一种烟气原位监测系统及方法

技术领域

本发明属于烟气监测技术领域，特别涉及一种烟气原位监测系统及方法。

背景技术

烟气排放连续监测系统(Continuous Emission Monitoring System，CEMS)是指固定安装在污染源监测口，对污染源排放的烟尘、气态污染物排放浓度进行连续、实时跟踪监测，并将信息实时传输到监控系统的设备。安装CEMS有着非常现实的应用意义，包括：实时监测污染源烟气中的颗粒污染物、气态污染物(SO

完整的CEMS系统主要包括：气态污染物监测子系统、颗粒物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、数据采集与处理子系统四个部分。其中，烟气中的污染气体SO

CEMS中气态污染物测量技术现状主要包括直接测量法和抽取测量法，传统的烟气监测方法通常先抽气采样，然后进行测量分析，不能满足烟气监测的实时在线性；近年来涌现出的气体分析仪器大多只能测量单点气体浓度，且测量气体比较单一，测量范围有限，随着对烟气排放提出更高的限制，传统的烟气监测技术己经不能满足需要；另外，目前使用的传统的分析设备系统复杂成本较高，且效率较低、精度较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烟气原位监测系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的系统精度较高、易操作、稳定性较高、便于维护且成本较低。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种烟气原位监测系统，包括：

烟气取样器，用于获取预定体积的烟气；

烟气压缩器，用于将获取的烟气压缩为液体；

样品器皿，用于收集烟气压缩后的液体；

紫外光谱仪，用于测得所述液体的紫外吸收光谱，输出光谱图数据；

工控机，用于接收所述光谱图数据，根据光谱图数据计算获得所述烟气中待监测物的浓度。

本发明的进一步改进在于，所述烟气取样器为固定体积导热材料制成的压缩管式的锥形体，其内壁耐酸、厌水。

本发明的进一步改进在于，还包括：气泵，用于设置于烟气取样器和烟道之间，将烟道内的烟气送入烟气取样器。

本发明的进一步改进在于，所述样品器皿设置有液位传感器和风冷散热装置。

本发明的进一步改进在于，所述烟气压缩器和所述烟气取样器之间设置有压力传感器。

本发明的进一步改进在于，所述压力传感器为隔离膜压力传感器。

本发明的进一步改进在于，压缩获得的液体为溶解有硫酸根离子、亚硫酸根离子和硝酸根离子的水溶液。

本发明的进一步改进在于，所述工控机中，根据光谱图数据计算获得所述烟气中待监测物的浓度具体包括：工控机通过光谱分析，获得硫酸根离子、硝酸根离子和亚硫酸根离子浓度，并根据液体液位、烟气体积计算获得烟气中三氧化硫、二氧化硫和氮氧化物浓度。

本发明的进一步改进在于，工控机中，各监测物浓度的计算表达式分别为：C

式中，h为液体液位，s为样品器皿横切面积，V为烟气体积，C

本发明的一种烟气原位监测方法，包括以下步骤：

获取预定体积的烟气；

将获取的烟气压缩为液体；

测得所述液体的紫外吸收光谱，输出光谱图数据；

根据光谱图数据计算获得所述烟气中待监测物的浓度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种高精度、易操作、高稳定性、便于维护的新型烟气检测系统。不同于常规的烟气监测系统，其通过将采集的气体样品压缩成液体来进行监测(代替了常规直接监测气体)，并结合光谱数据进行浓度换算；由于溶液中的浓度要远大于气体中的浓度，本发明系统所得到的测量结果精确度和可靠性更高。本发明具有测量原理、仪器结构和操作简单，测量准确度和灵敏度以及响应速度快等独特优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例的一种烟气原位监测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种烟气原位监测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例的一种烟气连续在线监测系统，可应用于冶金、水泥、火力发电等行业的烟气排放监测，具体包括：烟气取样器、压力传感器、烟气压缩器、紫外光谱仪与工控机。

