CN113984950A - 基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统及监测方法。现有技术采用高温转化炉，温度大幅升降使系统密封性差，高温管路和设备容易漏气，引起汞监测结果偏差大。本发明组成包括：文丘里（1），文丘里通过管路分别与加热器A（5）、一级过滤器（2）、反吹阀B（4）、二级过滤器（6）连接，二级过滤器通过调节阀（22）与临界孔稀释器（8）连接，临界孔稀释器分别与加热器B（7）、三通阀（11）、回流口（28）连接，三通阀分别与总汞反应器（12）、元素汞反应器（13）连接，元素汞反应器上方分别与控制阀A（23）、总汞反应器的上方连接，其下方与废液泵（14）、总汞反应器的下方连接。本发明用于基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统。

Description

基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统及监测方法。

背景技术

汞是一种剧毒元素，元素态汞可在全球范围内迁移，迁移过程中转化的甲基汞毒性更强，直接威胁到人类的身体健康，汞对人的神经系统损害极大，少量汞就能危害大脑和记忆力，严重情况下会致残甚至死亡，为保护人体健康和环境免受汞和汞化合物人为排放和释放的危害，我国于2013年成为了《关于汞的水俣公约》的缔约国之一；

大气中的汞源自自然过程和人为活动，自然源的排汞过程主要包括：土壤、水体、植被、火山活动、森林火灾和地壳去气作用向大气的排汞，人为活动向大气排汞包括：燃煤、垃圾焚烧、氯碱生产、金属冶炼与加工等，人们迫切需要弄清固定污染源汞的排放规律，为进一步控制汞的排放提供参考和借鉴；

现有技术固定污染源汞采样设备一般采用高温转化炉将二价汞转化为元素汞进行总汞测量，元素汞可以直接测量，总汞与元素汞差值为二价汞，采样高温转化炉对汞形态进行转化存在一些不足；

首先，采样装置一般加热180-200℃，转化炉温度750℃以上，汞易挥发，对系统密封度要求高，温度大幅升降使得系统密封性差，高温管路和设备容易漏气，导致系统稀释比漂移，引起汞监测结果偏差大；其次，高温转化系统能耗高，以某进口汞监测装置T3300为例，采样装置伴热功率2.5KW，高温炉功率在2.0KW，并且长期高温运行存在火灾隐患，另外，高温转化炉系统的加热、伴热、保温架构复杂庞大，故障率高，稳定性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统及监测方法，该结构及方法能够实时监测元素汞和二价汞浓度，具有无高温加热，系统能耗低、密封性好、低温不易漏气等优点，有效提高了系统的稳定性。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，其组成包括：文丘里，所述的文丘里通过管路分别与加热器A、一级过滤器、反吹阀B、二级过滤器连接，所述的二级过滤器通过调节阀与临界孔稀释器连接，所述的临界孔稀释器分别与加热器B、三通阀、回流口连接，所述的三通阀分别与总汞反应器、元素汞反应器连接，所述的元素汞反应器上方分别与控制阀A、所述的总汞反应器的上方连接，其下方与废液泵、所述的总汞反应器的下方连接，所述的控制阀A通过输送泵A与二价汞吸收液罐连接。

所述的基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，所述的总汞反应器上方通过控制阀B与输送泵B连接，所述的是输送泵B与二价汞转化液罐连接，所述的总汞反应器、所述的元素汞反应器分别与标准流量计连接，所述的标准流量计与汞分析仪连接，所述的汞分析仪通过气态汞吸附管与真空泵连接。

所述的基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，所述的废液泵与排液阀连接，所述的加热器A与采气阀连接，所述的加热器B与稀释气阀连接，所述的一级过滤器分别与反吹阀A、进气阀连接，所述的进气阀、所述的文丘里分别与烟道连接。

一种基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统及监测方法，该方法包括如下步骤：

首先是文丘里内部为梯形口通道，梯形口尖端指向烟道，调整压缩空气使得一级过滤器后管道产生负压，烟气样品在虹吸作用下进入系统，临界孔稀释器利用稀释气对烟气样品按稀释比Xn在1/100-1/10范围内采集，其余样品气经回流口返回到固定污染源烟气管道；

