一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置与采样方法，采样进口通过管路连接一级过滤器的进气口，采样进口与一级过滤器本体连通的管路外设置伴热装置，一级过滤器的出气口通过管路连接螺旋冷凝管的进气口，螺旋冷凝管的出气口通过管路连接冷凝液收集瓶的进气口，冷凝液收集瓶的出气口通过管路连接干式冲击瓶的进气口，且管路延伸至干式冲击瓶的底部位置，干式冲击瓶的出气口通过管路连接高效过滤器的进气口，高效过滤器内置聚四氟乙烯膜，高效过滤器的出气口连接抽气泵，在高效过滤器与抽气泵连接的管路上设置采样控制器，冷凝液收集瓶、干式冲击瓶的瓶身浸没在水浴装置中，本发明能够对烟气中的气态SO3和液态SO3进行分类采样，提高对SO3的采样精度。
1.一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置的采样方法，其特征在于，采样装置的采样进口(1)通过管路连接一级过滤器(2)的进气口，采样进口(1)与一级过滤器(2)本体连通的管路外设置伴热装置(3)，一级过滤器(2)的出气口通过管路连接螺旋冷凝管(4)的进气口，螺旋冷凝管(4)的出气口通过管路连接冷凝液收集瓶(7)的进气口，冷凝液收集瓶(7)的出气口通过管路连接干式冲击瓶(8)的进气口，且管路延伸至干式冲击瓶(8)的底部位置，干式冲击瓶(8)的出气口通过管路连接高效过滤器(9)的进气口，高效过滤器(9)内置聚四氟乙烯膜，高效过滤器(9)的出气口连接抽气泵(11)，在高效过滤器(9)与抽气泵(11)连接的管路上设置采样控制器(10)，冷凝液收集瓶(7)、干式冲击瓶(8)的瓶身浸没在水浴装置(5)中，水浴装置(5)中设置的循环水泵(6)与螺旋冷凝管(4)的进水口连通，通过循环水泵(6)将水浴装置(5)中的恒温水泵入到螺旋冷凝管(4)内，螺旋冷凝管(4)中的恒温水与螺旋冷凝管(4)内的烟气进行换热后由螺旋冷凝管(4)的出水口进入到水浴装置(5)中，以此来控制烟气的温度与水浴装置(5)的温度保持一致；
所述采样装置的采样方法包括两次采样，具体步骤如下：
①在一级过滤器(2)中装入石英过滤膜，高效过滤器(9)中装入聚四氟乙烯膜，连接管路，并检查装置密封性；
②将采样进口(1)置于烟道内且背对烟气流动方向，开启伴热装置(3)和水浴装置(5)，使系统升温至预设温度；若烟气温度低于130℃，伴热装置(3)的设定温度应为130℃；若烟气温度高于130℃，伴热装置(3)的设定温度应与烟气温度相同；水浴装置(5)设定温度为65℃；
③转动采样进口(1)使之正对烟气流动方向，开启抽气泵(11)进行采样，通过采样控制器(10)控制烟气采样流量与时长；
④采样结束后，用体积分数为80％的异丙醇溶液依次冲洗一级过滤器(2)与螺旋冷凝管(4)之间的管路、螺旋冷凝管(4)、冷凝液收集瓶(7)和干式冲击瓶(8)，对高效过滤器(9)中聚四氟乙烯膜上的SO3进行超声萃取，将冲洗溶液和萃取溶液混合得到样品1；
⑤将一级过滤器(2)中的石英过滤膜拆除并装入新的石英过滤膜，在高效过滤器(9)中装入新的聚四氟乙烯膜，连接管路，并检查装置密封性；
⑥将采样进口(1)置于烟道内且背对烟气流动方向，开启伴热装置(3)和水浴装置(5)，设定伴热装置(3)的温度为350℃，水浴装置(5)的温度为65℃，重复步骤③、④，得到样品2；
⑦测定样品1和样品2中的硫酸根离子含量，结合采样流量计算分别得到第一次采样原始烟气中SO3的标况质量浓度C1和第二次采样原始烟气中SO3的标况质量浓度C2，C1、C2的单3
式中：ρ1、ρ2分别为测定液体样品1、样品2中硫酸根的浓度，单位为mol/L；
V1为第一次采样中冲洗液与萃取液混合样品的总体积，单位为L；
V2为第二次采样中冲洗液与萃取液混合样品的总体积，单位为L；
Vnd为换算成标准状态下的采样烟气总体积，单位Nm，Vnd通过以下公式计算：3