本发明实施例中，烟气压力的测量采用高精度的隔离膜压力传感器，它的工作原理是将机械能转换为电能，通过对电能的测量计算压力，压电薄膜是由聚偏氟乙烯PVDF制作，当该薄膜被拉伸或者弯曲时，薄膜上下电极表面会产生一个电信号，其强度与拉伸与弯曲形变成正比。将压力取样管插入烟气取样器，压电薄膜检测到烟气压力后产生一个电信号，由压力变送器将电信号转换成4～20m A电流值，4-20m A电流值则会转换成对应的压力值。压力值的计算方法和温度值的计算方法相似，烟气监测系统中采用的压力传感器的量程为：-10Kpa～10Kpa。

本发明实施例中，液位传感器采用浮球式液位传感器，由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成，一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量器皿上下移动，器皿内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。液位传感器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。

由于工控机不能直接处理测量单元采集到的4～20m A电流信号，这就必须将这些4～20mA电流信号转换成工控机可以识别的数字信号。烟气监测系统中的温度电流信号、压力电流信号、液位电流信号，都是通过集线器转换成数学信号，用RS232串口数据线传送到工控机里，工控机的软件处理得到对应的监测数据。

集线器含有8个模拟量4～20m A电流接入端口；这个8个模拟量电流4～20m A接口的实质上是8路A/D(Analog to Digital)转换器，A/D转换器即模数转换器；在烟气监测系统中它的作用是将4～20m A电流信号转换成数字信号，便于传送到计算机中进行处理。通常情况下模拟信号(包括电流信号和电压信号)在进入A/D转换器之前都需要通过放大电路将其信号放大。集线器中的每路A/D转换器前都集成有电流放大芯片。集线器上的8个模拟量接入端口的配置是不同的。其中前两路供模拟电流输出为三条线的设备接入，中间三路供模拟电流输出为二条线的设备接入，后三路供模拟电流输出为四条线的设备接入。

基于SO

表1.SO

工控机可以通过串口1，采集到集线器传送过了的温度、压力、液位信号，同时还可以通过串口2，采集到光谱仪传输的CSO

换算方法如下：C

式中，h为水溶液液位，s为样品器皿横切面积，V为取样器体积，C

一般情况下CEMS系统软件按照数据数采仪规定的协议A，把数据传输给数采仪。数采仪按照环保局要求的数据传输协议B，把采集到的数据以有线、无线(GPRS/CDMA)形式传输到环保监控平台。环保监控平台通过专门的接收设备，把数据接收并将这些数据归类统计，以便于对排污状况进行监控管理。数采仪中包含无线(GPRS/CDMA)、有线远程连接模块，通过这些连接模块进行数据传输。CEMS系统软件的一个主要工作就是按照数采仪厂家提供的数据传输协议把测量数据传送给数采仪。数采仪有自己独立的操作系统，通常采用的是嵌入式Linux操作系统，也有少数数采仪采用的桌面windows操作系统，无论采用什么样的操作系统，数采仪数据库的设计都是按照相关环保部门的要求进行设计的。为了能全面采集到监测仪表的监测数据，数采仪有丰富的数据接收端口，有多个模拟量电流接收端口，有多个数字量RS232接收端口，还有多个数字量RS485接收端口，通过这些接收端口可以接收来自工控机、COD分析仪、PH计、氨氮分析仪等的监测数据，并将这些数据通过移动服务商提供的无线网络将数据远程传输的环保监控平台，数采仪配有显示设备，可以实时的观察污染物排放的实时状况，也可以保存这些污染状况，以便后期的查询。

本系统中主要用到ADAM 4024模块、ADAM 4068模块，因为它们都是RS485信号输入，因此工控机与它们连接时中间必须接一个RS232到RS485的转换模块ADAM 4520模块。