总汞反应器盛有10%氯化亚锡溶液，输送泵B为硅胶管三滚轮结构确保稳定输送10%氯化亚锡溶液至总汞反应器，管路上的控制阀B可对输送流量进行调节控制，氯化亚锡溶液可将烟气样品中二价汞还原为元素汞通过所述的总汞反应器顶部排出；

元素汞反应器盛有0.2mol/L氯化钾溶液，输送泵A为硅胶管三滚轮结构确保稳定输送氯化钾溶液至元素汞反应器，管路上的控制阀A可对输送流量进行调节控制，氯化钾溶液可将烟气样品中二价汞吸收，吸收后烟气样品通过元素汞反应器顶部排出；

具体监测步骤如下：

步骤1：进气阀开启，反吹阀A进行管路吹扫30秒后关闭，反吹阀B开启吹扫一级过滤器，反吹阀B关闭；

步骤2：加热器A加热压缩空气至120℃，打开采气阀，烟气样品在负压作用下流过一级过滤器；

步骤3：调节阀开启，加热器B加热温度至120℃，开启稀释气阀净汞压缩空气抽取，按稀释比Xn在1/100-1/10范围内采集烟气样品通过采样临界孔稀释器出口，其余样品气经回流口返回到固定污染源烟气管道；

步骤4：三通阀开启至总汞反应器侧，开启时间60秒，进行烟气中总汞的测量，总汞测试结束后三通阀开启至元素汞反应器侧，开启时间60秒，三通阀按60秒间隔分别进行总汞的测量和元素汞的测量切换；

步骤5：总汞反应器内氯化亚锡溶液将烟气样品中的二价汞还原为元素汞，反应如下：

Sn²⁺+Hg²⁺→Sn⁴⁺+Hg⁰↑

二价汞还原的元素汞加上烟气样品中原有的元素汞一起通过汞反应器顶部排出，进入汞分析仪测量总汞含量M_Hg总；

步骤6：元素汞反应器内氯化钾溶液具有溶解吸收二价汞同时不溶元素汞特性，烟气样品中二价汞被氯化钾溶液吸收，未吸收的元素汞通过元素汞反应器顶部排出，进入汞分析仪测量元素汞含量M_Hg0；

步骤7：标准流量计间隔60秒反馈实时检测到的烟气样品体积Vx至汞分析仪，元素汞浓度、二价汞浓度以及总汞浓度按下式计算得到：

元素汞浓度C(Hg⁰)= Xn*M_Hg0/Vx；

二价汞浓度C(Hg²⁺)=Xn*（M_Hg总-M_Hg0）/Vx；

总汞浓度C(Hg)=Xn*M_Hg总/Vx；

步骤8：根据二价汞吸收液和二价汞转化液浓度，结合烟气样品各形态汞浓度，预测氯化亚锡溶液和氯化钾溶液失效时间，届时开启废液泵、输送泵A以及输送泵B进行有效溶液更换。

有益效果：

1.本发明是一种基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，该结构通过总汞反应器将烟气样品中二价汞还原为元素汞，用于总汞实时监测，元素汞反应器将烟气样品中二价汞吸收，用于元素汞实时监测，实时监测元素汞和二价汞浓度，具有无高温加热、系统能耗低、系统密封性好、低温不易漏气等优点，有效的提高了汞监测结果的精准度及系统的稳定性。

2.本发明无高温转化炉系统，结构巧妙，故障率低，可靠性好，适合温度范围50-180℃固定污染源排放，应用场景广，同时该结构的大稀释比设计，烟气样品成分适应性强。

3.本发明采用二级过滤除去烟气中颗粒，提高了其对烟气适应性，同时避免颗粒物对气态二价汞的吸附，防止烟气中不同形态汞状态失真，采用氯化亚锡还原液把烟气中二价汞还原转化成元素汞，监测烟气中总汞浓度，切换到氯化钾溶液把烟气中二价汞吸附下来，监测烟气中元素汞浓度，实现烟气中元素汞和二价汞分形态实施监测。

4.本发明的固定污染源颗粒汞和气态汞采样装置的技术指标满足国际先进的EPAMethod 30A标准质量保证和质量控制要求，提高了固定源不同形态汞采样的代表性，具有适用范围广、能耗低、操作简便、准确度高等优点。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

