专利名称：连续排放烟气中的二氧化硫在线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于环境污染监测技术领域。具体涉及到烟气中二氧化硫等大气污染物的在线监测及计量系统。
背景技术：
燃煤锅炉排放的烟气中含有大量的大气污染物。其中二氧化硫对大气环境造成最严重的污染，形成酸雨破坏生物链，危害人类的生存和社会经济发展。
我国能源的70％来自燃烧煤碳。为了减少和控制烟气中二氧化硫的排放量，国务院决定全国所有工业污染源排放二氧化硫必须达到排放标准，实行总量控制。在全国划定酸雨控制区和二氧化硫污染控制区。对蒸发量在每小时20吨以上的锅炉实施在线监测。目前，仅两控区内蒸发量在每小时20吨以上锅炉的运行保有量为30万台。1999年国家颁布了“锅炉大气污染物排放标准”，又进一步规定自2000年1月起，新改扩建的单台容量大于14MW(20t/h)的锅炉，必须同时安装烟尘和二氧化硫连续监测系统。这就需要有适合中国国情，满足执法要求的烟气在线监测系统。
国内用来作烟气中二氧化硫等大气污染物连续监测的设备尚不多见。新闻曾报导北京、大连和长春等地，有高科技公司在开发烟气二氧化硫在线监测系统。长春大禹环保工程技术有限责任公司鉴定了《ZXJ型烟气二氧化硫在线监测系统》产品，采用直接抽气法，使用电化学传感器连续检测烟气中的二氧化硫。效果很好，评价颇高，该系统由检测二氧化硫浓度和检测烟气流量两个子体系组成。以其为例分析技术特点。
一、检测二氧化硫浓度子体系图1是《ZXJ型烟气二氧化硫在线监测系统》产品气路图。
1、气路功能的分析由伸入烟道的采样枪(1)、连接设备柜的加热保温管(2)、柜内的电磁阀(4)、致冷器(5)、二次滤尘器(6)、泵(7)、流量计(8)、电磁阀(9)和(10)、A和B检测室(11)和(12)，连接致冷器(5)疏水口的集水罐(22)，构成被测烟气的检测通道。
滤尘器(13)、泵(14)、电磁阀(15)和流量计(16)，组成第一标定通道。用于标定氧气传感器，标定二氧化硫传感器的“零点”。
二氧化硫标准气瓶(17)、电磁阀(18)和流量计(19)，组成第二标定通道。用于标定二氧化硫传感器的量程。
两个标定通道与A、B检测室(11)、(12)分别由电磁阀(20)和(21)连接，构成两个标定使用的通路。
电磁阀(3)和高压气供气设备，构成反向吹扫采样枪内滤尘片的清理通路。
2、检测烟气中二氧化硫和氧的浓度启动泵(7)开启电磁阀(4)直接从烟道中抽烟气，经采样枪(1)和加热保温管(2)进致冷器(5)降温脱水，冷凝水进集水罐(22)，烟气经二次滤尘器(6)，由流量计(8)控制流量，开电磁阀(9)或电磁阀(10)，被检烟气进入分别设有二氧化硫和氧气传感器的检测室A(11)或检测室B(12)。传感器对应输出烟气中含二氧化硫和氧气浓度的电信号。连同检测室内烟气温度和大气压力的电信号，同时送入自行设计的测浓度单片机中计算浓度。需要控制的泵、电磁阀和其他元器件，由单片机执行。
3、标定传感器图1的气路可以在不中断检测工作的同时，标定传感器。若A检测室在检测烟气，同时可以对B检测室内传感器进行标定。反之亦可。其程序是泵(14)抽经滤尘器(13)过滤的干净空气，开启电磁阀(15)和(21)，经流量计(16)控制流量，进入B检测室。完成B室的氧气传感器和二氧化硫传感器“零点”的标定后，仃泵(14)，关闭电磁阀(15)。开启电磁阀(18)，标气并(17)中的二氧化硫标准气，经流量计(19)控制流量，通过已开启的电磁阀(21)进入B检测室，标定二氧化硫传感器的量程。若B检测室处于检测烟气状态，在上述的程序中，只要开电磁阀(20)而不是开电磁阀(21)。其他动作完全相同。标定过程与检测过程都是由单片机自行管理。
