申请/专利权人：中国船舶重工集团公司第七一八研究所

申请日：2019-07-15

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN110297066B

主分类号：G01N33/00

分类号：G01N33/00;G01N31/10;G01D21/02;G01N1/44;G01N1/28

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2019.11.01#实质审查的生效;2019.10.01#公开

摘要：本发明提供一种VOCs浓度的在线测量装置，主要由测量单元、计算单元、显示和报警单元组成；所述测量单元用于测量化学反应前后样气的温度和采样气体的压力；所述计算单元用于根据测量中心测量的数据进行样气浓度的计算；所述显示和报警单元用于显示所述样气浓度，并在样气浓度超过设定阈值时进行报警。本发明在VOCs浓度的在线测量装置，该装置结构简单、安全可靠，测量范围大。

主权项：1.一种VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，主要由测量单元、计算单元、显示和报警单元组成；所述测量单元用于测量化学反应前后样气的温度和采样气体的压力；所述计算单元用于根据测量中心测量的数据进行样气浓度的计算；所述显示和报警单元用于显示所述样气浓度，并在样气浓度超过设定阈值时进行报警；所述测量单元包括压力传感器1、卡套四通4、一号热电偶5、预热加热器6、预热处理器7、二号热电偶8、卡套三通9、传感器加热器10、传感器11、四通连接器12以及三号热电偶13；其中，卡套四通4的一个接头作为采样气体的进气口，其余三个接头分别连接一号热电偶5、压力传感器1高压端及预热处理器7的一端，预热加热器6位于预热处理器7外部；所述预热处理器7的另一端连接卡套三通9，所述卡套三通9的剩余两接头分别连接二号热电偶8和传感器11，其中所述二号热电偶8利用反卡接头从卡套三通9的接头插入至预热处理器7中，其顶端与预热处理器7出口平齐，所述传感器11内装气体敏感材料，传感器加热器10位于传感器11表面；传感器11出口连接四通连接器12，所述四通连接器12其余三个接头中的一个作为尾气排气口，另外两个分别连接分压传感器1低压端和三号热电偶13，其中三号热电偶13通过反卡接头插入至传感器11内部催化敏感材料表面。

