CN102967491B - 颗粒物采样装置及利用该装置进行颗粒物检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种颗粒物采样装置及利用该装置进行颗粒物检测的方法，所述采集装置包括采样嘴、第一过滤机构、采样通道、第一泵体、冷凝机构、温度控制容器、缓冲机构、一个或多个第二过滤机构、第二泵体、毕托管，缓冲机构设置于温度控制容器中；采样嘴、第一过滤机构、采样通道、冷凝机构、缓冲机构依次连接；毕托管、第二泵体、第二过滤机构、缓冲机构依次连接。本发明提出的颗粒物采样装置及利用该装置进行颗粒物检测的方法，不但可按照现有国家标准，测试烟道气内的颗粒物质，同时也可精确地测试固定源颗粒物中的可凝结部分，使用滤膜作为可凝结颗粒物质的捕获手段，也可增加颗粒物测试的精准度。

Description

颗粒物采样装置及利用该装置进行颗粒物检测的方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种采样装置，尤其涉及一种颗粒物采样装置；同时，本发明还涉及一种利用上述颗粒物采样装置进行颗粒物检测的方法。

背景技术

目前，我国用于固定源颗粒物测试的采样装置依据国家标准《固定源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T 16157-1996）以及环境保护行业标准《固定源废气监测技术规范》（HJ/T 397-2007）而定。

现在应用较多的动压平衡型颗粒物采样装置的组成如图1所示，现有采样装置包括热电偶或热电阻温度计1、皮托管2、采样管3、除硫干燥器4、微压传感器5、压力传感器6、温度传感器7、流量传感器8、流量调节装置9、抽气泵10、微处理器11、微型打印机12、显示器13。

滤筒（采样管3中矩形位置）位于烟道内，含尘烟气经动压平衡后等速采样进入采样管前端的采样嘴内，滤筒截留部分即为采集到的颗粒物样品。作为污染源颗粒物测试的国标方法，该标准在我国固定源颗粒物测试及防治历程中起到了重大的作用，然而随着我国颗粒物防治技术水平的进步、环保标准的不断收紧以及对固定源颗粒物质排放认识的加深，有以下几点不足。

首先，我国现有方法在烟道内于烟道温度下采集颗粒物，而当烟气排入大气环境后，由于温度降为环境空气水平，在极短时间内由于均相与非均相成核、凝聚作用新生产颗粒物，称为可凝结颗粒物（Condensable Particulate Matter,CPM）。美国环保署（EPA）对其定义为：该物质在烟道温度状况下在采样位置处为气态，离开烟道后在环境状况下降温数秒内凝结成为液态或固态。国标方法中由于测试方法原理的局限（滤筒位于烟道内，采样温度与烟道气温度一致，高于环境温度），仅能测试烟道温度、压力状况下的颗粒物质（下文中称可过滤颗粒物，FilterableParticulate Matter），无法对可凝结颗粒物进行测试。EPA AP-42排放因子及国外相关研究表明，可凝结颗粒物质量浓度与传统方法测得的可过滤颗粒物质处于同一水平，此外，可凝结颗粒物由于形成原理的原因，其空气动力学粒径均在2.5μm以下，属于固定源直接排放的PM_2.5的一部分，对其忽视将为我国颗粒物尤其是PM_2.5防控政策的制定带来负面影响。

其次，随着我国燃煤电厂湿法烟气脱硫技术的广泛实施以及高效除尘装置的继续推进，烟尘内颗粒物浓度将降至较低水平，新的火电厂大气污染物排放标准将颗粒物限值定为20mg/m³。我国现阶段的采样方法严格意义而言，仅适用于颗粒物质量浓度高于50mg/m³的情况，测定低浓度颗粒物时误差较大。另外，该方法规定颗粒物捕获介质为滤筒，由于滤筒本身自重较大，在低浓度颗粒物采样和分析中，无法准确定量，不可避免的误差将降低颗粒物采样准确度，并对测定结果产生较大影响。

此外，我国现阶段国标方法未对颗粒物捕获介质（滤筒或滤膜等）温度提出具体要求，由于烟道内颗粒物的质量浓度实际上与温度有关，故不同的温度下测得的颗粒物质量浓度并无可比性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种颗粒物采样装置，可精确测试固定源颗粒物中的可凝结部分的含量。

