专利名称：用于连续原位监测单质汞蒸气的装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种用于原位监测汞的方法和装置，特别涉及一种用于原位监测和/ 或测量燃煤炉烟道气流中单质汞蒸气的连续排放监测器(CEM)。
背景技术：
在化石燃料炉和烧石油、煤和/或天然气的电厂的运行过程中，烟气作为炉子/工厂运行的副产品被排放到大气中。除了水蒸气、二氧化碳和氮气外，烟气中通常还含有化石燃料消耗的产物，其它对环境有害的物质，例如一氧化氮、硫的氧化物和特别是在燃煤的工厂中产生的粉煤灰和汞。汞已知是与健康和生态相关的，因为它是一种有毒的、持久的、在生物体内富积的物质。单质汞(Hg°)和氧化汞的主要人为来源是来自于煤基发电。一旦被释放到环境中， 它在水中转化成剧毒形式的甲基汞，甲基汞在鱼类和其它物种中富积。汞的有害影响已被公众所认识，各国政府已经提出了越来越严格的排放标准，要求收集来自烟气流的汞，以降低被引入大气中的汞的量。因此，需要更好地监控烟气中汞含量，特别是燃煤炉烟气中的单质汞的含量，从而不仅可以评估所排放的汞的水平，还可以评估环境控制和汞收集装置的工作效率。当前，大多数汞含量水平的监测是使用烟气提取工艺通过湿法化学分析来进行的。但是这种传统的湿法化学方法慢并且昂贵，需要受到高级培训的员工并且通过管道来物理地去除来自烟气流的样品量的气体。本发明人认为除了传送用于远程分析的气体样品的难题以外，传统的方法遇到的另一个难题在于已提取的气体样品的物理传送，其本身提供一个延迟响应。因此，传统的汞分析系统不适合提供燃煤炉排放物的实时测量。
发明内容
为了至少部分地克服现有技术的装置中存在的一些缺陷，本发明提供了一种基于光学的传感器，该传感器被定位用于原位监测和/或测量燃烧炉烟气流中的汞。特别是，所述的光学传感器用于实时监测烟道中的单质汞含量或者是燃煤炉(例如那些在烧煤的电厂中使用的燃煤炉)排放的废气中的汞含量。本发明的另一个目的是提供一种测量光吸收来确定汞含量和/或来监测从燃煤炉排放的烟气流中汞蒸气的装置和方法。本发明的进一步的目的是提供一种基于光学的传感器，该传感器适于原位放置在燃煤炉排气烟囱或冷却塔内，并且更优选的是，放置在电厂的燃煤炉的排气烟囱或塔内。并且可操作该传感器来测量和/或监测所排放的烟气中的污染物含量，进而有助于提供一个环境控制和/或汞收集效率的指标。本发明的进一步的目的是提供一种光学传感器，可操作该光学传感器通过测量其穿过的至少一部分气流在254nm+/-lnnK253-255nm)波长范围内的紫外光吸收来提供气流中的汞的指标，优选的是单质汞蒸气的指标，并且更优选的是，该光学传感器可补偿在气流中一起排放的其它副产物、化合物和/或气体产生的光吸收。本发明的又一个目的是提供一种简易的装置，其可操作用于连续原位监测燃煤电厂的排气烟囱或塔中的汞，并且其可以实时测量和/或监测在炉子运行过程中排放烟气中的汞，特别是单质汞蒸气。本发明涉及一种用于测量和/或监测气流中的污染物的装置。更优选的，本发明的装置可操作用于监测和/或测量部分或全部气流中的污染物，例如汞，更优选的是单质汞蒸气。可以预想，在一个优选的操作方式中，该装置可以被用于实时或连续测量和/或监测燃煤炉的废气或排放的气流中的单质汞(Hg°)含量，并且优选的是燃煤电厂的烟气流中的单质汞(Hg°)含量。将要描述的是，在一个最简单的结构中，本发明使用光学传感器通过计算选定波长范围内的紫外光的吸收量来监测和/或测量废气流中的汞含量，所述的选定波长范围为大约 2Mnm+/-lnm，优选的是 253. 7nm+/-0. 5nm，最优选的是 253. 7nm+/-0. Olnm。根据优选的操作方法，可以理解在燃煤炉的运行过程中，除了汞以外，所排放的烟气中通常还包括二氧化硫(SO2)这种排放成分，其在宽谱范围吸收紫外光，所述宽谱范围包括波长范围在大约254nm+/-20nm，通常在254nm+/-15nnK234-274nm)的光能。因此，本发明的方法认识到在254nm+/-lnm的范围内的任何辐射吸收的测量不仅是由Hg°所导致的，也可能由来自于烟气中的SO2W成分所导致。关于这方面，本发明的方法补偿了这种情况，即排放的烟气中的二氧化硫倾向于吸收宽谱的紫外范围的紫外光。