CN113466207B - 气化焦油监测系统、监测方法及装置 - Google Patents

气化焦油监测系统、监测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气化焦油监测系统、监测方法及装置，其中，气化焦油监测系统包括依次连接的粉尘捕集器、控压器、干燥器、气体保温器、气体池、气体探测器、光学监测器和计算机。该粉尘捕集器用于在被设置在气化炉出口的情况下，过滤气体中的固体颗粒；控压器用于控制气体的流动速度；干燥器用于控制气体的湿度；气体保温器用于控制上述气体的温度；气体池用于承载气体；气体探测器一端通过第一光纤还连接激光器，激光器用于照射气体池中的气体产生拉曼散射光；气体探测器用于收集拉曼散射光；气体探测器另一端通过第二光纤连接光学监测器，光学监测器用于调整和放大拉曼散射光的光信号；计算机用于输出拉曼光谱和焦油的成分与含量。

Description

气化焦油监测系统、监测方法及装置
技术领域
本发明属于工业污染物排放控制与监测领域，具体地，涉及一种气化焦油监测系统、监测方法及装置。
背景技术
生物质能源是一种重要的可再生能源，在化石能源日渐枯竭的今天，生物质能源的转化利用技术引起越来越多的关注。气化技术是生物质能源利用的一个重要的方向，气化技术以及后续净化提质工艺可将生物质转变为高品质的气体燃料以及生物油和生物质焦。但是在气化过程中不可避免的产生焦油。焦油是一种复杂的混合物，其主要成分为单环到多环芳香烃，具有一定的致癌和环境污染风险。同时，气化燃气体中的焦油从500℃开始逐渐冷凝，导致气体管道的堵塞，增加管路压力，带来爆炸风险。燃气中的焦油也会降低燃烧效率，同时损害下游燃烧器。因此，气化过程中的焦油的控制与脱除至关重要。
焦油问题的解决，依赖于焦油的准确监测。准确及时的焦油监测数据，可为整体工艺调整提供依据，同时也为气化产品的品质提供保障。相关的焦油监测技术主要包括两类，一类为“现场采样——实验室分析”的非在线方法。这一种方法虽然也可以得到气化燃气中焦油的含量与成分，但是测试设备昂贵，测量周期较长，无法实时提供焦油数据，不利于气化工艺的及时调整。同时，焦油成分复杂且易变化，在长时间的采样与运输过程中，极易出现样品变质的现象，从而影响到测试的准确性。另一种方法是通过两级质量流量计取样分析法，得到焦油含量的数据。这种方法虽然也可实现对焦油含量的实时在线监测，但其无法得到焦油成分的具体情况。此外，焦油的在线监测面临被测气体温度高(气化炉出气口温度高于400℃)、气体组分复杂、具有一定腐蚀性、气体含尘较多等问题，这种直接式测量往往精度不够，不可长期运行。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种气化焦油监测系统、监测方法及装置，以期至少部分地解决上述技术问题。
本发明实施例提供了一种气化焦油监测系统，包括依次连接的粉尘捕集器、控压器、干燥器、气体保温器、气体池、气体探测器、光学监测器和计算机，其中，上述粉尘捕集器，用于在被设置在气化炉出口的情况下，过滤气体中的固体颗粒；上述控压器，用于控制上述气体的流动速度；上述干燥器，用于控制上述气体的湿度；上述气体保温器，用于控制上述气体的温度；上述气体池，用于承载上述气体；上述气体探测器一端通过第一光纤还连接激光器，上述激光器用于照射上述气体池中的上述气体产生拉曼散射光；上述气体探测器，用于收集上述拉曼散射光；上述气体探测器另一端通过第二光纤连接上述光学监测器，上述光学监测器，用于调整和放大上述拉曼散射光的光信号；上述计算机，用于输出拉曼光谱和焦油的成分与含量。
