本发明涉及气体检测领域，特别是涉及一种三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置及方法。
背景技术：
1、以二氧化硫(so2)和三氧化硫(so3)为代表的硫氧化物是造成酸雨的主要原因，是严重危害环境的重要污染物。通常so2由燃烧化石燃料或其他含硫燃料产生，在燃烧系统中可进一步直接氧化为so3。形成的so3反应性极强，在低于500℃的温度且有水存在的情况下，它可以迅速转化为硫酸。烟气中so3排放量的增加不仅会导致环境问题，还会导致动力装置下游硬件的灾难性腐蚀。因此实际燃烧动力装置的尾气中若含有硫氧化物，需对其实施精确测量并采取一定后处理措施后再进行排放。
2、对于气体检测传感器或方法开发，通常都需要采用确定浓度的待测样气进行校准验证。不同于so2气体，so3在常温状态难以以稳定的气态形式，因此无法直接获得确定浓度的气源，而需要进行现场实时制备。
3、实验室生成气态so3的常规方法主要有两种，一种通过so2催化转化生成so3，但催化方法所使用的催化剂如五氧化二钒(v2o5)等具有毒性；另一种则是使用发烟硫酸加热的方法，而发烟硫酸具有强腐蚀性，也存在一定的安全隐患。
4、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置及方法。
2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
3、在第一方面，一种三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，包括气源系统、高温反应器和原位光学气体浓度测量系统，所述气源系统用于向所述高温反应器提供so2和o3，所述高温反应器用于使so2与o3在高温流动状态下发生反应以生成so3，所述原位光学气体浓度测量系统包括吸收池、激光触发和接收模块以及数据采集处理模块，所述吸收池用于提供激光与so3介质相互作用的半封闭空间，所述高温反应器产生混合气扩散至所述吸收池内，所述激光触发和接收模块用于将中红外激光导入所述吸收池，接收从所述吸收池出射的激光并将其转换为电信号，所述数据采集处理模块用于采集所述电信号，并通过中红外激光吸收光谱法在线测量so3的浓度。
4、进一步地，所述气源系统包括so2气源、so2气体流量调节控制器、o2气源、o2气体流量调节控制器、臭氧发生机以及混合气支路阀门，所述so2气体流量调节控制器和所述o2气体流量调节控制器用于控制各气源供气的体积流量，所述o2气源通过所述臭氧机生成o3，所述混合气支路阀门用于控制so2和o3的混合气进入所述高温反应器。
5、进一步地，还包括与所述高温反应器相连的真空泵，用于抽真空以去除所述高温反应器内的水蒸气。
6、进一步地，还包括与所述高温反应器相连的排气支路阀门，用于排出连续流动过程中所述高温反应器内包含的so3在内的混合气。
7、进一步地，所述高温反应器包括炉管、电热丝、保温层、监测热电偶以及pid温度调节器；所述炉管为so2转化生成so3的场所；所述电加热丝设置在所述炉管上以用于加热所述炉管；所述保温层覆盖在所述炉管外以用于所述炉管的保温；所述监测热电偶用于监测所述炉管内的温度，所述pid温度调节器与所述监测热电偶和所述电加热丝相连，用于控制所述炉管内达到设定温度。
8、进一步地，所述吸收池为插入式多次反射气体吸收池，包括吸收池主体和固定于所述吸收池主体内两端的凹面反射镜，所述炉管内的混合气扩散至所述吸收池主体内，所述固定于吸收池内两端的凹面反射镜用于多次反射激光以增加气体吸收光谱的有效光程。
9、进一步地，所述激光触发和接收模块包括中红外激光器、激光器控制器、平面反射镜和光电探测器；所述激光器控制器用于控制所述中红外激光器发射对应so3吸收谱线的激光光束；所述平面反射镜用于调节激光的传播方向使其进入所述吸收池；所述光电探测器用于收集经过so3吸收后的出射激光并将其转换为所述电信号。
10、进一步地，所述数据采集处理模块产生电流调制信号输入激光器控制器进而驱动中红外激光器；所述数据采集处理模块还从采集的所述电信号解调出高次谐波信号，并通过产生基于吸光度仿真的模拟高次谐波信号，与解调出的所述高次谐波信号进行迭代拟合，优选地，所述迭代拟合以最小二乘法为收敛准则寻取最优解，进而反演出所测气体浓度。
11、进一步地，通过所述数据采集处理模块实时持续监测so3的浓度变化。
12、在第二方面，一种三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化方法，使用所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置实现三氧化硫的生成与浓度检测。
