CN116296620B - 一种烟气分析仪的气路采集系统、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟气分析仪的气路采集系统、装置及方法，包括采样模块、冷凝模块、过滤模块、采样泵和气体分析模块；所述采样模块、冷凝模块、过滤模块、采样泵和气体分析模块之间通过采样管依次连接；本发明的气路采集装置的反应室相对独立作用，不会产生互相的干扰影响；前置进气嘴起到防止外界气压突变的作用，进一步保证了气体能够以稳定的扩散速度进入电化学传感器内部，避免了外界气压突变导致的传感器输出电流大小突变，通过此种结构可使气路采集装置体积和重量明显小于传统的结构，便于拆装和维护，非常适用于便携式手持烟气分析仪。

Description

一种烟气分析仪的气路采集系统、装置及方法

技术领域

本发明涉及烟气处理技术领域，特别涉及一种烟气分析仪的气路采集系统、装置及方法。

背景技术

电化学气体传感器的检测过程大致可以简化为两个步骤，第一个步骤是被测气体接触到工作电极的反应区域，在工作电极上的固体催化剂、电解液和气体所形成的三相界面能够发生固定的化学反应，第二步骤是气体分子在工作电极发生相应的氧化/还原的半反应发生电子转移形成电流。被测气体以何种方式进入电化学传感器是影响烟气分析仪测量精度的关键点之一。

随着环境排放要求的日益严苛，固定污染源排放的烟气除含有一定量的粉尘以外，还饱含水份，而传统的处理方式为利用大功率空气泵从废气排放烟道抽取大量的被测废气，对固定污染源的湿烟气进行滤尘、加热、快速冷凝缩小的方式，常见的方法有：Nafion管法、热湿法、冷干法等。传统的处理方式仅仅是简单的控制水份含量且处理装置体积较大，有些处理方式为了减少整体体积和重量，减少对被测气体在传送过程中的有效的处理，如仅考虑过滤和冷凝的前置预处理而忽视流速、流量、压力突变等各污染企业工况因素对电化学传感器监测数据的精确度及准确性的影响，亦未考虑各监测气体之间的交叉干扰，故而其测量结果与实际手工测量所的值大相径庭，且体积和重量都较大，不利于现场在烟囱操作平台的高空作业。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烟气分析仪的气路采集系统、装置及方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开了一种烟气分析仪的气路采集系统，包括采样模块、冷凝模块、过滤模块、采样泵和气体分析模块；所述采样模块、冷凝模块、过滤模块、采样泵和气体分析模块之间通过采样管依次连接；所述采样模块用于烟道气体采集；所述冷凝模块用于在分析气体前对采样气体内的水分进行冷凝；所述过滤模块用于过滤采样气体内的杂质和水分；所述采样泵用于将经过冷凝模块和过滤模块处理后的采样气体抽取至气体分析模块；所述气体分析模块包括气路采集装置和前置气嘴，所述气路采集装置进口处安装所述前置气嘴，所述气路采集装置包括分流腔和若干个反应室，分流腔与反应室之间通过毛细管连通，采样气体以扩散的方式由分流腔通过毛细管进入反应室，所述反应室内安装有电化学传感器，所述电化学传感器用于反应气体并分析气体。

作为优选的，所述采样模块具体为采样枪，所述采样枪头部设有采样探管，所述采样枪尾部安装有帕尔贴装置。

作为优选的，所述冷凝模块具体为T型冷凝管，所述T型冷凝管包括一体化设计的金属冷凝管腔和颗粒物过滤器，所述采样气体依次通过所述金属冷凝管腔和颗粒物过滤器，对采样气体中的水分和杂质进行过滤。

作为优选的，所述过滤模块具体为截水过滤器，对经过冷凝模块后的采样气体进行进一步过滤。

作为优选的，所述采样泵出口与前置气嘴进口通过管路连接，在所述管路上设有支路，所述支路上设有清洗泵，用于抽取空气对气体分析模块内部进行清洗。

本发明公开了一种烟气分析仪的气路采集装置，包括壳体，所述壳体上部设有分流腔，所述分流腔两端分别连接有前置气嘴和尾气处理装置，所述壳体内部设有若干个反应腔，所述反应腔内均安装有电化学传感器，所述分流腔与反应腔通过毛细管连通，采样气体以扩散的方式由所述分流腔通过毛细管进入反应室。

