一种基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置

摘要

本发明属于烟气监测试验设备领域，尤其是一种基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置，包括储气罐（2）、标气流量计（7）、湿气流量计（8）、发泡器（10）、恒温水槽（11）、干气流量计（15）、三通接头（16）、混合湿气流量计（17）、小型检测腔室（20）、中型检测腔室（21）、混合湿气管线（23）、标气加热管线（24）、混合气罐（25）、露点仪（18）组成；本发明在模拟烟气混合时，首先采用了混流法解决如何模拟烟气高温高湿的状态，可以模拟发生高达165度下的0?30%容量（vol.）的高温湿气，并基于精密的镜面露点仪溯源校准功能，再加入标气混合后，气体组分和湿度精度都较高，从而不需到烟道的现场就可实现仪表校正及其它各项实验等，降低了人员劳动强度，给实验人员以极大方便。

说明书

技术领域

本发明属于烟气监测试验设备领域，尤其是一种基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置。

背景技术

烟道中的烟气往往是高温高湿含硫气体。热力发电企业、炼油厂、部分化工厂及电力研究单位、环保部门经常要模拟烟道中的烟气，以进行仪表校正及其它各项实验等。电工、电子、仪器仪表及其它产品、零部件及材料经常进行高温高湿试验或恒定试验，以检验恶劣环境下产品、零部件、材料的质量、可靠性及存储、运输、使用是否满足要求等。

市场上类似的产品要么与烟道中的烟气温湿度及含硫量不一致，达不到模拟烟道中的烟气要求；要么参比的仪表精度达不到要求；要么用于校正湿度探头的环境变化较大，不易校准等；由于标准湿气的各类参数受环境的影响较大，所以如何维持一个比较稳定的、持续的测量环境，使得制备的高温模拟烟气更加接近于实际情况，实现在实验室里进行烟气性能测试，是目前模拟烟气混合装置的一个主要难题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种高精度、高稳定性的基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置，具有如下创新和亮点，并在传统基础上有所改进：

本发明采用的具体技术方案如下：

基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置，包括储气罐2、标气流量计7、湿气流量计8、发泡器10、恒温水槽11、干气流量计15、三通接头16、混合湿气流量计17、小型检测腔室20、中型检测腔室21、混合湿气管线23、标气加热管线24、混合气罐25、露点仪18组成；湿气流量计8连接到设置在恒温水槽11内部的发泡器10，三通接头16分别与恒温水槽11出口、干气流量计15和储气罐2进口连接，储气罐2出口通过混合湿气流量计17依次连接小型检测腔室20、中型检测腔室21，中型检测腔室21通过混合湿气管线23连接至混合气罐25，所述的小型检测腔室20、中型检测腔室21设置在恒温水槽11内部；标气流量计7通过标气加热管线24连通至混合气罐25，混合气罐25内设置有露点仪18。

上述的模拟烟气混合装置，储气罐2和混合气罐25罐体为保温结构且分别设置有储气罐加热器3和混合气罐加热器27，储气罐2和混合气罐25下底面设置为顶点向下的圆锥面，所述的圆锥面的顶点处分别设置有疏水阀22。

上述的模拟烟气混合装置，所述的储气罐2内部为迷宫板结构。

上述的模拟烟气混合装置，所述的储气罐2内还设置有露点仪18。

上述的模拟烟气混合装置，所述的小型检测腔室20内设置露点仪，所述的中型检测腔室21设置外部检测开口。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明在模拟烟气混合时，首先采用了混流法解决如何模拟烟气高温高湿的状态，可以模拟发生高达165度下的0?30%容量（vol.）的高温湿气，并基于精密的镜面露点仪溯源校准功能。这种混流法方法：是通过将恒温水槽中产生的饱和湿气或过热蒸汽直接同外部输入的干气（氮气）在储气罐内混合，并经过温度传感器和镜面露点仪精密调控，即可获得连续流动的、水蒸气含量已知的,且可按需要迅速改变的恒湿气流。实验证明：这种方法反映速度较快，精度波动较小，稳定性较高。

