CN114739877B - 一种检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，包括用于对煤尘进行采样的第一采样管和第二采样管、分别与所述第一采样管和所述第二采样管连通的三通控制阀、与所述三通控制阀通过连接管道连通的光声光谱检测装置和用于对煤尘中的SiO2进行反应的SiO2反应管，所述SiO2反应管设置在所述第二采样管上。本发明通过设置三通控制阀便于对煤尘采样线路进行改动，通过第一采样管和第二采样管分别与光声光谱检测装置连通，从而能够差分精确检测反应的CO含量，进而获得二氧化硅SiO2含量，作为煤尘中游离SiO2含量的判断依据，该系统和方法解决了煤尘中游离SiO2无法在线实时检测的难题，精度高、成本低，为煤矿呼吸性粉尘浓度实时监控奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及矿井粉尘检测领域，具体涉及一种检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统及方法。
背景技术
呼吸性粉尘是导致尘肺病的主要因素，而尘肺病是我国最严重的职业病。《煤矿安全规程》规定，煤矿企业对井下生产性粉尘必须进行监测，当煤尘中游离SiO2含量<10%时，时间加权平均容许浓度下的呼吸性粉尘应小于2.5mg/m3、总粉尘应小于4mg/m3等。可见，粉尘中游离二氧化硅含量是判断粉尘是否超标的重要依据，规程规定粉尘中游离二氧化硅含量必须每半年测定一次。二氧化硅以游离气态的形式漂浮在煤尘空气中，含量较少，现有的检测技术手段多为离线采样，无法做到在线检测，在实时性和准确性上存在较大缺陷。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统及方法，基于二氧化硅SiO2与碳C高温反应生成固态Si和气态CO特性，通过检测CO含量进而定量获得二氧化硅SiO2，作为煤尘中游离SiO2含量的判断依据，再基于CO与CuO高温反应生成固态Cu和气态CO2、以及CO2与液态NaOH反应生成液态NaCO3和H2O特性，做尾气处理，基于光声效应，由光声光谱系统在特定红外波段精确检测CO含量，该系统和方法解决了煤尘中游离SiO2无法在线实时检测的难题，精度高、成本低。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，包括用于对煤尘进行采样的第一采样管和第二采样管、分别与所述第一采样管和所述第二采样管连通的三通控制阀、与所述三通控制阀通过连接管道连通的光声光谱检测装置和用于对煤尘中的SiO2进行反应的SiO2反应管，所述SiO2反应管设置在所述第二采样管上。
进一步的，所述SiO2反应管自内向外包括碳管和进气加热带，通过进气加热带对碳管进行加热，第二采样管送入的煤尘中的SiO2与加热后的碳管反应并将反应后的气体通过三通控制阀送入所述光声光谱检测装置中。
进一步的，所述进气加热带的外部设置有第一保温层，所述第一保温层自内而外包括进气耐高温石英毡、进气耐高温石英纤维和进气耐高温保温棉。
进一步的，所述光声光谱检测装置包括与所述连接管道连通的光声腔体、激光器、调制信号器、反射镜、设置在所述光声腔体两端的石英窗片、设置在所述光声腔体中部的微音器、用于对所述微音器产生的光声信号进行采集放大的锁相放大器和检测软件，所述激光器经调制信号器输出激光，反射镜对激光进行反射经石英窗片进入光声腔体内。
进一步的，所述光声光谱装置还包括用于抽取气体的采样泵和设置在所述采样泵上的流量计。
进一步的，还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置包括与所述采样泵的出气口连通的尾气转化管和与所述尾气转化管连通的NaOH液瓶，所述NaOH液瓶设置有用于将处理后的尾气进行排放的出气管。
进一步的，所述尾气转化管自内而外包括氧化铜管和用于对所述氧化铜管进行加热的出气加热带。
进一步的，所述出气加热带的外部设置有第二保温层，所述第二保温层自内而外包括出气耐高温石英毡、出气耐高温石英纤维和出气耐高温保温棉。
