CN108318437A - 一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量*** - Google Patents
一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，包括紫外光源模块、入射镜头、光路选择器、紫外开放可调式多反池、出射镜头、微型光纤光谱仪、校准模块、光纤、***电源模块及数据采集与显示模块。本发明的测量***采用紫外开放可调式多反池作为直插式烟气测量气室，通过调节光束在池内反射次数扩展测量光程，显著提高待测烟气成分光学吸收厚度，检测限达到ppb量级，相比于目前通用的直插式紫外单光程透射池烟气测量***，探测灵敏度提高2个数量级；同时，本发明经过独特的光路设计，通过光路切换控制方式，具备零气和样气在线校准功能，具有便携的特点，满足目前固定污染源超低排放烟气中二氧化硫和氮氧化物的监测需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，适用于固定污染源烟气超低排放二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NO&NO2)监测领域。
技术背景
随着对污染源排放监控的进一步加强，大量脱硫、脱硝设备的使用，污染物排放浓度向着越来越低的方向发展，从而对监测仪器提出了更高的要求，发展超低排放监测技术及相关设备研制就被提上了越来越迫切的议事日程上。超低排放的实施导致烟气温度降低、湿度增大，SO2、NOx及颗粒物浓度大幅降低，现场条件更加复杂，监测难度越来越大，进而对上述污染物监测设备提出了更高的要求。传统的固定污染源烟气排放监测***采用抽取式和直插式的监测方式。直插式烟气紫外差分探头可以实现原位在线测量，不需要对烟气进行采样和前处理，但传统的紫外气体池多数为单光程透射池，气体吸收光程短，无法满足固定污染源烟气超低排放的监测要求。抽取式是通过抽气装置将烟气抽取到烟道外来进行测量，需要配备专门的烟气前处理装置和伴热装置，存在采样过程损耗大、测量干扰成分多等问题。针对超低排放的监测需要，急需加强技术方法和必要设备的研发。
发明内容
本发明技术解决问题：为了解决目前传统直插式紫外烟气探头无法满足烟气超低排放的需求，提供一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，包括：紫外光源模块、入射镜头、光路选择器、用于测量待测烟气成分的气室、出射镜头、微型光纤光谱仪、校准模块、入射光纤、一分二分支光纤、***电源模块以及数据采集与显示模块；所述测量***采用烟道直插式测量方式，即气室位于烟道中，不改变烟道中气体的流动方向，也不抽取烟气到烟道外的一种测量方式；所述气室采用紫外开放可调式多反池，紫外开放可调式多反池位于直插式烟道测量探头中；紫外光源模块、入射镜头、光路选择器、紫外开放可调式多反池的主镜部分、出射镜头、微型光纤光谱仪、校准模块、入射光纤、一分二分支光纤、***电源模块及数据采集与显示模块位于烟道外的仪器箱内，包含了紫外开放可调式多反池副镜的直插式烟道测量探头前端位于烟道内；在进行测量时，光路选择器将光路切换至测量光路状态，紫外光源模块发出的光束经入射光纤传输、入射镜头准直后经光路选择器在紫外开放可调式多反池内多次反射，烟气由烟道下端向上端传输过程中通过紫外开放可调式多反池，光束被池内待测烟气成分吸收后通过出射镜头经一分二分支光纤的分支端传输进入微型光纤光谱仪，经过分光后形成的光谱通过数据采集与显示模块运用差分吸收光谱反演算法同时获得烟气中二氧化硫SO2、一氧化氮NO和二氧化氮NO2的浓度值。一分二分支光纤的另一分支端与校准模块连接，***可通过光路选择器控制光路切换，实现零气和样气的在线校准；当光路选择器切换光路进入校准光路状态，紫外光源模块发出的光经入射光纤传输至入射镜头，光束被准直后通过光路选择器进入校准模块，在校准模块中分别通入零气和标准浓度的样品气，微型光纤光谱仪接收光束通过校准模块后的光谱信号，从而实现零气和样气的在线校准。