根据本发明实施例，上述粉尘捕集器包括陶瓷膜、石英膜中的任意一种。
根据本发明实施例，上述激光器包括输出波长为532nm的激光器。
根据本发明实施例，上述气体保温箱内部的温度包括300～600℃。
根据本发明实施例，上述气体池包括耐腐蚀腔体，上述耐腐蚀腔体上设置插孔，上述插孔用于安装上述气体探测器。
根据本发明实施例，上述耐腐蚀腔体包括镍基合金腔体。
根据本发明实施例，上述光学监测器包括：傅里叶拉曼光谱光路，用于调整上述拉曼散射光的光路；电荷耦合器件，用于将经过调整的上述拉曼散射光的光信号放大。
本发明实施例还提供了一种上述系统进行监测气化焦油的方法，包括：依次将不同浓度的气态标准化合物输入系统中，输出至少一组标准特征谱峰；通过每一组上述标准特征谱峰的谱峰高度与上述标准化合物的浓度确定上述标准化合物的标准曲线函数；将气体输入上述系统中，输出至少一组特征谱峰；通过对比上述特征谱峰与上述标准特征谱峰，确定化合物的种类；通过上述化合物对应的上述标准曲线函数确定上述特征谱峰高度对应的上述化合物的浓度；通过上述化合物的浓度确定上述气体中焦油浓度。
根据本发明实施例，上述标准化合物包括苯、甲苯、二甲苯、萘、苯酚中的任意一种。
本发明实施例还提供了一种气化焦油监测装置，包括上述系统。
本发明实施例通过在气化炉出口设置粉尘捕集器，去除气化焦油中的固体颗粒，再通过设置控压器、干燥器、气体保温器使气化焦油保持气态平稳进入气体池，通过气体池上设置的激光器照射气体产生拉曼散射光，气体探测器调整和放大光信号之后，在计算机中输出拉曼光谱和焦油的成分与含量，实现了在气化炉出口原位监测气化焦油成分和含量。
附图说明
图1示意性地示出了本发明实施例监测系统的示意图；
图2示意性地示出了本发明实施例监测系统的应用场景示意图；
图3示意性地示出了本发明实施例监测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
拉曼光谱法是一种新兴的监测技术，目前正逐步应用于污染物快速监测等领域。拉曼光谱法基于拉曼散射效应，能得到反应物质的分子振动、转动信息的特征峰。拉曼光谱法快速、简单、可重复，能够进行无损伤的定性定量分析，样品可直接通过光纤探头测量，从而实现非接触、在线监测反馈。借助于以上特性，拉曼光谱法正逐步应用于污染物排放监控、录井气体在线检测、煤化气在线监测等领域，具有广阔的应用前景。
基于此，本发明提供了一种气化焦油监测系统、监测方法及装置，利用原位拉曼光谱法对气化焦油进行精确分析，记录焦油含量及成分，采用非直接在线监测技术，突破焦油原位监测的技术瓶颈，为气化工艺调整与优化提供依据。
本发明实施例提供了一种气化焦油监测系统，包括依次连接的粉尘捕集器、控压器、干燥器、气体保温器、气体池、气体探测器、光学监测器和计算机，其中，上述粉尘捕集器，用于在被设置在气化炉出口的情况下，过滤气体中的固体颗粒；上述控压器，用于控制上述气体的流动速度；上述干燥器，用于控制上述气体的湿度；上述气体保温器，用于控制上述气体的温度；上述气体池，用于承载上述气体；上述气体探测器一端通过第一光纤还连接激光器，上述激光器用于照射上述气体池中的上述气体产生拉曼散射光；上述气体探测器，用于收集上述拉曼散射光；上述气体探测器另一端通过第二光纤连接上述光学监测器，上述光学监测器，用于调整和放大上述拉曼散射光的光信号；上述计算机，用于输出拉曼光谱和焦油的成分与含量。
图1示意性地示出了本发明实施例监测系统的示意图。
