CN103091134B

CN103091134B - 固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统及采样方法

Info

Publication number: CN103091134B
Application number: CN201310008119.9A
Authority: CN
Inventors: 程水源; 李国昊; 郎建垒
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: CN103091134A

Abstract

固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统及采样方法，属于环境监测技术领域。包括烟气引入系统、稀释系统、停留室、样品采集系统、控制及数据采集系统。该系统能够模拟固定源烟气排放至大气中的成核、冷凝、凝聚等过程，可采用大气环境颗粒物的粒径分级采样方法对颗粒物进行采样，可采用大气环境挥发性有机物采样方法对挥发性有机物进行采样，并可实现稀释比及动态停留时间的动态控制，而且系统各部分高度集成、稳定性高、自动控制并易于操作。

Description

固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统及采样方法

技术领域

本发明涉及一种固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统，特别涉及一种能够对固定源排放的高温烟气进行降温，采用大气环境颗粒物采样方法进行颗粒物采样，采用大气环境挥发性有机物采样方法进行挥发性有机物采样，并可改变稀释比例及停留时间的稀释采样系统，属于环境监测技术领域。

技术背景

固定源排放的颗粒物及挥发性有机物是造成大气污染的重要来源，如何合理采集固定源排放的颗粒物及挥发性有机物，分析固定源排放颗粒物的粒径分布、颗粒物及挥发性有机物的化学成份，是研究大气污染控制机理、分析大气污染来源、制定污染控制措施及排放标准的重要手段。

目前我国对固定源排放颗粒物的采集主要采用《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T16157-1996）规定的颗粒物烟道直接采样法，该方法采集的是烟气温度下的总烟尘样品，即不能实现颗粒物的粒径分级，也不能模拟烟气排放至大气中的物理化学变化。另外，该方法规定使用玻璃纤维滤筒来采集烟尘，由于玻璃纤维滤筒含有较多杂质，导致后续化学成分分析的偏差较大。为了克服上述烟尘采样技术的缺点，国内外学者开发了稀释通道采样法，该方法通过高温烟气与洁净空气混合，使烟气温度降低到接近大气环境温度后再进行采样。该方法可很好的模拟烟气排放到大气中的成核、冷凝、凝聚等过程，并可采用大气环境颗粒物的粒径分级采样方法对颗粒物进行采样，因而对颗粒物进行物理化学分析的结果更接近实际。稀释通道采样系统一般包括烟气采样装置、清洁空气发生系统、烟气稀释系统、烟气停留室、稀释烟气采集系统。但这些系统往往比较复杂和庞大，操作较为繁琐，在一定程度上限制了该方法在现场的应用。中国发明专利（公开号CN1614385）涉及一种等速追踪固定源稀释采样系统，包括采样头、加热管、一级稀释腔、二级稀释腔、停留室、采样器、数据采集器和皮托管等，该发明通过皮托管监测烟道内的压力参数和计算机调节流量控制器，实现采样的全过程等速，但在采样过程中，由于烟道内烟气速度的波动，系统的流量控制器和分流采样泵都处于变化状态，导致系统的不稳定，测量结果出现偏差。中国发明专利（公开号CN1731127A）涉及一种固定燃烧源排放颗粒物稀释采样系统，包括烟气进气部分、一级稀释系统、二级稀释系统、停留室和采样部分等，该发明通过喷射稀释与多孔湍流稀释相结合的两级稀释系统，实现对烟气的稀释。一方面该系统未对稀释气流进行加热，烟气与洁净空气的混合部位由于局部过冷效应导致颗粒物过早凝结而使部分颗粒物损失，造成测量结果出现偏差。另一方面由于进入停留室的气量不变，导致系统无法对停留时间进行控制。

发明内容

本发明的发明目的在于针对上述现有固定源烟气采样设备存在的不足和缺陷，提供一种固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统。该系统能够模拟固定源烟气排放至大气中的成核、冷凝、凝聚等过程，可采用大气环境颗粒物的粒径分级采样方法对颗粒物进行采样，可采用大气环境挥发性有机物采样方法对挥发性有机物进行采样，并可实现稀释比及动态停留时间的动态控制，而且系统各部分高度集成、稳定性高、自动控制并易于操作。

为实现上述目的，本发明采用一种固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统，该系统包括烟气引入系统、稀释系统、停留室、样品采集系统、控制及数据采集系统。

所述的烟气引入系统由等速采样烟枪、加热保温管I（4）、引流室（5）、引流室流量控制器（6）、气泵（7）串联而成；所述的等速采样烟枪包括采样喷嘴（1）、加热采样管（2）、皮托管（3）；所述采样喷嘴与所述加热采样管、所述加热保温管I、所述引流室相串联，所述引流室的出口端与所述稀释系统的进口端相连，该引流室的另一端与所述引流室流量控制器及所述气泵相串连；

