CN103759980B - 一种双级虚拟撞击pm10/pm2.5采样器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于环境监测技术领域的一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器。该采样器包括一级PM10采样器和一级PM2.5采样器；由烟尘气流入口（1）、PM10喷嘴（2）、PM10收集口（3）、PM＞10滤膜或滤筒套（4）、PM＞10滤膜或滤筒底座（5）、PM2.5喷嘴（7）、PM2.5收集口（8）、PM2.5?10滤膜或滤筒套（9）、PM2.5?10滤膜或滤筒底座（10）、PM2.5滤膜或滤筒入口（11）和PM2.5滤膜或滤筒底座（12）串联构成。采样器采用虚拟撞击原理，适用于不同浓度烟尘，消除了烟尘反弹和再悬浮问题，可准确采集烟尘中PM10和PM2.5。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，特别涉及一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，具体说，涉及基于虚拟撞击原理的烟气中PM10/PM2.5的测量。
背景技术
我国关于PM2.5环境空气质量标准已于2012年颁布并将自2016年起全面实施。为使PM2.5达标，各地需对固定污染源烟气中PM2.5进行监测和控制，但目前国内尚无固定源PM2.5采样标准方法。目前商业化的PM2.5烟尘采样器多为基于惯性撞击原理的撞击器（impactor），如Johnas-II impactor。由于使用收集板方式收集烟尘，所以该类型采样器存在烟尘反弹和再悬浮问题，容易高估PM2.5的浓度，且不适应于高浓度烟尘的测量。另一种商业化的PM2.5烟尘采样器为双级旋风采样器，为美国环保局（EPA）建议的方法，但是该采样器需要用丙酮清洗采样管路和集成部件，后续需要进一步将丙酮蒸干，然后称量，操作繁琐复杂。虚拟撞击原理已被用于大气环境颗粒物研究，根据相同的原理已经研究设计了用于烟尘采样的采样器，但该采样器的尺寸较大，不适应于我国固定源采样口（小于等于80mm），且测量高浓度烟气时滤膜很容易过载。为了克服上述问题本发明公开了一种适用于我国固定源烟气PM10/PM2.5测量的采样器。
发明内容
本发明的目的是提供一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器包括一级PM10采样器和一级PM2.采样器；由烟尘气流入口1、PM10喷嘴2、PM10收集口3、PM＞10滤膜或滤筒套4、PM＞10滤膜或滤筒底座5、PM2.5喷嘴7、PM2.5收集口8、PM2.5-10滤膜或滤筒套9、PM2.5-10滤膜或滤筒底座10、PM2.5滤膜或滤筒入口11和PM2.5滤膜或滤筒底座12串联构成，其中PM10收集口3和PM＞10滤膜或滤筒底座5之间固定PM＞10滤膜或滤筒6；PM2.5收集口8和PM2.5-10滤膜或滤筒底座10之间固定PM2.5-10滤膜或滤筒16；PM2.5滤膜或滤筒入口11和PM2.5滤膜或滤筒底座12之间固定PM2.5滤膜或滤筒 17。
所述PM＞10滤膜或滤筒底座5的底部出口的底部出口通过PM2.5喷嘴7的水平通孔与PM10次流气管13连接。
所述PM2.5-10滤膜或滤筒底座10的底部出口通过滤膜或滤筒入口11的水平通孔与PM2.5次流气管14连接。
所述PM2.5滤膜或滤筒底座12的底部出口连接PM2.5主流气管15。
所述PM＞10滤膜或滤筒套4固定在PM＞10滤膜或滤筒底座5外围，形成PM10主流通道18；PM2.5-10滤膜或滤筒套9固定在PM2.5-10滤膜或滤筒底座10外围，形成PM2.5主流通道19。
所述采样器的尺寸设计为横截面直径≤80mm。
所述采样器PM10收集口和PM2.5收集口与筋采用对称的方式分布，保证气流的高度对称性。
所述采样器的喷嘴与收集口均采用一体化加工，喷嘴与收集口相对应地均匀分布在直径为10～30mm的圆上，喷嘴与收集口的个数一一对应，必须保证喷嘴与收集口同轴度；其喷嘴与收集口的距离为喷嘴直径的1‐3倍；收集口直径是喷嘴直径的1.33倍；收集口的顶端为圆角，圆角半径为收集口直径的0.22‐0.26倍。
所述采样器PM10与PM2.5的喷嘴均高出基体4‐10mm，且有70°的倒角。
所述采样器PM10级或PM2.5级的次流比值为0.08‐0.1之间，Stk50在0.3-0.4之间。所述采样器PM10收集口，PM2.5收集口以及PM2.5（滤膜或）滤筒入口的底部都有凸出，凸出部分含有锥面和平面，既可以连接滤筒，也可以连接滤膜，高浓度烟尘时采用滤筒，低浓度烟尘时采用滤膜；所述采样器内部气体为层流状态，雷诺数为100～3000之间。
本发明的有益效果是采样器采用虚拟撞击原理，适用于不同浓度烟尘，消除了烟尘反弹和再悬浮问题，克服了测量高浓度烟气时滤膜很容易过载缺陷，可准确采集烟尘中PM10和PM2.5；更换滤膜操作方便。
