本发明涉及气体中颗粒采样及浓度测量装置，具体涉及一种用于高温含油含尘气体的颗粒浓度测量装置。
背景技术：
以煤炭热解为基础的煤基多联产技术是一种煤炭高效清洁利用的重要技术手段，在高温缺氧环境下对富含挥发分的煤炭进行热解气化，可获得煤气、焦油和半焦，煤气经分离提纯可获得高品质气体燃料，焦油通过进一步深加工可获得高品质的化工产品，半焦可直接用于燃烧发电，从而实现煤炭分级转化清洁利用，具有广阔的应用前景。
煤炭经热解气化产生的粗煤气中含有大量的飞灰、煤炭等颗粒物，当前对这些颗粒物进行脱除的主要技术手段是，将高温含油含尘煤气直接送入急冷塔中冷却，将焦油和粉尘一起脱除。然而，这种颗粒物脱除方法会导致焦油中含尘量过高，不利于焦油的后续利用，进而限制了煤基多联产技术的大规模工业化应用。
高温含油含尘气体除尘技术是一种在高温环境下对颗粒物进行脱除的技术，包括高温旋风分离技术、颗粒床过滤技术以及高温静电除尘技术等。高温旋风分离技术是利用含尘气体进行高速旋转时所产生的离心力，将固体从气体中分离出来的除尘设备，但是高温旋风分离技术对小粒度的颗粒无效，故一般只能作为预除尘设备。高温静电除尘技术是在高压静电力作用下，使灰尘粒带有负电荷后，在电场力的作用下，向带有正电荷的极板方向运动，但是静电除尘技术目前在高温高压下运行时材料的稳定性和热涨性存在问题。
高温含油含尘气体具有温度高(400℃以上)，含有易冷凝气体(冷凝温度范围广，350℃左右就开始冷凝)的特点。在对颗粒物进行采样及浓度测量时，焦油冷凝会导致采集/测量的粉尘颗粒上含有较多液态焦油，影响采样及测量的准确性，除此之外，焦油在流量计及抽气泵上凝结，会损坏仪器，导致采样及测量工作无法正常进行。
传统的烟气采样及浓度测量系统均是针对不含油且温度较低的烟气，而对于含油含尘高温气体还没有很好的采样及测量手段。如中国发明专利申请(CN 107144505 A)公开一种湿烟气粉尘的测量装置，包括采用单元，其用于采集烟道中的湿烟气；以及测量单元，其与所述采样单元连通，且用于对采集后的湿烟气中的粉尘重量进行测量。由于结构上的限制，该装置只能用于对燃煤电厂的尾部湿烟气进行在线测量和采样测量，而无法用于高温含油含尘气体的测量。
鉴于上述缺陷，有必要提供一种用于高温含油含尘气体的颗粒采样及浓度测量系统。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于高温含油含尘气体的颗粒浓度测量装置，能够对高温含油含尘气体中的粉尘颗粒进行采样和准确测量粉尘浓度，此外能够避免焦油在流量计及抽气泵上凝结。
本发明所提供的技术方案为：
一种用于高温含油含尘气体的颗粒浓度测量装置，包括通过管路依序连通的粉尘颗粒采样单元、分级冷凝单元、低温急冷单元以及抽气泵；所述低温急冷单元与抽气泵之间的管路上设有流量计；
所述粉尘颗粒采样单元包括采样头、采样管以及采样管外侧的第一加热保温单元；所述采样管内设有石英滤筒以及安装石英滤筒的容纳腔。
本发明中采样管外侧设有第一加热保温单元，第一加热保温单元对采样管进行辅助加热及保温，确保整个采样过程在高温(大于400℃)环境中进行，使高温含油含尘气体中可凝结组分以气态形式存在，避免焦油冷凝造成粉尘颗粒采样及测量过程无法进行。
作为优选，所述第一加热保温单元包括电加热机构和保温层，通过调节电加热功率，保证采样管温度在400℃以上，确保焦油不会在管内凝结，影响采样测量精度及稳定性。保温层的材料选用岩棉板，厚度为100-200mm，控制保温层外侧温度不高于50℃。进一步优选，所述第一加热保温单元采用可拆卸结构，方便采样管中石英滤筒的装卸，例如螺纹、卡扣结构等。