其中：1、文丘里，2、一级过滤器，3、反吹阀A，4、反吹阀B，5、加热器A，6、二级过滤器，7、加热器B，8、临界孔稀释器，9、二价汞吸收液罐，10、输送泵A，11、三通阀，12、总汞反应器，13、元素汞反应器，14、废液泵，15、输送泵B，16、二价汞转化液罐，17、汞分析仪，18、气态汞吸附管，19、真空泵，20、采气阀，21、稀释气阀，22、调节阀，23、控制阀A，24、控制阀B，25、标准流量计，26、排液阀，27、进气阀，28、回流口。

具体实施方式：

实施例1：

一种基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，其组成包括：文丘里1，所述的文丘里通过管路分别与加热器A5、一级过滤器2、反吹阀B4、二级过滤器6连接，所述的二级过滤器通过调节阀22与临界孔稀释器8连接，所述的临界孔稀释器分别与加热器B7、三通阀11、回流口28连接，所述的三通阀分别与总汞反应器12、元素汞反应器13连接，所述的元素汞反应器上方分别与控制阀A23、所述的总汞反应器的上方连接，其下方与废液泵14、所述的总汞反应器的下方连接，所述的控制阀A通过输送泵A10与二价汞吸收液罐9连接。

实施例2：

根据实施例1所述的基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，所述的总汞反应器上方通过控制阀B24与输送泵B15连接，所述的是输送泵B与二价汞转化液罐16连接，所述的总汞反应器、所述的元素汞反应器分别与标准流量计25连接，所述的标准流量计与汞分析仪17连接，所述的汞分析仪通过气态汞吸附管18与真空泵19连接。

实施例3：

根据实施例2所述的基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，所述的废液泵与排液阀连接，所述的加热器A与采气阀20连接，所述的加热器B与稀释气阀21连接，所述的一级过滤器分别与反吹阀A3、进气阀27连接，所述的进气阀、所述的文丘里分别与烟道连接。

实施例4：

根据实施例2所述的基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，所述的一级过滤器材质为疏松多孔的陶瓷体，其内部中空，用于过滤除去1u以上大颗粒，所述的反吹阀A和反吹阀B连接压力大于100kPa压缩空气，所述的反吹阀A用于吹扫进气管路和进气阀，所述的反吹阀B用于反吹一级过滤器，避免飞灰堵塞，所述的加热器A内设镍铬电热合金加热丝，用于加热进入文丘里的采样动力气，所述的二级过滤器为疏松多微孔的陶瓷过滤，用于过滤除去0.3u以上颗粒，所述的加热器B内设镍铬电热合金加热进入临界孔稀释器的稀释气，所述的临界孔稀释器利用稀释气对烟气样品按稀释比1/100-1/10稀释采样,其余烟气样品通过回流口返回到烟道；

所述的二价汞吸收液内置0.2mol/L氯化钾溶液，由优级纯试剂和电导率0.055uc/cm的除盐水配置，所述的输送泵A为硅胶管三滚轮结构确保稳定输送氯化钾溶液至元素汞反应器，管路上的控制阀A可对输送流量进行调节控制，所述的三通阀将稀释后烟气样品分时段送往总汞反应器和元素汞反应器，送样间隔60秒；所述的总汞反应器盛有10%氯化亚锡溶液，氯化亚锡溶液可将烟气样品中二价汞还原为元素汞通过所述的总汞反应器顶部排出，所述的元素汞反应器盛有0.2mol/L氯化钾溶液，氯化钾溶液可将烟气样品中二价汞吸收，吸收后烟气样品通过所述的元素汞反应器顶部排出；

所述的废液泵定期对总汞反应器和元素汞反应器排出废液；所述的二价汞转化液内置10%氯化亚锡溶液，由20%氯化亚锡溶液和电导率0.055uc/cm的除盐水稀释所制，通过输送泵B和控制阀B输入总汞反应器；

