CN104729891A - 一种基于二氧化碳浓度控制的pm2.5源解析采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境监测设备领域，特别是一种基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，包括烟气采集组件、混合停留室、PM切割器、采样分析单元，烟气采集组件连接至混合停留室，混合停留室通过PM切割器连接至采样分析单元，还包括第二流量计、空气输送单元、三个二氧化碳检测单元及检测气泵，烟气采集组件、空气输送单元、混合停留室分别连接至二氧化碳检测单元后再连接至检测气泵。本发明采用的是传统的固定污染源采样方式，可在现有产品上改进加工，制作难度降低，成本较低，易于推广。

Description

一种基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置

技术领域

本发明涉及环境监测设备领域，一种针对固定燃烧源排放颗粒物采样系统，特别是用于采集PM2.5的专用设备。

背景技术

PM2.5是一种可吸入肺中的细颗粒物，它的直径小于2.5微米，它约占可吸入颗粒物PM10的80%。而化石燃料燃烧过程中会产生大量颗粒物，直接排放到空气中，会危害人体健康，造成大气污染和破坏生态环境，特别是烟气中PM2.5微细颗粒物，会在大气中长期停留，对人体健康和大气环境影响更大，现有技术主要集中在对PM2.5细颗粒物进行处理的除尘，实际应用效果到底如何并无明确的测试数据，这就涉及到对固定污染源PM2.5采样分析的技术。

PM2.5采样装置一般包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分与采样部分，其中稀释空气部分和稀释混合部分是实现烟气和大气混合的装置，其目的是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中的真实状态，其关键是控制烟气和环境空气的稀释比。

目前常用的办法是通过将稀释空气进气管道连接流量计实现，例如专利号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，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，该发明通过多孔湍流稀释与喷射稀释相结合的两级稀释系统，加强烟气和空气的混合。由于烟道的烟气流量存在波动，特别当流量波动比较大的时候，不对空气流量和进行及时调节，直接影响测量的精度；同时，高温的烟气和常温的空气混合，混合后的体积和也会存在一定的变化，造成测量结果出现偏差，因而这种结构的采样装置无法实现对稀释比的精确控制。在采样系统中，两路采样分别与停留室采样孔相连，均由切割器、采样膜、调节阀、转子流量计、采样泵组成，这种结构虽然可以采样不同直径的颗粒物，但是采样通道较少，不利于分析颗粒物中的各种成分，同时，各种装置的重复对设备内部的布局、设备的利用率、设备的外观都有不利的影响。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有技术中存在的烟气采样方式单一，无法精确控制稀释比，进而模拟污染源排放颗粒物在大气中的真实状态的问题，本发明提供了一种基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，它可以实现精确采样和颗粒物老化的仿真。

技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，包括烟气采集组件、混合停留室、PM切割器、采样分析单元，烟气采集组件连接至混合停留室，混合停留室通过PM切割器连接至采样分析单元，还包括第二流量计、空气输送单元，第二流量计设置连接在烟气采集组件和混合停留室之间，空气输送单元包括气泵、空气过滤器、缓冲罐、第一比例阀、第一流量计，气泵通过空气过滤器连接至缓冲罐，缓冲罐通过第一比例阀连接至第一流量计，第一流量计连接至混合停留室，还包括三个二氧化碳检测单元及检测气泵，烟气采集组件、空气输送单元、混合停留室分别连接至二氧化碳检测单元后再连接至检测气泵。

上述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，二氧化碳检测单元由酸性干燥剂、高效微粒过滤器、标定装置、CO₂分析仪、球阀、质量流量计组成，CO₂分析仪设置有两个入口，酸性干燥剂通过高效微粒过滤器连接至CO₂分析仪的入口位置，标定装置连接至CO₂分析仪的另一入口位置，CO₂分析仪出口通过球阀连接至质量流量计，质量流量计连接至检测气泵。

上述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，还设置有第三流量计、排空管路和第四流量计，第三流量计设置连接在混合停留室和PM切割器之间，排空管路设置在混合停留室上，由混合停留室引出依次包括第二比例阀、第四流量计和微粒物过滤器。

上述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，采样分析单元具体包括分流腔、PM分析仪、PM采集器、球阀、流量计、采样泵，分流腔分别连接至PM分析仪和PM采集器，PM采集器依次通过球阀、流量计与采样泵连接。

上述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，所述的烟气采集组件由采样探头、加热采样探杆、烟气传感器单元、皮托管、压差变送器组成，皮托管、压差变送器能够测量烟气流速。

上述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，混合停留室中烟气的停留时间不少于8秒，混合停留室内设置有监测传感器。

有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1、本专利采用的是传统的固定污染源采样方式，可在现有产品上改进加工，制作难度降低，成本较低，易于推广。

