一種實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物在線檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及痕量有機污染物檢測技術(shù)，旨在提供一種實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的采樣設(shè)備通過管路分別與熱脫附儀和采樣泵模塊相接，管路上設(shè)置伴熱管線；激光裝置能同時輸出深紫外波長和可調(diào)諧紫外可見波段兩種光束，在飛行時間質(zhì)譜儀與激光裝置之間設(shè)有光學透鏡組，兩束激光由其合束后進入飛行時間質(zhì)譜儀的激光窗口；飛行時間質(zhì)譜儀的進樣管路分別與標定氣體儲瓶和熱脫附儀相接。本發(fā)明將熱脫附技術(shù)與飛行時間質(zhì)譜技術(shù)結(jié)合，克服了采樣檢測技術(shù)的缺點，能快速及時地反映煙氣中二惡英的排放濃度，精度高、信息量大。能根據(jù)實際需求調(diào)整系統(tǒng)組成，增強適應性。檢測結(jié)果可表征爐內(nèi)燃燒工況，優(yōu)化焚燒過程控制。
【專利說明】
一種實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物在線檢測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及二惡英類痕量有機污染物的檢測技術(shù)，特別涉及實時、快速地對煙氣中二惡英類痕量有機物的濃度進行在線檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]二惡英屬于痕量級物質(zhì)，要準確檢測出煙氣中二惡英的濃度，具有很高的技術(shù)難度。對二惡英的檢測主要以現(xiàn)場采樣后離線采用高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜聯(lián)用儀(HRGC/HRMS)進行離線分析為主。離線分析需經(jīng)繁瑣復雜的樣品預處理過程，測量周期通常需要至少2周時間，不但耗時嚴重，同時會花費昂貴的化學試劑以及人工成本。故不能廣泛地開展二惡英的檢測工作，這也成為目前全面有限控制二惡英排放的重要制約因素。
[0003]二惡英在線檢測技術(shù)則很好地克服了離線分析的缺點，不但可以快速及時地反映煙氣中二惡英的排放濃度，而且所得的結(jié)果精度高、信息量大。在線檢測還具有表征爐內(nèi)燃燒工況指導設(shè)備優(yōu)化運行、輔助二惡英生成過程研究等優(yōu)點及作用。然而，目前在世界范圍內(nèi)尚未有一套成熟的二惡英在線檢測技術(shù)方案，主要原因在于二惡英的濃度極低，在PPb(part per bill1n)級，一般在線分析儀器的檢測限很難滿足要求。
[0004]選擇與二惡英具有一定相關(guān)性的指示物對實現(xiàn)二惡英的在線測量非常關(guān)鍵。在線測量指示物的濃度，根據(jù)指示物與二惡英的關(guān)聯(lián)關(guān)系換算出二惡英的濃度，可以實現(xiàn)二惡英的間接測量。煙氣成分非常復雜，按照一般濃度從高到低有:CO,HCl、不完全燃燒產(chǎn)物(PICs)、氯代小分子化合物、氯代芳香化合物、多氯聯(lián)苯、二惡英等。指示物只能通過大量的數(shù)據(jù)，分析煙氣中各組分和二惡英之間的相關(guān)性來確定。目前研究發(fā)現(xiàn)氯苯、氯酚等氯代環(huán)狀有機分子不僅和二惡英存在較好的指示關(guān)系，并且濃度相比二惡英，高出兩個數(shù)量級，可達到PPM級，是比較合適的指示物。
[0005]熱脫附技術(shù)(Thermal Desorpt1n,TD)與飛行時間質(zhì)譜技術(shù)(Time of FlightMass Spectrometry,TOFMS)是兩種先進的化學分析檢測技術(shù)，并且已經(jīng)應用于環(huán)保檢測領(lǐng)域。但國內(nèi)外尚未有將這兩種先進技術(shù)結(jié)合起來并應用于實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物在線檢測的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時在線測量實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物濃度。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是:
