本發(fā)明涉及一種燃煤煙氣中氣相堿金屬在線測量裝置。

背景技術：

中國新疆準東煤田煤炭資源儲備豐富。在燃用準東煤過程中，出現(xiàn)爐膛結渣以及受熱面積灰問題，嚴重影響鍋爐的安全和經(jīng)濟運行。沾污結渣問題與準東煤煤質直接相關，其典型特征是其堿金屬含量特別是鈉含量高。

高堿煤燃燒過程中產(chǎn)生的氣相堿金屬對于受熱面沾污結渣有直接的影響。高堿金屬對煤燃燒過程中沾污結渣的影響主要體現(xiàn)在兩方面：(1)揮發(fā)的氣相堿金屬較多，產(chǎn)生的堿金屬蒸汽遇到溫度相對較低的受熱面會發(fā)生凝結，形成一層具有粘性的初始層，導致受熱面對飛灰顆粒的吸附性增強；(2)灰顆粒吸附煙氣中的堿金屬，形成含na、k的礦物成分，易與其它礦物成分之間形成熔點較低的低溫共熔體，如霞石(na6k12al7si89o32)、鈉長石(na(alsi3o8))等，致使煤灰熔點降低，易黏附在受熱面上。

能準確在線檢測高堿煤燃燒過程中煙氣中的堿金屬含量對于鍋爐安全經(jīng)濟運行具有重要意義。本發(fā)明即涉及一種燃煤煙氣中氣相堿金屬濃度的在線測量裝置。

氣相中堿金屬成分與含量的測量，傳統(tǒng)方法以離線測量為主，如電感耦合等離子體、離子色譜法、毛細管電泳、活性礬土吸附等，這些方法都需要進行前處理，普遍存在測量耗時長、取樣為均值、數(shù)值不準確等缺點。近幾年，激光光譜技術較多應用于氣相堿金屬的在線檢測，例如平面激光誘導熒光法(plif)、激光誘導擊穿光譜法(libs)、感應熒光碎片受激準分子激光法(elif)，利用na和k特定的吸收波長來測定其濃度。質譜技術也逐漸應用于堿金屬的在線檢測，通過與電離裝置的聯(lián)用，可以分析不同形態(tài)氣相堿金屬的含量。但以上幾種技術的裝置對使用環(huán)境要求均很高，無法實現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)的現(xiàn)場測量；另一方面，這些設備成本昂貴，操作繁瑣，很難應用于工業(yè)鍋爐現(xiàn)場環(huán)境。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種氣相堿金屬在線測量裝置，該測量裝置可以測量燃煤煙氣中堿金屬特別是na、k的濃度，裝置成本低廉，簡易便攜，使用方便，可用于工業(yè)鍋爐的燃煤煙氣中氣相堿金屬在線測量裝置。

本發(fā)明是所述的一種燃煤煙氣中氣相堿金屬在線測量裝置，其特征在于：包括煙氣取樣主管、至少一根煙氣取樣支管、電離裝置、信號采集裝置以及供電電源，所述煙氣取樣主管的進氣口與外界待測煙道相連通，所述煙氣取樣主管的出氣口與所述煙氣取樣支管的進氣口同時連通；每根煙氣取樣支管對應配置一套電離裝置和一套信號采集裝置；

所述電離裝置包括電離腔室、電荷發(fā)生器以及電荷感應器，所述電離腔室的入氣口與所述煙氣取樣支管的出氣口管路連通，所述電荷發(fā)生器以及電荷感應器均同軸裝在電離腔室的入氣口處，并且所述電荷感應器設置在所述電荷發(fā)生器下游；電荷發(fā)生器用于電離煙氣的電離面外沿與電離腔室的入氣口內(nèi)壁之間留有間隙；所述電荷發(fā)生器與加熱供電電源相連，加熱供電電源一端與升壓供電電源的升壓電路相連；所述電荷感應器與信號采集裝置的信號放大器串聯(lián)后接地，使得所述電荷發(fā)生器與所述電荷感應器之間產(chǎn)生電壓差；

所述信號采集裝置包括用于將電流信號轉化為電壓信號的信號放大器以及用于采集電壓信號的信號采集器，所述信號放大器為高阻值電阻，所述信號放大器與所述電荷感應器串連接地，所述信號放大器與所述信號采集器并連；

所述升壓供電電源包括升壓電路以及恒壓電源，升壓電路共四個引腳，其中兩個與恒壓電源相連，剩余兩個引腳：一處與電荷感應器連，一處接地。

所述電荷發(fā)生器包括陶瓷圓盤和電離金屬絲，所述陶瓷圓盤由陶瓷骨架在同一平面上螺旋纏繞而成，所述陶瓷圓盤安裝在所述電離腔室的入氣口處，所述陶瓷圓盤與所述電離腔室同軸，且陶瓷圓盤的外沿與電離腔室的入氣口內(nèi)壁之間留有間隙；所述電離金屬絲繞制在陶瓷圓盤的陶瓷骨架上并且所述電離金屬絲與加熱供電電源相連，供電電源負極與升壓供電電源的升壓電路相連。

