一种烟气中三氧化硫的在线检测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种烟气中三氧化硫的在线检测装置及方法，装置包括烟气采集单元；气液分离器，用于将来自烟气采样单元的烟气中的SO3冷凝成硫酸液滴以与气相分离；气相检测单元，用于计量来自所述气液分离器的气相流量；第一溶液罐，用于向所述气液分离器中提供吸收液以混合所述硫酸液滴形成混合液；液相检测单元，用于计量来自所述气液分离器的混合液中已转化的SO3的质量；数字控制单元，用于根据所述气相检测单元和液相检测单元的检测结果计算烟气中SO3的浓度。本发明实现了烟气中SO3的在线测量，对烟气中的SO3进行采样，并分析出SO3的含量，便于燃煤电厂采取相应措施，控制烟气中SO3含量，减少对烟道及其设备的腐蚀，同时最大限度降低锅炉排烟热损失。
【专利说明】一种烟气中三氧化硫的在线检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及烟气治理【技术领域】，具体涉及一种烟气中三氧化硫的在线检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前火电厂SO3的排放量虽然很少，但由于SO3极易与烟气中的水蒸气结合形成硫酸蒸汽，在壁温低于酸露点的受热面上凝结，造成酸露点腐蚀。烟气中SO3,含量愈多,酸露点温度越高，腐蚀范围越广也越严重。近年来我国越来越多的电厂安装了湿法烟气脱硫，由于湿法脱硫后净烟气的湿度较大，烟气中残存的SO3极易快速转化为硫酸雾滴，对烟道和下游设备造成严重腐蚀。废气中的SO3浓度低至5-10ppm时，由于热烟道气在大气中的较冷空气中冷却而产生白色、紫色或黑色羽状物。
[0003]选择性催化还原反应(selective catalytic reactor, SCR)是电厂中为了控制NOx排放而采用的措施，在加入NH3的情况下，SCR将NOx还原为N2，但是也会导致少量SO2转化为SO3，尽管SO3此时浓度不高，但排放时会产生高度可见的次级羽状物。
[0004]为针对性的解决酸露点腐蚀问题，电厂需要了解烟气中SO3的浓度，目前尚未发现烟气分析仪具有测定SO3含量这项功能，这主要是由于SO3在传输到仪器测量终端过程中会以硫酸蒸汽或硫酸雾的形式凝结或粘附在传输管道上，导致采样误差和对仪器的强烈腐蚀。
[0005]《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》中提出了对烟气中固体颗粒物的测量，而未考虑对SO3等液体颗粒物的测量。事实上，SO3在烟气中排放浓度可达10mg/m3以上,SCR脱硝后SO3的浓度可达30?80mg/m3,已成为目前燃煤电厂细粒子污染的主要问题。
[0006]在本领域中已经发展了多种用于测量烟气中SO3浓度的技术。专利号为200620163937.1的新型实用专利公开了一种烟气中SO3的采样装置，包括除尘机构、采样管、螺旋收集管和抽吸机构，其中除尘机构安装在采样管的入口端，该采样管的出口端通过管路与螺旋收集管的进口连接，螺旋收集管的进、出口均位于螺旋形的上端，其出口通过硅胶软管与所述抽吸机构相通。在专利中无测量部分，而且无法实现在线测量。
[0007]专利号为20091021169.1的发明专利公开了一种用于检测、测量和控制烟道气中SO3和其他可冷凝物的方法和装置，能够测量多种可冷凝物的浓度，但是该方法对于材料精度要求高，无法实现在线连续的测量。在美国，专利号2011/0097809中公开了一种503测量方法，精度较高，但是该装置携带不便，适合实验室操作。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种烟气中三氧化硫的在线检测装置及方法，以分析烟气中SO3的含量，实现了烟气中SO3的在线测量，具有结构简单、便于携带等特点。
