CN113959792A - 一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置及方法 - Google Patents

一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置及方法，包括取样单元、预处理系统、汞分析仪、标定单元和数据采集及传输系统；所述取样单元用于采集取样烟气，在采样的同时将烟气中颗粒物中汞和氧化态汞热解释放出来，并转化为单质态汞；所述预处理系统用于控制取样单元得采样方式为动压跟踪采样；所述汞分析仪测定采样中汞的浓度；所述标定单元将已知浓度的汞标准物质转化为Hg0，后经气路输入到汞分析仪进行检测；所述数据采集及传输系统用于将汞分析仪得到的数据采集、存储和传输。本发明具有结构精简、快速稳定的特点。

Description

一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置及方法
技术领域
本发明属于火力发电环保监测技术领域，具体涉及一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置及方法。
背景技术
开发有发展前景的汞控制及在线监测技术来有效脱除煤气中的汞，是环境大气污染治理急需解决的问题之一。
目前常见的取样分析法主要有EPA 29、EPA 101A、EPA30B和Ontario-Hydro方法，这些方法均需要先取样才能继续进行测量，流程比较复杂，而且都需要在颗粒物处理装置后进行采样。烟气中汞主要有三种形态：单质汞Hg0、氧化态汞Hg2+和颗粒态汞Hgp，现有的汞在线测试系统只能直接测试单质汞，氧化态汞则必须通过转化系统将其还原成单质汞的形态才可被监测。其中氧化态汞向单质汞的转化方式有两种：高温催化剂或者高温加热转化的方式完成氧化态汞向单质汞的转化。从理论上来讲，颗粒态汞也可以像氧化态汞一样被转换成单质汞进行分析测定，但是基于管线传输和烟尘等颗粒物的干扰问题，在实际操作过程中这种转换很难实现。目前，烟气汞在线监测技术还不具备测定颗粒态汞的能力，所以，通常意义上的汞连续监测技术只是对气态总汞浓度的连续监测。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提供了一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置及方法，该装置及方法具有结构精简、快速稳定的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，包括取样单元、预处理系统、汞分析仪15、标定单元和数据采集及传输系统；
所述取样单元用于采集取样烟气，在采样的同时将烟气中颗粒态汞Hgp和和氧化态汞Hg2+热解释放，并转化为单质态汞；
所述预处理系统用于控制取样单元的采样方式为动压跟踪采样；
所述汞分析仪15测定采样中单质态汞的浓度；
所述标定单元将已知浓度的汞标准物质转化为单质汞Hg0，后经气路输入到汞分析仪15进行检测；
所述数据采集及传输系统用于将汞分析仪15得到的数据采集、存储和传输。
所述取样单元包括采样探头1、热电偶2、S型靠背管3、等离子体加热装置5和烟气取样枪4，所述采样探头1、热电偶2、S型靠背管3设置在烟气取样枪4上，所述采样探头1内部加装等离子体加热装置5，用于将温度稳定控制在800℃以上。
所述预处理系统包括各设备间的传输管道，传输管道上依次安装有烟尘过滤器7、干扰消除装置和烟气冷凝装置、流量计和抽力可调式抽气泵14，传输管道采用耐高温、表面光滑的材料，防止汞吸附及管道腐蚀，所述烟尘过滤器7与取样单元中的等离子体加热装置5通过伴热管加热装置6相连。
所述干扰消除装置采用盛有氢氧化钾溶液的冲撞击吸收瓶8，用于吸收烟气中的酸性气体，烟气冷凝装置为冷凝式除湿器9，用于干燥烟气。
所述烟尘过滤器7与冲撞击吸收瓶8之间的管道上设置有逆止阀17和取样进气阀18，所述逆止阀17和取样进气阀18之间的管道上连接有管道，所述管道分为两路，一路管道上设置吹扫装置20和吹扫进气阀19，另一路管道上设置有带汞发生的标定装置22和标定单元进气阀21。
所述流量计包括累积流量计12和瞬时流量计13。
所述汞分析仪15采用冷原子吸收光度法CVAAS、冷原子荧光光谱法CVAFS、原子发射光谱AES、差分吸收光谱DOAS或塞曼原子吸收光谱ZAAS，所述汞分析仪15一端与预处理系统中的抽力可调式抽气泵14相连，另一端连接数据采集分析系统16。