测量装置采用烟道直插式测量方式，紫外光源模块、入射镜头、光路选择器、紫外开放可调式多反池的主镜部分、出射镜头、微型光纤光谱仪、校准模块、入射光纤、一分二分支光纤、***电源模块及数据采集与显示模块位于烟道外的仪器箱内，***中包含了紫外开放可调式多反池副镜的直插式烟道测量探头前端位于烟道内。采用烟道直插式测量方式可以避免烟道气离开烟道环境带来的损耗，减少误差。
紫外开放可调式多反池由一块主镜、两块副镜、副镜调节装置、保护气帘产生口以及仪表气接口组成。主镜和副镜采用共轭放置，副镜采用三拉三顶的调节方式，通过副镜调节装置调节副镜的俯仰、偏摆角度，进而调整紫外光束在紫外开放可调式多反池内的反射次数扩展测量光程，紫外开放可调式多反池中用于测量烟气部分的基长为500mm，反射次数的调节范围为4～20次，实现测量光程从2米扩展到10米。光程的可调间接对应了量程的可调，可以根据不同类型固定源烟气的浓度范围，调节合适的测量光程，进而保障仪器的检测灵敏度。
紫外开放可调式多反池中主镜和副镜表面均镀紫外增强反射膜，镀膜后主副镜在200-250nm波段的反射率大于90％。波段范围覆盖了烟气待测成分二氧化硫SO2和氮氧化物NOx的监测需求，反射膜反射率的提高保证了光学效率的提升。
紫外开放可调式多反池主、副镜镜片前端均有保护气帘产生口，分别与直插式烟道测量探头末端的仪表气接口连通，以防止主副镜被烟气中颗粒物成分的污染，紫外开放可调式多反池内表面喷涂有黑色特氟龙涂层，防止污染物对气室表面造成吸附和腐蚀。
通过光路选择器可以实现校准光路和测量光路的切换。当光路选择器中的反射镜与校准模块主光轴呈45°角时则切换至校准光路，当光路选择器中的反射镜与校准模块主光轴呈135°角时则切换至测量光路。光路选择器中的反射镜为一背面不透光表面镀紫外增强反射膜的反射镜，镀膜后反射镜在200-250nm波段的反射率大于90％。通过光路选择器简单的光路切换，可实现零气和样气的在线校准，从而保证仪器的测量精度。
校准模块由校准池、校准池进气口、校准池出气口、校准池恒温模块和校准池出射镜头组成，校准模块通过一分二分支光纤的分支端与微型光纤光谱仪连接；校准池恒温模块由保温棉、温控器和加热片组成，控制校准池的温度恒定在45摄氏度，保证校准的准确性，同时减少校准时样气成分的吸附。
入射光纤和一分二分支光纤末端均位于与之相连的入射镜头和出射镜头的焦点位置。光纤末端安装在三维调整平台上，能对所处位置方便地进行三维调节。
为达到结构紧凑便携的目的，紫外光源模块、紫外开放可调式多反池、微型光纤光谱仪、校准模块及数据采集与显示模块均采用模块化设计，***中光路的传输均通过光纤实现。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)相比于传统的烟气抽取式装置，本发明提出的一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，通过烟道直插式测量方式，不需要对烟气进行采样、预处理以及配备相应的伴热装置；采用紫外开放可调式多反池作为烟气测量气室，可通过调节光束在紫外开放可调式多反池的反射次数扩展测量光程提高探测灵敏度，满足各类固定污染源烟气排放类型，检测限优于目前通用的采用紫外单光程透射池的直插式烟气紫外差分探头，达到烟气超低排放检测限要求。
(2)具有非拆卸在线式零气和样气校准模块，不需要将探头从烟道中抽离，通过光路选择器进行测量和校准光路的简单切换，可避免光源老化对测量的影响，比直插式烟气紫外差分探头增加零气校准功能，整体结构紧凑，性能稳定可靠，并具有便携、维护量低等特点，满足固定污染源烟气超低排放对二氧化硫SO2和氮氧化物NOx的监测需求。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是紫外开放可调式多反池的结构及光路示意图；
图3是校准模块的结构及光路示意图。
