氣態單質汞濃度的連續監測裝置和方法

2024-02-02 13:41:15 4

專利名稱：氣態單質汞濃度的連續監測裝置和方法
技術領域：
本發明涉及氣體濃度的測量領域，具體涉及的是一種用於連續監測氣態單質汞濃度的裝置和方法。
背景技術：
燃燒煙氣中的汞有三種存在形式氣態單質汞，氣態二價氧化態汞和顆粒態汞。其 中氣態汞為主要形式。總汞的含量是通過熱催化或化學轉化的方式將其它形態的汞轉化為 氣態單質汞來測得的。在目前已有應用的汞排放連續監測系統中，最常被採用的氣態單質 汞測量技術是基於光譜學檢測原理的冷蒸汽原子吸收光譜(CVAAS)和冷蒸汽原子螢光光譜 (CVAFS)技術。前者可對煙氣中的氣態單質汞濃度實施直接測量而無需像後者那樣需要載 氣，因而被絕大多數的汞排放連續監測系統所採用。在大部分基於CVAAS的系統中，煙氣流 中的汞在引入光學檢測系統分析前需經預富集和解吸附兩個步驟來提高測量靈敏度以及 去除幹擾氣體，這兩個步驟大大降低了汞排放監測的實時性，使得汞監測只能處於半連續 狀態。目前可以做到氣態單質汞連續監測的技術主要有兩種紫外差分吸收光譜 (UV-DOAS)和塞曼原子吸收光譜(ZAAS)技術。此兩種技術均是基於吸收光譜學原理，在汞 具有最大吸收截面的253. 7nm處對其實施測量，響應速度可達到秒量級，做到真正意義上 的實時測量。前者採用的是覆蓋紫外到可見波段的寬帶發射光源，但由於汞是單原子分子， 其吸收線寬很窄，即使採用濾光片也難以獲得大的光強吸收比率，從而難以獲得較高的測 量靈敏度。後者是CVAAS中的一個特例，採用窄帶發射的汞元素燈作為光源，通過應用塞曼 背景校正技術來排除幹擾且無需進行汞的預富集和解吸附，但其對檢偏系統的要求很高， 增加了系統的複雜性和成本而得不到更廣泛的應用。

發明內容
本發明是為了解決現有的氣態單質汞監測技術靈敏度低、系統複雜和成本過高的 問題，從而提供一種氣態單質汞濃度的連續監測裝置和方法。氣態單質汞濃度的連續監測裝置，它由汞元素燈、磁鐵、準直透鏡、樣品池、分光 鏡、參考池、第一凸透鏡、第一探測器、第二凸透鏡、第二探測器、數據採集分析器組成，汞元 素燈置於磁鐵的磁場中，並且設置在準直透鏡的焦點處，第一探測器的探測面與第一凸透 鏡的焦平面重合，第二探測器的探測面與第二凸透鏡的焦平面重合，汞元素燈的輸出光入 射至準直透鏡，經準直透鏡透射得到平行光，所述平行光經過樣品池後入射至分光鏡，所述 平行光經分光鏡分成反射光和透射光，其中透射光經過參考池後入射至第一凸透鏡，再經 第一凸透鏡聚焦至第一探測器，反射光入射至第二凸透鏡，再經第二凸透鏡聚焦至第二探 測器，所述第一探測器的輸出端和第二探測器的輸出端分別連接數據採集分析器的兩個接 入端，參考池中的介質為飽和濃度的單質汞氣體。氣態單質汞濃度的連續監測方法，具體過程如下步驟一、樣品池充滿待測氣態單質汞介質時，數據採集分析器測量第一探測器探測的透射光強Ir和第二探測器探測的反射光強Is ；
步驟二、根據如下公式計算步驟一所述的透射光和反射光的光強對比度I;
formula see original document page 5
其中d是樣品池中僅含有空氣時光強對比度#為零所對應的常數； 步驟三、將步驟二得到的光強對比度#與光強對比度#與氣態單質汞介質濃度的對應 關係曲線對照，得到待測氣態單質汞介質的濃度。本發明利用塞曼關聯光譜技術實現了對單質汞氣濃度的連續有效監測，用參考氣 體本身的光譜信息實現了對氣態單質汞的選擇性探測，排除了二氧化硫和二氧化氮等氣體 帶來的幹擾。系統組成簡單，無需使用光譜儀等色散設備和複雜的檢偏設備，成本較低。本 發明可以達到的最低檢測限低於1 μ g/m3，充分滿足了工業廢氣排放中汞含量監測的要求。 適用於要求靈敏度高氣態單質汞濃度監測領域。


