CN104075913A - 一种固定污染源排放pm2.5稀释采样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分、旁路部分与采样部分。烟气进气部分对烟气进行颗粒切割后通过稀释混合段连通；稀释空气部分将空气过滤后通入稀释混合段；通过稀释混合段内设计的气流分布板，使稀释气体和烟气快速湍流混合；一部分通过旁路部分排出，另一部分作为采样气体进入与稀释混合段形成一体结构的停留室；最终，通过采样部分应用滤膜离线采样方式对采样气体进行采样。本发明的优点为：不仅能够模拟烟气从排放口出来后与大气的混合过程，采用大气环境颗粒物的采样方法采集PM2.5样品，而且采样装置结构紧凑，小型化，操作简便，测量结果可靠，适合于现场大范围推广应用。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，涉及一种固定污染源排放PM2.5采样装置，具体来说，是一种能够针对固定污染源排放的温度高、湿度大、PM2.5浓度高等烟气条件，通过稀释降低烟气温度、湿度和PM2.5浓度后，采用大气环境颗粒物的采样方法采集PM2.5的采样装置。
背景技术
目前我国大气环境问题突出，区域灰霾频发，引起广泛关注。灰霾形成主要是由大气中的PM2.5增多引起的；而固定污染源排放的PM2.5是大气环境PM2.5的重要来源，如何合理采集固定污染源排放的PM2.5，对于准确确定其排放量，对PM2.5排放进行管理与控制，分析大气PM2.5污染的来源，制定固定污染源PM2.5污染控制措施和排放标准都具有十分重要的意义。
目前我国尚无针对固定污染源PM2.5的排放标准与测定方法。已有的固定污染源排放中颗粒物的排放标准与采样方法主要针对总烟尘，采用仪器为烟尘采样器，采集的是在烟气温度下的总烟尘样品；由于燃烧源排放烟气温度，多采用玻璃纤维滤筒捕集烟尘，而玻璃纤维材质含有较多的杂质，因而不利于对捕集的烟尘进行后续的化学分析。
二十世纪八十年代美国研究人员研制了稀释烟道方法进行污染源细粒子排放特征研究，该方法将高温烟气在稀释通道用洁净空气进行稀释和冷却至大气环境温度，稀释冷却后的采样气体进入停留室，停留一段时间后颗粒物被捕集；模拟烟气从排放口出来后与大气的混合过程，捕集的颗粒物可近似认为是污染源排放颗粒物在大气的真实状态；由于高温烟气稀释冷却至大气环境温度，可应用大气颗粒物的采样方法对颗粒物的化学组成进行全方位的分析。该采样系统一般包括烟气采样管、稀释空气系统、稀释混合段、停留室及采样系统等组成。烟气和稀释空气采样自然扩散混合方式，稀释混合段长；进入停留室的气量多，停留时间设计较长，停留室体积大，因此系统比较庞大；而且许多污染源采样现场空间狭小，加之这套采样系统操作繁琐，在一定程度上限制了该方法在现场的大量应用。由于该方法系统管路长，粗颗粒物的损失大，一般适用于粒径较小的颗粒物(如PM2.5)的捕集。国内外学者正在不断的发展和完善此方法。
专利号为200410096562.7的发明专利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，但是该发明采用两级稀释器，倒U型布置，相应的稀释空气净化(零空气发生器)也采用两台，稀释部分和停留室分开设置，系统复杂，占地面积大。
专利号为200510086292.6的发明专利涉及固定燃烧源排放颗粒物稀释采样系统，采用喷射型稀释和多孔湍流混合稀释相结合的两级稀释方式，加强稀释气体和烟气的混合，降低稀释混合段长度；并减少进入停留室的采样气量，缩小停留室体积；停留室气流呈微正压，系统稳定；采样系统小型化。该发明采用两级稀释器，相应的稀释空气净化也采用两套，分别采用空压机和空气泵和相应的净化器等，稀释部分和停留室分开设置，停留室按停留室时间80秒进行设计；该方面较以前的发明在系统操作和占地等方面有所改进，仍然存在系统较复杂，占地面积较大的问题，在现场大量推广应用也还存在一定障碍。
申请号为201310008119.9的发明专利涉及固定源颗粒物及挥发性有机物稀释采样系统及采样方法，该发明采用两级稀释器，稀释部分和停留室分开设置，也存在仍然存在系统较复杂，占地面积较大，现场应用受限的问题。