⑧经计算分别得到原始烟气中气态SO3的浓度Cgases＝C1和液态SO3的浓度Cdrops＝C2‑C1。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置的采样方法，其特征在于，在一级过滤器(2)中内置石英过滤膜。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置的采样方法，其特征在于，螺旋冷凝管(4)的长度大于350mm，螺旋冷凝管(4)分内外两层，内层设置为烟气通道，外层设置为夹套水层。
4.根据权利要求2或3所述的一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置的采样方法，其特征在于，冷凝液收集瓶(7)的容积大于等于1L。
5.根据权利要求2或3所述的一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置的采样方法，其特征在于，干式冲击瓶(8)的瓶高在20～30cm之间。
6.根据权利要求2或3所述的一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置的采样方法，其特征在于，聚四氟乙烯膜的孔径小于等于0.3um。
7.根据权利要求2或3所述的一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置的采样方法，其特征在于，采样控制器(10)包括温度计、压力计以及流量计，分别用来检测烟气温度、烟气湿度、采样压力以及采样流量，采样控制器(10)辅助控制采样速度。
一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置与采样方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高湿烟气的SO3的检测系统，具体是一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置与采样方法，属于高湿烟气的SO3的检测技术领域。
背景技术
[0002] 烟气中SO3主要来源于含硫物质的燃烧以及SO2的高温氧化和催化氧化。SO3是一种常见的大气污染物，对生产设备和大气环境皆有较强的危害性，对于生产设备而言，SO3及其形成的硫酸盐会对其造成腐蚀和堵塞，影响正常生产；对于大气环境而言，SO3引发的酸雨会腐蚀建筑物、造成土壤酸化以及污染河流湖泊，其在大气中形成硫酸雾气溶胶会加重灰霾和酸沉降污染；对于人的健康而言，SO3本身对人体粘膜及呼吸系统具有极强的刺激性，同时也是细颗粒污染物的重要前驱物之一，对人体具有潜在的危害。因此，了解烟气中SO3的含量、进而控制其排放，具有十分重要的环保意义，而掌握便捷可靠的SO3采样测试方法，是实现该目标的必要前提。
[0003] 针对工业排放的SO3，目前主要的采样方法有控制冷凝法(GB/T 21508‑2008、DL/T1990‑2019)和异丙醇吸收法(U.S.EPAMethod8)。控制冷凝法是先将烟气中的SO3冷凝在螺旋管中，再用水或异丙醇溶液冲洗收集；异丙醇吸收法则是将烟气通入置于冰水浴中的80％异丙醇，直接吸收烟气中的SO3。上述方法中，以检测液态样品中的硫酸根含量反推原始烟气中的SO3浓度，该方法将烟气中以气/液态存在的H2SO4与真正的SO3混为一谈，其所测SO3浓度实为上述物质的混合物浓度，不能反应烟气中SO3的真实浓度，也无法区分不同形态的SO3。在SO3的相关研究中，常需考察气态SO3和液态SO3之间的相互转化过程和比例关系，因此有必要对SO3及其变化形态进行分区分类采样测量。烟气中的SO3初始以气态形式存在，但在复杂烟气环境下，会因水汽、温度变化等因素的影响，形成气态H2SO4、液态H2SO4(硫酸雾滴)等变化形态，此外，当烟气湿度较高时，在控制冷凝的过程中会析出大量的液态水，导致冷凝管满溢，影响正常采样；尤其是当烟气中SO3浓度较低时，需进行长时间采样才可使样品中硫酸根的浓度达到检测限，此时较多的水分析出可导致采样中断或采样失败，降低SO3的采样精度。