СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ПОТОКА, СОСТОЯЩЕГО ИЗ СМЕСИ ПАРА, ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ И ГАЗОВ, ПОТЕНЦИАЛЬНО СОДЕРЖАЩИХ ХЛОРИСТЫЙ ВОДОРОД, И ПРОХОДЯЩЕГО В ВЫТЯЖНЫХ ТРУБАХ, И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N30/00 G01N30/72 

В течение последних лет стала актуальной проблема ограничения выбросов газов из промышленных установок. В соединениях, для которых установлены предельно допустимые нормы выброса в атмосферу относятся НCl, SO₂ и окислы азота NO_x. В настоящее время существует ограниченное количество систем непрерывного контроля выброса газов, содержащих НСl. Для улучшения работы промышленных установок, перерабатывающих опасные отходы, и контроля выброса газов для оценки риска существует постоянная необходимость в системе непрерывного контроля выбросов отходящих газов, особенно HCl.

Известна система постоянного контроля выбросов (СЕMS), состоящая из двух основных подсистем: аналитическая подсистема и подсистема отбора проб. Подсистема отбора проб содержит последовательно расположенные пробоотборник, первый трубопровод, блок фильтрации и второй трубопровод, а в качестве аналитической подсистемы был выбран масс-спектрометр [1] Известно применение систем непрерывного контроля выбросов для измерения концентрации таких соединений как, например, О₂ и окислы азота. Эти соединения можно подавать в аналитический прибор после охлаждения газообразных выбросов, поскольку эти газы обычно находятся при температуре окружающей среды. Так как ни одно из этих соединений не является химически активным, то системы отбора проб этих соединений сравнительно просты. Отсутствует необходимость в применении нагреваемой системы. Однако для таких соединений как, например, НСl известные способы отбора проб для системы непрерывного контроля газообразных выбросов являются неудовлетворительными.

Задача изобретения создание системы, основанной на масс-спектрометрическом анализе, для непрерывного контроля выбросов газов, содержащих, по крайней мере, О₂, СО₂, SO₂, NO_х и НСl, а также подсистемы для отбора проб, которая будет поддерживать НСl в парофазной среде, исключая тем самым коррозию и уменьшая проблемы, связанные с химической активностью раствора НСl в воде.

Одним из объектов изобретения является способ непрерывного контроля газообразного выброса из выходящего потока, содержащего НСl. Способ включает следующие стадии: извлечение пробы газообразного потока; передачу пробы по трубопроводу, расположенному внутри вытекающего потока, для поддержания температуры пробы; фильтрацию пробы в горячем состоянии, передачу пробы по нагретому трубопроводу в блок анализа, причем скорость потока отфильтрованной пробы поддерживают не менее 10 л/мин. Отфильтрованную пробу анализируют в масс-спектрометре. На протяжении всего процесса пробу поддерживают при температуре не ниже 190^oC.

Другим объектом реализации изобретения является система взятия пробы, состоящей из смеси газа, пара и дисперсного материала. Система включает в себя средство отбора пробы внутри вытекающего потока для непрерывного взятия проб этого потока, трубопровод, сообщающийся с пробоотборным средством, причем трубопровод нагревается выходящим потоком; нагреваемую фильтрующую систему, сообщающуюся с трубопроводом, по крайней мере один нагреваемый передающий трубопровод, сообщающийся с нагреваемой фильтрующей системой, анализатор, сообщающийся с передающим трубопроводом, причем анализатор содержит нагреваемый насос для пробы и нагреваемую капиллярную трубку для ввода пробы в масс-спектрометр, причем насос установлен в непосредственной близости и вверх по течению от капиллярной трубки. Насос поддерживает скорость потока не менее 10 л/сек. Температура на протяжении всей системы не менее 190^oC.

Чертеж показывает схематическую систему для отбора проб в соответствии с изобретением. Средство для отбора проб, которым предпочтительно является зонд 1 для отбора пробы, состоящей из фильтра 2 размером 30 мк, установленного на трубке из нержавеющей стали, смонтировано внутри вытяжной трубы 3 на расстоянии примерно 8 диаметров дымовой трубы вниз по течению от впускных трубопроводов вентиляторов, приводящих в движение выходящий поток через вытяжную трубу, и на расстоянии 8 диаметров вытяжной трубы вверх по течению от выпускного отверстия для вытекающего потока на конце дымовой трубы. Трубопровод для отбора проб проходит через вытяжную трубу внутри вытекающего потока так, чтобы тепло из дымовой трубы поддерживало заданную температуру пробы, таким образом исключается необходимость в данном передаточном трубопроводе, который требует нагрева и обслуживания. Трубопровод для пробы может сначала проходить от средства отбора проб к нагреваемой камере 4, расположенной на стенке вытяжной трубы, которая упрощает техническое обслуживание зонда и обеспечивает cоединения с источником стандартных газов, применяемых в калибровании и испытании.