本发明中分级冷凝单元可确保高温含油气体按冷凝点不同分级冷凝，保证冷凝焦油的流动性，防止焦油过冷造成管内堵塞。
本发明中低温急冷单元可保证高温含油气体中可凝结组分冷凝完全，避免焦油粘附在流量计及抽气泵中，影响设备稳定运行。
本发明中采样管的直径可以为5-20mm，石英滤筒的直径可以为20-50mm。作为优选，所述容纳腔与采样管的进气连接处为锥形结构。采样管与容纳腔之间采用锥形结构连接，有助于减少含尘气流从采样管到石英滤筒时由于流速骤然降低而造成的湍流，增加粉尘颗粒采样的精度。优选地，锥形结构的角度不超过20°，较小的圆锥角可以减少气流经过产生的湍流。
本发明中所述容纳腔采用可拆式结构。作为优选，所述容纳腔可以由两个连接管通过螺纹连接得到，其中一个连接管具有锥形结构。该结构可以实现石英滤筒的装卸，同时保证高温下的密封性。
本发明中所述分级冷凝单元由1-5级冷凝单元组成，相互之间通过冷凝管连通；所述冷凝单元包括焦油收集瓶，设置在焦油收集瓶上的冷凝管，以及设置在冷凝管外侧的第二加热保温单元。采用分级冷凝单元可防止遇冷凝结的焦油在局部低温区流动性不好，堵塞冷凝管，从而影响采样装置的稳定运行。
根据高温含油气体中可凝气体的液化温度及流动特性，可布置1-5级。所述分级冷凝单元设有1-5级，相互之间通过冷凝管连通。作为优选，相邻的冷凝单元之间通过冷凝进气端与冷凝出气端连通。
作为优选，所述冷凝管为三通管，包括冷凝进气端、冷凝出气端与焦油收集端；所述冷凝进气端与冷凝出气端采用V字型结构，V字型结构底部为焦油收集端。第1级冷凝单元的冷凝进气端与粉尘颗粒采样单元连通，末端的冷凝单元的冷凝出气端与低温急冷单元连通。高温含油气体从冷凝进气端进气，从冷凝出气端出气，在此过程中冷凝的液体由于重力作用经过焦油收集端流入焦油收集瓶中。
作为优选，所述分级冷凝单元设有3级，冷凝温度依次为300℃，200℃，100℃。第二加热保温单元同样包括加热机构和保温层，通过调节加热机构功率，保证冷凝管的温度为设置温度，保温层采用岩棉板，厚度50-150mm，控制保温层外侧温度不高于50℃。
作为优选，所述焦油收集端与焦油收集瓶之间采用橡皮塞密封。
本发明中所述低温急冷单元包括装有二氯甲烷的洗气瓶以及套设在洗气瓶外侧的低温恒温槽；所述冷凝管的冷凝出气端插入到洗气瓶中的二氯甲烷液面下，所述低温急冷单元与抽气泵通过排气管连通，在洗气瓶内的排气管位于二氯甲烷液面上。洗气瓶中装有二氯甲烷溶液，用于吸收经分级冷凝单元尚未冷凝的可凝结气体，防止其在后续的流量计和抽气泵中冷凝，影响仪器的正常运行。作为优选，低温恒温槽设定温度为-10-0℃，保证可凝气体能够吸收完全。
作为优选，所述抽气泵为真空泵，用于抽取高温含油含尘气体。所述抽气泵连接储气罐。煤炭热解产生的高温含油含尘气体中的不可凝煤气具有有毒、易爆等特点，不能随意排放。采用真空泵及储气罐有利于防止高危煤气的泄露。
作为优选，所述流量计为高精度质量流量计。通过测量石英滤筒中粉尘的质量，以及读取流量计中流量示数，从而计算得出高温含油含尘气体中粉尘浓度。
本发明中所述的用于高温含油含尘气体的颗粒浓度测量装置还包括动压平衡测量单元；所述动压平衡测量单元包括皮托管，微压计，热电偶，全压测量管以及静压测量管；所述皮托管、全压测量管与静压测量管分别与微压计连接。
