CN112394013B - 一种工业源排放的气溶胶前体物在线测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环保技术领域，具体为一种工业源排放的气溶胶前体物在线测量系统及方法。本发明系统分为三个部分：在线测量部分、管道清扫部分、自动控制部分；具体包括：颗粒物过滤器，高温进气管，2个洗涤液罐，抽气泵，冷却水泵、2个洗涤液泵，冷凝器，冲击瓶，冷却水仪，盐度测量仪，液体流量计，气体流量计，氮气钢瓶，以及连接管路、控制阀门和计算机控制程序等；在线测量部分测得工业源排放的气溶胶前体物浓度Cg；在完成一次测量后，由管道清扫部分对管路进行清洗，去除残留有机物和无机物；自动控制部分由计算机通过控制程序控制系统的工作过程。本发明系统占地面积小，投资费用低，维护简便，改造方便，适用性强。

Description

一种工业源排放的气溶胶前体物在线测量系统及方法
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及工业源排放特别是固定源外排烟气气溶胶前体物在线测量系统及方法。
背景技术
很多气溶胶前体物在烟囱中呈气态，外排进入环境空气后冷凝形成PM2.5（以无机盐为主），使目前颗粒物实际排放量被严重低估。
目前，固定源主要通过CEMS检测外排烟气固态颗粒物排放情况，但无法检测烟气中气溶胶前体物，因此本发明对工业源排放的气溶胶前体物浓度检测具有重大现实意义，同时为“后超低排放时代”颗粒物排放检测提供技术支撑。
发明内容
为了更加便捷、高效、准确、实时的检测源排气溶胶前体物浓度，从而准确检测源排放颗粒物浓度，同时克服现有离线检测设备笨重，采样繁琐，后续分析复杂、分析结果滞后的问题。本发明提供了一种工业源排放的气溶胶前体物在线检测系统及方法。
本发明提供的工业源排放的气溶胶前体物自动检测系统，参见图1所示，该系统分为三个部分：在线测量部分、管道清扫部分、自动控制部分；具体包括：
与烟囱1相连的是颗粒物过滤器2，用于过滤烟囱1中输送过来的烟气中固态颗粒物；
与过滤器2相连的进气管3，使过饱和高温烟气进入冷凝器之前始终保持气态；
与进气管3相连的冷凝器9，用于快速降低从进气管3过来高温烟气温度，使含盐液滴冷凝析出；
与冷凝器9上口相连的冲击瓶10，该冲击瓶10一方面使烟气温度进一步降低，另一方面使冷凝析出的液滴在惯性力的作用下，冷凝液滴富集到冲击瓶底部并流进盐度测量仪；
与冷凝器9上口相连的氮气钢瓶16，氮气钢瓶16内盛放氮气，用于对管路吹扫、干燥；
与冲击瓶10相连的冷却水仪11，用于冷却水降温，使冷却水温度在0-30℃范围内可调；
与冲击瓶10底部相连的盐度测量仪12，用于测量冷凝液的盐度；
与盐度测量仪12相连的液体流量计13，用于测量冷凝液的流量；
与冲击瓶10上部连接的气体流量计14，用于测量烟气的流量；
与气体流量计14相连的抽气泵15，用于为抽取烟气提供动力；
W2洗涤液罐4，用于盛放W2洗涤液，W2洗涤液为易挥发性的有机溶剂，用于去除管路中残留的有机盐；
W3洗涤液罐5，用于盛放W3洗涤液，W3洗涤液为去离子水，用于去除管路中残留的无机盐；
与W2洗涤液罐4相连的W2洗涤液泵7，用于抽取W2洗涤液依次进入高温进气管竖直段（DF段）、冷凝器管程、冲击瓶和盐度测量仪管程，去除残留在管壁的有机盐分；
与W3洗涤液罐5相连的W3洗涤液泵8，用于抽取W3洗涤液依次进入高温进气管竖直段（DF段）、冷凝器管程、冲击瓶和盐度测量仪管程，去除残留在管壁的有机盐分；
与冷凝器9相连的冷却水泵6，用于将冷却水仪11中的冷却水泵入冷凝器9壳程下部的入水口，为冷凝器壳程提供冷却水。
系统管路上还设置V1阀门—V5阀门；这些阀门均为电磁阀；其中：
V1阀门18连接在管路BC上，管路BC为进气管3 上引出的管路，B为管路BC与进气管3的连结点；V1阀门18用于控制管路BC是否为通路，即控制烟气是否可以返回烟囱。
