CN205607712U - 用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置及系统，属一种发电厂烟道的烟尘测量辅助装置，取样装置包括加热腔体，加热腔体还与置于烟道内的多点取样嘴相连通，多点取样嘴至少具有两个进气口，且至少两个进气口不在同一水平面上；加热腔体的内部分为加热区与测量区等结构。通过多点取样嘴同时对大截面烟道中的多处烟气进行采集，在烟道内烟尘气体分布不均以及烟尘各处浓度不同的情况下，采集烟道内不同位置的烟气在加热腔体内混合后，再进行加热及测量，有效提升了取样对于烟道内实际经过烟气中的烟尘的代表性，且通过多点气流采集也可在烟道内烟气流量低时确保烟尘浓度测量的稳定性，直接利用烟道内烟气的流速使其由进入加热腔体中。

Description

用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置及系统

技术领域

本实用新型涉及一种发电厂烟道的烟尘测量辅助装置，更具体的说，本实用新型主要涉及一种用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置。

背景技术

近期，随着《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》国家标准的执行，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/Nm³。在上述政策背景下，中国各大发电企业陆续进行超低排放（也叫超洁净排放、又叫近零排放）相关技术改造。其主要技术特点总结如下：（1）通常在静电除尘器之前增加低温省煤器或者低低温省煤器，这种技术通常叫做低温电除尘技术改造或者叫低低温电除尘器改造；（2）在脱硫吸收塔后增加的湿式电除雾器（也叫湿式电除尘器）降低粉尘颗粒物的排放；（3）在脱硫吸收塔上部增设高效除雾器；（4）对静电除尘器的控制电源进行技术升级。

通过上述措施，经过实践证明，可以将烟囱排放口的颗粒物浓度降至国家规定水平。随之对应的烟气特点是由于我国发电厂大气污染物治理的主要技术为湿法脱硫及湿式电除尘器方式，因此导致在烟囱排放口处的烟气特点为高湿度、低浓度（<20mg/m³）、气体中含有大量液滴等情况。总的来说，当前火电发电厂烟囱排放口的烟气有如下特征：一是温度低、湿度大，当前绝大部分发电厂脱硫吸收塔的出口烟温在50摄氏度左右。烟气湿度为过饱和状态，且含有>30mg/m³的液滴；二是烟气流速在5米至30米之间；三是烟气有一定的腐蚀性，脱硫吸收塔出口液滴的PH值等于2；四是烟尘浓度超低，一般在脱硫吸收塔出口烟尘浓度低于20mg/m³，湿式电除尘器出口烟尘浓度低于10mg/m³ ；

针对上述工况，当前国际国内采用的湿烟气烟尘测量技术均为抽取式点测量在线技术。具体来说，就是将待测烟气从烟道中抽取出来，然后经过加热或者是稀释，将烟气中水滴去掉，然后进行测量的方法。国际上主要知名公司有三家公司的产品，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；其测量计数都是抽取式测量法。就取样方式来讲，为点测量取样方法，通行方法是使用一根金属材料或者特氟龙管材料制作的、具有一定长度圆直管（有的厂家在末端使用一定弧度的弯头），进行抽取采样，然后进行测量的方法。