发明内容
针对上述现有的各种固定燃烧源颗粒物采样系统的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种紧凑型的固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，模拟烟气从排放口出来后与大气的混合过程，采用大气环境颗粒物的采样方法采集PM2.5样品，而且采样器结构紧凑，操作方便，适合于现场大范围推广应用。
一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分、旁路部分与采样部分。
所述烟气进气部分包括第一PM2.5切割器、加热采样管、连接管A与文丘里流量计。其中，第一PM2.5切割器设置在烟道中，出气端与加热采样管的进气端连通。加热采样管内设置有文丘里流量计；加热采样管的出气端通过连接管A与稀释混合部分连通。
所述稀释空气部分包括孔板流量计、调节阀与过滤结构。过滤结构一端连通大气，另一端通过稀释空气进气管道依次连接孔板流量计与调节阀后，与稀释混合部分相连。
所述稀释混合部分包括稀释混合段与气流分布板。其中，稀释混合段内部安装有气流分布板；且外壁上安装有旁路部分。通过气流分布板与旁路部分将稀释混合段分为三部分：稀释混合段前端面与气流分布板间空腔作为稀释空气进气腔；气流分布板与旁路部分间空腔作为混合腔；旁路部分与稀释混合段后端面间空腔作为停留室。上述气流分布板周向上开有喷射孔。
上述烟气进气部分中，连接管A由稀释混合段前端面伸入稀释混合段内，并穿过气流分布板中心位置开设的通孔与混合腔连通。稀释空气部分中稀释空气进气管道与稀释空气进气腔连通；且设计混合腔长度为1.5倍稀释混合段直径长度。
上述旁路部分包括旁路管、过滤器与旁路风机。其中，旁路管环绕在稀释混合段周向上，且在稀释混合段侧壁上开设与旁路管连通的出风口，旁路管的排气端，依次安装有过滤器与旁路风机。
所述的采样部分包括第二PM2.5切割器、连接管B、取样罐、采样组件。其中，第二PM2.5切割器安装于稀释混合段内部后端；第二PM2.5切割器通过连接管B与取样罐相连。所述采样组件包括采样管路、采样膜、质量流量计与采样泵；采样管路两端分别连接取样罐与采样泵；采样管路上由取样罐一端至采样泵一端依次安装有采样膜与质量流量计。
本发明的优点为：
(1)本发明采样装置中，采用一级稀释，烟气从气流分布板中间进入混合腔，稀释空气则从气流分布板上的喷射孔射入混合腔，稀释气体和烟气快速湍流混合；且稀释混合后的多余气体从旁路部分排出，旁路部分中旁路管道沿稀释混合段周向布置，在稀释混合段上开设多个矩形出风口，多余气流从矩形出风口低速排出，降低对气流干扰；由此，只需1.5倍稀释混合段直径距离即可达到混合均匀，大大降低混合腔长度，进而降低了整个稀释混合段的长度；
(2)本发明采样装置中，稀释混合段与停留室一体化设计，按新的研究结果停留时间设计为10秒，简化了结构，大大降低仪器体积；
(3)本发明采样装置中，采样部分采用一个大流量的PM2.5切割器分割粒径后气体进入一个微型取样罐，减少切割器数量，且各支路采样组件流量设置灵活；
(4)本发明采样装置，结构紧凑、小型化、操作简便；同时各主要部件可拆卸，方便运输与安装；
(5)采用自动数据采集与控制，测量结果可靠；适合于现场应用。
附图说明
图1为本发明固定污染源排放PM2.5稀释采样装置结构示意图。
图中：
1-烟气进气部分 2-稀释空气部分 3-稀释混合部分
4-旁路部分 5-采样部分 101-第一PM2.5切割器
102-加热采样管 103-文丘里流量计 104-连接管A
201-孔板流量计 202-调节阀 203-粗过滤器
204-活性炭过滤器 205-高效过滤器 206-稀释空气进气管道
207-冷却器 208-干燥器 301-稀释混合腔
302-气流分布板 301a-稀释空气进气腔 301b-混合腔
301c-停留室 401-旁路管 402-过滤器
403-旁路风机 404-出风口 501-第二PM2.5切割器
502-连接管B 503-取样罐 504-采样组件
