CN116818698A - 一种用于加热炉的在线烟气检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于加热炉的在线烟气检测仪，包括：控制单元，以及，设于加热炉烟囱的红外发射单元和红外接收单元；红外发射单元包括红外激光光源和斩波器；红外接收单元包括滤波气体池、滤光片、凸透镜和探测器；红外激光光源生成的红外激光经斩波器调制成脉冲光后，在加热炉烟囱内的通过预设光路穿过滤波气体池、滤光片和凸透镜后到达探测器；控制单元分别与红外发射单元和红外接收单元连接，用于控制斩波器和滤波气体池的转数，以及，探测器的输出电压信号强度；滤波气体池包括为圆筒结构，其截面包括多个通过分隔横梁构成扇形的气体池；多个气体池中一个为参比气体池，其它为测量气体池。

Description

一种用于加热炉的在线烟气检测仪

技术领域

本发明涉及烟气检测领域，特别涉及一种用于加热炉的在线烟气检测仪。

背景技术

通过对石化工艺中加热炉的烟气进行实时在线分析，尤其是NO、NO2、SO2、CO和CO2浓度的测定，能够表明加热炉的燃烧状态，为调整加热炉运转参数提供数据支持，能够使加热炉运转在最佳状态，从而实现加热炉节能、减排和安全运转。

现在对NO、NO2、SO2、CO和CO2浓度的分析方法主要有红外分析法等，其中实现对烟气检测主要采用红外分析法。

目前的烟气检测系统一般需要在烟囱附近安装实验室来容纳检测设备，其使用的非色散红外检测仪采用两个红外光源，红外光经过调制后分别进入实验室内的参比气室和测定气室，通过光源强度变化计算气体浓度。

发明人经过研究发现，现有技术中的烟气检测系统，至少存在以下缺陷：

在实验室内对气体分析仪测定，烟气通常要通过100米或更长的输气管路，而且仪器内部气体要新旧交换，一般都会需要10分钟或以上的时间，所以测定结果明显滞后，不具有实时性。

此外，现有技术使用的非色散红外检测仪经长时间工作后，两个光源发出的红外光会产生差别，长时间工作光源强度变化趋势不同会导致测定灵敏度降低，进而影响检测精度，从而使得烟气检测仪的使用寿命较短。

上述公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于可以实现对烟气的在线实时监测，并提高烟气检测仪的使用寿命。

本发明提供了一种用于加热炉的在线烟气检测仪，包括：控制单元，以及，设于加热炉烟囱的红外发射单元和红外接收单元；

所述红外发射单元包括红外激光光源和斩波器；所述红外接收单元包括滤波气体池、滤光片、凸透镜和探测器；

所述红外激光光源生成的红外激光经所述斩波器调制成脉冲光后，在所述加热炉烟囱内的通过预设光路穿过所述滤波气体池、滤光片和凸透镜后到达所述探测器；

所述控制单元分别与红外发射单元和红外接收单元连接，用于控制所述斩波器和所述滤波气体池的转数，以及，所述探测器的输出电压信号强度；

所述滤波气体池包括为圆筒结构，其截面包括多个通过分隔横梁构成扇形的气体池；多个所述气体池中一个为参比气体池，其它为测量气体池。

优选的，在本发明实施例中，还包括：

与所述红外发射单元和/或所述红外接收单元连接的吹扫单元；

所述吹扫单元通过吹扫管路向所述红外发射单元和/或所述红外接收单元吹送高压洁净空气，使所述红外发射单元和/或所述红外接收单元内部的气压高于外部气压。

优选的，在本发明实施例中，还包括：

与所述探测器连接的处理单元，用于根据所述输出电压信号强度换算出所述参比气体池和测量气体池的激光强度，并计算出所述烟囱内烟气的NO、NO2、SO2、CO和CO2的浓度。

优选的，在本发明实施例中，包括：

所述扇形的气体池的数量为6个，其中1个为参比气体池，5个为测量气体池。

优选的，在本发明实施例中，包括：

所述参比气体池填充N₂；5个所述测量气体池分别填充NO、NO₂、SO₂、CO和CO₂。

优选的，在本发明实施例中，包括：

所述红外发射单元和所述红外接收单元分别通过法兰安装在加热炉烟囱两侧的通孔内。

优选的，在本发明实施例中，包括：

所述红外发射单元和所述红外接收单元内部的气压高于外部气压200Pa以上。

优选的，在本发明实施例中，还包括设于所述预设光路下方的混烟风扇；

优选的，在本发明实施例中，所述混烟风扇为无动力风扇。

优选的，在本发明实施例中，还包括：

设于所述预设光路上的反射镜，所述反射镜用于将红外激光反射至所述红外接收单元。

优选的，在本发明实施例中，所述反射镜包括有多个。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例中，将烟气检测仪的检测装置直接设置在了加热炉烟囱上，能够在烟气生成后及时的对烟气中的多种成分进行检测并能够实时的获得检测结果，进而也就实现了对烟气的在线实时监测。