13、在本发明的一些实施例中，三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置包括气源系统、高温反应器和原位光学气体传感系统，所述的气源系统用于产生提供一定浓度的so2和o3，包括真空泵、so2气瓶、o2气瓶、so2气体流量调节控制器、o2气体流量调节控制器、臭氧发生机、混合气支路阀门、抽气支路阀门和排气支路阀门。所述真空泵用于将系统抽为真空，去除系统内的水蒸气；所述so2气瓶用于提供生成so3的基础反应组分；所述o2气瓶用于接入臭氧机生成o3；所述臭氧发生机通过高压电离将供入的o2分解聚合为o3，提供生成so3的另一基础反应组分；所述so2气体流量调节控制器和o2气体流量调节控制器用于精确控制各气源供给系统气体的体积流量；所述混合气支路阀门用于控制混合气进入后端高温反应器；所述排气支路阀门用于排出连续流动过程下反应器内包含生成的so3在内的混合气，可接入并供应至后续其他系统。
14、在一些实施例中，所述的高温反应器用于加热前端气源系统输入的混合气，使得so2与o3在高温流动状态下发生反应，将部分so2转化为so3，包括炉管，电热丝，保温层，监测热电偶，pid温度调节器。所述炉管为so2转化生成so3发生场所；所述电加热丝用于通电产生为炉管加热；所述保温层用于防止电热丝产生的热量耗散至周围环境中，提高热效率；所述pid温度调节器用于快速温度控制，达到设定温度，该设定温度为200-400℃。
15、在一些实施例中，所述原位光学气体传感系统基于中红外激光吸收光谱方法，用于在线精确测量所生成so3的浓度，包括插入式多次反射气体吸收池，激光触发和接收模块，数据采集处理模块。
16、在一些实施例中，所述插入式多次反射气体吸收池用于提供激光与so3介质相互作用的半封闭空间，包括吸收池主体和固定于吸收池内两端的凹面反射镜。炉管内的混合气扩散至所述吸收池主体内；所述固定于吸收池内两端的凹面反射镜用于多次反射激光以增加吸收的有效光程。
17、在一些实施例中，所述激光触发和接收模块用于产生特定波长的中红外激光，导入上述多次反射气体吸收池，并将接收的出射激光转换为电信号，包括激光器、激光器控制器、平面反射镜、光电探测器。所述激光器控制器用于控制中红外激光器发射对应so3吸收谱线的激光光束；所述的平面反射镜用于调节激光的传播方向；所述光电探测器用于收集so3吸收后的出射激光，转换为电信号。
18、在一些实施例中，所述数据采集处理模块用于产生、记录和处理系统中的电信号，包括数字板卡和计算机搭载的免标定浓度计算程序。所述数字板卡用于产生特定电信号输入上述激光器控制器进而驱动激光器，记录上述光电探测器输出的电信号以及解调所述光电探测器的高次谐波信号；所述免标定浓度计算程序用于产生基于吸光度仿真的模拟高次谐波信号，并与所述测得的高次谐波信号进行迭代拟合，进而反演出所测气体浓度。
19、在一些实施例中，上述的高精度so3生成的装置及方法，包括但不限于测量转化完成且稳定后的so3生成浓度，该方法和装置也可以实时监测整个转化过程中so3的浓度变化；
20、在一些实施例中，上述的高精度so3生成的装置及方法，包括但不限于常压环境下生成so3，该方法和装置可通过调节真空泵、抽气支路调节阀、通入so2和氧气的流量实现低压或一定高压环境下so3气体的生成和浓度测定；
21、在一些实施例中，上述的高精度so3生成的装置及方法，包括但不限于上述温度范围(200-400℃)，该方法和装置可通过更换炉管使用高温石英玻璃材质以实现更高温度环境下的so3气体的生成和浓度测定；
22、在一些实施例中，上述的高精度so3生成的装置及方法，氧气供应方式可以使用更易获取的压缩空气替代；
23、在一些实施例中，上述的高精度so3生成的装置及方法，电信号输入输出由采集板卡结合相应自编程程序实现；
24、在一些实施例中，上述的高精度so3生成的装置及方法，反演so3浓度通过免标定波长调制吸收光谱方法由测量信号和仿真信号进行迭代，以最小二乘法为收敛准则寻取最优解，整个过程不需要利用标准气进行浓度信号标定；
25、在一些实施例中，上述的高精度so3生成的装置及方法，包括但不限于单个组分so3的浓度的测量，可以耦合对应其它组分(如so2)吸收的激光器，进行多组分同步测量，监测各工况下so3生成过程中的转化率。
26、总体而言，与现有的so3生成和检测方案相比，本发明实施例主要具备以下有益效果：
27、本发明实施例的so3生成与高精度浓度检测一体化装置实现了气态so3生成和在线测量一体化；
28、本发明的一体化装置及方法生成so3的系统和过程简单易操作，不使用毒性较大的催化剂或腐蚀性较强的浓硫酸，可以极大降低生成so3过程中对操作人员的伤害危险；