此外，本发明还提供一种利用上述颗粒物采样装置进行颗粒物检测的方法，可精确测试固定源颗粒物中的可凝结部分的含量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种颗粒物采样装置，所述采集装置包括：采样嘴、第一过滤机构、采样通道、第一泵体、冷凝机构、温度控制容器、缓冲机构、一个或多个第二过滤机构、第二泵体、毕托管，缓冲机构设置于温度控制容器中；

所述采样嘴、第一过滤机构、采样通道、冷凝机构、缓冲机构依次连接，第一泵体连接采样通道，用以抽气或鼓气；

所述毕托管、第二泵体、第二过滤机构、缓冲机构依次连接。

作为本发明的一种优选方案，所述采样通道为套管，包括内、外两路管道，抽取的烟道气流经内部管道，第一泵体抽出烟道气通过外部管道，通过调节抽气量保证内部管道中抽取的烟道气温度高于环境温度，与烟道温度趋于一致，减少烟道气中水分冷凝的可能性；或鼓入一定温度气体，对抽取的烟道气进行加温。

作为本发明的一种优选方案，所述温度控制容器为恒温水浴箱，用以控制缓冲机构的温度恒定在设定温度。

作为本发明的一种优选方案，所述采样通道末端、缓冲机构均设有温度传感器，第二过滤机构与第二泵体之间设有温度传感器。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲机构包括第一缓冲瓶、一个或多个第二缓冲瓶，第二缓冲瓶呈球形。

作为本发明的一种优选方案，所述采样装置包括多个并联的第二过滤机构，第二过滤机构包括滤膜夹持机构及设置在该滤膜夹持机构内的滤膜。

一种利用上述颗粒物采样装置进行颗粒物检测的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、采样步骤：在第一过滤机构中放入滤筒、第二过滤机构中放入滤膜，将采样管一端插入烟道，启动第二泵体抽气以保证采样管内温度与烟道温度基本一致（即两者之差小于设定值），同时在温度控制容器中注入常温水，将其打入冷凝机构内。随后，启动第一泵体进行动压平衡型等速采样。抽取的烟道气依次通过第一过滤机构、采样管道、冷凝机构、温度控制容器、缓冲机构、第二过滤机构。

步骤S2、采样结束后，将第一过滤机构中滤筒取出，测量增重后除以采样标态体积即为可过滤颗粒物质量浓度；采样标态体积通过气体流量计、气体压力计以及气体温度等数据计算得出。

步骤S3、将第二过滤机构设有的滤膜取出，测量增重即为烟道气中一部分的可凝结颗粒物；同时，使用溶剂清洗采样通道，收集清洗液，干燥后残余物即为另一部分可凝结颗粒物，两者之和即为可凝结颗粒物质量；通过可凝结颗粒物质量除以采样标态体积，得到可凝结颗粒物质量浓度。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S1之前还包括：使用去离子水、丙酮清洗整个采样通道、第一过滤机构、第二过滤机构。

作为本发明的一种优选方案，在温度控制容器内加入常温水，将温度控制容器中的水打入冷凝机构内。

作为本发明的一种优选方案，所述缓冲机构包括第一缓冲瓶、一个或多个第二缓冲瓶，第二缓冲瓶呈球形；对采样通道的末端、第二缓冲瓶的出口、第二过滤机构内的温度进行监控，确保第二过滤机构之后的温度处于设定温度。

本发明的有益效果在于：本发明提出的颗粒物采样装置及利用该装置进行颗粒物检测的方法，不但可按照现有国家标准，测试烟道气内的颗粒物质，同时也可精确地测试固定源颗粒物中的可凝结部分，使用滤膜作为可凝结颗粒物质的捕获手段，也可增加颗粒物测试的精准度。

附图说明

图1为现有颗粒物采样装置的组成示意图。

图2为本发明颗粒物采样装置的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图2，本发明揭示了一种颗粒物采样装置，所述采集装置包括：采样嘴102、滤筒103、采样管104、抽气或鼓气泵、冷凝管106、水浴箱107、缓冲瓶108、两个球形缓冲瓶109、两个滤膜夹110、采样泵、毕托管111，缓冲瓶108、两个球形缓冲瓶109设置于水浴箱107中。