作为优选的，所述反应腔为柱状腔，所述毛细管位于所述反应腔的中心，所述分流腔路径呈M型，且依次经过若干个毛细管的正上方，和/或，所述前置气嘴内设有稳压腔和连通口。

作为优选的，所述电化学传感器包括感应电极、负电极、参考电极和辅助电极，所述感应电极和负电极之间被一层电解质薄膜分离，并由一个低阻抗外部电路连通，通过扩散方式进入传感器内部的气体在感应电极表面发生氧化或还原反应产生电信号；所述参考电极用来稳定感应电极电动势，保持了各自电压的稳定；所述辅助电极通过与感应电极处于同一温度环境下且不参与气体反应，用于和感应电极获得的电信号值作比较来加强温度的稳定性。

本发明公开了一种基于上述任一项所述的气路采集系统的采集方法，包括如下步骤：

S1、通过采样模块采集烟道气体，采样气体在采样泵的作用依次经过冷凝模块和过滤模块进行预处理；

S2、经过预处理后的采样气体进入气体分析模块进行分析：采样气体进入前置气嘴，在前置气嘴的作用下，采样气体稳定的进入分流腔，控制电化学传感器的反应速度，使采样气体以扩散的方式通过毛细管进入反应室与电化学传感器表面反应；

S3、电化学传感器对采样气体进行分析并反映在烟气分析仪上。

作为优选的，所述步骤S1具体为：所述采样气体通过采样模块的采样探管进入到帕尔贴内部进行冷凝，采样气体经过帕尔贴后到达T型冷凝管，通过T型冷凝管内的金属冷凝管腔和颗粒物过滤器进行水分的进一步冷凝和杂质的过滤，最后经过截水过滤器进行进一步过滤采样气体内的杂质和水分。

本发明的有益效果：本发明一种烟气分析仪的气路采集系统、装置及方法，气路采集装置的反应室相对独立作用，不会产生互相的干扰影响；前置进气嘴起到防止外界气压突变的作用，进一步保证了气体能够以稳定的扩散速度进入电化学传感器内部，避免了外界气压突变导致的传感器输出电流大小突变，通过此种结构可使气路采集装置体积和重量明显小于传统的结构，便于拆装和维护，非常适用于便携式手持烟气分析仪。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构示意图；

图2是本发明实施例的装置结构示意图；

图3是本发明实施例的分流腔结构示意图；

图4是本发明实施例的毛细管的内部结构示意图；

图5是本发明实施例的前置气嘴结构示意图；

图6是本发明实施例的原理示意图；

图7是本发明实施例电化学传感器示意图；

图8是本发明实施例实验二的实验结果图。

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了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1-5所示，本发明实施例提供了一种烟气分析仪的气路采集系统，其特征在于：包括采样模块、冷凝模块、过滤模块、采样泵和气体分析模块；所述采样模块、冷凝模块、过滤模块、采样泵和气体分析模块之间通过采样管依次连接；所述采样模块用于烟道气体采集；所述冷凝模块用于在分析气体前对采样气体内的水分进行冷凝；所述过滤模块用于过滤采样气体内的杂质和水分；所述采样泵用于将经过冷凝模块和过滤模块处理后的采样气体抽取至气体分析模块；所述气体分析模块包括气路采集装置和前置气嘴，所述气路采集装置进口处安装所述前置气嘴，所述气路采集装置包括分流腔和若干个反应室，分流腔与反应室之间通过毛细管连通，采样气体以扩散的方式由分流腔通过毛细管进入反应室，所述反应室内安装有电化学传感器，所述电化学传感器用于反应气体并分析气体。

所述采样模块具体为采样枪1，所述采样枪1头部设有采样探管11，所述采样枪1尾部安装有帕尔贴12。

所述冷凝模块具体为T型冷凝管3，所述T型冷凝管3包括一体化设计的金属冷凝管腔31和颗粒物过滤器32，所述采样气体依次通过所述金属冷凝管腔31和颗粒物过滤器32，对采样气体中的水分和杂质进行过滤。

所述过滤模块具体为截水过滤器4，对经过冷凝模块后的采样气体进行进一步过滤。

所述采样泵5出口与前置气嘴7进口通过管路连接，在所述管路上设有支路，所述支路上设有清洗泵6，用于抽取空气对气体分析模块内部进行清洗。

所述气路采集装置8，包括壳体，所述壳体上部设有分流腔84，也称气室，所述分流腔84两端分别连接有前置气嘴7和尾气处理装置，所述壳体内部设有若干个反应腔82，所述反应腔82内均安装有电化学传感器，所述分流腔84与反应腔82通过毛细管83连通，采样气体以扩散的方式由所述分流腔84通过毛细管83进入反应室。