为了补偿二氧化硫的吸收，一种方式是，本发明优选提供用于测量在 253. 7nm+/-0. 5nm范围的窄谱的辐射能量处的紫外光的能量吸收，以及在254nm+/-20nm范围，通常在254nm+/-15nm到254nm+/-10nm范围的相对宽谱的辐射能量处的紫外光的能量吸收。在实施中，宽谱范围的紫外光吸收被计算，并被用于提供一个校正或补偿因子。所述的校正因子随后被用于校正重叠的窄的辐射能量范围的能量吸收值，对由气流中的汞所导致的吸收提供更精确的测量。随后，由汞蒸汽导致的吸收度可与预计的实时的汞含量关联。可以理解，在一个可能的方式中，收集的数据随后可被用于提供汞收集效率或环境控制参数和/或污染物排放的实时反馈，不仅可以使操作者调节污染控制操作参数，以最大化环境控制和/或汞收集操作的效率，而且还允许政府监督部门进行调节。在一个可能的结构中，本发明的装置提供了窄谱的紫外光源、宽谱的紫外光源和用于计算紫外光能吸收量的探测器组件。所述窄谱的紫外光源可包括汞灯，所述汞灯被操作用于在限定的窄谱波长范围内发射辐射能量，所述限定的窄谱波长范围为 253. 7nm+/"0. 5nm,优选为 253. 7nm+/-0. 05nm,更优选为 253. 7nm+/-0. Olnm。所述宽谱的紫外光优选包括一个或多个紫外发光二级管，所述紫外发光二极管可操作用于在 254nm+/-20nm，并优选在254nm+/-15nm的波长范围内发射宽谱紫外光能。虽然并不是必要的，但在一个简易的结构中，可将由汞灯和紫外发光二极管光源发射的光能混合，并衰减通过部分或基本全部的烟气流，在烟气流中传播的光能被发射或被反射到适合的聚光器。收集接收到的/返回的光，并通过探测器组件进行分析，以测量紫外光的吸收。所述的探测器组件优选用于计算来自于紫外发光二极管的宽谱紫外光的光吸收，以获得可能由烟气中的Sh气体产生的能量吸收的比例。特别是，通过分析宽谱紫外光能的吸收度，可能获得一个吸收校正因子，该吸收校正因子代表因烟气流中SO2气体的存在
6所导致的紫外吸收。所述的校正因子随后被用于测量在窄谱范围内的光的吸收，其有效地去除由SO2产生的影响。因此，这个校正因子被用于计算窄谱的紫外光的吸收值，以提供一个校正值，该校正值指示由烟气中的单质汞蒸汽导致的紫外能量吸收。申请人:认为，本发明的装置允许直接在炉子的排烟塔中进行烟气的光学测量，而不需要物理地提取气体样本。因此，本发明可以直接在烟囱中原位操作，提供实时的环境控制监控和反馈。此外，本发明有利地避免了与传统的提取探测器相关的难题，例如堵塞、汞被吸附或吸收到探测器的壁，以及探测器提取边线与气体样品之间的化学反应等等。因此，本发明一方面涉及一种用于原位监测烟气流中的单质汞蒸汽的装置，包括辐射能量源，所述的辐射能量源包括波长选在大约253. 7nm+/"lnm的可操作输出第一光能的第一光源，波长选在大约254nm+/-20nm的可操作输出第二光能的第二光源；被光学耦合到辐射能量源并被设置到相对于所述烟气流的第一位置的光投射透镜；被设置在与所述第一位置相间隔的、相对于所述烟气流的第二位置的聚光透镜组件；将所述辐射能量源与所述光投射透镜光学连接的光纤连接器组件，所述的光纤连接器组件包括光学耦合到所述第一光源的第一上行(uplead)光纤，光学耦合到所述第二光源的第二上行光纤，和光学连通光投射透镜与第一和第二上行光纤的光耦合器，所述的光耦合器用于混合输入紫外光能， 所述的输入紫外光能来自于第一和第二上行光纤的混合光能，所述光投射透镜可操作用于发射至少一部分的所述的混合光能作为混合的紫外光束穿过至少部分的所述烟气流；测量由所述光投射透镜所发射的参考紫外光的探测器组件，所述的探测器组件包括至少一个用于测量由所述聚光透镜组件接收的光强度和/或波长的分光计。另一方面，本发明涉及一种用于实时原位测量或监测燃煤电厂烟气流中的汞的汞监测装置，包括辐射能量源，该辐射能量源包括可操作输出窄谱的第一波长的光能的汞灯， 所述第一波长的光能的波长范围限制在大约253. 7nm+/-0. 