CN104568691A - 一种超细微粒数量排放因子的测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于空气净化领域的气溶胶超细微数量排放因子的测试系统和分析方法。所述的装置主要包括密封箱体、混合风扇、HEPA过滤器、空气进入管道、抽气真空泵、阀门1、抽气管道、气溶胶发生器、气溶胶微粒、连接管道、阀门2、超细微粒粒径谱测试仪、电脑、通讯电缆、环境温湿度及压力测试仪、电子天平。所述的方法是先测试低浓度超细微粒的衰减，得出不同粒径的超细微粒沉积系数，再通过高浓度超细微粒的演变，由Bernouli方程求解出平均凝并系数，最后由超细微粒排放传输方程，计算得到超细微粒数量排放因子。本发明试验系统清晰完整，计算分析方法正确合理，对于定量确定污染源微粒排放量以及污染排放控制规划具有重要价值。

Description

一种超细微粒数量排放因子的测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种空气污染物排放测试装置和方法，具体涉及一种气溶胶超细微粒数量排放因子的测试系统和分析方法。

背景技术

随着我国工业化和城市化进程的加快，环境污染日益严重，加上室内装修和装饰材料的污染，空气源已成为影响人体健康的隐形杀手。人类68％的疾病与空气污染有关；世界卫生组织把室内空气污染列为18类致癌物质之首。全球污染最严重的20个城市，有16个在中国。随着人们环境意识的增强和生活水平的提高，越发认识到清洁空气对人身健康的重要性。

目前在我国，气溶胶颗粒物污染是绝大部分城市的首要污染物。颗粒物质(PM)是由酸类、有机化学、金属、和土壤或尘埃粒子组成的颗粒和液滴。人们根据颗粒的产生及在人体呼吸道沉积位置将颗粒分为3类：超细微粒(颗粒直径＜0.1μm)，细颗粒PM2.5(颗粒直径＜2.5μm)，粗颗粒PM10(颗粒直径＜10μm)。大多燃烧源PM2.5并非直接生成，而是由超细微粒经过凝并以及一系列大气化学反应转化而成。因此，超细微粒作为PM2.5的前体物质，得到其定量的排放参数对分析PM2.5的排放来源以及设计空气净化装置具有重要意义。

超细微粒由于粒径非常细小，其在大气颗粒物中所占质量比例并不高，但超细微粒的数量非常多。超细微粒的数量排放因子指的是单位质量的某种污染源所产生的超细微粒数量，比如每千克煤粉燃烧产生的超细微粒数量。国外对汽车的超细微粒排放因子研究发现，汽油机行驶1公里排放的颗粒物数量在1×10¹⁴个，柴油机行驶1公里排放的颗粒物数量在1～1.5×10¹⁴个。超细微粒在排放及传输过程中，往往会同时发生新生粒子生成、沉积、凝并以及稀释扩散等现象，因此很难通过直接测量超细微粒浓度得到其排放因子。超细微粒沉积是在布朗运动、重力、热泳力、以及静电力作用下撞击到壁面的现象，影响因素非常复杂；超细微粒凝并是超细微粒之间相互碰撞而团聚形成新的颗粒物的现象，稀释扩散是伴随着排放烟气的运动与外界环境的对流。这些因素是引起超细微粒数量发生较大变化的主要原因，它们在超细微粒排放传输过程中发生。沉积和凝并的相同点是都会引起颗粒物数量的减少，不同点是沉积会使得颗粒物总体质量的降低，凝并并不直接减少空气中颗粒物的质量，稀释扩散收到流动换气率的影响。这些效应同时发生的时候，很难直接区分颗粒物受到哪种因素的影响更大。对气溶胶超细微粒的排放因子进行量化计算，对预测区域污染排放、规划污染控制具提供基础数据。