所述煙氣取樣主管出氣口處一分二，分別連接兩根平行布置的煙氣取樣支管，所述煙氣取樣支管相同位置各設有用于插入標定裝置的測量探頭的通孔，且兩個通孔大小一致；每根煙氣取樣支管對應一個電離腔室，其中一個電離腔室的金屬絲為鉑(pt)絲，形成鉑電離腔室；另一個電離腔室的金屬絲為銥(ir)絲，形成銥電離腔室。

金屬絲的直徑為0.3～0.5mm。

所選電荷感應器中為由金屬鉭制成的電荷感應圓形薄片，電荷感應圓形薄片的直徑與電荷發(fā)生器的陶瓷圓盤的外徑一致；電荷感應圓形薄片與電荷發(fā)生器間的距離小于10mm。

所述電離腔室、所述煙氣取樣主管以及所述煙氣取樣支管外部均設有保溫層。

所述電離腔室設有用于觀察電離發(fā)生器的透明觀測孔，并通過紅外高溫儀監(jiān)測金屬絲的表面溫度，其中紅外高溫儀的溫度感應器設置在透明觀測孔處，金屬絲的表面溫度控制在1300k到1600k之間。

所述信號放大器的阻值大于0.1mω，保證所述金屬絲外接電壓為300～500v。

該裝置基于表面電離原理。當氣體接觸灼熱的金屬表面時，若某氣體成分的電離電位(ip)小于該金屬的表面功函數(shù)(φ)，該成分就會發(fā)生電離，電離率依據(jù)saha—langmuir公式計算：

α＝n+/n0＝g+/g0*exp[e(φ-ip)/kbt]

β＝α/(α+1)

其中，α(％)為電離顆粒流和中性顆粒流的比值，β(％)為電離率，對于堿金屬g+/g0的值取0.5，e(c)表示元電荷，表面功函數(shù)，ip(ev)電離電位，kb(j/k)表示玻爾茲曼常數(shù)，t(k)表示溫度。本發(fā)明所選電離金屬的材質為鉑(pt)和銥(ir)，其表面功函數(shù)分別為：φpt＝5.65ev，φir＝5.27ev。堿金屬na和k的電離電位分別為：ipna＝5.14ev，ipk＝4.34ev。

本發(fā)明的工作過程：煙氣由煙氣取樣主管進入測量裝置，所選煙氣取樣管外部有保溫裝置，使取樣管保持一定的溫度，避免煙氣中的堿金屬在管內(nèi)凝結；煙氣取樣主管后接兩根煙氣取樣支管，兩個煙氣取樣支管直徑和長度相同且平行布置；所選煙氣取樣支管相同位置處開大小相同的孔用于布置標定裝置；所選的兩個電離腔室入口處設置有電離金屬絲，電離金屬絲分別為鉑和銥。兩個電離腔室中一個是鉑電離腔室，一個是銥電離腔室，選取兩種不同的金屬，是為了提高測量準確性。金屬絲繞制在陶瓷圓盤骨架上形成電荷發(fā)生器，該電荷發(fā)生器布置在電離腔室入口處，陶瓷圓盤的外徑略小于電離腔室進口支取樣管內(nèi)徑，保證煙氣中的堿金屬能完全電離，提高測量結果的精確性。金屬絲外部通過導線與供電電源相連，在電加熱下達到目標溫度，維持金屬絲的表面溫度于1300k-1600k。電離腔室一側有觀察口，紅外高溫儀通過該處測定金屬表面溫度。所選金屬通過外加升壓電路，電壓范圍為300v-500v的高電壓。電離腔室外層布置保溫層，避免堿金屬凝結。電荷感應圓形薄片通過導線接地，使之與電離發(fā)生器的金屬絲之前產(chǎn)生300v-500v的高電壓，促使氣體中的離子移動，增強電荷感應器內(nèi)的電信號。信號采集器所選的電荷感應器與接地之前，外加高電阻，使回路中的電信號放大。電信號放大后，通過電壓的形式由信號采集器進行記錄。煙氣中堿金屬濃度不同，通過信號采集器顯示的電壓信號不同間接反應。

本發(fā)明的有益效果是：簡易便攜，適應鍋爐現(xiàn)場測量環(huán)境，在線測量煙氣中的堿金屬，特別其中na和k的含量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構圖(以兩根煙氣取樣支管為例，箭頭代表煙氣流動方向；+、-分別代表電源的正負極)。