二、检测烟气流量子体系为了准确测量烟气的流量，必须测量烟道内烟气的温庋，绝对压力、绝对湿度和平均流速，结合烟道的截面积，就能准确地计算出烟气的流量。
为此，必须在烟道内，按规程设置测烟气温度的温度变送器、测烟气压力的绝对压力变送器、测烟气含水量的湿度变送器，以及测量烟气流速的差压变送器。四种变送器按常规设置，这里不另出图表示。各变送器在烟气中检测出的标准电信号，送进另一台单片机中计算单位时间内烟气的流量。
检测出二氧化硫的质量浓度与同步测量出单位时间内烟气流量的乘积，就是该时间内的二氧化硫排放量。
该系统的优点在于1、有A、B检测室可以切换检测，保证烟气检测和传感器标定同时进行，互不影响，不干扰，附合在线检测的要求。同时，实践证明设双检测室有效地延长电化学传感器的使用寿命。
2、能测出烟气中的氧含量，就能够计算出来在标准状态下，干烟气中二氧化硫的质量浓度。
3、用标准状态下干烟气中二氧化硫的质量浓度，计算出某段时间内排放二氧化硫的数量，这是国家规定的执法依据。
本实例“系统”和其他系统目前尚不能解决的问题有1、电化学传感器在使用中，会出现“零点、”和“量程”漂移现象，这是由于传感器本身结构决定的，不能克服。所以国家在相关的标准中，规定了测定传感器的“零点”漂移量和“量程”漂移量，只要在规定的范围内，认为是允许的。本实例“系统”和其他系统，为减少由传感器漂移而导至的不准确度，只能采用较频标定传感器的手段，来保证使用，为此消耗是很大的。
只有实现自动修正传感器“零点”和“量程”上各点的漂移，才能保证检测的准确性。
2、被检烟气在降温脱水等环节的处理过程中，其中部分二氧化硫等污染物被溶解吸收而减少，所以传感器测量值肯定要小于真实值。这部分损失不能得到补偿，也直接影响检测的准确度。只有实现自动补偿被吸收的减少量，才能保证检测的准确性。
发明内容
一、目的为了实现自动修正传感器“零点”和“量程”上各点的漂移；为了实现自动补偿被吸收的减少量，确保检测准确度提出本发明。本发明将图1气路中两个检测室共用一个驱动泵不独立的测气通道，改为两个完全独立的烟气检测通道。两个标定通道与两个检测通道之间，有不同阀门控制，形成四个供标定使用的通路，用来实现修正传感器的漂移和补偿吸收损失。
为了保证产品能够规范化生产，电气线路采用工业自动化模块式结构。在计算机上双工实现数据处理和控制执行器件。计算机上留有功能扩展平台，可以进一步用来检测氮氧化物和一氧化碳等烟气中其他大气污染物。
二、结构与连接本发明“连续排放烟气中的二氧化硫在线监测系统”的气路见图2。可在图1的基础上增加电磁阀(23)、电子致冷器(24)、膜式二次滤尘器(25)、隔膜泵(26)、不锈钢浮子流量计(27)和密封的集水罐(30)等六个部件。图1中电磁阀(9)、(10)改位为电磁阀(28)和电磁阀(29)构成一个全新的气路。
说明1、每个电磁阀都有入口端和出口端之分，图1和图2中电磁阀图形下的箭头表示气体流动方向，箭头所指方向为出口端，另一端则为入口端。
2、由于检测室内置气体传感器排列有序，亦决定检测室有入、出口端之分，检测气体进入方向为入口端。
3、电子致冷器设置目的是烟气降温脱水，在结构上除气体的进出口，还有排出冷凝水的疏水口。