[0008]提供一種實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物在線檢測系統(tǒng)，包括用于采集、處理煙氣樣本的煙氣預處理模塊;該系統(tǒng)還包括分析檢測模塊和操作控制模塊；
[0009]所述煙氣預處理模塊包括通過管路分別與熱脫附儀和采樣栗模塊相接的采樣設(shè)備，所述管路上設(shè)置伴熱管線；
[0010]所述分析檢測模塊包括飛行時間質(zhì)譜儀，以及能同時輸出深紫外波長和可調(diào)諧紫外可見波段兩種光束的激光裝置;在飛行時間質(zhì)譜儀與激光裝置之間設(shè)有光學透鏡組，兩束激光由其合束后進入飛行時間質(zhì)譜儀的激光窗口；飛行時間質(zhì)譜儀的進樣管路分別與標定氣體儲瓶和熱脫附儀相接；
[0011]所述操作控制模塊包括工控機和人機交互界面，工控機通過信號線接至飛行時間質(zhì)譜儀和熱脫附儀。
[0012]本發(fā)明中，還包括煙氣過濾模塊，是帶加熱功能的過濾器;過濾器的入口與采樣設(shè)備出口相接，過濾器的出口分別與熱脫附儀和采樣栗模塊相接。
[0013]本發(fā)明中，還包括同系物分離模塊，是能將煙氣成分進行分離和導出的氣相色譜儀;氣相色譜儀的入口與熱脫附儀出口相接，氣相色譜儀的出口接至飛行時間質(zhì)譜儀的進樣管路。
[0014]本發(fā)明中，所述采樣設(shè)備是等速加熱采樣槍。
[0015]本發(fā)明中，所述采樣栗模塊包括通過管路依次連接的冷凝裝置、流量閥、流量計和采樣栗，其中冷凝裝置入口與采樣設(shè)備出口相接，采樣栗的排放口通大氣。
[0016]本發(fā)明中，所述煙氣預處理模塊還包括溫控裝置，用于對伴熱管線進行溫度控制。
[0017]本發(fā)明中，所述激光裝置由Nd:YAG激光器、第五諧振腔和OPO模塊組成，其中，OPO模塊用于輸出可調(diào)諧紫外可見波段的激光，第五諧振腔用于輸出深紫外波長的激光。
[0018]本發(fā)明中，所述光學透鏡組包括紫外分束片和至少一個紫外反射鏡。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0020]1、本發(fā)明首次將熱脫附技術(shù)與飛行時間質(zhì)譜技術(shù)結(jié)合，并應用于實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物的在線檢測。很好地克服了采樣檢測技術(shù)的缺點，不但可以快速及時地反映煙氣中二惡英的排放濃度，而且所得的結(jié)果精度高、信息量大。
[0021]2、本發(fā)明采用了靈活的“固定模塊+可選模塊”的方式，根據(jù)實際需求調(diào)整系統(tǒng)的組成，使其適應性大大增強。
[0022]3、本發(fā)明檢測結(jié)果可以表征爐內(nèi)燃燒工況，優(yōu)化焚燒過程，對焚燒爐實現(xiàn)反饋控制。
[0023]4、本發(fā)明同樣適用于實驗室內(nèi)二惡英類痕量有機污染物的檢測，為相關(guān)研究提供全新的檢測技術(shù)。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)流程圖。
[0025]圖中的附圖標記為:1.Nd: YAG激光器:2.第五諧振腔;3.0PO模塊;4.深紫外波長輸出；5.紫外可見波段輸出(可調(diào)諧)；6.光學透鏡組;7.激光窗口；8.飛行時間質(zhì)譜電離區(qū)；9.飛行時間質(zhì)譜飛行區(qū)；10.飛行時間質(zhì)譜反射區(qū)；11.MCP檢測器；12.飛行時間分析器；13.脈沖進樣閥與法蘭；14.進樣管路；15.工控機；16.人機交互界面；17.等速加熱采樣槍；18.反吹通道；19.伴熱管線；20.(帶加熱功能的)過濾器；21.溫控裝置；22.T型接頭；23.熱脫附儀;24.氣相色譜儀;25.質(zhì)量流量控制器;26.標定氣體儲瓶;27.冷凝裝置;28.流量閥；29.流量計;30.采樣栗。
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明中用于實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物在線檢測的系統(tǒng)，主要由煙氣預處理模塊、分析檢測模塊、操作控制模塊組成。煙氣預處理模塊的核心為熱脫附儀，用于對采樣煙氣中的物質(zhì)進行濃縮富集，使得待測物質(zhì)濃度提高，進而大大增強檢測信號。分析檢測模塊的核心為飛行時間質(zhì)譜儀，能在極短的時間內(nèi)對濃縮富集后的進樣物質(zhì)做出響應，給出定性定量分析的結(jié)果。操作控制模塊的核心為工控機(計算機)，用于設(shè)定熱脫附儀與飛行時間質(zhì)譜儀的工作參數(shù)，控制并協(xié)調(diào)兩臺儀器的工作流程，采集并顯示飛行時間質(zhì)譜的檢測信號。
