一种燃煤火电厂汞排放物的在线监测系统的制作方法

本实用新型涉及燃煤烟气的烟气检测领域，特别涉及一种燃煤火电厂汞排放物的在线监测系统。

背景技术：

目前，随着中国社会经济的日益发展，环境污染问题越来越严重，汞排放导致的环境污染也逐渐得到越来越多的重视。汞在环境中可通过大气和河流与洋流两种介质长距离传输，且具有远距离沉降特征，使汞的局地排放可能造成跨界污染，成为区域性问题，甚至对整个全球环境造成影响，造成全球性污染。汞很易挥发，并易通过皮肤吸收，在体内氧化成有毒化合物，从而影响人体健康。

据统计，全世界每年排放到大气中的汞总量约为5000t，其中人为产生的汞约为4000t，而由于煤炭燃烧产生的汞的排放量约占30％以上。中国是世界上最大的煤炭消耗国，燃煤行业占国内能源生产总量的75％，且与其他国家相比，我国煤炭高汞低卤，技术水平也不够完善，燃煤行业是中国最大的汞排放源，占中国大气汞排放总量的50％以上。且随着我国燃煤电厂数量的增加，汞排放量呈逐年上升趋势。2005年我国电厂燃煤量为10亿吨，向大气中排放的汞为150t。2009年煤炭消耗总额为30亿吨，其中50％的煤炭用于燃煤电厂。

汞的排放来自于自然源和人为源两个部分，其中人为源是大气中汞的主要来源，大约占总排放量的75％。大气中的汞排放主要源于化石燃料燃烧，尤其是煤炭的燃烧，而燃煤电厂是大气中全球汞排放的最大的源头。研究表明，全世界燃煤电厂排放的汞占汞排放总量的26％。而目前我国火电厂汞排放监测技术依然不够成熟，因此需要一种更有效的汞排放物检测方法。

技术实现要素：

为此，本实用新型提供一种燃煤火电厂汞排放物的在线监测系统，以力图解决或者至少缓解上面存在的问题。

根据本实用新型的一个方面，提供一种燃煤火电厂汞排放物的在线监测系统，其特征在于，包括：烟气管道、设置于该烟气管道前端的采样枪，以及依次设置在所述烟气管道后端的吸附装置、除湿装置、质量流量计、气压计、采样泵和样品分析仪，其中，采样枪适于采集燃煤火电厂的烟气；烟气管道适于输送烟气，且所述烟气管道上设置有压缩空气入口，以供压缩空气反吹入烟气管道；吸附装置适于吸附烟气中的硫化物，其为活性炭纤维吸附装置，且经过含有金属离子的溶液浸渍后负载有金属离子；质量流量计和气压计分别适于监测烟气管道内的流量和气压；采样泵适于控制烟气在烟气管道中的流速；以及样品分析仪适于对烟气中的汞含量进行检测分析。

可选地，在根据本实用新型的在线监测系统中，还包括压缩空气管道，设置在压缩空气入口处，烟气管道包括第一烟气管道和第二烟气管道，第一、二烟气管道和压缩空气管道在压缩空气入口处通过三通阀连接。

可选地，在根据本实用新型的在线监测系统中，还包括：设置在压缩空气管道上的第一电磁阀，适于控制压缩空气管道的开通与关闭；以及设置在吸附装置之前的第二电磁阀、以及设置在采样泵和样品分析仪之间的第三电磁阀，适于控制烟气管道的开通与关闭。

可选地，在根据本实用新型的在线监测系统中，第一电磁阀为常闭型，第二和第三电磁阀为常开型。

可选地，在根据本实用新型的在线监测系统中还包括：温度监测仪和湿度监测仪，分别适于通过烟气管道上的多个监测点来监测烟气的温度和湿度。

可选地，在根据本实用新型的在线监测系统中，烟气管道上的多个监测点包括位于压缩空气入口前的第一测温点、位于吸附装置和除湿装置之间的第二测温点和第一测湿点，以及位于除湿装置和质量流量计之间的第三测温点和第二测湿点。

可选地，在根据本实用新型的在线监测系统中，还包括控制系统，质量流量计、气压计、温度监测仪、湿度监测仪上均设置有数据传输接口，用于将检测到的数据传输给控制系统。

可选地，在根据本实用新型的在线监测系统中，采样枪的内部为网状结构，且加装有可替换滤芯；烟气管道采用复合伴热线管；吸附装置包括进风段、碳纤维过滤段和出风段，碳纤维过滤段包括多个过滤桶；除湿装置采用双通道气体冷凝器，其具有两个相同的独立除湿通道，适于将烟气湿度控制在5％-20％的范围内；以及采样泵适于控制烟气管道中的烟气流量为1.5～2.0L/min。