[0009]一种烟气中三氧化硫的在线检测装置，包括烟气采样单元，还包括:[0010]气液分离器，用于将来自烟气采样单元的烟气中的SO3冷凝成硫酸液滴以与气相分离；
[0011]气相检测单元，用于计量来自所述气液分离器的气相流量；
[0012]第一溶液罐，用于向所述气液分离器中提供吸收液以混合所述硫酸液滴形成混合液；
[0013]液相检测单元，用于计量来自所述气液分离器的混合液中已转化的SO3的质量；
[0014]数字控制单元，用于根据所述气相检测单元和液相检测单元的检测结果计算烟气中SO3的浓度。
[0015]所述气液分离器可以采用多种实现方式，本发明中，作为优选，
[0016]所述气液分离器为若干个相互并联的蛇形冷凝管，该蛇形冷凝管的入口通过对应的管道及阀门与所述烟气采样单元及第一溶液罐相连通，该蛇形冷凝管的出口通过对应的管道及阀门与气相检测单元和液相检测单元相连通。
[0017]为方便气相的分离，进一步优选，所述气相检测单元与对应蛇形冷凝管的出口之间设有气泵，用于将所述蛇形冷凝管中的气体抽入气相检测单元中。通过该气泵产生的负压使对应蛇形冷凝管中的气体分离并经过气相检测单元计量。
[0018]蛇形冷凝管、第一溶液罐、气相检测单元、对应阀门和液相检测单元构成SO3检测单元，烟气采样单元连续采集待测烟气，而后进入蛇形冷凝管，由于冷凝管中温度低于硫酸露点，在蛇形管中形成硫酸液滴，从而将SO3与烟气进行分离，采样结束后向蛇形管中加入吸收液，形成硫酸液滴(so42-)，蛇形管中的溶液送入液相检测单元检测，首先加入钡盐溶液，搅拌后形成沉淀，由光学系统检测SO42-浓度，SO3检测单元将气液两相的检测信息发送给数字控制单元，由数字控制单元接收并计算出待测烟气中SO3的含量。
[0019]进一步优选地，还设有一用于安装所述蛇形冷凝管的恒温室。控制该恒温室温度为 60-80。。。
[0020]进一步优选地，所述蛇形冷凝管的直径为8-15cm。
[0021]在SO3检测单元中，恒温室内蛇形冷凝管将来自烟气采样单元的烟气进行冷凝，分离出烟气中的SO3，其烟气流量通过气相检测单元检测。
[0022]所述气液分离器可以为相互并联的若干个蛇形冷凝管，蛇形冷凝管之间相互交替工作，作为本发明的一种优选技术方案，所述气液分离器为两个相互并联的蛇形冷凝管。
[0023]装置中设有与两个蛇形冷凝管相应的控制阀门，用于在一个蛇形冷凝管采样结束后进行替换。其中一个蛇形冷凝管采集结束后，向该蛇形管中加入吸收液，待测烟气中的SO3最终形成SO42-存在于液相混合液，由液相检测单元检测SO42-的量。
[0024]气相检测单元包括流量计、温度计和气压计，同时记录气相的温度和压力信息。
[0025]液相检测单元用于检测烟气中SO3含量，一种优选的技术方案，所述液相检测单元包括:
[0026]与所述蛇形冷凝管的出口连通的反应器；
[0027]与所述蛇形冷凝管的入口相连的第二气泵，用于将所述蛇形冷凝管中的混合液压入反应器；
[0028]用于向所述反应器发射检测光的光源；
[0029]用于接收透过所述反应器的透射光的光度计，该光度计与数字控制单元通信连接。
[0030]进一步优选，还设有通过液泵与所述反应器相连通的第二溶液罐，所述反应器带有磁力搅拌器。
[0031]在溶液罐中盛装由能与S042_发生反应并生成有颜色的离子或者沉淀的物质，例如，可以是钡盐，来自气液分离器中的液相与反应器中的物质反应，然后向反应器中发射检测光，透过反应器中的液体后由光度计接收，光度计将接收的信息发送给数字控制单元，由数字控制单元计算出SO3的量。
[0032]优选地，所述液相检测单元溶液罐中的钡盐为氯化钡、氯冉酸钡或者高氯酸钡。
[0033]烟气采样单元用以连续采集含有SO3的烟气，送入SO3检测单元中，就采样单元本身而言，可以是现有的采样机构，本发明中，作为一种优选的技术方案，所述烟气采样单元包括依次连通的烟气采样枪头、过滤室和烟气采样管，所述烟气采样管的尾端与所述气液分离器相连通，所述过滤室内设有过滤装置。