[0027]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述:
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的在線檢測系統(tǒng)由三個必備模塊(煙氣預處理模塊、分析檢測模塊、操作控制模塊)和兩個選配模塊(煙氣過濾模塊、同系物分離模塊)組成。
[0029]系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)組成描述如下:
[0030]煙氣預處理模塊包括通過管路依次連接的等速加熱采樣槍17、冷凝裝置27、流量閥28、流量計29和采樣栗30，采樣栗30的排放口通大氣。熱脫附儀23通過管路與T型接頭22的一端相接，T型接頭22的另兩端分別接等速加熱采樣槍17、冷凝裝置27。所述管路上設(shè)置伴熱管線19，溫控裝置21用于對伴熱管線19進行溫度控制。等速加熱采樣槍17的采樣口可以伸出人至煙囪內(nèi)部采集煙氣樣品，也可以用于實驗室內(nèi)二惡英類痕量有機污染物的采樣。
[0031]分析檢測模塊包括飛行時間質(zhì)譜儀12，以及能同時輸出深紫外波長(例如213nm)和可調(diào)諧紫外可見波段兩種光束的激光裝置。激光裝置由Nd:YAG激光器1、第五諧振腔2和OPO模塊3組成，其中，OPO模塊3用于輸出可調(diào)諧紫外可見波段的激光，第五諧振腔2用于輸出深紫外波長的激光。在飛行時間質(zhì)譜儀12與激光裝置之間設(shè)有光學透鏡組6，光學透鏡組6包括紫外分束片和兩個紫外反射鏡。兩束激光由光學透鏡組6合束后進入飛行時間質(zhì)譜儀12的激光窗口；飛行時間質(zhì)譜儀12的進樣管路有兩路輸入，一路與熱脫附儀23相接，另一路通過質(zhì)量流量控制器25與標定氣體儲瓶26相接。
[0032]操作控制模塊包括工控機15和人機交互界面16，工控機15通過信號線接至飛行時間質(zhì)譜儀12和熱脫附儀23。
[0033]煙氣過濾模塊是可選模塊。本實施例中是帶加熱功能的過濾器20，其入口與等速加熱采樣槍17出口相接，其出口則分別與熱脫附儀23和冷凝裝置27的入口相接。
[0034]同系物分離模塊是可選模塊。本實施例中是能將煙氣成分進行分離和導出的氣相色譜儀24;氣相色譜儀24的入口與熱脫附儀23出口相接，氣相色譜儀24的出口接至飛行時間質(zhì)譜儀12的進樣管路14。
[0035]各模塊的運行方式說明:
[0036]煙氣過濾模塊
[0037]焚燒爐尾部煙道中的待測氣體，在采樣栗30的作用下經(jīng)等速加熱采樣槍17進入過濾器20進行除塵處理。針對0.01微米粒徑，除塵率達到95%，以確保煙氣中的顆粒物不會影響檢測結(jié)果、損害分析儀器。整個采樣管路在伴熱管線19的作用下保持高溫，避免某些待測氣體冷凝，整個管路控溫最高可達到200°C，控溫精度±2°C。
[0038]煙氣預處理模塊
[0039]除塵處理后，采樣氣體進入到熱脫附儀23。熱脫附儀23當中裝載特定的吸附介質(zhì)，在低溫下吸附采樣氣體中絕大部分的二惡英指示物分子；當吸附完成后，熱脫附儀23快速升溫，使得吸附介質(zhì)中的指示物分子在極短時間內(nèi)迅速地脫離，隨著少量載氣快速流出熱脫附儀23進入后續(xù)分析步驟。經(jīng)過這樣一個吸附/脫附的過程，煙氣中原本含量極低的指示物分子得到了濃縮，濃度可以提升2至3個數(shù)量級，進而大大增強檢測信號，提高了整個系統(tǒng)的檢測限。本發(fā)明中的熱脫附儀23裝載兩組平行的吸附介質(zhì)，當其中一組處于吸附狀態(tài)時，另一組則處于脫附狀態(tài)，從而提高采樣與檢測的效率。本發(fā)明中的熱脫附儀可采用MARKES公司生產(chǎn)的TT24-7型號產(chǎn)品。
[0040]同系物分離模塊
[0041]濃縮后的待測氣體分子，由載氣帶入氣相色譜儀24中。原本混合著的指示物分子經(jīng)色譜柱的分離作用，隨載氣按一定的順序相繼流出氣相色譜儀24。這一順序由色譜柱的類型與氣相色譜儀24的升溫方法決定，即通過選取合適的色譜柱與升溫程序可以實現(xiàn)特定的流出順序。同種物質(zhì)的各同系物分子經(jīng)分離過程后，在后續(xù)檢測過程中可以分別實現(xiàn)定量分析。
[0042]分析檢測模塊
[0043]分離后的待測氣體分子，沿進樣管路14經(jīng)脈沖進樣閥與法蘭13進入到飛行時間質(zhì)譜儀12當中。紫外可調(diào)諧激光5與深紫外波長激光4經(jīng)由光學透鏡組6合為一束，并經(jīng)由激光窗口 7被導入到飛行時間質(zhì)譜電離區(qū)8。待測氣體分子先吸收特定紫外波段的光子，達到共振激發(fā)態(tài);再吸收深紫外波長的光子，完成(1+1’)多光子電離過程。這一過程為后續(xù)的飛行時間質(zhì)譜分析提供離子源。