气路图2的连接，其特征是电磁阀(4)出口端依次串接致冷器(5)、二次滤尘器(6)、泵(7)、流量计(8)、A检测室(11)集水罐(22)排水管接致冷器(5)疏水口，导气管并接在电磁阀(4)出口端上(组成第一检测通道)；电磁阀(23)出口端依次串接致冷器(24)、二次滤尘器(25)、泵(26)、流量计(27)、B检测室(12)，集水罐(30)排水管接致冷器(24)疏水口，导气管接电磁阀(23)出口端上(组成第二检测通道)；滤尘器(13)接泵(14)、接电磁阀(15)入口端，其出口端接流量计(16)(组成第一标定通道)；标气并(17)接电磁阀(18)入口端，其出口端接流量计(19)(组成第二标定通道)；流量计(16)、(19)出口并接，并与4支电磁阀(20)、(21)、(28)、(29)入口端并接；电磁阀(20)出口端接A检测室(11)入口端(形成第一个标定通路)；电磁阀(21)出口端接B检测室(12)入口端(形成第二个标定通路)；电磁阀(28)出口端接电磁阀(4)出口端(形成第三个标定通路)；电磁阀(29)出口端接电磁阀(23)出口端(形成第四个标定通路)；采样枪(1)接加热保温管(2)(为采气通路)；电磁阀(3)入口端接高压气源(为高压气清扫通路)，其出口端与加热保温管(2)另一端连接，再与电磁阀(4)、(23)入口端并接，即完成气路的连接。
A、B检测室(11)、(12)内部设置相同的传感器。传感器的排列见图3，从被测烟气的入口先后依次设二氧化硫传感变送器(32)、(31)和氧气传感变送器(34)、(33)。功能扩展可以进一步测氮氧化物和一氧化碳等大气污染物，则需要依次安装二氧化硫过滤器、氮氧化物传感变送器、氮氧化物过滤器和一氧化碳传感变送器。
电气线路由计算机、RS-485传输线、热电阻输入模块、模拟量输入模块、继电器输出模块、分布式数据采集控制器、铂电阻、变送器和执行器件组成。在计算机上双工实现数据处理和控制执行器件。
电路图4的连接，其特征是热电阻输入模块(35)、(36)、(37)的输入端接部件上的铂电阻(Pt100)，模拟量输入模块(38)、(39)的输入端接变送器，继电器输出模块(40)、(41)、(42)的输出端接执行器垫；热电阻输入模块(35)、(36)、(37)及模拟量输入模块(38)、(39)输出端和继电器输出模块(40)、(41)、(42)输入端插接在分布式数据采集控制器(43)，数据采集控制器(43)接RS-485传输线(44)的一端，传输线(44)另一端接RS-485与RS-232转换卡(45)，转换卡(45)接计算机(46)。
热电阻输入模块、模拟量输入模块的输入端和继电器输出模块的输出端的端子，分别与图2、图3中的器件具体连接位置见图5。
三、效果1、检测开启电磁阀(4)与泵(7)，被检烟气经采样枪(1)，加热保温管(2)、电磁阀(4)、致冷器(5)、二次滤尘器(6)、泵(7)、流量计(8)进入A检测室(11)，由A检测室内的传感器完成检测，输出电信号。
开户电磁阀(23)与泵(26)，被检烟气经采样枪(1)、加热保温管(2)、电磁阀(23)、致冷器(24)、二次滤尘器(25)、泵(26)、流量计(27)进入B检测室(12)，由B检测室内的传感器完成检测，输出电信号。
只需要作到电磁阀(4)、泵(7)与电磁阀(23)、泵(26)的供电切换，就能实现两个检测通道的检测切换。
以下重点阐述在某一检测通道进行检测的同时，对另一个没有作检测的通道施以标定，用来实现修正传感器的漂移和补偿污染物被吸收的损失。