圖2是本發(fā)明的電離發(fā)生器的結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發(fā)明

參照附圖：

實施例1本發(fā)明是所述的一種燃煤煙氣中氣相堿金屬在線測量裝置，包括煙氣取樣主管1、兩根煙氣取樣支管2、電離裝置3、信號采集裝置4以及供電電源5，所述煙氣取樣主管1的進氣口與外界待測煙道相連通，所述煙氣取樣主管1的出氣口與所述煙氣取樣支管2的進氣口同時連通；每根煙氣取樣支管2對應配置一套電離裝置3和一套信號采集裝置4；

所述電離裝置3包括電離腔室31、電荷發(fā)生器32以及電荷感應器33，所述電離腔室31的入氣口與所述煙氣取樣支管2的出氣口管路連通，所述電荷發(fā)生器32以及電荷感應器33均同軸裝在電離腔室31的入氣口處，并且所述電荷感應器33設置在所述電荷發(fā)生器32下游；電荷發(fā)生器32用于電離煙氣的電離面外沿與電離腔室31的入氣口內(nèi)壁之間留有間隙；所述電荷發(fā)生器32與加熱供電電源5相連，加熱供電電源5的負電極一端與升壓供電電源6的升壓電路61相連；所述電荷感應器33與信號采集裝置的信號放大器串聯(lián)后接地，使得所述電荷發(fā)生器32與所述電荷感應器33之間產(chǎn)生電壓差；

所述信號采集裝置4包括用于將電流信號轉化為電壓信號的信號放大器41以及用于采集電壓信號的信號采集器42，所述信號放大器41為高阻值電阻，所述信號放大器41與所述電荷感應器33串連接地，所述信號放大器41與所述信號采集器42并連；

所述升壓供電電源6包括用于將12v直流電壓轉化為400v的升壓電路61以及用于提供12v電壓的恒壓電源62，升壓電路共四個引腳，其中兩個與12v恒壓電源相連，剩余兩個引腳：一處與電荷感應器連，一處接地。

所述電荷發(fā)生器32包括陶瓷圓盤321和電離金屬絲322，所述陶瓷圓盤321由陶瓷骨架323在同一平面上螺旋纏繞而成，，所述陶瓷圓盤321安裝在所述電離腔室31的入氣口處，所述陶瓷圓盤321與所述電離腔室31同軸，且陶瓷圓盤321的外沿與電離腔室31的入氣口內(nèi)壁之間留有間隙；所述電離金屬絲322繞制在所述陶瓷圓盤321的陶瓷骨架323上，并且所述電離金屬絲322與所述供電電源5電連，電源5的負電極與升壓電路61相連。

所述煙氣取樣主管1出氣口處一分二，分別連接兩根平行布置的煙氣取樣支管，所述煙氣取樣支管相同位置各設有用于插入標定裝置的測量探頭的通孔，且兩個通孔大小一致；每根煙氣取樣支管對應一個電離腔室，其中一個電離腔室的金屬絲為鉑(pt)絲，形成鉑電離腔室；另一個電離腔室的金屬絲為銥(ir)絲，形成銥電離腔室。

金屬絲322的直徑為0.3～0.5mm。

所選電荷感應器33為由金屬鉭制成的電荷感應圓形薄片，電荷感應圓形薄片的直徑與電荷發(fā)生器的陶瓷圓盤的外徑一致；電荷感應圓形薄片與電荷發(fā)生器間的距離小于10mm。

所述電離腔室31、所述煙氣取樣主管1以及所述煙氣取樣支管2外部均設有保溫層。

所述電離腔室31設有用于觀察電離發(fā)生器的透明觀測孔311，并通過紅外高溫儀監(jiān)測金屬絲的表面溫度，其中紅外高溫儀的溫度感應器設置在透明觀測孔處，金屬絲的表面溫度控制在1300k到1600k之間。

所述信號放大器41的阻值大于0.1mω，保證所述金屬絲322外接電壓為300～500v。

該裝置基于表面電離原理。當氣體接觸灼熱的金屬表面時，若某氣體成分的電離電位(ip)小于該金屬的表面功函數(shù)(φ)，該成分就會發(fā)生電離，電離率依據(jù)saha—langmuir公式計算：

α＝n+/n0＝g+/g0*exp[e(φ-ip)/kbt]

β＝α/(α+1)

其中，α(％)為電離顆粒流和中性顆粒流的比值，β(％)為電離率，對于堿金屬g+/g0的值取0.5，e(c)表示元電荷，表面功函數(shù)，ip(ev)電離電位，kb(j/k)表示玻爾茲曼常數(shù)，t(k)表示溫度。本發(fā)明所選電離金屬的材質為鉑(pt)和銥(ir)，其表面功函數(shù)分別為：φpt＝5.65ev，φir＝5.27ev。堿金屬na和k的電離電位分別為：ipna＝5.14ev，ipk＝4.34ev。