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置与采样方法，结构简单，操作方便，能够对烟气中的气态SO3和液态SO3进行分类采样，提高对SO3的采样精度。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置，采样进口通过管路连接一级过滤器的进气口，采样进口与一级过滤器本体连通的管路外设置伴热装置，一级过滤器的出气口通过管路连接螺旋冷凝管的进气口，螺旋冷凝管的出气口通过管路连接冷凝液收集瓶的进气口，冷凝液收集瓶的出气口通过管路连接干式冲击瓶的进气口，且管路延伸至干式冲击瓶的底部位置，干式冲击瓶的出气口通过管路连接高效过滤器的进气口，高效过滤器内置聚四氟乙烯膜，高效过滤器的出气口连接抽气泵，在高效过滤器与抽气泵连接的管路上设置采样控制器，冷凝液收集瓶、干式冲击瓶的瓶身浸没在水浴装置中，水浴装置中设置的循环水泵与螺旋冷凝管的进水口连通，通过循环水泵将水浴装置中的恒温水泵入到螺旋冷凝管内，螺旋冷凝管中的恒温水与螺旋冷凝管内的烟气进行换热后由螺旋冷凝管的出水口进入到水浴装置中，以此来控制烟气的温度与水浴装置的温度保持一致。
[0006] 优选的，在一级过滤器中内置石英过滤膜，可以过滤掉烟气中的固体和液体杂质。
[0007] 优选的，螺旋冷凝管的长度大于350mm，螺旋冷凝管分内外两层，内层设置为烟气通道，外层设置为夹套水层，内层走烟气，外层是夹套水层，水层中的水来源于循环水泵，其温度低于烟气初始温度，可将烟气降低至指定温度。
[0008] 优选的，冷凝液收集瓶的容积大于等于1L，冷凝液收集瓶用于收集控制冷凝过程中析出的大量液态水和部分冷凝酸雾，防止冷凝水进入后续装置。
[0009] 优选的，干式冲击瓶的瓶高在20～30cm之间，所述干式冲击瓶和高效过滤器用于收集由于粒径过小而穿过螺旋冷凝管和冷凝液收集瓶的小粒径酸雾滴。
[0010] 优选的，聚四氟乙烯膜的孔径小于等于0.3um。
[0011] 优选的，采样控制包括温度计、压力计以及流量计，分别用来检测烟气温度、烟气湿度、采样压力以及采样流量，采样控制器辅助控制采样速度。
[0012] 一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样方法，包括两次采样，具体步骤如下：
[0013] 第一次等速采样：
[0014] ①在一级过滤器中装入石英过滤膜，高效过滤器中装入聚四氟乙烯膜，连接管路，并检查装置密封性；
[0015] ②将采样进口置于烟道内且背对烟气流动方向，开启伴热装置和水浴装置，使系统升温至预设温度；若烟气温度低于130℃，伴热装置的设定温度应为130℃；若烟气温度高于130℃，伴热装置的设定温度应与烟气温度相同；水浴装置设定温度为65℃；
[0016] ③转动采样进口使之正对烟气流动方向，开启抽气泵进行采样，通过采样控制器控制烟气采样流量与时长；
[0017] ④采样结束后，用体积分数为80％的异丙醇溶液依次冲洗一级过滤器与螺旋冷凝管之间的管路、螺旋冷凝管、冷凝液收集瓶和干式冲击瓶，对高效过滤器中聚四氟乙烯膜上的SO3进行超声萃取，将冲洗溶液和萃取溶液混合得到样品1；
[0018] 第二次等速采样：
[0019] ⑤将一级过滤器中的石英过滤膜拆除并装入新的石英过滤膜，在高效过滤器中装入新的聚四氟乙烯膜，连接管路，并检查装置密封性；
[0020] ⑥将采样进口置于烟道内且背对烟气流动方向，开启伴热装置和水浴装置，设定伴热装置的温度为350℃，水浴装置的温度为65℃，重复步骤③、④，得到样品2；
[0021] ⑦测定样品1和样品2中的硫酸根离子含量，结合采样流量计算分别得到第一次采样原始烟气中SO3的标况质量浓度C1和第二次采样原始烟气中SO3的标况质量浓度C2，C1、C23