进一步的，所述SiO2反应管和所述尾气转化管上分别设置有温度探头。
优选的，所述第一采样管上设置有第一过滤膜。
优选的，所述连接管道上设置有第二过滤膜。
一种检测煤尘中游离二氧化硅浓度的方法，采用上述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，检测步骤如下：
步骤1：调节三通控制阀到本底采样气路，即第一采样管的气路，此时进入光声光谱检测装置内的待测对象为煤尘的本底CO；
步骤2：启动采样泵抽气，通过流量计控制煤尘进入的流量，煤尘经第一采样管进入，经三通控制阀进入光声腔体内；
步骤3：激光器经调制信号器输出方波调制信号，发出激光，经反射镜对激光进行反射经石英窗片进入光声腔体内，激光基于光声效应激发CO气体，产生声压波段，驱动设置在光声腔体上的微音器产生光声信号，光声信号与本底CO含量SCO本底成正比；
步骤4：由同一调制信号器调制的检测锁相放大器对微音器产生的光声信号进行采集放大，并在检测软件上显示本底CO含量SCO本底；
步骤5：调节三通控制阀到第二采样管的气路，待测煤尘经第二采样管进入SiO2反应管中，进气加热带对碳管进行加热，进气耐高温保温棉、进气耐高温石英纤维和进气耐高温石英毡设置在碳管的外部进行保温，温度探头对加热温度进行控制；
步骤6：在高温下，煤矿煤尘中的气态游离SiO2反应生成固态Si和气态CO，反应的气体经三通控制阀进入光声腔体内，重复步骤3对气体进行检测，此时得到反应后的总CO含量SCO总，减去本底CO含量SCO本底可得到气态游离SiO2反应生成的SCO反应，进而可换算得到气态游离SiO2的含量；
步骤7：采样泵将检测后的尾气送入尾气处理装置，出气加热带对氧化铜管进行加热，出气耐高温保温棉、出气耐高温石英纤维和出气耐高温石英毡设置在氧化铜管的外部进行保温，温度探头对加热温度进行控制，氧化铜管中的CuO在高温下，与尾气中的CO高温反应生产固态Cu和气态CO2；
步骤8：由步骤7反应后尾气携带CO2进入NaOH液瓶，CO2与液态NaOH反应生成液态NaCO3和H2O，完成尾气处理后经出气管排出。
对比现有技术，本发明具有如下的有益效果：本发明通过设置三通控制阀便于对煤尘采样线路进行改动，通过第一采样管和第二采样管分别与光声光谱检测装置连通，从而能够差分精确检测反应的CO含量，进而获得二氧化硅SiO2含量，作为煤尘中游离SiO2含量的判断依据，该系统和方法解决了煤尘中游离SiO2无法在线实时检测的难题，精度高、成本低，为煤矿呼吸性粉尘浓度实时监控奠定基础。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统的结构示意图。
图中：1、第一采样管；2、第二采样管；3、三通控制阀；31、连接管道；4、光声光谱检测装置；5、SiO2反应管；51、碳管；52、进气加热带；53、第一保温层；531、进气耐高温石英毡；532、进气耐高温石英纤维；533、进气耐高温保温棉；41、光声腔体；42、激光器；43、调制信号器；44、反射镜；45、石英窗片；46、微音器；47、锁相放大器；48、检测软件；49、采样泵；50、流量计；6、尾气处理装置；61、尾气转化管；62、NaOH液瓶；63、出气管；611、氧化铜管；612、出气加热带；613、第二保温层；601、出气耐高温石英毡；602、出气耐高温石英纤维；603、出气耐高温保温棉；54、温度探头；11、第一过滤膜；32、第二过滤膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本发明检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，包括用于对煤尘进行采样的第一采样管1和第二采样管2、分别与所述第一采样管1和所述第二采样管2连通的三通控制阀3、与所述三通控制阀3通过连接管道31连通的光声光谱检测装置4和用于对煤尘中的SiO2进行反应的SiO2反应管5，所述SiO2反应管5设置在所述第二采样管2上。
