CN218823913U - 一种co2在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种CO₂在线监测系统，系统包括取样检测单元、零气发生单元，取样检测单元包括稀释取样探头、非分散红外CO₂分析仪，稀释取样探头与烟气气源连通，非分散红外CO₂分析仪与稀释取样探头连通用于对烟气中CO₂进行分析；零气发生单元用于吸走压缩空气中CO₂并形成零气，零气发生单元包括干燥器、与稀释取样探头连通的CO₂吸附器，干燥器进端与压缩空气气源连通，干燥器出端与CO₂吸附器连通。本实用新型提供的系统，零气发生单元产生的干燥零气进入稀释取样探头不仅对样气进行稀释，驱动稀释取样探头工作，还可降低样气中水分含量，又可对系统进行零点校准。

Description

一种CO2在线监测系统

技术领域

本实用新型属于二氧化碳排放监测领域，具体涉及一种CO₂在线监测系统。

背景技术

温室气体排放导致的气候问题引起全球关注，连续三十年(1985-1995年、1995-2005年和2005-2015年)来，CO₂的平均增长率从1.42ppm/年增至1.86ppm/年、再增加到2.06ppm/ 年。为了实现设定2050年前将大气CO₂浓度控制在470ppm的目标，维护人类的生存环境，中国拉开了碳达峰及碳中和的序幕。中国政府于1998年5月签署《京都议定书》，并在国内落实了一系列降低碳排放的措施，2016年11月，国务院印发《“十三五”控制温室气体排放工作方案》，首次要求“大型发电集团单位供电二氧化碳排放强度控制在550g/kwh以内”。2017年12月，以《全国碳排放权交易市场建设方案(发电行业)》的印发为标志，全国碳交易市场正式启动。2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。

目前二氧化碳排放的计算方法分为三类：(1)排放因子法；(2)碳平衡法；(3)直接监测法。其中排放因子法和碳平衡法是通过碳元素核算的方法来确定二氧化碳排放量。直接监测主要通过计量设施和监测手段，直接测量燃烧后排放气体的相关指标，如烟气单位时间流量、CO₂浓度等，来获得排放量。

电力、钢铁、水泥等CO₂浓度在5-15％，通常采用抽取稀释方法，可以显著降低CO₂的浓度，同时也将显著降低烟气中其他污染物的浓度，比如SO₂、NO_x等，同时烟气含水量也大幅降低。国外也有采用稀释抽取测量CO₂的方法，但稀释比大多在1:100。稀释比在1:100 的稀释取样探头采用50ml的临界孔进行直接取样，样气取样量很低，取样量为50ml，探针及探头腔室内样气全部抽完需要数分钟时间，系统响应时间太长，无法做实时反馈控制。

比如在使用稀释比在1:100的稀释取样探头时，需要配备冷凝除水装置，再经除湿，才能保证测气体纯净、干燥，才能保证测气体纯净、干燥，再对烟气进行气体分析。这些处理装置结构复杂，处理成本高，而且因被分析气体浓度高，容易产生封堵，维护周期短。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种CO₂在线监测系统。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种CO₂在线监测系统，所述的系统包括取样检测单元、零气发生单元，所述的取样检测单元包括稀释取样探头、非分散红外CO₂分析仪，所述的稀释取样探头与烟气气源连通，所述的非分散红外CO₂分析仪与所述的稀释取样探头连通用于对烟气中的CO₂进行分析；

所述的零气发生单元用于吸走压缩空气中的CO₂并形成零气，所述的零气发生单元包括干燥器、CO₂吸附器，所述的干燥器的进端与压缩空气气源连通，所述的干燥器的出端与所述的CO₂吸附器连通，所述的CO₂吸附器与所述的稀释取样探头连通。

优选地，所述的稀释取样探头的稀释比为1:15-40。

优选地，所述的干燥器包括第一干燥器和第二干燥器，所述的第一干燥器、第二干燥器的进端均与压缩空气气源连通，所述的第一干燥器、第二干燥器的出端均与所述的CO₂吸附器连通，所述的第一干燥器和第二干燥器交替工作。

优选地，所述的系统还包括第一取样流量器，所述的第一取样流量器设置在所述的CO₂吸附器与所述的稀释取样探头之间连通的管路上，所述的第一取样流量器用于限定进入所述的稀释取样探头内的零气流量；所述的第一取样流量器包括本体，所述的本体上开设有通气孔，所述的通气孔孔径为0.1-1mm。