热电偶用于分别测量含油含尘气体管道，以及经低温急冷单元后气体的温度。皮托管用于测量高温含油含尘气体管道中的全压和静压，全压测量管和静压测量管用于测量经低温急冷单元后气体的全压和静压，皮托管和全压/静压测量管之间通过微压计连接，通过调节真空泵的功率改变气体抽样的速度，当微压计平衡时，表明采样管中气流速度与高温含油含尘气体管道中的速度一致，即实现了等速测量。满足下式时表明实现了等速测量：
(P0-P0')×β＝(P1-P1')
其中，P0为皮托管测量的全压，P0'为皮托管测量的静压，(P0-P0')为含油含尘气体管道中流体的动压；P1为经低温急冷单元后气体的全压，P1'为经低温急冷单元后气体的静压，(P1-P1')为经低温急冷单元后气体的动压；β为调整系数，其数值由下式确定：
T0为含油含尘气体管道中流体的温度(℃)，d0为采样头的内径；T1为经低温急冷单元后气体的温度(℃)，d1为低温急冷单元后管子的内径。
本发明所述皮托管上设有第三加热保温单元。
作为优选，所述第三加热保温单元设置在皮托管非测量段，且所述第三加热保温单元与微压计之间的皮托管保持裸露。皮托管靠近高温含油含尘气体管道的部分外置第三加热保温单元，防止含油含尘气体扩散到皮托管中低温区，造成皮托管堵塞；同时，皮托管靠近微压计的部分保持裸露，防止与微压计连接的部分温度太高，对微压计造成损坏。其中，非测量段是指未进入高温含油含尘气体管道内的部分。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明中粉尘颗粒采样单元对采样管进行辅助加热及保温，确保整个采样过程在高温(大于400℃)环境中进行，使高温含油含尘气体中可凝结组分以气态形式存在，避免焦油冷凝造成粉尘颗粒采样及测量过程无法进行。
(2)本发明中分级冷凝单元可确保高温含油气体按冷凝点不同分级冷凝，保证冷凝焦油的流动性，防止焦油过冷造成管内堵塞。
(3)本发明中低温急冷单元可保证含油气体中可凝结组分冷凝完全，避免焦油粘附在流量计及真空泵中，影响设备稳定运行。
(4)本发明中设有动压平衡测量单元，利用动压平衡等速采样，保证采样过程的精确性。
附图说明
图1为实施例中颗粒浓度测量装置的结构示意图；
图2为实施例中粉尘颗粒采样单元的局部结构示意图；
图3为实施例中分级冷凝单元的结构示意图。
其中，1、粉尘颗粒采样单元；101、采样管；102、容纳腔；103、采样头；104、石英滤筒；105、第一加热保温单元；106、进气连接处；2、分级冷凝单元；201、冷凝进气端；202、冷凝出气端；203、第二加热保温单元；204、焦油收集瓶；205、焦油收集端；3、低温急冷单元；301、洗气瓶；302、低温恒温槽；303、排气管；4、动压平衡测量单元；401、微压计；402、皮托管；403、静压测量管；404、全压测量管；405、第三加热保温单元；5、流量计；6、真空泵；7、储气罐；8、高温含油含尘气体管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，用于高温含油含尘气体的颗粒浓度测量装置包括粉尘颗粒采样单元1、分级冷凝单元2、低温急冷单元3、动压平衡测量单元4、流量计5、真空泵6以及储气罐7。其中，粉尘颗粒采样单元1、分级冷凝单元2、低温急冷单元3、真空泵6以及储气罐7依次通过管路连通。低温急冷单元3与真空泵6之间的管路上设有流量计5，流量计5为高精度质量流量计，通过测量石英滤筒104中粉尘的质量，以及读取流量计5中流量示数，从而计算得出高温含油含尘气体中粉尘浓度。