在一实施例中，所述SiO2反应管5自内向外包括碳管51和进气加热带52，通过进气加热带52对碳管51进行加热，第二采样管2送入的煤尘中的SiO2与加热后的碳管51反应并将反应后的气体通过三通控制阀3送入所述光声光谱检测装置4中。这样设计，通过对碳管51进行加热提供高温条件，方便煤尘中携带的SiO2与加热后的碳管51反应。
在一实施例中，所述进气加热带52的外部设置有第一保温层53，所述第一保温层53自内而外包括进气耐高温石英毡531、进气耐高温石英纤维532和进气耐高温保温棉533。这样设计，能够为SiO2反应管5提供保温的效果，保证了反应温度的同时避免了资源的浪费。
在一实施例中，所述光声光谱检测装置4包括与所述连接管道31连通的光声腔体41、激光器42、调制信号器43、反射镜44、设置在所述光声腔体41两端的石英窗片45、设置在所述光声腔体41中部的微音器46、用于对所述微音器46产生的光声信号进行采集放大的锁相放大器47和检测软件48，所述激光器42经调制信号器43输出激光，反射镜44对激光进行反射经石英窗片45进入光声腔体41内。这样设计，煤尘进入光声腔体41内后，激光器42经调制信号器43输出激光后，反射镜44对激光进行反射经石英窗片45进入光声腔体41内，基于光声效应激发CO气体，产生声压波段，驱动设置在光声腔体41上的微音器46产生光声信号，由同一调制信号调制的检测锁相放大器47采集放大后，从而能够在检测软件48显示检测的CO含量。
在一实施例中，所述光声光谱装置还包括用于抽取气体的采样泵49和设置在所述采样泵49上的流量计50。这样设计，通过设置采样泵49，能够提供动力对煤尘进行抽取，使得煤尘进入光声腔体41内部，并通过设置流量计50，能够对进入煤尘的流量进行控制。
在一实施例中，还包括尾气处理装置6，所述尾气处理装置6包括与所述采样泵49的出气口连通的尾气转化管61和与所述尾气转化管61连通的NaOH液瓶62，所述NaOH液瓶62设置有用于将处理后的尾气进行排放的出气管63。这样设计，通过设置尾气处理装置6，能够便于对检测后的气体进行尾气处理，因检测后的气体中携带CO，避免了携带CO的气体直接排放造成了环境的污染。
在一实施例中，所述尾气转化管61自内而外包括氧化铜管611和用于对所述氧化铜管611进行加热的出气加热带612。这样设计，通过设置氧化铜管611，并通过出气加热带612进行加热，从而能够便于对检测后的气体中的CO进行反应。
在一实施例中，所述出气加热带612的外部设置有第二保温层613，所述第二保温层613自内而外包括出气耐高温石英毡601、出气耐高温石英纤维602和出气耐高温保温棉603。这样设计，能够为尾气转化管61提供保温的效果，方便了反应的进行并避免了资源的浪费。
在一实施例中，所述SiO2反应管5和所述尾气转化管61上分别设置有温度探头54。这样设计，通过设置温度探头54，能够便于对SiO2反应管5和尾气转化管61的温度进行控制，从而方便反应的进行。
优选的，所述第一采样管1上设置有第一过滤膜11。这样设计，能够对经第一采样管1进入的煤尘进行过滤，将煤尘中携带的固体颗粒拦截。
优选的，所述连接管道31上设置有第二过滤膜32。这样设计，能够对进入光声腔体41内部的煤尘进行过滤，将煤尘中携带的固体颗粒拦截。
一种检测煤尘中游离二氧化硅浓度的方法，采用上述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，检测步骤如下：
步骤1：调节三通控制阀3到本底采样气路，即第一采样管1的气路，此时进入光声光谱检测装置4内的待测对象为煤尘的本底CO；
步骤2：启动采样泵49抽气，通过流量计50控制煤尘进入的流量，煤尘经第一采样管1进入，在第一过滤膜11的作用下过滤煤尘中携带的颗粒粉尘后，经三通控制阀3并经过第二过滤膜32再次进行过滤后进入光声腔体41内；
步骤3：激光器42经调制信号器43输出方波调制信号，发出2.3μm中红外激光，基于2.3μm中红外可调谐二极管激光器42测CO气体，并选取4300.699 cm-1处的CO吸收谱线作为传感目标，经反射镜44对激光进行反射经石英窗片45进入光声腔体41内，激光基于光声效应激发CO气体，产生声压波段，驱动设置在光声腔体41上的微音器46产生光声信号，光声信号与本底CO含量SCO本底成正比；
