本发明专利技术公开了一种火电厂排放气态污染物超低浓度智能监测装置，包括烟尘分离器、烟气冷却模块、烟气测试腔、石墨烯基气敏传感器阵列、多通道数据采集模块、智能检测系统、LABVIEW终端显示系统及无线传输监测系统。该装置将火电厂排放烟气经烟尘分离器除尘后，由烟气冷却模块降温处理并进入置有石墨烯基气敏传感器阵列的烟气测试腔，多通道数据采集模块获取阵列信号，采用遗传粒子群‑径向基神经网络为核心的智能检测系统输出烟气组分浓度，并由无线传输监测系统将检测浓度远程传输至环保监管部门或工作人员手机监控终端。本发明专利技术提供的火电厂烟气排放组分浓度监测装置，具有低检测限、高灵敏度、稳定性高、实时在线等技术特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种火电厂排放气态污染物超低浓度智能监测装置，具体涉及一种基于石墨烯气敏传感器阵列的火电厂排放气态污染物超低浓度智能监测装置。
技术介绍
当前，全国范围内雾霾天气的频发，火电厂排放气态污染物与频发的雾霾天气及环境污染具有直接关系。作为电力生产中占主导地位的火电厂，是国家重点关注的大型工业污染源。随着我国电力工业发展，高参数、大容量火电机组相继投入运行，火电厂排放烟气所带来的环境污染问题日趋成为紧要解决的问题。火电厂排放气态污染物主要包括二氧化硫SO2、二氧化氮NO2、一氧化碳CO等有害气体组分，严重污染空气质量并危害人类身体健康。因此，加强对火电厂烟气排放物的监测是现阶段我国火电厂和环保部门关注的焦点。火电厂烟气排放的实时在线监测，不仅有助于准确实时地掌握火电厂烟气排放数据和指标监控，减少火电厂对环境的污染，而且可通过监测烟气的排放对火电厂脱硫设备运行状态和脱硫性能进行评价和优化，为电厂安全、稳定、经济、高效运行提供有利指导。然而，常用的检测方法集中在人工采样法、光学检测法、电化学传感器等，存在连续在线性差、干扰因素多及稳定性差等诸多问题。当前火电厂烟气排放监测效果很不理想，大部分火电厂的监测装置不能连续正常运行，不能及时、准确、全面反映火电厂烟气排放状况的动态变化。随着我国对重点污染源烟气排放控制的日益严格，国家环保局和各级电力公司把火电厂烟气排放在线监测作为发展重点。自2015年1月1日起，依据国家新修订的《锅炉大气污染物排放标准(GB/13271-2014)》，环保部门对烟气污染物排放浓度限值做了更为严格的调整。对烟气排放浓度检测提出低检测极限、高灵敏度、实时在线、稳定可靠等更高的要求，亟待发展一种与之相适应的火电厂烟气排放在线监测新技术。金属氧化物半导体气敏传感器因其制备和使用简单、成本低而得到广泛应用，然而大多数金属氧化物半导体气敏传感器需工作在350℃左右高温下，为此这些半导体传感器需要额外的加热装置，不利于检测转置的低功耗、智能化，微型化和集成化。随着纳米制造的发展和石墨烯的发现，2007年纳米石墨烯首次应用于气体检测，而且表现超常的敏感性能，这掀起了基于石墨烯气敏传感器研究的热潮。随着纳米石墨烯研究的深入，采用有效的掺杂修饰方法实现石墨烯能带结构和表/界面特性调控以获得更为优异的气敏性能，成为石墨烯气敏传感器的研究热点。如金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子以及有机高分子聚合物掺杂在石墨