发明内容

本发明的目的设计一种超细微粒数量排放因子的测试系统和分析方法，具体技术方案如下：

一种超细微粒数量排放因子的测试系统，主要包括密封箱体、混合风扇、HEPA过滤器、空气进入管道、抽气真空泵、阀门1、抽气管道、气溶胶发生器、气溶胶微粒、连接管道、阀门2、超细微粒粒径谱测试仪、电脑、通讯电缆、环境温湿度及压力测试仪、电子天平。密封箱体顶部吊装混合风扇；箱体外空气经过HEPA过滤器净化处理后由空气进入管道连接箱体；抽气真空泵通过阀门和抽气管道连接到密封箱体；气溶胶发生器放置在密封箱体底部中央；气溶胶发生器在密封箱体内释放气溶胶微粒；超细微粒粒径谱仪由阀门2和连接管道采样测试密封箱体内气溶胶微粒；超细微粒采样测试所得超细微粒数据通过通讯电缆传输到电脑；环境温湿度及压力测试仪放置在箱体内检测箱体内的温度、湿度及压力；电子天平用来称量气溶胶发生器运行后质量的改变。

本发明通过气溶胶发生器生成多分散的气溶胶微粒，气溶胶微粒生成数量的多少可气溶胶发生器控制。

所述的HEPA过滤器的过滤效率在99.99％以上。

所述的气溶胶发生器在密封箱体内产生的超细微粒数浓度范围在0～10⁸个/cm³，

所述的超细微粒粒径谱测试仪测量的超细微粒数浓度范围在0～10⁸个/cm³，测量的颗粒物粒径范围在5nm～1μm，粒径谱分段数在32个以上。气溶胶微粒在密封箱体内的扩散通过混合风扇作用，均匀分布在密封箱体内部。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：1)密封箱体洁净：启动超细微粒粒径谱测试仪，监测箱体内颗粒物数浓度的同时，仪器会抽取密闭箱体内的空气，同时从外部进入的空气经过HEPA净化后进入箱体内，当粒径谱测试仪监测到箱体内数浓度接近与零的时候，可以认为密闭箱体已经被净空，这时关闭超细微粒粒径谱测试仪，同时关闭管道阀门。

2)超细微粒沉积率测试：启动气溶胶发生器，同时启动混合风扇，打开阀门，同时启动超细微粒粒径谱测试仪，当发现超细微粒数浓度值达到10³个/cm³级别时，关闭气溶胶发生器。

让密闭箱体内超细微粒发生自然沉积，连续监测3分钟左右，记录数据，按下面公式计算不同粒径段的超细微粒沉积率。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dN}}_i}{\mathrm{dt}}=-({\mathrm{\β}}_i+\mathrm{\α})N_i\\ \⇒\frac{N_i}{N_{0i}}=e^{-({\mathrm{\β}}_i+\mathrm{\α})t}\end{array}\right.$

以上公式中，第一行公式是超细微粒衰减率方程，是一阶微分方程，可积分求解为第二行结果。其中，N为超细微粒数浓度，单位个/cm³；t为时间，单位s；β为超细微粒沉积率，无量纲；α为由超细微粒粒径谱测试仪采样抽气带来的室内箱体换气率，可由仪器采样流量计算得到，无量纲；N₀为超细微粒初始浓度，单位个/cm³；i为粒径段，代表不同粒径大小。

3)超细微粒平均凝并系数测试：启动气溶胶发生器，同时启动混合风扇，打开阀门1和阀门2，同时启动超细微粒粒径谱测试仪，当发现超细微粒数浓度值达到10⁵个/cm³级别以上时，关闭气溶胶发生器。

让密闭箱体内超细微粒发生自然沉积和凝并，连续监测3分钟左右，记录数据，确定GMD(几何平均直径)，按照前面所介绍公式式确定超细沉积率β，按下面公式计算平均凝并率。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=-(\mathrm{\β}+\mathrm{\α})N-k{N}^2\\ \⇒k=(\mathrm{\β}+\mathrm{\α})\frac{\frac{1}{N_0}{e}^{-(\mathrm{\β}+\mathrm{\α})t}-\frac{1}{N}}{1-e^{-(\mathrm{\β}+\mathrm{\α})t}}\end{array}\right.$

上面公式中，第一行是超细微粒同时发生沉积和凝并的微分方程，是一个典型的Bernouli方程，第二行的为求解结果。其中，N为超细微粒总数浓度，单位个/cm³；k为平均凝并系数，无量纲。