[0034]为了保证待测烟气的温度，使烟气中的SO3全部以气体状态存在，优选地，所述烟气采样管外设有用于保持烟气采样管内温度的加热装置，所述加热装置外设有保温外层。
[0035]所述的加热装置优选为绕设在烟气采样管外的电加热装置，用以加热烟气采样管内的待测烟气。
[0036]烟气采样管为防锈材料制成的钢管，钢管外绕设电加热装置，用以加热钢管温度，使钢管内的烟气温度保持在300?400°C，在电加热装置外绕置由保温材料制成的保温外层。
[0037]为了方便烟气温度的采集和控制，作为优选，所述烟气采样管外还设有温度采集装置，该温度采集装置通信连接至所述数字控制单元。
[0038]优选地，所述数字控制单元包括外壳和位于外壳内的中央处理器，所述外壳上设有控制按钮和显示屏。
[0039]外壳，用于放置控制按钮和显示屏，控制按钮用于控制整个采样过程相关参数，显示屏用于显示烟气相关参数及测试结果。
[0040]中央处理器，用于接收、控制及储存各测量装置返回过来的数据，同时自动计算烟气中SO3的浓度。该中央处理器优选可以采用PLC控制器。
[0041]本发明还提供了一种烟气中三氧化硫的在线监测方法，包括:
[0042](I)通过烟气采样单元连续采集待测烟气，对烟气升温；
[0043](2)待测烟气升温至300?400°C后，气泵提供负压使烟气进入蛇形冷凝管中，在蛇形冷凝管中烟气中的SO3冷凝成硫酸液滴，去除303后的烟气则进入气相检测单元记录气相流量；
[0044](3)冷凝结束后向所述蛇形冷凝管中通入吸收液，与所述硫酸液滴混合，形成液相混合液，液相混合液进入液相检测单元中与钡盐溶液反应，检测液相中已转化的SO3的质量;
[0045](4)通过数字控制单元接收气相检测单元和液相检测单元的检测结果，并计算烟气中SO3的浓度。
[0046]作为优选，所述蛇形冷凝管的温度为60-80°C。该温度低于硫酸露点，烟气中的SO3冷凝成硫酸液滴，与烟气分离。[0047]作为优选,所述吸收液为异丙醇的水溶液或水。
[0048]本发明的有益效果:
[0049]本发明实现了烟气中SO3的在线测量，具有结构简单、便于携带等特点，它能对烟气中的SO3进行采样，并分析出SO3的含量，便于燃煤电厂采取相应措施，控制烟气中SO3含量，减少对烟道及其设备的腐蚀，同时最大限度降低锅炉排烟热损失，具有测量时间短，全过程自动化的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0050]图1是本发明的整体结构示意图；
[0051]图2是本发明的烟气采集单元结构示意图；
[0052]图3是本发明的SO3检测单元的示意图；
[0053]图4是本发明的数字控制单元的结构示意图；
[0054]图5是本发明的检测装置在烟气处理系统中的安装示意图。
【具体实施方式】
[0055]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
[0056]如图1所示，图中100为烟气采集单元，200为SO3检测单元，300为数字控制单元，系统由这三大部分构成。
[0057]如图2所示，烟气采集单元100包括依次连通的烟气采样枪头105、过滤室101和采样枪。
[0058]采样枪为内外双层结构，内层为烟气采样管102，为由防锈材料制成的钢管，在烟气采样管102外设置加热装置103，本实施方式中，该加热装置为绕置在烟气采样管102外的电加热装置，在位于加热装置外设置保温外层104，保温外层104由保温材料制成。加热装置103和保温外层104共同作用，使烟气采样管102内的烟气温度保持在300?400°C。烟气采样管102尾部与SO3检测单元连通。
[0059]烟气采样管102与过滤室101为螺纹连接，可拆卸，过滤室内填充有石英棉，石英棉可更换，用于过滤烟气中的灰粒。