V2阀门19设置在进气管3的管路BD段上，D为进气管3与冷凝器9上方连通管的连结点，V2阀门19用于控制管路BD是否为通路，即控制高温烟气是否可以进入冷凝器9。
V3阀门20设置在管路DF上，F为冷凝器9上方与 W2洗涤液罐、W3洗涤液罐进液管路的交汇点，V3阀门20用于控制管道DF是否为通路，即控制洗涤液是否可以流进管道DF、冷凝器9以及之后的管路。
V4阀门21设置在管路DG上，G为进气管3与氮气钢瓶16出口的连结点，V4阀门21用于控制管道DG是否为通路，即控制氮气是否可以用于对冷凝管路吹扫干燥。
V5阀门22设置在盐度测量仪12与液体流量计13之间，靠近盐度测量仪12出水口处，用于控制排液管路是否为通路，即控制冷凝液和洗涤液是否可以流出管道。
还包括计算机，计算机通过控制程序和控制面板控制检测系统的工作过程。
基于上述装置，本发明的工业源排放的气溶胶前体物自动检测的方法，具体步骤如下：
（一）在线测量：在抽气泵15的作用下，烟囱1中过饱和高温烟气经过颗粒物过滤器2过滤，烟气中颗粒物被去除，然后进入进气管3，控制进气管3管壁温度为120-130℃（优选125℃），使烟气保持气态，不在管路中附着残留；过饱和高温烟气进入冷凝器9，经过冷凝后，温度烟气迅速降低，气体在冷凝器中冷凝形成液滴，液滴进入冲击瓶10，在进入冲击瓶10的过程中，烟气温度进一步降低，液滴粒径进一步增加，在惯性力作用下，液滴被冲击瓶捕集在瓶底富集，并流进盐度测量仪12，得到盐度值；测量完盐度的液体经液体流量计13，得到液体流量值，然后排出；与此同时，气体夹带极少量液体从冲击瓶10上部的排气口流出经气体流量计11，得到气体流量值，气体由抽气泵15抽气排出；
工业源排放的气溶胶前体物浓度Cg的计算公式为：Cg=K*(Vw*Cw)/Vg；其中，Vw为冷凝液体积读数（测量值），Cw为冷凝液盐度Cw（测量值），Vg为气体抽取体积读数（测量值），K为经验常数；
（二）管道清洗：当盐度测量仪12完成对冷凝液盐度一次测量后，W2洗涤液泵7工作，将W2洗涤液罐4中W2洗涤液抽进管路，并完成对管路的清洗，W2洗涤液是一种易挥发性的有机溶剂，可去除管路中残留的有机盐，清洗一段时间后W2洗涤液泵7停止工作；然后W3洗涤液泵8工作，抽取W3洗涤液罐中的W3洗涤液进入管路，对管路进行清洗，洗涤液W3是去离子水，可去除管路中残留的无机盐，清洗一段时间后，W3洗涤液泵8停止工作；W2洗涤液和W3洗涤液均从冲击瓶10底部，流经盐度测量仪12、液体流量计13后排出；然后V4阀门21开启，氮气钢瓶16中氮气进入管路，对洗涤后潮湿的管路吹扫干燥，一段时间后V4阀门21关闭。
本发明中，计算机通过控制程序控制冷却水泵6、W2洗涤液泵7、W3洗涤液泵8、抽气泵15的工作，控制V1阀门-V5的开启或关闭；具体控制过程为：
当加热管温度上升并保持在120-130℃（优选125℃）时，打开V2阀门19，关闭V1阀门18；然后，开启抽气泵15，同时也开启冷却水泵6，将冷却水仪11中的冷却水抽进冷凝器壳程；当冷凝水在盐度测量仪12中富集并到达一定高度时，盐度测量仪12可以准确测量冷凝水盐度；抽气泵15停止工作，关闭V2阀门19，关闭V1阀门18，打开V5阀门22，使盐度测量仪12的冷凝水经液体流量计13后排出；然后开启V3阀门20，开启W2洗涤液泵7，从W2洗涤液罐4抽取洗涤液W2进入管路，对管路清洗，清洗后的液体经冲击瓶10、盐度测量仪12和液体流量计13后排出；然后开启W3洗涤液泵8，从W3洗涤液罐4抽取W3洗涤液进入管路，对管路清洗，清洗后的液体同样经冲击瓶10、盐度测量仪12和液体流量计13后排出；然后关闭V3阀门20；随后开启V4阀门21，氮气钢瓶16中的氮气对管路进行吹扫，吹扫完成后，关闭V4阀门21、V5阀门22、V1阀门18，开启V2阀门19，为下一轮烟气气溶胶前体物在线测量做准备。
