專利名稱：用于連續(xù)原位監(jiān)測單質(zhì)汞蒸氣的裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于原位監(jiān)測汞的方法和裝置，特別涉及一種用于原位監(jiān)測和/ 或測量燃煤爐煙道氣流中單質(zhì)汞蒸氣的連續(xù)排放監(jiān)測器(CEM)。
背景技術(shù)：
在化石燃料爐和燒石油、煤和/或天然氣的電廠的運行過程中，煙氣作為爐子/工廠運行的副產(chǎn)品被排放到大氣中。除了水蒸氣、二氧化碳和氮氣外，煙氣中通常還含有化石燃料消耗的產(chǎn)物，其它對環(huán)境有害的物質(zhì)，例如一氧化氮、硫的氧化物和特別是在燃煤的工廠中產(chǎn)生的粉煤灰和汞。汞已知是與健康和生態(tài)相關(guān)的，因為它是一種有毒的、持久的、在生物體內(nèi)富積的物質(zhì)。單質(zhì)汞(Hg°)和氧化汞的主要人為來源是來自于煤基發(fā)電。一旦被釋放到環(huán)境中， 它在水中轉(zhuǎn)化成劇毒形式的甲基汞，甲基汞在魚類和其它物種中富積。汞的有害影響已被公眾所認識，各國政府已經(jīng)提出了越來越嚴格的排放標準，要求收集來自煙氣流的汞，以降低被引入大氣中的汞的量。因此，需要更好地監(jiān)控煙氣中汞含量，特別是燃煤爐煙氣中的單質(zhì)汞的含量，從而不僅可以評估所排放的汞的水平，還可以評估環(huán)境控制和汞收集裝置的工作效率。當前，大多數(shù)汞含量水平的監(jiān)測是使用煙氣提取工藝通過濕法化學分析來進行的。但是這種傳統(tǒng)的濕法化學方法慢并且昂貴，需要受到高級培訓的員工并且通過管道來物理地去除來自煙氣流的樣品量的氣體。本發(fā)明人認為除了傳送用于遠程分析的氣體樣品的難題以外，傳統(tǒng)的方法遇到的另一個難題在于已提取的氣體樣品的物理傳送，其本身提供一個延遲響應。因此，傳統(tǒng)的汞分析系統(tǒng)不適合提供燃煤爐排放物的實時測量。

發(fā)明內(nèi)容
為了至少部分地克服現(xiàn)有技術(shù)的裝置中存在的一些缺陷，本發(fā)明提供了一種基于光學的傳感器，該傳感器被定位用于原位監(jiān)測和/或測量燃燒爐煙氣流中的汞。特別是，所述的光學傳感器用于實時監(jiān)測煙道中的單質(zhì)汞含量或者是燃煤爐(例如那些在燒煤的電廠中使用的燃煤爐)排放的廢氣中的汞含量。本發(fā)明的另一個目的是提供一種測量光吸收來確定汞含量和/或來監(jiān)測從燃煤爐排放的煙氣流中汞蒸氣的裝置和方法。本發(fā)明的進一步的目的是提供一種基于光學的傳感器，該傳感器適于原位放置在燃煤爐排氣煙囪或冷卻塔內(nèi)，并且更優(yōu)選的是，放置在電廠的燃煤爐的排氣煙囪或塔內(nèi)。并且可操作該傳感器來測量和/或監(jiān)測所排放的煙氣中的污染物含量，進而有助于提供一個環(huán)境控制和/或汞收集效率的指標。本發(fā)明的進一步的目的是提供一種光學傳感器，可操作該光學傳感器通過測量其穿過的至少一部分氣流在254nm+/-lnnK253-255nm)波長范圍內(nèi)的紫外光吸收來提供氣流中的汞的指標，優(yōu)選的是單質(zhì)汞蒸氣的指標，并且更優(yōu)選的是，該光學傳感器可補償在氣流中一起排放的其它副產(chǎn)物、化合物和/或氣體產(chǎn)生的光吸收。本發(fā)明的又一個目的是提供一種簡易的裝置，其可操作用于連續(xù)原位監(jiān)測燃煤電廠的排氣煙囪或塔中的汞，并且其可以實時測量和/或監(jiān)測在爐子運行過程中排放煙氣中的汞，特別是單質(zhì)汞蒸氣。本發(fā)明涉及一種用于測量和/或監(jiān)測氣流中的污染物的裝置。更優(yōu)選的，本發(fā)明的裝置可操作用于監(jiān)測和/或測量部分或全部氣流中的污染物，例如汞，更優(yōu)選的是單質(zhì)汞蒸氣?？梢灶A想，在一個優(yōu)選的操作方式中，該裝置可以被用于實時或連續(xù)測量和/或監(jiān)測燃煤爐的廢氣或排放的氣流中的單質(zhì)汞(Hg°)含量，并且優(yōu)選的是燃煤電廠的煙氣流中的單質(zhì)汞(Hg°)含量。將要描述的是，在一個最簡單的結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明使用光學傳感器通過計算選定波長范圍內(nèi)的紫外光的吸收量來監(jiān)測和/或測量廢氣流中的汞含量，所述的選定波長范圍為大約 2Mnm+/-lnm，優(yōu)選的是 253. 7nm+/-0. 5nm，最優(yōu)選的是 253. 7nm+/-0. Olnm。