其中：1、紫外光源模块，2、入射光纤，3、入射镜头，4、光路选择器，5、紫外开放可调式多反池，6、出射镜头，7、一分二分支光纤，8、微型光纤光谱仪，9、校准模块，10、***电源模块，11、数据采集与显示模块，12、仪器箱，13、直插式烟道测量探头，14、主镜，15、仪表气接口，16、保护气帘产生口，17、副镜，18、副镜调节装置，19、校准池进气口，20、校准池恒温模块，21、校准池出气口，22、校准池，23校准池出射镜头。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明提供的一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***包括紫外光源模块1、入射光纤2、入射镜头3、光路选择器4、紫外开放可调式多反池5、出射镜头6、一分二分支光纤7、微型光纤光谱仪8、校准模块9、***电源模块10、数据采集与显示模块11。紫外开放可调式多反池由一块主镜14、两块副镜17、副镜调节装置18、仪表气接口15以及保护气帘产生口16组成。紫外开放可调式多反池的主镜14、副镜镜片17前端均有保护气帘产生口16，分别与直插式烟道测量探头13末端的仪表气接口15连通。包含了紫外开放可调式多反池副镜的直插式烟道测量探头13前端位于烟道中，***的其他部分均位于仪器箱12内。校准模块由校准池22、校准池进气口19、校准池出气口21、校准池恒温模块20和校准池出射镜头23组成。一分二分支光纤7的收支端接微型光纤光谱仪8，其中一分支端连接出射镜头6，另一分支端连接校准池出射镜头23。紫外光源模块7和数据采集与显示模块20的供电均由***电源模块10提供。微型光纤光谱仪8与数据采集与显示模块11通过数据线连接。
以下对测量方式进行进一步详述：
当进行烟气测量时，光路选择器4将光路切换到测量光路状态，调节副镜调节装置18使入射光束达到测量要求的反射次数，调整紫外开放可调式多反池入射镜头3及出射镜头6处的光纤三维调整结构至微型光纤光谱仪采集到足够信噪比的光谱信号。在进行测量时，烟气由烟道下端向上端传输过程中通过紫外开放可调式多反池，紫外光源模块1发出的光通过入射光纤2传输至入射镜头3，经准直后被处于光路选择器4反射进入直插式烟道测量探头13中的紫外开放可调式多反池中，光束在紫外开放可调式多反池的主镜14和副镜17之间多次反射，经待测烟气成分吸收后通过出射镜头6汇聚到一分二分支光纤7的其中一分支端，被光纤传输至微型光纤光谱仪8，经过分光后形成的光谱通过数据采集与显示模块11运用差分吸收光谱反演算法同时获得烟气中二氧化硫SO2、一氧化氮NO和二氧化氮NO2的浓度值。
当需要零点或样气校准时，光路选择器4将光路切换到校准光路状态，调整紫外开放可调式多反池入射镜头3及校准池出射镜头23处的光纤三维调整结构至微型光纤光谱仪采集到足够信噪比的光谱信号，通过校准池进气口19向校准池内通入零气或样气至充满状态，进行零点或样气的校准。待校准完毕，将光路选择器4切换至测量光路状态，即可恢复烟气测量。校准模块不需要拆卸，不影响后续测量。
总之，本发明的测量***采用紫外开放可调式多反池作为直插式烟气测量气室，通过调节光束在紫外开放可调式多反池内反射次数扩展测量光程，显著提高待测烟气成分的光学吸收厚度。测量光程在10米的情况下，对二氧化硫SO2、一氧化氮NO和二氧化氮NO2的检测限达到小于50ppb的量级，相比于目前通用的直插式紫外单光程透射池烟气测量***，探测灵敏度提高2个数量级；同时，本发明经过独特的光路设计，通过光路切换控制方式，具备零气和样气在线校准功能，具有便携的特点，满足目前固定污染源超低排放烟气中二氧化硫和氮氧化物的监测需求。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，其特征在于：包括紫外光源模块、入射镜头、光路选择器、用于测量待测烟气成分的气室、出射镜头、微型光纤光谱仪、校准模块、入射光纤、一分二分支光纤、***电源模块以及数据采集与显示模块；所述测量***采用烟道直插式测量方式，即气室位于烟道中，不改变烟道中气体的流动方向，也不抽取烟气到烟道外的一种测量方式；所述气室采用紫外开放可调式多反池，紫外开放可调式多反池位于直插式烟道测量探头中；紫外光源模块、入射镜头、光路选择器、紫外开放可调式多反池的主镜部分、出射镜头、微型光纤光谱仪、校准模块、入射光纤、一分二分支光纤、***电源模块及数据采集与