4)超细微粒排放因子测试：首先称量气溶胶发生器的质量m₁(kg)，再重复步骤1)净空密闭箱体，然后重新启动气溶胶发生器，同时启动混合风扇，打开阀门1和阀门2，同时启动超细微粒粒径谱测试仪，当发现超细微粒数浓度值达到10⁷个/cm³级别左右时，关闭气溶胶发生器，记录气溶胶发生器运行时间t₀。

让密闭箱体内超细微粒发生自然沉积和凝并，连续监测时间为t₁，记录数据，再次称量气溶胶发生器的质量m₂(kg)。由前面所获得确定超细沉积率β_i和平均凝并率k，按下面公式计算超细微粒排放速率Ev_i。

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{dN}}_i}{\mathrm{dt}}={\mathrm{Ev}}_i-({\mathrm{\&beta;}}_i+\mathrm{\&alpha;})N_i-k{N}_i^2& t<t_0\\ \frac{d{N}_i}{\mathrm{dt}}=-({\mathrm{\&beta;}}_i+\mathrm{\&alpha;})N_i-k{N}_i^2& t_0\&le;t\&le;t_1\end{array}\right.$

上面第一行公式为超细微粒正在被排放时的公式，其中，N为超细微粒数浓度，单位个/cm³；t为时间，单位s；β为超细微粒沉积率，无量纲；α为由超细微粒粒径谱测试仪采样抽气带来的室内箱体换气率，可由仪器采样流量计算得到，无量纲；N₀为超细微粒初始浓度，单位个/cm³；i为粒径段，代表不同粒径大小；Ev是超细微粒排放速率，单位个/(s·cm³)；第二行公式为关闭气溶胶发生器后超细微粒数浓度的演变计算公式；由这两组公式以及下标i展开成2×i个方程组，可以通过线性方程组的最小二乘法计算得到优化的各粒径段的排放速率Ev_i。

上个步骤中气溶胶发生器质量的改变量就是污染源的损耗质量，m＝m1-m2，密闭箱体容积为已知体积V(cm³)，这样超细微粒排放因子Ef_i＝Ev_i×V/m，单位个/kg。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种超细微粒数量排放因子的测试装置和计算方法，首先通过在密闭箱体内由气溶胶发生器生成低浓度的超细微粒，计算出不同粒径的超细微粒的沉积系数，然后由气溶胶发生器生成高浓度的超细微粒，由公式计算出平均凝并系数，最后由气溶胶排放微分方程，计算出超细微粒数量排放因子。本发明的所提供的测试系统和方法可用于预测超细微粒排放计算和新型空气净化器及环境污染控制规划设计。

附图说明

图1是测试系统结构示意图。

图中1密封箱体、2混合风扇、3 HEPA过滤器、4空气进入管道、5抽气真空泵、6阀门、7抽气管道、8气溶胶发生器、9气溶胶微粒、10连接管道、11阀门、12超细微粒粒径谱测试仪、13电脑、14通讯电缆、15环境温湿度及压力测试仪、16电子天平。

具体实施方式

下面结合附图，用实施例来进一步说明本发明。但这个实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这个实施例的限制。

如图1所示，本发明箱体内超细微粒数量排放因子的测试系统主要包括1密封箱体、2混合风扇、3 HEPA过滤器、4空气进入管道、5抽气真空泵、6阀门、7抽气管道、8气溶胶发生器、9气溶胶微粒、10连接管道、11阀门、12超细微粒粒径谱测试仪、13电脑、14通讯电缆、15环境温湿度及压力测试仪，16电子天平。密封箱体1顶部吊装混合风扇2；箱体外空气经过HEPA过滤器3净化处理后由空气进入管道4连接密封箱体1；抽气真空泵5通过6阀门1和抽气管道7连接到密封箱体1；气溶胶发生器8放置在密封箱体1底部中央；气溶胶发生器在密封箱体1内释放气溶胶微粒9；超细微粒粒径谱仪12由11阀门2和连接管道10采样测试密封箱体1内气溶胶微粒9；超细微粒粒径谱仪12采样测试所得气溶胶微粒9数据通过通讯电缆14传输到电脑13；环境温湿度及压力测试仪15放置在箱体内检测箱体内测试空气温度、湿度及压力；电子天平16用来测量称量气溶胶发生器所消耗的污染源质量，放置于密封箱体外。

