专利名称：管道内气体中元素的监测系统及运行方法
技术领域：
本发明涉及元素的测量，特别涉及管道内气体中元素的监测及其运行方法。
背景技术：
汞是剧毒物质，即使环境中的汞含量很低，也会通过食物链累积到人体中，从而危 害人体健康。因此，迫切需要一些能够快速定量检测环境中痕量汞的方法。图1示出了现有技术中广泛采用的管道内气体中汞元素的监测系统，如图1所示， 所述监测系统包括取样探头1、管道2、4、富集装置4、X射线荧光光谱分析仪、抽气装置3、 10和体积测量装置9。汞具有挥发性，在很多场合都保持在气态，如烟@、管道内，而且含量都比较低，因 此需要富集装置来富集汞以提高汞测量的灵敏度，通常采用滤膜富集气体中的汞。普通滤 膜不能富集单质汞，因此需要对汞或滤膜进行特殊处理。目前的处理方法主要有以下两 种1、将氯气加入含汞气态流体中，汞和氯气反应生成氯化汞，使用普通滤膜(如PES 膜)吸附氯化汞。该方法的不足之处主要为a、汞与氯化汞在环境或烟气温度下具有较大 的蒸汽压，汞不能完全转化成氯化汞；b、氯气是有毒气体，过量的氯气危及人的生命，还产 生污染。2、将普通滤膜树脂化处理，然后浸泡于碘溶液中，晾干后用于汞的吸附。该方法的 不足之处主要为这种滤膜放置的时间越长，碘损失越多，因此，这种处理过的膜难以长时 间存放。测量出的汞是富集时间内通过滤膜的所有体积内气体中汞的总量，为了获知单位 体积内气体中的汞含量，还需得知在汞富集时间内通过滤膜的气体的体积。体积测量装置 采用质量流量计，为了有效地提高质量流量计的工作寿命、测量精度，降低质量流量计的工 程维护量，还需在质量流量计的上游设置用于去除气体中油性和酸性成分气体的水洗罐7、 用于除水的冷凝器8。但带来了结构复杂、系统维护麻烦、成本高的不足。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种可靠性高、结构简单、成 本低的管道内气体中元素的监测系统，以及一种可靠性高、运行成本低的管道内气体中元 素的监测方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的管道内气体中元素的监测系统，包括取样装置、元素富集装置、元素测量单元，特 点是所述监测系统还包括体积测量装置，所述体积测量装置设置在所述元素富集装置的下游，具有进气通 道、排气通道和低压区形成模块；所述进气通道连通所述元素富集装置，内部设有小孔，所 述进气通道和排气通道的连通处是低压区；
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分析单元，所述分析单元用于依据测量单元和体积测量装置的输出结果而得出管 道内气体中元素的含量。根据上述的监测系统，所述体积测量装置还具有气体通道，所述低压区是膨胀区， 所述气体通道与所述膨胀区连通，所述进气通道和气体通道间的夹角为(0，90°」，气体通 道与排气通道的夹角为^Otl,180° J ,所述进气通道与排气通道间的夹角为[9011,180° J ；所述低 压区形成模块是气源，所述气源与所述气体通道连通。根据上述的监测系统，所述取样装置包括取样探头、第一管道和抽气模块，所述第 一管道上设置伴热模块，所述元素富集装置通过第二管道与所述第一管道连通。根据上述的监测系统，所述元素富集装置包括滤膜及移动模块，所述分析单元内 的控制模块连接所述移动模块。根据上述的监测系统，所述测量单元是X射线荧光分析仪或原子吸收光谱仪。根据上述的监测系统，所述元素是汞。根据上述的监测系统，所述元素富集装置还包括碘或硫溶液施加单元，用于将所 述碘或硫溶液施加到所述移动模块送出的滤膜上。根据上述的监测系统，所述碘或硫溶液施加单元采用喷液装置，用于将碘或硫溶 液喷在滤膜上。根据上述的监测系统，所述碘或硫溶液施加单元采用装有碘或硫溶液的容器，用 于将碘或硫溶液施加到通过该容器的滤膜上。根据上述的监测系统，所述监测系统进一步包括加热装置，所述加热装置设置在 所述体积测量装置上。根据上述的监测系统，作为优选，所述体积测量装置是隔膜泵。本发明的目的还通过以下技术方案得以实现的一种应用上述任一种监测系统的运行方法，包括以下步骤(Al)低压区形成模块工作，在进气通道和排气通道的连通处形成低压区，使得管 道内的气体通过取样装置、元素富集装置之后，以音速通过进气通道内的小孔；(A2)元素富集装置富集取样气体中的待测元素，测量单元测得在富集时间内富集 起来的待测元素总量；(A3)分析单元处理所述待测元素总量、在所述富集时间内通过所述小孔的气体的 体积，从而获知管道内气体中待测元素的含量。与现有技术相比，本发明具有的有益效果为1、系统可靠性高，无需清洗罐、冷凝器等装置。便于维护，也降低了成本；2、可完全将汞转化为碘化汞或硫化汞。 碘或硫单质性质活泼，碘容易升华成气体，在常温下便可与汞迅速反应，且反应完 全。3、不存在存放问题，滤膜在施加含碘或硫溶液后几分钟后就用于汞的富集。4、无需事先处理滤膜。本发明是在测量现场处理滤膜，事先处理滤膜，费时又费力，并且现有技术为了能 长时间束缚碘单质，对普通滤膜还需做比较复杂的化学处理。本发明省却了这些繁琐而复 杂的处理过程。
