RU2817734C1

RU2817734C1 - Laser meter of concentration of harmful substances in flow of exhaust gases of ship power plants

Info

Publication number: RU2817734C1
Application number: RU2023125184A
Authority: RU
Inventors: Владимир Антонович Туркин; Валерий Геннадьевич Шеманин; Георгий Владимирович Игнатенко; Владимир Владимирович Беляев; Сергей Сергеевич Зубко
Filing date: 2023-06-16
Publication date: 2024-04-19

Abstract

FIELD: control and measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to instrumentation, in particular to monitoring and measuring concentration of molecules of harmful substances in a gas medium, and can be used in ship environmental and process monitoring systems, control of emissions of hazardous substances from ship power plants (SPP). Disclosed laser meter of concentration of harmful substances in the flow of exhaust gases moving in gas ducts of SPP elements contains a radiation source in the form of a laser, rectangular triangular prism with the possibility of turning the laser radiation through 90°, converging and focusing lenses located on one optical axis at a distance from each other, interference light filter with maximum transmission at the wavelength of the band of Raman scattering of light by molecules of harmful substances, a photodetector, a data collection board, a computer with specialized software. At that, for input of laser radiation into flow of spent gases of SPP element, laser meter is equipped with diaphragm with hole of 40 mm, installed with possibility of adjoining communication with gas duct cavity.

EFFECT: possibility of measuring concentration of harmful substances such as carbon oxides, nitrogen oxides and sulphur oxides in the flow of exhaust gases moving in gas ducts of SPP elements.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к контролю и измерениям концентрации молекул вредных веществ в газовой среде, и может быть использована в судовых системах экологического и технологического мониторинга, контроля выбросов судовыми энергетическими установками (СЭУ) вредных веществ, которые регламентируются требованиями Международной Конвенции по предотвращению загрязнения с судов МАРПОЛ 73/78.The proposed invention relates to control and measuring equipment, in particular to monitoring and measuring the concentration of molecules of harmful substances in a gas environment, and can be used in ship systems for environmental and technological monitoring, monitoring emissions of harmful substances from ship power plants (SPU), which are regulated by the requirements of the International Convention for the Prevention of Pollution from Ships MARPOL 73/78.

Согласно требованиям МАРПОЛ 73/78 судовладельцы обязаны контролировать выбросы с отработавшими газами СЭУ таких вредных веществ, как оксиды углерода (CO, СО₂), оксиды азота (NO, NO₂), оксиды серы (SO₂, SO₃). На данный момент на судах транспортного флота задача по контролю выбросов указанных вредных веществ решается путем периодического замера их концентрации переносными анализаторами газов (например, testo 350). Такой подход не позволяет автоматически в режиме реального времени контролировать концентрации указанных вредных выбросов в потоке отработавших газов, движущихся в газоходах элементов судовых энергетических установок.According to the requirements of MARPOL 73/78, shipowners are required to control emissions of such harmful substances as carbon oxides (CO, CO ₂ ), nitrogen oxides (NO, NO ₂ ), and sulfur oxides (SO ₂ , SO ₃ ) from SPP exhaust gases. At the moment, on transport fleet vessels, the task of controlling emissions of these harmful substances is solved by periodically measuring their concentration with portable gas analyzers (for example, testo 350). This approach does not allow automatic real-time monitoring of the concentrations of these harmful emissions in the flow of exhaust gases moving in the gas ducts of elements of ship power plants.