上述测量方法在主要应用欧洲的火电机组和垃圾焚烧锅炉烟尘排放监测使用。但是上述测量方法应用至中国超低排放火电机组来说，有一定的不适应性。而对于中国超低排放火电机组来说，中国国内火电机组普遍烟道尺寸偏大，一般长度大于4米、宽度大于6米，截面积在数十平米以上，烟气流速在20米/秒，因此如此大的截面积的烟道，烟道流场分为特点是紊流流场，由于紊流流场的存在，因此需要测量烟尘气体流场分布不均，因此取样难以有代表性。同时执行实现超低排放技术的火电机组，其颗粒物浓度排放水平很低，达到超低浓度的状态，按照标准要求烟尘浓度不超过10mg/Nm³，实际运行水平要远低于10mg/Nm³,一般在5mg/Nm³以下，跟现场测量带来很大的难度。总结起来，常规现在正常使用取样器存在如下缺点：一是取样探杆尺寸设计较短，取样难以有代表性。例如德国Durag D-R820F探杆尺寸为1.1米，为金属材质，前端半圆形管。德国SICK FWE200探杆尺寸为0.6米，特氟龙材质，前端半弧形。英国PCME 181WS的探杆尺寸为1.1米 特氟龙材质，前端直管，前述取样探杆长度，难以满足中国国内机组需要。由于中国国内火电机组普遍烟道尺寸偏大，一般长度大于4米、宽度大于6米，截面积在数十平米以上，烟气流速在20米/秒，因此如此大的截面积的烟道，烟道流场分为特点是紊流流场，由于紊流流场的存在，因此需要测量烟尘气体流场分布不均，因此取样难以有代表性。二是取样流量偏小，大部分厂商取样流量设计低于60l/min,由于中国国内机组，超低排放改造以后，其烟尘浓度普遍较低，一般低于5mg/m³,同时浓度分布不均匀，因此取样流量低，导致测量数值不稳定。因而有必要针对现有结构的烟道烟尘在线测量装置进行研究和改进。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于解决针对不足，提供一种用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，以期望解决现有技术中抽取点式在线测量装置在烟尘气体分布不均的大截面烟道中取样不具有代表性，以及因浓度分布不均造成取样流量低，测量数值不稳定等技术问题。

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用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，所述的取样装置包括加热腔体，所述加热腔体还与用于置于烟道内的多点取样嘴相连通，所述多点取样嘴至少具有两个进气口，且所述至少两个进气口不在同一水平面上；所述加热腔体的内部分为加热区与测量区，所述加热区内设有加热器，所述测量区的外部还安装有测量仪表，所述测量仪表的测量端通过第一管道与测量区相连通；所述加热腔体的测量区还通过第二管道与返回气导引嘴相连通。

作为优选，进一步的技术方案是：所述多点取样嘴的至少两个进气口均朝向烟道内烟气的来源方向。

更进一步的技术方案是：所述多点取样嘴为三个上部具有弧形弯头的管状组件，所述进气口置于弧形弯头的端部，且所述的管状组件均分别与加热腔体相连通。

更进一步的技术方案是：所述三个上部具有弧形弯头的管状组件均垂直安装在加热腔体的上部，且它们上部弧形弯头的弧形对应的角度均为90度。

更进一步的技术方案是：所述加热腔体内部与多点取样嘴相连通的上部为加热区，所述加热区的下部为测量区。

更进一步的技术方案是：所述加热腔体整体呈圆桶状，且所述加热腔体的内壁与外壁之间设有中空夹层。

更进一步的技术方案是：所述的加热器为安装在加热腔体底部的加热棒，所述加热棒纵向置于加热腔体的内部，且贯穿测量区与加热区，所述加热棒置于加热区中的部分为发热段。

更进一步的技术方案是：所述加热腔体的测量区与第二管道之间还安装有样气输出喷嘴组件，所述样气输出喷嘴组件的入口端面积大于其出口端的面积。

本实用新型另一方面提供了一种用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样系统，所述的取样系统为将上述的取样装置安装在截面为矩形的发电厂大截面横向烟道上，其中加热腔体、多点取样嘴及返回气导引嘴置于烟道的内部，测量仪表、第二管道置于烟道的外部。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果之一是：通过多点取样嘴同时对大截面烟道中的多处烟气进行采集，在烟道内烟尘气体分布不均以及烟尘各处浓度不同的情况下，采集烟道内不同位置的烟气在加热腔体内混合后，再进行加热及测量，有效提升了取样对于烟道内实际经过烟气中的烟尘的代表性，且通过多点气流采集也可在烟道内烟气流量低时确保烟尘浓度测量的稳定性；并且直接将多点取样嘴安装在烟道内部，直接利用烟道内烟气的流速使其由多点取样嘴的进气口直接进入加热腔体中，无需使用真空泵等动力部件进行抽取，有效简化了装置的结构及能源消耗，且更适用于通过多点取样嘴对烟道中的烟气进行采样；同时本实用新型所提供的一种用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置结构简单，尤其适用于安装于火力 发电厂的烟道内使用，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；

图中，1为加热腔体、11为加热区、12为测量区、13为中空夹层、2为多点取样嘴、21为进气口、22为弧形弯头、23为管状组件、3为加热器、31为加热棒、4为测量仪表、5为第一管道、6为第二管道、7为返回气导引嘴、8为样气输出喷嘴组件、9为烟道。