根據(jù)優(yōu)選的操作方法，可以理解在燃煤爐的運行過程中，除了汞以外，所排放的煙氣中通常還包括二氧化硫(SO2)這種排放成分，其在寬譜范圍吸收紫外光，所述寬譜范圍包括波長范圍在大約254nm+/-20nm，通常在254nm+/-15nnK234-274nm)的光能。因此，本發(fā)明的方法認識到在254nm+/-lnm的范圍內(nèi)的任何輻射吸收的測量不僅是由Hg°所導致的，也可能由來自于煙氣中的SO2W成分所導致。關(guān)于這方面，本發(fā)明的方法補償了這種情況，即排放的煙氣中的二氧化硫傾向于吸收寬譜的紫外范圍的紫外光。為了補償二氧化硫的吸收，一種方式是，本發(fā)明優(yōu)選提供用于測量在 253. 7nm+/-0. 5nm范圍的窄譜的輻射能量處的紫外光的能量吸收，以及在254nm+/-20nm范圍，通常在254nm+/-15nm到254nm+/-10nm范圍的相對寬譜的輻射能量處的紫外光的能量吸收。在實施中，寬譜范圍的紫外光吸收被計算，并被用于提供一個校正或補償因子。所述的校正因子隨后被用于校正重疊的窄的輻射能量范圍的能量吸收值，對由氣流中的汞所導致的吸收提供更精確的測量。隨后，由汞蒸汽導致的吸收度可與預計的實時的汞含量關(guān)聯(lián)?？梢岳斫?，在一個可能的方式中，收集的數(shù)據(jù)隨后可被用于提供汞收集效率或環(huán)境控制參數(shù)和/或污染物排放的實時反饋，不僅可以使操作者調(diào)節(jié)污染控制操作參數(shù)，以最大化環(huán)境控制和/或汞收集操作的效率，而且還允許政府監(jiān)督部門進行調(diào)節(jié)。在一個可能的結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明的裝置提供了窄譜的紫外光源、寬譜的紫外光源和用于計算紫外光能吸收量的探測器組件。所述窄譜的紫外光源可包括汞燈，所述汞燈被操作用于在限定的窄譜波長范圍內(nèi)發(fā)射輻射能量，所述限定的窄譜波長范圍為 253. 7nm+/"0. 5nm,優(yōu)選為 253. 7nm+/-0. 05nm,更優(yōu)選為 253. 7nm+/-0. Olnm。所述寬譜的紫外光優(yōu)選包括一個或多個紫外發(fā)光二級管，所述紫外發(fā)光二極管可操作用于在 254nm+/-20nm，并優(yōu)選在254nm+/-15nm的波長范圍內(nèi)發(fā)射寬譜紫外光能。雖然并不是必要的，但在一個簡易的結(jié)構(gòu)中，可將由汞燈和紫外發(fā)光二極管光源發(fā)射的光能混合，并衰減通過部分或基本全部的煙氣流，在煙氣流中傳播的光能被發(fā)射或被反射到適合的聚光器。收集接收到的/返回的光，并通過探測器組件進行分析，以測量紫外光的吸收。所述的探測器組件優(yōu)選用于計算來自于紫外發(fā)光二極管的寬譜紫外光的光吸收，以獲得可能由煙氣中的Sh氣體產(chǎn)生的能量吸收的比例。特別是，通過分析寬譜紫外光能的吸收度，可能獲得一個吸收校正因子，該吸收校正因子代表因煙氣流中SO2氣體的存在
6所導致的紫外吸收。所述的校正因子隨后被用于測量在窄譜范圍內(nèi)的光的吸收，其有效地去除由SO2產(chǎn)生的影響。因此，這個校正因子被用于計算窄譜的紫外光的吸收值，以提供一個校正值，該校正值指示由煙氣中的單質(zhì)汞蒸汽導致的紫外能量吸收。申請人:認為，本發(fā)明的裝置允許直接在爐子的排煙塔中進行煙氣的光學測量，而不需要物理地提取氣體樣本。因此，本發(fā)明可以直接在煙囪中原位操作，提供實時的環(huán)境控制監(jiān)控和反饋。此外，本發(fā)明有利地避免了與傳統(tǒng)的提取探測器相關(guān)的難題，例如堵塞、汞被吸附或吸收到探測器的壁，以及探測器提取邊線與氣體樣品之間的化學反應等等。因此，本發(fā)明一方面涉及一種用于原位監(jiān)測煙氣流中的單質(zhì)汞蒸汽的裝置，包括輻射能量源，所述的輻射能量源包括波長選在大約253. 7nm+/"lnm的可操作輸出第一光能的第一光源，波長選在大約254nm+/-20nm的可操作輸出第二光能的第二光源；被光學耦合到輻射能量源并被設置到相對于所述煙氣流的第一位置的光投射透鏡；被設置在與所述第一位置相間隔的、相對于所述煙氣流的第二位置的聚光透鏡組件；將所述輻射能量源與所述光投射透鏡光學連接的光纖連接器組件，所述的光纖連接器組件包括光學耦合到所述第一光源的第一上行(uplead)光纖，光學耦合到所述第二光源的第二上行光纖，和光學連通光投射透鏡與第一和第二上行光纖的光耦合器，所述的光耦合器用于混合輸入紫外光能， 所述的輸入紫外光能來自于第一和第二上行光纖的混合光能，所述光投射透鏡可操作用于發(fā)射至少一部分的所述的混合光能作為混合的紫外光束穿過至少部分的所述煙氣流；測量由所述光投射透鏡所發(fā)射的參考紫外光的探測器組件，所述的探測器組件包括至少一個用于測量由所述聚光透鏡組件接收的光強度和/或波長的分光計。