本实施例中，所述采样管104为套管，包括内、外两路管道，抽取的烟道气流经内部管道，第一泵体抽出烟道气通过外部管道，通过调节抽气量保证内部管道中抽取的烟道气温度高于环境温度，与烟道温度趋于一致，减少烟道气中水分冷凝的可能性；或鼓入一定温度气体，对抽取的烟道气进行加温。

所述采样嘴102、滤筒103、采样管104、冷凝管106、缓冲瓶108依次连接，抽气或鼓气泵连接采样管104，用以抽气或鼓气。所述采样泵与毕托管111连接，并分别两个滤膜夹110连接，所述采样泵设有压力传感器，滤膜夹110内设有滤膜。

采样前需要使用去离子水、丙酮等有机溶剂清洗整个采样组件。采样管4插入烟道101之前，在采样管104与采样嘴102之间安装滤筒103，在水浴箱107内加入常温水，在滤膜夹110处安装滤膜，使用潜水泵将水浴箱中水打入冷凝管106内，系统检漏后将采样管插入烟道，启动带有压力传感器的采样泵，进行等速采样。同时，对采样管末端、球形缓冲瓶出口、滤膜箱内温度进行监控，确保滤膜夹110后温度不超过常温水温度。

采样结束后，将滤筒103取出，测量增重后除以采样标态体积即为国标方法中的可过滤颗粒物质量浓度；将滤膜夹110中滤膜取出，测量增重后除以采样标态体积，即为烟道气中可凝结颗粒物部分A，同时，使用去离子水、丙酮的溶剂清洗滤筒3后采样管路，收集清洗液，干燥后残余物即为可凝结颗粒物部分B，两者之和即为可凝结颗粒物质量。

一种利用上述颗粒物采样装置进行颗粒物检测的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S0、使用去离子水、丙酮清洗整个采样通道、第一过滤机构、第二过滤机构，并称重。采样管4插入烟道之前，在采样管104与采样嘴102之间安装滤筒103，在水浴箱107内加入常温水，在滤膜夹110处安装滤膜，使用潜水泵将水浴箱中水打入冷凝管106内，而后进行系统检漏。

步骤S1、在第一过滤机构中放入滤筒103、第二过滤机构中放入滤膜，将采样管4一端插入烟道，启动第二泵体抽气以保证采样管内温度与烟道温度基本一致，同时在温度控制容器中注入常温水，将其打入冷凝机构内。随后，启动第一泵体进行动压平衡型等速采样；抽取的烟道气依次通过第一过滤机构、采样管道、冷凝机构、温度控制容器、缓冲机构、第二过滤机构。

步骤S2、采样结束后，将第一过滤机构中滤筒取出，测量增重后除以采样标态体积即为可过滤颗粒物质量浓度；采样标态体积通过气体流量计、气体压力计以及气体温度等数据计算得出。

步骤S3、将第二过滤机构设有的滤膜取出，测量增重即为烟道气中一部分的可凝结颗粒物；同时，使用溶剂清洗采样通道，收集清洗液，干燥后残余物即为另一部分可凝结颗粒物，两者之和即为可凝结颗粒物质量；通过可凝结颗粒物质量除以采样标态体积，得到可凝结颗粒物质量浓度。

综上所述，本发明提出的颗粒物采样装置及利用该装置进行颗粒物检测的方法，不但可按照现有国家标准，测试烟道气内的颗粒物质，同时也可精确地测试固定源颗粒物中的可凝结部分，使用滤膜作为可凝结颗粒物质的捕获手段，也可增加颗粒物测试的精准度。

本发明颗粒物采样装置为玻璃部件，易于清洗，可与采样结束后冲洗各部件，将冲洗液蒸发后可得到在玻璃部件中堆积的颗粒物量。本发明采样管为玻璃套管，可通过真空泵吸入烟气以确保采样管、滤膜箱温度与烟道内温度相同，或通入常温空气或一定温度热空气使采样管、滤膜箱保持常温或加热。本发明采用水浴箱，可调节水浴箱内水温使得烟气保持在一定温度；采用球形缓冲瓶，可增大换热面积，为新颗粒物生成提供停留时间，减少冲击式采样瓶带来的微细颗粒物损失。本发明采用滤膜采集颗粒物样品，可用于低浓度颗粒物的测定，同时滤膜可用于后续的化学分析（离子、元素组成，有机、无机组分等）。本发明设置双通道滤膜采样装置，可一次采集两张滤膜，用于后续分析。本发明在采样管出口、水浴箱出口、滤膜出口设置温度探头，可监控系统内烟气温度。本发明配合毕托管，可实现等速采样。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (4)