烯薄膜中，可有效改善本征石墨烯及金属氧化物气体传感器的缺陷，进而提高气体传感器的检测性能，为研发新型气敏传感器阵列及检测系统提供了一种新途径。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供一种火电厂排放气态污染物超低浓度智能监测装置，包括烟尘分离器、烟气冷却模块、烟气测试腔、石墨烯基气敏传感器阵列、多通道数据采集模块、智能检测系统、LABVIEW终端显示系统及无线传输监测系统，石墨烯基气敏传感器阵列为氧化锡/石墨烯、氧化钛/石墨烯、氧化铜/石墨烯、氧化锌/石墨烯复合薄膜构筑的线面型四单元微纳气敏传感器，智能检测系统以遗传粒子群-径向基神经网络模型为数据处理算法，具有低检测限、高灵敏度、稳定性高、实时在线等技术特点。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：火电厂排放烟气经烟尘分离器除尘后，由烟气冷却模块进行降温处理并进入置有石墨烯基气敏传感器阵列的烟气测试腔，石墨烯基气敏传感器阵列信号由多通道数据采集模块获取，由智能检测系统进行数据融合处理后在LABVIEW终端显示系统上显示烟气组分浓度，并由无线传输监测系统将烟气组分检测浓度远程传输至环保监管部门或工作人员手机监控终端。本专利技术所述石墨烯基气敏传感器阵列是由氧化锡/石墨烯、氧化钛/石墨烯、氧化铜/石墨烯、氧化锌/石墨烯复合薄膜构筑的阵列化烟气组分敏感器件，其中氧化锡/石墨烯、氧化钛/石墨烯、氧化铜/石墨烯、氧化锌/石墨烯复合薄膜分别采用氧化锡、氧化钛、氧化铜、氧化锌纳米粒子与氧化石墨烯在静电力作用下形成的三明治层状复合纳米材料经230℃高温还原4小时得到，其薄膜厚度为260—380纳米。本专利技术所述石墨烯基气敏传感器阵列为线面型四单元叉指结构，器件电极间距和厚度为50微米，其上覆有石墨烯基复合薄膜，在常温下对火电厂排放气态污染物组分二氧化硫、二氧化氮和一氧化碳进行组分识别和浓度检测。本专利技术所述的智能检测系统采用遗传粒子群算法优化径向基(RBF)神经网络模型为数据处理算法，结构为4个输入节点、15个隐层节点和3个输出节点，以石墨烯基气敏传感器阵列输出信号为输入，火电厂排放气态污染物组分二氧化硫、二氧化氮和一氧化碳的气体浓度为输出，径向基(RBF)神经网络的初始权值由遗传粒子群算法赋予。本专利技术所述石墨烯基气敏传感器阵列信号经多通道数据采集模块获取后通过RS232串口通讯传输给PC机，并由智能检测系统进行数据融合处理，实现火电厂排放气态污染物组分二氧化硫、二氧化氮和一氧化碳气体的高精度超低预测、组分浓度显示和无线传输功能，检测下限低于1ppm，检测相对误差小于0.17％。本专利技术所述氧化锡、氧化钛、氧化铜、氧化锌纳米粒子是分别采用五水四氯化锡、硫酸钛、二水氯化铜、硝酸锌材料作为前驱物在180℃条件下高温水热合成10小时制备，而后用去离子水和乙醇溶液多次洗涤，并在2500转/分钟条件下离心分散10分钟形成悬浮溶液。本专利技术所述氧化锡、氧化钛、氧化铜、氧化锌纳米粒子和石墨烯构筑复合薄膜的具体方法如下：首先，把传感器件交替静置在PDDA和PSS溶液中20分钟，将已经自组装有PDDA/PSS层的传感器件分别置于上述氧化锡、氧化钛、氧化铜、氧化锌溶液(1mg/mL)中20分钟，取出，去离子水清洗，氮气吹干；其次，在氧化石墨烯溶液(0.4mg/mL)中浸泡上述传感器件20分钟后，去离子水清洗，氮气吹干；重复上述操作4次，最后将制备的器件放入真空干燥箱230℃高温还原4小时，氧化石墨烯纳米片上的含氧官能团被去除，分别得到覆盖有氧化锡/石墨烯、氧化钛/石墨烯、氧化铜/石墨烯、氧化锌/石墨烯三明治层状复合薄膜的气敏传感器件。