504a-采样管路 504b-采样膜 504c-质量流量计
504d-采样泵
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明固定污染源排放PM2.5稀释采样装置包括烟气进气部分1、稀释空气部分2、稀释混合部分3、旁路部分4与采样部分5，如图1所示。
所述烟气进气部分1包括第一PM2.5切割器101、加热采样管102与文丘里流量计103。其中，第一PM2.5切割器101设置在烟道中，出气端与加热采样管102的进气端连通；加热采样管102内设置有文丘里流量计103；加热采样管102的出气端伸出烟道，通过连接管A104与稀释混合部分3连通。上述第一PM2.5切割器101用于对烟气的采样，去除烟气中粒径在2.5μm以上的大颗粒，避免大颗粒沉积和堵塞加热采样管102。第一PM2.5切割器101的进口端装有采样嘴，根据烟气流速选取适当的采样嘴，实现烟气的等速采样。去除大颗粒后的烟气进入加热采样管102内，由加热采样管102进行加热，随后进入稀释混合部分3；过程中，通过文丘里流量计103测量经过烟气的压差，结合烟气温度和压力，可确定烟气流量Q1。上述加热采样管102的加热温度需高于烟道内烟气温度5℃以内，且外壁敷设有加热保护套，由此防止颗粒热泳沉积及冷凝发生。
所述稀释空气部分2包括孔板流量计201和调节阀202，以及由上层粗过滤器203、中层活性炭过滤器204、下层高效过滤器205构成的三层过滤结构。其中，三层过滤结构中，粗过滤器203一端与大气连通；高效过滤器205一端通过稀释空气进气管道206依次连接孔板流量计201与调节阀202后，与稀释混合部分3相连。由此，空气由三层过滤结构中的粗过滤器203一端进入，依次经粗过滤器203、活性炭过滤器204、高效过滤器205，分别去除空气中粗颗粒、有机气体和细小颗粒后，得到稀释空气，经稀释空气进气管道通入到稀释混合部分3内。上述孔板流量计201测量经过的稀释空气压差，结合稀释空气的温度和压力，可确定稀释空气流量Q2。上述调节阀202用来控制稀释空气的流量。
所述稀释混合部分3用于将烟气和稀释空气充分稀释混合均匀，并停留一段时间后进行捕集。稀释混合部分3包括稀释混合段301与气流分布板302。其中，稀释混合段301为不锈钢材料腔体；内部安装有气流分布板302；且外壁上安装有旁路部分4。通过气流分布板302与旁路部分4将稀释混合段301分为三部分：稀释混合段301前端面与气流分布板302间空腔作为稀释空气进气腔301a；气流分布板302与旁路部分4间空腔作为混合腔301b；旁路部分4与稀释混合段301后端面间空腔作为停留室301c。上述气流分布板302周向上开有n层喷射孔，n≥3，优选为3层；每层喷射孔在气流分布板周向上均匀布置，且n层喷射孔在气流分布板上呈同心圆布置，径向间距不等。n层喷射孔的布置、开孔尺寸及稀释混合距离采用Fluent软件模拟和实测确定。
上述烟气进气部分1中，连接管A104由稀释混合段301前端面伸入稀释混合段301内，并穿过气流分布板302中心位置开设的通孔与混合腔301b连通，将烟气通入混合腔301b内。稀释空气部分2中稀释空气进气管道206与稀释空气进气腔301a连通，将稀释空气通入到稀释空气进气腔301a内，随后稀释空气由气流分布板302上的喷射孔进入混合腔301b内；最终，使稀释空气与烟气的快速湍流在混合腔301b内混合均匀，得到稀释烟气。本发明中仅需将设计混合腔301b长度为1.5倍稀释混合段301直径长度，即可达到稀释空气与烟气在短距离内充分混合，相比传统的需要10倍稀释混合段直径距离才可充分混合，大大降低稀释混合段的长度。本发明中若稀释烟气温度高于42℃，则在三层过滤结构中粗过滤器203一端安装冷却器207，则稀释空气先通过冷却器207进行冷却降温后，再进入三层过滤结构中。若稀释烟气相对湿度高于70％，则在三层过滤结构中粗过滤器一端安装干燥器208，则稀释空气先通过干燥器进行干燥后，再进入三层过滤结构中。
