CN112710629A - 一种烟气碱金属含量在线检测的装置及方法 - Google Patents

一种烟气碱金属含量在线检测的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于检测设备技术领域，为解决高钠煤、生物质及垃圾燃烧中碱金属排放检测困难、无法定量测试的难题，本发明提供一种烟气碱金属含量在线检测的装置及方法，燃烧器的底端设置有旋流冷气进口，旋流冷气沿着旋流冷气进口，通过离心力的作用分层；TDLAS检测系统包括光电传感器和激光器，光电传感器和激光器分别安装在燃烧器的侧壁上，通过激光器输出波长随工作温度及注入电流的调谐特性锁定碱金属的吸收谱线，并通过碱金属发生特征吸收引起的光强变化检测碱金属的浓度，实现对碱金属蒸气的实时检测。通过旋流冷壁燃烧器的加温实现碱金属的原子化，并通过TDLAS检测系统在线检测碱金属浓度。有助于提升烟气中碱金属浓度的在线检测效率。

Description

一种烟气碱金属含量在线检测的装置及方法
技术领域
本发明属于检测设备技术领域，具体涉及一种烟气碱金属含量在线检测的方法及设备，特别涉及高钠煤、生物质及垃圾衍生物等燃料燃烧时产生的高温烟气中，钠、钾碱金属成分的在线检测的装置及方法。
背景技术
在高钠煤，生物质及垃圾衍生物燃料中含有大量的碱金属成分，主要以钠和钾元素为主。例如，我国新疆发现的高储量准东煤煤种钠含量大于2％。而生物质燃料中玉米秸秆、棉杆和稻草均为富钾生物质燃料，钾元素含量大于1％。
在这些燃料燃烧或气化过程中，钾钠元素很快会以气相形式蒸发会发转移到烟气中，在烟气冷却过程中钾钠碱金属盐会附着在换热器表面造成换热面沾污，会引起换热器的严重腐蚀并大大降低换热器换热效率。另一方面，碱金属气相冷凝物也是烟气中大气气溶胶的重要前驱物和重要组成部分。为了克服高钠煤，生物质及垃圾衍生物燃料燃烧时的烟气中碱金属带来的结渣、积灰、腐蚀及微细颗粒物排放等危害，烟气中碱金属的在线监测技术对于实际燃烧设备的运行和检测具有重要意义。
钾钠碱金属的气相浓度测量目前已发展了基于火焰/石墨炉原子吸收光谱法、激光诱导击穿光谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等分析方法。这些方法主要用于离线测试，需要对采集的样品进行前处理，无法有效应用于在线测试。(201510253375.3)公开了一种直接采用火焰发射光谱分析在线检测锅炉火焰中气相碱金属浓度的方法，采用便携式光纤光谱仪测量了火焰对象的辐射光谱，结合碱金属特征谱线辐射强度关于火焰温度、气相碱金属浓度的拟合模型及实验标定的拟合系数得到火焰中气相金属的浓度。然而该专利存在的技术困难是碱金属发生火焰不够稳定，无法进行可控的定量测试，因此，如何研发一种烟气中碱金属浓度的在线检测方法及设备，解决高钠煤、生物质及垃圾燃烧中碱金属排放检测困难、无法定量测试的难题，具有重要的现实意义。
发明内容
针对实际的应用需求，本发明的目的在于提供一种烟气中碱金属浓度的在线检测方法及设备，有助于提升烟气中碱金属浓度的在线检测能力，解决高钠煤、生物质及垃圾燃烧中碱金属排放检测困难、无法定量测试的难题。
本发明采取的技术方案为：
一种烟气碱金属含量在线检测的装置，其特征在于，包括燃烧器，所述燃烧器设置为旋流冷壁燃烧器，燃烧器的底端设置有旋流冷气进口，旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内；燃烧器上还设置有燃料气体入口，燃料气体沿着燃料气体入口进入燃烧器内，密度不同的冷热气体在离心力的作用下发生分层。
对于温度较低的气体，由于密度更大受到更大的离心力而更接近燃烧器壁面，使得温度较高的气体集中于燃烧器的中心，使燃烧器壁面得到很好的保护。在多次实验中发现，燃烧器内火焰区温度高达1500℃时，燃烧器壁面温度能被控制在100℃以内。因此该燃烧器由于其结构特点能对燃烧器本身形成有效的保护，且在离心力的作用下火焰结构稳定，有利于后续的观察和测量，具有明显的结构优势；
进一步的，所述旋流冷壁燃烧器设置有旋流冷气进口，旋流冷气进口沿着与旋流冷壁燃烧器的外侧壁相切的方式排布，其沿着旋流冷壁燃烧器的外侧壁切线方向向外凸出延伸设置，旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内。
