CN112945650B - 一种烟气取样装置及取样方法 - Google Patents

Abstract

一种烟气取样装置及取样方法，该装置由取样管道、伴热段、激冷段、收集段、分析仪和引风机组成；各部分沿烟气流向依次连接；取样管道出口连接伴热段，伴热段包括伴热管道，保护套管，以及安装在两者之间的伴热装置，伴热装置连接温控仪，保护套管外焊接有法兰；激冷段由低温泵，激冷管道和低温介质池组成；收集段由多个并列收集通道构成，每个收集通道可串联多个收集单元，每个收集单元包括了收集管道和收集装置；收集段后依次连接有分析仪和引风机。本发明还公开了该装置的取样方法；本发明能够适应不同的取样环境，满足不同的取样要求。

Description

一种烟气取样装置及取样方法

技术领域

本发明属于工业生产烟气排放领域，具体涉及一种烟气取样装置及取样方法。

背景技术

随着国家超低排放标准的进一步提出，对烟气污染物成分、含量、性质等方面的测定，能够有效指导锅炉燃烧状态的调整，进而减少污染物的生成。同时，高温烟气中颗粒物的取样，对于了解其形成机理以及应对衍生的诸如沾灰、灰沉积等问题，都具有指导意义。

然而，在烟气颗粒物取样过程中，当取样环境温度逐渐降低时，烟气中气化物会随着温度的下降，一部分通过均相成核，碰撞凝并等过程形成细微颗粒，一部分直接在已形成的飞灰颗粒表面非均相凝结，这些随气体温度降低而产生的动态的物理化学过程，直接影响了烟气颗粒物的颗粒相态；同时，烟气颗粒物本身的物理化学性质也会随环境温度的降低而产生自生性的变化，以上过程都增加了颗粒物取样结果的不确定性。另外，在烟气中大气污染物的取样过程中，通常是在烟气进入分析仪之前，设置有过滤设备，通过对飞灰等颗粒物的过滤，来减少其对于NO_x和SO₂等常规污染物取样分析的不利影响，但是过滤装置无法过滤烟气中的水汽，因而对烟气分析结果带来误差，并且会影响烟气分析仪的使用寿命。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种烟气取样的装置及取样方法，不仅能够准确地收集烟气颗粒物的样品，还能够减少烟气中水汽等其他因素对烟气分析仪所造成的不利影响，提高烟气分析结果的可靠性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种烟气取样装置，所述装置由取样管道1、伴热段、激冷段、收集段、分析仪17和引风机18组成；所述伴热段包括伴热管道2、伴热装置3和保护套管4，伴热管道2的入口与取样管道1的出口连通，伴热管道2与保护套管4之间设置伴热装置3，在保护套管4外侧面固定有法兰5，伴热管道2出口处设有流量计6和温控仪7；所述激冷段由激冷管道8、低温泵9、低温介质池10、低温泵9进出口阀门以及连接管道组成，所述激冷管道8的进口与伴热管道2的出口连通，激冷管道8的壁面设有低温介质接口，激冷管道8通过低温介质接口和低温介质管道连通低温介质池10，低温介质管道上设置有低温泵9与低温泵9进出口阀门；所述收集段包括多个并联的收集通道，多个并联的收集通道通过扩压管11与激冷管道8的出口相连通；每个收集通道入口设有挡板12，每个收集通道内均串联布置多个收集单元，所述收集单元包括收集管13、收集装置14、低温介质控制阀门15和温度计16，所述收集装置14设置在收集管13内，收集管13的壁面设置有低温介质接口，与低温介质控制阀门15连接，并通过管道连接于低温泵9的出口，用于输送低温介质到收集管13内，温度计16设置在收集管13的壁面；所述分析仪17设置在收集段下游，引风机18设置在分析仪17下游。

所述的伴热段中，伴热装置3为电伴热带或加热丝，将电伴热带或加热丝沿伴热管道2轴向分成多个部分，每个部分通过独立的温度传感器与温控仪7相连，沿烟气流向，伴热管道2的散热量依次增加，故沿烟气流向设置伴热量依次递增，使得进入激冷管道8之前的烟气温度变化小。

所述激冷段中，低温介质池10内盛有低温液态气体，通过低温泵9，对激冷管道8内烟气样品快速冷却。

所述扩压管11出口端具备多个独立接口，用于连接多个并联的收集通道，由此建立收集段多通道取样结构，实现连续取样。

所述收集单元内，收集装置14为吸附剂或不同孔径的滤网。当取样含有焦油、沥青的烟气时，采用吸附剂，实现净化进入分析仪的烟气的功能，让烟气分析更准确，也保护了烟气分析仪；不同孔径的滤网针对收集常规烟气中颗粒物时，实现多级收集功能，即能够在收取颗粒物时就把颗粒物粒径细分出来。