另一方面，本發(fā)明涉及一種用于實時原位測量或監(jiān)測燃煤電廠煙氣流中的汞的汞監(jiān)測裝置，包括輻射能量源，該輻射能量源包括可操作輸出窄譜的第一波長的光能的汞燈， 所述第一波長的光能的波長范圍限制在大約253. 7nm+/-0. 05nm，可操作輸出寬譜的第二波長光能的紫外發(fā)光二極管，所述第二波長光能的波長范圍選在大約254nm+/-20nm ；光學耦合到所述汞燈和所述紫外發(fā)光二極管并被設置在相對于所述煙氣流的排氣煙 的第一位置的投射透鏡，所述投射透鏡用于將一束光能量傳播穿過至少部分的所述煙氣流；被設置在與所述第一位置相間隔的、相對于所述排氣煙 的第二位置的聚光透鏡組件，被定位以接收所述光能量束的聚光透鏡；將所述輻射能量源與所述投射透鏡光學連接的光纖連接器，所述的光纖連接器包括一個2X2的光耦合器，用于光學地接收和混合來自汞燈和紫外發(fā)光二極管的光能，并將混合的光能傳輸?shù)酵渡渫哥R以傳播所述的光能量束；通常用于探測從所述投射透鏡發(fā)射的光能的強度的光探測器組件，所述的光探測器組件包括用于測量由所述投射透鏡發(fā)射的作為參考強度的光能量束的光強和光波長中的至少一個的分光計。又一方面，本發(fā)明涉及一種原位監(jiān)測燃煤爐煙氣流中的汞的方法，該方法包括提供具有選在約253. 7nm+/-0. 05nm的窄譜紫外波長的第一輻射能量輸出，提供具有選在約 254nm+/-15nm的寬譜紫外波長的第二輻射能量輸出，將第一和第二輻射能量輸出光學地混合為混合的輻射能量源，將所述混合的輻射能量源通過煙氣流從第一位置傳播到與第一位置間隔的第二聚光器的位置成為一個大體上圓柱形的光束，測量在第一位置傳播的第一和第二輻射能量輸出，測量在所述第二位置會聚的第一和第二輻射能量輸出以獲得各自吸收值，通過與第二輻射能量值相關(guān)的校正值來校正第一輻射能量吸收值，以獲得校正的吸收值。


現(xiàn)參考下面的詳細說明和附圖，其中圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的一種用于測量和監(jiān)測煙氣流中的單質(zhì)汞的裝置。圖2示出了圖1的裝置的示意圖，所述的裝置被安裝在燃煤電廠的排氣塔中，用于實時監(jiān)測煙氣污染物。圖3圖示了在圖1的裝置運行過程中由輻射光源發(fā)出的窄譜和寬譜紫外光的能量波長。圖4圖示了燃煤電廠的爐子排放的廢氣流中的和Hg°的濃度曲線。圖5圖示了窄譜和寬譜紫外光源的吸收系數(shù)水平與SO2氣體濃度水平的對應關(guān)系。圖6圖示了吸收系數(shù)水平與僅僅Hg°的對應關(guān)系，以及吸收系數(shù)水平與1^°和 0. 08% SO2的對應關(guān)系。圖7示出了說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法用于校正所測量的紫外能量吸收值的過程步驟的流程圖。圖8示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例在齊平地安裝一個裝置的光投射透鏡和聚光透鏡中使用的安裝法蘭組件。
具體實施例方式可以參考圖1和圖2，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，圖1和圖2示出了用于實時原位監(jiān)測汞的連續(xù)排放監(jiān)測(CEM)裝置10。最優(yōu)選地，將該裝置10被安裝在燃煤電廠的排放煙囪12(圖2)中，并被操作以連續(xù)監(jiān)測單質(zhì)汞蒸氣，所述單質(zhì)汞蒸氣作為垂直上升的爐子煙氣流或流14中的燃燒副產(chǎn)物被排放。如在圖1中被最好地示出，裝置10包括一個輻射能量源20，一個用于接收和收集未被吸收的輻射能量的聚光透鏡組件22，和一個光探測器組件M。如下所述，輻射能量源 20可操作用于發(fā)射穿過煙氣流14的光能量束沈，通常在5到10米之間的距離內(nèi)，以被聚光透鏡組件22接收。如下所述，探測器組件M隨后被操作用于分析由煙氣流14中的各種污染物所吸收的光能的量，并提供一個煙氣流14中所攜帶的并被排放到環(huán)境中的單質(zhì)汞蒸氣的量的指標。圖1最好地示出了輻射能量源20，其包括10到50豪瓦的汞燈30，0. 1微瓦的紫外發(fā)光二極管32和投射透鏡50。汞燈30可操作用于發(fā)射限定波長范圍為253. 7nm+/-0. Inm, 優(yōu)選波長范圍為253. 7nm+/-0. 05nm,的窄譜紫外光能。紫外發(fā)光二極管32可例如包括SET 公司出售的UV TOP 發(fā)光二極管，并且其可操作用于發(fā)射波長范圍為2Mnm+/-20nm，通常為2Mnm+/-15nm，的寬譜紫外光能。汞燈30和紫外發(fā)光二極管32分別通過直徑0. 5mm的上行光纜34和36被光耦合到一個2X2的光耦合器38。該2X2的光耦合器38還包括一個分叉的纖維輸出40和分叉的接頭42。輸出40將窄譜和寬譜的紫外光能混合，并接著被光學連接到投射透鏡50。分叉的接頭42被插在輸出40的朝向投射透鏡50的下引線的端部。分叉的接頭42提供了 2個光纖輸出44和46，并被配置用于分開所述的混合的光能。