05nm，可操作输出宽谱的第二波长光能的紫外发光二极管，所述第二波长光能的波长范围选在大约254nm+/-20nm ；光学耦合到所述汞灯和所述紫外发光二极管并被设置在相对于所述烟气流的排气烟 的第一位置的投射透镜，所述投射透镜用于将一束光能量传播穿过至少部分的所述烟气流；被设置在与所述第一位置相间隔的、相对于所述排气烟 的第二位置的聚光透镜组件，被定位以接收所述光能量束的聚光透镜；将所述辐射能量源与所述投射透镜光学连接的光纤连接器，所述的光纤连接器包括一个2X2的光耦合器，用于光学地接收和混合来自汞灯和紫外发光二极管的光能，并将混合的光能传输到投射透镜以传播所述的光能量束；通常用于探测从所述投射透镜发射的光能的强度的光探测器组件，所述的光探测器组件包括用于测量由所述投射透镜发射的作为参考强度的光能量束的光强和光波长中的至少一个的分光计。又一方面，本发明涉及一种原位监测燃煤炉烟气流中的汞的方法，该方法包括提供具有选在约253. 7nm+/-0. 05nm的窄谱紫外波长的第一辐射能量输出，提供具有选在约 254nm+/-15nm的宽谱紫外波长的第二辐射能量输出，将第一和第二辐射能量输出光学地混合为混合的辐射能量源，将所述混合的辐射能量源通过烟气流从第一位置传播到与第一位置间隔的第二聚光器的位置成为一个大体上圆柱形的光束，测量在第一位置传播的第一和第二辐射能量输出，测量在所述第二位置会聚的第一和第二辐射能量输出以获得各自吸收值，通过与第二辐射能量值相关的校正值来校正第一辐射能量吸收值，以获得校正的吸收值。
现参考下面的详细说明和附图，其中图1示意性地示出了根据本发明的优选实施例的一种用于测量和监测烟气流中的单质汞的装置。图2示出了图1的装置的示意图，所述的装置被安装在燃煤电厂的排气塔中，用于实时监测烟气污染物。图3图示了在图1的装置运行过程中由辐射光源发出的窄谱和宽谱紫外光的能量波长。图4图示了燃煤电厂的炉子排放的废气流中的和Hg°的浓度曲线。图5图示了窄谱和宽谱紫外光源的吸收系数水平与SO2气体浓度水平的对应关系。图6图示了吸收系数水平与仅仅Hg°的对应关系，以及吸收系数水平与1^°和 0. 08% SO2的对应关系。图7示出了说明根据本发明的优选方法用于校正所测量的紫外能量吸收值的过程步骤的流程图。图8示意性地示出了根据本发明的优选实施例在齐平地安装一个装置的光投射透镜和聚光透镜中使用的安装法兰组件。
具体实施例方式可以参考图1和图2，根据本发明的优选实施例，图1和图2示出了用于实时原位监测汞的连续排放监测(CEM)装置10。最优选地，将该装置10被安装在燃煤电厂的排放烟囱12(图2)中，并被操作以连续监测单质汞蒸气，所述单质汞蒸气作为垂直上升的炉子烟气流或流14中的燃烧副产物被排放。如在图1中被最好地示出，装置10包括一个辐射能量源20，一个用于接收和收集未被吸收的辐射能量的聚光透镜组件22，和一个光探测器组件M。如下所述，辐射能量源 20可操作用于发射穿过烟气流14的光能量束沈，通常在5到10米之间的距离内，以被聚光透镜组件22接收。如下所述，探测器组件M随后被操作用于分析由烟气流14中的各种污染物所吸收的光能的量，并提供一个烟气流14中所携带的并被排放到环境中的单质汞蒸气的量的指标。图1最好地示出了辐射能量源20，其包括10到50豪瓦的汞灯30，0. 1微瓦的紫外发光二极管32和投射透镜50。汞灯30可操作用于发射限定波长范围为253. 7nm+/-0. Inm, 优选波长范围为253. 7nm+/-0. 05nm,的窄谱紫外光能。紫外发光二极管32可例如包括SET 公司出售的UV TOP 发光二极管，并且其可操作用于发射波长范围为2Mnm+/-20nm，通常为2Mnm+/-15nm，的宽谱紫外光能。汞灯30和紫外发光二极管32分别通过直径0. 5mm的上行光缆34和36被光耦合到一个2X2的光耦合器38。该2X2的光耦合器38还包括一个分叉的纤维输出40和分叉的接头42。输出40将窄谱和宽谱的紫外光能混合，并接着被光学连接到投射透镜50。分叉的接头42被插在输出40的朝向投射透镜50的下引线的端部。分叉的接头42提供了 2个光纤输出44和46，并被配置用于分开所述的混合的光能。