[0044]經(jīng)激光電離產(chǎn)生的各離子，由于其荷質(zhì)比q/m不同，進入到無場飛行區(qū)9的初始速度V不同，所以到達檢測器總的飛行時間不同，這樣不同荷質(zhì)比的離子就實現(xiàn)了分離。所有的離子最終被撞擊MCP檢測器11產(chǎn)生對應的電壓信號。待測氣體濃度越高，電離產(chǎn)生的離子的數(shù)量越多，撞擊MCP(MicrochaneI Plate)產(chǎn)生的電壓信號越強。根據(jù)尚子的總飛行時間和產(chǎn)生電壓信號的強度，實現(xiàn)對待測氣體的定性以及定量分析。
[0045]操作控制模塊
[0046]工控機15接收MCP檢測器11的檢測信號，經(jīng)專用的操作控制軟件處理后在人機交互界面16上以質(zhì)譜圖的形式顯示。通過質(zhì)譜圖可以獲取待測氣體的組分以及濃度信息。用戶在人機交互界面16上作出的操控指令，經(jīng)由工控機15發(fā)送至檢測系統(tǒng)各部件，從而實現(xiàn)整套檢測系統(tǒng)操作與控制。
[0047]最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有很多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容中直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種實際煙氣中二惡英類痕量有機污染物在線檢測系統(tǒng)，包括用于采集、處理煙氣樣本的煙氣預處理模塊;其特征在于，該系統(tǒng)還包括分析檢測模塊和操作控制模塊； 所述煙氣預處理模塊包括通過管路分別與熱脫附儀和采樣栗模塊相接的采樣設(shè)備，所述管路上設(shè)置伴熱管線； 所述分析檢測模塊包括飛行時間質(zhì)譜儀，以及能同時輸出深紫外波長和可調(diào)諧紫外可見波段兩種光束的激光裝置;在飛行時間質(zhì)譜儀與激光裝置之間設(shè)有光學透鏡組，兩束激光由其合束后進入飛行時間質(zhì)譜儀的激光窗口；飛行時間質(zhì)譜儀的進樣管路分別與標定氣體儲瓶和熱脫附儀相接； 所述操作控制模塊包括工控機和人機交互界面，工控機通過信號線接至飛行時間質(zhì)譜儀和熱脫附儀。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括煙氣過濾模塊，是帶加熱功能的過濾器;過濾器的入口與采樣設(shè)備出口相接，過濾器的出口分別與熱脫附儀和采樣栗模塊相接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括同系物分離模塊，是能將煙氣中成分進行分離、導出的氣相色譜儀;氣相色譜儀的入口與熱脫附儀出口相接，氣相色譜儀的出口接至飛行時間質(zhì)譜儀的進樣管路。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項中所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣設(shè)備是等速加熱采樣槍。5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項中所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣栗模塊包括通過管路依次連接的冷凝裝置、流量閥、流量計和采樣栗，其中冷凝裝置入口與采樣設(shè)備出口相接，采樣栗的排放口通大氣。6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項中所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述煙氣預處理模塊還包括溫控裝置，用于對伴熱管線進行溫度控制。7.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項中所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光裝置由Nd:YAG激光器、第五諧振腔和OPO模塊組成，其中，OPO模塊用于輸出可調(diào)諧紫外可見波段的激光，第五諧振腔用于輸出深紫外波長的激光。8.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項中所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學透鏡組包括紫外分束片和至少一個紫外反射鏡。
【文檔編號】G01N30/72GK105954441SQ201610406971
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】曹軒, 尚凡杰, 湯紹富
【申請人】浙江富春江環(huán)保科技研究有限公司