所述的一种烟气取样装置的烟气取样方法，包括以下步骤：

步骤1、根据取样点的位置、尺寸、烟气温度特点，选择取样管道1的材料和连接长度；基于取样需求，选择收集通道内串联收集单元的个数和收集装置14种类，设置在收集段上；

步骤2、在步骤1基础上完成烟气取样装置的组装，将烟气取样装置从烟道预设的取样口伸入并做好密封，用法兰5将烟气取样装置固定于烟道壁；

步骤3、打开温控仪7，对伴热管道2进行分段伴热；

步骤4、开启低温泵9的进出口阀门，启动低温泵9，向激冷管道8输入低温介质，同时调节各收集单元内低温介质控制阀门15开度，使低温泵9出口的部分低温介质输入到各收集管13内，保证各收集单元温度测点低于水的凝华温度，使烟气中的水汽以结晶水的形态被滤网过滤；通过低温泵9的作用将低温介质输入到激冷管道8内并通过低温泵9出入口阀门调节输入介质的流量，从而控制冷却的温度和速度；高温烟气被快速冷却，冻结了烟气中气化物均相成核，异相凝结，碰撞凝并过程，保留了颗粒物的颗粒相态，提高了颗粒物取样的准确性；

步骤5、打开流量计6，启动引风机18，采样点的烟气通过取样管道1进入烟气取样装置，打开烟气分析仪17，收集通道内布置的收集装置14收集结晶水及其他颗粒物，剩余烟气组分进入烟气分析仪17；在颗粒物取样的一个周期内，一个收集通道完成颗粒物收集后，关闭其入口处挡板12，同时开启另一个收集通道入口挡板，对关闭的收集通道内收集装置进行颗粒物收集，收集结束后，换上空白收集装置备用，进入下一个颗粒物取样周期；

步骤6、待完成烟气分析和颗粒物的连续取样后，依次关闭烟气分析仪17、引风机18、流量计6、低温泵9、温控仪7及所有阀门，通过法兰5将烟气取样装置从烟道壁取下，完成取样工作。

与现有技术相比较，本发明是有益效果是：

(1)本发明一种烟气取样装置可通过伴热段的分段伴热，确保从取样管道入口到激冷管道入口的管程内烟气温度稳定。

(2)本发明一种烟气取样装置采用低温介质对烟气快速冷却，避免烟气中气化物对颗粒物状态的影响，同时冻结了烟气颗粒物本身的物理化学性质因环境温度的降低而产生自生性的变化过程。

(3)本发明一种烟气取样装置通过在收集段接入低温介质，将烟气中的水汽凝华成结晶水，从而使烟气中水汽能够被滤网完全过滤，避免了水汽对烟气分析的不利影响。

(4)本发明一种烟气取样装置各段模块化布置，可以依据实际需要对各段拆装和更换，有效节约了实验成本；特别地，可根据收集颗粒物粒径的需要，在不同的收集单元中采用不同的滤网，或者依据实际烟气取样的需要，将收集单元中滤网替换成其他收集设备，增强了装置的灵活性，扩大了装置的使用范围。

附图说明

图1是本发明烟气取样装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明一种烟气取样装置，其特征在于：所述装置由取样管道1、伴热段、激冷段、收集段、分析仪17和引风机18组成；所述伴热段包括伴热管道2、伴热装置3和保护套管4，伴热管道2的入口与取样管道1的出口连通，伴热管道2与保护套管4之间设置伴热装置3，在保护套管4外侧面固定有法兰5，伴热管道2出口处设有流量计6和温控仪7；所述激冷段由激冷管道8、低温泵9、低温介质池10、低温泵9进出口阀门以及连接管道组成，所述激冷管道8的进口与伴热管道2的出口连通，激冷管道8的壁面设有低温介质接口，激冷管道8通过低温介质接口和低温介质管道连通低温介质池10，低温介质管道上设置有低温泵9与低温泵9进出口阀门；所述收集段包括多个并联的收集通道，多个并联的收集通道通过扩压管11与激冷管道8的出口相连通；每个收集通道入口设有挡板12，每个收集通道内均串联布置多个收集单元，所述收集单元包括收集管13、收集装置14、低温介质控制阀门15和温度计16，所述收集装置14设置在收集管13内，收集管13的壁面设置有低温介质接口，与低温介质控制阀门15连接，并通过管道连接于低温泵9的出口，用于输送低温介质到收集管13内，温度计16设置在收集管13的壁面；所述分析仪17设置在收集段下游，引风机18设置在分析仪17下游。