8最優(yōu)選的，所述的接頭42被選擇將光能以9 1的比例分別沿著輸出44和46分開。優(yōu)選的，輸出44具有比輸出46的直徑更大的直徑，以將到達投射透鏡50的光能的量最大化。光纖輸出44將輸出40光學連接到投射透鏡50。最優(yōu)選的是，投射透鏡50包括 75mm焦距的轉(zhuǎn)換透鏡，所述轉(zhuǎn)換透鏡被用于將混合的窄紫外光譜輻射和寬紫外光譜輻射準直為基本平行的會聚的紫外光束26。在使用裝置10來監(jiān)測燃煤電廠的氣流14之處，投射透鏡50最優(yōu)選是通過安裝法蘭組件70 (如圖8所示)的方式被齊平地安裝到在排放煙囪 12的側(cè)壁中形成的凹陷75內(nèi)。投射透鏡50優(yōu)選被定向以使光能量束沈基本垂直于煙氣流14的中心而水平地傳播。圖8最好地示出了法蘭組件70，其包括一個具有中心圓孔74 的緊固環(huán)72和透鏡支撐框架74，所述中心圓孔74通過光學中性的透紫外光的密封透鏡76 密封以防止灰塵。配置緊固環(huán)72，使得法蘭組件70通過螺釘90或其它適合的機械緊固裝置而被固定在凹陷75之上。透鏡支撐框架74包括透鏡支座78，所述透鏡支座78被用于將投射透鏡50以所需的方向定位在框架基底80的上方，并在密封窗口 76的后面?？梢钥吹?，提供有一系列噴氣出口 8 和84b，其與加壓的氣源86a和86b流體連通?？蛇x擇操作出口 84，以間歇地或連續(xù)地將加壓的氣流導向密封窗口 76的外表面，以移去可能在其上積累的來自于排放的廢氣流14的任何污垢或碎片。圖1最好地示出了光纖輸出46，其被光學連接到探測器組件對。所述探測器組件 24包括至少一個和多個，優(yōu)選是兩個，分光計52和M，光纖輸出46被可操作地連接到分光計52。分光計52實際可被操作用于測量在投射透鏡50處由汞燈30和紫外發(fā)光二極管32 輸出的紫外能量的光強度的任何變化。因此，這種輸出變量的測量提供了一個用于窄譜和寬譜紫外輻射能量的參考強度測量，所述窄譜和寬譜紫外輻射能量從輻射能量源20發(fā)射并作為入射光穿過煙氣流14。聚光透鏡組件22最優(yōu)選包括一個直徑4cm的透紫外光的圓形的聚光透鏡58和一個光纜60。圖2示出了聚光透鏡58，其被安裝在排放煙囪12的側(cè)壁內(nèi)凹陷75中，其位置是水平地并徑向地正對著投射透鏡50?？梢岳斫?，聚光透鏡58通過法蘭組件70以與投射透鏡50基本相同的方式被安裝在凹陷75中。因此，投射透鏡50被配置，用于將光譜混合的紫外光能，如同窄光的光能量束26那樣，水平地傳輸通過煙氣流14，并傳輸?shù)骄酃馔哥R 58上。雖然并不是必要的，但聚光透鏡58最優(yōu)選的是齊平地安裝在凹陷75或孔內(nèi)，以不至于干擾或妨礙垂直地沿著煙囪12的煙氣流14。例如，光纜60可以由0. 5mm的光纜組成，其在探測器組件M內(nèi)將聚光透鏡58與第二分光計M光學連接。在一個典型的燃煤電廠的應用中，投射透鏡50和聚光透鏡58被彼此面對面地水平并徑向地安裝，在此處煙@ 12的直徑選在大約5米到10米之間，通常在大約6米到8米之間。雖然并不是必要的，但最優(yōu)選的是，分光計52和M被分別定位在投射透鏡50和聚光透鏡58的20米內(nèi)，以及更優(yōu)選的是大約10米內(nèi)。在操作過程中，分光計M優(yōu)選可操作用于測量沖擊到透鏡58并由透鏡58接收的未吸收的能量束26的強度和波長。分光計52和M中的每個都可操作用于將輸出數(shù)據(jù)信號提供到微處理器或中央處理器(CPU)60。作為非限定性的例子，CPU60既可以被用作用于控制整個爐子操作參數(shù)的中央計算機控制系統(tǒng)的一部分、用作數(shù)據(jù)收集和/或環(huán)境日志的手提式計算機(例如筆記本電腦)的一部分，也可以可替換的作為一種用于定期洗滌或煙囪排放控制的專用的微處理控制器。如將要描述的，CPU 60可操作用于確定煙氣流14中