本发明的技术原理是：根据Hinds的《Aerosol Technology：properties，behavior，andmeasurement of airborne particles》，超细微粒由凝并带来的衰减率与超细微粒数浓度有二次方的关系，而与沉积率的关系是一次方线性关系。在0.1μm以下的粒径范围，标准状况下单分散气溶胶的凝并系数在10^-10cm³/s量级，而由布朗运动产生的扩散沉积系数就在10^-6cm²/s以上。在同时存在沉积与凝并的气溶胶演变过程，低浓度的气溶胶衰减主要由沉积造成，因此，本发明通过先测试低浓度超细微粒的衰减，得出不同粒径的超细微粒沉积系数，再通过高浓度超细微粒的演变，由Bernouli方程求解出平均凝并系数。在得到沉积系数和凝并系数后，由气溶胶排放传输方程，通过一系列不同时间测量的超细微粒浓度数据，可以得到优化的超细微粒排放速率，然后再由微量天平对排放源的称重，计算得到超细微粒数量排放因子。

本发明在对密封箱体1的测试过程中，考虑了三个因素对测试结果准确度的影响，第一个是超细微粒粒径谱仪12本身的采样抽气会带来密封箱体1内超细微粒的减少；另一个是超细微粒粒径谱仪12采样抽气，为了保持气压平衡，必须跟外界通气，外界环境中的颗粒物会影响测试结果；第三个因素是超细微粒在密封箱体1内的浓度分布不均匀，导致测量点不能代表箱体内的平均水平。对第一个因素是通过将测试仪器的抽气量纳入到衰减的计算公式，作为换气率引入到公式；对第二个因素的影响，通过安装HEPA过滤器3将外界环境的颗粒物进行过滤，这样可以排除外界颗粒物的干扰。对第三个因素通过加装顶部的混合风扇2，在超细微粒的排放过程中，转动混风扇，使箱体内烟气快速扩散混合。

本发明的操作步骤如下：

1)密封箱体1洁净：打开阀门11，打开阀门6，启动真空抽气泵5，同时启动超细微粒粒径谱测试仪12，抽取密闭箱体1内的空气的同时，监测密封箱体1内颗粒物数浓度的变化，从外部进入的空气经过HEPA过滤器3净化后进入箱体内，当超细微粒粒径谱测试仪12监测到超细微粒数浓度接近与零的时候，可以认为密闭箱体已经被净空，这时关闭超细微粒粒径谱测试仪12，同时关闭阀门6、阀门11，记录环境温湿度及压力测试仪15显示的箱体内温度、湿度与压力值。

2)超细微粒沉积率测试：启动气溶胶发生器8，同时启动混合风扇2，打开阀门11，同时启动超细微粒粒径谱测试仪12，当发现超细微粒数浓度值达到或超过10³个/cm³时，关闭气溶胶发生器8，。

停止混合风扇2，让密闭箱体1内超细微粒发生自然沉积，连续监测3分钟左右，记录数据，以时间为横坐标，超细微粒数浓度值为纵坐标，对不同粒径的超细微粒衰减作图，并按公式(1)对超细微粒的衰减进行最小二乘法拟合，计算出不同粒径段的超细微粒沉积率。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dN}}_i}{\mathrm{dt}}=-({\mathrm{\&beta;}}_i+\mathrm{\&alpha;})N_i\\ \&DoubleRightArrow;\frac{N_i}{N_{0i}}=e^{-({\mathrm{\&beta;}}_i+\mathrm{\&alpha;})t}\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式(1)中，第一行是不考虑凝并情况下的超细微粒衰减率方程，是一阶微分方程，可积分求解为第二行结果。其中，N为超细微粒数浓度，单位个/cm³；t为时间，单位s；β为超细微粒沉积率，无量纲；a为由超细微粒粒径谱测试仪采样抽气带来的室内箱体换气率，可由仪器采样流量计算得到，无量纲；N₀为超细微粒初始浓度，单位个/cm³；i为粒径段，代表不同粒径大小。