所述的稀释系统由一级稀释器（8）、文丘里流量计I（9）、二级稀释器（16）、文丘里流量计II（17）串联而成，所述一级稀释器与所述二级稀释器的入口端分别连接压缩空气系统；所述压缩空气系统由空压机（10）、空气净化器（11）、质量流量计（12）、压力表（13）、加热保温管II（14）串联而成；所述引流室的出口端依次与一级稀释器、文丘里流量计I、二级稀释器、文丘里流量计II相串联，在所述文丘里流量计I出口端还设有一个带有气体流量控制器（15）的多余气体出口，所述文丘里流量计II（17）的出口端与停留室的上部相连接，所述停留室为一体积大小可变的筒状容器，在所述停留室的底部设置一个压力平衡口；

所述样品采集系统包括颗粒物分级采样装置及气体采样装置，样品采集系统安装在停留室的下面并通过采样孔（21）与停留室内部相连通；颗粒物分级采样装置为用于采集PM₁₀、PM_2.5的颗粒物分级采样装置，气体采样装置为用于采集挥发性有机物的气体采样装置，颗粒物分级采样装置其由切割头（23）、膜托（24）、质量流量控制器I（25）、所述气泵（7）串联而成，其中切割头通过采样孔与停留室的内部相连接；气体采样装置由质量流量控制器II（26）、不锈钢采样罐（27）串联而成，该质量流量控制器II通过采样孔与所述停留室的内部相连接。

所述控制及数据采集系统（28）分别与所述加热采样管（2）、所述加热保温管I（4）、所述加热保温管II（14）、一级稀释器上设有的温度传感器、二级稀释器上设有的温度传感器、停留室上设置的温度传感器（19）与湿度传感器（20）相连接，同时还分别与所述皮托管（3）上的压差传感器、引流室流量控制器（6）、文丘里流量计I（9）上的压差传感器、文丘里流量计II（17）上的压差传感器、气体流量控制器（15）、质量流量控制器I（25）、质量流量控制器II（26）相连接。

上述控制及数据采集系统与所述的设备的连接为本领域常规的连接控制关系。所述的控制及数据采集系统（28）为一个集成机箱，机箱内分别设置有流量显示器、流速显示器、温度显示器、湿度显示器及流量控制器，其下部装有四个脚轮。

所述的颗粒物样品分级采样装置优选为四个，且均匀分布设置在所述停留室（18）底部，并设置有定时采样装置。

优选停留室可拆分为三部分，分别为筒盖、筒身上部、筒身下部，并在每部分均设置多个采样孔，进行颗粒物及挥发性有机物的采样，并在停留室底部设有四个脚轮。

优选地一级稀释器（8）、二级稀释器（16）的稀释压缩空气分别通过环形喷射孔进入稀释器内腔，环形喷射孔与稀释器中采样气入口的喷嘴相连接。

采样系统的具体工作过程为：

采样前，先用等速采样枪测量烟道内烟气流速、烟气温度，根据烟气流速选取合适的采样喷嘴（1）安装在等速采样枪上；将等速采样枪通过采样口伸入烟道内，使采样喷嘴（1）置于测点上，正对气流方向，开启气泵（7），通过调节调节引流室流量控制器（6）至流量稳定，实现等速引流采样；给加热采样管（2）、加热保温管I（4）加热，加热至温度略高于烟气温度（一般加热至温度为120-130℃）；给加热保温管II（14）加热，一级稀释气加热至温度较高（采用加热的稀释气对烟气进行稀释，防止高温烟气与稀释气的混合部位由于局部过冷效应导致颗粒物过早凝结造成颗粒物损失），二级稀释气加热至常温；开启空压机（10），并调节压力，通过文丘里流量计I（9）、一级稀释气质量流量计反推计算一级采样流量，确定一级稀释比，通过文丘里流量计II（17）、二级稀释气质量流量计反推计算二级采样流量，确定二级稀释比，并由一级、二级稀释比确定系统的总稀释比；待系统稳定后，打开质量流量控制器I（25）调节气量至切割头额定工作流量，打开不锈钢采样罐（27），调节质量流量控制器II（26）气量至需要流量，开始采样，并通过定时装置设置采样时间。采样一段时间后，定时装置自动关闭气泵（7），采样结束。