9的和汞的含量，作為由氣流14吸收的紫外能量的量的反映。為了實現(xiàn)煙氣的監(jiān)測，啟動汞燈30和紫外發(fā)光二極管32。最好如圖3所示，一旦啟動汞燈30，其就提供了波長在大約253. 7nm+/-0. lnm，優(yōu)選在253. 7nm+/-0. 05nm，范圍內(nèi)的窄譜紫外光。紫外發(fā)光二極管32發(fā)射波長范圍在大約254nm+/-15nm的相對較寬譜的紫外光，并且寬譜紫外光與汞燈30發(fā)射的所述窄譜紫外光交迭。已發(fā)射的光能被混合并且沿著分叉的纖維40衰減，在此其由分叉的接頭42分開成能量束。已分開的混合的能量束沿著輸出44和46傳播，以分別被投射透鏡50投射，并水平穿過煙氣流14的正中心，并傳輸?shù)椒止庥?2。分光計52被用于連續(xù)測量汞燈30和紫外發(fā)光二極管32的光功率的變化，以提供一個參考值或信道。這個參考值被優(yōu)選用于補償由于燈的操作參數(shù)(例如光功率，溫度等) 的改變而產(chǎn)生的任何光強度的變化。同時，未吸收的窄譜和未吸收的寬譜紫外光能沖擊聚光透鏡58并由其收集。由分光計M間歇地或連續(xù)地測量已收集的紫外光能，并與當爐子不運行并且煙氣不存在(即沒有產(chǎn)生吸收)時獲得的參考值進行比較[即測量信道]。最優(yōu)選的，通過裝置10連續(xù)監(jiān)測由煙氣流14中的汞和Sh產(chǎn)生的光損耗或紫外吸收。通過計算寬譜紫外光(即由紫外發(fā)光二極管32發(fā)射的部分光)的吸收度，因此有可能確定一個校正因子，該校正因子表示由于煙氣流14中的二氧化硫的存在所導致的能量吸收量。這個吸收因子隨后被用于校正在253. 7nm+/-0. 05nm范圍內(nèi)的窄譜紫外光吸收的吸收讀數(shù)。實際上，校正的結(jié)果離析了紫外能量吸收的比例部分，該比例部分的紫外能量吸收直接歸因于煙氣流14中汞的存在。這個校正后的吸收值隨后優(yōu)選與預選值相關(guān)聯(lián)，所述的預選值指示用于可以根據(jù)實驗確定的給定煙氣溫度的預定的單質(zhì)汞蒸氣濃度，例如根據(jù)比爾-朗伯定律來提供一個精確的汞含量的指標。實驗室和試驗結(jié)果如圖4所示，初步的氣體分析測試提示，最初在開始燃煤爐的運行期間，在借助于天然氣燃燒的燃燒器的預熱期間，的吸收度保持穩(wěn)定的水平。換成燒煤后，煙氣中的
和Hg°的水平迅速上升。在實驗室模擬中，組建測試裝置，由此氮氣被選擇性地加入到充滿汞的試管和/ 或與二氧化硫混合。紫外發(fā)光二極管的峰值和253. 7nm的汞燈線被積分以繪制每個峰的實時能量吸收(即強度面積)與時間的關(guān)系圖。被認為是每個源的測量強度的峰面積值生成了吸收值A(chǔ)(t)，符合比爾-朗伯關(guān)系
Γπ" 1「,.., …Λ、'. Ifl禾口A(t) = a(t) XL = C(t) X σ XL其中I(t)是實時測量的面積值；Itl是無吸收時的面積值；A(t)是吸收率；L是單位為厘米的吸收路徑長度以及a(t)是單位為cm—1的吸收系數(shù)。吸收截面σ的單位與用于吸收物種濃度C(t)的單位一致。在測試過程中，S&以％百分含量(％)表示，所以0皿的單位為cnT1，而Hg°的單位為μ g · m_3，得出σ &被表示為cm2 · μ g—1。作為第一個測試，測量傳感器對的響應，氮氣流繞過充滿汞的試管與作為唯一的吸收物質(zhì)的結(jié)合。的濃度逐步增加，得到一個階梯形的信號，階梯形信號的每個臺階對應氣流中的一個SA濃度值。圖5示出了在吸收系數(shù)α和SO2濃度之間存在線性關(guān)系。進一步示出了對于樣機汞燈和紫外發(fā)光二極管的兩個不同的斜率值，其中樣機紫外發(fā)光二極管的吸收截面σ 比汞燈的吸收截面oS()2,Hglamp高。這個值可隨后被用于在SO2濃度存在下的汞監(jiān)測；SO2濃度被作為汞燈的吸收率的因子。因此，歸因于的吸收值可以從總的汞燈吸收率中去除， 剩余的吸收率歸因于單質(zhì)汞的存在。為了將單質(zhì)汞的吸收值轉(zhuǎn)化成濃度值，優(yōu)選獲得吸收截面oHg°，Hglamp。對氣流中單獨含有不同濃度的Hg°的氮氣進行實驗研究。接著添加SO2，得到吸光率偏移量，并且通過設置不同的Hg°濃度重做先前的測量。圖6中示出了對應Hg°的吸收系數(shù)圖。因為發(fā)光二極管對Hgtl沒相應，此處僅考慮汞燈。引起偏移的SO2的量并不影響Hg°濃度與汞燈的吸收系數(shù)之間的線性關(guān)系的斜率。這個值允許將用汞燈測量的單質(zhì)汞的吸收系數(shù)轉(zhuǎn)換為絕對汞濃度。因此，這個步驟使得在兩個分光計上檢測到的從紫外發(fā)光二極管到汞燈的強度變成絕對單質(zhì)汞濃度Hg°。如圖7所示，最優(yōu)選的方法涉及以下步驟1.輸入紫外發(fā)光二極管和汞燈的吸收測量值(即，計算例如由分光計測量的紫外發(fā)光二極管和汞燈強度值、吸收截面α-和aHglamp)。2.