所述的输送泵B为硅胶管三滚轮结构确保稳定输送10%氯化亚锡溶液至总汞反应器，管路上的控制阀B可对输送流量进行调节控制；

所述的汞分析仪为紫外原子吸收汞光谱仪，根据波长在 253.7nm的吸收度检测汞含量，检测后废气进入气态汞吸附管；

所述的气态汞吸附管内置改性活性炭，吸附烟气样品中的汞，防止汞排入大气，所述的真空泵提供烟气样品输送动力；

所述的标准流量计包括光电检测器、皮膜流量计和热电偶，对烟气样品标准状态体积（273.15K，101.325kPa）进行实时计量，用于计算不同形态汞浓度。

实施例5：

根据实施例1-4所述的基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统的监测方法，该方法包括如下步骤：

首先是文丘里内部为梯形口通道，梯形口尖端指向烟道，调整压缩空气使得一级过滤器后管道产生负压，烟气样品在虹吸作用下进入系统，临界孔稀释器利用稀释气对烟气样品按稀释比Xn在1/100-1/10范围内采集，其余样品气经回流口返回到固定污染源烟气管道；

总汞反应器盛有10%氯化亚锡溶液，输送泵B为硅胶管三滚轮结构确保稳定输送10%氯化亚锡溶液至总汞反应器，管路上的控制阀B可对输送流量进行调节控制，氯化亚锡溶液可将烟气样品中二价汞还原为元素汞通过所述的总汞反应器顶部排出；

元素汞反应器盛有0.2mol/L氯化钾溶液，输送泵A为硅胶管三滚轮结构确保稳定输送氯化钾溶液至元素汞反应器，管路上的控制阀A可对输送流量进行调节控制，氯化钾溶液可将烟气样品中二价汞吸收，吸收后烟气样品通过元素汞反应器顶部排出；

具体监测步骤如下：

步骤1：进气阀开启，反吹阀A进行管路吹扫30秒后关闭，反吹阀B开启吹扫一级过滤器，反吹阀B关闭；

步骤2：加热器A加热压缩空气至120℃，打开采气阀，烟气样品在负压作用下流过一级过滤器；

步骤3：调节阀开启，加热器B加热温度至120℃，开启稀释气阀净汞压缩空气抽取，按稀释比Xn在1/100-1/10范围内采集烟气样品通过采样临界孔稀释器出口，其余样品气经回流口返回到固定污染源烟气管道；

步骤4：三通阀开启至总汞反应器侧，开启时间60秒，进行烟气中总汞的测量，总汞测试结束后三通阀开启至元素汞反应器侧，开启时间60秒，三通阀按60秒间隔分别进行总汞的测量和元素汞的测量切换；

步骤5：总汞反应器内氯化亚锡溶液将烟气样品中的二价汞还原为元素汞，反应如下：

Sn²⁺+Hg²⁺→Sn⁴⁺+Hg⁰↑

二价汞还原的元素汞加上烟气样品中原有的元素汞一起通过汞反应器顶部排出，进入汞分析仪测量总汞含量M_Hg总；

步骤6：元素汞反应器内氯化钾溶液具有溶解吸收二价汞同时不溶元素汞特性，烟气样品中二价汞被氯化钾溶液吸收，未吸收的元素汞通过元素汞反应器顶部排出，进入汞分析仪测量元素汞含量M_Hg0；

步骤7：标准流量计间隔60秒反馈实时检测到的烟气样品体积Vx至汞分析仪，元素汞浓度、二价汞浓度以及总汞浓度按下式计算得到：

元素汞浓度C(Hg⁰)= Xn*M_Hg0/Vx；

二价汞浓度C(Hg²⁺)=Xn*（M_Hg总-M_Hg0）/Vx；

总汞浓度C(Hg)=Xn*M_Hg总/Vx；

步骤8：根据二价汞吸收液和二价汞转化液浓度，结合烟气样品各形态汞浓度，预测氯化亚锡溶液和氯化钾溶液失效时间，届时开启废液泵、输送泵A以及输送泵B进行有效溶液更换。

Claims (4)

1.一种基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，其组成包括：文丘里，其特征是：所述的文丘里通过管路分别与加热器A、一级过滤器、反吹阀B、二级过滤器连接，所述的二级过滤器通过调节阀与临界孔稀释器连接，所述的临界孔稀释器分别与加热器B、三通阀、回流口连接，所述的三通阀分别与总汞反应器、元素汞反应器连接，所述的元素汞反应器上方分别与控制阀A、所述的总汞反应器的上方连接，其下方与废液泵、所述的总汞反应器的下方连接，所述的控制阀A通过输送泵A与二价汞吸收液罐连接。