的单位为mg/Nm；计算公式如下：
[0022]
[0023]
[0024] 式中：ρ1、ρ2分别为测定液体样品1、样品2中硫酸根的浓度，单位为mol/L；
[0025] V1为第一次采样中冲洗液与萃取液混合样品的总体积，单位为L；
[0026] V2为第二次采样中冲洗液与萃取液混合样品的总体积，单位为L；
[0027] 80.86为SO3的摩尔质量，单位为g/mol；
[0028] Vnd为换算成标准状态下的采样烟气总体积，单位Nm3，Vnd通过以下公式计算：
[0029]
[0030] 式中：Vd为实际工况下干烟气采样体积，单位m3；
[0031] Ba为当地大气压，单位Pa；
[0032] Pr为流量计前烟气压力，单位Pa；
[0033] Tr为流量计前烟气温度，单位℃；
[0034] ⑧经计算分别得到原始烟气中气态SO3的浓度Cgases＝C1和液态SO3的浓度Cdrops＝C2‑C1。
[0035] 与现有技术相比，本发明通过将采样进口、一级过滤器、螺旋冷凝管、冷凝液收集瓶、干式冲击瓶、高效过滤器、采样控制器、抽气泵通过采样管路顺次连接；采用控制冷凝与结构性气液分离的方法，实现了对高湿烟气中SO3分区分类采样的目的，同时提高了对SO3检测的精度；本发明用冷凝液收集瓶收集控制冷凝过程中析出的大量液态水和部分冷凝酸雾，防止冷凝水进入后续装置；用干式冲击瓶和高效过滤器收集由于粒径过小而穿过螺旋冷凝管和冷凝液收集瓶的小粒径酸雾滴，提高了对SO3的采样精度。
附图说明
[0036] 图1为本发明的结构示意图。
[0037] 图中：1、采样进口，2、一级过滤器，3、伴热装置，4、螺旋冷凝管，5、水浴装置，6、循环水泵，7、冷凝液收集瓶，8、干式冲击瓶，9、高效过滤器，10、采样控制器，11、抽气泵。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0039] 如图1所示，一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样装置，采样进口1通过管路连接一级过滤器2的进气口，采样进口1的方向可以调节，可以适用于不同的烟气管道，采样进口1与一级过滤器2本体连通的管路外设置伴热装置3，一级过滤器2的出气口通过管路连接螺旋冷凝管4的进气口，螺旋冷凝管4的出气口通过管路连接冷凝液收集瓶7的进气口，冷凝液收集瓶7的出气口通过管路连接干式冲击瓶8的进气口，且管路延伸至干式冲击瓶8的底部位置，干式冲击瓶8的出气口通过管路连接高效过滤器9的进气口，高效过滤器9内置聚四氟乙烯膜，高效过滤器9的出气口连接抽气泵11，在高效过滤器9与抽气泵11连接的管路上设置采样控制器10，冷凝液收集瓶7、干式冲击瓶8的瓶身浸没在水浴装置5中，水浴装置5中设置的循环水泵6与螺旋冷凝管4的进水口连通，通过循环水泵6将水浴装置5中的恒温水泵入到螺旋冷凝管4内，螺旋冷凝管4中的恒温水与螺旋冷凝管4内的烟气进行换热后由螺旋冷凝管4的出水口进入到水浴装置5中，以此来控制烟气的温度与水浴装置5的温度保持一致，螺旋冷凝管4的长度大于350mm，螺旋冷凝管4分内外两层，内层设置为烟气通道，外层设置为夹套水层，内层走烟气，外层是夹套水层，水层中的水来源于循环水泵，其温度低于烟气初始温度，可将烟气降低至指定温度。
[0040] 在一级过滤器2中内置石英过滤膜，可以过滤掉烟气中的固体和液体杂质。
[0041] 冷凝液收集瓶7的容积大于等于1L，冷凝液收集瓶7用于收集控制冷凝过程中析出的大量液态水和部分冷凝酸雾，防止冷凝水进入后续装置。
[0042] 干式冲击瓶8的瓶高在20～30cm之间，所述干式冲击瓶8和高效过滤器9用于收集由于粒径过小而穿过螺旋冷凝管4和冷凝液收集瓶7的小粒径酸雾滴。
[0043] 聚四氟乙烯膜的孔径小于等于0.3um。