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用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，该取样装置包括加热腔体1，将加热腔体1与用于置于烟道10内的多点取样嘴2相连通，而该多点取样嘴2至少应具有两个进气口21，并且至少两个进气口21不能处于同一水平面上，换言之，在装置使用时至少两个进气口21将处于烟道9内的不同位置；前述加热腔体1的内部可分为加热区11与测量区12，在一般情况下，加热区11与测量区12之间没有明显的边界，即两个区域实际上是相互连通的；在加热区11内安装有加热器3，在测量区12的外部安装测量仪表4，该测量仪表4的测量端通过第一管道5与测量区12相连通，即测量仪表由第一管道5从测量区12中获得待测气体；而前述加热腔体1的测量区12还通过第二管道6与返回气导引嘴7相连通，即在使用时即可将测量完毕的烟气排出至烟道9中。优选的是，为与烟气在装置中的流向相匹配，可如图1所示将加热腔体1内部与多点取样嘴2相连通的上部设置为加热区11，将加热区11的下部设置为测量区12。

在本实施例中，通过多点取样嘴2同时对大截面烟道9中的多处烟气进行采集，在烟道9内烟尘气体分布不均以及烟尘各处浓度不同的情况下，采集烟道9内不同位置的烟气在加热腔体1内混合后，再进行加热及测量，有效提升了取样对于烟道9内实际经过烟气中的烟尘的代表性，且通过多点气流采集也可在烟道内烟气流量低时确保烟尘浓度测量的稳定性；并且在使用时可直接将多点取样嘴2安装在烟道9内部，直接利用烟道9内烟气的流速使其由多点取样嘴2的进气口21直接进入加热腔体1中，无需使用真空泵等动力部件进行抽取，有效简化了装置的结构及能源消耗，且更适用于通过多点取样嘴对烟道中的烟气进行采样.

正如上述所提到的，为便于烟道9内的烟气直接由进气口21经多点取样嘴2进入加热腔体1的内部，最好在安装点取样嘴2时直接将其进气口21正对朝向烟道9中烟气的来源方向安装，进而最大限度的利用烟道9内烟气的流速，保证采样及测量操作顺利进行。

再参考图1所示，上述已经提到本实用新型直接利用烟道9内烟气的流速，使烟气由多点取样嘴2的进气口21直接进入加热腔体1中，因此上述多点取样嘴2是本实用新型中较为重要的一个部件，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，发明人对其进行了跟进，具体为将多点取样嘴2改进为由三个上部具有弧形弯头22的管状组件23组成的结构，上述的进气口21置于每个弧形弯头22的端部，并且管状组件23需均分别与加热腔体1相连通。即图1所示出的结构，而当烟气由进气口21进入弧形弯头22时，气流的流向即发生了变化，进而纵向进入加热腔体1的内部进行加热及测量。

进一步的，更进一步优化上述多点取样嘴2结构的参数，获得更为优异的采样效果，还可将三个上部具有弧形弯头22的管状组件23均垂直安装在加热腔体1的上部，并将它们上部弧形弯头22的弧形对应的角度均设置为90度。

同时为便于装置生产，可将上述加热腔体1直接整体呈圆桶状的结构，并且防止进入加热腔体1的烟气温度下降过快，且提升加热器3的加热效率，可如图1所示的在加热腔体1的内壁与外壁之间增设中空夹层13。与前述的结构相匹配，发明人还对上述的加热器3结构进行了改进，具体为采用安装在加热腔体1底部的加热棒31作为加热器，而加热棒31纵向置于加热腔体1的内部，并且贯穿测量区12与加热区11，由于测量区12中无需再对烟气进行加热，因此处于降低能源消耗，可仅将加热棒31置于加热区11中的部分设置发热段。

仍然参考图1所示，发明人在试验过程中还发现，当经由测量区12测量后烟气在由返回气导引嘴7进入烟道9中时，如在第二管道6内的流速过慢，将影响整个装置的使用效率，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，在上述加热腔体1的测量区12与第二管道6之间增设了样气输出喷嘴组件8，该样气输出喷嘴组件8的入口端面积大于其出口端的面积，通过增设该样气输出喷嘴组件8，利用“大进小出”的原理，使气流的气压变大，进而使加热腔体1中已完成测量的气体迅速排走，避免气体在加热腔体1中过久的滞留，影响后续进入加热腔体1的烟气测量。