具体方法：是通过将恒温水槽11中利用发泡器10产生的饱和湿气19直接同外部输入的干气（干气成分为氮气）在三通接头16处混合后、一起进入储气罐2内再次通过基于不同温湿度下的切线旋流和多极迷宫均匀混合，同时经过恒温水槽11内的温控器12和储气罐内的镜面露点仪18精密调控；在储气罐2内混合后，通过混合湿气流量计17、穿过小型检测腔室20和中型检测腔室21,即可得到连续流动的、水蒸气含量已知的,且可按需要迅速改变的恒湿气流。这种标准湿气的流量，是通过湿气流量计8和干气流量计15来控制输出量的，并利用镜面露点仪18对湿度值进行监控。

2、本发明在恒温水槽中专门放置了小型检测腔室、中型检测腔室，小型检测腔室放置露点仪，起监控湿度作用，并且由于小型检测腔室设置在恒温水槽内，可避免环境温度对湿度测量的影响；中型检测腔室供外部检测仪器对本产品发生的气体湿度进行测量用，检测仪器可选择高温水分仪或其他类似功能仪器，将仪器的检测传感器由湿气出口放入中型检测腔室，对湿度数据进行溯源测量。两个检测腔室分开设置可各自独立工作，避免相互干扰或影响，满足更高的精度检测需求。将混合好的湿气通过上述检测腔室，能在很短时间内获得所需的稳定的各个湿度点，并通过仪器检测湿气发生效果，避免测试人员造成的人为误差，所以精度也较高。

通过以上技术方案的实施，使得被校正仪器精度大幅提高，产生的气体温湿度参数与烟道中的烟气一致，再加入标气混合后，气体组分和湿度精度都较高，从而不需到烟道的现场就可实现仪表校正及其它各项实验等，降低了人员劳动强度，给实验人员以极大方便。

3、本发明中的模拟烟气混合装置，采用了储气罐和混合气罐作为制备高温模拟烟气的主体设备，其内部均采取加热保温措施，并分别配置精密露点仪对混合成的烟气的湿度进行监控；并且，在气流的方向上采用基于不同温湿度下的切线旋流和多极迷宫均匀混合产生涡流，使被混样气达到充分混合；并且，在储气罐和混合气罐底部具有一定的锥度和疏水阀，可防止残余冷凝液体腐蚀设备，减少对后续使用造成影响。整个结构设计，从储气罐产生的标准湿气到混合气罐内的烟气混合模拟形成，都确保了不同气体快速混合、均匀精确的特点，高温模拟烟气更加接近于实际情况，解决了过去烟气性能测试不容易在实验室里进行的难题。

本发明的基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置，可以模拟发生多组分的烟气组分和浓度，并可以基于不同温湿度下的切线旋流和多极迷宫均匀混气、高温恒温伴热储气功能，同时具备高温标准湿气制造发生、模拟烟气制备两种功能，很好地解决了目前市场上存在的问题。其中，高温湿度发生器的精度可达到2%RH,为国家二级湿度标准。温度准确度优于0.5℃。它的精度仅次于精密露点仪,可以用它来作为湿度计量、标定、检验、进行湿度传递的标准。对于湿敏元件、湿度传感器、湿度仪进行标定、测试是极为理想的。

