CN204594847U - 燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，所述的装置包括用于安装在烟道内的加热腔体，加热腔体的内部还安装有加热组；加热腔体上设有进气口与出气口，出气口与导流管相连通，导流管与测量室相连通，测量室内安装有激光烟尘仪，激光烟尘仪还通过管道与扫风单元连通。通过直接将加热腔体与测量室安装在烟道中，充分利用发电厂烟风道中引风机的动力，采用无动力、原位加热方式使烟气直接进入加热腔体内加热预处理后进行测量，不采用抽取方式，省去传统测量装置中的大功率的旋流风机和射流泵及对应的控制电路，有效简化装置的结构，方便设备维护；且烟道中的烟气流量较大，亦可有效减少因为取样流量小带来的测量误差。

Description

燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置

技术领域

本实用新型涉及一种燃煤发电厂烟气测量装置，更具体的说，本实用新型主要涉及一种燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置及方法。

背景技术

    近期，随着《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》的执行，2014年7月1日起，所有火力发电厂燃煤锅炉烟尘排放限值全部达到30mg/m³ 以下,重点地区火力发电厂锅炉烟尘排放限值全部达到20mg/m³ 以下。2014年9月，国家发改委、能源局、环保部联合文件[2014]2093号文关于印发《煤电节能减排升级与改造行动计划》（2014-2020年）的通知指出，到2020年现役燃煤发电机组大气污染物中烟尘排放限值要低于10mg/m³。

传统的发电厂测量烟尘浓度技术是在烟道上安装激光光学烟尘仪（又称烟尘浊度仪），这种技术主要使用的场合为干烟气，也就是说，烟气中水蒸气在不饱和状态（相对湿度小于100%）的工况下来测量，但是应对当前超低排放背景下的富含浆液液滴、水滴的过饱和烟气测量出现了数值波动大、误差大的问题，导致无法使用。对于上述工况的测量技术，在国际上，有少数几家厂家提供针对湿烟气的颗粒物浓度在线测量技术。知名的有三家公司的产品，分别为德国Durag公司的D-R820F湿烟气专用粉尘仪、英国PCME公司的STACK 181WS湿烟气烟尘仪、德国SICK|MAHAK(西克麦哈克)的FWE200高湿烟气烟尘仪，具体说明如下：德国Durag公司（中文名称杜拉革）产品型号D-R820F，产品名称叫湿烟气专用粉尘仪，其基本原理为将烟气以等速跟踪方式保温伴热从烟道中抽取出来，将烟气加热，降低相对湿度，然后用部分加热干燥干空气进行等比例稀释（其稀释比为1:1），降低烟气中水分，从而降低烟气露点；然后通过激光前散射法进行测量烟尘浓度，最后结合混合气体稀释比例计算出烟气中实际颗粒物的排放浓度。其系统组成为：取样头和测量室、射流泵及旋流风机、稀释风机、供电和显示单元、安装法兰及相关附件。

英国PCME 的产品 STACK 181WS，其基本测量原理为使用一个耐腐蚀材料的探管，将待测烟气从烟道中抽取出来，然后进入一个加热筒，将烟气升温，提高烟气相对湿度，加热后的干烟气，进入测量室，测量室装有前散射法的激光分析仪表，进行测量。测量后的气体进入射流泵，又返回至与抽取探杆同一法兰上烟气返回管。这样完成了烟气颗粒物浓度的测量过程。

德国SICK |MAHAK (西克麦哈克)的FWE200，湿烟气烟尘测量仪，其工作原理是将湿烟气从烟道（或者烟囱）中抽取出去，进入圆形加热筒，将烟气升温加热雾化后，烟气温度超出露点以上，然后进入测量室进行测量。测量后的烟气返回至烟道中。为了防止烟气冷凝后的水滴堵塞管道或者是流入至后部加热腔，系统采用高位布置，烟气取样法兰下部布置，并稍微向下倾斜，使烟气冷凝水自流至烟道。 FWE200抽取过程中，不对抽样后烟气进行稀释。