本发明中，所述颗粒物过滤器2对颗粒物的过滤效率在99%以上，且在抽气泵不工作时，过滤器可对滤膜自行更换清洗。
本发明中，所述进气管2的温度始终保持在120-130℃（优选125℃），有效防止气态烟气在管路中冷凝附着。
本发明中，所述冷凝器9，冷却水在冷却水泵6抽进冷凝器下部的壳程进口，然后由冷凝器上部的壳程出口流出，进入冷却水仪11，过饱和高温烟气在冷凝器中温度迅速降低，并且冷凝后有液滴析出。
本发明中，所述冲击瓶10与冷凝器9的冷凝气体出口串联，长大的液滴在惯性力的作用下，富集在冲击瓶的底部，并流进盐度测量仪12；在冲击瓶的上部还有一个气体出口，与气体流量计14和抽气泵15相连。
本发明中，所述冷却水仪11中的冷却水温度在0-30℃内可调。
本发明中，所述的气体流量计14和液体流量计13可以准确测量介质流量和液体流量，并将具体数值反馈到自动控制面板中。
本发明中，对管路进行清洗时，W2洗涤液泵和W3洗涤液泵的开启时间为8-12 min，根据不同排放源可作具体调整。
本发明中，用吹扫管路时，控制氮气的流量为8-12 L/min，根据不同排放源可作具体调整。
本发明中，W2洗涤液优选为甲醇溶液。
本发明的控制系统，可以通过控制冷却水泵6、W2洗涤液泵7和W3洗涤液泵8，调节抽取流量大小和抽取时间。
本发明的控制系统，包括手动和自动两套操控系统，随时可进行手动和自动操作切换。
本发明的方法特点如下：
（1）相对于传统的称量法或滴定法，本方法可快速检测出烟气的盐度，平均1小时内可完成1次工业源排放的气溶胶前体物检测；
（2）可自动检测工业源排放的气溶胶前体物浓度，实现工业源排放的气溶胶前体物浓度的在线检测；
（3）本装置可直接串联于现有烟气测量装置后面，改造性强。
本发明的装置及控制系统特点如下：
（1）本装置的占地面积小，安装简便，维护成本低；
（2）每次测量完成后，本装置可自动对管道进行清洗吹扫，防止对下一轮测量造成干扰；
（3）本装置可实时记录测量数据，并将数据与上位机连接，做到远程监控。
附图说明
图1工业源排放的气溶胶前体物在线测量系统图示。
图中标号：1为烟囱，2为颗粒物过滤器，3为进气管，4为W2洗涤液罐，5为W3洗涤液罐，6为冷却水泵，7为W2洗涤液泵，8为W3洗涤液泵，9为冷凝器；10为冲击瓶；11为冷却水仪；12为盐度测量仪；13为液体流量计；14为气体流量计；15为抽气泵；16为氮气钢瓶；17为计算机，18为V1阀门，19为V2阀门，20为V3阀门，21为V4阀门，22为V5阀门。
具体实施方式
下面结合本发明在某燃煤电厂现场测试，对其做进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1所示，一种工业源排放的气溶胶前体物自动检测系统，包括：颗粒物过滤器2；3.高温进气管3；W2洗涤液罐4；W3洗涤液罐5；冷却水泵6；W2洗涤液泵7；W2洗涤液泵8；冷凝器9；冲击瓶10；冷却水仪11；盐度测量仪12；液体流量计13；气体流量计14；抽气泵15；氮气钢瓶16；计算机17；V1阀门 18；V2阀门 19；V3阀门 20 ；V4阀门 21；V5阀门 22。
本发明的技术构思如下：
在抽气泵的作用下，烟囱中过饱和高温烟气经颗粒物过滤器后，烟气中的颗粒物被去除，然后进入管壁温度为125℃的进气管，高温进气管使烟气保持气态，不在管路中附着残留。过饱和高温烟气进入冷凝器后，温度迅速降低，气溶胶前体物会迅速溶解于液滴中，形成盐分。冷凝器是一个管壳式换热器，过饱和高温烟气走冷凝器管程，冷却液体走冷凝器壳程。冷却液体在冷却水泵6的作用下，将冷却水仪中的冷水抽进冷凝器下部的壳程进口，从上部的壳程出口流出后进入冷却水仪；气体在冷凝器中冷凝形成液滴进入冲击瓶，在进入冲击瓶的过程中，烟气温度进一步降低，液滴粒径进一步增加，在惯性力作用下，液滴在冲击瓶的底部聚集并流进盐度测量仪，测量完盐度的冷凝液经液体流量计后排出。与此同时，气体夹带极少量液体从冲击瓶上部的排气口流出经流量计和抽气泵后排出。