优选地，所述的系统还包括第二取样流量器，所述的第二取样流量器用于限定进入所述的非分散红外CO₂分析仪内的烟气流量，所述的第二取样流量器一端与所述的稀释取样探头连通，所述的第二取样流量器另一端与所述的非分散红外CO₂分析仪连通；所述的第二取样流量器包括本体，所述的本体上开设有通气孔，所述的通气孔孔径为0.1-1mm。

优选地，所述的系统还包括排气管路，所述的排气管路与设置在所述的稀释取样探头与所述的非分散红外CO₂分析仪之间连通的管路连通，所述的排气管路用于供大于所述的非分散红外CO₂分析仪的额定检测流量的气体排出。

优选地，所述的取样检测单元还包括采样泵，所述的采样泵设置在所述的稀释取样探头、非分散红外CO₂分析仪之间连通的管路上。

优选地，所述的系统还包括校准单元，所述的校准单元与所述的稀释取样探头连通，所述的校准单元用于向所述的稀释取样探头输送CO₂标气以对所述的系统进行线性校准。

优选地，所述的校准单元包括用于存储CO₂标气的储瓶，所述的储瓶与所述的稀释取样探头进端之间通过管路连通。

优选地，所述的系统还包括第一取样流量器，所述的第一取样流量器设置在所述的校准单元与所述的稀释取样探头之间连通的管路上，所述的第一取样流量器用于限定进入所述的稀释取样探头内的CO₂标气流量；所述的第一取样流量器包括本体，所述的本体上开设有通气孔，所述的通气孔孔径为0.1-1mm。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型提供的CO₂在线监测系统，设置取样检测单元、零气发生单元，零气发生单元产生的干燥零气进入稀释取样探头不仅对样气进行稀释，驱动稀释取样探头工作，还可降低样气中水分含量，又可对系统进行零点校准；稀释后的样气水分含量下降，传输管路所需的伴热温度降低；减少冷凝除水装置，简化系统，降低成本；样气抽取速率大，系统响应时间加快。

附图说明

附图1为本实用新型的实施例一的CO₂在线监测系统的结构示意图；

附图2为本实用新型的实施例二的CO₂在线监测系统的结构示意图；

附图3为本实用新型的实施例三的CO₂在线监测系统的结构示意图。

以上附图中：

1-干燥器，2-压缩空气入口，3-稀释取样探头，4-校准管路，5-第一取样流量器，6-校准单元，8-取样管路，9-第二取样流量器，10-非分散红外CO₂分析仪，11-CO₂吸附器，12.CO₂再生气排气管路，13-采样泵，14-排气管路。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步描述。

一种CO₂在线监测系统，系统包括取样检测单元、零气发生单元，取样检测单元包括稀释取样探头3、非分散红外CO₂分析仪10。

稀释取样探头3与烟气气源连通，非分散红外CO₂分析仪10与稀释取样探头3连通用于对烟气中的CO₂进行分析。稀释取样探头3的稀释比为1:15-40为最优，低稀释比取样探头的取样量为200ml-2L，样气抽取速率大，系统响应时间加快，且生产成本低。

稀释取样探头3进行稀释抽取法的出发点是用大量的干燥纯净空气稀释采样的烟气，使样气中的含水量下降，让氧气的露点温度远低于室温(一般达到-40℃)来解决水汽凝结所带来的问题。稀释采样法中采用临界孔采样技术能够精确地保证稀释比。所谓临界孔即指：当临界孔两端的压力比达到0.53以上时，流体经过临界孔的流速被限制在声速，因此流体流过临界孔的流量是恒定值；很容易保证稀释气的压力恒定，即稀释气的流速亦是一个恒定值，所以氧气的稀释比是一个恒定值。稀释采样法的最大好处是：大比例的精确稀释样气，使得样气长距离的传输变得简单方便，并且不改变样气的任何成分，烟气测量准确。

取样检测单元还包括采样泵13，采样泵13设置在稀释取样探头3、非分散红外CO₂分析仪10之间连通的取样管路8上，采样泵13通过稀释取样探头3抽取烟气使烟气进入非分散红外CO₂分析仪10内。