截止到目前为止，在全球范围内，已知的湿烟气颗粒物浓度测量在线技术基本上都是抽取式加热测量方法。如果再进一步细分的话，分别为稀释加热抽取法、和非稀释加热抽取法。两种方法共同的主要原理是将烟气抽取出烟道，然后将烟气加热升温至露点以上，一般在100度至120度左右，然后进行测量。其缺点如下：一是设备庞大并且笨拙，非常不容易高空安装。因为配有庞大的抽取设备和加热设备，使得测量系统体积庞大并且重量大，由于本设备多布置于烟囱 标高60米以上或者烟道标高20米以上，非常不容易安装。以杜拉革的D-R820F为例，其取样单元的重量为40kg, 测量单元的重量为90kg. PCME的Stack 181WS的取样头 单元的重量30kg,测量及控制单元重量为120kg. SICKMAHAK的FEW200取样头重量20kg,控制重量在80kg左右。二是取样流量小，低颗粒物浓度难以测量或者测量过程不稳定。抽取式由于收到射流泵功率限值，抽取流量一般较小，在低浓度抽取易出现抽样不均，从而导致较大的测量误差。其中杜拉革的D-R820F的抽取速率为100l/min(升/分钟)至150l/min(升/分钟)，PCME的Stack 181ws抽取速率在100l/min(升/分钟)左右，SickMAHAK的FEW200的抽取速率在100l/min左右。因为当前发电厂工况下，烟尘浓度的绝对值很低，基本在10mg/m³左右,此种抽气流量，单位时间内抽取样本气体绝对量偏小，样本气体代表性不好，容易引起测量误差。三是设备维护工作量大，旋转设备和控制设备较多，需要有两台大功率旋流风机长周期连续不断的运行，设备故障和维护量较大。四是非探头加热方法进行取样（如PCME的STACK 181WS 和 SICK 的 FWE200），在取样管道出现冷凝水，冷凝水对烟尘颗粒物有吸附作用，同时冷凝水在凝结较多的情况下含有烟尘的的凝结水直接自流返回至烟道，引起的被测量颗粒的丢失，从而引起测量误差。因而有必要针对燃煤发电厂的烟气颗粒物浓度测量装置的结构进行研究和改进。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于针对上述不足，提供一种燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，以期望解决现有技术中取样流量小导致的测量误差大，设备体积庞大不便于安装，结构复杂维护成本高，在取样通道易产生冷凝水吸附烟尘颗粒物影响测量精度等技术问题。

为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型一方面提供了一种燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，所述的装置包括用于安装在烟道内的加热腔体，所述加热腔体的内部还安装有加热组；所述加热腔体上设有进气口与出气口，所述出气口与导流管相连通，所述导流管与测量室相连通，所述测量室内安装有激光烟尘仪，所述激光烟尘仪还通过管道与扫风单元相连通，用于由扫风单元通过管道向激光烟尘仪送入吹扫风。

作为优选，进一步的技术方案是：所述加热腔体的内部还安装有测温杆，所述测温杆与加热组一并接入电控箱，用于由电控箱控制加热组的当前温度，以及通过测量加热腔体中待测烟气的温度。

更进一步的技术方案是：所述加热组为至少三组带有翅片的独立加热器，所述加热器通过法兰安装在加热腔体的底部。

更进一步的技术方案是：所述的加热腔体为双层中空的结构，且所述加热腔体的内壁上均设有聚四氟乙烯涂层。

更进一步的技术方案是：所述加热腔体整体呈立式的圆桶形，且所述进气口与出气口均设于圆桶形加热腔体的侧面，且所述进气口与出气口在加热腔体侧面的安装方向与烟道的轴向相一致，所述进气口靠近加热腔体的顶部，所述出气口靠近加热腔体的底部。

更进一步的技术方案是：所述进气口与出气口均通过外螺纹安装在加热腔体上,且所述进气口上还设有调节装置，用于调节进气口的口径大小；所述进气口的口径大于出气口。

更进一步的技术方案是：所述激光烟尘仪与扫风单元相连通的管道上还设有加热装置。

更进一步的技术方案是：所述的装置中还包括用于安装在烟道内的皮托管，所述皮托管置于测量室的后端，且所述皮托管与测量室之间保持间隙；所述皮托管接入主机柜，用于测量当前烟道中的烟气流速；所述主机柜还通过扫风单元接入激光烟尘仪，用于完成测量数据采集，保存及历史数据查询。

