气态单质汞浓度的连续监测装置和方法

摘要

气态单质汞浓度的连续监测装置和方法，涉及气体浓度的测量领域，解决了现有的气态单质汞监测技术灵敏度低、系统复杂和成本过高的问题。本发明的装置，汞元素灯置于磁铁的磁场中，输出光经准直透镜透射得到平行光，平行光经过样品池后入射至分光镜，透射光经过参考池后入射至第一凸透镜，聚焦至第一探测器，反射光入射至第二凸透镜，聚焦至第二探测器，第一探测器和第二探测器与数据采集分析器连接。本发明的方法，具体如下：一、确定光强对比度M为零所对应的常数A；二、描绘光强对比度M与气态单质汞介质浓度的对应关系曲线；三、测量待测气态单质汞介质的光强对比度M，并与对应关系曲线对照，得到待测气态单质汞介质的浓度。用于监测气态汞浓度。

说明书

技术领域

本发明涉及气体浓度的测量领域，具体涉及的是一种用于连续监测气态单质汞浓度的装置和方法。

背景技术

燃烧烟气中的汞有三种存在形式：气态单质汞，气态二价氧化态汞和颗粒态汞。其中气态汞为主要形式。总汞的含量是通过热催化或化学转化的方式将其它形态的汞转化为气态单质汞来测得的。在目前已有应用的汞排放连续监测系统中，最常被采用的气态单质汞测量技术是基于光谱学检测原理的冷蒸汽原子吸收光谱（CVAAS）和冷蒸汽原子荧光光谱（CVAFS）技术。前者可对烟气中的气态单质汞浓度实施直接测量而无需像后者那样需要载气，因而被绝大多数的汞排放连续监测系统所采用。在大部分基于CVAAS的系统中，烟气流中的汞在引入光学检测系统分析前需经预富集和解吸附两个步骤来提高测量灵敏度以及去除干扰气体，这两个步骤大大降低了汞排放监测的实时性，使得汞监测只能处于半连续状态。

目前可以做到气态单质汞连续监测的技术主要有两种：紫外差分吸收光谱（UV-DOAS）和塞曼原子吸收光谱（ZAAS）技术。此两种技术均是基于吸收光谱学原理，在汞具有最大吸收截面的253.7nm处对其实施测量，响应速度可达到秒量级，做到真正意义上的实时测量。前者采用的是覆盖紫外到可见波段的宽带发射光源，但由于汞是单原子分子，其吸收线宽很窄，即使采用滤光片也难以获得大的光强吸收比率，从而难以获得较高的测量灵敏度。后者是CVAAS中的一个特例，采用窄带发射的汞元素灯作为光源，通过应用塞曼背景校正技术来排除干扰且无需进行汞的预富集和解吸附，但其对检偏系统的要求很高，增加了系统的复杂性和成本而得不到更广泛的应用。

发明内容

本发明是为了解决现有的气态单质汞监测技术灵敏度低、系统复杂和成本过高的问题，从而提供一种气态单质汞浓度的连续监测装置和方法。

气态单质汞浓度的连续监测装置，它由汞元素灯、磁铁、准直透镜、样品池、分光镜、参考池、第一凸透镜、第一探测器、第二凸透镜、第二探测器、数据采集分析器组成，汞元素灯置于磁铁的磁场中，并且设置在准直透镜的焦点处，第一探测器的探测面与第一凸透镜的焦平面重合，第二探测器的探测面与第二凸透镜的焦平面重合，汞元素灯的输出光入射至准直透镜，经准直透镜透射得到平行光，所述平行光经过样品池后入射至分光镜，所述平行光经分光镜分成反射光和透射光，其中透射光经过参考池后入射至第一凸透镜，再经第一凸透镜聚焦至第一探测器，反射光入射至第二凸透镜，再经第二凸透镜聚焦至第二探测器，所述第一探测器的输出端和第二探测器的输出端分别连接数据采集分析器的两个接入端，参考池中的介质为饱和浓度的单质汞气体。

气态单质汞浓度的连续监测方法，具体过程如下：

步骤一、样品池充满待测气态单质汞介质时，数据采集分析器测量第一探测器探测的透射光强I_R和第二探测器探测的反射光强I_S；

步骤二、根据如下公式计算步骤一所述的透射光和反射光的光强对比度M；

其中，A是样品池中仅含有空气时光强对比度M为零所对应的常数；

步骤三、将步骤二得到的光强对比度M与光强对比度M与气态单质汞介质浓度的对应关系曲线对照，得到待测气态单质汞介质的浓度。

本发明利用塞曼关联光谱技术实现了对单质汞气浓度的连续有效监测，用参考气体本身的光谱信息实现了对气态单质汞的选择性探测，排除了二氧化硫和二氧化氮等气体带来的干扰。系统组成简单，无需使用光谱仪等色散设备和复杂的检偏设备，成本较低。本发明可以达到的最低检测限低于1μg/m³，充分满足了工业废气排放中汞含量监测的要求。适用于要求灵敏度高气态单质汞浓度监测领域。