圖1為氣態單質汞濃度的連續監測裝置的結構示意圖。圖2為氣態單質汞濃度的 連續監測方法的流程圖。圖3為具體實施方式
十中光強對比度與待測量氣體濃度的對應關 系圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1說明本實施方式，氣態單質汞濃度的連續監測裝置，它 由汞元素燈1、磁鐵2、準直透鏡3、樣品池4、分光鏡5、參考池6、第一凸透鏡7、第一探測器 8、第二凸透鏡9、第二探測器10、數據採集分析器11組成，汞元素燈1置於磁鐵2的磁場中， 並且設置在準直透鏡3的焦點處，第一探測器8的探測面與第一凸透鏡7的焦平面重合，第 二探測器10的探測面與第二凸透鏡9的焦平面重合，汞元素燈1的輸出光入射至準直透鏡 3，經準直透鏡3透射得到平行光，所述平行光經過樣品池4後入射至分光鏡5，所述平行光 經分光鏡5分成反射光和透射光，其中透射光經過參考池6後入射至第一凸透鏡7，再經第 一凸透鏡7聚焦至第一探測器8，反射光入射至第二凸透鏡9，再經第二凸透鏡9聚焦至第 二探測器10，所述第一探測器8的輸出端和第二探測器10的輸出端分別連接數據採集分析 器11的兩個接入端，參考池6中的介質為飽和濃度的單質汞氣體。樣品池4中的介質是待測氣態單質汞介質。參考池6中飽和濃度的單質汞氣體能 夠使處于波長為253. 7nm附近的光被最大程度的吸收。工作原理汞元素燈1發出紫外光，在磁鐵2產生的磁場作用下其253. 7nm處的 發射譜線劈裂為一系列具有不同波長的塞曼分量，波長劈裂後的紫外光經準直透鏡3後變 為平行光，在經過裝有待測氣體的樣品池4後被分光鏡5分為透射光和反射光，透射光經過 裝有飽和濃度氣態單質汞的參考池6後，處於253. 7nm附近的塞曼分量被最大程度的吸收， 剩餘的塞曼分量作為參考光再經第一凸透鏡7聚焦後被第一探測器8接收，反射光為樣品 光，反射光直接經第二凸透鏡9聚焦後被第二探測器10接收，第一探測器8和第二探測器10的產生的信號輸入到數據採集分析器11中進行模/數轉換和數據分析，採集透射光和反 射光的光強信息。當樣品池4中不存在氣態單質汞時，兩路光的光強對比度為零，當樣品池 4中出現氣態單質汞時，兩路光的光強對比度隨著汞含量的增加而增加，且光強對比度與汞
含量呈一一對應的關係。分光鏡5後的反射光路和透射光路可以對調，即可由反射光經過參考池6後入射 至第一凸透鏡7，經第一凸透鏡7聚焦至第一探測器8，透射光入射至第二凸透鏡9，經第二 凸透鏡9聚焦至第二探測器10。
具體實施方式
二、結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不 同之處在於分光鏡5為半反射半透射的分束鏡。
具體實施方式
三、結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不 同之處在於參考池6中單質汞氣體的每米飽和濃度為0. 2 20mg/m3。
具體實施方式
四、結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不 同之處在於磁鐵2所產生的磁感應強度為廣3T。
具體實施方式
五、結合圖2說明本實施方式，氣態單質汞濃度的連續監測方法，具 體過程如下
步驟一、將樣品池4充滿待測氣態單質汞介質，數據採集分析器11測量第一探測器8 探測的透射光強IR和第二探測器10探測的反射光強Is ；