粉尘颗粒采样单元1包括采样头103、采样管101以及采样管101外侧的第一加热保温单元105，采样管101内设有石英滤筒104以及安装石英滤筒104的容纳腔102。颗粒浓度测量装置工作时，采样头103安装在高温含油含尘气体管道8中，其他结构则可以安装在管道外侧。
采样管101的直径可以为5-20mm，石英滤筒104的直径可以为20-50mm。容纳腔102与采样管101的进气连接处106为锥形结构，角度不超过20°。采样管101与容纳腔102之间采用锥形结构连接，有助于减少含尘气流从采样管101到石英滤筒104时由于流速骤然降低而造成的湍流，增加粉尘颗粒采样的精度。
粉尘颗粒采样单元1的采样头103、采样管101均可以使用耐热合金钢或310S不锈钢，实现高温条件下的稳定采样及测量。
如图2所示，容纳腔104由两个连接管通过螺纹连接得到，其中一个连接管具有锥形结构，该结构可以实现石英滤筒104的装卸，同时保证高温下的密封性。
采样管101外侧安装有第一加热保温单元105。第一加热保温单元105包括电加热机构和保温层，通过调节电加热功率，保证采样管101温度在400℃以上，确保焦油不会在管内凝结，影响采样测量精度及稳定性。保温层的材料选用岩棉板，厚度为100-200mm，控制保温层外侧温度不高于50℃。此外，第一加热保温单元105采用可拆卸结构，方便采样管101中石英滤筒104的装卸，可拆卸结构可选择例如螺纹、卡扣结构等。
如图3所示，分级冷凝单元2串联设有三级冷凝单元，由于每一级冷凝单元结构相同因此仅介绍其中一级。冷凝单元包括焦油收集瓶204，设置在焦油收集瓶204上的冷凝管，以及设置在冷凝管外侧的第二加热保温单元203。冷凝管为三通管，包括冷凝进气端201、冷凝出气端202与焦油收集端205；冷凝进气端201与冷凝出气端202采用V字型结构，V字型结构底部为焦油收集端205。焦油收集端205与焦油收集瓶204之间采用橡皮塞密封。
相邻的三级冷凝单元相互之间通过冷凝进气端201与冷凝出气端202连通。第一级冷凝单元的冷凝进气端201与粉尘颗粒采样单元1连通，第三级冷凝单元的冷凝出气端202与低温急冷单元3连通。采用分级冷凝单元2可防止遇冷凝结的焦油在局部低温区流动性不好，堵塞管道，从而影响采样装置的稳定运行。
分级冷凝单元2设有三组第二加热保温单元203，冷凝温度依次为300℃，200℃，100℃。第二加热保温单元2同样包括加热机构和保温层，通过调节加热机构功率，保证冷凝进气端201与冷凝出气端202的温度为设置温度，保温层采用岩棉板，厚度50-150mm，控制保温层外侧温度不高于50℃。
低温急冷单元3包括装有二氯甲烷的洗气瓶301以及套设在洗气瓶301外侧的低温恒温槽302。第三级冷凝单元的冷凝出气端202插入到洗气瓶301中的二氯甲烷液面下，洗气瓶301与真空泵6通过排气管303连通，在洗气瓶301内的排气管303位于二氯甲烷液面上。洗气瓶301中装有二氯甲烷溶液，用于吸收经分级冷凝单元2尚未冷凝的可凝结气体，防止其在后续的流量计5和真空泵6中冷凝，影响仪器的正常运行。作为优选，低温恒温槽设定温度为-10-0℃，保证可凝气体能够吸收完全。
动压平衡测量单元4包括皮托管402，微压计401，热电偶，全压测量管404、静压测量管403以及第三加热保温单元405。皮托管402一端安装在高温含油含尘气体管道8中，其他结构则可以安装在管道外侧。其中，皮托管402、全压测量管404与静压测量管403分别与微压计401连接，而全压测量管404与静压测量管403则分别连接到低温急冷单元3后的排气管303。