所述反应腔82为柱状腔，所述毛细管83位于所述反应腔82的中心，所述分流腔84路径呈M型，且依次经过若干个毛细管83的正上方。

所述前置气嘴7内设有稳压腔71和连通口72。所述前置气嘴7用以防止外界气压的突变，压力的突变能改变传感器瞬时的扩散通量，从而产生信号的突变。外界的气压突变在前置气嘴7的作用下，对气室内部产生一个迟滞作用，采样气体到达稳压腔71内后在此迟滞，然后缓慢的通过连通口72向分流腔84内稳定传输，能对气室内部的气压相对保持稳定，使得外界气压产生的影响抵消掉。

如图7所示，电化学传感器包括4个电极：感应电极、负电极、参考电极、辅助电极。其中负电极、参考电极、辅助电极位于电化学传感器外部并与线路板插接，所述感应电极位于电化学传感器内部。

感应电极和负电极之间被一层电解质薄膜分离，并由一个低阻抗外部电路连通，通过扩散方式进入传感器内部的气体在感应电极表面发生氧化或还原反应产生电信号。

若单单使用感应电极和负电极的两电极极化作用时测量受到一定的限制，增加参考电极用来稳定感应电极电动势，保持了各自电压的稳定，这样使得负电极持续极化也不会对感应电极有任何影响，提高了测量的稳定性。

无反应气体时，传感器的感应电极上会产生一个微弱的电信号，而这个微弱的电信号会随着温度上升呈指数函数增加，因此如果有高精度要求，就需要辅助电极来弥补，加强温度的稳定性。感应电极与辅助电极的微弱电信号非常接近，在同一温度环境中，感应电极随温度变化与辅助电极保持一致。实际使用场景中，所有的目标气体在感应电极上反应产生一个信号，而辅助电极不参与气体反应，这样当感应电极和辅助电极都因为外部环境产生变化时，将感应电极信号值与辅助电极信号值两者作差分，即可得到气体信号的精确值。

本发明实施例还公开了一种气路采集方法，包括如下步骤：

S1、通过采样模块采集烟道气体，采样气体在采样泵的作用依次经过冷凝模块和过滤模块进行预处理；所述采样气体通过采样模块的采样探管进入到帕尔贴内部进行冷凝，采样气体经过帕尔贴后到达T型冷凝管，通过T型冷凝管内的金属冷凝管腔和颗粒物过滤器进行水分的进一步冷凝和杂质的过滤，最后经过截水过滤器进行进一步过滤采样气体内的杂质和水分；

S2、经过预处理后的采样气体进入气体分析模块进行分析：采样气体进入前置气嘴，在前置气嘴的作用下，采样气体稳定的进入分流腔，控制电化学传感器的反应速度，使采样气体以扩散的方式通过毛细管进入反应室与电化学传感器表面反应；

S3、电化学传感器对采样气体进行分析并反映在烟气分析仪上。

下面对采样气体通过扩散方式进入反应室进行有效采集的理论分析。

电化学传感器检测气体的大致过程简化成两个大的步骤，第一个步骤是气体通过扩散到达工作电极的三相界面处。 这里和大家提一下什么是三相界面，三相界面指的是，工作电极上的固体催化剂，电解液，以及气体所形成的三相接触的界面，大多数的气体分子只有在三相界面处才能够发生相应的电化学反应。

第二个步骤是气体分子在三相界面处发生相应的氧化/还原的半反应发生电子转移，形成电流；

通过法拉第定律，即对于氧化还原反应来说，气体分子的消反应量和电量成正比，可将电流信号和气体的消耗量联系起来，另外气体是通过扩散到达的工作电极的，如果扩散速度远小于电极反应速度的话，气体的扩散速度就可以和气体的消耗速度也就是电极的反应速度对等。因为只要是扩散过来的气体分子都会在电极上快速消耗掉。这样、就能把扩散速度和电流关系对应起来，再通过菲克定律，在气体温度和扩散通道不变的情况下，扩散速度和气体的浓度梯度成正比，那么这样就可以把气体浓度和工作电极上产生的电流信号对应起来， 但是这种对应关系是上一个前提下成立的，也就是扩散速度远小于电极反应速度，换言之，扩散速度应该是整个电化学传感器气体传感器检测过程的控诉步骤才能形成相应的关系。