2、修正传感器的“零点”和“满量程”漂移操作过程以修正A室内的二氧化硫传感器为例。
首先，开启泵(14)和电磁阀(15)打开第一标定通道，经滤尘器(13)过滤的干净空气，开启电磁阀(20)进入A检测室(11)，空气用来标定A室内二氧化硫传感器的“零点”，若“零点”有漂移，新标定出“零点”数值与原来存贮在计算机里的“零点”数值不同，求其之差称为“零点”漂移值。标完关闭泵(14)和电磁阀(15)。然后，开启电磁阀(18)打开第二标定通道导入浓度接近“满量程”的二氧化硫标准气。通过已经开启的电磁阀(20)进入A检测室(11)，标定A室内二氧化硫传感器的“满量程”，新标出“ 满量程”数值与原来存贮在计算机里“满量程”数值之差，称为“满量程”漂移值。标定完成关闭电磁阀(18)、(20)。将二氧化硫浓度从“零点”到“满量程”设定在坐标的横轴上，纵轴设定为漂移值。已经标定出“零点”和“满量程”漂移值，可以在坐标上确定两个点，由这两个点构成一条直线。这条直线就是A检测室中的二氧化硫传感器漂移线。当传感器测出浓度时，实际上是包含有漂移量的。某浓度在漂移线上对应的漂移值就是修正量。所以A室二氧化硫传感器测定值减掉修正量，即是A室二氧化硫传感器测出经过修正漂移后，二氧化硫的浓度值。对于B室二氧化硫传感器修正完全相同，只要开启电磁阀(21)重复上述动作即可。所以修正二氧化硫传感器“零点”和“满量程”漂移的计算公式可以写成 3、补偿检测通道吸收的损失量操作过程以补偿第一检测通道吸收二氧化硫的损失量为例。标定时采用低(浓度小于“满量程”20％)和高(浓度大于“满量程”80％)两种浓度的二氧化硫标准气。
开启电磁阀(18)打开第二标定通道导入低浓度二氧化硫标准气，先开启磁阀(20)，标定A室(11)内的二氧化化硫传感器，标定完成关闭电磁阀(20)。再开启电磁阀(28)，标定第一检测通道，标定完成关闭电磁阀(28)、(18)。计算出两次标定数值的差值，该值表示低浓度二氧化硫标准气经过第一检测通道时，被吸收的损失量，称为低浓度损失量。取下低浓度标准气瓶(17)，改换高浓度二氧化硫标准气瓶，重复以上操作过程。完成标定后。计算出两次标定数值的差值，该值表示高浓度二氧化硫标准气经过第一检测通道时，被吸收的损失量，称为高浓度损失量。将二氧化硫浓度设定在坐标的横轴上，纵轴表示被吸收的损失量。已经确定的低、高浓度损失量可以在坐标上决定两个点，由此形成的直线称为被吸收的损失线。在传感器测出不同浓度时，实际上损失量已经损失掉测不出来，但某浓度在损失线上对应的损失量就是补偿量。所以A室二氧化硫传感器测定值经过漂移修正后，再加上损失量就是测量的准确值。对于第二检测通道补偿也完全相同，只要分别开启电磁阀(21)、(29)重复上述动作即可。所以补偿吸收损失量计算公式可以写成
图1“ZXJ型烟气二氧化硫在线监测系统”气路图。
图2本发明“连续排放烟气中的二氧化硫在线监测系统”气路图，也是摘要附图。
图3本发明“连续排放烟气中的二氧化硫在线监测系统”中检测室内部设置图。
图4本发明“连续排放烟气中的二氧化硫在线监测系统”电路图。
图5本发明电路中端子与器件连接图。
