl标气6、减压阀7、流量计8组成，定期采用标定系统对测试系统进行标定。
7)测量控制系统实现模拟信号采集和状态信号收集、数据计算、数据显示、数据存储和检索、数据输出、数据远程联网等；测量控制系统根据Qv,烟气、CCl,液体、QV,液计算实际氧浓度对应的烟气HCl浓度CHCl,烟气：
CHCl,烟气＝1.028*(QV,液*CCl,液体)/QV,烟气
也可以根据CO2,烟气将CHCl,烟气折算到某氧气基准浓度下的HCl浓度，如6％氧气浓度下的HCl浓度。
本发明中通过设置HCl吸收器9，在HCl吸收器9中采用水吸收烟气中的HCl，然后将吸收后的吸收液通过蠕动泵送入HCl定量器25，由于在HCl吸收器9中存在鼓泡现象，本发明中吸收液通过第二蠕动泵送入HCl定量器25后，HCl定量器25中无气泡，仅测量测量HCl定量器25的吸收液中的氯的含量，保证测量的准确性。
本发明中通过除盐水作为吸收液，对于电厂来说除盐水很容易得到，只需要连接已有的除盐水管路就可以用于本发明中的测试系统。
与专利CN201920932991.5相比，该专利中1个小时测试一个样品，对应的是1个小时内的HCl的平均浓度，不能实现在线测量；而本发明中可以每分钟的烟气中HCl浓度的测量，数据更具有代表性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“进入”、“相连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种烟气中HCl的在线测量方法，其特征在于，样品气体从取样系统进入HCl吸收器（9），供液系统中的除盐水进入HCl吸收器（9）中，样品气体中的HCl在HCl吸收器（9）中被捕集后的样品液体经过第二蠕动泵（21）进入氯离子检测仪（24），测量水中Cl-浓度，并将Cl-浓度数据发送给测量控制系统，HCl吸收器（9）中的样品气体经过氧气检测仪（11）、抽气泵（12）、湿式流量计（13）与气体流量计（14）排出；根据下式计算烟气中HCl浓度CHCl,烟气：
式中：
CHCl,烟气：烟气中HCl浓度；
QV,液：吸收液流量；
CCl,液体：氯离子的质量浓度；
Qv,烟气：烟气体积流量；
该方法采用的烟气中HCl的在线测量系统，包括取样系统、HCl吸收器（9）、HCl定量器（25）、供液系统和测量控制系统；取样系统、HCl吸收器（9）、HCl定量器（25）以及供液系统均与测量控制系统相连，其中，取样系统与HCl吸收器（9）气体入口相连，供液系统与HCl吸收器（9）液体入口相连，HCl吸收器（9）气体出口与抽气泵（12）相连，HCl吸收器（9）液体出口经第二蠕动泵（21）与HCl定量器（25）相连；HCl定量器（25）中布置有氯离子检测仪（24）；HCl吸收器（9）为填料塔；HCl定量器（25）中布置有液位计（23）；吸收液箱（15）中装有除盐水，取样枪（2）上设置有伴热系统；
HCl吸收器（9）气体出口经氧气检测仪（11）、抽气泵（12）、湿式流量计（13）与气体流量计（14）相连；
取样系统包括取样枪（2）、前置过滤器（1）与热电偶，其中，取样枪（2）入口设置前置过滤器（1），取样枪（2）一侧设置有热电偶；
细粉尘过滤器（3）设置在温度为130~180℃的第一温度控制箱（4）内；HCl定量器（25）设置在温度为15~25℃的第三温度控制箱（26）内；第二蠕动泵（21）经第三液体流量计（22）与HCl定量器（25）相连，取样枪（2）还与压缩空气反吹系统（5）相连；
该方法能够实现每分钟的烟气中HCl浓度的测量。
2.根据权利要求1所述的一种烟气中HCl的在线测量方法，其特征在于，取样枪（2）内置石英管或玻璃管，取样枪（2）出口经细粉尘过滤器（3）与HCl吸收器（9）相连。
3.根据权利要求1所述的一种烟气中HCl的在线测量方法，其特征在于，供液系统包括吸收液箱（15）、电动调节阀（16）、第一蠕动泵（17）与第一液体流量计（18），吸收液箱（15）出口经电动调节阀（16）、第一蠕动泵（17）、第一液体流量计（18）与HCl吸收器（9）相连。
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