3)超细微粒平均凝并系数测试：启动气溶胶发生器8，同时启动混合风扇2，打开阀门6和阀门11，同时启动超细微粒粒径谱测试仪12，当发现超细微粒数浓度值达到10⁵个/cm³级别以上时，关闭气溶胶发生器8。

停止混合风扇2，让密闭箱体1内超细微粒发生自然沉积和凝并，连续监测3分钟左右，记录数据，确定超细微粒GMD(几何平均直径)，按照公式(1)式确定超细沉积率β，按公式(2)计算得出平均凝并率系数k值，同时记录环境温湿度及压力测试仪15显示的箱体内温度、湿度与压力值。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=-(\mathrm{\&beta;}+\mathrm{\&alpha;})N-k{N}^2\\ \&DoubleRightArrow;k=(\mathrm{\&beta;}+\mathrm{\&alpha;})\frac{\frac{1}{N_0}{e}^{-(\mathrm{\&beta;}+\mathrm{\&alpha;})t}-\frac{1}{N}}{1-e^{-(\mathrm{\&beta;}+\mathrm{\&alpha;})t}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式(2)中，第一行是超细微粒同时发生沉积和凝并的微分方程，是一个典型的Bernouli方程，第二行的为求解结果。其中，N为超细微粒总数浓度，单位个/cm³；k为平均凝并系数，无量纲。

4)超细微粒排放因子测试：首先称量气溶胶发生器的质量m₁(kg)，再重复步骤1)净空密闭箱体，然后重新启动气溶胶发生器，同时启动混合风扇，打开阀门1和阀门2，同时启动超细微粒粒径谱测试仪，当发现超细微粒数浓度值达到10⁷个/cm³级别左右时，关闭气溶胶发生器，记录气溶胶发生器运行时间t₀。

让密闭箱体内超细微粒发生自然沉积和凝并，连续监测时间为t₁，记录数据，再次称量气溶胶发生器的质量m₂(kg)。由前面所获得确定超细沉积率β_i和平均凝并率k，按下面公式计算超细微粒排放速率Ev_i。

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{dN}}_i}{\mathrm{dt}}={\mathrm{Ev}}_i-({\mathrm{\&beta;}}_i+\mathrm{\&alpha;})N_i-k{N}_i^2& t<t_0\\ \frac{d{N}_i}{\mathrm{dt}}=-({\mathrm{\&beta;}}_i+\mathrm{\&alpha;})N_i-k{N}_i^2& t_0\&le;t\&le;t_1\end{array}\right.---\left(3\right)$

公式(3)第一行公式为超细微粒正在被排放时的公式，其中，N为超细微粒数浓度，单位个/cm³；t为时间，单位s；β为超细微粒沉积率，无量纲；α为由超细微粒粒径谱测试仪采样抽气带来的室内箱体换气率，可由仪器采样流量计算得到，无量纲；N₀为超细微粒初始浓度，单位个/cm³；i为粒径段，代表不同粒径大小；Ev是超细微粒排放速率，单位个/(s·cm³)；第二行公式为关闭气溶胶发生器后超细微粒数浓度的演变计算公式；由这两组公式以及下标i展开成2×i个方程组，可以通过线性方程组的最小二乘法计算得到优化的各粒径段的排放速率Ev_i。

上个步骤中气溶胶发生器质量的改变量就是污染源的损耗质量，m＝m1-m2，密闭箱体容积为已知体积V(cm³)，这样超细微粒排放因子Ef_i＝Ev_i×V/m，单位个/kg。

Claims (3)