旋流冷气、燃料气体分别沿着旋流冷气进口和燃料气体入口相切旋入旋流冷壁燃烧器，冷热气体由于密度不同，在离心力的作用下发生分层。对于温度较低的气体，由于密度更大受到更大的离心力而更接近燃烧器壁面，使得温度较高的气体集中于燃烧器的中心，使燃烧器壁面得到很好的保护，且在离心力的作用下火焰结构稳定，有利于后续的观察和测量，具有明显的结构优势。
进一步的，所述旋流冷壁燃烧器的端部设置为旋风筒体结构，旋流冷壁燃烧器的中部设置有燃烧加热腔室，燃烧加热腔室延伸设置为中空圆柱体式结构，旋流冷气进口沿着燃烧加热腔室的顶端外侧壁呈顺时针等间距排布设置数个。
进一步的，还设置有水洗槽，旋流冷壁燃烧器的底部延伸至水洗槽内，水洗槽的上端连接真空泵，通过真空泵对水洗槽内抽真空。
进一步的，所述激光器设置为调制半导体激光器，该激光器具有体积小，重量轻；驱动功率和电流较低；效率高、工作寿命长；可直接电调制；易于与各种光电子器件实现光电子集成；与半导体制造技术兼容；可大批量生产的优点。
所述TDLAS检测系统，即可调谐半导体激光器检测技术(Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy)，该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对很难分辨的分子吸收线进行测量。
其主要结构包括光电传感器和激光器，光电传感器和激光器分别安装在燃烧器的侧壁上，通过激光器输出波长随工作温度及注入电流的调谐特性锁定碱金属的吸收谱线，并通过碱金属发生特征吸收引起的光强变化检测碱金属的浓度，通过光电传感器实现对碱金属蒸气的实时检测。
一种烟气碱金属含量在线检测的方法，采用所述一种烟气碱金属含量在线检测的装置，具体包括如下步骤：
(1)烟气进行预处理：旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内；燃料气体沿着燃料气体入口切向进入燃烧器内；
(2)烟气中碱金属的原子化：燃烧器工作时，通过旋流气体形成的离心力的作用，烟气被旋流分层，燃烧加热腔室内通过高温火焰实现烟气中碱金属的原子化；
(3)检测：通过半导体激光器输出波长随工作温度及注入电流的调谐特性锁定碱金属的吸收谱线，通过光电传感器利用碱金属发生特征吸收引起的光强变化来检测碱金属的浓度，实现对碱金属蒸气的实时检测；
(4)烟气吸收：烟气在经过检测后，通过进入到水洗槽中，通过水洗去除气体中的有害成分后排放。
本发明的有益效果为：
本发明公开了一种烟气碱金属含量在线检测方法及设备，通过旋流冷壁燃烧器的加温实现碱金属的原子化，并通过TDLAS检测系统在线检测碱金属浓度。上述的燃烧器和检测系统均具有明显的结构和机理优势，燃烧器的通过顶端设置的旋流冷气进口，气体沿着旋流进口切向进入燃烧器内，在离心力的作用下发生分层，使燃烧器壁面得到很好的保护，且在离心力的作用下火焰结构稳定，有利于后续的观察和测量。而TDLAS技术具有高选择性、高分辨率、方便的改成测量其它组分的仪器、速度快、灵敏度高的优点。有助于提升烟气中碱金属浓度的在线检测效率，解决高钠煤、生物质及垃圾燃烧中碱金属排放检测困难、无法定量测试的难题。
TDLAS检测系统主要优势在于：
(1)高选择性，高分辨率，由于分子光谱的“指纹”特征，它不受其它气体的干扰。这一特性与其它方法相比有明显的优势。
(2)它是一种对所有在红外有吸收的活跃分子都有效的通用技术，同样的仪器可以方便的改成测量其它组分的仪器，只需要改变激光器和标准气。由于这个特点，很容易就能将其改成同时测量多组分的仪器。
(3)它具有速度快，灵敏度高的优点。在不失灵敏度的情况下，其时间分辨率可以在ms量级。
附图说明
图1为本发明中烟气碱金属含量在线检测设备结构示意图；
图2为本发明中旋流冷壁燃烧器的俯视图；
图3为本发明中旋流冷壁燃烧器的侧视图；
其中，1、光电传感器；2、旋流冷壁燃烧器；3、激光器；4、TDLAS检测系统；5、真空泵；6、水洗槽；7、冷气旋流入口；8、燃料气体入口；9、燃烧加热腔室。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
实施例1