附图说明

图1为本发明的基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置结构示意图。

图2为本发明的基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置连接气瓶使用状态示意图。

图3为零点测试露点温度曲线图。

图4为零点测试容积比曲线图。

图5为A方案容积比曲线图。

图6为B方案容积比曲线图。

图7为仪器测试最终露点温度整体曲线图。

图8为仪器测试最终容积比整体曲线图。

图9为混合湿气管线23设定100℃时测试结果图。

图10为混合湿气管线23设定150℃时测试结果图。

图中：1、高温标准湿度发生装置，2、储气罐，3、储气罐加热器，4、湿气罐，5、标气罐，6、干气罐，7、标气流量计，8、湿气流量计，9、加热器，10、发泡器，11、恒温水槽，12、温度控制器，13、水位控制器，15、干气流量计，16、三通接头，17、混合湿气流量计，18、露点仪，20、小型检测腔室，21、中型检测腔室，22、疏水阀，23、混合湿气管线，24、标气加热管线，25、混合气罐，27、混合气罐加热器，28、烟气混合装置。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本专利的基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置，主要分为高温标准湿度发生装置1、烟气混合装置28两大部分，包括储气罐2、标气流量计7、湿气流量计8、发泡器10、恒温水槽11、干气流量计15、三通接头16、混合湿气流量计17、小型检测腔室20、中型检测腔室21、混合湿气管线23、标气加热管线24、混合气罐25、露点仪18组成；湿气流量计8连接到设置在恒温水槽11内部的发泡器10，三通接头16分别与恒温水槽11出口、干气流量计15和储气罐2进口连接，储气罐2出口通过混合湿气流量计17依次连接小型检测腔室20、中型检测腔室21，中型检测腔室21通过混合湿气管线23连接至混合气罐25，所述的小型检测腔室20、中型检测腔室21设置在恒温水槽11内部；标气流量计7通过标气加热管线24连通至混合气罐25，混合气罐25内设置有露点仪18。

使用时，恒温水槽11控制温度范围为20℃~70℃，优选69℃~71℃；一般来说，同样体积空气的含水饱和度随着温度的变化而变化，温度越高，空气含水饱和度越高；因此，恒温水槽11内的较高温度保持能使其内的纯净水更易产生饱和水蒸汽，并缩短生成饱和水蒸气的时间；湿气由湿气罐4提供，可以选用纯净空气作为湿气，湿气经湿气流量计进入发泡器10，产生大量的气泡，气泡上升至液面时破裂，携带的大量水汽进入恒温水槽上部的空间而形成水蒸气层面，不断补充气泡和水汽使得水蒸气层面达到饱和的程度，获得饱和水蒸气（相对湿度RH≥90%）。产生的饱和水蒸气，经三通接头16进入储气罐2，干气由干气罐6提供，通常选择氮气作为干气，干气依次经干气流量计15、三通接头16进入储气罐2，干气与饱和水蒸气在储气罐2内混合，此时露点仪18可对储气罐内的混合湿气的湿度进行监测，储气罐2内的气体混合完成后，混合湿气经混合湿气流量计17、小型检测腔室20、中型检测腔室21后即可输出。其中，小型检测腔室20、中型检测腔室21均设置在恒温水槽11内部，可保证检测腔室的外部环境温度相对稳定。可以在小型检测腔室21内设置露点仪，中型检测腔室21内设置高温水分仪，对输出的混合湿气进行温湿度等相关参数的校核，此时获得的校核数据更加准确，确保系统产生的混合湿气精度高、稳定。

中型检测腔室21输出的混合湿气，通过混合湿气管线23输送至混合气罐25，标气根据需要模拟的烟气选择，常见的如二氧化硫、氮氧化物气体等，标气经过标气流量计7后，在标气加热管线24经加热后输送进混合气罐25，与混合湿气充分混合，最终获得符合要求的模拟烟气，混合气罐25中设置的露点仪18可对模拟烟气的湿度进行监控。

下文中提及的检测腔室包括小型检测腔室20和中型检测腔室21。

关于检测腔室中的相对湿度（RH），可用如下公式计算：

RH =  f *100 % RH / [1-(1-f)Es(t)/Ps]------------------（1）

公式（1）中，f为分流系数（分流比）：

           f = Fw / (Fw + Fd)

           Fs = Fw + Fd 

      Fs -----高温标准湿度发生装置产生的湿气总量；

      Fw -----湿气流量；

Fd -----干气流量；

      Es(t)----饱和水蒸气发生器中温度为t时的水蒸气分压力（该值可通过饱和蒸汽压表中直接查出）；

Ps -----检测腔室中的压力。

本专利中，检测腔室设置在恒温水槽内，因此可以认为其中的温度、压力均相等，则：

设Ps = 1个标准大气压 = 101325 Pa，因此，根据公式（1），即可由改变Fw、Fd来获得所需的RH值，而Fw、Fd可根据本专利中湿气流量计8、干气流量计15实现精确控制。