烟气通过引流室等速引流流量为Q1，Q1根据烟气流速及等速采样喷嘴的直径进行设置，一级稀释气的流量为Q2，经一级稀释器稀释后的总流量为Q3，一级稀释比N1=（Q3-Q2）/Q3，二级稀释气的流量为Q4，经二级稀释器稀释后的总流量为Q5，二级稀释比N2=（Q5-Q4）/Q5，系统总的稀释比为N=N1×N2。

由以上技术方案可以看出，系统采用两级喷射型稀释器，可加强烟气与稀释气体的混合均匀度，降低稀释混合段长度，一级、二级稀释器均采用调节稀释气流流量及压力来控制稀释比，并通过调节二级稀释气流量及压力控制进入停留室气量，实现停留时间的动态控制。稀释后的气体以压入进气方式进入停留室，停留室内的气体呈微正压，未被采集的多余气体通过压力平衡口自动排出，保持停留室压力平衡和整个系统的稳定。一级稀释器采用加热稀释气对烟气进行稀释，防止高温烟气与稀释气的混合部位由于局部过冷效应导致颗粒物过早凝结造成颗粒物损失，经一级稀释器稀释后，进入二级稀释器的颗粒物浓度降低，在二级稀释器用常温稀释气进行二次稀释。

附图说明

图1为本发明提供的具体实施方式的结构示意图。

图中：1-等速采样喷嘴；2-加热采样管；3-皮托管；4-加热保温管I；5-引流室；6-引流室流量控制器I；7-气泵；8-一级稀释器；9-文丘里流量计I；10-空压机；11-空气净化器；12-质量流量计；13-压力表；14-加热保温管II；15-流量控制器II；16-二级稀释器；17-文丘里流量计II；18-停留室；19-温度传感器；20-湿度传感器；21-采样孔；22-压力平衡口；23-切割头；24-膜托；25-质量流量控制器I；26-质量流量控制器II；27-不锈钢采样罐；28-控制及数据采集器。

图2气流流动过程示意图。

具体实施方式

本发明所提供的固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统的具体实施方式的结构示意图如图1所示。

本发明主要由烟气引入系统、稀释系统、停留室、样品采集系统、控制及数据采集系统等五部分组成。

烟气引入系统由等速采样烟枪、加热保温管I4、引流室5、引流室流量控制器6、气泵7串联构成。在等速采样枪上设置有采样喷嘴1、加热采样管2及皮托管3。引流室5的采样端出口与稀释系统的进口相连，引流室5的另一端与引流室流量控制器6及所述气泵7相串连。根据皮托管计算的烟气流速，选取合适的采样喷嘴1，调节引流室流量控制器6的流量至定值，以实现等速采样。加热采样管2及加热保温管4的温度略高于烟道内烟气温度，防止颗粒物的热泳沉积及冷凝发生，减少颗粒物损失。

稀释系统由一级稀释器8、文丘里流量计I9、二级稀释器16、文丘里流量计II17串联构成，一级稀释器8、二级稀释器16的入口端分别连接压缩空气系统。压缩空气系统由空压机10、空气净化器11、质量流量计I12、压力表13、加热保温管II14串联构成。空气净化器11包括硅胶罐、活性炭罐和过滤膜，可去除压缩空气中的颗粒物及挥发性有机物。引流室5的采样端出口与一级稀释器8、文丘里流量计I9相串联，在文丘里流量计I9出口端分别设有采样气出口及一个带有气体流量控制器15的多余气体出口，文丘里流量计I9采样气出口与二级稀释器16、文丘里流量计II17相串连。一级稀释器8、二级稀释器16均为喷射型稀释器，稀释压缩空气通过环形喷射孔进入稀释器内腔，环形喷射孔与烟气进口的喷嘴相连接，稀释压缩空气高速通过环形喷射孔时在喷嘴处产生负压，诱导烟气从进气部分通过喷嘴进入稀释器内腔，烟气与稀释气在环形喷射孔处混合，进一步在稀释器内腔充分混合。文丘里流量计I9出口端带有气体流量控制器15的多余气体出口，可以把经过一级稀释器8稀释后未被采样进入二级稀释器16的多余气体排入空气，从而实现稀释系统的压力平衡。一级稀释器8采用加热的稀释气对烟气进行稀释，防止高温烟气与稀释气的混合部位由于局部过冷效应导致颗粒物过早凝结造成颗粒物损失，在二级稀释器16用常温稀释气对烟气进行再次稀释。可以通过改变稀释压缩空气的流量及压力，来控制一级稀释器8、二级稀释器16的稀释比，一级稀释器8、二级稀释器16的稀释比均可在4-8倍之间调节，这样稀释系统可实现16-64倍的总稀释比。