全文数据：一种VOCs浓度在线测量装置技术领域本发明涉及一种测量挥发性有机物VolatileOrganicCompounds，VOCs浓度的在线测量装置，属于易燃易爆气体浓度测量技术领域。背景技术VOCs是指那些沸点等于或小于250℃的有机化学物质，一般来源于燃料的燃烧、建筑材料如人造板、泡沫隔热材料、有机溶剂等。随着经济的迅猛发展，VOCs气体排放源不断增加，VOCs排放规模也呈逐年增加的趋势。其不仅严重威胁人体健康，诱发人体病变；还直接威胁自然环境，导致光化学污染，进入高空的VOCs还可以与臭氧反应，使臭氧层受到破坏。因此，对集中排放源的VOCs进行治理成了环保工作的重点内容之一。目前，在潜在的VOCs排放企业，均要求安装VOCs后处理设备，只有达到规定排放标准的工业废气才能进行排空。在VOCs的集中治理过程中，含高浓度VOCs气体的废气被收集，造成局部可燃气体浓度较高，在经过催化燃烧或其它吸附处理时，很容易引起点火风险，造成严重的生产事故。为避免爆炸事故发生，保障安全生产，需要构建VOCs气体浓度报警系统对可燃气体聚集状态进行监测，以对爆炸风险进行有效地控制。在正常运行工况下，VOCs气体后处理装置内呈现高温、压力波动等特点，因此目标物质浓度的测量具有很大的难度。目前，VOCs浓度测量装置主要是基于光离子化检测器PID和色谱分析法。PID使用了一个紫外灯光源将有机物打成可被检测器检测到的正负离子离子化，检测器测量离子化了的气体的电荷并将其转化为电流信号，电流被放大并显示出浓度值，在被检测后，离子重新复合成为原来的气体和蒸气，PID是一种非破坏性检测器，它不会“燃烧”或永久性改变待测气体，这样一来，经过PID检测的气体仍可被收集作进一步的测定。PID检测器可以检出低浓度0.1-2000ppm的VOCs。色谱分析法则是基于火焰离子化检测器FID。FID用氢气作为燃烧气，其中掺有氦气，氮气等洗脱剂，在一个圆筒状的电极里的喷嘴处燃烧，喷嘴与电极间电压高达几百伏，当含碳溶质在喷嘴处燃烧时，产生的电子离子对被喷嘴和电极处收集起来产生电流，该电流被放大并传送到记录仪或电脑数据采集系统的模数转换器处，分析待测物浓度。FID检测器特点是测量超低浓度VOCs，可以精确分析出具体分子种类及浓度。PID和FID检测器都有用来研发厂区环境或公共环境VOCs浓度测量的经验，然而，由于基于以上两种检测器的监测设备需要复杂的预处理设备，不便操作，作为工业过程控制产品使用时不利于现场工人使用。维护周期短，需要频繁测试传感器工作状态，传感器易损，很难在恶劣的生产线上维持长久的寿命。此外，以上两种检测器成本较高，维护费用更是不菲。综上，PID和FID检测器测量方法具有较多技术短板，无法对VOCs集中处理管线中的可燃气体浓度进行在线连续的测量，不仅成本高，而且运行稳定性差。因此，VOCs气体集中治理管线在线浓度监测装置急需稳定可靠、成本低VOCs监测设备，以增加管线运行的安全性。发明内容本发明的目的在于提供一种在VOCs浓度的在线测量装置，该装置结构简单、安全可靠，测量范围大。本发明的目的由以下技术方案实现：一种VOCs浓度的在线测量装置，主要由测量单元、计算单元、显示和报警单元组成；所述测量单元用于测量化学反应前后样气的温度和采样气体的压力；所述计算单元用于根据测量中心测量的数据进行样气浓度的计算；所述显示和报警单元用于显示所述样气浓度，并在样气浓度超过设定阈值时进行报警。进一步地，本发明所述测量单元包括压力传感器、卡套四通、一号热电偶、预热加热器、预热处理器、二号热电偶、卡套三通、传感器加热器、传感器以及三号热电偶；其中，卡套四通的一个接头作为采样气体的进气口，其余三个接头分别连接一号热电偶、压力传感器高压端及预热处理器的一端，预热处理器位于预热加热器外表面；所述预热处理器的另一端连接卡套三通，所述卡套三通的剩余两接头分别连接二号热电偶和传感器，其中所述二号热电偶利用反卡接头从卡套三通的接头插入至预热处理器中，其顶端与预热处理器出口平齐，所述传感器内装气体敏感材料，传感器加热器位于传感器表面；传感器出口连接四通连接器，所述四通连接器其余三个接头中的一个作为尾气排气口，另外两个分别连接分压传感器低压端和三号热电偶，其中三号热电偶通过反卡接头插入至传感器内部催化敏感材料表面。进一步地，本发明所述中风压传感器的高压端和低压端通过软管及软管接头与卡套四通的接头连接。进一步地，本发明所述预热加热和传感器加热器为管道加热器、加热套或管道伴热带。进一步地，本发明所述管道加热器，管道长度100～500mm，直径10～50mm，采用加热器功率100～900W。进一步地，本发明所述预加热器的加热出口温度100～400℃。进一步地，本发明所述一号、二号、三号热电偶为K、J型热电偶。进一步地，本发明所述传感器反应床为一端开口的管状结构，开口端带有外螺纹，封口端焊接金属进样管道；传感器封口件为带有内螺纹的螺帽结构，开口内径与VOCs传感器反应床外螺纹相配合，封口端焊接金属排气管道；反应床材质为不锈钢，长度20～300mm，直径20～50mm，内装催化剂10～50g，伴热加热器功率100～900W；进样管道和排气管道材质为不锈钢，直径10～50mm。进一步地，本发明所述传感器的催化剂可以为第一种催化剂或第二种催化剂，第一种催化剂，以Al2O3作为载体，Co、Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4％、0.45％、0.35％；所述催化剂还可以采用第二种催化剂，以Al2O3作为载体，Pt、Pd、Rh为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Pt、Pd、Rh的质量百分比含量分别为0.3％、0.7％、0.3％。进一步地，所述卡套三通和卡套四通材质为304或316L不锈钢。