У основания дымовой трубы трубопровод для отбора пробы входит во вторую нагреваемую полость 5, которая включает в себя ряд фильтров, состоящий из первого, предпочтительно циклонного фильтра 6 для удаления больших частиц, и второго фильтра 7, предпочтительно керамического фильтра из микроволокон стекловолокна для удаления небольших частиц. Небольшие частицы это те частицы, которые имеют размер меньше, чем примерно 5 0,1 мк. Источник 8 сжатого воздуха можно подсоединить к первому фильтру 6 для периодической продувки системы с целю исключения забивания трубопровода для пробы и фильтра. Затем проба дымового газа проходит по нагреваемому передающему трубопроводу на нагреваемую позицию 9 для ее анализа.

Нагреваемая позиция 9 для анализа газа состоит из насоса 10, предпочтительно струйного, который применяют для подачи, со скоростью не менее 10 л/мин, пробы газа из дымовой трубы в полость, расположенную вверх по течению от масс-спектрометра 11, и в нагреваемую капиллярную трубку 12 для ввода пробы в масс-спектрометр. Позиция для анализа газа может также включать в себя второй ряд фильтров для дополнительного удаления порошкообразного материала. Предпочтительно второй ряд фильтра состоит из циклонного фильтра 13 для удаления больших частиц и второго керамического фильтра 14 для удаления мелких частиц. Через конечный фильтр проходят частицы размером только меньше чем 0,1 мк. После фильтрования пробу дымового газа можно разделить и направить в анализатор 15 для анализа всех углеводородов. Второй насос 16, предпочтительно диафрагменный, оснащенный регулятором противодавления на выходной стороне насоса, обеспечивает подачу соответствующего потока пробы в масс-спектрометр. Отфильтрованную пробу можно подавать в масс-спектрометр через управляемую компьютером 16-позиционную поворотную заслонку 18, которая может также иметь соединения для подвода калибрующих газов в масс-спектрометр.

Для точного анализа газа в присутствие НСl критическим является поддержание пробы при соответствующей повышенной температуре. Небольшое охлаждение, допускающее конденсацию воды, удаляет не только НСl, но приводит к осаждению частиц из потока газы с последующим забиванием системы. Для измерения концентрации НСl систему нагревают до температуры не менее 190^oC. Поскольку НСl является очень реакционноспособным веществом, то это может вызвать коррозию. Повышенные температуры, которые обеспечивают поддержание НСl в паровой фазе, исключают проблемы коррозии.

Реакционная природа НСl может привести к стеновым эффектам, т.е. к адсорбции и десорбции с поверхностей. Таким образом важным фактором в уменьшении этих эффектов является применение соответствующих конструкционных материалов. Предпочтительно применяют такие материалы, как, например, тефлон и нержавеющую сталь, поскольку они имеют наименьшую склонность к поглощению НСl.

Масс-спектрометр модифицирован для уменьшения адсорбции НСl и улучшения его рабочей характеристики.

Скорость потока пробы также оказывает значительный эффект на адсорбцию НСl. Известно, что НСl имеет тенденцию к адсорбции на поверхностях материала при скорости потока меньше, чем 10 л/мин.

Хотя скорость потока из источника пробы в вытяжной трубе в выпускное отверстие диафрагменного насоса составляет преимущественно 15 л/мин, однако поток через поворотную заслонку значительно снижается. Поэтому капиллярную трубку из плавленой двуокиси кремния для ввода пробы в масс-спектрометр переместили от общего выпускного отверстия поворотной заслонки к выпускному отверстию диафрагменного насоса, где скорость потока высокая.

Система CEMS в соответствии с изобретением требует минимального обслуживания. Для масс-спектрометра необходимы только периодические очистка и осмотр. Система отбора проб не показала какие-либо признаки коррозии по время ее испытания, и она требует только минимального обслуживания, заключающуюся в ежедневной продувке и периодической замене фильтров в системе. Фильтры следует заменять два-три раза в месяц, причем на их замену затрачивается примерно один час.

Перед измерением систему калибруют стандартные газы вводят двумя путями. Во-первых, для ввода в масс-спектрометр емкости стандартных газов соединяют с поворотной заслонкой 16 (чертеж). Во-вторых, для подачи газа через систему отбора пробы газа из емкостей стандартных газов вводят в камеру, предназначенную для осмотра зонда. Для испытаний, проводимых для оценки работы системы отбора проб, фильтр зонда отсоединяют и на его место вставляют тройник, к одной стороне которого подсоединяют поток стандартного газа.

Во время испытания на определение отклонения в калибровании измеряют стабильность калибрования системы CEMS c течением времени. Испытания проводят на эталонных газах как при нулевом, так и высоком уровнях. После поверки прибора вводят эталоны через систему отбора проб и замеряют нулевое время. После 24 ч, во время которых не осуществляют осмотр, ремонт или регулировку, эталонные газы вводят снова и делают второй замер при показании времени 24 ч. После замера при отметке времени 24 ч прибор калибруют и затем замеряют при нулевом времени. Обычно испытание повторяют в течение семи последовательных дней.