2、本专利中，稀释气体进入通过气泵，经空气过滤器进入，去除稀释气体中的影响因子，保证采用精确性，同时，加装第一流量计，对稀释气体流量进行控制，实现稀释比的精确控制。本专利中，在空气过滤器之后、第一比例阀之前设置缓冲罐，起到稳定流经第一流量计气流的作用，解决了气泵经空气过滤器导致的气流不稳定的问题。本专利可以根据各流量计及检测单元的参数，通过调节比例阀的开度调节稀释空气进气量，适用于烟气等速采样环境，到达精确控制稀释比的目的。

3、本专利利用烟气稀释前后CO₂不发生化学反应的特点，在烟气采集组件、空气输送单元、混合停留室位置分别设置对应的二氧化碳检测单元，可以检测、计算混合前后CO₂浓度比得到烟气与空气的稀释比，从而使得系统更加准确可控，从而保证稀释比恒定。

4、因为固定源烟气排放至大气中有成核、凝聚、老化等过程，所以稀释样气进入停留室到稳定需要一定的时间。在停留室的出口增加流量调节单元，主要有比例阀、文丘里流量计、高效微粒过滤器组成。控制器根据测量停留室内气体的流量 ，实时自动控制流量调节单元的比例阀，控制流量调节单元的流量 ，不仅使得稀释样气从流入停留室到流出停留时间可控，而且进入PM切割器的流量稳定，保证样本的可靠。

5、本发明在停留室末端增设第三、第四流量计，通过停留室传感器对其中的参数进行实时监测，并调整停留室流出气体的量，选择恰当的采样流量和排空流量，既保证了停留时间，同时不会在停留室内过多停留气体，保持体系的压力稳定，提高采样精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图中：1、烟气管道，2、采样探头，3、皮托管，4、压差变送器，5、加热采样探管，6、第二流量计，7、稀释槽，8、停留室，9、烟气温度传感器，10、第一流量计，11、二氧化碳检测单元，12、第一比例阀，13、高效微粒物过滤器，14、活性炭过滤器，15、气泵，16、缓冲罐，17、停留室传感器，18、第三流量计，19、PM切割器，20、第二比例阀，21、第四流量计，22、微粒物过滤器，23、分流腔，24、PM分析仪，25、PM采集器，26、球阀，27、流量计，28、采样泵，29、酸性干燥剂，30、高效微粒过滤器，31、标定装置，32、CO₂分析仪，33、球阀，34、质量流量计，35、检测气泵，36、控制单元。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，包括烟气采集组件、混合停留室、PM切割器19、采样分析单元。

烟气采集组件是采集烟气的单元，直接设置在污染源的管道内，采集管道内的烟气；混合停留室是烟气和稀释气体相互混合并停留的区域，具体包括稀释槽7和停留室8，稀释槽7和停留室8之间相互连通，烟气采集组件连接至稀释槽7，停留室8再通过PM切割器19连接至采样分析单元。

本实施例中还包括第二流量计6、空气输送单元，第二流量计6设置连接在烟气采集组件和稀释槽7之间，空气输送单元包括气泵15、空气过滤器、缓冲罐16、第一比例阀12、第一流量计10，空气过滤器可根据实际需要选择，本实施例采用了活性炭过滤器14和高效微粒物过滤器13串联的布置方式，气泵15通过活性炭过滤器14和高效微粒物过滤器13连接至缓冲罐16，缓冲罐16通过第一比例阀12连接至第一流量计10，第一流量计10连接至稀释槽7。上述结构可以将气泵15输送来的气体，经空气过滤器实现杂质去除，然后输送至稀释槽和烟气进行混合，从而达到稀释的目的，第二流量计6、第一流量计10可以分别对烟气、稀释气体的进入量进行精确掌握，当第二流量计6反馈烟气流量后，可以通过调整气泵15和第一比例阀12开度等方式，在第一流量计10获得所需的流量，从而实现稀释比的精确控制。

本实施例还包括三个二氧化碳检测单元11及检测气泵35，烟气采集组件、空气输送单元、混合停留室分别连接至二氧化碳检测单元后再连接至检测气泵。可对烟气采集组件、空气输送单元、混合停留室三部分内气体的二氧化碳浓度进行检测，并根据二氧化碳浓度进行稀释比控制，由于稀释前后CO₂不发生化学反应，因此检测、计算混合前后CO₂浓度比得到烟气与空气的稀释比，更加准确可控，从而保证稀释比恒定。

一般为保证烟气与稀释气体的混合效果和颗粒物的成核、凝聚、老化过程的拟真，混合停留室中烟气的停留时间一般不少于8秒，混合停留室内设置有停留室传感器17，具体为温度传感器和压力传感器，可随时监测停留室8内的温度、压力情况。