正如上述所提到的，本实用新型的烟尘测量多点取样装置是用于安装在大界面烟道中使用的，因此本实用新型的另一应用实施例是将上述任意一个实施例中的取样装置安装在截面为矩形的发电厂大截面横向烟道9上，其中加热腔体1、多点取样嘴2及返回气导引嘴7置于烟道9的内部，测量仪表4、第二管道6置于烟道9的外部。

仍然参考图1所示，在上述的基础上，再对上述烟尘测量多点取样装置的各个功能说明如下：

上述多点采样嘴2亦可直接采用一个前部为90度弯头，中部为直管，后部是法兰组成的结构体。由于待测烟道尺寸不同，可以设计为单点采样嘴、两点采样嘴、三点采样嘴、四点采样嘴组成。其作用是将正对气流方向的烟气转向，导引气流作用。

加热腔体1是一个双层不锈钢圆筒形结构，整体长度1.2米，整体内径250mm,外径尺寸300mm。其作用有三个：一是在加热腔体前部完成样气混合；二是在加热腔体内加热区完成样气的升温；三是在加热腔体内测量区完成样气的测量。其中设计具有中空夹层的主要目的保温，防止内部热量散失，本加热腔体1内外涂有特氟龙涂层，以提高抗腐蚀能力，同时也利用的特氟龙涂层不沾特性，减少颗粒物在腔体内壁上附着。在加热腔体1内，最大风速设计为小于3米/秒。

加热器3中的加热棒31主要作用通电后产生提供热量，加热样气，因为气体在加热腔体停滞时间设计为0.5秒至1.5秒，为了保障加热和温升效果，可在加热棒上增设翅片，即翅片加热器，并且为防止灰尘在翅片加热器粘结，翅片加热器通体喷涂特氟龙涂层。电加热棒的设计是在整体设计为1.1米，前半段长度0.85米为加热段，后半段0.25米为非加热段。设计非加热段的因为加热段温度较高，可以达到300度，而测量仪表的工作温度在200度左右，因此防止测量区温度过高对仪表有损坏，因此设计后半段不加热。

样气输出喷嘴组件8是一个渐缩喷嘴结构，其入口直径与出口直径比为3:1，其作用是将入口风速提高约9倍，样气经过这个结构后，风速提高近9倍，提高的气体动能，用来克服后面连接管道沿程阻力，能够顺利返回烟道。

返回气导引嘴7是一段316L不锈钢直管，内径32毫米,厚4毫米,长800毫米。其作用是将测量后样气送回烟道，在导气管的尾部，设计成斜面结构，作用是形成负压面，近一步提高样气抽回烟道的能力。

另一方面，上述多点取样嘴2与加热腔体1、加热腔体1与样气输出喷嘴组件8、测量仪表4与加热腔体，第二管道分别与样气输出喷嘴组件8及返回气导引嘴7之间均可采用法兰安装，以进一步简化装置的安装工序及可拆卸性；同时上述测量仪表4所使用的是现有技术中常用的烟尘浓度测量仪表，故在本实用新型中对于上述测量仪表4的结构及测量原理不再详述。

除上述以外，本实用新型还具有如下特点：

1）利用烟道中烟气的动能，利用烟道中烟气的动能，其实也是间接利用发电厂锅炉自带引风机的动力，利用取样嘴的90度弯头结构，将气流以很低阻力损失进行转向，实现无外部真空泵的多点均匀取样。