1.一种箱体内超细微粒数量排放因子的测试系统，主要包括1密封箱体、2混合风扇、3 HEPA过滤器、4空气进入管道、5抽气真空泵、6阀门、7抽气管道、8气溶胶发生器、9气溶胶微粒、10连接管道、11阀门、12超细微粒粒径谱测试仪、13电脑、14通讯电缆、15环境温湿度及压力测试仪，16电子天平。密封箱体1顶部吊装混合风扇2；箱体外空气经过HEPA过滤器3净化处理后由空气进入管道4连接密封箱体1；抽气真空泵5通过6阀门1和抽气管道7连接到密封箱体1；气溶胶发生器8放置在密封箱体1底部中央；气溶胶发生器在密封箱体1内释放气溶胶微粒9；超细微粒粒径谱仪12由11阀门2和连接管道10采样测试密封箱体1内气溶胶微粒9；超细微粒粒径谱仪12采样测试所得气溶胶微粒9数据通过通讯电缆14传输到电脑13；环境温湿度及压力测试仪15放置在箱体内检测箱体内测试空气温度、湿度及压力；电子天平16用来测量称量气溶胶发生器所消耗的污染源质量，放置于密封箱体外。

2.根据权利要求1所述本发明的测试装置，其特征在于：首先通过在密闭箱体1内由气溶胶发生器8生成低浓度的超细微粒，计算出不同粒径的超细微粒的沉积系数，然后由气溶胶发生器8生成高浓度的超细微粒，由公式计算出平均凝并系数，最后由气溶胶排放微分方程，计算出超细微粒数量排放因子。

3.一种箱体内超细微粒数量排放因子的测试系统和计算方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)密封箱体1洁净：打开阀门11，打开阀门6，启动真空抽气泵5，同时启动超细微粒粒径谱测试仪12，抽取密闭箱体1内的空气的同时，监测密封箱体1内颗粒物数浓度的变化，从外部进入的空气经过HEPA过滤器3净化后进入箱体内，当超细微粒粒径谱测试仪12监测到超细微粒数浓度接近与零的时候，可以认为密闭箱体已经被净空，这时关闭超细微粒粒径谱测试仪12，同时关闭阀门6、阀门11，记录环境温湿度及压力测试仪15显示的箱体内温度、湿度与压力值。

2)超细微粒沉积率测试：启动气溶胶发生器8，同时启动混合风扇2，打开阀门11，同时启动超细微粒粒径谱测试仪12，当发现超细微粒数浓度值达到或超过10³个/cm³时，关闭气溶胶发生器8，停止混合风扇2，让密闭箱体1内超细微粒发生自然沉积，连续监测3分钟左右，记录数据，以时间为横坐标，超细微粒数浓度值为纵坐标，对不同粒径的超细微粒衰减作图，并按公式(1)对超细微粒的衰减进行最小二乘法拟合，计算得出带有粒径分辨率的超细微粒沉积系数；

3)超细微粒平均凝并系数测试：启动气溶胶发生器8，同时启动混合风扇2，打开阀门6和阀门11，同时启动超细微粒粒径谱测试仪12，当发现超细微粒数浓度值达到10⁵个/cm³ 级别以上时，关闭气溶胶发生器8，停止混合风扇2，让密闭箱体1内超细微粒发生自然沉积和凝并，连续监测3分钟左右，记录数据，确定超细微粒GMD(几何平均直径)，按照公式(1)式确定沉积系数，按公式(2)计算得出平均凝并率系数k值；

4)超细微粒排放因子测试：首先称量气溶胶发生器的质量m₁(kg)，再重复步骤1)净空密闭箱体，然后重新启动气溶胶发生器，同时启动混合风扇，打开阀门1和阀门2，同时启动超细微粒粒径谱测试仪，当发现超细微粒数浓度值达到10⁷个/cm³级别左右时，关闭气溶胶发生器，记录气溶胶发生器运行时间t₀。让密闭箱体内超细微粒发生自然沉积和凝并，连续监测时间为t₁，记录数据，再次称量气溶胶发生器的质量m₂(kg)。由前面所获得确定超细沉积率β_i和平均凝并率k，按公式(3)计算超细微粒排放速率Ev_i。密闭箱体容积为已知体积V(cm³)，这样超细微粒排放因子Ef_i＝Ev_i×V/m，单位个/kg。