当盐度测量仪完成对冷凝液盐度的一次测量后，在W2洗涤液泵作用下，W2洗涤液被抽进管路，并完成对管路的清洗，清洗一定时间后，W2洗涤液泵停止工作。然后W3洗涤液泵抽取W3洗涤液进入管路，对管路进行清洗，清洗一段时间后，W2洗涤液泵停止工作。W2洗涤液和W 3洗涤液均从冲击瓶底部，流经盐度测量仪、液体流量计后排出；然后V4阀门开启，氮气进入管路，对洗涤后潮湿的管路进行清洗，使管路干燥，吹扫一定时间后V4阀门关闭。为下一轮的测试做准备。
本发明中，进气管温度可保持在125℃左右。
本发明中，冷却水仪中冷却水的温度在0-30℃范围内可调。
本发明中，抽气泵的流量在0-30L/min的范围内可调。
本发明中，W2洗涤液主要使去除管路中可能残留的有机盐，W3洗涤液主要去除管路中可能残留的无机盐，防止对下一轮的测量造成干扰；且清洗时间和液体泵抽取液体的功率可调节。
本发明中，冲击瓶对气体中冷凝液滴的分离效率在90%以上。
本发明中，只需要50ml的冷凝液，盐度测量仪准确测量冷凝液盐度。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种工业源排放的气溶胶前体物自动检测方法，其特征在于，基于一种工业源排放的气溶胶前体物自动检测系统，该系统分为三个部分：在线测量部分、管道清扫部分、自动控制部分；具体包括：
与烟囱（1）相连的是颗粒物过滤器（2），用于过滤烟囱（1）中输送过来的烟气中固态颗粒物；
与颗粒物过滤器（2）相连的进气管（3），使过饱和高温烟气进入冷凝器之前始终保持气态；
与进气管（3）相连的冷凝器（9），用于快速降低从进气管（3）过来的高温烟气温度，使含盐液滴冷凝析出；
与冷凝器（9）上口相连的冲击瓶（10），该冲击瓶（10）一方面使烟气温度进一步降低，另一方面使冷凝析出的液滴在惯性力的作用下，冷凝液滴富集到冲击瓶底部并流进盐度测量仪；
与冷凝器（9）上口相连的氮气钢瓶（16），氮气钢瓶（16）内盛放氮气，用于对管路吹扫、干燥；
与冲击瓶（10）相连的冷却水仪（11），用于冷却水降温，使冷却水温度在0-30℃范围内可调；
与冲击瓶（10）底部相连的盐度测量仪（12），用于测量冷凝液的盐度；
与盐度测量仪（12）相连的液体流量计（13），用于测量冷凝液的流量；
与冲击瓶（10）上部连接的气体流量计（14），用于测量烟气的流量；
与气体流量计（14）相连的抽气泵（15），用于为抽取烟气提供动力；
W2洗涤液罐（4），用于盛放W2洗涤液，W2洗涤液为易挥发性的有机溶剂，用于去除管路中残留的有机盐；
W3洗涤液罐（5），用于盛放W3洗涤液，W3洗涤液为去离子水，用于去除管路中残留的无机盐；
与W2洗涤液罐（4）相连的W2洗涤液泵（7），用于抽取W2洗涤液依次进入高温进气管竖直段DF段、冷凝器管程、冲击瓶和盐度测量仪管程，去除残留在管壁的有机盐分；
与W3洗涤液罐（5）相连的W3洗涤液泵（8），用于抽取W3洗涤液依次进入高温进气管竖直段DF段、冷凝器管程、冲击瓶和盐度测量仪管程，去除残留在管壁的有机盐分；
与冷凝器（9）相连的冷却水泵（6），用于将冷却水仪（11）中的冷却水泵入冷凝器（9）壳程下部的入水口，为冷凝器壳程提供冷却水；
系统管路上还设置V1—V5阀门；V1—V5阀门均为电磁阀；其中：
V1阀门（18）连接在管路BC上，管路BC为进气管（3）上引出的管路，B为管路BC与进气管（3）的连结点；V1阀门（18）用于控制管路BC是否为通路，即控制烟气是否可以返回烟囱；
V2阀门（19）设置在进气管（3）的管路BD段上，D为进气管（3）与冷凝器（9）上方连通管的连结点，V2阀门（19） 用于控制管路BD是否为通路，即控制高温烟气是否可以进入冷凝器（9）；