有益效果第一，本发明所述方法使VOCs气体和氧气在高温下发生化合反应，通过监测反应温升计算可燃气体浓度，装置结构简洁，响应速度快、准确度高，安全可靠。第二，本发明所述VOCs传感器中催化反应器的反应空间较大，所装催化剂稳定性高，能够长时间稳定可靠工作，降低维护周期及成本。第三，本发明所述方法测量范围大，能够测量空气中VOCs类物质浓度在0～100gm3。第四，本发明所述测量工艺集成采样管路、预热处理装置及一系列的压力和温度监测单元，传感器不受主管道VOCs气体温度及压力影响，测量准确度高。第五，本发明所述测量工艺不对外排放有害气体，全部尾气可充分分解降温后排空或返回至主管道，不对环境造成不良影响。附图说明图1为VOCs浓度在线测量装置的功能组成图；图2为本发明所述装置测量中心组成图；图3为本发明所述方法测试效果图；其中，1—风压传感器，2—软管，3—软管接头，4—卡套四通，5—一号热电偶，6—预热加热器，7—预热处理器，8—二号热电偶，9—卡套三通，10—传感器加热器，11—传感器，12—卡套四通，13—三号热电偶。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。VOCs气体和氧气催化化合反应放出大量的热，反应放热导致传感器温度升高，温度的升高值即温升值与反应放出热量的多少成正比关系。一定采样气体压力下，气体浓度越高，进入传感器气体流量越大，反应放出热量越多，因此，反应温升值与参加反应的VOCs浓度成正比关系。在集中治理工艺中，一定采样气体压力下，参加反应的VOCs量与采样气VOCs浓度有关。浓度越大，参加反应的VOCs越多；浓度越小，参加反应的VOCs越少。由此可知，反应温升值与采样气VOCs浓度成正比关系。基于以上原理，本发明提供一种VOCs浓度的在线测量装置，如图1所示，所述装置主要由测量单元测量中心、计算单元计算中心、显示和报警单元组成。所述测量单元用于测量化学反应前后样气的温度和采样气体的压力；所述计算单元用于根据测量中心测量的数据进行样气浓度的计算；所述显示和报警单元用于显示所述样气浓度，并在样气浓度超过设定阈值时进行报警。如图2所示，本发明实施例所述测量单元包括压力或风压传感器1、卡套四通4,12、一号热电偶5、预热加热器6、预热处理器7、二号热电偶8、卡套三通9、传感器加热器10、传感器11以及三号热电偶13；本实施例中预热加热器6和传感器加热器10采用加热套管，其中，通过软管连接所述压力或风压传感器与采样管道，软管与压力或风压传感器之间通过金属紧固环固定，软管与不锈钢采样管道之间通过金属连接器连接。所述热电偶通过螺纹连接或反卡接头固定于监测点。所述各部件之间通过不锈钢三通或四通连接，或采用焊接连接。具体为：卡套四通4的一个接头作为采样气体的进气口，其余三个接头分别连接一号热电偶5、压力或风压传感器1高压端及预热处理器7的一端，预热处理器7外面套装预热加热器6并通过螺母紧固；所述预热处理器7的另一端连接卡套三通9，所述卡套三通9的剩余两接头分别连接二号热电偶8和传感器11，其中所述二号热电偶8利用反卡接头从卡套三通9的接头插入至预热处理器7中，其顶端与预热处理器7出口平齐，所述传感器11内装气体敏感材料，传感器加热器10套装于传感器10表面并通过螺母紧固；传感器11出口连接四通连接器12，所述四通连接器12其余三个接头中的一个作为尾气排气口，另外两个分别连接分压传感器1低压端和三号热电偶13，其中三号热电偶13通过反卡接头插入至传感器11内部催化敏感材料表面。本实施例中风压传感器1的高压端和低压端通过软管2及软管接头与卡套四通的接头连接。装置通过以下步骤实现测量：1需要保温取样管道连接VOCs浓度的在线测量装置及处理管线内部，通过处理管线内部压力强迫采样气扩散至VOCs浓度在线监测装置，通过控制阀门开度来调节气体流量，监测进入装置气体压力P及温度T；取样管道长度1～10m，直径3～10mm。可以较佳选取为取样管道长度5m，直径10mm。2采用一号热电偶监测温度，压力或风压传感器监测进气压力，所述一号热电偶为可以为K、J型热电偶，较佳选取为K型铠装热电偶，所述压力或风压传感器具备信号上传功能，上传信号为0～5V或4～20mA，将采集的数据传输至信号计算中心；3采用预热加热器和二号热电偶加热预处理采样气体；所述加热器为管道加热器、加热套或管道伴热带，较佳选取为管道加热器，金属管道加热器，管道长度100～500mm，直径10～50mm，采用加热器功率100～900W。；所述二号热电偶为可以为K、J型热电偶，较佳选取为K型铠装热电偶；外部控温设备通过控制与报警单元发送控制信号并经计算单元，来调节加热器的加热功率，控温设备可以是可控硅调节器或数字指示控制仪等。加热出口温度100～400℃。较佳选取为使加热气体出口温度为400℃。4采样气体进入传感器进行催化反应发生分解，释放热量加热传感器，通过三号热电偶监测传感器反应温升，三号热电偶监测到的反应温度传输至信号处理中心；三号热电偶可以为K、J型热电偶。传感器加热器为管道加热器、加热套或管道伴热带。催化剂使取样管线内的VOCs气体和氧气在高温条件下发生化合反应，所述催化剂为能够使VOCs气体和氧气发生反应的催化剂，但是不限于一种催化剂；例如：第一种催化剂，以Al2O3作为载体，Co、Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4％、0.45％、0.35％。所述催化剂还可以采用第二种催化剂，以Al2O3作为载体，Pt、Pd、Rh为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Pt、Pd、Rh的质量百分比含量分别为0.3％、0.7％、0.3％。