系统还包括排气管路14，排气管路14与设置在稀释取样探头3与非分散红外CO₂分析仪之间连通的管路连通，排气管路用于供大于非分散红外CO₂分析仪10的额定检测流量的气体排出，进入非分散红外CO₂分析仪10的气体量恒定，经过稀释取样探头3的稀释烟气量增大，此时不能进入非分散红外CO₂分析仪10的多余气体经过排气管路14排出，不影响非分散红外CO₂分析仪的正常使用。

取样检测单元的取样检测过程如下：由采样泵通过稀释取样探头3抽取烟气，经稀释后的样气经过取样管路8及第一取样流量进入非分散红外CO₂分析仪10，多余的气量通过排气口排出。

零气发生单元用于吸走压缩空气中的CO₂并形成零气，零气发生单元包括干燥器1、CO₂吸附器11，干燥器1的进端与压缩空气气源连通，干燥器1的出端与CO₂吸附器11连通，CO₂吸附器11与稀释取样探头3连通，干燥器1可将压缩空气里的水除掉也可吸附CO₂，CO₂吸附器11把压缩空气中的CO₂除掉。零气发生单元可将压缩空气中的CO₂脱除到1ppm以下，产生的零气气量在0-20L/min。

零气是指调整气体分析仪最小刻度的气体，以及进入分析仪时显示为零的气体。零气应不含有待测成分或干扰物质，但可以含有与测定无关的成分。一般使用不含待测成分的高纯氮或清洁空气作为零气。

干燥器1包括第一干燥器(见图1-3中A所指)和第二干燥器(见图1-3中B所指)，第一干燥器、第二干燥器的进端均与压缩空气气源连通，第一干燥器、第二干燥器的出端均与CO₂吸附器11连通，第一干燥器和第二干燥器交替工作。

第一干燥器和第二干燥器内均设置有吸附剂，吸附剂包括氧化铝、5A分子筛、13A分子筛中的一种或多种的组合。

CO₂吸附器11内设置有吸附剂，吸附剂包括钠石灰、氧化钙、氧化钠中的一种或多种的组合。

干燥器1可选用无热再生吸附式干燥机，其利用变压吸附原理，通过填充有高吸水性的氧化铝或分子筛，对压缩空气进行干燥的一种装置，通常能够使压缩空气干燥至露点-40到-70 摄氏度。无热再生干燥机是采用双塔变压吸附、无热再生的工艺，其工作原理是一个吸附塔在工作压力下进行吸附干燥，同时另一个吸附塔利用一部份自身干燥气体并降压接近大气压力，作为再生气体对其进行再生，以固定的切换时间进行双塔切换，从而连续提供干燥气。干燥器1塔体设计可储存98％的吸附热，保持再生气的高的温度，提高了再生能力；干燥和再生反向流动，使湿空气流经干的吸附剂时不浪费能源。

干燥器1中固体吸附剂中的活性组分和二氧化碳在吸收器上产生化学反应后，生成碳酸盐或重碳酸盐，在燃气流中清除二氧化碳，而吸附二氧化碳的吸附剂，经过再生器上的加热再生，可以反复使用。

系统还包括CO₂再生气排气管路12，CO₂再生气排气管路12与干燥器1连通，CO₂再生气排气管路12用于排出CO₂再生气。

系统还包括第一取样流量器5，第一取样流量器5设置在CO₂吸附器11与稀释取样探头 3之间连通的管路上，第一取样流量器5用于限定进入稀释取样探头3内的零气流量。第一取样流量器5包括本体，本体上开设有通气孔，通气孔孔径为0.1-1mm，本体由石英玻璃、哈氏合金或氧化铝陶瓷制成。

系统还包括第二取样流量器9，第二取样流量器9设置在稀释取样探头3与非分散红外 CO₂分析仪10之间连通的管路上，第二取样流量器9用于限定进入稀释取样探头3内的烟气流量，第二取样流量器9一端与稀释取样探头3连通，第二取样流量器9另一端与非分散红外CO₂分析仪10连通；第二取样流量器9包括本体，本体上开设有通气孔，通气孔孔径为0.1-1mm。进入非分散红外CO₂分析仪10的气体量恒定，通过设置第二取样流量器9可保证非分散红外CO₂分析仪10的正常工作。