此外，本发明实施例中的红外发射单元是的单激光光源的结构，因此，不但成本较低，还避免了现有技术中由于两个光源发出的红外光会产生差别，长时间工作光源强度变化趋势不同会导致测定灵敏度降低，进而影响检测精度，从而使得烟气检测仪的使用寿命较短的缺陷。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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是本发明中所述用于加热炉的在线烟气检测仪的结构示意图；

图2是本发明中所述滤波气体池的横截面结构示意图；

图3是本发明中所述混烟风扇的结构示意图；

图4是本发明中所述用于加热炉的在线烟气检测仪的又一结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

实施例一

为了实现对烟气的在线实时监测，并提高烟气检测仪的使用寿命，如图1所示，在本发明实施例中提供了一种用于加热炉的在线烟气检测仪，包括：设于加热炉烟囱的红外发射单元01和红外接收单元02，以及，控制单元03；

所述红外发射单元01包括红外激光光源04、斩波器05和凸透镜06；红外接收单元2包括滤波气体池07、滤光片08、凸透镜09和探测器10；红外激光光源04生成的红外激光经斩波器05调制成脉冲光后，在加热炉烟囱11内的通过预设光路穿过滤波气体池07、滤光片08和凸透镜09后到达所述探测器10；控制单元03分别与红外发射单元01和红外接收单元02连接，用于控制斩波器05和滤波气体池07的转数，以及，探测器10的输出电压信号强度；滤波气体池07为圆筒结构，其截面包括多个通过分隔横梁构成扇形的气体池；多个气体池中一个为测量气体池，其它为参比气体池。

本发明实施例可以在加热炉烟囱11的两侧分别打两个对应的通孔来装设红外发射单元01和红外接收单元02；通过调节红外激光的发射角度，可以使红外发射单元01发射的红外激光经由加热炉烟囱11内腔，穿过其中的烟气照射到红外接收单元02中。

在实际应用中，加热炉烟囱11的两侧的通孔可以分别嵌入法兰来进行固定连接，两个法兰的轴线在通过烟囱中心点的同一直线上，以使预设光路保持在加热炉烟囱11的横截面上。

优选的，在本发明实施例中，还可以设置有吹扫单元12；吹扫单元12可以与红外发射单元01和红外接收单元02连接；具体的，可以将红外发射单元01和红外接收单元02的正压管路和吹扫管路连接到吹扫单元12上，为吹扫单元12连接高压洁净空气，使红外发射单元01和红外接收单元02内部的气压高于外部气压200Pa以上，进而满足工业环境的防爆要求。

在实际应用中，吹扫单元12采用仪表风，通过正压管路对红外发射单元01和红外接收单元02内部进行吹扫，使其内部压力达到预设的设计要求，通过压差表指示内部压力状态；通过吹扫管路在透光晶片和接口法兰之间用洁净仪表风吹扫，防止透光晶片被烟道内部的烟气污染。

本发明实施例中的在线烟气检测仪，其工作过程可以如下：

红外发射单元01的红外激光光源04发射连续的红外激光，经过高速旋转的斩波器05后，连续红外光按照通过-斩断-通过的方式被调制成脉冲光；脉冲光通过加热炉烟道中的烟气，红外光强度经过烟气中NO、NO2、SO2、CO和CO2吸收后强度减弱。

从加热炉烟道透射过来的脉冲光依次通过红外接收单元02的滤波气体池07、滤光片08和凸透镜09，最后到达探测器10；

本发明实施例中的控制单元03可以通过连接电缆连接到红外发射单元01和红外接收单元02上，进而实现监测和控制红外激光光源04工作电流强度、斩波器05的转数、滤波气体池07的转数和探测器10的输出电压信号强度；

进一步的，还可以通过设有处理单元(图中未示出)，来根据输出电压信号强度换算出参比气体池和测量气体池的激光强度，并计算出烟囱内烟气的NO、NO2、SO2、CO和CO2的浓度，这样，就能够实时采用电流方式输出测定结果，以便于监控加热炉燃烧状态。

本发明实施例中的红外激光光源可以采用量子级联激光器。此外，透光晶片、滤光片和凸透镜的材质均可以采用在中红外波段透光良好的单晶氟化钙材料。

本发明实施例中的滤波气体池07，具体可以包括气体池压盖螺丝、压盖、氟化钙窗口、池体、分隔横梁、参比气体池和测量气体池；如图2所示，滤波气体池07的池体整体上为圆筒结构，通过分隔横梁沿圆筒轴向分为多个扇形的气体池71(即，多个气体池呈多瓣结构)，多个气体池中的一个作为为测量气体池，其他的作为参比气体池；氟化钙窗口采用密封胶粘在池体上；氟化钙窗口采用在中红外波段透光良好的单晶氟化钙晶体。

典型的，滤波气体池07中扇形的气体池71的数量可以为6个，其中1个为参比气体池，5个为测量气体池；其中，参比气体池填充N₂；5个测量气体池分别填充NO、NO₂、SO₂、CO和CO₂；各气体池相互分隔开，并匹配不同的滤光片，滤波气体池和滤光片同步转动。测试过程中通过详细数据处理得到不同气体的浓度结果。