本实用新型另一方面提供了一种燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的方法，所述的方法采用上述的装置，并包括如下步骤：烟道中流动的烟气由加热腔体的进气口进入加热腔体的内部，被加热组加热后的烟气由出气口排出；由出气口排出的加热烟气由导流管进入测量室，加热烟气在导流管中导流至平流状态；测量室内的激光烟尘仪将加热烟气中的烟尘信号转化为电流信号传输至主机柜，主机柜完成测量数据采集，保存及历史数据查询；扫风单元持续向激光烟尘仪送入吹扫风，使激光探头和接收部分保持清洁。

作为优选，进一步的技术方案是：所述加热腔体加热后的烟气的温度大于120摄氏度，所述扫风单元向激光烟尘仪送入吹扫风的温度大于100摄氏度；所述烟道中的烟气在发电厂锅炉自带引风机的动力作用下在烟道中流动。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果之一是：通过直接将加热腔体与测量室安装在烟道中，充分利用发电厂烟风道中引风机的动力，采用无动力、原位加热方式使烟气直接进入加热腔体内加热预处理后进行测量，不采用抽取式方式，省去了传统测量装置中的大功率的旋流风机和射流泵及对应的控制电路，有效简化了装置的结构，方便设备维护；且烟道中的烟气流量较大，亦可有效减少因为取样流量小带来的测量误差；同时本实用新型所提供的一种燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置的结构简单，测量方法简便，适于安装在各类燃煤发电厂及类似场所的烟道中使用，应用范围广阔。

附图说明

图1为用于说明本实用新型一个实施例的结构示意图；

图2为用于说明本实用新型另一个实施例中的加热腔体结构示意图；

图3为图2的A向示意图；

图4为用于说明本实用新型另一个实施例中的加热组结构示意图；

图5为用于说明本实用新型另一个实施例中的导流管结构示意图；

图6为用于说明本实用新型再一个实施例中的第一阶段风速匹配曲线；

图7为用于说明本实用新型再一个实施例中的第二阶段风速匹配曲线；

图中，1为烟道、2为加热腔体、21为进气口、22为出气口、3为加热组、31为翅片、32为加热器、33为法兰、4为导流管、5为测量室、6为激光烟尘仪、7为扫风单元、8为测温杆、9为电控箱、10为主机柜、11为底板、12为皮托管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

参考图1所示，本实用新型的一个实施例是一种燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，该装置包括用于安装在烟道1内的加热腔体2，并且加热腔体2的内部还安装有加热组3；该加热腔体2上设有进气口21与出气口22，并使出气口22与导流管4相连通，而导流管4则与测量室5相连通，同时还需在测量室5内安装激光烟尘仪6，该激光烟尘仪6还通过管道与扫风单元7相连通，用于由扫风单元7通过管道向激光烟尘仪6送入吹扫风；防止玻璃镜片粘有灰尘，影响测量，因此在激光探头和接收部分要从少量空气进行吹扫，保持镜片清洁。

上述的激光烟尘仪6可采用前散射法激光烟尘仪，是指激光器发出来光经过烟气中颗粒物时，光波被散射，散射光波方向分成三个方向，第一个方向为光波向后散射，第二个方向为向斜前方散射，第三个部分为向两边散射。其中，以探测前向散射光波为接收端的分析仪叫前散射法激光烟尘仪，也叫前散射法激光粉尘仪。前散射法激光粉尘仪一般用于测量干烟气、湿度低、并且烟尘浓度低（可以测量0至5mg/m³）的场所,同时测量光程极短。本实用新型中采用的前散射法激光烟尘仪为采购部件，市场上可以选择前散射法粉尘仪均可以使用。

在本实施例中，通过直接将加热腔体2与测量室5安装在烟道中，充分利用发电厂烟风道中引风机的动力，采用原位加热方式使烟气直接进入加热腔体2内加热预处理后进行测量，不采用抽取式方式，省去了传统测量装置中的大功率的旋流风机和射流泵及对应的控制电路，有效简化了装置的结构，方便设备维护；且烟道中的烟气流量较大，亦可有效减少因取样流量小带来的测量误差；

正如图1所示出的，在本实用新型的另一实施例中，为对上述加热腔中的温度进行有效测量，还可在加热腔体2的内部安装测温杆8，并将该测温杆8与加热组3一并接入电控箱9，用于由电控箱9控制加热组3的当前温度，以及通过测量加热腔体2中待测烟气的温度；本实施例中所采用的测温杆8可采用长杆型热电偶。