步驟二、根據如下公式計算步驟一所述的透射光和反射光的光強對比度formula see original document page 6
其中d是樣品池4中僅含有空氣時光強對比度#為零所對應的常數； 步驟三、將步驟二得到的光強對比度#與光強對比度#與氣態單質汞介質濃度的對應 關係曲線對照，得到待測氣態單質汞介質的濃度。
具體實施方式
六、本實施方式是對具體實施方式
五的進一步說明，步驟二中樣品 池4中僅含有空氣時光強對比度#為零所對應的常數J是通過下述方法獲得的
步驟二M、樣品池4中僅含有空氣時，數據採集分析器11測量第一探測器8探測的透射 光強IR0和第二探測器10探測的反射光強Iso ；
步驟二 N、求得步驟二 M所述的透射光和反射光的光強對比度#為零所對應的常數J ； 其中，光強對比度I通過下式求得
i^m + ^4/迎)具體實施方式
七、本實施方式是對具體實施方式
五的進一步說明，步驟三所述的 光強對比度#與氣態單質汞介質濃度的對應關係曲線是通過下述方法獲得的
步驟三M、將樣品池4充滿已知濃度的氣態單質汞介質，數據採集分析器11測量第一探 測器8探測的透射光強IR和第二探測器10探測的反射光強Is ；
步驟三N、根據如下公式計算步驟三M所述的透射光和反射光的光強對比度I ；formula see original document page 7
其中d是樣品池4中不含有待測氣體時對比度為零所對應的常數； 步驟三P、重複執行步驟三N，直到獲得η組氣態單質汞介質濃度的光強對比度見並以 氣態單質汞介質濃度為橫軸，光強對比度#為縱軸描繪光強對比度#與氣態單質汞介質濃 度的對應關係曲線。
具體實施方式
八、本實施方式是對具體實施方式
五的進一步說明，步驟四中的光 強對比度#與氣態單質汞介質濃度的對應關係曲線為直線。
具體實施方式
九、本實施方式是對具體實施方式
五的進一步說明，步驟四中的測 量η個氣態單質汞介質濃度時光強對比度#為測量5-12個值。
具體實施方式
十、結合圖3說明本實施方式，本實施方式採用具體實施方式
一所 述的裝置和具體實施方式
五所述的方法測量待測氣態單質汞濃度的具體實例，選定如下參 數 磁鐵2所產生的磁場強度為1Τ，參考池6中的單質汞氣體的每米飽和濃度為lmg/m3。通過公式計算出兩光強對比度，根據得到的不同光強對比度確定樣品池的氣態單 質汞濃度，結果如圖3所示，橫軸為氣態單質汞介質濃度；縱軸為光強對比度。
權利要求
氣態單質汞濃度的連續監測裝置，其特徵在於它由汞元素燈(1)、磁鐵(2)、準直透鏡(3)、樣品池(4)、分光鏡(5)、參考池(6)、第一凸透鏡(7)、第一探測器(8)、第二凸透鏡(9)、第二探測器(10)、數據採集分析器(11)組成，汞元素燈(1)置於磁鐵(2)的磁場中，並且設置在準直透鏡(3)的焦點處，第一探測器(8)的探測面與第一凸透鏡(7)的焦平面重合，第二探測器(10)的探測面與第二凸透鏡(9)的焦平面重合，汞元素燈(1)的輸出光入射至準直透鏡(3)，經準直透鏡(3)透射得到平行光，所述平行光經過樣品池(4)後入射至分光鏡(5)，所述平行光經分光鏡(5)分成反射光和透射光，其中透射光經過參考池(6)後入射至第一凸透鏡(7)，再經第一凸透鏡(7)聚焦至第一探測器(8)，反射光入射至第二凸透鏡(9)，再經第二凸透鏡(9)聚焦至第二探測器(10)，所述第一探測器(8)的輸出端和第二探測器(10)的輸出端分別連接數據採集分析器(11)的兩個接入端，參考池(6)中的介質為飽和濃度的單質汞氣體。
2.根據權利要求1所述的氣態單質汞濃度的連續監測裝置，其特徵在於分光鏡(5)為 半反射半透射的分束鏡。