热电偶用于分别测量高温含油含尘气体管道8，以及经低温急冷单元3后气体的温度。皮托管用于测量高温含油含尘气体管道8中的全压和静压，全压测量管404和静压测量管403用于测量经低温急冷单元3后气体的全压和静压，皮托管402和全压/静压测量管之间通过微压计401连接，通过调节真空泵6的功率改变气体抽样的速度，当微压计平衡时，表明采样管101中气流速度与高温含油含尘气体管道8中的速度一致，即实现了等速测量。满足下式时表明实现了等速测量：
(P0-P0')×β＝(P1-P1')
其中，P0为皮托管402测量的全压，P0'为皮托管402测量的静压，(P0-P0')为含油含尘气体管道8中流体的动压；P1为经低温急冷单元3后气体的全压，P1'为经低温急冷单元3后气体的静压，(P1-P1')为经低温急冷单元3后气体的动压；β为调整系数，其数值由下式确定：
T0为含油含尘气体管道8中流体的温度(℃)，d0为采样头103的内径；T1为经低温急冷单元3后气体的温度(℃)，d1为低温急冷单元3后排气管303的内径。
第三加热保温单元405设置在皮托管402非测量段上，包括电加热机构和保温层。第三加热保温单元405与微压计401之间的皮托管402保持裸露。皮托管402靠近高温含油含尘气体管道8的部分外置第三加热保温单元405，防止含油含尘气体扩散到皮托管402中低温区，造成皮托管402堵塞；同时，皮托管402靠近微压计401的部分保持裸露，防止与微压计401连接的部分温度太高，对微压计401造成损坏。其中，非测量段是指未进入高温含油含尘气体管道8内的部分。
煤炭热解产生的高温含油含尘气体中的不可凝煤气具有有毒、易爆等特点，不能随意排放。真空泵6连接储气罐7，采用真空泵6及储气罐7有利于防止高危煤气的泄露。
工作过程如下：
如图1所示，高温含油含尘气体在高温含油含尘气体管道8内沿着A方向流动。打开真空泵6，高温含油含尘气体经过采样头103、采样管101以及进气连接处106，进入容纳腔102中的石英滤筒104内，同时调节第一加热保温单元105的功率，保证采样管101中温度维持在400-450℃，确保焦油不会在采样管101及石英滤筒104中冷凝。
高温含油含尘气体经过石英滤筒104，固体粉尘颗粒留在石英滤筒104中，高温含油气体继续进入分级冷凝单元2中，气体中可凝组分在分级冷凝单元2中分级液化，并收集在焦油收集瓶204中，采用第二加热保温单元203对冷凝进气端201与冷凝出气端202进行加热保温，防止凝结的液体组分过冷，造成流动性不好，进而堵塞采样冷凝管，造成整个采样过程无法稳定进行。
不可凝组分以及少量未完全冷凝的可凝组分继续进入低温急冷单元3中，气流中可凝组分(液化温度高于0℃)在低温急冷单元3中完全冷凝，剩余不可凝组分进入储气罐7中储存。
动压平衡测量单元4测量高温含油含尘气体管道8中的全压和静压，以及采样管101中全压和静压。调节真空泵6功率，使得经调整的高温含油含尘气体管道8中的动压，与采样管101中动压相等，从而达到等速测量。
采样过程完成后，拆卸采样管101上的第一加热保温单元105，取出粉尘颗粒采样单元1中的石英滤筒104，测量其中粉尘颗粒的质量，结合流量计5测得的气体流量，计算得出高温含油含尘气体中粉尘颗粒质量浓度。本发明可以在高温含油含尘环境中精确、稳定地测量气体中颗粒浓度。