5信号处理中心对采集的采样气体压力、温度及在传感器中的反应温度进行分析并计算VOCs浓度，采用式I、II进行计算，得到浓度C；可采用可编程控制器来实现，采用液晶显示屏显示测量及计算结果；6采用保温管道返回至VOCs处理装置或经过充分降温后采用金属或其它管道排空。C＝K×T2-T1IK＝K1×P1+K2×TII其中，T1为化合反应前样气温度，T2为化合反应后样气温度，K为温升表征参数，其由公式II计算获得；P为取样气压力，T为取样气温度，K1、K2为传感器结构参数，取值分别为1×104、3×103。本发明实施例可采用金属管道加热器实现步骤3，管道长度500mm，直径10mm，采用加热器功率500W。本发明实施例可采用催化式VOC气体传感器实现步骤4，所述催化式VOCs传感器反应床为一端开口的管状结构，开口端带有外螺纹，封口端焊接金属进样管道；传感器封口件为带有内螺纹的螺帽结构，开口内径与VOCs传感器反应床外螺纹相配合，封口端焊接金属排气管道；反应床材质为不锈钢，长度100mm，直径50mm，内装催化剂50g，伴热加热器功率500W；进样管道和排气管道材质为不锈钢，直径10mm。对本实施例所述VOCs浓度监测装置做出测试实验如下：采用气体质量流量计流量范围0-10Lmin，精度±1％F.S.控制进入采样装置的空气流量，采用微流量注射泵行程5μmmin-130mmmin，误差≤±0.5％控制进入装置的苯类有机物速度；应用Origin8.0软件处理数据并绘图。在室温条件下，测试传所述装置针对VOCs浓度的响应情况，结果如图3所示，传感器针对空气中0-10.32gm3的VOCs响应线性度较高，测量准确性好，误差不高于±0.5gm3，说明该装置的可靠性好。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，主要由测量单元、计算单元、显示和报警单元组成；所述测量单元用于测量化学反应前后样气的温度和采样气体的压力；所述计算单元用于根据测量中心测量的数据进行样气浓度的计算；所述显示和报警单元用于显示所述样气浓度，并在样气浓度超过设定阈值时进行报警。2.根据权利里要求1所述VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，所述测量单元包括压力传感器1、卡套四通4,12、一号热电偶5、预热加热器6、预热处理器7、二号热电偶8、卡套三通9、传感器加热器10、传感器11以及三号热电偶13；其中，卡套四通4的一个接头作为采样气体的进气口，其余三个接头分别连接一号热电偶5、压力传感器1高压端及预热处理器7的一端，预热处理器7位于预热加热器6外部；所述预热处理器7的另一端连接卡套三通9，所述卡套三通9的剩余两接头分别连接二号热电偶8和传感器11，其中所述二号热电偶8利用反卡接头从卡套三通9的接头插入至预热处理器7中，其顶端与预热处理器7出口平齐，所述传感器11内装气体敏感材料，传感器加热器10位于传感器10表面；传感器11出口连接四通连接器12，所述四通连接器12其余三个接头中的一个作为尾气排气口，另外两个分别连接分压传感器1低压端和三号热电偶13，其中三号热电偶13通过反卡接头插入至传感器11内部催化敏感材料表面。3.根据权利里要求2所述VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，所述中压力传感器1的高压端和低压端通过软管2及软管接头与卡套四通的接头连接。4.根据权利里要求2所述VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，所述预热加热和传感器加热器为管道加热器、加热套或管道伴热带。5.根据权利里要求4所述VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，所述管道加热器，管道长度100～500mm，直径10～50mm，采用加热器功率100～900W。6.根据权利里要求2所述VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，所述预加热器的加热出口温度100～400℃。7.根据权利里要求2所述VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，所述一号、二号、三号热电偶为K、J型热电偶。8.根据权利里要求2所述VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，所述传感器反应床为一端开口的管状结构，开口端带有外螺纹，封口端焊接金属进样管道；传感器封口件为带有内螺纹的螺帽结构，开口内径与VOCs传感器反应床外螺纹相配合，封口端焊接金属排气管道；反应床材质为不锈钢，长度20～300mm，直径20～50mm，内装催化剂10～50g，伴热加热器功率100～900W；进样管道和排气管道材质为不锈钢，直径10～50mm。9.根据权利里要求2所述VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，所述传感器的催化剂可以为第一种催化剂或第二种催化剂，第一种催化剂，以Al2O3作为载体，Co、Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4％、0.45％、0.35％；所述催化剂还可以采用第二种催化剂，以Al2O3作为载体，Pt、Pd、Rh为活性成分，以催化剂的总质量为100％计，Pt、Pd、Rh的质量百分比含量分别为0.3％、0.7％、0.3％。10.根据权利里要求2所述VOCs浓度的在线测量装置，其特征在于，卡套三通和卡套四通材质为304或316L不锈钢。

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