8最优选的，所述的接头42被选择将光能以9 1的比例分别沿着输出44和46分开。优选的，输出44具有比输出46的直径更大的直径，以将到达投射透镜50的光能的量最大化。光纤输出44将输出40光学连接到投射透镜50。最优选的是，投射透镜50包括 75mm焦距的转换透镜，所述转换透镜被用于将混合的窄紫外光谱辐射和宽紫外光谱辐射准直为基本平行的会聚的紫外光束26。在使用装置10来监测燃煤电厂的气流14之处，投射透镜50最优选是通过安装法兰组件70 (如图8所示)的方式被齐平地安装到在排放烟囱 12的侧壁中形成的凹陷75内。投射透镜50优选被定向以使光能量束沈基本垂直于烟气流14的中心而水平地传播。图8最好地示出了法兰组件70，其包括一个具有中心圆孔74 的紧固环72和透镜支撑框架74，所述中心圆孔74通过光学中性的透紫外光的密封透镜76 密封以防止灰尘。配置紧固环72，使得法兰组件70通过螺钉90或其它适合的机械紧固装置而被固定在凹陷75之上。透镜支撑框架74包括透镜支座78，所述透镜支座78被用于将投射透镜50以所需的方向定位在框架基底80的上方，并在密封窗口 76的后面。可以看到，提供有一系列喷气出口 8 和84b，其与加压的气源86a和86b流体连通。可选择操作出口 84，以间歇地或连续地将加压的气流导向密封窗口 76的外表面，以移去可能在其上积累的来自于排放的废气流14的任何污垢或碎片。图1最好地示出了光纤输出46，其被光学连接到探测器组件对。所述探测器组件 24包括至少一个和多个，优选是两个，分光计52和M，光纤输出46被可操作地连接到分光计52。分光计52实际可被操作用于测量在投射透镜50处由汞灯30和紫外发光二极管32 输出的紫外能量的光强度的任何变化。因此，这种输出变量的测量提供了一个用于窄谱和宽谱紫外辐射能量的参考强度测量，所述窄谱和宽谱紫外辐射能量从辐射能量源20发射并作为入射光穿过烟气流14。聚光透镜组件22最优选包括一个直径4cm的透紫外光的圆形的聚光透镜58和一个光缆60。图2示出了聚光透镜58，其被安装在排放烟囱12的侧壁内凹陷75中，其位置是水平地并径向地正对着投射透镜50。可以理解，聚光透镜58通过法兰组件70以与投射透镜50基本相同的方式被安装在凹陷75中。因此，投射透镜50被配置，用于将光谱混合的紫外光能，如同窄光的光能量束26那样，水平地传输通过烟气流14，并传输到聚光透镜 58上。虽然并不是必要的，但聚光透镜58最优选的是齐平地安装在凹陷75或孔内，以不至于干扰或妨碍垂直地沿着烟囱12的烟气流14。例如，光缆60可以由0. 5mm的光缆组成，其在探测器组件M内将聚光透镜58与第二分光计M光学连接。在一个典型的燃煤电厂的应用中，投射透镜50和聚光透镜58被彼此面对面地水平并径向地安装，在此处烟@ 12的直径选在大约5米到10米之间，通常在大约6米到8米之间。虽然并不是必要的，但最优选的是，分光计52和M被分别定位在投射透镜50和聚光透镜58的20米内，以及更优选的是大约10米内。在操作过程中，分光计M优选可操作用于测量冲击到透镜58并由透镜58接收的未吸收的能量束26的强度和波长。分光计52和M中的每个都可操作用于将输出数据信号提供到微处理器或中央处理器(CPU)60。作为非限定性的例子，CPU60既可以被用作用于控制整个炉子操作参数的中央计算机控制系统的一部分、用作数据收集和/或环境日志的手提式计算机(例如笔记本电脑)的一部分，也可以可替换的作为一种用于定期洗涤或烟囱排放控制的专用的微处理控制器。如将要描述的，CPU 60可操作用于确定烟气流14中
9的和汞的含量，作为由气流14吸收的紫外能量的量的反映。为了实现烟气的监测，启动汞灯30和紫外发光二极管32。最好如图3所示，一旦启动汞灯30，其就提供了波长在大约253. 7nm+/-0. lnm，优选在253. 7nm+/-0. 05nm，范围内的窄谱紫外光。紫外发光二极管32发射波长范围在大约254nm+/-15nm的相对较宽谱的紫外光，并且宽谱紫外光与汞灯30发射的所述窄谱紫外光交迭。已发射的光能被混合并且沿着分叉的纤维40衰减，在此其由分叉的接头42分开成能量束。已分开的混合的能量束沿着输出44和46传播，以分别被投射透镜50投射，并水平穿过烟气流14的正中心，并传输到分光计52。分光计52被用于连续测量汞灯30和紫外发光二极管32的光功率的变化，以提供一个参考值或信道。