图2、图3和图4中各元器件代号的说明1、采样枪；2、加热保温管；3、电磁阀；4、电磁阀；5、致冷器；6、滤尘器；7、泵；8、流量计；11、A检测室；12、B检测室；13、滤尘器；14、泵；15、电磁阀；16、流量计；17、标气并；18、电磁阀；19、流量计；20、电磁阀；21、电磁阀；22、集水罐；23、电磁阀；24、致冷器；25、滤尘器；26、泵；27、流量计；28、电磁阀；29、电磁阀；30、集水罐；31、B室二氧化硫传感变送器；32、A室二氧化硫传感变送器；33、B室氧气传感变送器；34、A室氧气传感变送器；35、热电阻输入模块；36、热电阻输入模块；37、热电阻输入模块；38、模拟量输入模块；39、模拟量输入模块；40、继电器输出模块；41、继电器输出模块；42、继电器输出模块；43、分布式数据采集控制器；44、RS-485传输线；45、RS-485与RS-232转换卡；46、计算机。
实现方式参照图2、图3、图4和图5，提出对元器件的技术要求，以实现本发明。相同元器件合为一组，每组序号按器件代号从小到大依次排列。
1、采样枪(1)采用不锈钢材料数种规格，自行设计制造。采样枪内置一片规格为φ40×2mm，孔隙为15～25μm的不锈钢粉末烧结滤尘片。其内设一支电加热带，规格为功率200瓦，交流220伏供电。
2、加热保温管(2)采用有售商品。其规格为输气中心管用φ7×1mm聚四氟乙烯管，管外敷导电橡胶加热带，每米长功率36瓦，交流220伏供电。其外层是玻璃丝保温材料。
3、电磁阀(3)、(4)、(23)公称通径3mm，二位二通，无曳漏，常闭型不锈钢电磁阀。承受压力小于1.5Mpa，使用温度为0～180℃，直流24伏供电。
4、致冷器(5)、(24)采用规格为直流电压12伏，电流8安的电子致冷片。机械部分由自行设计制造。
5、滤尘器(6)、(13)、(25)采用规格为中40×2mm，孔隙为10～15μm的不锈钢粉末烧结滤尘片，自行设计制作不锈钢壳体，滤片置于其中。
6、泵(7)、(26)采用耐腐蚀隔膜泵，最大流量为5.5L/min，吸程压力-15KPa，扬程压力+10KPa交流220伏供电。
7、流量计(8)、(16)、(19)、(27)
采用量程为0.16～1.6L/min不锈钢可调节浮子流量计。
8、检测室(11)、(12)采用防磁薄板，自行设计制造。
9、泵(14)采用膜式振动空气泵。流量1.5～2L/min，扬程压力+10Kpa。
10、电磁阀(15)、(18)、(20)、(21)、(28)、(29)公称通径3mm，二位二通，无曳漏，常闭型不锈钢电磁阀。承受压力小于1.5Mpa，使用温度0～60℃，直流24伏供电。
11、标准气并(17)采用8L容积的标准气瓶(包括连接件)，分别装有不同浓度二氧化硫标准气，直接从厂家购买。
12、集水罐(22)、(30)容积1.5L，采用不锈钢自行设计制作。保证罐体与封盖密封良好。
13、二氧化硫传感变送器(31)、(32)量程0～2000PPm灵敏度0.10～0.15±0.02μA/ppm变送器输出1～5V14、氧气传感变送器量程0～100％传感器输出10.0～15.5mv变送器输出1～5v15、热电阻输入模块(35)、(36)、(37)16位分辩率3个热电阻输入通道(端子)。可配二线、三线或四线铂电阻(Pt100)。
牌号ADAM5013《研华科技》产品。
16、模拟量输入模块(38)、(39)16位分辩率8个模拟量输入通道(端子)。
可以在软件上设定mV、V、mA等不同输入类型和范围。
牌号ADAM5017《研华科技》产品17、继电器输出模块(40)、(41)、(42)6个继电器输出通道(端子)触点容量AC250，0.3A；DC30V，2A。
牌号ADAM5060《研华科技》产品18分布式数据采集控制器(43)内置实时时钟，看门狗定时器采用ASCII命令/响应通讯协议8个I/O槽，传输速度115.2Kbps牌号ADAM5000E/485《研华科技》产品18、RS-485信号传输线(44)长度视现场需要设。
