基于14C同位素在线检测的生物质混燃比监测系统及方法与流程

本发明涉及一种通过实时检测烟气中碳同位素¹⁴c的浓度，来确定生物质与煤混燃锅炉的混燃比方法，属于锅炉设备技术领域。

背景技术：

生物质混燃发电指在传统的燃煤锅炉基础上，通过在煤炭中掺烧一定比例的生物质燃料进行发电，可有效实现对清洁能源的利用，达到节能减排的目的。与其他生物质发电方式，如生物质直燃发电、气化发电等相比，生物质与煤混燃发电具有可有效减少co2排放量，不需对燃煤电厂进行较大改造，受季节、生物质原料收购情况的影响小等优势。目前，我国生物质燃烧发电主要采用直燃方式，但随着其高速发展，已出现行业无序竞争、原料短缺、扶持政策滞后、资金不足、人才缺乏等问题。而对于混燃发电，由于缺乏对混燃比的有效监测手段，我国政策对其补助力度较小，限制了生物质混燃发电的发展。电价补贴对生物质混燃比例要求80％以上，但依旧存在对此比例的计量问题。

¹⁴c是碳的一种放射性同位素，其半衰期约为5730年，远小于煤炭的形成时间，因此在煤炭中¹⁴c含量趋于0。但其含量在生物质中基本稳定。因此，可通过检测生物质及煤炭混合燃烧后烟气中¹⁴co2浓度，确定生物质与煤混燃的比例。可采用的同位素检测手段有：非分散红外光谱法、激光光谱法及傅里叶变换红外光谱法等。建立生物质与煤混燃比例的监测机制十分重要，第一可避免生物质直燃发电厂掺烧煤炭，第二可根据实际混燃比例出台相应的补贴政策，取消80％的混燃比例要求，促进生物质与煤混燃在国内的发展。

技术实现要素：

本发明提出一种基于¹⁴c同位素浓度在线检测的生物质混燃比确定方法，以达到对生物质混燃锅炉混燃比实时监测的目的。

本发明的技术方案如下：

一种基于¹⁴c同位素浓度在线检测的生物质混燃比监测系统，其特征在于：该系统包括混燃锅炉、尾部烟道、抽气管路、气体冷却器、过滤器、干燥器、¹⁴c同位素在线检测仪和烟气分析仪；所述的尾部烟道通过抽气管路依次与气体冷却器、过滤器、干燥器、¹⁴c同位素在线检测仪和烟气分析仪连接；所述的¹⁴c同位素在线检测仪内安置热电偶、加热器和压力传感器。

本发明的技术特征还在于：在¹⁴c同位素在线检测仪和干燥器之间的气体管路上，即在¹⁴c同位素在线检测仪中气体吸收池入口处设有稳压阀。

本发明提供的一种基于¹⁴c同位素浓度在线检测的生物质混燃比监测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)从混燃锅炉尾部烟道中实时抽取烟气，通过气体冷却器降温后依次送入过滤器和干燥器,除去烟气中的灰尘和水蒸气，之后将烟气送入¹⁴c同位素在线检测仪，在其内部气体吸收池中烟气需处于恒温恒压状态，检测得到¹⁴co2浓度；

2)从¹⁴c同位素在线检测仪出来的烟气再送入烟气分析仪，检测烟气中的co、co2和so2浓度；

3)利用如下公式计算混燃燃料中生物质的掺混比：

式中，r为混燃燃料收到基中生物质的掺混比例；fc、fs分别为混燃燃料收到基中煤炭的碳元素和硫元素质量含量百分比；bc为混燃燃料收到基中生物质的碳元素质量含量百分比，b14为所述生物质中¹⁴c占碳元素总量的比值，g14为烟气中¹⁴co2浓度，gco为烟气分析仪采集到的烟气中co浓度，为烟气分析仪采集到的co2和so2的浓度和。