这个参考值被优选用于补偿由于灯的操作参数(例如光功率，温度等) 的改变而产生的任何光强度的变化。同时，未吸收的窄谱和未吸收的宽谱紫外光能冲击聚光透镜58并由其收集。由分光计M间歇地或连续地测量已收集的紫外光能，并与当炉子不运行并且烟气不存在(即没有产生吸收)时获得的参考值进行比较[即测量信道]。最优选的，通过装置10连续监测由烟气流14中的汞和Sh产生的光损耗或紫外吸收。通过计算宽谱紫外光(即由紫外发光二极管32发射的部分光)的吸收度，因此有可能确定一个校正因子，该校正因子表示由于烟气流14中的二氧化硫的存在所导致的能量吸收量。这个吸收因子随后被用于校正在253. 7nm+/-0. 05nm范围内的窄谱紫外光吸收的吸收读数。实际上，校正的结果离析了紫外能量吸收的比例部分，该比例部分的紫外能量吸收直接归因于烟气流14中汞的存在。这个校正后的吸收值随后优选与预选值相关联，所述的预选值指示用于可以根据实验确定的给定烟气温度的预定的单质汞蒸气浓度，例如根据比尔-朗伯定律来提供一个精确的汞含量的指标。实验室和试验结果如图4所示，初步的气体分析测试提示，最初在开始燃煤炉的运行期间，在借助于天然气燃烧的燃烧器的预热期间，的吸收度保持稳定的水平。换成烧煤后，烟气中的
和Hg°的水平迅速上升。在实验室模拟中，组建测试装置，由此氮气被选择性地加入到充满汞的试管和/ 或与二氧化硫混合。紫外发光二极管的峰值和253. 7nm的汞灯线被积分以绘制每个峰的实时能量吸收(即强度面积)与时间的关系图。被认为是每个源的测量强度的峰面积值生成了吸收值A(t)，符合比尔-朗伯关系
Γπ" 1「,.., …Λ、'. Ifl禾口A(t) = a(t) XL = C(t) X σ XL其中I(t)是实时测量的面积值；Itl是无吸收时的面积值；A(t)是吸收率；L是单位为厘米的吸收路径长度以及a(t)是单位为cm—1的吸收系数。吸收截面σ的单位与用于吸收物种浓度C(t)的单位一致。在测试过程中，S&以％百分含量(％)表示，所以0皿的单位为cnT1，而Hg°的单位为μ g · m_3，得出σ &被表示为cm2 · μ g—1。作为第一个测试，测量传感器对的响应，氮气流绕过充满汞的试管与作为唯一的吸收物质的结合。的浓度逐步增加，得到一个阶梯形的信号，阶梯形信号的每个台阶对应气流中的一个SA浓度值。图5示出了在吸收系数α和SO2浓度之间存在线性关系。进一步示出了对于样机汞灯和紫外发光二极管的两个不同的斜率值，其中样机紫外发光二极管的吸收截面σ 比汞灯的吸收截面oS()2,Hglamp高。这个值可随后被用于在SO2浓度存在下的汞监测；SO2浓度被作为汞灯的吸收率的因子。因此，归因于的吸收值可以从总的汞灯吸收率中去除， 剩余的吸收率归因于单质汞的存在。为了将单质汞的吸收值转化成浓度值，优选获得吸收截面oHg°，Hglamp。对气流中单独含有不同浓度的Hg°的氮气进行实验研究。接着添加SO2，得到吸光率偏移量，并且通过设置不同的Hg°浓度重做先前的测量。图6中示出了对应Hg°的吸收系数图。因为发光二极管对Hgtl没相应，此处仅考虑汞灯。引起偏移的SO2的量并不影响Hg°浓度与汞灯的吸收系数之间的线性关系的斜率。这个值允许将用汞灯测量的单质汞的吸收系数转换为绝对汞浓度。因此，这个步骤使得在两个分光计上检测到的从紫外发光二极管到汞灯的强度变成绝对单质汞浓度Hg°。如图7所示，最优选的方法涉及以下步骤1.输入紫外发光二极管和汞灯的吸收测量值(即，计算例如由分光计测量的紫外发光二极管和汞灯强度值、吸收截面α-和aHglamp)。2.输出LED和汞灯的组合能量的吸收系数，并与数据相关联来获得预定的浓度值(即，假设α led = f([S02])得到斜率σ SQ2,LED(见图5)，将测量的^值转换成SO2)。3.随后输出已确定的SO2浓度，并将其用于计算由吸收的汞灯能量的比例部分(即，假设 α Hglamp = f ([SO2])得到斜率 σ S02,Hglamp (见图 5)，SO2 被转换成 α S02,Hglamp)。4.输出由SO2所导致的汞灯的吸收系数，并将其从汞灯的总的吸收值中去除，得到剩余的吸收值(B卩，从总的汞灯吸收系数信号中去除SO2的贡献，剩余的信号归因于Hg°)。