專利名稱：煙氣污染物的實時在線檢測裝置及其檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及大氣環(huán)境監(jiān)測，主要用于煤燃燒過程中管道煙氣中多 種污染物的實時在線檢測。
技術背景隨著可持續(xù)發(fā)展的需要和環(huán)境保護意識的提高，人類開始普遍關 注大氣污染的危害。最新的科學研究表明煤燃燒產(chǎn)生的煙氣是大氣 污染的主要污染源，已成為環(huán)境治理的主要對象。如何有效控制燃燒 過程和燃燒污染物的排放，已逐漸成為政府部門和科研機構(gòu)愈加關注 的熱點?？刂茻煔庵形廴疚锱欧诺那疤崾且牢廴疚锏某煞菁昂?量，而實時在線的測量，其檢測結(jié)果可及時發(fā)現(xiàn)燃燒過程中出現(xiàn)的問 題，以便及時采取措施，以減少重大污染事件的發(fā)生。目前常用的檢測煙氣中污染物的方法大多是離線的，代表性的有電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)和火焰光度分析法。這兩種方法較大地提高了對污染物質(zhì)的檢測精度，但均必須在實驗室內(nèi)完 成，且均需在檢測前對樣品進行前期處理，因此對檢測環(huán)境要求嚴格、 測試周期長，需要耗費大量的人力、物力資源，因而無法在燃燒的過 程中進行實時、有效的控制。目前在線檢測污染物成份的裝置僅見單一元素分析及汽車尾氣檢測等。例如 一種在線大氣汞分析儀(申請?zhí)?00510123603.1)只能對單一元素汞進行分析。又如對汽車尾 氣進行實時檢測用的紅外激光檢測系統(tǒng)和方法(申請?zhí)?1141682.3)可以對汽車尾氣是否超標進行實時監(jiān)測，但是無法判斷其污染物的成 份。這些裝置均不適合用于煤燃燒過程中煙氣多種污染物的實時在線 監(jiān)測。鑒于以上現(xiàn)實，考慮到煙氣成份的復雜性，且其在線監(jiān)測處于高 溫環(huán)境中，目前，尚未發(fā)現(xiàn)可以對煙氣中多種污染物進行現(xiàn)場、實時、 連續(xù)檢測的裝置。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供煙氣污染物的實時在線檢測裝置。該裝置 采用激光誘導擊穿光譜技術，利用聚焦的高能量激光束將被測煙氣中 的物質(zhì)激發(fā)到高能態(tài)，它們在回到基態(tài)的過程中將輻射出各自的特征 光譜，分析這些光譜的波長和強度，可得到被測煙氣中污染物的成份 及其濃度。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠?qū)煔庵械亩喾N污染物 進行實時、在線、連續(xù)的檢測。本發(fā)明的另一目的是提供用上述裝 置檢測煙氣污染物的方法。為了達到上述目的本發(fā)明采用如下技術方案煙氣污染物的實時在線檢測裝置由脈沖發(fā)生器、脈沖激光器、時 間延時器、透反鏡、長焦距聚焦透鏡、收光器、光纖、分光計、光電 檢測器、A/D轉(zhuǎn)換器和計算機組成。脈沖發(fā)生器分別連接脈沖激光器 的外觸發(fā)端和時間延時器的輸入端；在脈沖激光器的激光發(fā)射方向順序同軸安置透反鏡和長聚焦透鏡，收光器的接收端安置在透反鏡反射 方向的同軸位置，收光器的輸出端通過光纖與分光計的輸入端連接，分光計的輸出端連接到光電檢測器的輸入端；時間延時器的輸出端連 接到光電檢測器的另一輸入端，光電檢測器的輸出端連接到A/D轉(zhuǎn)換 器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端連接到計算機。本發(fā)明的工作原理是采用激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術這種 元素分析方法，該方法出自美國David A.Cremers和Leon J.Radziemski 編寫的《激光誘導擊穿光譜手冊》(Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)。它是利用聚焦的高能量激光束將被測煙氣 擊穿形成高溫等離子體，煙氣中的各種物質(zhì)都被激發(fā)到高能態(tài)，在高 能態(tài)回到基態(tài)的過程中各種物質(zhì)將輻射出各自的特征光譜，通過分析 這些光譜的波長和強度，可得到被測煙氣中污染物的成份及其濃度。 元素譜線的確定參照美國國家標準和技術研究院(NIST)的原子光譜標準 與技術數(shù)據(jù)庫。根據(jù)我們的大量模擬管道煙氣測量實驗，取污染物元素 的特征譜線如下鎂-279.6納米，鐵-404.6納米，銅-324.8納米、鋁-309.3 納米、鉛-405.8納米、鉻-520.8納米、汞-253.7納米、砷-228.8納米。