附图说明：
图1为装有滤膜的双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器的原理示意图。
图2为装有滤筒的双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器的原理示意图。图中1为烟尘气流入口，2为PM10喷嘴，3为PM10收集口，4为PM＞10滤膜或滤筒套，5为PM＞10滤膜或滤筒底座，6为PM＞10滤膜或滤筒，7为PM2.5喷嘴，8为PM2.5收集口，9为PM2.5-10滤膜或滤筒套，10为PM2.5-10滤膜或滤筒底座，11为PM2.5滤膜或滤筒入口，12为PM2.5滤膜或滤筒底座，13为PM10次流气管，14为PM2.5次流气管，15为PM2.5主流气管，16为PM2.5-10滤膜或滤筒，17为PM2.5滤膜或滤筒，18为PM10主流通道，19为PM2.5主流通道。
图3为PM10收集口示意图。
图4为PM2.5收集口示意图。
图5为双级虚拟撞击器PM10/PM2.5收集效率曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，下面结合附图予以说明。
图1所示为装有滤膜的双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器的原理示意图，图2为装有滤筒的双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器的原理示意图。图中，所述双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器包括一级PM10采样器和一级PM2.5采样器；由烟尘气流入口（1）、PM10喷嘴（2）、PM10收集口（3）、PM＞10滤膜套（4）、PM＞10滤膜或滤筒底座（5）、PM2.5喷嘴（7）、PM2.5收集口（8）、PM2.5-10滤膜或滤筒套（9）、PM2.5-10滤膜或滤筒底座（10）、PM2.5滤膜或滤筒入口（11）和PM2.5滤膜或滤筒或滤筒底座（12）串联构成，其中PM10收集口（3）和PM＞10滤膜或滤筒套（5）之间固定PM＞10滤膜或滤筒（6）；PM2.5收集口（8）和PM2.5-10滤膜或滤筒套（10）之间固定PM2.5-10滤膜或滤筒（16）；PM2.5滤膜或滤筒入口（11）和PM2.5滤膜或滤筒底座（12）之间固定PM2.5滤膜（17）。
在PM＞10滤膜或滤筒底座（5）的底部出口的底部出口通过PM2.5喷嘴（7）的水平通孔与PM10次流气管（13）连接；在PM2.5-10滤膜或滤筒底座（10）的底部出口通过滤膜或滤筒入口（11）的水平通孔与PM2.5次流气管（14）连接。在PM2.5滤膜或滤筒底座（12）的底部出口连接PM2.5主流气管（15）。
图3所示为PM10收集口示意图，图4所示为PM2.5收集口示意图。其中PM10收集口为4个，PM2.5收集口为6个。所述采样器PM10收集口和PM2.5收集口与筋采用对称的方式分布，保证气流的高度对称性。
实施例，
双极虚拟撞击PM10/PM2.5采样器的检测原理如下：
如图1所示（具体使用表1所示的采样器）含有烟尘的气流从入口1进入采样器，然后进入PM10喷嘴2，进入喷嘴后的气流被加速，高速的气流然后一分为二，92%的烟尘的气流发生90°变向进入PM10主流通道18。烟尘的气流的8%的气流则进入PM10收集口3，两部分气流分别被称为PM10主流和PM10次流。大粒径的烟尘惯性大，即斯托克斯数大，脱离主流，随着次流伸入PM＞10滤膜或滤筒底座5，最后被放置在其中的PM＞10滤膜或滤筒6收集，所收集烟尘的空气动力学直径(Da)＞10μm，去除烟尘后的PM10次流通过PM10次流气管13流出。而小粒径的烟尘惯性小，即斯托克斯数小，跟随PM10主流一起运动，穿过PM10主流通道18，进入PM2.5喷嘴7，同样地进入喷嘴后的气流被加速，高速气流然后一分为二，约90%的气流发生90°变向，携带着Da≤2.5μm的烟尘进入PM2.5主流通道19，这部分气流称为PM2.5主流；约10%的气流则将2.5μm＜Da≤10μm的烟尘带入PM2.5收集口8，这部分气流为PM2.5次流，进而被PM2.5—10滤膜或滤筒底座10中的PM2.5—10滤膜或滤筒16捕集，去除烟尘后的PM2.5次流通过PM2.5次流气管14流出。PM2.5主流穿过PM2.5主流通道19，进入PM2.5滤膜或滤筒入口11，其中携带的Da≤2.5μm的烟尘被放置在PM2.5滤膜或滤筒底座12中的PM2.5滤膜或滤筒17收集，去除烟尘后的PM2.5主流从PM2.5主流气管15流出。称量收集到滤膜或滤筒上各部分烟尘的重量，然后除以对应的气体流量，则为相应烟尘的质量浓度。
表1双极虚拟撞击PM10/PM2.5采样器的参数