另外对于扩散速度的控制，对于这个装置来说有如下方法：

气体扩散通量(Flux通量)受毛细管尺寸控制，毛细孔的大小会直接导致进气量（通量）的改变毛细孔扩散式的进气方式，通过调节毛细孔的孔径，能够将传感器的灵敏度调整到合适的范围。

但是进气量的大小往往不是由一个因素所决定的，比如压力的突变就能改变传感器瞬时的进气量，从而产生信号的突变，但是这种突变信号，往往能在很短的时间内就快速回复，这主要是因为经过一段时间后，可以再次建立新的内外气压平衡，使得外界气压产生的影响抵消掉。只剩下浓度梯度所产生的影响。显然，毛细孔的尺寸（长度和大小）可以控制传感器的进气量从而改变传感器的信号响应，可通过上述质改变某个传感器的量程；假设工作电极的最大Capacity是不变的，也就是说，工作电极产生的最大电流是不变的，那么可通过缩小毛细孔的尺寸，使得更大的浓度对应相同的气体通量，那么可以在不改变电极的情况下，增加传感器的量程。（对于毛细管的尺寸大小，可通过测试电化学传感器的反应速度来设计）

具体地，实现本发明目的的技术原理为：被测气体在气路采集装置的分流腔通过毛细管83依据菲克定律扩散至气路采集装置的反应室，与电化学传感器进行氧化/还原反应，依据法拉第定律计算电流和对应气体浓度的关系。设计原理具体如下：

设计气路采集装置的反应室简化模型如图6所示。根据菲克定律，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比，即气体的浓度与气体的扩散速率成正比关系(结论1)。

设气路孔径的直径为d，孔深深度为L，可以简化菲克定律为

；

其中叫做扩散系数，描述在某一个电解质中离子扩散的难易程度，系数越大，说明离子在该介质中跑的越欢畅，是一个固有属性，即定值，可以粗略如下表示

；

根据上述式子中的定值参数，可以得到

；

其中浓度差为；

进一步得到；

由于采集装置中分流腔的采集气体进入反应室内部的扩散速度远小于电极反应速度，进入反应室的气体，立马就与工作电极催化反应，故，得到最终的简化模型：

；

通过最终的简化模型，可以确定气体扩散通量J受毛细管尺寸的控制，同时也受到气路采集装置中温度和分流腔的气压影响(结论3)。

采集装置中分流腔的采集气体通过菲克定律扩散至反应室后，与电化学传感器的工作电极发生氧化/还原反应，根据法拉第定律，气体分子的反应量和电量成正比。气体是通过扩散方式到达电化学传感器的工作电极，只需要保证扩散速度远小于工作电极的反应速度，电化学传感器的电流信号就与气体的消耗量成正比关系，即电化学传感器的电流信号与气体的扩散速率成正比关系(结论2)。

根据结论1和结论2，得到如下结果：在保证扩散速度远小于工作电极的反应速度情况下，气体浓度就与电化学传感器的电流信号成正比关系。

根据结论3，气体扩散通量J受毛细管尺寸的控制，通过调节该气路装置的毛细孔孔径来控制采集气体进入气路采集装置的反应室的扩散速度，以及工作电极的反应速度在电化学传感器固体催化剂、电解液的作用下，控制做到保证扩散速度远小于工作电极的反应速度。

为突出数据采集的有效性，将本发明与现有技术做了如下对比实验：

实验目标为：现有的两款烟气分析仪和应用本发明的烟气分析仪。

气体选型：二氧化硫，二氧化氮都具备比较强的吸附性，会导致反应较慢，由于二氧化氮极不稳定，易分解，故选取具备一定代表性的二氧化硫作为实验数据。另外，氧气作为常用的检测指标数据之一，再选取氧气的反应速度作为实验数据。

实验一：在三种设备中以0.8L/min的流量通入标气为477ppm的二氧化硫气体。

实验一结果如下：

表1：产地为德国的烟气分析仪的实验数据

表2：产地为国内青岛的烟气分析仪的实验数据

表3：应用本发明的烟气分析仪实验数据

可以看出，应用本发明的烟气分析仪，氧气作为常用检测指标，开始通标气到降到0.0%所需时间明显优于其他两台设备。另外所测目标气体到达T90和T95的响应时间明显快于其他两台设备，最终所测的测量值的标准差也较小，较为稳定。