整个样气流动过程总结为：取样嘴实现等速转向→进入加热腔体减速形成近等压区实现气体混合→出加热腔后用渐渐缩喷嘴提速增加气体动能，经过导管进入返回气管。

整体样气流动速度划分为：在取样嘴与烟道风速基本等速（速度为5～30米之间）加热腔体速度（1～3米），渐缩喷嘴提速（5～30米），导气管流入烟道（5～30米）。

由于不需要单独抽取动力，也不要设计单独抽取装置及后续保温装置及相应流速跟踪控制系统，极大的降低外部抽取装置的成本和维护工作量，降低了产品生产制造成本。

2）加热腔体的等比例采样、混样设计模型及设计方法为：

样嘴设计为圆形弯头，无论是单点取样、2点取样、3点取样、多点取样

其所有取样嘴截面积之和远小于加强腔体内截面，最佳比例为1:10，最大比例为1:15，最小比例为1:5；设计公式如下：

S1 +S2 +S3+…+Sn = 1/10 S_jsq

其中：Sn为取样嘴的截面积，S_jsq 为加热腔内腔截面积；

此种设计公式下，保证了加热腔体内气体流速低于3米/秒，加热腔体内气体动压力在5Pa以下，在加热腔端部形成近似等压截面，有利于各进气嘴气体流入和混合。

3）防止烟气酸腐蚀和灰尘粘结及减少风阻的工艺为：

为了防止烟气的酸腐蚀和灰尘的粘结及沿程风阻，在烟气取样嘴内外部及加热腔内外以及测量室部件中内外全部喷涂特氟龙层，即有效防止酸腐蚀，又可以避免灰尘的粘结带来测量成分损失，同时减少阻力损失。

4）取样嘴、混样、加热、测量功能一体化的测量结构

在目前已知的同类似的厂家中，其取样探头、加热腔体、测量池（或者测量池）均为分体独立结构，各部件之间用软管线和硬管线连接。设备庞大、笨重，本设计取样嘴、取样探杆、混样、加热、测量集中到一个组合结构上来，来完成测量的目的。结构紧凑、简单、不易出现介质泄漏，不易出现待测样气组份的丢失。 具有成本低、易加工、易调试、安装方便等优点。

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 (9)

1.一种用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，其特征在于：所述的取样装置包括加热腔体（1），所述加热腔体（1）还与用于置于烟道（9）内的多点取样嘴（2）相连通，所述多点取样嘴（2）至少具有两个进气口（21），且所述至少两个进气口（21）不在同一水平面上；所述加热腔体（1）的内部分为加热区（11）与测量区（12），所述加热区（11）内设有加热器（3），所述测量区（12）的外部还安装有测量仪表（4），所述测量仪表（4）的测量端通过第一管道（5）与测量区（12）相连通；所述加热腔体（1）的测量区（12）还通过第二管道（6）与返回气导引嘴（7）相连通。

2.根据权利要求1所述的用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，其特征在于：所述多点取样嘴（2）的至少两个进气口（21）均朝向烟道（9）内烟气的来源方向。

3.根据权利要求1或2所述的用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，其特征在于：所述多点取样嘴（2）为三个上部具有弧形弯头（22）的管状组件（23），所述进气口（21）置于弧形弯头（22）的端部，且所述的管状组件（23）均分别与加热腔体（1）相连通。

4.根据权利要求3所述的用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，其特征在于：所述三个上部具有弧形弯头（22）的管状组件（23）均垂直安装在加热腔体（1）的上部，且它们上部弧形弯头（22）的弧形对应的角度均为90度。

5.根据权利要求1所述的用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，其特征在于：所述加热腔体（1）内部与多点取样嘴（2）相连通的上部为加热区（11），所述加热区（11）的下部为测量区（12）。

6.根据权利要求1或5所述的用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，其特征在于：所述加热腔体（1）整体呈圆桶状，且所述加热腔体（1）的内壁与外壁之间设有中空夹层（13）。

7.根据权利要求1或5所述的用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，其特征在于：所述的加热器（3）为安装在加热腔体（1）底部的加热棒（31），所述加热棒（31）纵向置于加热腔体（1）的内部，且贯穿测量区（12）与加热区（11），所述加热棒（31）置于加热区（11）中的部分为发热段。

8.根据权利要求1或2所述的用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样装置，其特征在于：所述加热腔体（1）的测量区（12）与第二管道（6）之间还安装有样气输出喷嘴组件（8），所述样气输出喷嘴组件（8）的入口端面积大于其出口端的面积。

9.一种用于发电厂大截面烟道的烟尘测量多点取样系统，其特征在于：所述的取样系统为将权利要求1至7任意一项所述的取样装置安装在截面为矩形的发电厂大截面横向烟道（9）上，其中加热腔体（1）、多点取样嘴（2）及返回气导引嘴（7）置于烟道（9）的内部，测量仪表（4）、第二管道（6）置于烟道（9）的外部。