CN115032339A - 一种高浓度烟气稀释测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高浓度烟气稀释测量装置及方法，装置包括流量控制系统、气体混合系统和成分测量装置，流量控制系统包括高浓度烟气流量控制和标气流量控制；气体混合系统包括初次混合、旋转混合和静压箱。该装置及方法有效避免了未知成分混合烟气流量检测精度问题，只需通过两次不同配比标气流量和混合气中标气浓度，即可获得稀释比例，从而求得高浓度烟气成分。

Description

一种高浓度烟气稀释测量装置及方法
技术领域
本发明涉及烟气污染物测量稀释领域，具体涉及一种高浓度烟气稀释测量装置及方法，其目的在于通过配比2次不同标气流量，获得实际的混合气体流量和高浓度污染物浓度，利用气流自身流动特性，实现不同流股气流的均匀混合，达到精确测量高浓度混合气污染物成分的目标。
背景技术
常规的烟气分析仪对某些气体成分测量范围有一定限制，当烟气/混合气中某些成分超量程时，烟气分析仪便不能正常工作。
根据不同流量计的测量方法不同，同样的流量计指数，实际气体的流量的转换系数并不相同，因此对于非标准气体或者未知成分的合成气，很难实现精确的流量测量，因此也很难实现合成气的流量的定量供给控制。除了定量问题，不同流股的气体混合，实现组分间的均匀分布也存在较大难度，通常采用搅拌方式，或者长时间静置方式，而对于连续的测量上，两种方法很难实现不同组分的均匀混合。
发明专利申请《气体稀释装置与方法》(CN 112781970 A)提出一种将高浓度气体送入混合罐进行混合，需要已知高浓度标准气体浓度，只适合于高浓度气体稀释，不适合烟气成分在线测量。
发明专利申请《气体稀释装置和方法》(CN 112816308 A)通过压力调控方式实现了气体的定量稀释，该稀释方法只适合于静态过程，也不能实现在线测量。
发明专利申请《一种用于精密仪器测量的前置气体稀释装》(CN 110631887 A)提出采用容积式流量计进行流量控制，该方式必须保证两种气体的温度一致，而且混合室必须有足够的空间和停留时间，才能保证两股气流组分的充分混合。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种高浓度烟气稀释测量装置及方法，不需要了解高浓度烟气的成分，并且使得混合气组分的充分混合，实现了高浓度烟气的浓度测量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高浓度烟气稀释测量装置，包括：
第一管路，其进气端与高浓度烟气连接，第一管路中按照气体流向依次连接高浓度烟气气泵、高浓度烟气流量控制器；
第二管路，其进气端与标气连接，第二管路中连接有标气流量控制器；
射流混合器，从所述第一管路末端流出的高浓度烟气沿垂直于所述射流混合器轴线方向的喉部流入，从所述第二管路末端流出的标气沿所述射流混合器轴线流入；
所述第二管路上进气端直径是第一管路上进气端直径的3倍以上；
第三管路，其进气端与所述射流混合器的出气端连接，出气端与烟气分析仪连接，第三管路中沿气体流向依次连接有旋转混合器和静压箱；
排气阀，设置在第三管路上位于所述静压箱和烟气分析仪之间；
数据采集及控制单元，分别与所述高浓度烟气流量控制器、标气流量控制器以及烟气分析仪信号连接。
所述的射气混合器为拉瓦尔喷管结构。
所述的射气混合器为渐缩管连接直管，再加渐扩管的结构。
所述的旋转混合器为进口夹套式空间流场和收缩段出口的结构，经射气混合器出来的混合气沿切向流入旋转混合气，在旋转混合气的夹套空间产生旋转降速，进入下游收缩段，沿旋转混合器轴线方向流出旋流混合气。
所述静压箱的直径为所述第三管道直径的4倍以上。
本发明进一步公开了一种基于所述高浓度烟气稀释测量装置进行测量的方法，通过第一管路中的高浓度烟气气泵将高浓度待测烟气送入高浓度流量控制器，设定流量为5～20sccm，计为x1 sccm，烟气中高浓度污染物体积分数为y1，通过第二管路通入标气，标气流量为v1 sccm，v1大于10倍x1，用烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c1；调节标气流量为v2 sccm，用烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c2，获得标气组分平衡公式：
Figure BDA0003671210240000031
Figure BDA0003671210240000032
计算获得烟气的实际流量和烟气中高浓度污染物体积分数分别为：
Figure BDA0003671210240000041
Figure BDA0003671210240000042