可选地，在根据本实用新型的在线监测系统中，采样枪伸入到燃煤火电厂的烟道中，在该烟道与烟气管道的接口处设置有密封法兰，适于固定烟气管道并密封该接口。

可选地，在根据本实用新型的在线监测系统中，含有金属离子的溶液为MgCl₂、MnCl₂、CoCl₂、CuCl₂和NiCl₂中的至少一种。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的燃煤火电厂汞排放物的在线监测系统100的示意图；以及

图2示出了根据本实用新型一个实施例的样品分析仪180的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本实用新型一个示例性实施例的燃煤火电厂汞排放物的在线监测系统100的示意图。如图1所示，在线监测系统100包括烟气管道110、设置于该烟气管道110前端的采样枪120，以及依次设置在烟气管道120后端的吸附装置130、除湿装置140、质量流量计150、气压计160、采样泵170和样品分析仪180。

采样枪120适于采集燃煤火电厂的烟气，其穿过燃煤火电厂的烟道壁117并伸入到燃煤火电厂的烟道中。

根据一个实施例，采样枪120可以采用南华NHA-506采样枪，从而能够有效地收集烟气。在采样的过程中，由于烟气中含有飞灰成分，加上采样枪120内部所设置的网状结构，容易导致在烟气采样的过程中发生堵塞。为了避免此类情况，可以在采样枪120中加装一可替换滤芯，用来过滤掉可能导致堵塞的飞灰。

烟气管道110适于输送烟气，且烟气管道110上设置有压缩空气入口，以供压缩空气反吹入烟气管道。进一步地，烟气管道110包括第一烟气管道111和第二烟气管道112，并且这两个烟气管道通过三通阀113连接，三通阀113的第三端连接压缩空气管道190，这样三通阀在烟气管道110弧面的缺口即可认为是压缩空气入口。

为了尽量降低系统的维护成本，加入空气压缩机可以有效防止系统的阻塞，若出现了阻塞情况，可以打开压缩空气入口，对整个流程进行反吹清理。其中，压缩空气由电厂自带的空气压缩机提供，因此可以有效降低了人工维护的成本，减少了不必要的专责人员设置。

根据一个实施例，系统100中还可以包括：设置在压缩空气管道190上的第一电磁阀114，适于控制压缩空气管道190的开通与关闭；设置在吸附装置130之前的第二电磁阀115、以及设置在采样泵170和样品分析仪180之间的第三电磁阀116，适于控制烟气管道110的开通与关闭。其中，第一电磁阀114为常闭型，第二和第三电磁阀为常开型。

电磁阀设置在样品分析仪180之前，可防止样品在预处理过程中气压突发异常情况，导致高压冲进样品分析仪180而损害分析仪器。这里，可以选用3V308NCB常闭型型号的电磁阀在反吹入口使用，两个3V308NOB常开型电磁阀分别设置在ACF装置和样品分析仪180之前防止过压。使用控制系统PLC的时间继电器控制第一电磁阀114实现定时开启和关闭的功能，对烟气管道110进行定期的反吹，从而避免其内灰尘挂壁甚至堵塞。

此外，在燃煤火电厂的烟道壁117与烟气管道110的接口处设置有密封法兰118，适于固定烟气管道110并密封该接口。

根据一个实施例，烟气管道110可以采用复合伴热管线，如采用KVB-FE2型复合伴热管线。伴热采样复合管是环保烟气在线监测监测系统中的重要部件，它是由一组耐腐高性能四氟乙烯导管辅以高温恒功率电热带或自限温电热带以及补偿线缆组成内芯，外加进口原料保温层，最后敷以聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)保护外套复合而成。

吸附装置130适于吸附烟气中的硫化物，其为活性炭纤维ACF吸附装置，且经过含有金属离子的溶液浸渍后负载有金属离子，也即对ACF进行改性处理。对ACF进行改性即改变ACF表面的粗糙程度和孔的直径，并搭载相应的官能团，系统100中采用搭载金属离子的方法对ACF进行改性。