輸出LED和汞燈的組合能量的吸收系數(shù)，并與數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)來獲得預定的濃度值(即，假設α led = f([S02])得到斜率σ SQ2,LED(見圖5)，將測量的^值轉(zhuǎn)換成SO2)。3.隨后輸出已確定的SO2濃度，并將其用于計算由吸收的汞燈能量的比例部分(即，假設 α Hglamp = f ([SO2])得到斜率 σ S02,Hglamp (見圖 5)，SO2 被轉(zhuǎn)換成 α S02,Hglamp)。4.輸出由SO2所導致的汞燈的吸收系數(shù)，并將其從汞燈的總的吸收值中去除，得到剩余的吸收值(B卩，從總的汞燈吸收系數(shù)信號中去除SO2的貢獻，剩余的信號歸因于Hg°)。5.隨后剩余的吸收值與預定的單質(zhì)Hg°濃度值相關(guān)聯(lián)(即，假設aHglamp = f([Hg°])得到斜率 σ Hg°,Hglamp (見圖 7)，α Hglamp 值被轉(zhuǎn)換成 Hg°)。雖然詳細的說明書描述并解釋了聚光組件22的透鏡58，其被定位在排氣煙囪12 的垂直的側(cè)壁上，其位置與投射透鏡50水平地并徑向地相對，但其并不是對本發(fā)明的限制?？梢岳斫?，在另一個可替換結(jié)構(gòu)中，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，投射透鏡 50和聚光透鏡58能被提供在不同的位置和/或在煙@ 12內(nèi)的另一個可替換位置。此外， 在另一個結(jié)構(gòu)中，投射透鏡50能被配置用于發(fā)射準直光束和用于收集由煙氣流14中的汞反射的紫外光。類似的，雖然優(yōu)選的實施例描述了裝置10在垂直移動的煙氣流14的分析中的用途，但是可以理解，本發(fā)明同樣適用于水平或有角度地移動的液體流。雖然詳細的說明書描述了裝置10包括一對分光計52和M，但是，可以理解在一個較經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)中，可以提供一個分光計討來測量和/或計算參考的和測量的已吸收的紫外能量數(shù)據(jù)。雖然優(yōu)選的實施例公開了汞燈30和紫外發(fā)光二極管32分別作為窄譜紫外光能量和寬譜紫外光能量的光源，但其并不是對本發(fā)明的限制。可以理解，也可以使用具有或不具有適合的濾光布置的其它的輻射能量光源。雖然詳細的說明書描述并解釋了裝置10，例如被用于連續(xù)監(jiān)測燃煤電廠的煙氣流14，但其并不是對本發(fā)明的限制?？梢岳斫?，裝置10可被用于監(jiān)測來自于各種其它類型的燒煤或燒石油燃料的爐子和/或廢物焚化爐應用中的排放氣流中的汞成分，在這些應用中需要考慮汞和/或作為副產(chǎn)物的其它污染物的排放。 雖然詳細的說明書描述并解釋了各種優(yōu)選的實施例，但其并不是對本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進行很多修改和變換。為了限定本發(fā)明，現(xiàn)可參考所附的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種用于原位監(jiān)測煙氣流中的單質(zhì)汞蒸汽的裝置，包括 輻射能量源，所述輻射能量源包括用于輸出第一光能的第一光源，所述第一光能具有選在253. 7nm+/"lnm的波長， 用于輸出第二光能的第二光源，所述第二光能具有選在254nm+/-20nm的波長， 光投射透鏡，所述光投射透鏡被光學耦合到所述輻射能量源，并被設置在相對于所述煙氣流的第一位置，聚光透鏡組件，所述聚光透鏡組件被放置在與所述第一位置相間隔的、相對于所述煙氣流的第二位置，光纖連接器組件，所述光纖連接器組件將所述輻射能量源與所述光投射透鏡光學連接，所述光纖連接器組件包括光耦合到所述第一光源的第一上行光纖， 光耦合到所述第二光源的第二上行光纖，以及光耦合器，所述光耦合器與所述光投射透鏡以及所述第一上行光纖和所述第二上行光纖光學連通，所述光耦合器用于將來自于所述第一上行光纖和所述第二上行光纖的輸入紫外光能進行混合而成為混合光能，所述光投射透鏡用于發(fā)射至少一部分的所述混合光能，作為混合的紫外光束穿過至少部分的所述煙氣流，探測器組件，所述的探測器組件用于測量由所述光投射透鏡發(fā)射的參考紫外光，所述探測器組件包括至少一個分光計，所述分光計用于測量由所述聚光透鏡組件接收的光強度和/或波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光耦合器包括2X 2的光耦合器，并且進一步包括耦合到每個所述光投射透鏡和所述分光計中的分光器，所述分光器用于分離所述光投射透鏡和所述分光計之間的所述混合光能，由此，所述探測器組件可操作用于測量由所述輻射能量源發(fā)射的光強度和/或波長的變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述第二光源包括至少一個紫外發(fā)光二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第一光源可操作用于輸出被限定在窄譜波長范圍253. 