如图1、图2和图3所示，一种烟气碱金属含量在线检测的装置，其特征在于，包括燃烧器，所述燃烧器设置为旋流冷壁燃烧器，燃烧器的底端设置有旋流冷气进口，旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内；燃烧器上还设置有燃料气体入口，燃料气体沿着燃料气体入口进入燃烧器内，密度不同的冷热气体在离心力的作用下发生分层。
还设置有水洗槽，旋流冷壁燃烧器的底部延伸至水洗槽内，水洗槽的上端连接真空泵，通过真空泵对水洗槽内抽真空。
旋流冷壁燃烧器结构示意图如图2和图3所示，该燃烧器的主要结构在于在圆柱状燃烧器的底端设置有4个旋流冷气切向进口，旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内。冷热气体由于密度不同，在离心力的作用下发生分层。对于温度较低的气体，由于密度更大受到更大的离心力而更接近燃烧器壁面，使得温度较高的气体集中于燃烧器的中心，使燃烧器壁面得到很好的保护。在多次实验中发现，燃烧器内火焰区温度高达1500℃时，燃烧器壁面温度能被控制在100℃以内。因此该燃烧器由于其结构特点能对燃烧器本身形成有效的保护，且在离心力的作用下火焰结构稳定，有利于后续的观察和测量，具有明显的结构优势。
所述TDLAS检测系统，即可调谐半导体激光器检测技术(Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy)，该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对很难分辨的分子吸收线进行测量。
烟气碱金属含量在线检测设备结构示意图如图1所示，通过该旋流燃烧器的高温火焰实现了烟气中碱金属的原子化，并通过可调谐半导体激光吸收光谱检测技术(TDLAS)进行碱金属浓度检测，其结构主要包括光电传感器和半导体激光器，光电传感器和激光器分别安装在燃烧器的侧壁上，通过激光器输出波长随工作温度及注入电流的调谐特性锁定碱金属的吸收谱线，并通过碱金属发生特征吸收引起的光强变化检测碱金属的浓度，实现对碱金属蒸气的实时检测。
本发明是基于碱金属的特征吸收谱线来进行碱金属的浓度检测，采用调制半导体激光器，使得激光波长可以扫描通过与碱金属吸收特征谱线相对应的波长区间，通过检测吸收后的激光强度即可计算光程中的碱金属浓度。由于本方法是基于光吸收路径的测量技术，相对于发射光谱技术而言，测量的结果更具有代表意义。
本发明的又一实施例，如图2和图3所示，所述旋流冷壁燃烧器设置有旋流冷气进口，旋流冷气进口沿着与旋流冷壁燃烧器的外侧壁相切的方式排布，其沿着旋流冷壁燃烧器的外侧壁切线方向向外凸出延伸设置，旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内。
如图2和图3所示，所述旋流冷壁燃烧器设置有燃料气体入口，燃料气体入口沿着与旋流冷壁燃烧器的外侧壁相切的方式排布，其沿着旋流冷壁燃烧器的外侧壁切线方向向外凸出延伸设置，燃料气体沿着燃料气体入口切向进入燃烧器内。
旋流冷壁燃烧器的端部设置为旋风筒体结构，旋流冷壁燃烧器的中部设置有燃烧加热腔室，燃烧加热腔室延伸设置为中空圆柱体式结构，旋流冷气进口和燃料气体入口分别沿着燃烧加热腔室的顶端外侧壁呈顺时针等间距排布设置。
旋流冷气、燃料气体分别沿着旋流冷气进口和燃料气体入口相切旋入旋流冷壁燃烧器，冷热气体由于密度不同，在离心力的作用下发生分层。对于温度较低的气体，由于密度更大受到更大的离心力而更接近燃烧器壁面，使得温度较高的气体集中于燃烧器的中心，使燃烧器壁面得到很好的保护，且在离心力的作用下火焰结构稳定，有利于后续的观察和测量，具有明显的结构优势。
本发明的又一实施例，所述激光器设置为调制半导体激光器，该激光器具有体积小，重量轻；驱动功率和电流较低；效率高、工作寿命长；可直接电调制；易于与各种光电子器件实现光电子集成；与半导体制造技术兼容；可大批量生产的优点。
本发明的又一实施例，一种烟气碱金属含量在线检测的方法，采用所述一种烟气碱金属含量在线检测的装置，具体包括如下步骤：
(1)烟气进行预处理：旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内；燃料气体沿着燃料气体入口切向进入燃烧器内；
(2)烟气中碱金属的原子化：燃烧器工作时，通过旋流气体形成的离心力的作用，烟气被旋流分层，燃烧加热腔室内通过高温火焰实现烟气中碱金属的原子化；