[0060]烟气采样管102的出口处设置一个温度采集装置，例如可以是温度传感器，用以检测出口烟气温度，并传输给数字控制单元。
[0061]如图3所示，烟气采集单元100通过管道与SO3检测单元200连接，本实施方式的SO3检测单元200中的气液分离器为两个相互并联的蛇形冷凝管(第一蛇形冷凝管202和第二蛇形冷凝管201)，两个蛇形冷凝管安装在恒温室215中，两个蛇形冷凝管的入口通过三通管道及对应阀门与烟气采样管102的尾部出口和第一溶液罐212相连，两个蛇形冷凝管的出口通过三通管道与对应的阀门连接气相管路和液相管路，当采用蛇形冷凝管为气液分离器时，蛇形冷凝管的出口既为气相出口又为液相出口，通过对应的阀门控制。
[0062]对于第一蛇形冷凝管202，由阀门V6和阀门V3控制入口与烟气采样管102及第一溶液罐212之间的连接，由阀门V8和阀门V9控制出口与气相管路及液相管路的连接；对于第二蛇形冷凝管201，由阀门V5和阀门V4控制入口与烟气采样管102及第一溶液罐212之间的连接，由阀门Vll和阀门VlO控制出口与气相管路及液相管路的连接。[0063]在气相管路与烟气采样管102之间还并联了一根管路，该管路上设置阀门V7，用于采样前对气相管路进行抽气检测。
[0064]为了方便蛇形冷凝管内液相的排除，还设置一个第二气泵214，该第二气泵214通过三通管道及阀门分别连接至两个蛇形冷凝管的入口，其中由阀门Vl控制第二气泵214与第一蛇形冷凝管202入口之间的连接，阀门V2控制第二气泵214与第二蛇形冷凝管201之间的连接。
[0065]沿气相管路上依次设置第一气泵203、控制阀V13和气相检测单元204，气相检测单元204包括流量计、温度计和气压计；沿液相管路出口连接反应器206，反应器206还有一个入口依次连接液泵210、第二溶液罐211，反应器206底部为磁力搅拌器207，反应器206内有搅拌子208，在反应器206的一侧设置光源205，在反应器的另一侧设置光度计209，透过反应器206的光由该光度计209吸收并发送至数字控制单元300。反应器206底部设置排放管路，该排放管路上设置阀门V12。
[0066]SO3检测单元200还包括一个第一溶液罐212，第一溶液罐212通过三通管道及阀门与对一个蛇形冷凝管的入口相连，在第一溶液罐212与对应蛇形冷凝管之间的管道上设置水泵213，水泵213将第一溶液罐212中的吸收液泵入对应蛇形冷凝管中；在对应蛇形冷凝管与第一溶液罐212的管道上设有第二气泵214及其相应控制阀。
[0067]以上部件之间全部由管道连接。
[0068]如图4所示，数字控制单元300由外壳和中央处理器304组成，外壳包括显示屏302、控制按钮303、外箱301。其中显示屏302用于显示测量出SO3的结果，控制按钮303用于控制测量的开始和结束及一些参数；中央处理器304用于控制液泵、两个气泵及一系列阀门的开关，接受采集装置的参数，中央处理器304与各装置(温度采集装置；气相检测单元中的流量计、温度计和气压计；光度计；以及各路阀门)以线路通信连接。中央处理器304接收气体流量与液体中S042_信号，通过处理得出烟气中SO3读数，并显示到数字显示器上。
[0069]本发明装置的工作过程如下:
[0070]采样前所有阀门关闭。开始采样时，打开阀门V7，采样枪的加热装置开始加热，待温度加热到300?400°C后，关闭阀门V7，打开阀门V6和阀门V8，采集过程中保持采样枪内的待测烟气温度为300?400°C，待测烟气经过滤室101过滤后进入烟气采样管102。
[0071]烟气从烟气采样管出来后进入恒温室(恒温室温度为60?80°C)中的第一蛇形冷凝管202，烟气中的SO3冷凝成为硫酸液滴。第一蛇形冷凝管202后的第一气泵203用于提供负压，使气体从第一蛇形冷凝管202中抽出，控制阀V13用于控制气体流量，气相检测单元204中的流量计用于计量气体流量，流量计将其计量的流量信息反馈给数字控制单元300，以备计算烟气中SO3的含量。