实验二：以0.5L/min的流量通入标气为477ppm的二氧化硫气体，流量突变至1.2L/min的速度的测量数据变化。

实验二结果如图8所示：该实验模拟流量突变的过程，可以发现产地为国内青岛的烟气分析仪，随着流量的突变急剧升高，最高达到了542ppm，后续只能慢慢恢复到490ppm左右，流量的突变让最终测量值受到一定的精度影响。产地为德国的烟气分析仪略好于产地为国内青岛的烟气分析仪，最高到达了505ppm，后续慢慢恢复到484ppm左右，流量的突变让最终测量值也产生了略微的精度影响。应用本发明的烟气分析仪加装了自研的采集气路装备，流量的突变让测量值的突变变化极小，最高只到达了488ppm，相比于标气的浓度，精度只影响了2%，远好于其他两台设备，并且可以快速恢复到正常的测量值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种烟气分析仪的气路采集系统，其特征在于：包括采样模块、冷凝模块、过滤模块、采样泵和气体分析模块；所述采样模块、冷凝模块、过滤模块、采样泵和气体分析模块之间通过采样管依次连接；所述采样模块用于烟道气体采集；所述冷凝模块用于在分析气体前对采样气体内的水分进行冷凝；所述过滤模块用于过滤采样气体内的杂质和水分；所述采样泵用于将经过冷凝模块和过滤模块处理后的采样气体抽取至气体分析模块；所述气体分析模块包括气路采集装置和前置气嘴，所述气路采集装置进口处安装所述前置气嘴，所述气路采集装置包括分流腔和若干个反应室，分流腔与反应室之间通过毛细管连通，采样气体以扩散的方式由分流腔通过毛细管进入反应室，所述反应室内安装有电化学传感器，所述电化学传感器用于反应气体并分析气体；所述反应室为柱状腔，所述毛细管位于所述反应室的中心，所述分流腔路径呈M型，且依次经过若干个毛细管的正上方，所述前置气嘴内设有稳压腔和连通口。

2.如权利要求1所述的一种烟气分析仪的气路采集系统，其特征在于：所述采样模块具体为采样枪，所述采样枪头部设有采样探管，所述采样枪尾部安装有帕尔贴装置。

3.如权利要求1所述的一种烟气分析仪的气路采集系统，其特征在于：所述冷凝模块具体为T型冷凝管，所述T型冷凝管包括一体化设计的金属冷凝管腔和颗粒物过滤器，所述采样气体依次通过所述金属冷凝管腔和颗粒物过滤器，对采样气体中的水分和杂质进行过滤。

4.如权利要求1所述的一种烟气分析仪的气路采集系统，其特征在于：所述过滤模块具体为截水过滤器，对经过冷凝模块后的采样气体进行进一步过滤。

5.如权利要求1所述的一种烟气分析仪的气路采集系统，其特征在于：所述采样泵出口与前置气嘴进口通过管路连接，在所述管路上设有支路，所述支路上设有清洗泵，用于抽取空气对气体分析模块内部进行清洗。

6.如权利要求1所述的一种烟气分析仪的气路采集系统，其特征在于：所述电化学传感器包括感应电极、负电极、参考电极和辅助电极，所述感应电极和负电极之间被一层电解质薄膜分离，并由一个低阻抗外部电路连通，通过扩散方式进入传感器内部的气体在感应电极表面发生氧化或还原反应产生电信号；所述参考电极用来稳定感应电极电动势，保持了各自电压的稳定；所述辅助电极通过与感应电极处于同一温度环境下且不参与气体反应，用于和感应电极获得的电信号值作比较来加强温度的稳定性。

7.一种基于权利要求1-5任一项所述的气路采集系统的采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过采样模块采集烟道气体，采样气体在采样泵的作用依次经过冷凝模块和过滤模块进行预处理；

S2、经过预处理后的采样气体进入气体分析模块进行分析：采样气体进入前置气嘴，在前置气嘴的作用下，采样气体稳定的进入分流腔，控制电化学传感器的反应速度，使采样气体以扩散的方式通过毛细管进入反应室与电化学传感器表面反应；

S3、电化学传感器对采样气体进行分析并反映在烟气分析仪上。