1.一种颗粒物采样装置，其特征在于，所述采样装置包括：采样嘴、第一过滤机构、采样管、第一泵体、冷凝机构、温度控制容器、缓冲机构、两个并联的第二过滤机构、第二泵体、毕托管，缓冲机构设置于温度控制容器中；第二过滤机构包括滤膜夹持机构及设置在该滤膜夹持机构内的滤膜；

所述采样嘴、第一过滤机构、采样管、冷凝机构、缓冲机构依次连接，第一泵体连接采样管；

所述毕托管、第二泵体、第二过滤机构、缓冲机构依次连接；

所述缓冲机构包括第一缓冲瓶、两个第二缓冲瓶，两个第二缓冲瓶呈球形；

所述采样管为套管，包括内、外两路管道，第二泵体抽取的烟道气流经内部管道，第一泵体抽出烟道气通过外部管道，通过调节抽气量保证内部管道中抽取的烟道气温度高于环境温度，与烟道温度趋于一致，减少烟道气中水分冷凝的可能性；

所述第二泵体与毕托管连接，并分别与各个第二过滤机构连接，所述第二泵体设有压力传感器，第二过滤机构内设有滤膜；

采样前需要使用有机溶剂清洗整个采样组件；在温度控制容器内加入常温水，使用潜水泵将温度控制容器中水打入冷凝机构内，系统检漏后将采样管插入烟道，启动带有压力传感器的第二泵体，进行等速采样；同时，对采样管末端、球形缓冲瓶出口、第二过滤机构内温度进行监控，确保第二过滤机构后温度不超过常温水温度；

采样结束后，将第一过滤机构取出，测量增重后，增重除以采样标态体积即为国标方法中的可过滤颗粒物质量浓度；将第二过滤机构中滤膜取出，测量增重，增重即为烟道气中可凝结颗粒物质量的第一部分，同时，使用去离子水、丙酮的溶剂清洗第一过滤机构后的采样管，收集清洗液，干燥后残余物的质量即为可凝结颗粒物质量的第二部分，第一部分、第二部分两者之和即为可凝结颗粒物质量。

2.一种利用权利要求1所述颗粒物采样装置进行颗粒物检测的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、采样步骤：在第一过滤机构中放入滤筒、第二过滤机构中放入滤膜，将采样管一端插入烟道，启动第一泵体抽气以保证采样管内部管道中抽取的烟道气温度与烟道温度趋于一致，同时在温度控制容器中注入常温水，将其打入冷凝机构内；随后，启动第二泵体进行动压平衡型等速采样；抽取的烟道气依次通过第一过滤机构、采样管、冷凝机构、温度控制容器、缓冲机构、第二过滤机构；

步骤S2、采样结束后，将第一过滤机构中滤筒取出，测量增重后除以采样标态体积即为可过滤颗粒物质量浓度；采样标态体积通过气体流量计、气体压力计以及气体温度数据计算得出；

步骤S3、将第二过滤机构设有的滤膜取出，测量增重即为烟道气中一部分的可凝结颗粒物；同时，使用去离子水、丙酮的溶剂清洗第一过滤机构后的采样管，收集清洗液，干燥后残余物的质量即为另一部分可凝结颗粒物，两者之和即为可凝结颗粒物质量；通过可凝结颗粒物质量除以采样标态体积，得到可凝结颗粒物质量浓度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述步骤S1之前还包括：使用去离子水、丙酮清洗整个采样管、第一过滤机构、第二过滤机构。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述缓冲机构包括第一缓冲瓶、两个第二缓冲瓶，两个第二缓冲瓶呈球形；

所述步骤S1中，对采样管的末端、第二缓冲瓶的出口、第二过滤机构内的温度进行监控，确保第二过滤机构之后的温度处于设定温度。