利用激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術，可以實時在線的得到煙氣 污染物排放的結(jié)果，這些結(jié)果可以作為煙氣污染物的排放是否符合標 準，燃燒物是否滿足要求，以及燃燒過程是否合理的依據(jù)。本發(fā)明用于煙氣中檢測鎂、鐵、銅、鋁、鉛、鉻、汞、砷等污染物。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、 可以同時檢測煙氣中鎂、鐵、銅、鋁、鉛、鉻、汞、砷等污染物及其濃度；2、 可對煙氣中的鎂、鐵、銅、鋁、鉛、鉻、汞、砷等污染物進 行實時、在線的連續(xù)檢測；3、 在檢測前不需對待測樣品進行前期處理，能及時得到分析結(jié)果；4、 發(fā)射和接收裝置的共軸設計，能夠更容易檢測樣品的光譜信號；5、 結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適合在煤燃燒煙氣管道中使用。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是用本發(fā)明檢測到的煙氣中鉛元素405.8納米特征譜線的"光譜強度-濃度"的曲線圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，煙氣污染物的實時在線檢測裝置由脈沖發(fā)生器1、 脈沖激光器2、時間延時器3、透反鏡4、長焦距聚焦透鏡5、收光器 6、光纖7、分光計8、光電檢測器9、 A/D轉(zhuǎn)換器10和計算機ll組 成。脈沖發(fā)生器1分別連接脈沖激光器2的外觸發(fā)端和時間延時器3 的輸入端；在脈沖激光器2的激光發(fā)射方向順序同軸安置透反鏡4和 長聚焦透鏡5，收光器6的接收端安置在透反鏡4反射方向的同軸位 置，收光器6的輸出端通過光纖7與分光計8的輸入端連接，分光計 8的輸出端連接到光電檢測器9的輸入端；時間延時器3的輸出端連 接到光電檢測器9的另一輸入端，光電檢測器9的輸出端連接到A/D轉(zhuǎn)換器10的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器10的輸出端連接到計算機11。脈沖激光器2的輸出波長為1064納米，激光能量范圍為100-500 毫焦。用煙氣污染物的實時在線檢測裝置檢測煙氣污染物的方法，該方 法按下列步驟進行a、 將煙氣污染物的實時在線檢測裝置安置在需檢測的煙氣附近， 使該裝置的長聚焦透鏡5的焦點位于煙氣的取樣點處；b、 打開煙氣污染物的實時在線檢測裝置，此時，該裝置的脈沖 發(fā)生器1同時給脈沖激光器2和時間延時器3發(fā)出脈沖信號，脈沖激 光器2的外觸發(fā)端收到一個脈沖信號就發(fā)出一個脈沖激光，脈沖激光 經(jīng)透反鏡4與長聚焦透鏡5后，聚焦到煙氣上；c、 當煙氣被聚焦的高能量激光束擊穿后，會形成高溫等離子體， 煙氣中的各種物質(zhì)將被激發(fā)到高能態(tài)，在下一個脈沖激光到達之前， 高能態(tài)的各種物質(zhì)將回到基態(tài)，在此過程中，各種物質(zhì)會輻射出各自 的特征光譜；d、 特征光譜會反射到煙氣污染物的實時在線檢測裝置的長聚焦 透鏡5,經(jīng)透反鏡4反射，進入收光器6，再經(jīng)光纖7傳導到分光計8;e、 分光計8對接收到的光信號分光后傳入光電檢測器9，此時， 脈沖發(fā)生器1激發(fā)該脈沖激光同時發(fā)出的另一個脈沖信號經(jīng)時間延時 器3正好觸發(fā)光電檢測器9進行開門采集，并將采集到的光信號轉(zhuǎn)換 成電信號，電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器10把模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并導 入計算機11;f、計算機11將得到的煙氣樣品激光誘導擊穿光譜，按照下列方法判斷樣品中污染物屬于哪種物質(zhì)，及該物質(zhì)所含的濃度；fl、污染物物質(zhì)的判斷方法為當特征譜線是279.6納米時，污染物元素為鎂；當特征譜線是404.6納米時，污染物元素為鐵；當特征譜線是324.8納米時，污染物元素為銅；當特征譜線是309.3納米時，污染物元素為鋁；當特征譜線是405.8納米時，污染物元素為鉛；當特征譜線是520.8納米時，污染物元素為鉻；當特征譜線是253.7納米時，污染物元素為汞；當特征譜線是228.8納米時，污染物元素為砷；G、各種污染物所含的濃度分別按下列公式計算-lg/ = WgC + lga (1.1)式中/為譜線強度，a為常數(shù)，6為所測物質(zhì)的自吸收系數(shù)，c為 元素的濃度；公式(1.1)由發(fā)射光譜定量分析的基本公式Lomakin—Scheibe 公式1 = "<^取對數(shù)得到；f21、分別取所含鎂、鐵、銅、鋁、鉛、鉻、汞、砷濃度己知的氣 