2.根据权利要求1所述的基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，其特征是：所述的总汞反应器上方通过控制阀B与输送泵B连接，所述的是输送泵B与二价汞转化液罐连接，所述的总汞反应器、所述的元素汞反应器分别与标准流量计连接，所述的标准流量计与汞分析仪连接，所述的汞分析仪通过气态汞吸附管与真空泵连接。

3.根据权利要求1所述的基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统，其特征是：所述的废液泵与排液阀连接，所述的加热器A与采气阀连接，所述的加热器B与稀释气阀连接，所述的一级过滤器分别与反吹阀A、进气阀连接，所述的进气阀、所述的文丘里分别与烟道连接。

4.一种权利要求1-3之一所述的基于化学吸收的元素汞和二价汞监测系统及监测方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

首先是文丘里内部为梯形口通道，梯形口尖端指向烟道，调整压缩空气使得一级过滤器后管道产生负压，烟气样品在虹吸作用下进入系统，临界孔稀释器利用稀释气对烟气样品按稀释比Xn在1/100-1/10范围内采集，其余样品气经回流口返回到固定污染源烟气管道；

总汞反应器盛有10%氯化亚锡溶液，输送泵B为硅胶管三滚轮结构确保稳定输送10%氯化亚锡溶液至总汞反应器，管路上的控制阀B可对输送流量进行调节控制，氯化亚锡溶液可将烟气样品中二价汞还原为元素汞通过所述的总汞反应器顶部排出；

元素汞反应器盛有0.2mol/L氯化钾溶液，输送泵A为硅胶管三滚轮结构确保稳定输送氯化钾溶液至元素汞反应器，管路上的控制阀A可对输送流量进行调节控制，氯化钾溶液可将烟气样品中二价汞吸收，吸收后烟气样品通过元素汞反应器顶部排出；

具体监测步骤如下：

步骤1：进气阀开启，反吹阀A进行管路吹扫30秒后关闭，反吹阀B开启吹扫一级过滤器，反吹阀B关闭；

步骤2：加热器A加热压缩空气至120℃，打开采气阀，烟气样品在负压作用下流过一级过滤器；

步骤3：调节阀开启，加热器B加热温度至120℃，开启稀释气阀净汞压缩空气抽取，按稀释比Xn在1/100-1/10范围内采集烟气样品通过采样临界孔稀释器出口，其余样品气经回流口返回到固定污染源烟气管道；

步骤4：三通阀开启至总汞反应器侧，开启时间60秒，进行烟气中总汞的测量，总汞测试结束后三通阀开启至元素汞反应器侧，开启时间60秒，三通阀按60秒间隔分别进行总汞的测量和元素汞的测量切换；

步骤5：总汞反应器内氯化亚锡溶液将烟气样品中的二价汞还原为元素汞，反应如下：

Sn²⁺+Hg²⁺→Sn⁴⁺+Hg⁰↑

二价汞还原的元素汞加上烟气样品中原有的元素汞一起通过汞反应器顶部排出，进入汞分析仪测量总汞含量M_Hg总；

步骤6：元素汞反应器内氯化钾溶液具有溶解吸收二价汞同时不溶元素汞特性，烟气样品中二价汞被氯化钾溶液吸收，未吸收的元素汞通过元素汞反应器顶部排出，进入汞分析仪测量元素汞含量M_Hg0；

步骤7：标准流量计间隔60秒反馈实时检测到的烟气样品体积Vx至汞分析仪，元素汞浓度、二价汞浓度以及总汞浓度按下式计算得到：

元素汞浓度C(Hg⁰)= Xn*M_Hg0/Vx；

二价汞浓度C(Hg²⁺)=Xn*（M_Hg总-M_Hg0）/Vx；

总汞浓度C(Hg)=Xn*M_Hg总/Vx；

步骤8：根据二价汞吸收液和二价汞转化液浓度，结合烟气样品各形态汞浓度，预测氯化亚锡溶液和氯化钾溶液失效时间，届时开启废液泵、输送泵A以及输送泵B进行有效溶液更换。

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