第一取样流量器5、第二取样流量器9的具体结构可参见申请号为2019212088505、名称为《一种烟气取样装置》的专利。设置第一取样流量器5快速限定了进入稀释取样探头3的标气量，最大限度的节约了标气；设置第二取样流量器9，在正压条件下，快速限定烟气采样量，为非分散红外CO₂分析仪提供稳定的样气；解决了当前CEMS系统大多采用附子流量计限定采样量及标气气量带来的气量难以快速稳定控制，而且需要人工调节的问题。

零气发生单元的实施过程如下：压缩空气通过压缩空气入口2进入干燥器1，干燥器1 对压缩空气中的水分进行吸附，再经过CO₂吸附器11吸走CO₂后产生系统所需要的零气(零气中不含CO₂)。零气再经过第一取样流量器5，进入稀释取样探头3，对系统进行零点校准。

烟气中水含量可能为10％，零气发生单元产生的零气(其中无CO₂)中水含量极小，零气进入稀释取样探头3对样气进行稀释，降低样气中水分含量，将烟气中水分含量降低到0.8％以下(对应露点温度4摄氏度以下)，通过零气除湿替代了冷凝器除湿。

零气发生单元产生的零气是干燥气体，零气进入稀释取样探头3不仅对样气进行稀释，驱动稀释取样探头3工作，还可降低样气中水分含量，又可对系统进行零点校准。稀释后的样气水分含量下降，传输管线(管路)所需的伴热温度降低。在对烟气进行取样检测同时零气发生单元保持向稀释取样探头3供送零气。

采取的烟气样气，加入零气稀释，降低了烟气样品露点温度，解决了烟气冷凝水问题，防止了烟气中的水汽凝结造成溶解性污染物成分损失，一般情况下无需跟踪加热采样管线，并解决了采样探头的腐蚀与堵塞问题，连续工作时间长；样气正压传送，管道微小泄漏不会产生二次烟气稀释造成测量误差的问题；杜绝了由于酸性凝结水腐蚀管道引起的故障，大大提高了系统的运行可靠性，降低了运行和维护成本。

系统还包括校准单元6，校准单元6与稀释取样探头3连通，校准单元6用于向稀释取样探头3输送CO₂标气以对系统进行线性校准。校准单元6包括用于存储CO₂标气的储瓶，储瓶与稀释取样探头3进端之间通过管路连通。储瓶内标气经减压阀后正压传输到预处理系统，系统气密性要求下降。

校准单元6的实施方式如下：CO₂标气减压后，经过第一取样流量器5进入稀释取样探头3，对系统进行线性校准，线性校准不需要一直进行，一般一周一次。

非分散红外CO₂分析仪10采用非分散红外技术，系统并采用零气发生单元，突破了当前非分散红外分析仪测量CO₂时还需要冷凝除水的方式，简化了系统，降低维护量。

本申请的CO₂在线监测系统的三种设置方式如下：

实施例一

如图1所示的CO₂在线监测系统，包括取样检测单元、零气发生单元、第一取样流量器5、第二取样流量器9、校准单元6，取样检测单元包括稀释取样探头3、采样泵13、非分散红外CO₂分析仪10，稀释取样探头3与烟气气源连通，非分散红外CO₂分析仪10与稀释取样探头3连通，采样泵13设置在稀释取样探头3与非分散红外CO₂分析仪10之间连通的管路上；零气发生单元包括干燥器1、CO₂吸附器11，干燥器1与CO₂吸附器11连通，CO₂吸附器11与稀释取样3探头连通；第一取样流量器5设置在CO₂吸附器11与稀释取样探头3 之间连通的管路上，第二取样流量器9设置在稀释取样探头3与非分散红外CO₂分析仪10 之间连通的管路上。

实施例二

如图2所示的CO₂在线监测系统，包括取样检测单元、零气发生单元、校准单元6、第一取样流量器5、第二取样流量器9，取样检测单元包括稀释取样探头3、采样泵13、非分散红外CO₂分析仪10，稀释取样探头3与烟气气源连通，非分散红外CO₂分析仪10与稀释取样探头3连通，采样泵13设置在稀释取样探头3与非分散红外CO₂分析仪10之间连通的管路上；零气发生单元包括干燥器1、CO₂吸附器11，干燥器1与CO₂吸附器11连通，CO₂吸附器11与稀释取样3探头连通，第一取样流量器5设置在校准单元6与稀释取样探头3之间连通的管路上，第二取样流量器9设置在稀释取样探头3与非分散红外CO₂分析仪10之间连通的管路上。