上述旁路部分4用于排出部分稀释的烟气，包括旁路管401、过滤器402与旁路风机403。其中，旁路管401环绕在稀释混合段301周向上，且在稀释混合段301侧壁上开设与旁路管401连通的矩形出风口404，旁路管401的排气端，依次安装有过滤器402与旁路风机403；由此，通过开启旁路风机403，使稀释烟气中一部分经出风口404低速排放至大气，降低对气流干扰，这也是短距离实现气流混合均匀的技术措施之一。过滤器404用于去除稀释烟气中的颗粒物，保护旁路风机403。旁路风机403采用变频调速，根据烟气稀释比要求，调节排出多余气体的流量Q4。本发明中通过调节旁路风机403的频率与稀释空气部分2中的调节阀202，使混合腔301b内烟气的稀释比在20-50范围可调。
稀释烟气的另一部分作为采样气体，流量为Q3，沿稀释混合段301继续向后流动，进入到停留室403c内停留t秒，在停留室301c内可模拟烟气排放到大气中的成核、冷凝、凝聚等过程。相比传统的停留80s来说，本发明中按照新的研究成果停留时间t设计为10秒，颗粒物即达到稳定状态；且本发明中稀释混合部分3与停留室301c一体化设计，简化了结构，大大降低了本发明采样装置的体积。
所述的采样部分5包括第二PM2.5切割器501、连接管B502、取样罐503、采样组件504，可实现滤膜离线采样，通过先切割后采样的方式，减少切割器数量。其中，第二PM2.5切割器501安装于稀释混合段301内部后端，设计流量为113LPM，采用旋风式结构，用来去除采样气体中粒径在2.5μm以上的大颗粒；第二PM2.5切割器501通过连接管B502与取样罐503相连，将采样气体通入取样罐503内。在取样罐503上可开设取样孔，用来外接适应于大气环境条件的在线测量PM2.5的仪器505，如：SMPS、ELPI等，实现取样罐内采样气体所含颗粒物的浓度监测。所述采样组件504用来按照大气环境颗粒物的采样方法采集PM2.5样品进行物理化学分析，包括采样管路504a、采样膜504b、质量流量计504c与采样泵504d。采样管路504a两端分别连接取样罐503与采样泵504d；采样管路504a上由取样罐503一端至采样泵504d一端依次安装有采样膜504b与质量流量计504c。其中，采样膜504b通过膜夹夹持固定在采样管路504a内部。由此，开启采样泵504d，抽取采样气体，通过采样膜504b捕集采样气体中的颗粒物；通过质量流量计504c控制采样管路504a内采样气体的流量。最终，将采样膜504b取下，即可进行后续的化学分析，包括采样膜504b所捕集颗粒物的称重，以及颗粒物所含元素、离子、OC/EC和特定有机物(如多环芳烃)的分析。上述采样组件504根据采样和分析要求，设计为m套，m＞1；m套采样组件504中的采样管路504a内的采样气体抽取均由一个采样泵504d实现。m套采样组件504中的采样膜504b可选取不同材料，如：Teflon膜、石英膜、尼龙膜等。
本发明采样装置通过数据采集与控制部分进行控制，实现对采集装置各组成部分的控制，包括采集和存储采样过程中所测量到的压差、压力、温度、湿度和流量等参数，并且实现旁路风机403转速的调节等。
本发明采样装置的工作过程如下：
A、测量烟道内烟气流速、烟气温度；
B、根据烟气流速选取适当的采样嘴安装在第一PM2.5切割器101进口，实现等速采样；
C、将选取的采样嘴与第一PM2.5切割器101由烟道上的取样孔插入烟道中，使采样嘴置于测点上，正对气流；
D、加热采样管102通电加热，加热至温度略高于烟气温度。
E、开启旁路风机403与采样泵504d及在线颗粒物测量仪器505；
F、通过调节旁路风机403的频率与稀释空气部分中的调节阀202，将混合腔301b内烟气的稀释比控制在设定值；
G、开始采样；
H、采样一段时间t后，关闭采样泵504d，从烟道拔出第一PM2.5切割器101和加热采样管102；随后，关闭旁路风机403，采样结束。
上述采样过程中，通过数据采集与控制部分实时采集和存储测量的压差、压力、温度、湿度和流量等参数，且保证在整个采样过程中Q1+Q2＝Q3+Q4。
Claims (10)
1.一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分、旁路部分与采样部分；