如图1所示，气化焦油监测系统包括依次连接的粉尘捕集器1、控压器2、干燥器3、气体保温器4、气体池5、气体探测器6、光学监测器12和计算机13。气体探测器6设置在气体池5上，气体探测器6通过第一光纤7连接激光器9，气体探测器6通过第二光纤8连接光学监测器12。
本发明实施例通过在气化炉出口设置粉尘捕集器1，去除气化焦油中的固体颗粒，再通过设置控压器2、干燥器3、气体保温器4使气化焦油保持气态平稳进入气体池5，通过气体池5上设置的激光器9照射气体产生拉曼散射光，气体探测器6调整和放大光信号之后，在计算机中输出拉曼光谱和焦油的成分与含量，实现了在气化炉出口原位监测气化焦油成分和含量。
根据本发明实施例，上述粉尘捕集器包括陶瓷膜、石英膜中的任意一种。
本发明实施例中，由于气化炉中会存在大量的固体颗粒，影响系统的监测精度。采用陶瓷膜、石英膜这种具有耐高温、耐腐蚀材料膜，可以防止高温气化焦油对粉尘捕集器的腐蚀。本发明实施例中粉尘捕集器包括但不限于陶瓷膜、石英膜，还可以采用其他耐高温、耐腐蚀的膜。
根据本发明实施例，上述激光器包括输出波长为532nm的激光器。
本发明实施例中，在激光器发出波长为532nm的激光照射气体的情况下，可以得到较好的拉曼散射光谱。
根据本发明实施例，上述气体保温箱内部的温度包括300～600℃，例如：300℃、400℃、500℃、600℃。
本发明实施例中，由于生物质气化炉出口的气化焦油的温度较高，且在监测过程中，焦油始终需要保持在气体状态，因此气体保温箱内部的温度要维持在300～600℃范围内，避免气体液化。
根据本发明实施例，上述气体池包括耐腐蚀腔体，上述耐腐蚀腔体上设置插孔，上述插孔用于安装上述气体探测器。
本发明实施例中，气体池用于承载气化焦油，由于气化焦油腐蚀性较强，采用耐腐蚀的腔体，防止气化焦油对气体池的腐蚀。同时气化焦油被封闭在气体池中，气体池上通过插孔安装气体探测器，保证了气体池的封闭状态，在激光照射气体时可以产生拉曼散射光。
根据本发明实施例，上述耐腐蚀腔体包括镍基合金腔体。
本发明实施例中，耐腐蚀腔体包括但不限于镍基合金腔体，电可以采用其他耐高温、耐腐蚀的腔体。
根据本发明实施例，上述光学监测器包括：傅里叶拉曼光谱光路，用于调整上述拉曼散射光的光路；电荷耦合器件，用于将经过调整的上述拉曼散射光的光信号放大。
如图1所示，光学监测器12包括傅里叶拉曼光谱光路10和电荷耦合器件11。傅里叶拉曼光谱光路10将激光照射气体产生的拉曼散射光调整光路之后，通过电荷耦合器件11将拉曼散射光信号放大，用于计算机输出拉曼光谱。
图2示意性地示出了本发明实施例监测系统的应用场景示意图。
如图2所示，生物质废物气化装置的出口排出生物质燃气，生物质燃气通过样气管路进入粉尘捕集器1，过滤除去样气中的固体颗粒。然后样气进入控压器2、干燥器3、气体保温器4，通过气体流速、湿度、温度的调节之后，样气(高温生物质燃气)进入气体池5，在气体池5中设置有气体监测器6，气体监测器6一端通过第一光纤7连接激光器9，激光器9发射的激光通过第一光纤进入气体监测器6，照射气体池5内的高温生物质燃气产生拉曼散射光。拉曼散射光通过第二光纤8进入光学监测器12中，在光学监测器12中，拉曼散射光通过傅里叶拉曼光谱光路10调整光路之后，电荷耦合器件11将拉曼散射光信号放大，在计算机13中输出焦油的拉曼光谱数据。这些拉曼光谱数据通过气化反馈调节系统识别并转化为工艺与物料控制信号，反馈至生物质废物气化装置中，实时调节生物质废物气化装置中的工艺参数。
本发明实施例中，气体监测器6内安装蓝宝石窗片，且气体监测器6设计为中空结构，可以有效降低高温对于测试精度的影响。