显示模块位于烟道外的仪器箱内，包含了紫外开放可调式多反池副镜的直插式烟道测量探头前端位于烟道内；在进行测量时，光路选择器将光路切换至测量光路状态，紫外光源模块发出的光束经入射光纤传输、入射镜头准直后经光路选择器在紫外开放可调式多反池内多次反射，烟气由烟道下端向上端传输过程中通过紫外开放可调式多反池，光束被池内待测烟气成分吸收后通过出射镜头经一分二分支光纤的分支端传输进入微型光纤光谱仪，经过分光后形成的光谱通过数据采集与显示模块运用差分吸收光谱反演算法同时获得烟气中二氧化硫SO2、一氧化氮NO和二氧化氮NO2的浓度值；一分二分支光纤的另一分支端与校准模块连接，***可通过光路选择器控制光路切换，实现零气和样气的在线校准；当光路选择器切换光路进入校准光路状态，紫外光源模块发出的光经入射光纤传输至入射镜头，光束被准直后通过光路选择器进入校准模块，在校准模块中分别通入零气和标准浓度的样品气，微型光纤光谱仪接收光束通过校准模块后的光谱信号，从而实现零气和样气的在线校准。
2.根据权利要求1所述的一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，其特征在于：所述紫外开放可调式多反池由一块主镜、两块副镜、副镜调节装置、保护气帘产生口以及仪表气接口组成；主镜和副镜采用共轭放置，副镜采用三拉三顶的调节方式，通过副镜调节装置调节副镜的俯仰、偏摆角度，进而调整紫外光束在紫外开放可调式多反池内的反射次数扩展测量光程，紫外开放可调式多反池中用于测量烟气部分的基长为500mm，反射次数的调节范围为4～20次，实现测量光程从2米扩展到10米。
3.根据权利要求2所述的一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，其特征在于：所述紫外开放可调式多反池中主镜和副镜表面均镀紫外增强反射膜，镀膜后主副镜在200-250nm波段的反射率大于90％。
4.根据权利要求2所述的一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，其特征在于：紫外开放可调式多反池主、副镜镜片前端均有保护气帘产生口，分别与直插式烟道测量探头末端的仪表气接口连通，以防止主副镜被烟气中颗粒物成分的污染，紫外开放可调式多反池内表面喷涂有黑色特氟龙涂层，防止污染物对气室表面造成吸附和腐蚀。
5.根据权利要求1所述的一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，其特征在于：通过光路选择器可以实现校准光路和测量光路的切换，当光路选择器中的反射镜与校准模块主光轴呈45°角时则切换至校准光路，当光路选择器中的反射镜与校准模块主光轴呈135°角时则切换至测量光路；光路选择器中的反射镜为一背面不透光表面镀紫外增强反射膜的反射镜，镀膜后反射镜在200-250nm波段的反射率大于90％。
6.根据权利要求1所述的一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，其特征在于：校准模块由校准池、校准池进气口、校准池出气口、校准池恒温模块和校准池出射镜头组成，校准模块通过一分二分支光纤的分支端与微型光纤光谱仪连接；校准池恒温模块由保温棉、温控器和加热片组成，控制校准池的温度恒定在45摄氏度，保证校准的准确性，同时减少校准时样气成分的吸附。
7.根据权利要求1所述的一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，其特征在于：入射光纤和一分二分支光纤末端均位于与之相连的入射镜头和出射镜头的焦点位置；光纤末端安装在三维调整平台上，能对所处位置方便地进行三维调节。
8.根据权利要求1所述的一种基于紫外开放可调式多反池技术的便携烟气原位测量***，其特征在于：为达到结构紧凑便携的目的，紫外光源模块、紫外开放可调式多反池、微型光纤光谱仪、校准模块及数据采集与显示模块均采用模块化设计，***中光路的传输通过光纤实现。
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