负载金属离子使吸附质吸附在ACF表面，利用ACF的还原性，将金属离子还原成单质或低价态的离子，通过金属离子对吸附质较强的结合力，从而增加ACF的吸附性能。不同的金属其活性不同，对脱硫有利的金属主要有：Mg²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ag⁺、Ni⁺等。用金属浸渍的方法制备一系列吸附剂，浸渍后ACF的活性顺序为：Cu>N>Co>Cr。用离子体改性ACF后，ACF表面含氧官能团显著增多。

用金属氯化物溶液如MgCl₂、MnCl₂、CoCl₂、CuCl₂和NiCl₂改性ACF进行脱硫，负载金属离子后的ACF脱硫效果都有提高，Co²⁺改性后的ACF脱硫效果最好，由于改性后活性位浓度有所提高，在稳态时脱硫效率可达89％，但有关活性位的部位还没确定。SO₂在ACF上的吸附机理，可以认为是ACF在常温下把SO₂氧化成SO₃，然后水合成H₂SO₄，H₂SO₄从ACF表面溢出，完成ACF对SO₂的吸附。

吸附装置130的主要目的是减少烟气样品中二氧化硫的含量，同时保证过程中汞的含量不变。其对汞浓度的影响程度较小的原因主要有以下三点：(1)ACF脱硫属于干法脱硫，传统的湿法脱硫会溶解90％以上的二价汞离子，相较于传统方法，ACF所含水分较少，因此极大程度上减少了汞的损失；(2)由于采用搭载金属离子的改性方法，根据汞的反应机理，选择搭载不与汞反应的金属离子即可减少汞的损失；(3)由于催化活性较高，导致主要与二价汞离子反应的亚硫酸根很快转化为硫酸，减少了汞与亚硫酸根反应的几率，降低了汞的损失。

根据一个实施例，吸附装置130的吸收塔分进风段、碳纤维过滤段和出风段。过滤段由几个到几十个过滤筒组成，有机废气从进风段进入箱体，经由滤筒吸附净化，净化后的空气由通风机排入大气，饱和后的碳纤维过滤筒取出再生，再生后的过滤筒装好后仍可继续使用。活性碳纤维毡是一种新型高效吸附材料，对有毒有害气体具有较高的吸附作用，吸附和脱附速度快，碳纤维毡宜用热空气(105℃)脱附并能循环使用，更具有不怕碳碱的耐腐蚀性能，对含有苯系物、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、硫化氢及石油气、恶臭等有机废气，都具有明显的净化效果。

除湿装置140可以采用ECM型双通道气体冷凝器有两个相同的独立的除湿通道，该装置可以有效控制样品的湿度，将样品的湿度控制在5％-20％的所需范围内。

质量流量计150和气压计160分别适于监测烟气管道内的流量和气压。其中，质量流量计150可以使用EL-FLOW select系列质量流量计，拥有专门实验室应用所设计的PC板模块化结构。控制阀可以是一体的，也可以是分体的，为使用和维护提供了便利。

采样泵170适于控制烟气在烟气管道110中的流速。系统100所设计的样品流量为1.5～2.0L/min，从采样枪120到样品分析仪180之间约70米采样管，故可以选用海得微型采气泵HDP12-WZ05，外接220V电源，可选空载流量3.0L/min、5.0L/min、7.0L/min，完全满足系统的流量需求。

样品分析仪180适于对烟气中的汞含量进行检测分析，检测数据可直接被传输到记录储存系统。样品分析仪180可以采用30A系统分析仪。30A方法能够实现连续监测，既可分别测定Hg⁰与Hg²⁺，也可将Hg²⁺转化为Hg0一起测定总量。测量结果比较准确，而且可以实时输出结果，大大缩短了获得数据的时间，便于环保部门对污染源进行实时监控。但测得的是烟气中排放总气态汞的浓度，不能收集颗粒态汞。目前世界上的分析仪只能分析Hg0，因此所有分析方法的分析对象都是Hg0,烟气中的Hg²⁺也是转化为Hg0进行分析。30A可以直接测量目标污染物汞，及时提供在线结果，并跟踪汞在烟道中的价态变化，而且还可以用于优化电厂汞污染控制技术系统，方便控制汞排放。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的样品分析仪180的示意图，如图2所示，样品分析仪180沿着烟气传输方向依次包括加热过滤器181、加热样品传输线182、转化器183和汞分析仪184。