本发明实施例还提供了一种上述系统进行监测气化焦油的方法，包括：依次将不同浓度的气态标准化合物输入系统中，输出至少一组标准特征谱峰；通过每一组上述标准特征谱峰的谱峰高度与上述标准化合物的浓度确定上述标准化合物的标准曲线函数；将气体输入上述系统中，输出至少一组特征谱峰；通过对比上述特征谱峰与上述标准特征谱峰，确定化合物的种类；通过上述化合物对应的上述标准曲线函数确定上述特征谱峰高度对应的上述化合物的浓度；通过上述化合物的浓度确定上述气体中焦油浓度。
根据本发明实施例，上述标准化合物包括苯、甲苯、二甲苯、萘、苯酚中的任意一种。
根据本发明实施例，苯、甲苯、二甲苯、萘、苯酚是气化焦油中的主要成分，本发明实施例中的标准化合物包括但不限于上述五种化合物。
本发明实施例还提供了一种气化焦油监测装置，包括上述系统。
本发明实施例中，先采用气化焦油中的主要成分化合物作为标准化合物在监测系统中进行监测，得到标准化合物对应的标准特征谱峰，利用不同化合物特征谱峰的唯一性，在监测气体(生物质燃气)时，通过拉曼光谱谱峰的识别，进而识别出监测气体中某一化合物的种类。由于不同浓度的标准化合物特征谱峰会产生不同高度的谱峰，通过拟合浓度与谱峰高度的线性函数关系，在监测气体中，对识别出来化合物特征谱峰的高度进行测量，对应到浓度与谱峰高度的线性函数关系中得到特征谱峰高度对应的化合物浓度，从而确定气体中焦油的浓度。
下面以甲苯为标准化合物，对本发明实施例进行详细说明。图3示意性地示出了本发明实施例监测方法的流程示意图。
如图3所示，依次将不同浓度的气态甲苯输入系统中，输出至少一组甲苯的标准特征谱峰；通过每一组甲苯的标准特征谱峰的谱峰高度与甲苯的浓度确定甲苯的标准曲线函数。甲苯的标准特征谱峰的谱峰高度与对应的甲苯的浓度数据见表1。
表1甲苯的标准特征谱峰的谱峰高度与对应的甲苯的浓度数据表
甲苯的浓度(体积百分比％) 对应特征谱峰高度(相对信号强度)
0.46 760.45
0.86 910.12
1.54 1065.27
2.07 1184.35
2.1 1205.41
2.23 1231.94
3.02 1306.35
根据表1中的数据，通过数据拟合得到甲苯的浓度x与对应的甲苯的标准特征谱峰的谱峰高度y的函数为y＝221.24x+705.77。
将待检测气体输入监测系统中，输出至少一组特征谱峰，通过对比上述特征谱峰与甲苯的标准特征谱峰，上述特征谱峰中存在与甲苯的标准特征谱峰相同的谱峰，因此可以确定待检测气体中含有甲苯。再根据该特征谱峰的高度，通过甲苯标准曲线函数确定甲苯的浓度。
本发明实施例中以含有甲苯实际浓度为3.48vol.％的待检测气体验证上述方法，当待检测气体输入监测系统中时，可以得到一组谱峰高度为1370.03的甲苯的特征谱峰，根据甲苯的浓度x与对应的甲苯的标准特征谱峰的谱峰高度y的函数为y＝221.24x+705.77，得到的甲苯的浓度为3.002vol.％。可见，依据本发明实施例中的方法，测量值3.002vol.％与实际值3.48vol.％的误差为0.47vol.％，相对误差为13.7％。
本发明实施例以含有甲苯实际浓度为3.93vol.％的待检测气体验证上述方法，当待检测气体输入监测系统中时，可以得到一组谱峰高度为1532.26的甲苯的特征谱峰，根据甲苯的浓度x与对应的甲苯的标准特征谱峰的谱峰高度y的函数为y＝221.24x+705.77，得到的甲苯的浓度为3.74vol.％。可见，依据本发明实施例中的方法，测量值3.93vol.％与实际值3.74vo1.％的误差为0.19vo1.％，相对误差为4.8％。