V3阀门（20）设置在管路DF上，F为冷凝器（9）上方与 W2洗涤液罐、W3洗涤液罐进液管路的交汇点，V3阀门（20）用于控制管道DF是否为通路，即控制洗涤液是否可以流进管道DF、冷凝器（9）以及之后的管路；
V4阀门（21）设置在管路DG上，G为进气管（3）与氮气钢瓶（16）出口的连结点，V4阀门（21）用于控制管道DG是否为通路，即控制氮气是否可以用于对冷凝管路吹扫干燥；
V5阀门（22）设置在盐度测量仪（12）与液体流量计（13）之间，靠近盐度测量仪（12）出水口处，用于控制排液管路是否为通路，即控制冷凝液和洗涤液是否可以流出管道；
还包括计算机，计算机通过控制程序和控制面板控制检测系统的工作过程；
该方法具体步骤为：
（一）在线测量：在抽气泵（15）的作用下，烟囱（1）中过饱和高温烟气经过颗粒物过滤器（2）过滤，烟气中颗粒物被去除，然后进入进气管（3），控制进气管（3）管壁温度为120-130℃，使烟气保持气态，不在管路中附着残留；过饱和高温烟气进入冷凝器（9），经过冷凝后，温度烟气迅速降低，气体在冷凝器中冷凝形成液滴，液滴进入冲击瓶（10），在进入冲击瓶（10）的过程中，烟气温度进一步降低，液滴粒径进一步增加，在惯性力作用下，液滴被冲击瓶捕集在瓶底富集，并流进盐度测量仪（12），得到盐度值；测量完盐度的液体经液体流量计（13），得到液体流量值，然后排出；与此同时，气体夹带极少量液体从冲击瓶（10）上部的排气口流出经气体流量计（14），得到气体流量值，气体由抽气泵（15）抽气排出；
工业源排放的气溶胶前体物浓度Cg的计算公式为：Cg=K*(Vw*Cw)/Vg；其中，Vw为冷凝液体积读数，Cw为冷凝液盐度读数，Vg为气体抽取体积读数，K为经验常数；
（二）管道清洗：当盐度测量仪（12）完成对冷凝液盐度一次测量后，W2洗涤液泵（7）工作，将W2洗涤液罐（4）中W2洗涤液抽进管路，并完成对管路的清洗；清洗一段时间后W2洗涤液泵（7）停止工作；然后W3洗涤液泵（8）工作，抽取W3洗涤液罐中的W3洗涤液进入管路，对管路进行清洗，清洗一段时间后，W3洗涤液泵（8）停止工作；W2洗涤液和W 3洗涤液均从冲击瓶（10）底部，流经盐度测量仪（12）、液体流量计（13）后排出；然后V4阀门（21）开启，氮气钢瓶（16）中氮气进入管路，对洗涤后潮湿的管路吹扫干燥，一段时间后V4阀门（21）关闭。
2.根据权利要求1所述的工业源排放的气溶胶前体物自动检测方法，其特征在于，计算机通过控制程序控制冷却水泵（6）、W2洗涤液泵（7）、W3洗涤液泵（8）、抽气泵（15）的工作，控制V1阀门-V5阀门的开启或关闭；具体控制过程为：
当加热管温度上升并保持在120-130℃时，打开V2阀门（19），关闭V1阀门（18）；然后，开启抽气泵（15），同时也开启冷却水泵（6），将冷却水仪（11）中的冷却水抽进冷凝器（9）壳程；当冷凝水在盐度测量仪（12）中富集并到达一定高度时，盐度测量仪（12）可以准确测量冷凝水盐度；抽气泵（15）停止工作，关闭V2阀门（19），关闭V1阀门（18），打开V5阀门（22），使盐度测量仪（12）的冷凝水经液体流量计（13）后排出；然后开启V3阀门（20），开启W2洗涤液泵（7），从W2洗涤液罐（4）抽取洗涤液W2进入管路，对管路清洗，清洗后的液体经冲击瓶（10）、盐度测量仪（12）和液体流量计（13）后排出；然后开启W3洗涤液泵（8），从W3洗涤液罐（5）抽取W3洗涤液进入管路，对管路清洗，清洗后的液体同样经冲击瓶（10）、盐度测量仪（12）和液体流量计（13）后排出；然后关闭V3阀门（20）；随后开启V4阀门（21），氮气钢瓶（16）中的氮气对管路进行吹扫，吹扫完成后，关闭V4阀门（21）、V5阀门（22）、V1阀门（18），开启V2阀门（19），为下一轮烟气气溶胶前体物在线测量做准备。
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