更进一步，关于检测腔室中的绝对湿度，引用干气与湿气的混合比X 来表示绝对湿度，即使温度压力和体积发生变化，只要干气与湿气的量不变，其混合也比不变。

根据道尔顿(Dalton)分压定律，可获得以下公式：

Xs = 0.622*Es/(Ps-Es)              --------（2）

Xc = 0.622*Ec/(Pc-Ec)              --------（3）

式中，Xs---储气罐中干气与湿气的混合比；

Xc---检测腔室中干气与湿气的混合比；

      Es----恒温水槽中湿气的分压；

Ec----检测腔室中湿气的分压；

Ps----恒温水槽中大气压力；

Pc----检测腔室中大气压力。

其中，Es和Ec可用如下简化公式计算：

    In Es = （10.286 ts - 2148.4909）/ (ts - 35.85)  -------(4)

In Ec = （10.286 tc - 2148.4909）/ (tc - 35.85)  -------(5)

式(4)、(5)中，In（x）便是log e（x），即以e 为底的对数。

ts ----恒温水槽中气体的温度值；

      tc ----检测腔室中气体的温度值；

实际应用中，系统将根据需要的检测腔室中空气与水蒸汽的混合比（绝对湿度）Xc和相对湿度值RH 及湿气流量大小Fs，通过改变湿气流量计的流量值Fw和干气流量计中的流量值Fd的比例及各自大小来达到；使之达到平衡这个过程，只需几秒钟；检测腔室内的湿度RH值可任意设定。

图2为本专利技术方案实施时的系统连接图，基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置的结构如上文所述，图中湿气罐4、干气罐6分别通过湿气流量计8、干气流量计15为高温标准湿度发生装置1供气，恒温水槽11结构同公知的恒温水槽，配置有加热器9、温度控制器12、水位控制器13，从而实现恒温并保持水位，标气罐5通过标气流量计7给混合气罐25供气。

上述的模拟烟气混合装置，储气罐2和混合气罐25罐体为保温结构且分别设置有储气罐加热器3和混合气罐加热器27，对储气罐2和混合气罐25的加热保温可以为烟气模拟提供更好的工况。

储气罐2和混合气罐25下底面设置为顶点向下的圆锥面，所述的圆锥面的顶点处分别设置有疏水阀22，此结构的主要目的是为了防止使用结束后未吹扫完全，仍有少量残余湿气冷凝在底部形成水滴，影响后续使用出现湿度值不稳定的现象。

上述的模拟烟气混合装置，所述的储气罐2内部为迷宫板结构，使得经过三通接头16输入的饱和水蒸气和干气能够更好的混合均匀。

上述的模拟烟气混合装置，所述的储气罐2内还设置有露点仪18。

上述的模拟烟气混合装置，所述的小型检测腔室20内设置露点仪，所述的中型检测腔室21设置外部检测开口。

在上述技术方案中，小型检测腔室20内设置有镜面露点仪。

实施例2

高温标准湿度发生装置1的性能测试，采用南京埃森环境技术有限公司开发的CEMS DAS实验室测试软件。测试步骤如下：

步骤1：设定测试环境：室内，无震动，室温25℃ ；

高温标准湿度发生装置1参数设定如下：

恒温水槽温控表设定48℃

          检测腔室温控表设定54℃

          采样时间间隔：15s

步骤2：将湿气罐4和干气罐6分别与高温标准湿度发生装置1中的湿气流量计8和干气流量计15接口可靠连接。上述两种气体技术指标要求分别如下：

1）湿气：压缩空气：O₂ ：21% ；其余为N₂ 。

2）干气：氮气：   纯度≧99.999% ；

步骤3：进行设备预热，预热的同时通入纯氮气对仪器进行吹扫。

当监控恒温水槽内水温达到设定值后，开始进行测试。

上述两种气体通气气流压力均设定在0.1MPa ；

步骤4：纯氮气吹零点测试

通入纯氮气体，对仪器零点进行测试。

控制干气6流速为20L/h，  持续通纯氮50min后，露点温度（Td）被吹扫到-44.61℃，如图3所示；容积比（PPMV）被吹扫至0.01%，如图4所示。

步骤5：利用干-湿气混合配比制造湿气环境， 选择A、B二种方案如下：

A．       湿气：20L/h；干气：0L/h

按上述气流配比调节干湿气流量计大小

通入混合气体6min后，表示数PPMV值稳定，上述配比混合的湿气湿度PPMV值稳定在11.80%±0.03%内；持续通入混合气90min，始终保持稳定。从曲线的波动程度来开，本发明的基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置中的高温标准湿度发生装置1产生的湿气比较稳定。