加热过滤器181位于第二烟气管道112的末端，适于对烟气样品进行加热过滤。加热样品传输线182，与加热过滤器181连接，适于传输加热过滤后的样品。转化器183与加热样品传输线182连接，适于对样品中的Hg²⁺进行转化。汞分析仪184与转化器183连接，适于对转化后的样品中的汞含量进行检测分析。

根据一个实施例，汞分析仪184可以为高灵敏度冷蒸汽原子吸收光谱法汞在线分析仪，并应用双光束测量的方法尽可能排除其他气体组分的干扰，并且保证了在SO₂浓度小于500mg/m³时测量结果相较于单光束测量精确度大大提高。其自带的采样探头能定期反吹，极大地降低了样品分析单元的维护成本。

此外，根据本实用新型的在线监测系统100，还可以包括温度监测仪和湿度监测仪(图中均为示出)，分别适于通过烟气管道110上的多个监测点来监测烟气的温度和湿度。图1中用灰色圆点代表湿度监测点、黑色圆点代表温度监测点，具体包括压缩空气入口前的第一测温点、位于吸附装置130和除湿装置140之间的第二测温点和第一测湿点，以及位于除湿装置140和质量流量计150之间的第三测温点和第二测湿点。

根据一个实施例，温度监测仪可以采用欧姆龙E5CD，并采用配备了“适应控制技术”的E5CD系列，该技术可以执行自动调整，以确保温度控制始终处在最佳状态。湿度监测仪可以选用SSD-100型烟气湿度监测仪，内置高精度电容型数字温湿度传感器，目前有探杆式独立安装式一种结构形式。

此外，系统100还可以包括控制系统(图中未示出)，控制系统可以采用西门子PLC控制系统，根据现代化生产的需要而采用了可编程控制器，结合我们自行设计的样品预处理单元的需求，选择小型PLC，成本低，性价比高。具体型号为CPU221型,西门子PLC扩展性好，可以方便后期扩展。而且，目前电厂使用的大部分的CEMS系统也都用西门子PLC，方便以后系统的整合。

质量流量计150、气压计160、温度监测仪和湿度监测仪上均可设置有数据传输接口，用于将检测到的数据传输给控制系统。通过西门子PLC的EM231扩展模块可以实现数据实时监测记录，将温度、湿度、气压、流量等测点的数据上传到数据库中，通过操作画面实时显示数值，并且可以在历史数据画面中查看历史数据，方便PLC协同控制。例如，为了防止管路吹扫时误操作或者其他原因导致的取样管路内压力过高损坏分析仪，PLC通过压力测点实时监测取样管路内压力值，当压力值超过0.1MP时，超压保护电磁阀得电动作，切断取样管路，避免压力过高损坏分析仪，等压力值降到0.09MP以下时，超压保护电磁阀失电，系统恢复正常运行。而且，系统内温度和流量测点只作为监测点上传到PLC，不参与PLC控制，减少了PLC扩展模块的使用，极大的节约了成本。

根据本实用新型的技术方案，通过设置烟气管道110、采样枪120、压缩空气入口、改性ACF吸附装置、除湿装置140、质量流量计150、气压计160和30A检测分析系统，能够准确且快速的实现燃煤火电厂的汞排放物检测。而且，改性后的ACF吸附装置采用干法脱硫，既可减少烟气样品中二氧化硫的含量，又能保证过程中汞的含量不变；而且由于采用搭载金属离子的改性方法，根据汞的反应机理，选择搭载不与汞反应的金属离子即可减少汞的损失；另外，由于催化活性较高，因此主要与二价汞离子反应的亚硫酸根很快转化为硫酸，减少了汞与亚硫酸根反应的几率，从而降低了汞的损失。实践证明，该系统可以实现全年时刻对燃煤火电厂的汞的监测，而且操作简单、运行维护简单，减少了后期维护费用的和人工费用的投入。为汞的监测提供了可靠数据，从而有利于有关人员采取措施，提升环境质量，保障人们的身体健康。

进一步地，火电厂的汞排放物被准确监测后，能够有效提高企业的环保意识与社会责任感，另一方面也有助于国家提高环境质量评价工作的科学水平，出台相应的标准与政策，加强对电力行业汞排放的监测，增强对环境质量的保护，而且还有利于火电厂对于自身的生产设备以及生产方式的改进提供有效数据。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该实用新型的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本实用新型，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本实用新型的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本实用新型的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本实用新型的范围，对本实用新型所做的公开是说明性的，而非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求书限定。