ADAM4024模块的实质是一组D/A转换器，在烟气监测系统中它的作用是将工控机传出的数字信号转换为4-20m A模拟信号输出给客户DCS使用，一个ADAM 4024模块可以输出4路4-20m A模拟信号，如果需要4路以上的4-20m A模拟信号，就要用到多个ADAM 4024模块，这时需要在工控机中分别设置它们的地址。

在烟气监测系统中ADAM4068模块的作用是将工控机软件系统输出的数字控制信号转换为开关量控制信号。在烟气监测系统中工控机可以通过烟气监测监控软件对烟气采样时间，反吹时间等进行设置和控制，每次到达设置时间时，烟气监测监控软件就会将控制信号由工控机的串口RS232传给ADAM 4520模块，该模块又将信号传送给ADAM 4068模块，ADAM 4068模块将接收到的数字信号转换成开关信号传送PLC，PLC接收到开关量控制信号，就会打开相应的气控阀、反吹电磁阀等控制开关。

工控机与检测传感器或者仪器之间可以采用FF(Foundation Fieldbus)总线、CAN(Controller Area Network)总线、Lonworks总线、DeviceNet总线、PROFIBUS总线、HART总线、CC-Link总线进行信息传送；还可以是在下位机中安装数据采集卡，该数据采集卡直接采集各传感器的信号；还可以是其中的两种、三种、甚至四种总线同时混用。

本发明实施例的一种新型烟气检测系统，包括：烟气取样器，压力传感器，烟气压缩器，紫外光谱仪与工控机。烟气取样器在工控机控制下从烟道中取出确定体积的烟气；烟气压缩器在烟气取样器上方，与烟气取样器相连，中间有压力传感器，在工控机的控制下，向下压缩，使得烟气取样器体积减小。烟气压缩器在工控机控制下将其压缩到一定压力环境，使得烟气中的水蒸气变成水，待压力传感器信号稳定时间达到20～60秒后，紫外光谱仪扫描样品器皿中溶液的光谱，并发送给工控机，工控机通过光谱分析，得到硫酸根离子、硝酸根离子和亚硫酸根离子浓度，并根据测得的液位，烟气取样器体积换算成烟气中三氧化硫、二氧化硫和氮氧化物浓度。控制烟气压缩器，随后将被测气液排空，进入下一个监测周期。所述烟气取样器是一个固定体积，内壁为耐酸、厌水、导热材料的压缩管式的锥形体，上端有气泵与烟道相连，下端有样品器皿，样品器皿上方有液位传感器，外有风冷散热装置。所述光谱仪为紫外分光光度计，用于采集硫酸根离子、硝酸根离子和亚硫酸根离子的光谱。所述工控机与数据采集装置之间采用FF总线、CAN总线、Lonworks总线、DeviceNet总线、PROFIBUS总线、HART总线或CC-Link总线进行信息传送。所述工控机中设置有数据采集卡，用于采集数据采集装置发出的各种信号。

请参阅图2，本发明实施例的一种新型烟气检测方法，包括以下步骤：

(1)在工控机控制下，打开样品器皿底下的电磁阀，并控制压缩器往下压缩，将烟气取样器中的气液排出烟气取样器之外；

(2)在工控机控制下，压缩器往上抬升，启动气泵，将烟道中的烟气吸入烟气取样器中，待取样器中烟气完全更新，然后关闭样品器皿底下的电磁阀与气泵；

(3)控制压缩器往下压缩，使得烟气取样器内压力增大，温度上升，在风冷散热器的作用下，烟气取样器内温度下降，水汽冷凝成水滴，氮氧化物、二氧化硫和三氧化硫也溶解在水滴中，并逐渐积聚在样品器皿中；

(4)待压力传感器信号稳定时间达到20-60秒后，紫外光谱仪扫描样品器皿中溶液的光谱，并发送给工控机，工控机通过光谱分析，得到硫酸根离子、硝酸根离子和亚硫酸根离子浓度，并根据测得的液位，烟气取样器体积换算成烟气中三氧化硫、二氧化硫和氮氧化物浓度，然后返回到步骤(1)。