文丘里流量计II17的出口端与停留室18的上部相连接，停留室18为一体积大小可变的筒状容器，在停留室的底部设置一个压力平衡口22。停留室18的作用是为稀释后的烟气提供停留时间，模拟烟气排放至大气中的成核、冷凝、凝聚等过程。停留室18可保证停留时间大于90s，在停留室18底部均匀设置有多个采样口，可满足同时进行粒径分布测量、颗粒物采样、挥发性有机物采样的需求。在停留室18侧部装有压力表13、温度传感器19、湿度传感器20，用于测量停留室内的压力、温度及湿度。稀释后的气体以压入进气方式进入停留室，停留室内的气体呈微正压，未被采集的多余气体通过压力平衡口自动排出，保持停留室压力平衡和整个系统的稳定。在停留室18的底部设置有4个脚轮，方便运输。

样品采集系统安装在停留室18的下部并与其内部相连通；样品采集系统为用于采集PM₁₀、PM_2.5的颗粒物分级采样装置及采集VOCs的气体采样装置，颗粒物分级采样装置其由切割头23、膜托24、质量流量控制器I25、气泵7串联构成，其中切割头23与停留室18的内部相连接；气体采样装置由质量流量控制器II26、不锈钢采样罐27串联构成，其中质量流量控制器26与停留室18的内部相连接。按照大气环境颗粒物的采样方法进行粒径分级采集颗粒物样品，按照大气环境VOCs采集方法采集VOCs样品，可根据要求选配不同粒径的切割头（PM₁₀、PM_2.5等）、采样膜（特富龙膜、石英膜等），进行称重、元素、离子、OC/EC和多环芳烃（PAHs）的分析，还可与适用于大气环境条件的在线颗粒物测量仪器（SMPS、ELPI、TOEM等）联用。

所述控制及数据采集系统28的信号输入端分别与加热采样管2、加热保温管I4、加热保温管II14、一级稀释器8、二级稀释器16、停留室18上设置的温度传感器与湿度传感器相连接，同时还与皮托管3上的压差传感器、引流室流量控制器6、文丘里流量计I9上的压差传感器、文丘里流量计II17上的压差传感器、气体流量控制器15、质量流量控制器I25、质量流量控制器II26的信号输出端相连接；数据采集系统28的信号输出端分别与引流室流量控制器6、气体流量控制器15、质量流量控制器25、质量流量控制器II26的信号输入端相连接。在数据显示及控制方面，可采用比较直观的仪表显示及开关控制，也可采用电脑进行数据采集及信号控制，记录系统采样过程中的温度、湿度、压力、流量、流速等参数，实现系统的实时在线监测。在控制及数据采集系统28的底部设置有4个脚轮，方便运输。

上述具体实施方式的气流流动过程如图2所示。图中烟气通过引流室等速引流流量为Q1，Q1根据烟气流速及等速采样喷嘴的直径进行设置，一级稀释气的流量为Q2，经一级稀释器稀释后的总流量为Q3，一级稀释比N1=（Q3-Q2）/Q3，二级稀释气的流量为Q4，经二级稀释器稀释后的总流量为Q5，二级稀释比N2=（Q5-Q4）/Q5，系统总的稀释比为N=N1×N2。

采样系统的具体工作过程为：

采样前，先用等速采样枪测量烟道内烟气流速、烟气温度，根据烟气流速选取合适的采样喷嘴1安装在等速采样枪上。将等速采样枪通过采样口伸入烟道内，使采样喷嘴1置于测点上，正对气流方向，开启气泵7，通过调节调节引流室流量控制器6至流量稳定，实现等速引流采样。给加热采样管2、加热保温管I4加热，加热至温度略高于烟气温度。给加热保温管II14加热，一级稀释气加热至温度较高，二级稀释气加热至常温。开启空压机10，并调节压力，通过文丘里流量计I9、一级稀释气质量流量计反推计算一级采样流量，确定一级稀释比，通过文丘里流量计II17、二级稀释气质量流量计反推计算二级采样流量，确定二级稀释比，并由一级、二级稀释比确定系统的总稀释比。待系统稳定后，打开质量流量控制器I25调节气量至切割头额定工作流量，打开不锈钢采样罐27，调节质量流量控制器II26气量至需要流量，开始采样，并通过定时装置设置采样时间。采样一段时间后，定时装置自动关闭气泵7，采样结束。

Claims

1.一种固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统，其特征在于，该系统包括烟气引入系统、稀释系统、停留室、样品采集系统、控制及数据采集系统；

