CN113109397B - 一种烟气中so3浓度在线监测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种烟气中SO3浓度在线监测系统及其方法，利用活塞式混合室连续抽吸烟气，烟气中SO3被异丙醇溶液吸收、冷凝得到待测液，再使用电极测量待测液电导率，依据电导率与SO4 2‑浓度之间的线性关系，确定烟气中SO3浓度，活塞式混合室取样周期短实现真正意义上的在线监测，电极对SO4 2‑浓度变化响应迅速，提高了监测结果的准确性，SO3浓度计算采用递推法，简化了计算过程，保障了在线监测的时效性。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟气中SO3浓度的监测系统及其监测方法，特别是一种燃煤电厂运行时烟气中SO3浓度在线监测系统及其方法。
背景技术
燃煤电厂运行时，燃烧产生的SO2由于氧化生成SO3，SO3浓度增加使烟气酸露点温度升高，形成的硫酸氢氨和硫酸雾气溶胶导致空气预热器、尾部烟道及烟囱低温硫腐蚀，严重影响机组的安全运行，为避免空预器低温腐蚀必须提高排烟温度，导致锅炉热效率下降，SO3在线测量是实现燃煤电厂SO3排放控制的关键技术。
烟气中SO3的测量方法主要有直接法和间接法两种，直接法主要采用量子级联激光检测法，该方法采用高功率的量子级联激光器作为光源，扫描SO3气体分子的吸收谱线，然后通过分析被气体分子吸收后的激光强度得到SO3气体的温度和浓度，该方法的缺点在于SO3吸收光谱与H2O、SO2分子在1400cm-1波段存在强重叠；同时温度低于500℃时，SO3与H2O反应生成的H2SO4产生光谱干扰，对仪器造成不可预测的腐蚀；间接法是将SO3转化为SO4 2-后，通过分析SO4 2-的含量来间接测定SO3含量；SO4 2-的分析方法有称重法、离子色谱法、铬酸钡分光光度法；离子色谱法采用离子色谱仪测定溶液中SO4 2-色谱峰面积，利用SO4 2-色谱峰面积与质量浓度的标准曲线计算溶液中SO4 2-的含量，该方法离子分析时间大于3min，难以应用于在线监测；铬酸钡分光光度法利用铬酸钡悬浊液和硫酸根离子反应释放出铬酸根离子，碱性条件下铬酸根离子呈黄色，测其吸光度可知硫酸根含量，该方法的不足在于所用铬酸钡悬浊液一定程度上会损害测量人员健康，反应过程需加热煮沸并且所得溶液需经二次过滤才可测量，过程复杂繁琐，效率低下。
国内燃煤电厂烟气中SO3的监测尚无统一的标准，在线监测烟气中SO3的发明专利较少，现有测试技术普遍存在设备复杂、测试不连续的问题，其中公开号为CN106596198 A的专利公开了“一种在线SO3测量系统及方法”，该方法使硫酸蒸汽和氯化钙反应生成氯化氢，根据氯化氢检测仪的示数确定烟气中三氧化硫的浓度，氯化钙水平置于反应管中难以保证与烟气中三氧化硫完全反应，导致测量结果偏低；公开号为CN105606683 A的专利公开了“一种SO3在线连续监测装置及方法”，该方法利用亚硫酸氢钠饱和溶液与异丙醇溶液混合液吸收SO3，SO3转变成SO4 2-后利用离子选择性电极测量SO4 2-浓度，气体吸收时间为5-15min，测量值为该时间段内平均值，并非真正意义上的实时监测数据，同时亚硫酸钠溶液不稳定，易氧化成硫酸钠对测量结果造成正偏差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种烟气中SO3浓度在线监测系统及其方法，通过活塞式混合室抽吸烟气使之与异丙醇溶液混合，活塞不间断往复运动可连续抽吸烟气，实现真正意义上的在线监测，通过电极测量溶液电信号，利用电导率与SO4 2-浓度之间的线性关系确定SO3浓度，利用递推原理简化监测步骤，保障监测结果的准确性，提高监测效率。
本发明采取如下的技术方案。
一种烟气中SO3浓度在线监测系统，包括烟气采样单元、气液混合吸收单元、冷凝单元、测量单元及信号处理模块；其特征在于：