7nm+/-0. 5nm的光能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第一光源包括至少一個汞燈。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的裝置，其特征在于，所述煙氣流包括燃煤爐的煙氣，并且所述第一位置包括所述煙氣流的第一外側(cè)，并且所述第二位置包括所述煙氣流的第二外側(cè)，所述第二位置通常與所述第一位置徑向相對。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括用于燃煤電廠的煙氣煙 監(jiān)測裝置，并且所述第一位置包括煙氣排放煙 的第一外側(cè)，以及所述第二位置包括與所述第一位置水平相對的所述排放煙 的第二外側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第一光源包括汞燈，所述汞燈可操作用于輸出具有限定在253. 7nm+/-0. Inm范圍的所選的波長的窄譜光能，并且所述第二光能具有選在254nm+/-15nm的范圍的波長。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項所述的裝置，其特征在于，所述光投射透鏡包括直徑為 2cm到km的紫外透明準直透鏡，并且所述混合的紫外光束包括直徑為0. Icm到20cm的準直光束。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項所述的裝置，其特征在于，所述光投射透鏡被定位以將所述混合的紫外光束傳播通過所述煙氣流的中心部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項所述的裝置，其特征在于，所述聚光透鏡組件包括直徑3cm到6cm的紫外透鏡，包括光纜，所述光纜將所述聚光透鏡組件連通到分光計，所述分光計用于測量衰減通過所述煙氣流的未吸收的紫外能量的光強度和/或波長。
12.根據(jù)權(quán)利要求2到10中任一項所述的裝置，其特征在于，所述2X2的光耦合器還包括將所述輸出紫外光能分成所述混合光能量束和所述參考紫外光的分叉的接頭。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項所述的裝置，其特征在于，所述探測器的所述分光計能夠被操作用于測量在所述煙氣流不存在的情況下入射到所述聚光透鏡上的紫外光，以測量從所述投射透鏡投射到所述煙氣流中的已發(fā)射的光的強度和/或波長。
14.一種使用權(quán)利要求1到13中任一項所述的裝置的方法，包括將在所述光投射透鏡發(fā)射的所述第二光能的強度與由所述聚光透鏡組件接收的第二光能的強度進行對比，以確定總的紫外吸收損耗值，將在所述光投射透鏡發(fā)射的所述第一光能的強度與由所述聚光透鏡組件接收的所述第一光能的強度進行對比，以確定總的吸收值，和用總的紫外吸收損耗值來校正所述第一光能的所述總的吸收值，以得到校正的汞的吸收值。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括監(jiān)控在第一光能輸出和第二光能輸出中的參考測量值的變化，并且其中將所述校正的汞的吸收值與一個或多個指示預定的單質(zhì)汞蒸氣濃度的預選值進行比較。
16.權(quán)利要求1到13中任一項所述的裝置的用途，其特征在于將由所述聚光透鏡組件接收的在所述混合的紫外光束中的已檢測的第一光能強度與由所述投射透鏡發(fā)射的在所述混合的紫外光束中的已檢測的第一光能強度進行比較，以確定所述煙氣流中Hg°/SA的總輻射吸收值，將由所述聚光透鏡組件接收的在所述混合的紫外光束中的已檢測的第二光能強度與由所述光投射透鏡發(fā)射的在所述混合的紫外光束中的已檢測的第二光能強度進行比較，以確定代表所述煙氣流中SO2的濃度的校正因子，并通過所述校正因子調(diào)節(jié)所述Hg°/SA的總輻射吸收值，以提供表示Hg°的吸收的校正的吸收值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置的用途，其特征在于，還包括將所述校正的吸收值與多個預定值進行對比，所述多個預定值中的每個指示一個選定的單質(zhì)汞蒸氣濃度。