参考图2所示，根据本实用新型的另一实施例，为提升加热腔体2的保温效果，可将上述的加热腔体2设置双层中空的结构，中空的两层板之间通过空气隔热，防止内部热量散失；同时还为防止颗粒物粘附和积灰，提升耐腐蚀性，还可在加热腔体2的内壁上均设有特氟龙，即聚四氟乙烯涂层。

结合图3所示，进一步的，上述加热腔体2优选整体呈立式的圆桶形，优选采用316L不锈钢加工制成，并将其安装在底板11上，从而使进气口21与出气口22均设于圆桶形加热腔体2的侧面，更为重要的是，进气口21与出气口22在加热腔体2侧面的安装方向与烟道1的轴向相一致，并且，进气口21可靠近加热腔体2的顶部，出气口22靠近加热腔体2的底部，进而可保证烟道1中流动的空气可顺利进入加热腔体1中进行加热。更为优选的是，前述进气口21与出气口22均通过外螺纹安装在加热腔体2上,还可在进气口21上增设调节装置，通过该调节装置调节进气口21的口径大小；使进气口21的口径大于出气口22，进而保证导流管4中加热后烟气的流速；同时进气口21可加工成一个喇叭状的结构。

上述导流管4的结构如图5所示，其优选采用内径50mm,外径60mm的材料为316L直空心钢管，中间位置安装有待测烟气温度测点。主要作用是将气体导流至平流状态，减少紊流和扰流；导流管4的内表面也可喷涂特氟龙涂层。

参考图4所示，为提升加热腔2内加热的效率，且提升加热组3的散热性，满足烟气在加热腔体停滞0.5秒至1.5秒即完成加热，可在采用至少三组带有翅片31的独立加热器32作为上述的加热组3，并将加热器32通过法兰33安装在加热腔体2的底部。加热器32上的翅片31可增加加热器与烟气的接触面，帮助热量散发；而每个加热器32均相对独立，在常态下，可两个加热器32投入运行，一个加热器32备用，并且该3组还可以根据具体工况单独投入运行。另外，前述的翅片31及加热器32外表面也可喷涂特氟龙涂层。

再参考图1所示，另一方面，发明人在试验中还发现，因为扫风单元7送入激光烟尘仪6的是常温空气，如果遇到高温烟气，进行混合，气体会降温，会重新冷凝，形成水雾或者雾气，影响测量；因此在本实用新型用于解决技术问题更加优选的一个实施例中，还可在激光烟尘仪6与扫风单元7相连通的管道上增设加热装置8，通过该加热装置8将吹扫空气加热至100摄氏度以上，从而避免形成水雾或雾气。

上述的扫风单元7中包含扫风机及控制单元，通过控制单元保证扫风机正常运行，且运行状态可被控制。

仍然参考图1所示，为测量当前烟道中烟气的流速，还可在上述实施例中的装置中增设用于安装在烟道1内的皮托管12，并将皮托管12置于测量室5的后端，且使皮托管12与测量室5之间保持间隙；再将皮托管12接入主机柜10，用于测量当前烟道1中的烟气流速；更为具体的是，上述主机柜10还通过扫风单元7接入激光烟尘仪6，用于完成测量数据采集，保存及历史数据查询。

参考图1所示，本实用新型的另一个实施例是一种燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的方法，该方法采用上述任意一个实施例中的装置，包括并优选如下步骤执行：

步骤1、烟道1中流动的烟气由加热腔体2的进气口21进入加热腔体2的内部，被加热组3加热后的烟气由出气口22排出；

步骤2、由出气口22排出的加热烟气由导流管4进入测量室5，加热烟气在导流管4中导流至平流状态；

步骤3、测量室5内的激光烟尘仪6将加热烟气中的烟尘信号转化为电流信号传输至主机柜10，主机柜10完成测量数据采集，保存及历史数据查询；

步骤4、扫风单元7持续向激光烟尘仪6送入吹扫风，使激光探头和接收部分保持清洁。

正如上述所提到的，本实用新型的总体方法总结为原位安装、非抽取、加热式、激光后散射烟尘在线测量方法。

在上述的方法中，优选的是参数是：所述加热腔体2加热后的烟气的温度大于120摄氏度，扫风单元7向激光烟尘仪6送入吹扫风的温度大于100摄氏度；而烟道1中的烟气在发电厂锅炉自带引风机的动力作用下在烟道1中流动。