5.随后剩余的吸收值与预定的单质Hg°浓度值相关联(即，假设aHglamp = f([Hg°])得到斜率 σ Hg°,Hglamp (见图 7)，α Hglamp 值被转换成 Hg°)。虽然详细的说明书描述并解释了聚光组件22的透镜58，其被定位在排气烟囱12 的垂直的侧壁上，其位置与投射透镜50水平地并径向地相对，但其并不是对本发明的限制。可以理解，在另一个可替换结构中，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，投射透镜 50和聚光透镜58能被提供在不同的位置和/或在烟@ 12内的另一个可替换位置。此外， 在另一个结构中，投射透镜50能被配置用于发射准直光束和用于收集由烟气流14中的汞反射的紫外光。类似的，虽然优选的实施例描述了装置10在垂直移动的烟气流14的分析中的用途，但是可以理解，本发明同样适用于水平或有角度地移动的液体流。虽然详细的说明书描述了装置10包括一对分光计52和M，但是，可以理解在一个较经济的结构中，可以提供一个分光计讨来测量和/或计算参考的和测量的已吸收的紫外能量数据。虽然优选的实施例公开了汞灯30和紫外发光二极管32分别作为窄谱紫外光能量和宽谱紫外光能量的光源，但其并不是对本发明的限制。可以理解，也可以使用具有或不具有适合的滤光布置的其它的辐射能量光源。虽然详细的说明书描述并解释了装置10，例如被用于连续监测燃煤电厂的烟气流14，但其并不是对本发明的限制。可以理解，装置10可被用于监测来自于各种其它类型的烧煤或烧石油燃料的炉子和/或废物焚化炉应用中的排放气流中的汞成分，在这些应用中需要考虑汞和/或作为副产物的其它污染物的排放。 虽然详细的说明书描述并解释了各种优选的实施例，但其并不是对本发明的限制。本领域的技术人员可以进行很多修改和变换。为了限定本发明，现可参考所附的权利要求。
权利要求
1.一种用于原位监测烟气流中的单质汞蒸汽的装置，包括 辐射能量源，所述辐射能量源包括用于输出第一光能的第一光源，所述第一光能具有选在253. 7nm+/"lnm的波长， 用于输出第二光能的第二光源，所述第二光能具有选在254nm+/-20nm的波长， 光投射透镜，所述光投射透镜被光学耦合到所述辐射能量源，并被设置在相对于所述烟气流的第一位置，聚光透镜组件，所述聚光透镜组件被放置在与所述第一位置相间隔的、相对于所述烟气流的第二位置，光纤连接器组件，所述光纤连接器组件将所述辐射能量源与所述光投射透镜光学连接，所述光纤连接器组件包括光耦合到所述第一光源的第一上行光纤， 光耦合到所述第二光源的第二上行光纤，以及光耦合器，所述光耦合器与所述光投射透镜以及所述第一上行光纤和所述第二上行光纤光学连通，所述光耦合器用于将来自于所述第一上行光纤和所述第二上行光纤的输入紫外光能进行混合而成为混合光能，所述光投射透镜用于发射至少一部分的所述混合光能，作为混合的紫外光束穿过至少部分的所述烟气流，探测器组件，所述的探测器组件用于测量由所述光投射透镜发射的参考紫外光，所述探测器组件包括至少一个分光计，所述分光计用于测量由所述聚光透镜组件接收的光强度和/或波长。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光耦合器包括2X 2的光耦合器，并且进一步包括耦合到每个所述光投射透镜和所述分光计中的分光器，所述分光器用于分离所述光投射透镜和所述分光计之间的所述混合光能，由此，所述探测器组件可操作用于测量由所述辐射能量源发射的光强度和/或波长的变化。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第二光源包括至少一个紫外发光二极管。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一光源可操作用于输出被限定在窄谱波长范围253. 7nm+/-0. 5nm的光能。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一光源包括至少一个汞灯。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述烟气流包括燃煤炉的烟气，并且所述第一位置包括所述烟气流的第一外侧，并且所述第二位置包括所述烟气流的第二外侧，所述第二位置通常与所述第一位置径向相对。