步骤4：由同一调制信号器43调制的检测锁相放大器47对微音器46产生的光声信号进行采集放大，并在检测软件48上显示本底CO含量SCO本底；
步骤5：调节三通控制阀3到第二采样管2的气路，待测煤尘经第二采样管2进入SiO2反应管5中，进气加热带52对碳管51进行加热，进气耐高温保温棉533、进气耐高温石英纤维532和进气耐高温石英毡531设置在碳管51的外部进行保温，温度探头54控制SiO2反应管5的温度为300-500℃；
步骤6：在300-500℃的情况下，按照公式1，煤矿煤尘中的气态游离SiO2反应生成固态Si和气态CO，反应的气体经三通控制阀3在第二过滤膜32的作用下过滤气体中携带的颗粒粉尘后，进入光声腔体41内，重复步骤3对气体进行检测，此时得到反应后的总CO含量SCO总，减去本底CO含量SCO本底可得到气态游离SiO2反应生成的SCO反应，进而根据公式1可以得到气态游离SiO2的含量；
SiO2+2C=高温=Si+2CO （公式1）
步骤7：采样泵49将检测后的尾气送入尾气处理装置6，出气加热带612对氧化铜管611进行加热，出气耐高温保温棉603、出气耐高温石英纤维602和出气耐高温石英毡601设置在氧化铜管611的外部进行保温，温度探头54控制氧化铜管611的温度为300-500℃，按照公式2，氧化铜管611中的CuO在高温下，与尾气中的CO高温反应生产固态Cu和气态CO2；
CO+CuO=高温=Cu+CO2 （公式2）
步骤8：由步骤7反应后尾气携带CO2进入NaOH液瓶62，按照公式3，CO2与液态NaOH反应生成液态Na2 CO3和H2O，完成尾气处理后经出气管63排出。
2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O （公式3）
具体地，本发明的系统在配备安全外壳后，可以应用于矿井各类复杂环境，检测精度不受环境影响。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (9)
1.一种检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，其特征在于：包括用于对煤尘进行采样的第一采样管(1)和第二采样管(2)、分别与所述第一采样管(1)和所述第二采样管(2)连通的三通控制阀(3)、与所述三通控制阀(3)通过连接管道(31)连通的光声光谱检测装置(4)和用于对煤尘中的SiO2进行反应的SiO2反应管(5)，所述SiO2反应管(5)设置在所述第二采样管(2)上；
所述SiO2反应管(5)自内向外包括碳管(51)和进气加热带(52)，通过进气加热带(52)对碳管(51)进行加热，第二采样管(2)送入的煤尘中的SiO2与加热后的碳管(51)反应并将反应后的气体通过三通控制阀(3)送入所述光声光谱检测装置(4)中。
2.如权利要求1所述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，其特征在于：所述进气加热带(52)的外部设置有第一保温层(53)，所述第一保温层(53)自内而外包括进气耐高温石英毡(531)、进气耐高温石英纤维(532)和进气耐高温保温棉(533)。
3.如权利要求1或2所述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，其特征在于：所述光声光谱检测装置(4)包括与所述连接管道(31)连通的光声腔体(41)、激光器(42)、调制信号器(43)、反射镜(44)、设置在所述光声腔体(41)两端的石英窗片(45)、设置在所述光声腔体(41)中部的微音器(46)、用于对所述微音器(46)产生的光声信号进行采集放大的锁相放大器(47)和检测软件(48)，所述激光器(42)经调制信号器(43)输出激光，反射镜(44)对激光进行反射经石英窗片(45)进入光声腔体(41)内。