实施例2

作为实施例1的更进一步方案，本实施例中，二氧化碳检测单元11由酸性干燥剂29、高效微粒过滤器30、标定装置31、CO₂分析仪32、球阀33、质量流量计34组成，CO₂分析仪32设置有两个入口，酸性干燥剂29通过高效微粒过滤器30连接至CO₂分析仪32的入口位置，标定装置31连接至CO₂分析仪32的另一入口位置，用于给CO₂分析仪校准，CO₂分析仪32出口通过球阀33连接至质量流量计34，质量流量计34连接至检测气泵35。如图1所示，为检测烟气采集组件、空气输送单元、混合停留室的CO₂浓度，本实施例中，三个二氧化碳检测单元11连接位置分别是烟气管道1内、缓冲罐16出口管道上和停留室8内部，当然也可以选择其他位置。、，在此不逐一列举。

实施例3

作为实施例1的更进一步方案，本实施例中，还设置有第三流量计18、排空管路和第四流量计21，第三流量计18设置连接在停留室8和PM切割器19之间，排空管路由停留室8引出，依次连接第二比例阀20、第四流量计21和微粒物过滤器22后排空。

本实施例设置第三流量计18、第四流量计21以实现停留室8出口的气体量可精确监测，由于烟气中的PM存在空气中的老化问题，而采样过程中又会根据不同的采样需求需要不同的精确流量控制，一旦进入停留室8的流量大于采样流量，会造成停留室8压力增大，从而造成体系压力增加，进气阻力增大，影响采集烟气的单元的工作，进而稀释比控制出现误差，影响采样精度。而本实施中增加了排空管路，从而增强体系适应性，可根据不同采样需求灵活调整采样流量，适应性更强。

为更好的实现自动化，可以增加控制单元36，控制单元36通过有线或者无线方式与装置连接控制，通过皮托管3、压差变送器4测量烟气流速，通过烟气温度传感器9测量烟气温度，根据混合停留室的烟气、稀释气体的温度、气压参数及所需的稀释比，分别计算进气流量，并通过第一比例阀12调节稀释气体的进入量，从而配合烟气的量达到所需的稀释比。该过程可以是动态调整的过程，同时，通过停留室传感器17实施监测调节情况。

实施例4

本实施例中，前部分结构与实施例1、2或3相同，采样分析单元具体包括分流腔23、PM分析仪24、PM采集器25、球阀26、流量计27、采样泵28，分流腔23分别连接至PM分析仪24和PM采集器25，PM采集器25依次通过球阀26、流量计27与采样泵28连接。如图1所示，根据需要，PM采集器25可以由分流腔23引出设置多个，本实施例中设置3个，并分别对应设置球阀26、流量计27，最后连接至采样泵28。

实施例5

上述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，所述的烟气采集组件由采样探头2、加热采样探杆5、烟气温度传感器9、皮托管3、压差变送器4组成，采样探头2放置于烟气管道1内，采样探头2连接在加热采样探杆5的端部，烟气温度传感器9主要用于监测加热采样探杆5内的烟气温度，皮托管3、压差变送器4能够测量烟气流速。

Claims (6)

1.一种基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，包括烟气采集组件、混合停留室、PM切割器、采样分析单元，其特征在于：烟气采集组件连接至混合停留室，混合停留室通过PM切割器连接至采样分析单元，还包括第二流量计、空气输送单元，第二流量计设置连接在烟气采集组件和混合停留室之间，空气输送单元包括气泵、空气过滤器、缓冲罐、第一比例阀、第一流量计，气泵通过空气过滤器连接至缓冲罐，缓冲罐通过第一比例阀连接至第一流量计，第一流量计连接至混合停留室，还包括三个二氧化碳检测单元及检测气泵，烟气采集组件、空气输送单元、混合停留室分别连接至二氧化碳检测单元后再连接至检测气泵。

2.根据权利要求1所述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，其特征在于：所述的二氧化碳检测单元由酸性干燥剂、高效微粒过滤器、标定装置、CO₂分析仪、球阀、质量流量计组成，CO₂分析仪设置有两个入口，酸性干燥剂通过高效微粒过滤器连接至CO₂分析仪的入口位置，标定装置连接至CO₂分析仪的另一入口位置，CO₂分析仪出口通过球阀连接至质量流量计，质量流量计连接至检测气泵。

3.根据权利要求1所述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，其特征在于：还设置有第三流量计、排空管路和第四流量计，第三流量计设置连接在混合停留室和PM切割器之间，排空管路设置在混合停留室上，由混合停留室引出依次包括第二比例阀、第四流量计和微粒物过滤器。

4.根据权利要求1所述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，其特征在于：采样分析单元具体包括分流腔、PM分析仪、PM采集器、球阀、流量计、采样泵，分流腔分别连接至PM分析仪和PM采集器，PM采集器依次通过球阀、流量计与采样泵连接。

5.根据权利要求1所述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，其特征在于：所述的烟气采集组件由采样探头、加热采样探杆、烟气传感器单元、皮托管、压差变送器组成，皮托管、压差变送器能够测量烟气流速。

6.根据权利要求1所述的基于二氧化碳浓度控制的PM2.5源解析采样装置，其特征在于：混合停留室中烟气的停留时间不少于8秒，混合停留室内设置有停留室传感器。