體，分別檢測各自的譜線強度/，由公式(l.O分別計算出鎂、鐵、 銅、鋁、鉛、鉻、汞、砷的常數(shù)"；f22、將從煙氣中測到的279.6納米譜線強度/，以及鎂的自吸收 系數(shù)"由步驟f21得到的鎂的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到氣體中所含鎂的濃度C;將從煙氣中測到的404.6納米譜線強度/ ，以及鐵的自吸收系數(shù)6 ， 由步驟f21得到的鐵的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙氣中所含鐵的濃度C;將從煙氣中測到的324.8納米譜線強度/ ，以及銅的自吸收系數(shù)6 ， 由步驟f21得到的銅的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙 氣中所含銅的濃度C;將從煙氣中測到的309.3納米譜線強度/ ，以及鋁的自吸收系數(shù)6 ， 由步驟f21得到的鋁的常數(shù)。，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙 氣中所含鋁的濃度C;將從煙氣中測到的405.8納米譜線強度/ ，以及鉛的自吸收系數(shù)6 ， 由步驟f21得到的鉛的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙 氣中所含鉛的濃度C;將從煙氣中測到的520.8納米譜線強度/ ，以及鉻的自吸收系數(shù)6 ， 由步驟f21得到的鉻的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙 氣中所含鉻的濃度C;將從煙氣中測到的253.7納米譜線強度/ ，以及汞的自吸收系數(shù)6 ， 由步驟f21得到的汞的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1),便可得到煙 氣中所含汞的濃度C;將從煙氣中測到的228.8納米譜線強度/ ，以及砷的自吸收系數(shù)6 , 由步驟f21得到的砷的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙 氣中所含砷的濃度C。圖2是用本發(fā)明檢測到的煙氣中鉛元素405.8納米特征譜線的"光 譜強度-濃度"的曲線圖。其中，橫坐標為元素含量的對數(shù)lgC，縱坐 標為譜線強度對數(shù)lg/，線性度0.99，斜率0.41，即自吸收系數(shù)為0.41。
權(quán)利要求
1、煙氣污染物的實時在線檢測裝置，其特征在于，該裝置由脈沖發(fā)生器(1)、脈沖激光器(2)、時間延時器(3)、透反鏡(4)、長焦距聚焦透鏡(5)、收光器(6)、光纖(7)、分光計(8)、光電檢測器(9)、A/D轉(zhuǎn)換器(10)和計算機(11)組成；脈沖發(fā)生器(1)分別連接脈沖激光器(2)的外觸發(fā)端和時間延時器(3)的輸入端；在脈沖激光器(2)的激光發(fā)射方向順序同軸安置透反鏡(4)和長聚焦透鏡(5)，收光器(6)的接收端安置在透反鏡(4)反射方向的同軸位置，收光器(6)的輸出端通過光纖(7)與分光計(8)的輸入端連接，分光計(8)的輸出端連接到光電檢測器(9)的輸入端；時間延時器(3)的輸出端連接到光電檢測器(9)的另一輸入端，光電檢測器(9)的輸出端連接到A/D轉(zhuǎn)換器(10)的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器(10)的輸出端連接到計算機(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煙氣污染物的實時在線檢測裝置，其 特征在于，所述脈沖激光器(2)的輸出波長為1064納米，激光能量 為100 500毫焦。
3、 用權(quán)利要求1所述的煙氣污染物的實時在線檢測裝置檢測煙 氣污染物的方法，其特征在于，該方法按下列步驟進行a、將煙氣污染物的實時在線檢測裝置安置在需檢測的煙氣附近，使該裝置的長聚焦透鏡5的焦點位于煙氣的取樣點處；b、 打開煙氣污染物的實時在線檢測裝置，此時，該裝置的脈沖發(fā)生器(1)同時給脈沖激光器(2)和時間延時器(3)發(fā)出脈沖信 號，脈沖激光器(2)的外觸發(fā)端收到一個脈沖信號就發(fā)出一個脈沖 激光，脈沖激光經(jīng)透反鏡(4)與長聚焦透鏡(5)后，聚焦到煙氣上;c、 當煙氣被聚焦的高能量激光束擊穿后，會形成高溫等離子體， 煙氣中的各種物質(zhì)將被激發(fā)到高能態(tài)，在下一個脈沖激光到達之前， 高能態(tài)的各種物質(zhì)將回到基態(tài)，在此過程中，各種物質(zhì)會輻射出各自 的特征光譜；d、 特征光譜會反射到煙氣污染物的實時在線檢測裝置的長聚焦 