7.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于燃煤电厂的烟气烟 监测装置，并且所述第一位置包括烟气排放烟 的第一外侧，以及所述第二位置包括与所述第一位置水平相对的所述排放烟 的第二外侧。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一光源包括汞灯，所述汞灯可操作用于输出具有限定在253. 7nm+/-0. Inm范围的所选的波长的窄谱光能，并且所述第二光能具有选在254nm+/-15nm的范围的波长。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的装置，其特征在于，所述光投射透镜包括直径为 2cm到km的紫外透明准直透镜，并且所述混合的紫外光束包括直径为0. Icm到20cm的准直光束。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的装置，其特征在于，所述光投射透镜被定位以将所述混合的紫外光束传播通过所述烟气流的中心部分。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的装置，其特征在于，所述聚光透镜组件包括直径3cm到6cm的紫外透镜，包括光缆，所述光缆将所述聚光透镜组件连通到分光计，所述分光计用于测量衰减通过所述烟气流的未吸收的紫外能量的光强度和/或波长。
12.根据权利要求2到10中任一项所述的装置，其特征在于，所述2X2的光耦合器还包括将所述输出紫外光能分成所述混合光能量束和所述参考紫外光的分叉的接头。
13.根据权利要求1到10中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测器的所述分光计能够被操作用于测量在所述烟气流不存在的情况下入射到所述聚光透镜上的紫外光，以测量从所述投射透镜投射到所述烟气流中的已发射的光的强度和/或波长。
14.一种使用权利要求1到13中任一项所述的装置的方法，包括将在所述光投射透镜发射的所述第二光能的强度与由所述聚光透镜组件接收的第二光能的强度进行对比，以确定总的紫外吸收损耗值，将在所述光投射透镜发射的所述第一光能的强度与由所述聚光透镜组件接收的所述第一光能的强度进行对比，以确定总的吸收值，和用总的紫外吸收损耗值来校正所述第一光能的所述总的吸收值，以得到校正的汞的吸收值。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括监控在第一光能输出和第二光能输出中的参考测量值的变化，并且其中将所述校正的汞的吸收值与一个或多个指示预定的单质汞蒸气浓度的预选值进行比较。
16.权利要求1到13中任一项所述的装置的用途，其特征在于将由所述聚光透镜组件接收的在所述混合的紫外光束中的已检测的第一光能强度与由所述投射透镜发射的在所述混合的紫外光束中的已检测的第一光能强度进行比较，以确定所述烟气流中Hg°/SA的总辐射吸收值，将由所述聚光透镜组件接收的在所述混合的紫外光束中的已检测的第二光能强度与由所述光投射透镜发射的在所述混合的紫外光束中的已检测的第二光能强度进行比较，以确定代表所述烟气流中SO2的浓度的校正因子，并通过所述校正因子调节所述Hg°/SA的总辐射吸收值，以提供表示Hg°的吸收的校正的吸收值。
17.根据权利要求16所述的装置的用途，其特征在于，还包括将所述校正的吸收值与多个预定值进行对比，所述多个预定值中的每个指示一个选定的单质汞蒸气浓度。