附图说明

图1为气态单质汞浓度的连续监测装置的结构示意图。图2为气态单质汞浓度的连续监测方法的流程图。图3为具体实施方式十中光强对比度与待测量气体浓度的对应关系图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，气态单质汞浓度的连续监测装置，它由汞元素灯1、磁铁2、准直透镜3、样品池4、分光镜5、参考池6、第一凸透镜7、第一探测器8、第二凸透镜9、第二探测器10、数据采集分析器11组成，汞元素灯1置于磁铁2的磁场中，并且设置在准直透镜3的焦点处，第一探测器8的探测面与第一凸透镜7的焦平面重合，第二探测器10的探测面与第二凸透镜9的焦平面重合，汞元素灯1的输出光入射至准直透镜3，经准直透镜3透射得到平行光，所述平行光经过样品池4后入射至分光镜5，所述平行光经分光镜5分成反射光和透射光，其中透射光经过参考池6后入射至第一凸透镜7，再经第一凸透镜7聚焦至第一探测器8，反射光入射至第二凸透镜9，再经第二凸透镜9聚焦至第二探测器10，所述第一探测器8的输出端和第二探测器10的输出端分别连接数据采集分析器11的两个接入端，参考池6中的介质为饱和浓度的单质汞气体。

样品池4中的介质是待测气态单质汞介质。参考池6中饱和浓度的单质汞气体能够使处于波长为253.7nm附近的光被最大程度的吸收。

工作原理：汞元素灯1发出紫外光，在磁铁2产生的磁场作用下其253.7nm处的发射谱线劈裂为一系列具有不同波长的塞曼分量，波长劈裂后的紫外光经准直透镜3后变为平行光，在经过装有待测气体的样品池4后被分光镜5分为透射光和反射光，透射光经过装有饱和浓度气态单质汞的参考池6后，处于253.7nm附近的塞曼分量被最大程度的吸收，剩余的塞曼分量作为参考光再经第一凸透镜7聚焦后被第一探测器8接收，反射光为样品光，反射光直接经第二凸透镜9聚焦后被第二探测器10接收，第一探测器8和第二探测器10的产生的信号输入到数据采集分析器11中进行模/数转换和数据分析，采集透射光和反射光的光强信息。当样品池4中不存在气态单质汞时，两路光的光强对比度为零，当样品池4中出现气态单质汞时，两路光的光强对比度随着汞含量的增加而增加，且光强对比度与汞含量呈一一对应的关系。

分光镜5后的反射光路和透射光路可以对调，即可由反射光经过参考池6后入射至第一凸透镜7，经第一凸透镜7聚焦至第一探测器8，透射光入射至第二凸透镜9，经第二凸透镜9聚焦至第二探测器10。

具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于分光镜5为半反射半透射的分束镜。

具体实施方式三、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于参考池6中单质汞气体的每米饱和浓度为0.2~20mg/m³。

具体实施方式四、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于磁铁2所产生的磁感应强度为1~3T。

具体实施方式五、结合图2说明本实施方式，气态单质汞浓度的连续监测方法，具体过程如下：

步骤一、将样品池4充满待测气态单质汞介质，数据采集分析器11测量第一探测器8探测的透射光强I_R和第二探测器10探测的反射光强I_S；

步骤二、根据如下公式计算步骤一所述的透射光和反射光的光强对比度M；

其中，A是样品池4中仅含有空气时光强对比度M为零所对应的常数；

步骤三、将步骤二得到的光强对比度M与光强对比度M与气态单质汞介质浓度的对应关系曲线对照，得到待测气态单质汞介质的浓度。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式五的进一步说明，步骤二中样品池4中仅含有空气时光强对比度M为零所对应的常数A是通过下述方法获得的：

步骤二M、样品池4中仅含有空气时，数据采集分析器11测量第一探测器8探测的透射光强I_R0和第二探测器10探测的反射光强I_S0；

步骤二N、求得步骤二M所述的透射光和反射光的光强对比度M为零所对应的常数A；

其中，光强对比度M通过下式求得：

。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式五的进一步说明，步骤三所述的光强对比度M与气态单质汞介质浓度的对应关系曲线是通过下述方法获得的：

步骤三M、将样品池4充满已知浓度的气态单质汞介质，数据采集分析器11测量第一探测器8探测的透射光强I_R和第二探测器10探测的反射光强I_S；

步骤三N、根据如下公式计算步骤三M所述的透射光和反射光的光强对比度M；

其中，A是样品池4中不含有待测气体时对比度为零所对应的常数；

步骤三P、重复执行步骤三N，直到获得n组气态单质汞介质浓度的光强对比度M，并以气态单质汞介质浓度为横轴，光强对比度M为纵轴描绘光强对比度M与气态单质汞介质浓度的对应关系曲线。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式五的进一步说明，步骤四中的光强对比度M与气态单质汞介质浓度的对应关系曲线为直线。

具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式五的进一步说明，步骤四中的测量n个气态单质汞介质浓度时光强对比度M为测量5-12个值。

具体实施方式十、结合图3说明本实施方式，本实施方式采用具体实施方式一所述的装置和具体实施方式五所述的方法测量待测气态单质汞浓度的具体实例，选定如下参数：

磁铁2所产生的磁场强度为1T，参考池6中的单质汞气体的每米饱和浓度为1mg/m³。

通过公式计算出两光强对比度，根据得到的不同光强对比度确定样品池的气态单质汞浓度，结果如图3所示，横轴为气态单质汞介质浓度；纵轴为光强对比度。