透鏡(5)，經(jīng)透反鏡(4)反射，進入收光器(6)，再經(jīng)光纖(7)傳 導到分光計(8);e、 分光計(8)對接收到的光信號分光后傳入光電檢測器(9)， 此時，脈沖發(fā)生器(1)激發(fā)該脈沖激光同時發(fā)出的另一個脈沖信號 經(jīng)時間延時器(3)正好觸發(fā)光電檢測器(9)進行開門采集，并將采 集到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(10)把模擬信號 轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并導入計算機(11);f、 計算機(11)將得到的煙氣樣品激光誘導擊穿光譜，按照下列 方法判斷樣品中污染物屬于哪種物質(zhì)，及該物質(zhì)所含的濃度；fl、污染物物質(zhì)的判斷方法為 當特征譜線是279.6納米時，污染物元素為鎂； 當特征譜線是404.6納米時，污染物元素為鐵； 當特征譜線是324.8納米時，污染物元素為銅；當特征譜線是309.3納米時，污染物元素為鋁； 當特征譜線是405.8納米時，污染物元素為鉛； 當特征譜線是520.8納米時，污染物元素為鉻； 當特征譜線是253.7納米時，污染物元素為汞； 當特征譜線是228.8納米時，污染物元素為砷； f2、各種污染物所含的濃度分別按下列公式計算.-1g/"lgC + lga (1.1)式中/為譜線強度，"為常數(shù)，6為所測物質(zhì)的自吸收系數(shù)，C為 元素的濃度；f21、分別取所含鎂、鐵、銅、鋁、鉛、鉻、汞、砷濃度已知的氣 體，分別檢測各自的譜線強度/，由公式(1.1)分別計算出鎂、鐵、 銅、鋁、鉛、鉻、汞、砷的常數(shù)"；f22、將從煙氣中測到的279.6納米譜線強度/，以及鎂的自吸收 系數(shù)"由步驟G1得到的鎂的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可 得到氣體中所含鎂的濃度C;將從煙氣中測到的404.6納米譜線強度/ ，以及鐵的自吸收系數(shù)6 ， 由步驟f21得到的鐵的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙 氣中所含鐵的濃度C;將從煙氣中測到的324.8納米譜線強度/ ，以及銅的自吸收系數(shù)6 , 由步驟f21得到的銅的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙 氣中所含銅的濃度C;將從煙氣中測到的309.3納米譜線強度/ ，以及鋁的自吸收系數(shù)6 ，由步驟f21得到的鋁的常數(shù)"，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙氣中所含鋁的濃度C;將從煙氣中測到的405.8納米譜線強度/ ,以及鉛的自吸收系數(shù)6 ， 由步驟f21得到的鉛的常數(shù)a,代入步驟f2公式(U)，便可得到煙 氣中所含鉛的濃度C;將從煙氣中測到的520.8納米譜線強度/ ，以及鉻的自吸收系數(shù)6 , 由步驟f21得到的鉻的常數(shù)"，代入步驟f2公式(U)，便可得到煙 氣中所含鉻的濃度C;將從煙氣中測到的253.7納米譜線強度/ ，以及汞的自吸收系數(shù)6 , 由步驟f21得到的汞的常數(shù)a，代入步驟f2公式(U)，便可得到煙氣中所含汞的濃度C;將從煙氣中測到的228.8納米譜線強度/ ，以及砷的自吸收系數(shù)6 ， 由步驟f21得到的砷的常數(shù)a，代入步驟f2公式(1.1)，便可得到煙 氣中所含砷的濃度C。
全文摘要
本發(fā)明公開了煙氣污染物的實時在線檢測裝置及其檢測方法，涉及大氣環(huán)境監(jiān)測。該裝置由脈沖發(fā)生器(1)、脈沖激光器(2)、時間延時器(3)、透反鏡(4)、長焦距聚焦透鏡(5)、收光器(6)、光纖(7)、分光計(8)、光電檢測器(9)、A/D轉(zhuǎn)換器(10)和計算機(11)組成。本發(fā)明利用聚焦的高能量激光束將煙氣中的物質(zhì)激發(fā)到高能態(tài)，在高能態(tài)回到基態(tài)的過程中各種物質(zhì)將輻射出各自的特征光譜，通過分析這些光譜可得到被測煙氣中鎂、鐵、銅、鋁、鉛、鉻、汞、砷等污染物的成份及其濃度。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，方法可靠，操作方便，適合對煤燃燒過程中管道煙氣進行實時、在線的連續(xù)檢測。
文檔編號G01N15/06GK101231241SQ20081004691
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月20日
發(fā)明者孫奉婁, 宋述燕, 張文艷, 林兆祥 申請人:中南民族大學