Известен анализатор состава природного газа (изобретение № 2650363, МПК G01N 21/65, G01N 21/3504), который содержит непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и боковым окном для вывода рассеянного излучения под углом 90° к направлению распространения лазерного излучения, голографический фильтр, обеспечивающий ослабление рассеянного излучения на длине волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления, в отличие от прототипа внутри кюветы, напротив окна для вывода рассеянного излучения, выполнено еще одно окно, при этом для сбора рассеянного сквозь него излучения на пути светового потока установлены дополнительно фотообъектив, голографический нотч-фильтр и второй спектральный прибор, сопряженный со своей ПЗС-матрицей, причем один из спектральных приборов регистрирует излучение в диапазоне 200-2700 см^-1, а другой - в диапазоне 3400-3800 см^-1. Такое взаимное расположение компонентов, при котором обеспечивается одновременная регистрация спектра КР анализируемого природного газа двумя различными спектральными приборами, позволяет не только сохранить регистрацию требуемых спектральных участков для полной диагностики состава природного газа, но и увеличить разрешение, а также исключить регистрацию интенсивных полос метана, находящихся в диапазоне 2800-100 см^-1. Требуемая область 3600-3800 см^-1 расширена до 3400-3800 см^-1 для регистрации крыла метана, по отношению к которому будет определяться концентрация паров воды и метанола.A known natural gas composition analyzer (invention No. 2650363, IPC G01N 21/65, G01N 21/3504), which contains a continuous laser, a focusing lens, a gas cell with an input window for input of laser radiation and a side window for output of scattered radiation at an angle of 90° to the direction of propagation of laser radiation, a holographic filter that provides attenuation of scattered radiation at the laser wavelength, a spectral device interfaced with a CCD matrix, and a control unit, unlike the prototype, inside the cuvette, opposite the window for outputting scattered radiation, there is another window, Moreover, to collect the radiation scattered through it, an additional photo lens, a holographic notch filter and a second spectral device coupled to its CCD matrix are installed on the path of the light flux, and one of the spectral devices registers radiation in the range of 200-2700 cm ^-1 , and the other - in the range of 3400-3800 cm ^-1 . This mutual arrangement of components, which ensures simultaneous registration of the Raman spectrum of the analyzed natural gas by two different spectral instruments, allows not only to maintain the registration of the required spectral areas for a complete diagnosis of the composition of natural gas, but also to increase the resolution, and also to exclude the registration of intense methane bands located in range 2800-100 cm ^-1 . The required region of 3600-3800 cm ^-1 is expanded to 3400-3800 cm ^-1 to register the methane wing, in relation to which the concentration of water vapor and methanol will be determined.

Недостатком анализатора является отсутствие возможности производить измерение в газоходах элементов судовых энергетических установок концентрации таких вредных веществ, как оксиды углерода (CO, CO₂), оксиды азота (NO, NO₂), оксиды серы (SO₂, SO₃), выбросы которых регламентируются требованиями Международной Конвенции по предотвращению загрязнения с судов МАРПОЛ 73/78.The disadvantage of the analyzer is the inability to measure the concentration of such harmful substances as carbon oxides (CO, CO ₂ ), nitrogen oxides (NO, NO ₂ ), sulfur oxides (SO ₂ , SO ₃ ) in the gas ducts of elements of ship power plants, the emissions of which are regulated requirements of the International Convention for the Prevention of Pollution from Ships MARPOL 73/78.

Задачей изобретения является автоматическое в реальном режиме времени измерение концентрации указанных выше вредных выбросов в потоке отработавших газов, движущихся в газоходах элементов судовых энергетических установок.The objective of the invention is to automatically, in real time, measure the concentration of the above-mentioned harmful emissions in the flow of exhaust gases moving in the gas ducts of elements of ship power plants.