所述烟气采样单元是由过滤器、伴热带、采样枪及第一阀门构成；所述过滤器是位于所述采样枪前端，用于过滤烟气中的颗粒物；所述伴热带是包裹在采样枪外围，温度控制在260℃用于加热采样枪，防止烟气冷凝；所述采样枪前端探入烟道内，后端通过所述第一阀门与所述气液混合吸收单元连接；所述采样枪内嵌有石英玻璃套管；
所述气液混合吸收单元是由活塞式混合室、第一蠕动泵、第二蠕动泵、异丙醇溶液储罐、清洗水储罐及第二阀门构成，其中所述活塞式混合室是用于抽取预设体积的烟气并使之与预设体积的异丙醇溶液混合；所述活塞式混合室内径8cm，活塞行程10cm，运行周期6s；所述进液管的一端与所述活塞式混合室连接，另一端与所述异丙醇溶液储罐、清洗水储罐连接；所述异丙醇溶液储罐内部装有质量分数为80%的异丙醇溶液；所述第一蠕动泵和第二蠕动泵是分别在开启时向所述活塞式混合室输送异丙醇溶液和清洗水；所述异丙醇溶液每次喷入2ml，所述清洗水每次喷入4ml；所述出液管的一端与所述活塞式混合室连接，另一端与所述冷凝单元连接；所述第二阀门位于所述出液管上；
所述冷凝单元是由冷凝瓶、低温恒温箱、气体处理箱、干燥箱、流量计、抽气泵及第三蠕动泵构成，其中冷凝瓶是利用所述低温恒温箱低温环境冷凝所述气液混合物；所述低温恒温箱温度控制在2℃；所述出气管的一端与所述冷凝瓶连接，另一端与所述气体处理箱连接；所述出液管一端与所述冷凝瓶连接，另一端与所述测量单元连接；所述第三蠕动泵开启时向所述测量单元输送待测液；
所述测量单元是由温度探测器、电极、液位指示器、测量池及超声波发生器构成，其中温度探测器是测量待测液温度；所述电极是测量待测液电导率，电极响应时间小于1s；待测液达到标识体积时所述液位指示器向所述信号处理模块发送信号，所述超声波发生器开启，开启持续时间1min，所述第二蠕动泵开启，所述清洗水依次冲洗气液混合单元、冷凝单元及测量单元。
一种用于如上述的烟气中SO3浓度在线监测系统的监测方法，其特征在于：
抽取预设体积的烟气和预设体积的异丙醇溶液混合、冷凝得到待测液；
采用电极测量所述测量池内待测液的电导率；
采用温度探测器测量所述测量池内待测液的温度，对所述电导率进行温度补偿得到标准温度电导率；
根据标准温度电导率与SO4 2-浓度之间的线性关系确定烟气中SO3浓度。
一种用于如上述的烟气中SO3浓度在线监测系统的监测方法，其特征在于：所述根据标准温度电导率与SO4 2-浓度之间的线性关系确定烟气中SO3浓度，包括：
根据下式确定烟气中SO3浓度A：
其中，Vn为抽气n次后测量池内溶液总体积，Vn-1为抽气n-1次后测量池内溶液总体积，Vl为预设异丙醇溶液体积，n为抽气n次，n-1为抽气n-1次；
其中，Cn为抽气n次后测量池内溶液的SO4 2-浓度，Cn-1为抽气n-1次后测量池内溶液的SO4 2-浓度，Vq为预设烟气体积。
实施本发明上述所提供的一种烟气中SO3浓度在线监测系统及其方法，与现有技术相比，具有的优点与积极效果在于以下几点。
本发明利用活塞式混合室连续抽吸烟气，运行周期短，有效提高了烟气取样频率，实现了真正意义上的在线监测。
本发明将冷凝瓶置于低温恒温箱中，温度控制在2℃，保证了SO3稳定溶于异丙醇溶液，同时抑制了SO2氧化，避免了烟气中其它化学成分干扰，有效提高了监测结果的准确性。
本发明采用电极测量溶液电导率，电极对SO4 2-浓度变化响应迅速，保证了监测结果的实时性，采用递推法计算SO3浓度，简化了计算过程，保证了监测过程的时效性。
附图说明
图1是本发明的烟气中SO3浓度在线监测系统结构示意图。
图2是本发明的烟气中SO3浓度在线监测方法流程图。
图中：1：过滤器；2：伴热带；3：采样枪；4：第一阀门；5：活塞式混合室；6：第一蠕动泵；7：第二蠕动泵；8：异丙醇溶液储罐；9：清洗水储罐；10：第二阀门；11：冷凝瓶；12：低温恒温箱；13：气体处理箱；14：干燥箱；15：流量计；16：抽气泵；17：第三蠕动泵；18：温度探测器；19：电极；20：液位指示器；21：测量池；22：超声波发生器；23：信号处理模块；24：数显终端。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