进一步的，当烟气成分波动，需要连续测量时，采用两级串联方式进行测量，所述高浓度烟气稀释测量装置包括两套，
在第一套高浓度烟气稀释测量装置中第三管路的静压箱和排气阀之间增设一混合气流量检测装置，
第二套高浓度烟气稀释测量装置中的第一管路进气端连接在第一套高浓度烟气稀释测量装置的第三管路中所述排气阀和混合气流量检测装置之间；
测量步骤如下：第一套高浓度烟气稀释测量装置中的高浓度烟气气泵将高浓度待测烟气送入高浓度流量控制器，设定流量为5～20sccm，计为x1 sccm，烟气中高浓度污染物体积分数为y1，通过第一套高浓度烟气稀释测量装置中的第二管路通入标气，标气流量为v1sccm，v1大于10倍x1，测量混合气的流量为vm1,混合气分成三个流股，第一股进烟气分析仪，第二股进入下一级第二套高浓度烟气稀释测量装置中的高浓度烟气气泵，第三股排放；
用第一套高浓度烟气稀释测量装置中的烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c1；进入第二套高浓度烟气稀释测量装置中的气泵的混合气流量为vm2,调节第二套高浓度烟气稀释测量装置中标气流量为v2 sccm，用第二套高浓度烟气稀释测量装置中的烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c2，获得标气组分平衡公式：
Figure BDA0003671210240000051
Figure BDA0003671210240000052
x1+v1＝f·vm1 式6
Figure BDA0003671210240000053
其中：f为转换系数，n＜1；
计算获得烟气中高浓度污染物体积分数为
Figure BDA0003671210240000054
所述标气流量控制器控制的流量范围是高浓度烟气流量控制器控制流量的10倍以上，限定在1000倍以下。
所述的混合气流量检测装置为热式流量计。
所述标气为氮气。
有益效果：
第一.本发明通过射气混合器、旋转混合器和静压箱组合的方式，实现了高浓度气体的均匀快速混合，其中射气混合器可以实现烟气的快速混合，经过旋转混合器后混合器通过自身旋转实现均匀混合，经过静压箱的进一步扩散作用，进一步强化了混合效果。
第二.本发明利用气体自身流动特性实现了高浓度气体的快速均匀混合，与机械搅拌相比省去了搅拌器和搅拌电机，设备运行更加稳定；与静态混合器相比，混合更均匀，达到相同均匀度情况下混合时间更短。
第三.通过采用组合混合方式，实现快速均匀混合的效果，在未知高浓度烟气组分情况下，通过两次不同配气稀释，可以实现高浓度烟气的精确测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的高浓度烟气稀释测量装置；
图中：1、高浓度烟气气泵；2、高浓度烟气流量控制器；3、标气流量控制器；4、射气混合器；5、旋转混合器；6、静压箱；7、烟气分析仪；8、数据采集及控制单元；9、排气阀；F、高浓度烟气；N、标气；
图2为本发明实施例的射气混合器、旋转混合器和静压箱组成的混气系统。
图3a为本发明旋转混合器的主视图；
图3b为本发明旋转混合器的俯视图；
其中：a为进口尺寸，ΦD为旋流混合器出口直径，ΦD1为旋流混合器外径，ΦD2为旋流混合器内部轴心外径；
图4为本发明实施例2高浓度烟气连续测量原理示意图。
图5为烟气混合气效果图。
图中：1.1、第一套高浓度烟气稀释测量装置中高浓度烟气气泵；2.1、第一套高浓度烟气稀释测量装置中高浓度烟气流量控制器；3.1、第一套高浓度烟气稀释测量装置中标气流量控制器；4.1、第一套高浓度烟气稀释测量装置中射气混合器；5.1、第一套高浓度烟气稀释测量装置中旋转混合器；6.1、第一套高浓度烟气稀释测量装置中静压箱；7.1、第一套高浓度烟气稀释测量装置中烟气分析仪；9.1、第一套高浓度烟气稀释测量装置中排气阀；N1、第一套高浓度烟气稀释测量装置中标气；1.2、第二套高浓度烟气稀释测量装置中高浓度烟气气泵；2.2、第二套高浓度烟气稀释测量装置中高浓度烟气流量控制器；3.2、第二套高浓度烟气稀释测量装置中标气流量控制器；4.2、第二套高浓度烟气稀释测量装置中射气混合器；5.2、第二套高浓度烟气稀释测量装置中旋转混合器；6.2、第二套高浓度烟气稀释测量装置中静压箱；7.2、第二套高浓度烟气稀释测量装置中烟气分析仪；9.2、第二套高浓度烟气稀释测量装置中排气阀；N2、第二套高浓度烟气稀释测量装置中标气。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例1
如图1至图3所示，一种高浓度烟气稀释测量装置，包括：
第一管路，其进气端与高浓度烟气连接，第一管路中按照气体流向依次连接高浓度烟气气泵、高浓度烟气流量控制器；
第二管路，其进气端与标气连接，第二管路中连接有标气流量控制器；