所述的烟气引入系统由等速采样烟枪、加热保温管I(4)、引流室(5)、引流室流量控制器(6)、气泵(7)串联而成；所述的等速采样烟枪包括采样喷嘴(1)、加热采样管(2)、皮托管(3)；所述采样喷嘴与所述加热采样管、所述加热保温管I、所述引流室相串联，所述引流室的出口端与所述稀释系统的进口端相连，该引流室的另一端与所述引流室流量控制器及所述气泵相串联；

所述的稀释系统由一级稀释器(8)、文丘里流量计I(9)、二级稀释器(16)、文丘里流量计II(17)串联而成，所述一级稀释器与所述二级稀释器的入口端分别连接压缩空气系统；所述压缩空气系统由空压机(10)、空气净化器(11)、质量流量计(12)、压力表(13)、加热保温管II(14)串联而成；所述引流室的出口端依次与一级稀释器、文丘里流量计I、二级稀释器、文丘里流量计II相串联，在所述文丘里流量计I出口端还设有一个带有气体流量控制器(15)的多余气体出口，所述文丘里流量计II(17)的出口端与停留室的上部相连接，所述停留室为一体积大小可变的筒状容器，在所述停留室的底部设置一个压力平衡口；

所述样品采集系统包括颗粒物分级采样装置及气体采样装置，样品采集系统安装在停留室的下面并通过采样孔(21)与停留室内部相连通；颗粒物分级采样装置为用于采集PM₁₀、PM_2.5的颗粒物分级采样装置，气体采样装置为用于采集挥发性有机物的气体采样装置，颗粒物分级采样装置其由切割头(23)、膜托(24)、质量流量控制器I(25)、所述气泵(7)串联而成，其中切割头通过采样孔与停留室的内部相连接；气体采样装置由质量流量控制器II(26)、不锈钢采样罐(27)串联而成，该质量流量控制器II通过采样孔与所述停留室的内部相连接；

所述控制及数据采集系统(28)分别与所述加热采样管(2)、所述加热保温管I(4)、所述加热保温管II(14)、一级稀释器上设有的温度传感器、二级稀释器上设有的温度传感器、停留室上设置的温度传感器(19)与湿度传感器(20)相连接，同时还分别与所述皮托管(3)上的压差传感器、引流室流量控制器(6)、文丘里流量计I(9)上的压差传感器、文丘里流量计II(17)上的压差传感器、气体流量控制器(15)、质量流量控制器I(25)、质量流量控制器II(26)相连接；

一级稀释器(8)、二级稀释器(16)的稀释压缩空气分别通过环形喷射孔进入稀释器内腔，环形喷射孔与稀释器中采样气入口的喷嘴相连接；

停留室可拆分为三部分，分别为筒盖、筒身上部、筒身下部，并在每部分均设置多个采样孔，进行颗粒物及挥发性有机物的采样，并在停留室底部设有四个脚轮。

2.按照权利要求1的采样系统，其特征在于，所述的控制及数据采集系统(28)为一个集成机箱，机箱内分别设置有流量显示器、流速显示器、温度显示器、湿度显示器及流量控制器，其下部装有四个脚轮。

3.按照权利要求1的采样系统，其特征在于，颗粒物分级采样装置为四个，且均匀分布设置在所述停留室(18)底部，并设置有定时采样装置。

4.利用权利要求1的采样系统进行采用的方法，其特征在于，包括以下步骤：采样前，先用等速采样枪测量烟道内烟气流速、烟气温度，根据烟气流速选取合适的采样喷嘴(1)安装在等速采样枪上；将等速采样枪通过采样口伸入烟道内，使采样喷嘴(1)置于测点上，正对气流方向，开启气泵(7)，通过调节引流室流量控制器(6)至流量稳定，实现等速引流采样；给加热采样管(2)、加热保温管I(4)加热，加热至温度略高于烟气温度；给加热保温管II(14)加热，一级稀释气加热至温度较高，二级稀释气加热至常温；开启空压机(10)，并调节压力，通过文丘里流量计I(9)、一级稀释气质量流量计反推计算一级采样流量，确定一级稀释比，通过文丘里流量计II(17)、二级稀释气质量流量计反推计算二级采样流量，确定二级稀释比，并由一级、二级稀释比确定系统的总稀释比；待系统稳定后，打开质量流量控制器I(25)调节气量至切割头额定工作流量，打开不锈钢采样罐(27)，调节质量流量控制器II(26)气量至需要流量，开始采样，并通过定时装置设置采样时间；采样一段时间后，定时装置自动关闭气泵(7)，采样结束。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，给加热采样管(2)、加热保温管I(4)加热，加热至温度略高于烟气温度，加热的温度为120-130℃。