作为本发明的优选实施方式，所述取样管1由耐高温材料(包括但不限于钽钨合金)制成。所述伴热段中伴热装置3自烟气流向分成三个部分，如图1中的第一部分3-1、第二部分3-2和第三部分3-3，每个部分通过独立的温度传感器与温控仪7相连，各部分设置的伴热量沿烟气流向依次递增，使进入激冷管道8之前的烟气温度变化很小，激冷管道8入口处烟气温度与取样管道1入口的烟气温度的误差在千分之一度以内。激冷管道8上方设置有低温介质接口，通过低温泵9与低温介质池10(低温介质包括但不限于液氮)连接。在本优选方式中收集段采用两个收集通道结构，每个收集通道入口设有一个挡板12，每个通道可串联多个收集单元；在本优选方式中，每个收集通道选择分别装有不同孔径滤网的两个收集单元串联，收集颗粒物；每个收集单元中收集管道13的上方设置低温介质接口，通过控制低温介质控制阀门15开度，输送低温介质。

如图1所示，本发明烟气取样装置的烟气取样方法，具体采用以下步骤实施：

步骤1、根据取样点的位置、尺寸、烟气温度等特点，选择取样管道1的材料和连接长度；基于取样需求，选择收集通道内串联收集单元的个数和收集装置14种类，设置在收集段上；

步骤2、在步骤1基础上完成烟气取样装置的组装，将烟气取样装置从烟道预设的取样口伸入并做好密封，用法兰5将烟气取样装置固定于烟道壁；

步骤3、打开温控仪7，对伴热管道2进行分段伴热；

步骤4、开启低温泵9的进出口阀门，启动低温泵9，向激冷管道8输入低温介质，同时调节各收集单元内低温介质控制阀门15开度，使低温泵9出口的部分低温介质输入到各收集管13内，保证各收集单元温度测点低于水的凝华温度；

步骤5、打开流量计6，启动引风机18，采样点的烟气通过取样管道1进入烟气取样装置，打开烟气分析仪17，收集通道内布置的收集装置14可收集结晶水及其他颗粒物，剩余烟气组分进入烟气分析仪17；在颗粒物取样的一个周期内，一个收集通道完成颗粒物收集后，关闭其入口处挡板12，同时开启另一个收集通道入口挡板，对关闭的收集通道内收集装置进行颗粒物收集，收集结束后，换上空白收集装置备用，进入下一个颗粒物取样周期；

步骤6、待完成烟气分析和颗粒物的连续取样后，依次关闭烟气分析仪17、引风机18、流量计6、低温泵9、温控仪7及所有阀门，通过法兰5将烟气取样装置从烟道壁取下，完成取样工作。

本发明的工作流程及原理如下：

伴热段分成多段来实现不同环境温度下的不同控温要求。在温控仪的作用下，取样炉侧或烟道侧环境温度高，所需伴热量小，而贴近烟道壁侧因烟道壁的导热和散热，所需伴热量较大，在烟道外侧接近外界环境温度，故所需伴热量最大，分段伴热确保从取样管道入口到激冷管道入口的管程内，烟气温度与采样点处烟气温度的误差很小。

通过低温泵的作用将低温介质输入到激冷管道内并通过低温泵出入口阀门调节输入低温介质的流量，从而控制冷却的温度和速度。高温烟气被快速冷却，冻结了烟气中气化物均相成核，异相凝结，碰撞凝并等过程，保留了颗粒物的颗粒相态，提高了颗粒物取样的准确性。

通过低温介质控制阀门输入低温介质，控制收集单元的温度测定低于水的凝华温度，使烟气中的水汽以结晶水的形态被滤网过滤，过滤后的烟气再进入到烟气分析仪。

主要部件模块化布置，便于拆装及更换。可根据实际烟道的宽度和长度，以及实际烟气温度来合理选择取样管道的尺寸和材料；激冷管道内部温度变化较大，对于金属的强度要求很高，管道容易产生裂纹，变形等问题，因此可以方便及时的对该段进行更换而不影响其他部分重复使用；收集段中收集单元内，可以按照不用采样需要加装不同的收集装置。

Claims (6)