5、过量碘和硫几乎无污染碘和硫常温下为固体，碘的升华有限，因此不会对人体造成伤害。
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是这 些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。 图中图1是根据本发明的现有技术中监测系统的基本结构图；图2是根据本发明实施例1的监测系统的基本结构图；图3是根据本发明实施例1的监测系统中元素富集装置的基本结构图；图4是根据本发明实施例1的监测系统中体积测量装置的基本结构图；图5是根据本发明实施例1的监测系统的运行方法的流程图；图6是根据本发明实施例2的硫溶液施加单元的基本结构图；图7是根据本发明实施例3的碘溶液施加单元的基本结构图。
具体实施例方式图2-7和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实 施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术 人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该 理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下 述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。实施例1 图2示意性地给出了本发明实施例的烟囱内气体中元素的监测系统的基本结构 图。如图2所示，所述监测系统包括取样探头1，所述取样探头安装在烟囱上。第一管道2以及抽气装置3，在抽气装置3的作用下，烟囱内的气体经过取样探头 1、第一管道2后流回管道内。第一管道2上设置伴热模块。第二管道4，所述第二管道4的一端开口于所述第一管道2内，另一端连通元素富 集装置6。元素富集装置6，所述元素富集装置6用于富集取样气体中的汞、镉、砷等元素。测量单元，所述测量单元用于测量富集后的汞、镉、砷等元素。体积测量装置5，所述体积测量装置5用于测量在汞富集时间内流过元素富集装 置的取样气体的体积。分析单元，所述分析单元用于根据测量单元和体积测量装置的输出结果而得出烟 囱内气体中汞的含量。图3示意性地给出了本发明实施例的富集装置的基本结构图。如图3所示，所述 富集装置包括滤膜12，采用普通滤膜，如PES膜。移动模块，包括主动轮13、从动轮11，未经处理的滤膜12绕在从动轮11上，测量过的滤膜绕在主动轮13上。碘溶液施加单元21为一喷液装置，设置在滤膜12的一侧，当需要时可从容器内喷 出碘溶液，碘溶液均勻地分布在滤膜12上。碘溶液的溶剂为正戊烷。图4示意性地给出了本发明实施例的体积测量装置的基本结构图。如图4所示， 所述体积测量装置包括具有进气通道51、气体通道52和排气通道53，所述体积测量装置设置在所述元 素富集装置的下游，所述进气通道51和排气通道53的连通处为膨胀区，作为低压区M，所 述气体通道52的一端与所述膨胀区连通，所述进气通道51和气体通道52间的夹角为(0，
90°」，气体通道52与排气通道53的夹角为|90G，180Dj,所述进气通道51与排气通道53间
的夹角为[90°,180Gj;所述进气通道51与所述元素富集装置连通，所述气体通道52与外界气 体提供装置相连通；所述进气通道51内具有通孔55。图5示出了本发明实施例的监测系统的运行方法，如图5所示，所述运行方法包括 以下步骤(Al)抽气装置工作，烟囱内的气体经过取样探头、第一管道后回到所述烟囱内；气源提供的高压气体快速通过气体通道，之后在所述膨胀区膨胀，从而产生低压 区，使得第一管道内的气体通过第二管道、元素富集装置之后，以音速通过进气通道内的小 孔，之后和气源提供的气体混合并通过排气通道排出；由于气体通过小孔的流速确定，小孔 的截面积也确定，因此可以得知任意时间内通过所述小孔的气体的体积；(A2)元素富集装置富集取样气体中的待测元素，测量单元测得在富集时间内富集 起来的待测元素总量，具体为主动轮卷绕滤膜，喷液装置喷出适当量的碘溶液，喷出的碘溶液分布在滤膜上；之 后滤膜停留数分钟，滤膜上碘溶液的溶剂挥发，碘留在滤膜上；取样气体中的汞与滤膜上的碘反应，生成的碘化汞吸附在滤膜上，同时，气态流体 中的镉、砷等元素也会吸附在滤膜上；X射线荧光光谱分析仪测量滤膜上的碘化汞以及镉、砷等元素，从而获知富集时间 内气体中汞、镉、砷等的总量；(A3)分析单元处理汞、镉、砷等的总量、在所述富集时间内通过所述小孔的气体的 体积，从而获知烟 内气体中汞、镉、砷等的含量。根据本发明实施例1的监测系统及运行方法的益处在于由于在运行中，气体通 过小孔(截面积一定)的流速一定，因此可确定任意时间内通过小孔的气体体积，也即通过 元素富集装置的气体体积。在应用现场施加碘，操作方便、无污染。实施例2 烟囱内气体中元素的监测系统，与实施例1不同的是所述监测系统进一步包括加热装置，所述加热装置设置在体积测量装置上，防止 气体中的成分在通过体积测量装置时由于降温而析出堵塞通道，有效地延长了体积测量装 置的连续工作时间，降低了工作维护量。实施例3 烟囱内气体中元素的监测系统，与实施例1不同的是