29、本发明实施例的so3生成与高精度浓度检测一体化装置及方法利用免标定的波长调制吸收光谱方法测量目标气体浓度，无需对测量仪器频繁标定；
30、本发明实施例的so3生成与高精度浓度检测一体化装置及方法利用中红外激光吸收光谱技术结合增加光程的多次反射吸收池方案，可实现较低浓度so3生成情形下的精确测量。
1.一种三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，其特征在于，包括气源系统、高温反应器和原位光学气体浓度测量系统，所述气源系统用于向所述高温反应器提供so2和o3，所述高温反应器用于使so2与o3在高温流动状态下发生反应以生成so3，所述原位光学气体浓度测量系统包括吸收池、激光触发和接收模块以及数据采集处理模块，所述吸收池用于提供激光与so3介质相互作用的半封闭空间，所述高温反应器产生混合气扩散至所述吸收池内，所述激光触发和接收模块用于将中红外激光导入所述吸收池，接收从所述吸收池出射的激光并将其转换为电信号，所述数据采集处理模块用于采集所述电信号，并通过中红外激光吸收光谱法在线测量so3的浓度。
2.如权利要求1所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，其特征在于，所述气源系统包括so2气源、so2气体流量调节控制器、o2气源、o2气体流量调节控制器、臭氧发生机以及混合气支路阀门，所述so2气体流量调节控制器和所述o2气体流量调节控制器用于控制各气源供气的体积流量，所述o2气源通过所述臭氧机生成o3，所述混合气支路阀门用于控制so2和o3的混合气进入所述高温反应器。
3.如权利要求1或2所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，其特征在于，还包括与所述高温反应器相连的真空泵，用于抽真空以去除所述高温反应器内的水蒸气。
4.如权利要求1至3任一项所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，其特征在于，还包括与所述高温反应器相连的排气支路阀门，用于排出连续流动过程中所述高温反应器内包含的so3在内的混合气。
5.如权利要求1至4任一项所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，其特征在于，所述高温反应器包括炉管、电热丝、保温层、监测热电偶以及pid温度调节器；所述炉管为so2转化生成so3的场所；所述电加热丝设置在所述炉管上以用于加热所述炉管；所述保温层覆盖在所述炉管外以用于所述炉管的保温；所述监测热电偶用于监测所述炉管内的温度，所述pid温度调节器与所述监测热电偶和所述电加热丝相连，用于控制所述炉管内达到设定温度。
6.如权利要求1至5任一项所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，其特征在于，所述吸收池为插入式多次反射气体吸收池，包括吸收池主体和固定于所述吸收池主体内两端的凹面反射镜，所述炉管内的混合气扩散至所述吸收池主体内，所述固定于吸收池内两端的凹面反射镜用于多次反射激光以增加气体吸收光谱的有效光程。
7.如权利要求1至6任一项所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，其特征在于，所述激光触发和接收模块包括中红外激光器、激光器控制器、平面反射镜和光电探测器；所述激光器控制器用于控制所述中红外激光器发射对应so3吸收谱线的激光光束；所述平面反射镜用于调节激光的传播方向使其进入所述吸收池；所述光电探测器用于收集经过so3吸收后的出射激光并将其转换为所述电信号。
8.如权利要求1至7任一项所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，其特征在于，所述数据采集处理模块产生电流调制信号输入激光器控制器进而驱动中红外激光器；所述数据采集处理模块还从采集的所述电信号解调出高次谐波信号，并通过产生基于吸光度仿真的模拟高次谐波信号，与解调出的所述高次谐波信号进行迭代拟合，优选地，所述迭代拟合以最小二乘法为收敛准则寻取最优解，进而反演出所测气体浓度。
9.如权利要求1至8任一项所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置，其特征在于，通过所述数据采集处理模块实时持续监测so3的浓度变化。
10.一种三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化方法，其特征在于，使用如权利要求1至9任一项所述的三氧化硫生成与高精度浓度检测一体化装置实现三氧化硫的生成与浓度检测。