本发明实施例中滤波气体池07的池体采用重量轻且硬度高的铝合金材料，该材料内部结构紧密，不会出现任何微小漏气现象。

滤波气体池07的轴向一端装入到滚珠轴承，另一端需要装上由电机带动的皮带，使滤波气体池07能够沿轴心转动，气体池71能够以3～15转/秒的转速快速转动。红外激光光源04发射的红外激光光斑(即，脉冲光)一次只能完全通过一个气体池，红外激光光斑不断地在多个气体池中轮流通过并最终到达探测器10。

优选的，在本发明实施例中，如图3所示，还可以包括设于所述预设光路下方的混烟风扇13；

具体来说，在实际应用中，加热炉烟囱11内有可能会发生烟气不均匀的情况，如，在烟道内的某个横截面上，一些位置的烟气可能会偏多，另一些位置则会偏少一些，这样，就会使得光路通过的烟气无法准确表征烟道内的烟气分布情况；为此在本发明实施例中，在预设光路下方还设有了混烟风扇13；通过扇叶的转动可以将烟道内的烟气混合均匀，然后再通过本发明实施例中的烟气检测仪进行检测，这样就可以进一步的提高检测结果的精确度。

优选的，在本发明实施例中的混烟风扇13可以是无动力风扇，即只需要利用烟气的上升力来驱动混烟风扇13扇叶的转动即可实现将烟道内的烟气混合均匀。

优选的，在本发明实施例中，如图4还可以包括设于预设光路上的反射镜14；也就是说，红外发射单元01的红外激光光源不是直接指向红外接收单元02，而是通过反射镜14将红外激光反射至红外接收单元02；这样的设置，可以将红外发射单元01和红外接收单元02并排连接，进而可以降低控制单元的控制电缆的布设成本和维护成本；

优选的，在本发明实施例中，反射镜14的数量还可以有多个，这样经过多次的反射，来构建在烟囱横截面上的光路，可以有效的增加对于烟气的采样范围和采样量，进而有效的提高检测结果的精确度。

综上所述，本发明实施例中，将烟气检测仪的检测装置直接设置在了加热炉烟囱上，能够在烟气生成后及时的对烟气中的多种成分进行检测并能够实时的获得检测结果，进而也就实现了对烟气的在线实时监测。

此外，本发明实施例中的红外发射单元是的单激光光源的结构，因此，不但成本较低，还避免了现有技术中由于两个光源发出的红外光会产生差别，长时间工作光源强度变化趋势不同会导致测定灵敏度降低，进而影响检测精度，从而使得烟气检测仪的使用寿命较短的缺陷。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，包括：控制单元，以及，设于加热炉烟囱的红外发射单元和红外接收单元；

所述红外发射单元包括红外激光光源和斩波器；所述红外接收单元包括滤波气体池、滤光片、凸透镜和探测器；

所述红外激光光源生成的红外激光经所述斩波器调制成脉冲光后，在所述加热炉烟囱内的通过预设光路穿过所述滤波气体池、滤光片和凸透镜后到达所述探测器；

所述控制单元分别与红外发射单元和红外接收单元连接，用于控制所述斩波器和所述滤波气体池的转数，以及，所述探测器的输出电压信号强度；

所述滤波气体池包括为圆筒结构，其截面包括多个通过分隔横梁构成扇形的气体池；多个所述气体池中一个为参比气体池，其它为测量气体池。

2.根据权利要求1所述的用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，还包括：

与所述红外发射单元和/或所述红外接收单元连接的吹扫单元；

所述吹扫单元通过吹扫管路向所述红外发射单元和/或所述红外接收单元吹送高压洁净空气，使所述红外发射单元和/或所述红外接收单元内部的气压高于外部气压。

3.根据权利要求1所述的用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，还包括：

与所述探测器连接的处理单元，用于根据所述输出电压信号强度换算出所述参比气体池和测量气体池的激光强度，并计算出所述烟囱内烟气的NO、NO2、SO2、CO和CO2的浓度。

4.根据权利要求1所述的用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，包括：

所述扇形的气体池的数量为6个，其中1个为参比气体池，5个为测量气体池。

5.根据权利要求4所述的用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，包括：

所述参比气体池填充N₂；5个所述测量气体池分别填充NO、NO₂、SO₂、CO和CO₂。

6.根据权利要求1所述的用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，包括：

所述红外发射单元和所述红外接收单元分别通过法兰安装在加热炉烟囱两侧的通孔内。

7.根据权利要求1所述的用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，包括：

所述红外发射单元和所述红外接收单元内部的气压高于外部气压200Pa以上。

8.根据权利要求1所述的用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，还包括：

设于所述预设光路下方的混烟风扇。

9.根据权利要求1所述的用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，还包括：

设于所述预设光路上的反射镜，所述反射镜用于将红外激光反射至所述红外接收单元。

10.根据权利要求9所述的用于加热炉的在线烟气检测仪，其特征在于，

所述反射镜包括有多个。