| PM10级 | PM2.5级 | |
| 喷嘴数（个） | 4 | 6 |
| 喷嘴直径（mm） | 4.62 | 1.50 |
| 收集口直径（mm） | 6.20 | 2.00 |
| 喷嘴距收口的距离（mm） | 7 | 3 |
| 入口总流量（L/min） | 9.8 | 9.0 |
| 次流流量（L/min） | 0.8 | 0.9 |
| 斯托克斯数Stk50 | 0.32 | 0.37 |
| 喷嘴处雷诺数（25℃空气） | 682 | 1297 |
采用表1所示双极虚拟撞击PM10/PM2.5采样器的检测效果如图5所示，图5为双级虚拟撞击器PM10/PM2.5收集效率曲线图，所述双级虚拟撞击对于PM10与PM2.5的收集效率（η）均满足国际标准ISO7708:1995中对于PM10和PM2.5采样器收集效率的要求。
Claims (10)
1.一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器包括一级PM10采样器和一级PM2.5采样器；由烟尘气流入口(1)、PM10喷嘴(2)、PM10收集口(3)、PM＞10滤膜或滤筒套(4)、PM＞10滤膜或滤筒底座(5)、PM2.5喷嘴(7)、PM2.5收集口(8)、PM2.5-10滤膜或滤筒套(9)、PM2.5-10滤膜或滤筒底座(10)、PM2.5滤膜或滤筒入口(11)和PM2.5滤膜或滤筒底座(12)串联构成，其中PM10收集口(3)和PM＞10滤膜或滤筒底座(5)之间固定PM＞10(滤膜或)滤筒(6)；PM2.5收集口(8)和PM2.5-10滤膜或滤筒底座(10)之间固定PM2.5-10滤膜或滤筒(16)；PM2.5滤膜或滤筒入口(11)和PM2.5滤膜或滤筒底座(12)之间固定PM2.5滤膜或滤筒(17)。
2.根据权利要求1所述一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述PM＞10滤膜或滤筒底座(5)的底部出口通过PM2.5喷嘴(7)的水平通孔与PM10次流气管(13)连接。
3.根据权利要求1所述一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述PM2.5-10滤膜或滤筒底座(10)的底部出口通过滤膜或滤筒入口(11)的水平通孔与PM2.5次流气管(14)连接。
4.根据权利要求1所述一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述PM2.5滤膜或滤筒底座(12)的底部出口连接PM2.5主流气管(15)。
5.根据权利要求1所述一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述PM＞10滤膜或滤筒套(4)固定在PM＞10滤膜或滤筒底座(5)外围，形成PM10主流通道(18)；PM2.5-10滤膜或滤筒套(9)固定在PM2.5-10滤膜或滤筒底座(10)外围，形成PM2.5主流通道(19)。
6.根据权利要求1所述一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述采样器的尺寸设计为横截面直径≤80mm。
7.根据权利要求1所述一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述采样器PM10收集口和PM2.5收集口与筋采用对称的方式分布，保证气流的高度对称性。
8.根据权利要求1所述一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述采样器的喷嘴与收集口均采用一体化加工，喷嘴与收集口相对应地均匀分布在直径为10～30mm的圆上，喷嘴与收集口的个数一一对应，必须保证喷嘴与收集口同轴度；其喷嘴与收集口的距离为喷嘴直径的1‐3倍；收集口直径是喷嘴直径的1.33倍；收集口的顶端为圆角，圆角半径为收集口直径的0.22‐0.26倍。
9.根据权利要求1所述一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述采样器PM10与PM2.5的喷嘴均高出基体4‐10mm，且有70°的倒角。
10.根据权利要求1所述一种双级虚拟撞击PM10/PM2.5采样器，其特征在于，所述采样器PM10级或PM2.5级的次流比值为0.08‐0.1之间，Stk50在0.3-0.4之间；所述采样器PM10收集口，PM2.5收集口以及PM2.5滤膜或滤筒入口的底部都有凸出，凸出部分含有锥面和平面，既可以连接滤筒，也可以连接滤膜，高浓度烟尘时采用滤筒，低浓度烟尘时采用滤膜；所述采样器内部气体为层流状态，雷诺数为100～3000之间。
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