本发明实施例以含有甲苯实际浓度为5.76vol.％的待检测气体验证上述方法，当待检测气体输入监测系统中时，可以得到一组谱峰高度为2044.73的甲苯的特征谱峰，根据甲苯的浓度x与对应的甲苯的标准特征谱峰的谱峰高度y的函数为y＝221.24x+705.77，得到的甲苯的浓度为6.05vol.％。可见，依据本发明实施例中的方法，测量值6.05vol.％与实际值5.76vol.％的误差为0.29vol.％，相对误差为5％。
综上可知，按照本发明实施例提供的监测方法测得的甲苯浓度与待检测气体中的甲苯浓度的误差在0.5％以下，测量结果较准确。
最后，由于已知的气化焦油中甲苯的含量约占焦油的1/20，因此根据测得的甲苯含量乘以20即可得出待检测气体中焦油的浓度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气化焦油监测系统，包括依次连接的粉尘捕集器、控压器、干燥器、气体保温器、气体池、气体探测器、光学监测器和计算机，其中，
所述粉尘捕集器，用于在被设置在气化炉出口的情况下，过滤气体中的固体颗粒；
所述控压器，用于控制所述气体的流动速度；
所述干燥器，用于控制所述气体的湿度；
所述气体保温器，用于控制所述气体的温度；
所述气体池，用于承载所述气体；
所述气体探测器一端通过第一光纤还连接激光器，所述激光器用于照射所述气体池中的所述气体产生拉曼散射光；所述气体探测器，用于收集所述拉曼散射光；
所述气体探测器另一端通过第二光纤连接所述光学监测器，所述光学监测器，用于调整和放大所述拉曼散射光的光信号；
所述计算机，用于输出拉曼光谱和焦油的成分与含量；
所述气体池包括耐腐蚀腔体，所述耐腐蚀腔体上设置插孔，所述插孔用于安装所述气体探测器，所述气体池内为封闭状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述粉尘捕集器包括陶瓷膜、石英膜中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激光器包括输出波长为532nm的激光器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体保温器内部的温度包括300～600℃。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述耐腐蚀腔体包括镍基合金腔体。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学监测器包括：
傅里叶拉曼光谱光路，用于调整所述拉曼散射光的光路；
电荷耦合器件，用于将经过调整的所述拉曼散射光的光信号放大。
7.一种采用权利要求1～6任意一项所述的系统进行监测气化焦油的方法，包括：
依次将不同浓度的气态标准化合物输入系统中，输出至少一组标准特征谱峰；
通过每一组所述标准特征谱峰的谱峰高度与所述标准化合物的浓度确定所述标准化合物的标准曲线函数；
将气体输入所述系统中，输出至少一组特征谱峰；
通过对比所述特征谱峰与所述标准特征谱峰，确定化合物的种类；
通过所述化合物对应的所述标准曲线函数确定所述特征谱峰高度对应的所述化合物的浓度；
通过所述化合物的浓度确定所述气体中焦油浓度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述标准化合物包括苯、甲苯、二甲苯、萘、苯酚中的任意一种。
9.一种气化焦油监测装置，包括权利要求1～6任意一项所述的系统。
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