4.如权利要求3所述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，其特征在于：所述光声光谱装置还包括用于抽取气体的采样泵(49)和设置在所述采样泵(49)上的流量计(50)。
5.如权利要求4所述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，其特征在于：还包括尾气处理装置(6)，所述尾气处理装置(6)包括与所述采样泵(49)的出气口连通的尾气转化管(61)和与所述尾气转化管(61)连通的NaOH液瓶(62)，所述NaOH液瓶(62)设置有用于将处理后的尾气进行排放的出气管(63)。
6.如权利要求5所述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，其特征在于：所述尾气转化管(61)自内而外包括氧化铜管(611)和用于对所述氧化铜管(611)进行加热的出气加热带(612)。
7.如权利要求6所述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，其特征在于：所述出气加热带(612)的外部设置有第二保温层(613)，所述第二保温层(613)自内而外包括出气耐高温石英毡(601)、出气耐高温石英纤维(602)和出气耐高温保温棉(603)。
8.如权利要求5或6所述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，其特征在于：所述SiO2反应管(5)和所述尾气转化管(61)上分别设置有温度探头(54)。
9.一种检测煤尘中游离二氧化硅浓度的方法，其特征在于：采用如权利要求1-8中任一项所述的检测煤尘中游离二氧化硅浓度的系统，检测步骤如下：
步骤1：调节三通控制阀(3)到本底采样气路，即第一采样管(1)的气路，此时进入光声光谱检测装置(4)内的待测对象为煤尘的本底CO；
步骤2：启动采样泵(49)抽气，通过流量计(50)控制煤尘进入的流量，煤尘经第一采样管(1)进入，经三通控制阀(3)进入光声腔体(41)内；
步骤3：激光器(42)经调制信号器(43)输出方波调制信号，发出激光，经反射镜(44)对激光进行反射经石英窗片(45)进入光声腔体(41)内，激光基于光声效应激发CO气体，产生声压波段，驱动设置在光声腔体(41)上的微音器(46)产生光声信号，光声信号与本底CO含量SCO本底成正比；
步骤4：由同一调制信号器(43)调制的检测锁相放大器(47)对微音器(46)产生的光声信号进行采集放大，并在检测软件(48)上显示本底CO含量SCO本底；
步骤5：调节三通控制阀(3)到第二采样管(2)的气路，待测煤尘经第二采样管(2)进入SiO2反应管(5)中，进气加热带(52)对碳管(51)进行加热，进气耐高温保温棉(533)、进气耐高温石英纤维(532)和进气耐高温石英毡(531)设置在碳管(51)的外部进行保温，温度探头(54)对加热温度进行控制；
步骤6：在高温下，煤矿煤尘中的气态游离SiO2反应生成固态Si和气态CO，反应的气体经三通控制阀(3)进入光声腔体(41)内，重复步骤3对气体进行检测，此时得到反应后的总CO含量SCO总，减去本底CO含量SCO本底可得到气态游离SiO2反应生成的SCO反应，进而可换算得到气态游离SiO2的含量；
步骤7：采样泵(49)将检测后的尾气送入尾气处理装置(6)，出气加热带(612)对氧化铜管(611)进行加热，出气耐高温保温棉(603)、出气耐高温石英纤维(602)和出气耐高温石英毡(601)设置在氧化铜管(611)的外部进行保温，温度探头(54)对加热温度进行控制，氧化铜管(611)中的CuO在高温下，与尾气中的CO高温反应生产固态Cu和气态CO2；
步骤8：由步骤7反应后尾气携带CO2进入NaOH液瓶(62)，CO2与液态NaOH反应生成液态Na2 CO3和H2O，完成尾气处理后经出气管(63)排出。
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