如附图1所示，实施本发明上述所提供的一种烟气中SO3浓度在线监测系统，包括烟气采样单元A、气液混合吸收单元B、冷凝单元C、测量单元D及信号处理模块23。
具体地，在一可选实施例中，如附图1所示，其中：烟气采样单元A包括过滤器1、伴热带2、采样枪3和第一阀门4；所述过滤器1是位于所述采样枪3前端，用于过滤烟气中的颗粒物；所述伴热带2是包裹在采样枪3的外围，温度控制在260℃用于加热采样枪3，防止烟气冷凝；所述采样枪3前端探入烟道内，后端通过所述第一阀门4与所述气液混合吸收单元连接；所述采样枪3内嵌有石英玻璃套管；。
在一可选实施例中，如附图1所示，气液混合吸收单元B包括活塞式混合室5、第一蠕动泵6、第二蠕动泵7、异丙醇溶液储罐8、清洗水储罐9及第二阀门10，其中所述活塞式混合室5是用于抽取预设体积的烟气并使之与预设体积的异丙醇溶液混合；所述活塞式混合室5内径8cm，活塞行程10cm，运行周期6s；所述进液管的一端与所述活塞式混合室5连接，另一端与所述异丙醇溶液储罐8、清洗水储罐9连接；所述异丙醇溶液储罐8内部装有质量分数为80%的异丙醇溶液；所述第一蠕动泵6和第二蠕动泵7是分别在开启时向所述活塞式混合室5输送异丙醇溶液和清洗水；所述异丙醇溶液每次喷入2ml，所述清洗水每次喷入4ml；所述出液管的一端与所述活塞式混合室5连接，另一端与所述冷凝单元连接；所述第二阀门10位于所述出液管上；
具体地，第一阀门4开启，活塞式混合室5内活塞自下而上运动，抽取预设体积烟气，活塞到达顶点，第一蠕动泵6开启，预设体积异丙醇溶液喷入，之后活塞自上而下运动，第二阀门10开启，气液混合物输送至冷凝单元C。
在一可选实施例中，如附图1所示，所述冷凝单元C包括冷凝瓶11、低温恒温箱12、气体处理箱13、干燥箱14、流量计15、抽气泵16及第三蠕动泵17；其中冷凝瓶11是利用所述低温恒温箱12低温环境冷凝所述气液混合物；所述低温恒温箱12温度控制在2℃；所述出气管的一端与所述冷凝瓶11连接，另一端与所述气体处理箱13连接；所述出液管一端与所述冷凝瓶11连接，另一端与所述测量单元连接；所述第三蠕动泵17开启时向所述测量单元输送待测液。
在一可选实施例中，如附图1所示，测量单元D包括温度探测器18、电极19、液位指示器20、测量池21、超声波发生器22，温度探测器18是测量待测液温度，电极19是测量待测液电导率，电极响应时间小于1s，待测液达到标识体积时液位指示器20向信号处理模块23发送信号，超声波发生器22开启，开启时间持续1min，第二蠕动泵7开启，清洗水依次冲洗气液混合单元B、冷凝单元C及测量单元D。
具体地，本发明实施例中，待测液标识体积为200ml。
如附图2所示，实施本发明提供的一种烟气中SO3浓度在线监测方法，包括以下步骤：
步骤a：抽取预设体积的烟气和预设体积的异丙醇溶液混合、冷凝得到待测液；
步骤b：采用电极测量测量池内待测液的电导率；
步骤c：采用温度探测器测量所述测量池内待测液的温度，对电导率进行温度补偿得到标准温度电导率；
在一可选实施例中，对电导率进行温度补偿得到标准温度电导率，包括：
根据下式确定标准温度电导率k25：
其中，kt为溶液温度在t℃下时的电导率值；α为溶液的温度系数，取0.016。
步骤d：根据标准温度电导率与SO4 2-浓度之间的线性关系确定烟气中SO3浓度。
具体地，标准温度电导率与SO4 2-浓度之间的线性关系的确定方法包括：以标准温度电导率为纵坐标、SO4 2-浓度为横坐标，测定、记录一系列不同浓度的SO4 2-标准溶液对应的标准温度电导率。
具体地，根据标准温度电导率与SO4 2-浓度之间的线性关系确定烟气中SO3浓度，包括：
根据下式确定烟气中SO3浓度A：
其中, Vn为抽气n次后测量池内溶液总体积，Vn-1为抽气n-1次后测量池内溶液总体积，Vl为预设异丙醇溶液体积，n为抽气n次，n-1为抽气n-1次。
其中，Cn为抽气n次后测量池内溶液的SO4 2-浓度，Cn-1为抽气n-1次后测量池内溶液的SO4 2-浓度，Vq为预设烟气体积。