射流混合器，从所述第一管路末端流出的高浓度烟气沿垂直于所述射流混合器轴线方向的喉部流入，从所述第二管路末端流出的标气沿所述射流混合器轴线流入；
所述第二管路上进气端直径是第一管路上进气端直径的3倍以上；
第三管路，其进气端与所述射流混合器的出气端连接，出气端与烟气分析仪连接，第三管路中沿气体流向依次连接有旋转混合器和静压箱；
排气阀，设置在第三管路上位于所述静压箱和烟气分析仪之间；
数据采集及控制单元，分别与所述高浓度烟气流量控制器、标气流量控制器以及烟气分析仪信号连接。
作为本发明实施例1技术方案的优选，所述的射气混合器为拉瓦尔喷管结构。
作为本发明实施例1技术方案的优选，所述的射气混合器为渐缩管连接直管，再加渐扩管的结构。
作为本发明实施例1技术方案的优选，所述的旋转混合器为进口夹套式空间流场和收缩段出口的结构，经射气混合器出来的混合气沿切向流入旋转混合气，在旋转混合气的夹套空间产生旋转降速，进入下游收缩段，沿旋转混合器轴线方向流出旋流混合气。其中旋流混合器内部轴心外径ΦD2与旋流混合器外径ΦD1的1/2以上，旋流混合器内部轴心为实心体或者封闭腔体。
作为本发明实施例1技术方案的优选，所述静压箱的直径为所述第三管道直径的4倍以上。
本发明实施例1所述高浓度烟气稀释测量装置进行测量的方法，通过第一管路中的高浓度烟气气泵将高浓度待测烟气送入高浓度流量控制器，设定流量为5～20sccm，计为x1 sccm，烟气中高浓度污染物体积分数为y1，通过第二管路通入标气，标气流量为v1 sccm，v1大于10倍x1，用烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c1；调节标气流量为v2 sccm，用烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c2，获得标气组分平衡公式：
Figure BDA0003671210240000091
Figure BDA0003671210240000092
计算获得烟气的实际流量和烟气中高浓度污染物体积分数分别为：
Figure BDA0003671210240000093
Figure BDA0003671210240000094
Figure BDA0003671210240000101
实施例2
如图4，当烟气成分波动，需要连续测量时，采用两级串联方式进行测量，所述高浓度烟气稀释测量装置包括两套，在第一套高浓度烟气稀释测量装置中第三管路的静压箱和排气阀之间增设一混合气流量检测装置，第二套高浓度烟气稀释测量装置中的第一管路进气端连接在第一套高浓度烟气稀释测量装置的第三管路中所述排气阀和混合气流量检测装置之间；
测量步骤如下：第一套高浓度烟气稀释测量装置中的高浓度烟气气泵将高浓度待测烟气送入高浓度流量控制器，设定流量为5～20sccm，计为x1 sccm，烟气中高浓度污染物体积分数为y1，通入标气，标气流量为v1 sccm，v1大于10倍x1，测量混合气的流量为vm1,混合气分成三个流股，一股进烟气分析仪，一股进入下一级第二套高浓度烟气稀释测量装置中的高浓度烟气气泵，一股排放；
用第一套高浓度烟气稀释测量装置中的烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c1；进入第二套高浓度烟气稀释测量装置中的气泵的混合气流量为vm2,调节第二套高浓度烟气稀释测量装置中标气流量为v2 sccm，用第二套高浓度烟气稀释测量装置中的烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c2，获得氮气组分平衡公式：
Figure BDA0003671210240000111
Figure BDA0003671210240000112
x1+v1＝f·vm1 式6
Figure BDA0003671210240000113
其中：f为转换系数，n＜1；
计算获得烟气中高浓度污染物体积分数为
Figure BDA0003671210240000114
优选的，标气流量控制器所能控制的流量范围是高浓度烟气流量控制器所能控制流量的10倍以上，限定在1000倍以下。
优选的，所述的混合气流量检测装置为热式流量计。
优选的，所述标气为氮气。
旋转混合器5由上部套筒、收缩段、进口和出口组成。混合气由进口切向进入旋转混合器5，利用气体的旋转实现了快速混合，旋转混合器进口速度不低于3m/s。
静压箱6为圆柱结构，其内部截面气体流速根据稀释倍数设定，通常取ΦD 4倍以上即可。
图5为气体混合器的稀释100倍的数值模拟结果，从结果可以看出，静压箱出口高浓度NH3的浓度均值约3s即可达到稳定状态，浓度偏差低于0.02％，具有很好的混合效果。浓度偏差计算见式9.