所述标定单元的校准方式标气法校准，该单元所用的带汞发生的标定装置22将已知浓度的汞标准物质转化为Hg0，后经气路输入到汞分析仪15进行检测。
一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置的测量方法，包括以下步骤：
1)烟气由采样探头1流入取样管，通过测量烟气动压、静压和温度，利用流量控制器来控制取样流速和烟气实际流速保持一致，流经低温等离子体加热装置5时被加热到800℃左右，颗粒物中的汞都热解释放为气态汞，烟气流经烟尘过滤器7后将大部分烟尘过滤，避免了后续管道沾污和检测的干扰，取样烟气流速v计算由以下公式得到；
Figure BDA0003320029580000041
2)经过过滤的烟气依次流入冲撞击吸收瓶8、冷凝式除湿器9、流量计和抽力可调式抽气泵14后，烟气经干燥和吸收处理，进入汞分析仪15测量，并被计算机记录，数据可以远程传输；
3)如只需测量烟气中气态汞单质，可将等离子体加热装置5切断；
4)连续测试4个小时即可进行管路的吹扫和反吹扫。
一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置的监测方法，包括以下步骤；
1)检测开始先进行管路吹扫和反吹扫，吹扫所用的气为压缩空气；
吹扫过程如下：关闭逆止阀17和标定单元进气阀21，打开取样进气阀18和吹扫进气阀19，此时让吹扫气进入管路并开始对管路进行吹扫，吹扫30s后停止并进行反吹扫；
反吹扫过程如下：关闭标定单元进气阀21和取样进气阀18，打开逆止阀17和吹扫进气阀19进行烟气取样枪和取样探头的吹扫，持续30S后结束反吹扫；吹扫和反吹扫完成后关闭所有阀门，进行标定工作；
2)吹扫完成后进行汞分析测量系统的标定，此步骤可以调高测量的准确性，首先打开标定单元进气阀21和取样进气阀18，让带汞发生的标定装置22产生的汞蒸气依次流过转化系统(冲撞击吸收瓶8)、传输系统(流量计及中间的连接管路)、汞分析仪15，重复标定2次，并记录数据；
3)标定完成后即可开始烟气中汞的测量，测量步骤如下：
首先开启预处理，等预处理温度稳定后，打开取样逆止阀17和进气阀18，同时开启动压跟踪取样流量控制系统和抽力可调式抽气泵14，让取样烟气依次流过采样探头1、等离子体加热装置5、烟尘过滤器7、冲撞击吸收瓶8、冷凝式除湿器9、流量器、抽力可调式抽气泵14和汞分析仪15，并且在汞分析仪15中进行测量。
本发明的有益效果：
本发明利用低温等离子体加热技术的稳定可控性来加热烟气到800℃，从而实现了氧化态汞和颗粒态汞向单质汞的转化，省去了汞的化学转化或光催化转化，实现了总汞的浓度测量，安全环保，并且增加了烟尘过滤器、定期吹扫和反吹扫结构，避免了积尘带来的取样误差，结构简单，便于操作，能实时、准确监测汞的浓度。
附图说明
图1为本发明的系统图。
图2为本发明具体设备图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2所示：烟气中汞分为三种形态：单质汞Hg0、氧化态汞Hg2+和颗粒态汞Hgp，现有的汞在线测试系统只能直接测试单质汞，氧化态汞则必须通过转化系统将其还原成单质汞的形态才可被监测。目前的在线检测系统需要过滤烟尘后再对烟气中单质汞进行检测，而无法测量颗粒态的汞，且烟气中的氧化态汞必须转化为单质汞进行测量。目前氧化态汞转化的方式主要化学法和热解法，化学法是利用还原性化学试剂如SnCl2或者光催化法，热解法是通过将烟气加热到800～1000℃，高温下将氧化态汞原子化即转化为单质汞。化学法取样操作也较为复杂，需要采集大量样品来填补溶液空白，采样操作过程中，可能产生有毒物质，容易造成未知的环境污染；而热解法收热解设备限制，热解温度无法做到稳定精确地控制；且目前的在线检测设备无法用于烟尘含量大的烟气中。而低温等离子体加热法热有连续运行、易于控制，能量利用率高，可以达到极高的温度外，且结构简单。
参见图2，本发明提供的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，包括：包括采样探头1，烟温测量热电偶2，S型靠背管3，烟气取样枪4，等离子体加热装置5，伴热管加热装置6，烟尘过滤器7，冲撞击吸收瓶8，冷凝式除湿器9，样气温度测量热电偶10，样气压力测量热电偶11，累积流量计12，瞬时流量计13，抽力可调式抽气泵14，汞分析仪15，数据采集分析系统16，逆止阀17、取样进气阀18、吹扫进气阀19，吹扫装置20，标定单元进气阀21，带汞发生的标定装置22。