[0044] 采样控制器10包括温度计、压力计以及流量计，分别用来检测烟气温度、烟气湿度、采样压力以及采样流量，采样控制器10辅助控制采样速度。
[0045] 一种适用于高湿烟气的SO3分区分类采样方法，包括两次采样，具体步骤如下：
[0046] 第一次等速采样：
[0047] ①在一级过滤器2中装入石英过滤膜，高效过滤器9中装入聚四氟乙烯膜，连接管路，并检查装置密封性；
[0048] ②将采样进口1置于烟道内且背对烟气流动方向，开启伴热装置3和水浴装置5，使系统升温至预设温度；若烟气温度低于130℃，伴热装置3的设定温度应为130℃；若烟气温度高于130℃，伴热装置3的设定温度应与烟气温度相同；水浴装置5设定温度为65℃；
[0049] ③转动采样进口1使之正对烟气流动方向，开启抽气泵11进行采样，通过采样控制器10控制烟气采样流量与时长；
[0050] ④采样结束后，用体积分数为80％的异丙醇溶液依次冲洗一级过滤器2与螺旋冷凝管4之间的管路、螺旋冷凝管4、冷凝液收集瓶7和干式冲击瓶8，对高效过滤器9中聚四氟乙烯膜上的SO3进行超声萃取，将冲洗溶液和萃取溶液混合得到样品1；
[0051] 第二次等速采样：
[0052] ⑤将一级过滤器2中的石英过滤膜拆除并装入新的石英过滤膜，在高效过滤器9中装入新的聚四氟乙烯膜，连接管路，并检查装置密封性；
[0053] ⑥将采样进口1置于烟道内且背对烟气流动方向，开启伴热装置3和水浴装置5，设定伴热装置3的温度为350℃，水浴装置5的温度为65℃，重复步骤③、④，得到样品2；
[0054] ⑦测定样品1和样品2中的硫酸根离子含量，结合采样流量计算分别得到第一次采样原始烟气中SO3的标况质量浓度C1和第二次采样原始烟气中SO3的标况质量浓度C2，C1、C23
的单位为mg/Nm；计算公式如下：
[0055]
[0056]
[0057] 式中：ρ1、ρ2分别为测定液体样品1、样品2中硫酸根的浓度，单位为mol/L；
[0058] V1为第一次采样中冲洗液与萃取液混合样品的总体积，单位为L；
[0059] V2为第二次采样中冲洗液与萃取液混合样品的总体积，单位为L；
[0060] 80.86为SO3的摩尔质量，单位为g/mol；
[0061] Vnd为换算成标准状态下的采样烟气总体积，单位Nm3，Vnd通过以下公式计算：
[0062]
[0063] 式中：Vd为实际工况下干烟气采样体积，单位m3；
[0064] Ba为当地大气压，单位Pa；
[0065] Pr为流量计前烟气压力，单位Pa；
[0066] Tr为流量计前烟气温度，单位℃；
[0067] ⑧经计算分别得到原始烟气中气态SO3的浓度Cgases＝C1和液态SO3的浓度Cdrops＝C2‑C1。
[0068] 第一次采样时，若烟气温度低于130℃，伴热装置3的温度应为130℃；若烟气温度高于130℃，伴热装置3的温度应与烟气温度相同；第二次采样时伴热装置3的温度应在350℃；水浴装置应控制温度为65℃。
[0069] 实施例：
[0070] 下面利用本发明对某电厂湿法脱硫后净烟气中SO3浓度进行分区分类采样检测，第一次采样和第二次采样分别进行三次平行采样，采样流量设置为20L/min，单次采样时长50min，采样后，冲洗液与萃取液混合样品均定容至0.25L，其余参数如上所述，采样结果如表1所示；
[0071] 表1‑SO3分区分类采样表
[0072]
[0073] 如表1所示，检测到第一次采样液体样品中硫酸根的平均浓度ρ1为1.23×10‑5mol/‑5L，第二次液体样品中硫酸根的平均浓度ρ2为7.08×10 mol/L，故由第一次采样获得原始烟
3
气中SO3的平均标况质量浓度为0.344mg/Nm ，第二次采样获得原始烟气中SO3的平均标况质
3
量浓度为1.826mg/Nm 。经计算可知，该电厂湿法脱硫净烟气中气态SO3和液态SO3的浓度分
3 3
别为0.34mg/Nm和1.482mg/Nm。