Figure BDA0003671210240000121
其中：s为浓度偏差，max(c)为出口截面浓度最大值，min(c)为出口截面浓度最小值。
为了更快实现混合气的均匀混合，还可以通过进一步减小旋转混合器和射气混合器尺寸，增加气体流速，从而实现快速混合，但体积减小后，稀释倍数会降低，具体问题可根据实际情况进行设计。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高浓度烟气稀释测量装置，其特征在于，包括：
第一管路，其进气端与高浓度烟气连接，第一管路中按照气体流向依次连接高浓度烟气气泵、高浓度烟气流量控制器；
第二管路，其进气端与标气连接，第二管路中连接有标气流量控制器；
射流混合器，从所述第一管路末端流出的高浓度烟气沿垂直于所述射流混合器轴线方向的喉部流入，从所述第二管路末端流出的标气沿所述射流混合器轴线流入；
所述第二管路上进气端直径是第一管路上进气端直径的3倍以上；
第三管路，其进气端与所述射流混合器的出气端连接，出气端与烟气分析仪连接，第三管路中沿气体流向依次连接有旋转混合器和静压箱；
排气阀，设置在第三管路上位于所述静压箱和烟气分析仪之间；
数据采集及控制单元，分别与所述高浓度烟气流量控制器、标气流量控制器以及烟气分析仪信号连接。
2.根据权利要求1所述的高浓度烟气稀释测量装置，其特征在于，所述的射气混合器为拉瓦尔喷管结构。
3.根据权利要求1所述的高浓度烟气稀释测量装置，其特征在于，所述的射气混合器为渐缩管连接直管，再加渐扩管的结构。
4.根据权利要求1所述的高浓度烟气稀释测量装置，其特征在于，所述的旋转混合器为进口夹套式空间流场和收缩段出口的结构，经射气混合器出来的混合气沿切向流入旋转混合器，在旋转混合器的夹套空间产生旋转降速，进入下游收缩段，沿旋转混合器轴线方向流出旋流混合气。
5.根据权利要求1所述的高浓度烟气稀释测量装置，其特征在于，所述静压箱的直径为所述第三管道直径的4倍以上。
6.一种基于权利要求1～5中任一所述高浓度烟气稀释测量装置进行测量的方法，其特征在于，
通过第一管路中的高浓度烟气气泵将高浓度待测烟气送入高浓度流量控制器，设定流量为5～20sccm，计为x1 sccm，烟气中高浓度污染物体积分数为y1，通过第二管路通入标气，标气流量为v1sccm，v1大于10倍x1，用烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c1；调节标气流量为v2 sccm，用烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c2，获得标气组分平衡公式：
Figure FDA0003671210230000021
Figure FDA0003671210230000022
计算获得烟气的实际流量和烟气中高浓度污染物体积分数分别为：
Figure FDA0003671210230000023
7.一种基于权利要求1～5中任一所述高浓度烟气稀释测量装置进行测量的方法，其特征在于，当烟气成分波动，需要连续测量时，采用两级串联方式进行测量，所述高浓度烟气稀释测量装置包括两套，
在第一套高浓度烟气稀释测量装置中第三管路的静压箱和排气阀之间增设一混合气流量检测装置，
第二套高浓度烟气稀释测量装置中的第一管路进气端连接在第一套高浓度烟气稀释测量装置的第三管路中所述排气阀和混合气流量检测装置之间；
测量步骤如下：第一套高浓度烟气稀释测量装置中的高浓度烟气气泵将高浓度待测烟气送入高浓度流量控制器，设定流量为5～20sccm，计为x1 sccm，烟气中高浓度污染物体积分数为y1，通过第一套高浓度烟气稀释测量装置中的第二管路通入标气，标气流量为v1sccm，v1大于10倍x1，测量混合气的流量为vm1,混合气分成三个流股，第一股进烟气分析仪，第二股进入下一级第二套高浓度烟气稀释测量装置中的高浓度烟气气泵，第三股排放；
用第一套高浓度烟气稀释测量装置中的烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c1；进入第二套高浓度烟气稀释测量装置中的气泵的混合气流量为vm2,调节第二套高浓度烟气稀释测量装置中标气流量为v2 sccm，用第二套高浓度烟气稀释测量装置中的烟气分析仪测混合气中的高浓度污染物体积分数,待示数稳定后计为c2，获得标气组分平衡公式：
Figure FDA0003671210230000041
Figure FDA0003671210230000042
x1+v1＝f·vm1 式6
Figure FDA0003671210230000043
其中：f为转换系数，n＜1；
计算获得烟气中高浓度污染物体积分数为
Figure FDA0003671210230000044
8.根据权利要求6或7所述的高浓度烟气稀释测量装置进行测量的方法，其特征在于，
所述标气流量控制器控制的流量范围是高浓度烟气流量控制器控制流量的10倍以上，限定在1000倍以下。
9.根据权利要求7所述的高浓度烟气稀释测量装置进行测量的方法，其特征在于，其特征在于，所述的混合气流量检测装置为热式流量计。
10.根据权利要求6或7所述的高浓度烟气稀释测量装置进行测量的方法，其特征在于，所述标气为氮气。
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