Техническим результатом является расширение возможностей контроля загрязнения воздушной среды с судов посредством реализации лазерного метода измерения концентрации вредных выбросов в потоке отработавших газов, движущихся в газоходах элементов судовых энергетических установок.The technical result is the expansion of the capabilities of monitoring air pollution from ships through the implementation of a laser method for measuring the concentration of harmful emissions in the flow of exhaust gases moving in the gas ducts of elements of ship power plants.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый лазерный измеритель концентрации вредных веществ в потоке отработавших газов судовых энергетических установок содержит источник излучения в виде лазера, прямоугольную с возможностью поворота лазерного излучения на 90 градусов треугольную призму, расположенные на одной оптической оси на расстоянии друг от друга собирающую и фокусирующую линзы, интерференционный светофильтр с максимумом пропускания на длине волны полосы комбинационного рассеяния света молекулами вредных веществ, фотоприемник, плату сбора данных, компьютер с специализированным программным обеспечением.The technical result is achieved by the fact that the proposed laser meter for the concentration of harmful substances in the exhaust gas flow of ship power plants contains a radiation source in the form of a laser, a rectangular triangular prism with the possibility of rotating the laser radiation by 90 degrees, located on the same optical axis at a distance from each other, collecting and focusing lenses, interference filter with maximum transmission at the wavelength of the Raman scattering band of molecules of harmful substances, photodetector, data acquisition board, computer with specialized software.

На фиг. 1 изображена оптическая схема лазерного измерителя концентрации молекул исследуемых вредных веществ в потоке отработавших газов судовых энергетических установок.In fig. Figure 1 shows an optical diagram of a laser meter for the concentration of molecules of the studied harmful substances in the exhaust gas flow of ship power plants.

Лазерный измеритель концентрации вредных веществ в потоке отработавших газов судовых энергетических установок работает следующим образом. Луч лазера 1 с поворотом на 90 градусов прямоугольной треугольной призмой 2 через центр собирающей линзы 3 направляется в газовый поток с молекулами исследуемых вредных веществ, таких, как оксиды углерода (CO, CO₂), оксиды азота (NO, NO₂), оксиды серы (SO₂, SO₃) внутрь газохода по оси отверстия в его стенке диаметром 40 мм. Излучение комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами в направлении назад или 180 градусов собирается в параллельный пучок линзой 3 и фокусирующей линзой 4 направляется через интерференционный светофильтр 5 с максимумом пропускания на длине волны полосы комбинационного рассеяния света молекулами вредных веществ на фотоприемник 6. Выходы фотоприемника 6 излучения комбинационного рассеяния света соединены с платой сбора данных 7, работающей на линии с компьютером 8, который обрабатывает полученные данные специализированным программным обеспечением и выводит значения концентрации исследуемых молекул на экран монитора.A laser meter for the concentration of harmful substances in the exhaust gas flow of ship power plants works as follows. The laser beam 1, rotated 90 degrees by a rectangular triangular prism 2 through the center of the collecting lens 3, is directed into a gas flow with molecules of the harmful substances being studied, such as carbon oxides (CO, CO ₂ ), nitrogen oxides (NO, NO ₂ ), sulfur oxides (SO ₂ , SO ₃ ) inside the flue along the axis of the hole in its wall with a diameter of 40 mm. Raman radiation from the molecules under study in the backward direction or 180 degrees is collected into a parallel beam by lens 3 and focusing lens 4 and directed through an interference filter 5 with a maximum transmission at the wavelength of the Raman band of molecules of harmful substances to the photodetector 6. Outputs of the Raman photodetector 6 The lights are connected to a data acquisition board 7, operating on a line with a computer 8, which processes the received data with specialized software and displays the concentration values of the molecules under study on the monitor screen.

Claims

A laser meter for the concentration of harmful substances in the exhaust gas flow of ship power plants, containing a radiation source in the form of a laser, characterized in that a rectangular triangular prism with the ability to rotate the laser radiation by 90°, located on the same optical axis at a distance of each other, is sequentially installed along the path of the laser radiation. from each other, collecting and focusing lenses, an interference filter with a maximum transmission at the wavelength of the Raman scattering band of light from molecules of harmful substances, a photodetector, a data acquisition board, a computer with specialized software, in this case, for introducing laser radiation into the exhaust gas flow of an element of ship power plants , the laser meter is equipped with a diaphragm with a 40 mm hole, installed with the possibility of adjoining the communication with the cavity of the gas duct.