实施例三

如图3所示的CO₂在线监测系统，包括取样检测单元、零气发生单元、第一取样流量器 5、第二取样流量器9，取样检测单元包括稀释取样探头3、采样泵13、非分散红外CO₂分析仪10，稀释取样探头3与烟气气源连通，非分散红外CO₂分析仪10与稀释取样探头3连通，采样泵13设置在稀释取样探头3与非分散红外CO₂分析仪10之间连通的管路上；零气发生单元包括干燥器1、CO₂吸附器11，干燥器1与CO₂吸附器11连通，CO₂吸附器11与稀释取样3探头连通，第一取样流量器5设置在CO₂吸附器11与稀释取样探头3之间连通的管路上，第二取样流量器9设置在稀释取样探头3与非分散红外CO₂分析仪10之间连通的管路上。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的系统包括取样检测单元、零气发生单元，所述的取样检测单元包括稀释取样探头、非分散红外CO₂分析仪，所述的稀释取样探头与烟气气源连通，所述的非分散红外CO₂分析仪与所述的稀释取样探头连通用于对烟气中的CO₂进行分析；

所述的零气发生单元用于吸走压缩空气中的CO₂并形成零气，所述的零气发生单元包括干燥器、CO₂吸附器，所述的干燥器的进端与压缩空气气源连通，所述的干燥器的出端与所述的CO₂吸附器连通，所述的CO₂吸附器与所述的稀释取样探头连通。

2.根据权利要求1所述的CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的稀释取样探头的稀释比为1:15-40。

3.根据权利要求1所述的CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的干燥器包括第一干燥器和第二干燥器，所述的第一干燥器、第二干燥器的进端均与压缩空气气源连通，所述的第一干燥器、第二干燥器的出端均与所述的CO₂吸附器连通，所述的第一干燥器和第二干燥器交替工作。

4.根据权利要求1所述的CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的系统还包括第一取样流量器，所述的第一取样流量器设置在所述的CO₂吸附器与所述的稀释取样探头之间连通的管路上，所述的第一取样流量器用于限定进入所述的稀释取样探头内的零气流量；所述的第一取样流量器包括本体，所述的本体上开设有通气孔，所述的通气孔孔径为0.1-1mm。

5.根据权利要求1所述的CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的系统还包括第二取样流量器，所述的第二取样流量器用于限定进入所述的非分散红外CO₂分析仪内的烟气流量，所述的第二取样流量器一端与所述的稀释取样探头连通，所述的第二取样流量器另一端与所述的非分散红外CO₂分析仪连通；所述的第二取样流量器包括本体，所述的本体上开设有通气孔，所述的通气孔孔径为0.1-1mm。

6.根据权利要求1所述的CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的系统还包括排气管路，所述的排气管路与设置在所述的稀释取样探头与所述的非分散红外CO₂分析仪之间连通的管路连通，所述的排气管路用于供大于所述的非分散红外CO₂分析仪的额定检测流量的气体排出。

7.根据权利要求1所述的CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的取样检测单元还包括采样泵，所述的采样泵设置在所述的稀释取样探头、非分散红外CO₂分析仪之间连通的管路上。

8.根据权利要求1所述的CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的系统还包括校准单元，所述的校准单元与所述的稀释取样探头连通，所述的校准单元用于向所述的稀释取样探头输送CO₂标气以对所述的系统进行线性校准。

9.根据权利要求8所述的CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的校准单元包括用于存储CO₂标气的储瓶，所述的储瓶与所述的稀释取样探头进端之间通过管路连通。

10.根据权利要求8所述的CO₂在线监测系统，其特征在于：所述的系统还包括第一取样流量器，所述的第一取样流量器设置在所述的校准单元与所述的稀释取样探头之间连通的管路上，所述的第一取样流量器用于限定进入所述的稀释取样探头内的CO₂标气流量；所述的第一取样流量器包括本体，所述的本体上开设有通气孔，所述的通气孔孔径为0.1-1mm。

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