20、RS-485与RS-232转换卡(45)牌号PCL745B《研华科技》产品。
21、计算机(46)只要满足使用的技术指标要求，品牌不限。
硬件环境CPU PIII600MHz以上；硬盘占用空间20MB以上内存64MB以上
22、其他(1)湿度变送器1支量程0～100％RH 精度0.2％ 使用温度180℃以上输出1～5V(2)温度变送器1支量程0～200℃精度0.2％ 输出1～5V(3)绝对压力变送器2支量程0～100KPa 精度0.2％ 输出1～5V(4)差压变送器1支量程0～1.5KPa 精度0.2％ 输出1～5V(5)导气管采用φ9×2mm硅橡胶管或中7×1mm聚四氟乙烯管。
(6)排水管采用中12×2mm硅橡胶管。
权利要求
1.“连续排放烟气中的二氧化硫在线监测系统”气路的连接，其特征是电磁阀(4)出口端依次串接致冷器(5)、二次滤尘器(6)、泵(7)、流量计(8)、A检测室(11)，集水罐(22)排水管接致冷器(5)疏水口，导气管并接在电磁阀(4)出口端上；电磁阀(23)出口端依次串接致冷器(24)、二次滤尘器(25)、泵(26)、流量计(27)、B检测室(12)，集水罐(30)排水管接致冷器(24)疏水口，导气管并接在电磁阀(23)出口端上；滤尘器(13)接泵(14)、接电磁阀(15)入口端，其出口端接流量计(16)；标气并(17)接电磁阀(18)入口端，其出口端接流量计(19)；流量计(16)、(19)出口并接，与四支电磁阀(20)、(21)、(28)、(29)入口端并接；电磁阀(20)出口端接A检测室(11)入口端；电磁阀(21)出口端接B检测室(12)入口端；电磁阀(28)出口端接电磁阀(4)出口端；电磁阀(29)出口端接电磁阀(23)出口端；采样枪(1)接加热保温管(2)；电磁阀(3)入口端接高压气源，其出口端与加热保温管(2)另一端连接，再与电磁阀(4)、(23)入口端并接。
2.“连续排放烟气中的二氧化硫在线监测系统”电路的连接，其特征是热电阻输入模块(35)、(36)、(37)的输入端接铂电阻(Pt100)，模拟量输入模块(38)、(39)输入端接变送器，继电器输出模块(40)、(41)、(42)输出端接执行器件；热电阻输入模块(35)、(36)、(37)及模拟量输入模块(38)、(39)输出端和继电器输出模块(40)、(41)、(42)输入端插接分布式数据采集控制器(43)，数据采集控制器(43)接RS-485传输线(44)一端，传输线(44)另一端接RS-485与RS-232转换卡(45)，转换卡(45)接计算机(46)。
全文摘要
“连续排放烟气中的二氧化硫在线监测系统”属环境污染监测技术领域。应用在对烟气中二氧化硫等污染物作在线监测和计量。本发明用直接抽气法，由电化学传感器检测电信号。气路设计独特，烟气检测和传感器标定可以同时进行，不干扰。确保实现修正传感器“零点”、“满量程”漂移和补偿污染物被吸收损失部分之目的。电气线路是模块式结构。计算机双工完成数据处理和控制执行器件。即有利于规范化生产，又有利于系统功能的扩充。系统性能可靠、操作简便、数据准确，满足国家执法要求。
文档编号G01N35/00GK1439879SQ0210299
公开日2003年9月3日 申请日期2002年2月18日 优先权日2002年2月18日
发明者李抚生 申请人:李抚生