[0072]一般一个蛇形管的采样时间为5min，采样时间必须在3min以上，流量为1_3L/min，第一蛇形冷凝管202采样结束后，阀门V6和阀门V8关闭，同时阀门V5和阀门Vll打开，切换至第二蛇形冷凝管201，此时流量计的读数反馈至数字控制单元300。第二蛇形冷凝管201及其后面管路的工作与第一蛇形冷凝管202相同，该蛇形冷凝管开始采样。
[0073]切换至第二蛇形冷凝管201后，阀门V3和阀门V9打开，水泵213将第一溶液罐212中的吸收液泵入第一蛇形冷凝管202，水泵213流量可设置，一般为l_2ml/S，水泵213打开时间为30s，加入第一蛇形冷凝管202中的液体可控制，该流量反馈到数字控制单元，以备计算SO3浓度。
[0074]液泵打开时间结束后关闭，阀门Vl打开，第二气泵214开始工作，利用高压空气将第一蛇形冷凝管202中所有液体压入液相检测装置中的反应器206，第二气泵214打开时间一般为30s，结束后关闭阀门Vl和阀门V9，液泵210开始工作，将第二溶液罐211中的液体压入反应器206，液泵210流量可设置，一般为l-2ml/s，液泵210打开时间为30s，加入反应器206中的液体可控制，该流量反馈到数字控制单元以备计算SO3浓度。
[0075]在液泵210开始工作的同时，磁力搅拌器开始搅拌，搅拌时间为40s，搅拌结束后，光源205发出光波为500-600nm的光波，经反应器206吸收后，透过的光由光度计209进行接收并测量光强度，并将该光强度反馈给数字控制单元300。得到光强度信号后，反应器206底部阀门V12打开，排出废液，阀门V12打开IOs后关闭。
[0076]数字控制单元300的中央处理器304接收液泵210、水泵213、光度计209、流量计
参数，通过处理得出烟气中SO3读数，并显示到数字显示器上。
[0077]一次测量到此结束，下一次测量为第二蛇形冷凝管201采样时间结束后，阀门V5和阀门Vll关闭，阀门V6和阀门V8开启，切换至第一蛇形冷凝管202采样，第二蛇形冷凝管201内硫酸液滴的测量方法与第一蛇形冷凝管202相同，区别在于控制阀门不一样，对应阀门为阀门V2、阀门V4和阀门VlO。
[0078]本发明装置的工作原理如下:
[0079]烟气由过滤室101除去其中的灰尘后经过烟气采样管102进入对应蛇形冷凝管。蛇形冷凝管的温度为60-80°C，低于硫酸露点，因此在蛇形冷凝管中冷凝。蛇形冷凝管中的硫酸液滴与水泵213输送来的吸收液进行混合后进入反应器。液体进入反应器后，与第二溶液罐中的反应物发生反应，生成沉淀或有颜色的离子，而该沉淀或有颜色的离子与硫酸根离子浓度等同或成比例，即与三氧化硫的浓度等同或成比例，则测量该离子浓度，即可测出SO3含量。有颜色的离子都有光波的特定吸收峰(如氯冉酸离子能够吸收波长为535nm的光波)，可通过光学法测定离子浓度，从而得出采样烟气中三氧化硫的浓度。
[0080]实施例1
[0081]利用本发明装置及测量方法检测某电厂脱硝前烟气中SO3浓度。某电厂脱硝SCR系统测点布置如图5所示，SCR系统入口测点，本发明装置布置在省煤器400入口的水平烟道上(位置401处)，测孔均匀分布。测试前更换过滤室101中石英棉，在第一溶液罐212中装入异丙醇浓度为80%的水溶液，第二溶液罐211中装入钍试剂和BaCl2的溶液，光源波长为530nm，检测出电厂该位置SO3该工况下平均浓度为14.6mg/m3，用《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法一GB/T21508-2008》中方法测出烟气中SO3浓度为14.4mg/m3。
[0082]实施例2