1、体积测量装置采用隔膜泵，使得在所述隔膜泵的作用下，气体以音速通过小孔。2、图6示出了本发明实施例3中溶液施加单元的基本结构图，如图6所示，硫溶液 施加单元22为一密封的容器，容器内盛有硫溶液，溶剂为二硫化碳。滤膜12在托辊221、 222、223之间移动，并通过容器内的硫溶液，而与容器保持密封，避免使容器内的溶液挥发 而排出容器。3、检测单元是冷蒸汽原子吸收光谱仪。实施例4 烟道内气体中元素的监测系统，与实施例3不同的是图7示出了本发明实施例4中溶液施加单元的基本结构图，如图7所示，托辊222 连接控制单元，在控制单元的作用下做上下运动，使得当需要施加硫溶液时，托辊222向下 运动而带着滤膜12进入硫溶液，当不需要施加硫溶液时，托辊222向上运动而带着滤膜12 脱离硫溶液。检测单元采用X射线荧光光谱分析装置，具体同实施例1。
权利要求
1.管道内气体中元素的监测系统，包括取样装置、元素富集装置、测量单元，其特征在 于所述监测系统还包括体积测量装置，所述体积测量装置设置在所述元素富集装置的下游，具有进气通道、排 气通道和低压区形成模块；所述进气通道连通所述元素富集装置，内部设有小孔，所述进气 通道和排气通道的连通处是低压区；分析单元，所述分析单元用于依据测量单元和体积测量装置的输出结果而得出管道内 气体中元素的含量。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述体积测量装置还具有气体通道， 所述低压区是膨胀区，所述气体通道与所述膨胀区连通，所述进气通道和气体通道间的夹 角为(0，90°」，气体通道与排气通道的夹角为19(^,180^,所述进气通道与排气通道间的夹 角为[90^180^;所述低压区形成模块是气源，所述气源与所述气体通道连通。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述取样装置包括取样探头、第一管 道和抽气模块，所述第一管道上设置伴热模块，所述元素富集装置通过第二管道与所述第 一管道连通。
4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述元素富集装置包括滤膜及移动 模块，所述分析单元内的控制模块连接所述移动模块。
5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述测量单元是X射线荧光分析仪 或原子吸收光谱仪。
6.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述元素是汞。
7.根据权利要求4所述的监测系统，其特征在于所述元素富集装置还包括碘或硫溶 液施加单元，用于将所述碘或硫溶液施加到所述移动模块送出的滤膜上。
8.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述碘或硫溶液施加单元采用喷液 装置，用于将碘或硫溶液喷在滤膜上。
9.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述碘或硫溶液施加单元采用装有 碘或硫溶液的容器，用于将碘或硫溶液施加到通过该容器的滤膜上。
10.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述监测系统进一步包括加热装 置，所述加热装置设置在所述体积测量装置上。
11.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于所述体积测量装置是隔膜泵。
12.—种应用权利要求1-11任一所述的监测系统的运行方法，包括以下步骤(Al)低压区形成模块工作，在进气通道和排气通道的连通处形成低压区，使得管道内 的气体通过取样装置、元素富集装置之后，以音速通过进气通道内的小孔；(A2)元素富集装置富集取样气体中的待测元素，测量单元测得在富集时间内富集起来 的待测元素总量；(A3)分析单元处理所述待测元素总量、在所述富集时间内通过所述小孔的气体的体 积，从而获知管道内气体中待测元素的含量。
全文摘要
本发明提供了一种管道内气体中元素的监测系统，包括取样装置、元素富集装置、测量单元，还包括体积测量装置，所述体积测量装置设置在所述元素富集装置的下游，具有进气通道、排气通道和低压区形成模块；所述进气通道连通所述元素富集装置，内部设有小孔，所述进气通道和排气通道的连通处是低压区；分析单元，所述分析单元用于依据测量单元和体积测量装置的输出结果而得出管道内气体中元素的含量。本发明具有可靠性高、成本低、结构简单等优点。
文档编号G01N21/31GK102103094SQ20101062239
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者叶华俊, 姜雪娇, 翁兴彪, 郭生良 申请人:聚光科技(杭州)股份有限公司