(3)检测：通过半导体激光器输出波长随工作温度及注入电流的调谐特性锁定碱金属的吸收谱线，通过光电传感器利用碱金属发生特征吸收引起的光强变化来检测碱金属的浓度，实现对碱金属蒸气的实时检测。
(4)烟气吸收：烟气在经过检测后，通过进入到水洗槽中，通过水洗去除气体中的有害成分后排放。
旋流冷壁燃烧器布置在TDLAS检测系统的上部，这部分结构的主要作用是对烟气进行预处理，为TDLAS检测做好准备。在燃烧器工作时，由于旋流冷气形成的离心力的作用，使得气体产生分层。温度越低的气体密度越大，受到的离心力也越大，因此也越接近燃烧器的壁面并对壁面形成有效的保护。而当烟气进入燃烧器后，同样在离心力的作用下，密度更大的颗粒物会被分离到更接近壁面的位置。而密度较轻的碱金属蒸汽则被旋流冷气隔离在离壁面较远的位置，这样就能有效的防止碱金属蒸汽冷凝并黏附于燃烧器的壁面上，确保了检测结果的准确性。烟气在被旋流分层的同时，由于火焰的高温作用实现了碱金属的原子化，为下一步TDLAS检测过程的完成了准备。
在完成预处理后，气体进入到TDLAS系统所在的区域进行检测。而TDLAS技术是一种光谱吸收技术，可应用于气体分子吸收光谱的测量。通过半导体激光器输出波长随工作温度及注入电流的调谐特性来锁定碱金属的吸收谱线，并利用碱金属发生特征吸收引起的光强变化来检测碱金属的浓度，实现对碱金属蒸气的实时检测。该检测技术具有灵敏度高、响应时间短、选择性好等优势。烟气在经过检测后，会进入到水洗槽中，通过水洗去除气体中的有害成分后排放。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种烟气碱金属含量在线检测的装置，其特征在于，包括燃烧器，所述燃烧器设置为旋流冷壁燃烧器，燃烧器的底端设置有旋流冷气进口，旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内；燃烧器上还设置有燃料气体入口，燃料气体沿着燃料气体入口进入燃烧器内，密度不同的冷热气体在离心力的作用下发生分层。
2.根据权利要求1所述一种烟气碱金属含量在线检测的装置，其特征在于，所述旋流冷气进口沿着与旋流冷壁燃烧器的外侧壁相切的方式排布，其沿着旋流冷壁燃烧器的外侧壁切线方向向外凸出延伸设置，旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内。
3.根据权利要求1所述一种烟气碱金属含量在线检测的装置，其特征在于，所述旋流冷壁燃烧器的端部设置为旋风筒体结构，旋流冷壁燃烧器的中部设置有燃烧加热腔室，燃烧加热腔室延伸设置为中空圆柱体式结构，旋流冷气进口沿着燃烧加热腔室的顶端外侧壁呈顺时针等间距排布设置数个。
4.根据权利要求1所述一种烟气碱金属含量在线检测的装置，其特征在于，还设置有水洗槽，旋流冷壁燃烧器的底部延伸至水洗槽内，水洗槽的上端连接真空泵，通过真空泵对水洗槽内抽真空。
5.根据权利要求1所述一种烟气碱金属含量在线检测的装置，其特征在于，所述激光器设置为调制半导体激光器。
6.根据权利要求1所述一种烟气碱金属含量在线检测的装置，其特征在于，还设置有TDLAS检测系统，所述TDLAS检测系统包括光电传感器和激光器，光电传感器和激光器分别安装在燃烧器的侧壁上，通过激光器输出波长，通过光电传感器实现对碱金属蒸气的实时检测。
7.一种烟气碱金属含量在线检测的方法，采用权利要求1-6任意一项所述一种烟气碱金属含量在线检测的装置，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)烟气进行预处理：旋流冷气沿着旋流冷气进口切向进入燃烧器内；燃料气体沿着燃料气体入口切向进入燃烧器内；
(2)烟气中碱金属的原子化：燃烧器工作时，通过旋流气体形成的离心力的作用，烟气被旋流分层，燃烧加热腔室内通过高温火焰实现烟气中碱金属的原子化；
(3)检测：通过半导体激光器输出波长随工作温度及注入电流的调谐特性锁定碱金属的吸收谱线，通过光电传感器利用碱金属发生特征吸收引起的光强变化来检测碱金属的浓度，实现对碱金属蒸气的实时检测；
(4)烟气吸收：烟气在经过检测后，通过进入到水洗槽中，通过水洗去除气体中的有害成分后排放。
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