1.一种烟气取样装置，其特征在于：所述装置由取样管道(1)、伴热段、激冷段、收集段、分析仪(17)和引风机(18)组成；所述伴热段包括伴热管道(2)、伴热装置(3)和保护套管(4)，伴热管道(2)的入口与取样管道(1)的出口连通，伴热管道(2)与保护套管(4)之间设置伴热装置(3)，在保护套管(4)外侧面固定有法兰(5)，伴热管道(2)出口处设有流量计(6)和温控仪(7)；所述激冷段由激冷管道(8)、低温泵(9)、低温介质池(10)、低温泵(9)进出口阀门以及连接管道组成，所述激冷管道(8)的进口与伴热管道(2)的出口连通，激冷管道(8)的壁面设有低温介质接口，激冷管道(8)通过低温介质接口和低温介质管道连通低温介质池(10)，低温介质管道上设置有低温泵(9)与低温泵(9)进出口阀门；所述收集段包括多个并联的收集通道，多个并联的收集通道通过扩压管(11)与激冷管道(8)的出口相连通；每个收集通道入口设有挡板(12)，每个收集通道内均串联布置多个收集单元，所述收集单元包括收集管(13)、收集装置(14)、低温介质控制阀门(15)和温度计(16)，所述收集装置(14)设置在收集管(13)内，收集管(13)的壁面设置有低温介质接口，与低温介质控制阀门(15)连接，并通过管道连接于低温泵(9)的出口，用于输送低温介质到收集管(13)内，温度计(16)设置在收集管(13)的壁面；所述分析仪(17)设置在收集段下游，引风机(18)设置在分析仪(17)下游；

伴热装置(3)自烟气流向分成三个部分，每个部分通过独立的温度传感器与测控仪相连且各部分设置的伴热量沿烟气流向依次递增。

2.如权利要求1所述的一种烟气取样装置，其特征在于：所述的伴热段中，伴热装置(3)为电伴热带或加热丝，将电伴热带或加热丝沿伴热管道(2)轴向分成多个部分，每个部分通过独立的温度传感器与温控仪(7)相连，沿烟气流向，伴热管道(2)的散热量依次增加，故沿烟气流向设置伴热量依次递增，使得进入激冷管道(8)之前的烟气温度变化小。

3.如权利要求1所述的一种烟气取样装置，其特征在于：所述激冷段中，低温介质池(10)内盛有低温液态气体，通过低温泵(9)，对激冷管道(8)内烟气样品快速冷却。

4.如权利要求1所述的一种烟气取样装置，其特征在于：所述扩压管(11)出口端具备多个独立接口，用于连接多个并联的收集通道，由此建立收集段多通道取样结构，实现连续取样。

5.如权利要求1所述的一种烟气取样装置，其特征在于：所述收集单元内，收集装置(14)为吸附剂或不同孔径的滤网。

6.权利要求1至5任一项所述的一种烟气取样装置的烟气取样方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据取样点的位置、尺寸、烟气温度特点，选择取样管道(1)的材料和连接长度；基于取样需求，选择收集通道内串联收集单元的个数和收集装置(14)种类，设置在收集段上；

步骤2、在步骤1基础上完成烟气取样装置的组装，将烟气取样装置从烟道预设的取样口伸入并做好密封，用法兰(5)将烟气取样装置固定于烟道壁；

步骤3、打开温控仪(7)，对伴热管道(2)进行分段伴热；

步骤4、开启低温泵(9)的进出口阀门，启动低温泵(9)，向激冷管道(8)输入低温介质，同时调节各收集单元内低温介质控制阀门(15)开度，使低温泵(9)出口的部分低温介质输入到各收集管(13)内，保证各收集单元温度测点低于水的凝华温度，使烟气中的水汽以结晶水的形态被滤网过滤；通过低温泵(9)的作用将低温介质输入到激冷管道(8)内并通过低温泵(9)出入口阀门调节输入介质的流量，从而控制冷却的温度和速度；高温烟气被快速冷却，冻结了烟气中气化物均相成核，异相凝结，碰撞凝并过程，保留了颗粒物的颗粒相态，提高了颗粒物取样的准确性；

步骤5、打开流量计(6)，启动引风机(18)，采样点的烟气通过取样管道(1)进入烟气取样装置，打开烟气分析仪(17)，收集通道内布置的收集装置(14)收集结晶水及其他颗粒物，剩余烟气组分进入烟气分析仪(17)；在颗粒物取样的一个周期内，一个收集通道完成颗粒物收集后，关闭其入口处挡板(12)，同时开启另一个收集通道入口挡板，对关闭的收集通道内收集装置进行颗粒物收集，收集结束后，换上空白收集装置备用，进入下一个颗粒物取样周期；

步骤6、待完成烟气分析和颗粒物的连续取样后，依次关闭烟气分析仪(17)、引风机(18)、流量计(6)、低温泵(9)、温控仪(7)及所有阀门，通过法兰(5)将烟气取样装置从烟道壁取下，完成取样工作。

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