根据上述的实施例所述的装置，发明人对其进行了风洞试验，具体如下：

试验目的：测试烟气取样预处理装置（包括进气口、加热腔体、加热器、导流管）的入口烟气流速和出口烟气流速与风洞气体流速的之间的数据匹配和一致性关系，确定是否等速取样。具体的试验方法如下：

在烟气取样预处理装置入口安装一个风速测量仪（皮托管差压式），在出口安装一个风速测量仪（皮托管差压式）。烟气取样预处理装置气体导流管布置一个温度测点（PT100）,测量出口气体温度。

风洞性能校验完毕后，将样机安装至风洞口，然后将风洞风速按2米左右的速率逐步升速，以4米/秒为第一个测量点，观察入口风速和出口风速，待风速读数稳定2分钟后，读数。然后以增加2米/秒的阶梯进行逐步升速，并记录相关数据。

分两个阶段进行试验：

第一阶段： 正常室温（约25摄氏度）情况入口、出口风速匹配试验

第二阶段： 加热状态下，入口、出口风速匹配试验

第一阶段结果数据见表格1

第一阶段风速匹配曲线见图6，第二阶段风速匹配曲线见图7。

试验结果证明：本样机模型在常温情况下，在风洞风速4米至30米范围内，导流室出口风速与烟道风速率偏差率最大在-0.3%，最小在-0.01%。 在气体加热至150摄氏度情况下， 其导流室出口气体流速都能风洞流速保持一致其速度偏差率小于0.4%，最小在-0.01%。总体采样速度偏差率控制0.5%.完全符合等速取样要求。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本实用新型的范围内。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (8)

1.一种燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，其特征在于：所述的装置包括用于安装在烟道（1）内的加热腔体（2），所述加热腔体（2）的内部还安装有加热组（3）；所述加热腔体（2）上设有进气口（21）与出气口（22），所述出气口（22）与导流管（4）相连通，所述导流管（4）与测量室（5）相连通，所述测量室（5）内安装有激光烟尘仪（6），所述激光烟尘仪（6）还通过管道与扫风单元（7）相连通，用于由扫风单元（7）通过管道向激光烟尘仪（6）送入吹扫风。

2.根据权利要求1所述的燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，其特征在于：所述加热腔体（2）的内部还安装有测温杆（8），所述测温杆（8）与加热组（3）一并接入电控箱（9），用于由电控箱（9）控制加热组（3）的当前温度，以及通过测量加热腔体（2）中待测烟气的温度。

3.根据权利要求1或2所述的燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，其特征在于：所述加热组（3）为至少三组带有翅片（31）的独立加热器（32），所述加热器（32）通过法兰（33）安装在加热腔体（2）的底部。

4.根据权利要求1所述的燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，其特征在于：所述的加热腔体（2）为双层中空的结构，且所述加热腔体（2）的内壁上均设有聚四氟乙烯涂层。

5.根据权利要求1或4所述的燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，其特征在于：所述加热腔体（2）整体呈立式的圆桶形，且所述进气口（21）与出气口（22）均设于圆桶形加热腔体（2）的侧面，且所述进气口（21）与出气口（22）在加热腔体（2）侧面的安装方向与烟道（1）的轴向相一致，所述进气口（21）靠近加热腔体（2）的顶部，所述出气口（22）靠近加热腔体（2）的底部。

6.根据权利要求1所述的燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，其特征在于：所述进气口（21）与出气口（22）均通过外螺纹安装在加热腔体（2）上,且所述进气口（21）上还设有调节装置，用于调节进气口（21）的口径大小；所述进气口（21）的口径大于出气口（22）。

7.根据权利要求1所述的燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，其特征在于：所述激光烟尘仪（6）与扫风单元（7）相连通的管道上还设有加热装置（8）。

8.根据权利要求1所述的燃煤发电厂湿烟气颗粒物浓度连续在线测量的装置，其特征在于：所述的装置中还包括用于安装在烟道（1）内的皮托管（12），所述皮托管（12）置于测量室（5）的后端，且所述皮托管（12）与测量室（5）之间保持间隙；所述皮托管（12）接入主机柜（10），用于测量当前烟道（1）中的烟气流速；所述主机柜（10）还通过扫风单元（7）接入激光烟尘仪（6），用于完成测量数据采集，保存及历史数据查询。