本专利技术的技术优势表现在该智能监测装置采用石墨烯气敏传感器阵列协同智能检测算法，石墨烯基气敏传感器阵列制备工艺易于实现，可用于常温检测二氧化硫、二氧化氮和一氧化碳烟气组分，气敏性能优异，检测精度高，稳定性好，成本较低，可实时在线监测。附图说明图1为本专利技术的实施方式的一个示例,1为烟尘分离器，2为烟气冷却模块，3为阀门，4为烟气测试腔，5为石墨烯基气敏传感器阵列，6、7、8、9分别为氧化锡/石墨烯、氧化钛/石墨烯、氧化铜/石墨烯、氧化锌/石墨烯复合薄膜传感器件，10为多通道数据采集模块，11为智能检测系统，12为LABVIEW终端显示模块，13为远程监控终端。图2为本专利技术中的石墨烯基气敏传感器阵列截面图，1为衬底，2为电极，3、4、5、6分别为氧化锡/石墨烯复合薄膜、氧化钛/石墨烯复合薄膜、氧化铜/石墨烯复合薄膜、氧化锌/石墨烯复合薄膜。图3为本专利技术中的氧化钛/石墨烯复合薄膜和氧化铜/石墨烯复合薄膜的扫描电子显微镜图像。图4为本专利技术中的石墨烯基传感器阵列复合薄膜的拉曼光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种火电厂排放气态污染物超低浓度智能监测装置，包括烟尘分离器、烟气冷却模块、烟气测试腔、石墨烯基气敏传感器阵列、多通道数据采集模块、智能检测系统、LABVIEW终端显示系统及无线传输监测系统；其特征在于石墨烯基气敏传感器阵列为氧化锡/石墨烯、氧化钛/石墨烯、氧化铜/石墨烯、氧化锌/石墨烯复合薄膜构筑的四单元微纳气敏传感器阵列，智能检测系统以遗传粒子群‑径向基(RBF)神经网络模型为数据处理算法；火电厂排放烟气经烟尘分离器除尘后，由烟气冷却模块进行降温处理并进入置有石墨烯基气敏传感器阵列的烟气测试腔，石墨烯基气敏传感器阵列信号由多通道数据采集模块获取，由智能检测系统进行数据融合处理后在LABVIEW终端显示系统上显示烟气组分浓度，并由无线传输监测系统将烟气组分检测浓度远程传输至环保监管部门或工作人员手机监控终端。
【技术特征摘要】
1.一种火电厂排放气态污染物超低浓度智能监测装置，包括烟尘分离器、烟气冷却模块、烟气测试腔、石墨烯基气敏传感器阵列、多通道数据采集模块、智能检测系统、LABVIEW终端显示系统及无线传输监测系统；其特征在于石墨烯基气敏传感器阵列为氧化锡/石墨烯、氧化钛/石墨烯、氧化铜/石墨烯、氧化锌/石墨烯复合薄膜构筑的四单元微纳气敏传感器阵列，智能检测系统以遗传粒子群-径向基(RBF)神经网络模型为数据处理算法；火电厂排放烟气经烟尘分离器除尘后，由烟气冷却模块进行降温处理并进入置有石墨烯基气敏传感器阵列的烟气测试腔，石墨烯基气敏传感器阵列信号由多通道数据采集模块获取，由智能检测系统进行数据融合处理后在LABVIEW终端显示系统上显示烟气组分浓度，并由无线传输监测系统将烟气组分检测浓度远程传输至环保监管部门或工作人员手机监控终端。2.根据权利要求1所述的火电厂排放气态污染物超低浓度智能监测装置，其特征在于：所述石墨烯基气敏传感器阵列是由氧化锡/石墨烯、氧化钛/石墨烯、氧化铜/石墨烯、氧化锌/石墨烯复合薄膜构筑的阵列化烟气组分敏感器件，其中氧化锡/石墨烯、氧化钛/石墨烯、氧化铜/石墨烯、氧化锌/石墨烯复合薄膜分别采用由水热法制备的氧化锡、氧化钛、氧化铜、氧化...
【专利技术属性】
技术研发人员：张冬至，刘静静，夏伯锴，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37
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