3.根據權利要求1所述的氣態單質汞濃度的連續監測裝置，其特徵在於參考池(6)中 單質汞氣體的每米飽和濃度為0. 2 20mg/m3。
4.根據權利要求1所述的氣態單質汞濃度的連續監測裝置，其特徵在於磁鐵(2)所產 生的磁感應強度為廣3T。
5.利用權利要求1所述的氣態單質汞濃度的連續監測裝置的連續監測方法，其特徵在 於具體過程如下步驟一、將樣品池(4)充滿待測氣態單質汞介質，數據採集分析器(11)測量第一探測 器(8)探測的透射光強厶和第二探測器(10)探測的反射光強厶；步驟二、根據如下公式計算步驟一所述的透射光和反射光的光強對比度I;formula see original document page 2其中d是樣品池(4)中僅含有空氣時光強對比度I為零所對應的常數；步驟三、將步驟二得到的光強對比度#與光強對比度#與氣態單質汞介質濃度的對應 關係曲線對照，得到待測氣態單質汞介質的濃度。
6.根據權利要求5所述的氣態單質汞濃度的連續監測方法，其特徵在於步驟二中樣品 池(4)中僅含有空氣時光強對比度I為零所對應的常數J是通過下述方法獲得的步驟二M、樣品池(4)中僅含有空氣時，數據採集分析器(11)測量第一探測器(8)探測 的透射光強/皿和第二探測器(10)探測的反射光強步驟二 N、求得步驟二 M所述的透射光和反射光的光強對比度#為零所對應的常數J ；其中，光強對比度I通過下式求得formula see original document page 2
7.根據權利要求5所述的氣態單質汞濃度的連續監測方法，其特徵在於步驟三所述的 光強對比度#與氣態單質汞介質濃度的對應關係曲線是通過下述方法獲得的步驟三Μ、將樣品池(4)充滿已知濃度的氣態單質汞介質，數據採集分析器(11)測量第 一探測器(8)探測的透射光強厶和第二探測器(10)探測的反射光強IS；步驟三N、根據如下公式計算步驟三M所述的透射光和反射光的光強對比度I ；M=(IR-AIS)/(IR+AIS)其中d是樣品池(4)中不含有待測氣體時對比度為零所對應的常數； 步驟三P、重複執行步驟三N，直到獲得η組氣態單質汞介質濃度的光強對比度見並以 氣態單質汞介質濃度為橫軸，光強對比度#為縱軸描繪光強對比度#與氣態單質汞介質濃 度的對應關係曲線。
8.根據權利要求5或7所述的氣態單質汞濃度的連續監測方法，其特徵在於光強對比 度#與氣態單質汞介質濃度的對應關係曲線為直線。
9.根據權利要求7所述的氣態單質汞濃度的連續監測方法，其特徵在於步驟三P中的 獲得η組氣態單質汞介質濃度的光強對比度#為獲得5-12組光強對比度#數值。
全文摘要
氣態單質汞濃度的連續監測裝置和方法，涉及氣體濃度的測量領域，解決了現有的氣態單質汞監測技術靈敏度低、系統複雜和成本過高的問題。本發明的裝置，汞元素燈置於磁鐵的磁場中，輸出光經準直透鏡透射得到平行光，平行光經過樣品池後入射至分光鏡，透射光經過參考池後入射至第一凸透鏡，聚焦至第一探測器，反射光入射至第二凸透鏡，聚焦至第二探測器，第一探測器和第二探測器與數據採集分析器連接。本發明的方法，具體如下一、確定光強對比度M為零所對應的常數A；二、描繪光強對比度M與氣態單質汞介質濃度的對應關係曲線；三、測量待測氣態單質汞介質的光強對比度M，並與對應關係曲線對照，得到待測氣態單質汞介質的濃度。用於監測氣態汞濃度。
文檔編號G01N21/33GK101819140SQ201010171418
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月13日 優先權日2010年5月13日
發明者婁秀濤, 張雲剛, 張治國, 王華山, 王鵬, 瑞小川, 陳斌 申請人:哈爾濱工業大學