Для каждого 24-часового периода отклонение в калибровании вычисляют по уравнению:
,
где d (измерение при нулевом времени) (измерение после 24 ч)
величина протяженности верхний предел диапазона измерений системы СЕMS, установленный для оборудования
Испытание на определение погрешности в калибровании предназначено для оценки точности и линейности системы CEMS в течение всего диапазона измерений.

Ошибку в калибровании вычисляют по уравнению:
,
где среднее различие между реакцией системы СЕМS и известной эталонной концентрацией.

Испытание на относительную точность применяют для оценки метода калибрования и доказательства способности системы СЕМS обеспечить точные данные измерений. Результаты измерений системы CEMS сравнивают с эталонным измерением. Обычно для каждого оцениваемого соединения проводят минимум девять испытаний.

Относительную точность вычисляют по уравнению:
,
где абсолютная величина среднего значения различий между измерениями CEMS и эталонным измерением
абсолютная величина доверительной вероятности
среднее эталонное измерение.

Изобретение раскрыто на примере конкретного исполнения, однако объем изобретения не ограничен этим конкретным исполнением.

Использование: для непрерывного контроля потока, состоящего из смеси пара, дисперсных частиц и газов, потенциально содержащих хлористый водород, и проходящего в вытяжных трубах. Сущность изобретения: способ включает отбор пробы из потока, передачу ее по нагретому трубопроводу, фильтрацию пробы в горячем состоянии, дальнейшую передачу ее по нагретому трубопроводу к месту анализа и анализ путем масс-спектрометрии. Скорость движения пробы составляет не менее 10 л/мин. Температура пробы не менее 190^oC во время всего процесса. Система для реализации способа содержит последовательно расположенные пробоотборник, первый трубопровод, блок фильтрации, второй трубопровод и анализатор. Пробоотборник расположен внутри вытяжной трубы по потоку. Анализатор содержит последовательно расположенные насос, производительностью не менее 10 л/мин, капилляр и масс-спектрометр. Пробоотборник, блок фильтрации, трубопроводы и насос выполнены с возможностью нагрева не менее, чем до 190^oC. 2 с и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ непрерывного контроля потока, состоящего из смеси пара, дисперсных частиц и газов, потенциально содержащих хлористый водород, и проходящего в вытяжных трубах, включающий отбор пробы из потока, передачу ее по нагретому трубопроводу, фильтрацию пробы в горячем состоянии, дальнейшую передачу ее по нагретому трубопроводу к месту анализа и анализ путем масс-спектрометрии, отличающийся тем, что скорость движения пробы составляет не менее 10 л/мин, а ее температура не менее 190^oС во время всего процесса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодически проводят калибровку пробы с помощью калибровочного газа при среднем дрейфе калибрования не более 0,05% в течение всего периода калибрования. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пробу разделяют на два потока, один из которых направляют на масс-спектрометрический анализ, а другой для анализа углеводородов. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что фильтрацию пробы газа проводят последовательно через систему фильтров с уменьшающимися размерами пор. 5. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что дополнительно после разделения пробы проводят вторую стадию фильтрации пробы перед масс-спектрометрическим анализом. 6. Способ по пп.1-5, отличающийся тем, что определяют содержание оксида серы (IV), оксида азота (II), хлористого водорода, хлора, азота, кислорода, оксида углерода (IV) и аргона. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит стадию поддержания протекающего процесса без его регулировки после ввода калибрующего газа. 8. Система непрерывного контроля потока, состоящего из смеси пара, дисперсных частиц и газов, потенциально содержащих хлористый водород, и проходящего в вытяжных трубах, содержащая последовательно расположенные пробоотборник, первый трубопровод, блок фильтрации, второй трубопровод и анализатор, отличающаяся тем, что пробоотборник расположен внутри вытяжной трубы по потоку, анализатор содержит последовательно расположенные насос производительностью не менее 10 л/мин, капилляр и масс-спектрометр, причем пробоотборник, блок фильтрации, трубопроводы и насос выполнены с возможностью нагрева не менее, чем до 190^oС. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что производительность насоса составляет 15 л/мин. 10. Система по пп.8 и 9, отличающаяся тем, что пробоотборник содержит фильтр, задерживающий частицы более 30 мкм. 11. Система по п.8, отличающаяся тем, что между пробоотборником и блоком фильтров установлена первая нагревательная камера. 12. Система по п.8, отличающаяся тем, что узел соединения для инжекций калиброванных газов в систему расположен во второй нагревательной камере. 13. Система по п. 8, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит управляемый многовходовой клапан, сообщающийся с масс-спектрометром и выполненный из фторопласта или нержавеющей стали.