具体地，预设烟气体积为0.5L，预设异丙醇溶液体积为2ml，抽气次数n为1-100。
上述所实施的一种烟气中SO3浓度在线监测系统及其方法，利用活塞式混合室连续抽吸烟气，烟气中SO3被异丙醇溶液吸收、冷凝得到待测液，再使用电极测量待测液电导率，依据电导率与SO4 2-浓度之间的线性关系，确定烟气中SO3浓度，活塞式混合室取样周期短可实现真正意义上的在线监测，电极对SO4 2-浓度变化响应迅速，提高了监测结果的准确性，SO3浓度计算采用递推法，简化了计算过程，保障了在线监测的时效性。
Claims (1)
1.一种烟气中SO3浓度在线监测方法，利用烟气中SO3浓度在线监测系统实现，所述烟气中SO3浓度在线监测系统包括烟气采样单元A、气液混合吸收单元B、冷凝单元C、测量单元D及信号处理模块（23）；
所述烟气采样单元A，包括过滤器（1）、伴热带（2）、采样枪（3）及第一阀门（4）；其中，所述过滤器（1）是位于所述采样枪（3）前端，用于过滤烟气中的颗粒物；所述伴热带（2）是包裹在采样枪（3）的外围，温度控制在260℃用于加热采样枪（3），防止烟气冷凝；所述采样枪（3）的前端探入烟道内，后端通过第一阀门（4）与所述气液混合吸收单元B连接，内嵌有石英玻璃套管；
所述气液混合吸收单元B，包括活塞式混合室（5）、第一蠕动泵（6）、第二蠕动泵（7）、异丙醇溶液储罐（8）、清洗水储罐（9）及第二阀门（10），其中，所述活塞式混合室（5）是用于抽取预设体积的烟气并使之与预设体积的异丙醇溶液混合；所述活塞式混合室（5）内径8cm，活塞行程10cm，运行周期6s，一端与进液管连接，另一端与所述异丙醇溶液储罐（8）及其清洗水储罐（9）连接；所述异丙醇溶液储罐（8）内部装有质量分数为80%的异丙醇溶液；所述第一蠕动泵（6）和第二蠕动泵（7）是分别在开启时向所述活塞式混合室（5）输送异丙醇溶液和清洗水；所述异丙醇溶液每次喷入2ml，所述清洗水每次喷入4ml；出液管的一端与所述活塞式混合室（5）连接，另一端与所述冷凝单元C连接；所述第二阀门（10）位于所述出液管上；
所述冷凝单元C，包括冷凝瓶（11）、低温恒温箱（12）、气体处理箱（13）、干燥箱（14）、流量计（15）、抽气泵（16）及第三蠕动泵（17）；其中，所述冷凝瓶（11）是利用所述低温恒温箱（12）低温环境冷凝气液混合物；所述低温恒温箱（12）温度控制在2℃；出气管一端与所述冷凝瓶（11）连接，另一端与所述气体处理箱（13）连接；所述出液管一端与所述冷凝瓶（11）连接，另一端与所述测量单元连接；所述第三蠕动泵（17）开启时向所述测量单元D输送待测液；
所述测量单元D，包括温度探测器（18）、电极（19）、液位指示器（20）、测量池（21）及超声波发生器（22），其中，所述温度探测器（18）是测量待测液温度；所述电极（19）是测量待测液电导率，电极响应时间小于1s；待测液达到标识体积时所述液位指示器（20）向所述信号处理模块（23）发送信号，所述超声波发生器（22）开启，开启时间持续1min，所述第二蠕动泵（7）开启，所述清洗水依次冲洗气液混合吸收单元B、冷凝单元C及测量单元D；
对烟气中SO3浓度在线监测时，包括步骤：
抽取预设体积的烟气和预设体积的异丙醇溶液混合、冷凝得到待测液；
采用电极测量所述测量池内待测液的电导率；
采用温度探测器测量所述测量池内待测液的温度，对所述电导率进行温度补偿得到标准温度电导率；
根据标准温度电导率与SO4 2-浓度之间的线性关系确定烟气中SO3浓度，包括：
根据下式确定烟气中SO3浓度A：
，
其中，Vn为抽气n次后测量池内溶液总体积，Vn-1为抽气n-1次后测量池内溶液总体积，Vl为预设异丙醇溶液体积，n为抽气n次，n-1为抽气n-1次；
，
其中，Cn为抽气n次后测量池内溶液的SO4 2-浓度，Cn-1为抽气n-1次后测量池内溶液的SO4 2-浓度，Vq为预设烟气体积。
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