[0083]利用本发明装置及测量方法检测某电厂脱硝后烟气中SO3浓度。某电厂脱硝SCR系统测点布置如图5所示，SCR系统出口测点，本发明的装置布置在省煤器400出口的水平烟道上(位置402处)，测孔均匀分布。测试前更换过滤室101中石英棉。在第一溶液罐212中装入异丙醇浓度为80%的水溶液，第二溶液罐211中装入钍试剂和BaCl2的溶液，光源波长为530nm，检测出电厂该位置SO3该工况下平均浓度为42.lmg/m3，用《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法一GB/T21508-2008》中方法测出烟气中SO3浓度为42.2mg/m3。
【权利要求】
1.一种烟气中三氧化硫的在线检测装置，包括烟气采样单元，其特征在于，还包括: 气液分离器，用于将来自烟气采样单元的烟气中的SO3冷凝成硫酸液滴以与气相分离； 气相检测单元，用于计量来自所述气液分离器的气相流量； 第一溶液罐，用于向所述气液分离器中提供吸收液以混合所述硫酸液滴形成混合液； 液相检测单元，用于计量来自所述气液分离器的混合液中已转化的SO3的质量； 数字控制单元，用于根据所述气相检测单元和液相检测单元的检测结果计算烟气中SO3的浓度。
2.根据权利要求1所述烟气中三氧化硫的在线检测装置，其特征在于，所述气液分离器为若干个相互并联的蛇形冷凝管，该蛇形冷凝管的入口通过对应的管道及阀门与所述烟气采样单元及第一溶液罐相连通，该蛇形冷凝管的出口通过对应的管道及阀门与气相检测单元和液相检测单元相连通。
3.根据权利要求2所述烟气中三氧化硫的在线检测装置，其特征在于，所述气相检测单元与对应蛇形冷凝管的出口之间设有气泵，用于将所述蛇形冷凝管中的气体抽入气相检测单元中。
4.根据权利要求3所述烟气中三氧化硫的在线检测装置，其特征在于，所述液相检测单元包括:. 与所述蛇形冷凝管的出口连通的反应器； 与所述蛇形冷凝管的入口相连的第二气泵，用于将所述蛇形冷凝管中的混合液压入反应器； 用于向所述反应器发射检测光的光源； 用于接收透过所述反应器的透射光的光度计，该光度计与数字控制单元通信连接。
5.根据权利要求4所述烟气中三氧化硫的在线检测装置，其特征在于，还设有通过液泵与所述反应器相连通的第二溶液罐，所述反应器带有磁力搅拌器。
6.根据权利要求1~5任一权利要求所述烟气中三氧化硫的在线检测装置，其特征在于，所述烟气采样单元包括依次连通的烟气采样枪头、过滤室和烟气采样管，所述烟气采样管的尾端与所述气液分离器相连通，所述过滤室内设有过滤装置。
7.根据权利要求6所述烟气中三氧化硫的在线检测装置，其特征在于，所述烟气采样管外设有用于保持烟气采样管内温度的加热装置，所述加热装置外设有保温外层。
8.根据权利要求6所述烟气中三氧化硫的在线检测装置，其特征在于，所述烟气采样管外还设有温度采集装置，该温度采集装置通信连接至所述数字控制单元。
9.一种烟气中三氧化硫的在线监测方法，其特征在于，包括: (1)通过烟气采样单元连续采集待测烟气，对烟气升温； (2)待测烟气升温至300~400°C后，气泵提供负压使烟气进入蛇形冷凝管中，在蛇形冷凝管中烟气中的SO3冷凝成硫酸液滴，去除SO3后的烟气则进入气相检测单元记录气相流量; (3)冷凝结束后向所述蛇形冷凝管中通入吸收液，与所述硫酸液滴混合，形成液相混合液，液相混合液进入液相检测单元中与钡盐溶液反应，检测液相中已转化的SO3的质量； (4)通过数字控制单元接收气相检测单元和液相检测单元的检测结果，并计算烟气中SO3的浓度。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述蛇形冷凝管的温度为60-80°C。
【文档编号】G01N21/82GK103472061SQ201310376879
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】高翔, 骆仲泱, 岑可法, 倪明江, 吴学成, 宋浩, 吴卫红, 余鸿敏, 施正伦, 周劲松, 方梦祥, 余春江, 王树荣, 程乐鸣, 王勤辉 申请人:浙江大学