为了适应烟气系统的实际工作环境的要求，测量系统选用温度范围较宽的工控机，并以固态硬盘替代通常使用的硬盘。工控机的系统软件为基于嵌入式Windows操作系统，并根据监测系统的具体配置需求进行了最小系统裁剪。所述烟气监测系统软件功能模块主要包括：数据采集与控制模块、数据处理模块、关键数据显示和本地存储模块以及辅助功能模块，数据采集和控制模块主要实现光谱信号的读取以及压缩装置的电机控制；数据处理模块对采集的光谱数据进行预处理，并采用换算公式反演气体浓度；辅助功能模块主要完成监测参数的设置、系统的校准与标定、软件帮助和历史记录查询等功能。其中通过参数设置模块可以实现仪器积分时间、光谱采样间隔等关键参量的设定；数据显示和存储模块主要功能是将气体浓度数据和波形显示到应用界面，并可将这些数据和波形信息保存到本地存储。

综上所述，目前的直接测量法又被称为在线式测量法，它分为点测量和线测量两种，是由直接安裝在烟道或烟囱上的监测系统对烟气实时测量(不需要抽收烟气)。传感器被安装在探头端部，探头直接插入烟道使用化学或光电传感器來测量较小范内的污染物浓度，即点测量：传感器和探头直接安装在烟道或烟囱上，利用光谱分析技术(红外、紫外、差分光学吸收光谱)或激光技术对被测污染物长距离直接在线测量，即线测量。目前的直接测量技术主要基于光学和光谱学，比如紫外波段的差分吸收光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱技术(TD-LAS)和差分吸收激光雷达技术(DIAL)等。我国目前使用的探头开放式直接测量系统不能像抽取系统那样直接导入校准气体到测量室标定，但是可以用仪器内部或外部的气体流通室导入校准气体标定，这种标定方法与欧洲标定直接测量系统的方法一致，在欧洲可用滤光器代替校准气体对直接测量系统标定。现有的《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》中明确规定，对直接测量法气态污染物CEMS可使用校准装置通入标准气体对监测系统标定，以确保仪器所获取数据的准确性和可靠性等。在我国已安装的烟气连续监测设备中，使用直接测量法约占10％。抽取测量法是指通过采样系统抽取部分样品气体，然后经预处理后送入分析单元并对烟气成分实时测量。根据样品气体抽取方式不同，分为稀释抽取法和直接抽取法两种。稀释抽取法是用纯净的干空气来稀释烟气至稀释混合气露点以下的一种抽取检测方法，在烟气压力、温度和分子质量保持恒定的情况下，烟气将以恒定的流速通过音速喷嘴，然后和稀释气混合进入分析仪。这种技术目前在我使用较少，且基本为烟道内稀释，如何确保样品气体的处理质量，尤其是如何控制适当的稀释比和零气系统的稳定性，还需要不断的探索和积累相关经验。直接抽取法可分为冷干法和热湿法。而所谓的冷干和热湿是针对分析仪而言，如果分析仪分析的样气为热态保持烟气在露点温度以上未除湿的烟气则称为热湿抽取法，反之则为冷干抽取法。热湿抽取法提供的烟气浓度为湿基，冷干抽取法提供的烟气浓度为干基。我国的烟气浓度的排放标准要求是以标态干基为准，这就使得冷干直接抽取法被广泛的应用。目前我采用直接抽取法测量的设备占70％以上，其监测原理80％以上采用的是非分散红外技术，其他的也包括化学发光分析、红外分析、紫外荧光分析、差分光学吸收光谱等技术。气体过滤相关作为非分散红外技术的变型，在国内应用较少，其主要用于垃圾焚烧厂，在连续自动监测SO

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。