所述烟气进气部分包括第一PM2.5切割器、加热采样管、连接管A与文丘里流量计；其中，第一PM2.5切割器设置在烟道中，出气端与加热采样管的进气端连通；加热采样管内设置有文丘里流量计；加热采样管的出气端通过连接管A与稀释混合部分连通；
所述稀释空气部分包括孔板流量计、调节阀与过滤结构；过滤结构一端连通大气，另一端通过稀释空气进气管道依次连接孔板流量计与调节阀后，与稀释混合部分相连；
所述稀释混合部分包括稀释混合段与气流分布板；其中，稀释混合段内部安装有气流分布板；且外壁上安装有旁路部分；通过气流分布板与旁路部分将稀释混合段分为三部分：稀释混合段前端面与气流分布板间空腔作为稀释空气进气腔；气流分布板与旁路部分间空腔作为混合腔；旁路部分与稀释混合段后端面间空腔作为停留室；上述气流分布板周向上开有喷射孔；
上述烟气进气部分中，连接管A由稀释混合段前端面伸入稀释混合段内，并穿过气流分布板中心位置开设的通孔与混合腔连通；稀释空气部分中稀释空气进气管道与稀释空气进气腔连通；且设计混合腔长度为1.5倍稀释混合段直径长度；
上述旁路部分包括旁路管、过滤器与旁路风机；其中，旁路管环绕在稀释混合段周向上，且在稀释混合段侧壁上开设与旁路管连通的出风口，旁路管的排气端，依次安装有过滤器与旁路风机；
所述的采样部分包括第二PM2.5切割器、连接管B、取样罐、采样组件；其中，第二PM2.5切割器安装于稀释混合段内部后端；第二PM2.5切割器通过连接管B与取样罐相连；所述采样组件包括采样管路、采样膜、质量流量计与采样泵；采样管路两端分别连接取样罐与采样泵；采样管路上由取样罐一端至采样泵一端依次安装有采样膜与质量流量计。
2.如权利要求1所述一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：所述第一PM2.5切割器的进口端装有采样嘴。
3.如权利要求1所述一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：所述加热采样管的加热温度需高于烟道内烟气温度5℃以内。
4.如权利要求1所述一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：所述过滤结构包括上层粗过滤器、中层活性炭过滤器、下层高效过滤器；其中，粗过滤器一端与大气连通。
5.如权利要求1所述一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：若稀释烟气温度高于42℃，则在过滤结构的进气端加装冷却器；若稀释烟气相对湿度高于70％，则在过滤结构的进气端加装干燥器。
6.如权利要求1所述一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：旁路管环绕在稀释混合段周向上，且在稀释混合段侧壁上开设与旁路管连通的出风口。
7.如权利要求1所述一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：所述气流分布板上开有n层喷射孔，n≥3；每层喷射孔在气流分布板周向上均匀布置，且n层喷射孔在气流分布板上呈同心圆布置，径向间距不等。
8.如权利要求1所述一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：所述采样气体在停留室内停留时间为10秒。
9.如权利要求1所述一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：所述采样气体经过一个大流量的PM2.5切割器分割粒径，并进入微型取样罐后被采集。
10.如权利要求1所述一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置，其特征在于：所述采样组件根据采样和分析要求，设计为m套，m＞1；m套采样组件中的采样管路内的采样气体抽取均由一个采样泵实现；m套采样组件中的采样膜选取不同材料。
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