本发明的上述方法中，其特征在于：所述¹⁴c同位素在线检测仪检测¹⁴co2浓度的精度至少为0.1ppt，即10^-13量级。

本发明具有以下优点及突出性效果：①采用¹⁴co2浓度确认混燃比例，受煤和生物质其他成分含量变化的干扰小，准确性高。②通过温度和压力的负反馈机制，最大程度上减小了温度和气压变化对测量结果的影响；③通过在线监测¹⁴co2浓度的变化，可实时得到生物质混燃的比例；④本发明适用于以秸秆、木材等多种农林业废弃物为生物质原料的锅炉，受原料种类的限制小。

附图说明

图1为本发明提供的基于¹⁴c同位素浓度在线检测的生物质混燃比监测系统的结构简图。

1—混燃锅炉；2—尾部烟道；3—抽气管路；4—气体冷却器；5-过滤器；6—干燥器；7—稳压阀；8—¹⁴c同位素在线检测仪；9—烟气分析仪。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的原理、具体结构及实施方式。

图1为本发明提供的基于¹⁴c同位素浓度在线检测的生物质混燃比监测系统的结构简图，所述系统包括混燃锅炉1、尾部烟道2、抽气管路3、气体冷却器4、过滤器5、干燥器6、稳压阀7、¹⁴c同位素在线检测仪8和烟气分析仪9。所述混燃锅炉1为生物质与煤炭混燃锅炉，其尾部烟道2上接有抽气管路3。抽气管路3经过气体冷却器4依次连接过滤器5和干燥器6。在¹⁴c同位素在线检测仪8和干燥器6之间的气体管路上，即在¹⁴c同位素在线检测仪8中气体吸收池入口处设有稳压阀7，¹⁴c同位素在线检测仪出口连接烟气分析仪9。在所述的¹⁴c同位素在线检测仪8内部通过热电偶、压力传感器、加热器等维持待测气体的温度压力稳定。

基于¹⁴c同位素浓度在线检测的生物质混燃比监测方法，其具体步骤如下：

从混燃锅炉尾部烟道中实时抽取烟气，通过气体冷却器4降温，烟气温度须降至25℃左右，之后依次送入过滤器5和干燥器6,除去烟气中的灰尘和水蒸气；干燥后烟气经过稳压阀7送入¹⁴c同位素在线检测仪，在其内部气体吸收池中烟气需处于恒温恒压状态，检测得到¹⁴co2浓度；¹⁴c同位素在线检测仪检测¹⁴co2浓度的精度至少为0.1ppt，即10^-13量级，采集其中¹⁴co2浓度信息后将烟气输入至烟气分析仪9，检测烟气中co、co2和so2浓度含量。所述¹⁴c同位素在线检测仪采用但不限于以下方法进行检测：非分散红外光谱法、激光光谱法及傅里叶变换红外光谱法等。所述气体冷却器采用间接冷却方式，可使用但不限于在烟气管路外增设水冷套管的方式冷却。所述干燥器采用但不限于采用nafion管和添加he-3型化学干燥剂的干燥管等。过滤器采用但不限于不锈钢颗粒过滤器、多孔陶瓷过滤器和烧结多孔金属过滤器等。

通过上述过程得到烟气中¹⁴co2浓度、co浓度及ro2浓度；根据元素质量守恒原理，可得到:

其中，bs为所述燃料收到基中生物质中的硫元素质量含量百分比，f14为所述煤炭中¹⁴c占碳元素总量的比值，uc为混燃燃烧后剩余的未燃尽碳与燃料收到基的质量比值。由于bs、f14均为极小量，可取其值为0。

另外，将烟气分析仪采集到的co2和so2的浓度和记为

原等式化简如下：

得到：

当燃烧较为充分时，uc≈0，上式化简得到：

式中，r为混燃燃料收到基中生物质的掺混比例；fc、fs分别为混燃燃料收到基中煤炭的碳元素和硫元素质量含量百分比；bc为混燃燃料收到基中生物质的碳元素质量含量百分比，b14为所述生物质中¹⁴c占碳元素总量的比值，g14为烟气中¹⁴co2浓度，gco为烟气分析仪采集到的烟气中co浓度，为烟气分析仪采集到的co2和so2的浓度和。

本发明提供的基于¹⁴c同位素浓度在线检测的生物质混燃比监测方法中的生物质燃料可以是秸秆、木材或其他农林业废弃物。