实验曲线如图5所示。

B．       湿气：20L/h；干气：10L/h

5min后进入稳定的状态，PPMV表示数稳定在7.8%±0.05%之间，持续通气30min，表示数始终保持稳定。

实验曲线如图6所示。

步骤6：测试结束，用氮气N2将仪器内部吹干。

步骤7：仪器测试最终获得的整体曲线如图7、图8所示：（未去除坏点）。

通过以上的数据分析，可以得出如下结论：

1）根据测试的情况，本发明的高温标准湿度发生装置1的反应速度还是比较快的，在5～10min内基本能够达到稳定的状态；其中，湿气发泡装置，能够维持波动在±0.5%之内，而且在较长的时间内能够维持稳定；与低湿情况相比较，高湿情况波动稍有点大，但其波动范围保持在±0.05%之间。但无论在10%还是在5%左右的湿气配比中，波动范围始终维持在±0.1%内，较好地满足了仪器的设计要求；

2）本发明高温标准湿度发生装置1输出湿度值可通过改变两股气流即干气和湿气的比例来快速获得；使之达到平衡这个过程，时间只需5～6min,湿度可根据需要任意设定。

3）本发明的高温标准湿度发生装置1在针对每个湿度点的变换,在同一温度下,如想改变10%RH,在不到10min内,就能达到要求。

4）本发明的高温标准湿度发生装置1的精度可达到2%RH,为国家二级湿度标准。温度准确度优于0.5℃。它的精度仅次于精密露点仪。

实施例3

对本专利的基于高温湿度发生器的模拟烟气混合装置实际使用情况测试，如下所述：

标气加热管线24温度保持150℃，混合气罐25内温度设置不低于120℃。采用多组分分析仪来测量高温混合气罐25出气口SO₂的浓度和湿度，来验证在混气过程中SO2的丢失情况和混气湿度的稳定情况，见图9（表1）、图10（表2）所示。

测试要求：

1）入口湿气：分别为10.5Vol%、5.5Vol%。

2）标气选择模拟SO₂污染气体，主要成分SO₂浓度为1000PPM,其余为N₂ 。

3）测试设置两组，测试温度分别为100℃、150℃。  

4）将标气与混合湿气混合，混合后获得的模拟烟气总流量为3L/min。

5）标准湿气与标气混合比如下：

配置SO₂含量为550ppm的混气气体，混合湿气与标气的体积混合比为1.35:1.65。

配置SO₂含量为74.5ppm的混合气体，混合湿气与标气的体积混合比为2.776:0.224。

6）测试目标：

（1）测试温度为100℃时、混合后SO₂含量为550ppm时，系统中SO₂丢失率；

（2）测试温度为150℃时、混合后SO₂含量为74.5ppm时，系统中SO₂丢失率。

连接方式：

1）从高温湿度发生装置储气罐2输出混合湿气，通过混合湿气管线23连接至混合气罐25，混合湿气管线23设定温度：分别为100度、150度，混合气罐25设定温度：分别为100℃、150℃。  

2）SO₂通过标气流量计7控制流量，通过标气加热管线24输出至混合气罐25，标气加热管线24设定温度：分别为100℃、150℃。

3）高温模拟烟气输出至测试设备，如多组分分析仪。 

具体测试结果，如图9、图10所示。

经过试验证明：

1）本发明的混流法的高温湿度发生装置、储气罐及从储气罐输出湿气至混合气罐混气过程中，SO2的丢失率不超过5%，符合设计和技术要求。

2）本发明装置在混气后的湿度稳定性方面：出口模拟烟气湿度值/Vol%与设定参数差值的波动范围在5%范围内，符合设计和技术要求。