一种利用上述测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：
1)烟气由采样探头1流入取样管，通过测量烟气动压、静压和温度，利用流量控制器来控制取样流速和烟气实际流速保持一致，流经低温等离子体加热装置5时被加热到800℃左右，颗粒物中的汞都热解释放为气态汞，烟气流经烟尘过滤器7后将大部分烟尘过滤，避免了后续管道沾污和检测的干扰，取样烟气流速v计算由以下公式1得到；
Figure BDA0003320029580000071
2)经过过滤的烟气依次流入冲撞击吸收瓶8、冷凝式除湿器9、流量计和抽力可调式抽气泵14后，烟气经干燥和吸收处理，进入汞分析仪15测量，并被计算机记录，数据可以远程传输；
3)如只需测量烟气中气态汞单质，可将等离子体加热装置5切断；
4)连续测试4个小时即可进行管路的吹扫和反吹扫。
由上述测量装置实现的连续监测过程如下：
检测开始先进行管路吹扫和反吹扫，吹扫所用的气为压缩空气，可以有效防止积尘造成的取样误差。吹扫过程如下：关闭逆止阀17和标定单元进气阀21，打开取样进气阀18和吹扫进气阀19，此时让吹扫气进入管路并开始对管路进行吹扫，吹扫30s后停止并进行反吹扫；反吹扫过程如下：关闭标定单元进气阀21和取样进气阀18，打开逆止阀17和吹扫进气阀19进行烟气取样枪和取样探头的吹扫，持续30S后结束反吹扫，；吹扫和反吹扫完成后关闭所有阀门，进行标定工作。
吹扫完成后进行汞分析测量系统的标定，此步骤可以调高测量的准确性。首先打开标定单元进气阀21和取样进气阀18，让标定装置产生的汞蒸气依次流过转化系统、传输系统、汞分析仪，重复标定2次，并记录数据。
标定完成后即可开始烟气中汞的测量。测量步骤如下：首先开启预处理，等预处理温度稳定后，打开取样逆止阀17和进气阀18，同时开启动压跟踪取样流量控制系统和抽气泵，让取样烟气依次流过采样探头、低温等离子体加热装置、烟尘过滤装置、防干扰装置、冷凝式预处理器、流量器、抽气泵和汞分析仪，并且在汞分析仪中进行测量。
本发明公开了一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，该方法包括：取样单元；预处理系统；汞分析仪；标定单元；数据采集及传输系统。该方法利用低温等离子体加热技术的稳定可控性来加热烟气到800℃，从而实现了氧化态汞和颗粒态汞向单质汞的转化，省去了汞的化学转化或光催化转化，安全环保，并且增加了定期吹扫和反吹扫结构，避免了积尘带来的取样误差，结构简单，便于操作，能实时、准确监测汞的浓度。

Claims (10)

1.一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，其特征在于，包括取样单元、预处理系统、汞分析仪(15)、标定单元和数据采集及传输系统；
所述取样单元用于采集取样烟气，在采样的同时将烟气中颗粒态汞Hgp和氧化态汞热解释放出来，并转化为单质态汞；
所述预处理系统用于控制取样单元得采样方式为动压跟踪采样；
所述汞分析仪(15)测定采样中单质态汞的浓度；
所述标定单元将已知浓度的汞标准物质转化为Hg0，后经气路输入到汞分析仪(15)进行检测；
所述数据采集及传输系统用于将汞分析仪(15)得到的数据采集、存储和传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，其特征在于，所述取样单元包括采样探头(1)、热电偶(2)、S型靠背管(3)、等离子体加热装置(5)和烟气取样枪(4)，所述采样探头(1)、热电偶(2)、S型靠背管(3)设置在烟气取样枪(4)上，所述采样探头(1)内部加装等离子体加热装置(5)，用于将温度稳定控制在800℃以上。
3.根据权利要求1所述的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，其特征在于，所述预处理系统包括各设备间的传输管道，传输管道上依次安装有烟尘过滤器(7)、干扰消除装置和烟气冷凝装置、流量计和抽力可调式抽气泵(14)，所述烟尘过滤器(7)与取样单元中的等离子体加热装置(5)通过伴热管加热装置(6)相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，其特征在于，所述干扰消除装置采用盛有氢氧化钾溶液的冲撞击吸收瓶(8)，用于吸收烟气中的酸性气体，烟气冷凝装置为冷凝式除湿器(9)，用于干燥烟气。