18.一种用于实时原位测量或监测燃煤电厂的烟气流中的汞的汞监测装置，包括辐射能量源，所述辐射能量源包括汞灯，所述汞灯可操作用于输出窄谱的第一波长的光能，所述第一波长的光能具有限定在 253. 7nm+/-0. 05nm 的波长，紫外发光二极管，所述紫外发光二极管可操作用于输出宽谱的第二波长的光能，所述第二波长的光能具有选在254nm+/-20nm的范围的波长，投射透镜，所述投射透镜被光学耦合到所述汞灯和所述紫外发光二极管，并被设置在相对于所述烟气流的排气烟 的第一位置，所述投射透镜用于将一束光能量传播穿过至少部分的所述烟气流，聚光透镜组件，所述聚光透镜组件被放置在与所述第一位置相间隔的、相对于所述排气烟@的第二位置，所述聚光透镜被定位以接收所述光能量束，光纤连接器，所述光纤连接器用于将所述辐射能量源与所述投射透镜光学连接，所述光纤连接器包括·2 X 2的光耦合器，所述光耦合器用于光学地接收和混合来自所述汞灯和所述紫外发光二极管的光能，并将混合的光能传输到所述投射透镜以传播所述光能量束，光探测器组件，所述的光探测器组件通常用于探测从所述投射透镜发射的光能的强度，所述光探测器组件包括分光计，所述分光计用于测量由所述投射透镜发射的作为参考强度的光能量束的光强和光波长中的至少一个。
19.根据权利要求18所述的汞监测装置，其特征在于，所述光探测器组件被操作用于分别测量在所述烟气流不存在的情况下由所述投射透镜发射的所述光能量束中的所述第一波长的光能和所述第二波长的光能的强度，并测量穿过所述烟气流的由所述聚光透镜所接收的所述光能量束中的所述第一波长的光能和所述第二波长的光能的强度，并提供一个用于已测量的第一波长的光能的校正的吸收值，所述校正的吸收值取决于已测量的所述第二波长光能的强度的差值。
20.一种原位监测燃煤炉的烟气流中的汞的方法，包括提供具有限定在253. 7nm+/-0. 05nm的窄谱紫外波长的第一辐射能量输出， 提供具有选在254nm+/-15nm的宽谱紫外波长的第二辐射能量输出， 将所述第一辐射能量输出和所述第二辐射能量输出光学地混合为混合的辐射能量源， 将所述混合的辐射能量源通过所述烟气流从第一位置传播到与之间隔的第二聚光器的位置，成为一个大体上圆柱形的光束，测量在所述第一位置传播的所述第一辐射能量输出和所述第二辐射能量输出， 测量在所述第二位置会聚的所述第一辐射能量输出和所述第二辐射能量输出，以获得各自吸收值，通过与所述第二能量吸收值相关的校正值来校正所述第一辐射能量吸收值，以获得校正的吸收值。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，将所述校正的吸收值与一系列分别表示预定的单质汞蒸气浓度的吸收值进行比较。
22.根据权利要求1到13中任一项所述的装置，其特征在于，还包括至少一个用于安装所述投射透镜的安装法兰组件和至少一个喷气口，所述安装法兰组件包括实质上透过紫外光的密封窗口，所述密封窗口用于将所述投射透镜与所述烟气流实质上隔离，所述喷气口用于将气流导向所述密封窗口，以移去在其上积累的污垢或碎片。
全文摘要
本发明涉及一种用于连续监测气流的装置和方法，包括一个光学传感器，该光学传感器通过计算在253.7nm+/-0.05nm波长范围处的紫外光的吸收来监控和/或测量烟气中的汞(Hg)含量。因此，本装置提供了，例如，一个窄谱的紫外光源，一个汞灯。宽谱的紫外光源包括紫外发光二极管(UV LED)。提供一个2×2的耦合器以将传播通过气流的窄谱紫外光能和宽谱紫外光能混合。本发明认识到在254nm+/-1.5nm波长范围处的辐射吸收的测量不仅能够获得烟气中汞的含量，也能获得烟气中SO2的含量。为了补偿二氧化硫，测量在253.7nm+/-0.05nm波长范围的窄谱辐射能量的能量吸收以及波长在254nm+/-20nm的相对宽谱的范围处的紫外光的能量吸收，识别出在排放的烟气中的二氧化硫倾向于吸收较宽的紫外区的紫外光。计算较宽范围的紫外光的吸收来提供一个校正因子，该校正因子被用于校正对窄的辐射能量范围的能量吸收值，为由于汞的存在而导致的吸收提供更加精确的测量。
文档编号G01N21/15GK102439423SQ200980159238
公开日2012年5月2日 申请日期2009年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者H.·莫罗 威廉姆, 杰洛米·蒂埃博, 雷扎·玛尼, J.·汤姆森 默里 申请人:H.·莫罗 威廉姆, 杰洛米·蒂埃博, 雷索南斯有限公司, 默里 J.·汤姆森