18.一種用于實時原位測量或監(jiān)測燃煤電廠的煙氣流中的汞的汞監(jiān)測裝置，包括輻射能量源，所述輻射能量源包括汞燈，所述汞燈可操作用于輸出窄譜的第一波長的光能，所述第一波長的光能具有限定在 253. 7nm+/-0. 05nm 的波長，紫外發(fā)光二極管，所述紫外發(fā)光二極管可操作用于輸出寬譜的第二波長的光能，所述第二波長的光能具有選在254nm+/-20nm的范圍的波長，投射透鏡，所述投射透鏡被光學耦合到所述汞燈和所述紫外發(fā)光二極管，并被設置在相對于所述煙氣流的排氣煙 的第一位置，所述投射透鏡用于將一束光能量傳播穿過至少部分的所述煙氣流，聚光透鏡組件，所述聚光透鏡組件被放置在與所述第一位置相間隔的、相對于所述排氣煙@的第二位置，所述聚光透鏡被定位以接收所述光能量束，光纖連接器，所述光纖連接器用于將所述輻射能量源與所述投射透鏡光學連接，所述光纖連接器包括·2 X 2的光耦合器，所述光耦合器用于光學地接收和混合來自所述汞燈和所述紫外發(fā)光二極管的光能，并將混合的光能傳輸?shù)剿鐾渡渫哥R以傳播所述光能量束，光探測器組件，所述的光探測器組件通常用于探測從所述投射透鏡發(fā)射的光能的強度，所述光探測器組件包括分光計，所述分光計用于測量由所述投射透鏡發(fā)射的作為參考強度的光能量束的光強和光波長中的至少一個。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的汞監(jiān)測裝置，其特征在于，所述光探測器組件被操作用于分別測量在所述煙氣流不存在的情況下由所述投射透鏡發(fā)射的所述光能量束中的所述第一波長的光能和所述第二波長的光能的強度，并測量穿過所述煙氣流的由所述聚光透鏡所接收的所述光能量束中的所述第一波長的光能和所述第二波長的光能的強度，并提供一個用于已測量的第一波長的光能的校正的吸收值，所述校正的吸收值取決于已測量的所述第二波長光能的強度的差值。
20.一種原位監(jiān)測燃煤爐的煙氣流中的汞的方法，包括提供具有限定在253. 7nm+/-0. 05nm的窄譜紫外波長的第一輻射能量輸出， 提供具有選在254nm+/-15nm的寬譜紫外波長的第二輻射能量輸出， 將所述第一輻射能量輸出和所述第二輻射能量輸出光學地混合為混合的輻射能量源， 將所述混合的輻射能量源通過所述煙氣流從第一位置傳播到與之間隔的第二聚光器的位置，成為一個大體上圓柱形的光束，測量在所述第一位置傳播的所述第一輻射能量輸出和所述第二輻射能量輸出， 測量在所述第二位置會聚的所述第一輻射能量輸出和所述第二輻射能量輸出，以獲得各自吸收值，通過與所述第二能量吸收值相關(guān)的校正值來校正所述第一輻射能量吸收值，以獲得校正的吸收值。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，將所述校正的吸收值與一系列分別表示預定的單質(zhì)汞蒸氣濃度的吸收值進行比較。
22.根據(jù)權(quán)利要求1到13中任一項所述的裝置，其特征在于，還包括至少一個用于安裝所述投射透鏡的安裝法蘭組件和至少一個噴氣口，所述安裝法蘭組件包括實質(zhì)上透過紫外光的密封窗口，所述密封窗口用于將所述投射透鏡與所述煙氣流實質(zhì)上隔離，所述噴氣口用于將氣流導向所述密封窗口，以移去在其上積累的污垢或碎片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于連續(xù)監(jiān)測氣流的裝置和方法，包括一個光學傳感器，該光學傳感器通過計算在253.7nm+/-0.05nm波長范圍處的紫外光的吸收來監(jiān)控和/或測量煙氣中的汞(Hg)含量。因此，本裝置提供了，例如，一個窄譜的紫外光源，一個汞燈。寬譜的紫外光源包括紫外發(fā)光二極管(UV LED)。提供一個2×2的耦合器以將傳播通過氣流的窄譜紫外光能和寬譜紫外光能混合。本發(fā)明認識到在254nm+/-1.5nm波長范圍處的輻射吸收的測量不僅能夠獲得煙氣中汞的含量，也能獲得煙氣中SO2的含量。為了補償二氧化硫，測量在253.7nm+/-0.05nm波長范圍的窄譜輻射能量的能量吸收以及波長在254nm+/-20nm的相對寬譜的范圍處的紫外光的能量吸收，識別出在排放的煙氣中的二氧化硫傾向于吸收較寬的紫外區(qū)的紫外光。計算較寬范圍的紫外光的吸收來提供一個校正因子，該校正因子被用于校正對窄的輻射能量范圍的能量吸收值，為由于汞的存在而導致的吸收提供更加精確的測量。
文檔編號G01N21/15GK102439423SQ200980159238
公開日2012年5月2日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者H.·莫羅 威廉姆, 杰洛米·蒂埃博, 雷扎·瑪尼, J.·湯姆森 默里 申請人:H.·莫羅 威廉姆, 杰洛米·蒂埃博, 雷索南斯有限公司, 默里 J.·湯姆森