5.根据权利要求4所述的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，其特征在于，所述烟尘过滤器(7)与冲撞击吸收瓶(8)之间的管道上设置有逆止阀(17)和取样进气阀(18)，所述逆止阀(17)和取样进气阀(18)之间的管道上连接有管道，所述管道分为两路，一路管道上设置吹扫装置(20)和吹扫进气阀(19)，另一路管道上设置有带汞发生的标定装置(22)和标定单元进气阀(21)。
6.根据权利要求3所述的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，其特征在于，所述流量计包括累积流量计(12)和瞬时流量计(13)。
7.根据权利要求1所述的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，其特征在于，所述汞分析仪(15)采用冷原子吸收光度法CVAAS、冷原子荧光光谱法CVAFS、原子发射光谱AES、差分吸收光谱DOAS或塞曼原子吸收光谱ZAAS，所述汞分析仪(15)一端与预处理系统中的抽力可调式抽气泵(14)相连，另一端连接数据采集分析系统(16)。
8.根据权利要求1所述的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置，其特征在于，所述标定单元的校准方式标气法校准，该单元所用的带汞发生的标定装置(22)将已知浓度的汞标准物质转化为Hg0，后经气路输入到汞分析仪(15)进行检测。
9.基于权利要求1-8任一项所述的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)烟气由采样探头(1)流入取样管，通过测量烟气动压、静压和温度，利用流量控制器来控制取样流速和烟气实际流速保持一致，流经低温等离子体加热装置(5)时被加热到800℃左右，颗粒物中的汞都热解释放为气态汞，烟气流经烟尘过滤器(7)后将大部分烟尘过滤，避免了后续管道沾污和检测的干扰，取样烟气流速v计算由以下公式得到；
Figure FDA0003320029570000031
2)经过过滤的烟气依次流入冲撞击吸收瓶(8)、冷凝式除湿器(9)、流量计和抽力可调式抽气泵(14)后，烟气经干燥和吸收处理，进入汞分析仪(15)测量，并被计算机记录，数据可以远程传输；
3)如只需测量烟气中气态汞单质，可将等离子体加热装置(5)切断；
4)连续测试4个小时即可进行管路的吹扫和反吹扫。
10.基于权利要求1-8任一项所述的一种基于低温等离子体热解的烟气中汞测量装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤；
1)检测开始先进行管路吹扫和反吹扫，吹扫所用的气为压缩空气；
吹扫过程如下：关闭逆止阀(17)和标定单元进气阀(21)，打开取样进气阀(18)和吹扫进气阀(19)，此时让吹扫气进入管路并开始对管路进行吹扫，吹扫30s后停止并进行反吹扫；
反吹扫过程如下：关闭标定单元进气阀(21)和取样进气阀(18)，打开逆止阀(17)和吹扫进气阀(19)进行烟气取样枪和取样探头的吹扫，持续30S后结束反吹扫；吹扫和反吹扫完成后关闭所有阀门，进行标定工作；
2)吹扫完成后进行汞分析测量系统的标定，此步骤可以调高测量的准确性，首先打开标定单元进气阀(21)和取样进气阀(18)，让带汞发生的标定装置(22)产生的汞蒸气依次流过转化系统、传输系统、汞分析仪(15)，重复标定2次，并记录数据；
3)标定完成后即可开始烟气中汞的测量，测量步骤如下：
首先开启预处理，等预处理温度稳定后，打开取样逆止阀(17)和进气阀(18)，同时开启动压跟踪取样流量控制系统和抽力可调式抽气泵(14)，让取样烟气依次流过采样探头(1)、等离子体加热装置(5)、烟尘过滤器(7)、冲撞击吸收瓶(8)、冷凝式除湿器(9)、流量器、抽力可调式抽气泵(14)和汞分析仪(15)，并且在汞分析仪(15)中进行测量。
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