本發(fā)明的工作過程：煙氣由煙氣取樣主管進入測量裝置，所選煙氣取樣管外部有保溫裝置，使取樣管保持一定的溫度，避免煙氣中的堿金屬在管內(nèi)凝結；煙氣取樣主管后接兩根煙氣取樣支管，兩個煙氣取樣支管直徑和長度相同且平行布置；所選煙氣取樣支管相同位置處開大小相同的孔用于布置標定裝置；所選的兩個電離腔室入口處設置有電離金屬絲，電離金屬絲分別為鉑和銥。兩個電離腔室中一個是鉑電離腔室，一個是銥電離腔室，選取兩種不同的金屬，是為了提高測量準確性。金屬絲繞制在陶瓷圓盤骨架上形成電荷發(fā)生器，該電荷發(fā)生器布置在電離腔室入口處，陶瓷圓盤的外徑略小于電離腔室進口支取樣管內(nèi)徑，保證煙氣中的堿金屬能完全電離，提高測量結果的精確性。金屬絲外部通過導線與供電電源相連，在電加熱下達到目標溫度，維持金屬絲的表面溫度于1300k-1600k。電離腔室一側有觀察口，紅外高溫儀通過該處測定金屬表面溫度。所選金屬通過外加升壓電路，電壓范圍為300v-500v的高電壓。電離腔室外層布置保溫層，避免堿金屬凝結。電荷感應圓形薄片通過導線接地，使之與電離發(fā)生器的金屬絲之前產(chǎn)生300v-500v的高電壓，促使氣體中的離子移動，增強電荷感應器內(nèi)的電信號。信號采集器所選的電荷感應器與接地之前，外加高電阻，使回路中的電信號放大。電信號放大后，通過電壓的形式由信號采集器進行記錄。煙氣中堿金屬濃度不同，通過信號采集器顯示的電壓信號不同間接反應。

圖1中煙氣取樣主管1可連接在鍋爐的煙氣出口或煙氣采樣口，煙氣進入取樣主管1后均分為兩股，分別進入內(nèi)徑相同的取樣分管2。

圖1中取樣分管2平行布置，同時與取樣主管1也保持平行。煙氣取樣管整體通過外部保溫裝置來維持溫度，防止堿金屬管內(nèi)發(fā)生凝結，提高測量結果的準確性，同時保證兩個腔室的溫度一致。在兩根取樣分管相同位置處開大小相同的孔，以布置標定裝置。當進行煙氣在線測量時，這兩處的孔將關閉。

圖1中31為電離腔室，所選的兩個電離腔室入口處設置有電離金屬絲，電離金屬絲分別為鉑(pt)和銥(ir)。兩個電離腔室中一個是鉑電離腔室，一個是銥電離腔室，選取兩種不同的金屬，測量準確性高。

圖1中32為電荷發(fā)生器，金屬絲的直徑在0.3-0.5mm，電離金屬絲322繞制在陶瓷圓盤321的骨架323上形成電荷發(fā)生器32，該電荷發(fā)生器布置在電離腔室31入口處，陶瓷圓盤的外徑略小于電離腔室進口支取樣管內(nèi)徑，保證煙氣中的堿金屬能完全電離，測量精確性高，如圖2所示。

所選金屬絲322外部通過導線與電源相連，在電加熱下使其升溫。在各腔室的同側等距處，分別配備兩個耐溫玻璃的觀測孔311，通過紅外高溫儀監(jiān)測電離金屬的表面溫度，保證金屬絲的表面溫度于1300k-1600k，同時控制兩種金屬的表面溫度一致。

所選金屬絲322通過外加升壓電路6，升壓至300v-500v。

電離腔室31外層布置保溫裝置，避免堿金屬凝結。

圖1中33為電荷感應器。

電荷感應圓形薄片通過導線接地，使之與電荷發(fā)生器32的金屬絲322之前產(chǎn)生300v-500v的高電壓，當煙氣中的堿金屬發(fā)生電離后，na⁺、k⁺離子會在電場作用下移動，并在電壓較低的感應金屬附近富集。由于正離子在感應金屬的一端的富集，導致感應金屬內(nèi)產(chǎn)生感應電流，并通過接地流向大地，其瞬時值與na⁺、k⁺離子的含量成正比。

圖1中的41為信號放大裝置，通過兩高電阻將較小的電流信號轉化成電壓信號，起到信號放大的作用，測量數(shù)值精確性高。

圖1中42為信號采集器，煙氣中堿金屬濃度不同，通過信號采集器顯示的電信號不同。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。