CN105158028B - 一种固定源颗粒物稀释采样系统 - Google Patents

Abstract

一种固定源颗粒物稀释采样系统，属于环境监测领域。包括烟气引入系统、稀释停留系统、样品采集系统、控制及数据采集系统。系统采用三级喷射型稀释器，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。

Description

一种固定源颗粒物稀释采样系统

技术领域

本发明涉及一种锅炉烟气PM2.5级挥发性有机物稀释采样系统，特别涉及一种能够对燃煤锅炉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，并可改变稀释比例及停留时间对采样设备进行远程控制的稀释采样系统。属于环境监测领域。

技术背景

锅炉烟气排放是我国一次PM2.5的主要来源之一，合理采集各类锅炉排放的PM2.5，弄清其排放颗粒物的粒径分布及理化特征，对于分析大气污染物来源，制定科学有效的PM2.5达标控制方案具有重要意义。

目前针对锅炉烟气颗粒物的采样方法主要为直接采样法与稀释采样法两种。我国则采用以直接采样法为基础的烟尘采样器。该仪器是针对我国大气污染物排放标准中颗粒物的采样而开发，直接采取高温烟道气中的颗粒物样品，忽略了烟道气排放至大气时与控制混合稀释冷凝过程中形成的微粒及二次反应转化形成的颗粒物，同时该仪器也不能实现颗粒物的分粒径采集。由于采集过程中用玻璃纤维滤筒捕集烟尘，这种材质含有较多的有机、无机杂质会对颗粒物的后续化学分析产生不利影响。同时该方法也不能采集挥发性有机物。

烟气稀释通道采样法的开发始于上世纪美国，国外学者率先将其应用于固定源排放的研究。该方法是将高温烟气与洁净空气混合，冷却至大气环境温度，再按不同粒径采集颗粒物。该方法能够模拟烟气排放至大气过程中的稀释、成核、冷凝、凝聚等过程，更准确地反应了烟气中颗粒物的排放特征。稀释通道采样系统一般由烟气采样管、稀释混合系统，停留室及采样系统等组成。早期的稀释采样系统稀释混合过程段长，进入停留室气量多，停留室体积大，整个系统体积庞大，操作繁琐，在一定程度上限制了其在现场的应用。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稀释采样系统。该系统能够模拟固定源烟气发排放至大气过程中的稀释成核、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。可实现稀释比及停留时间的动态控制。可通过无线终端实现对设备的远程控制及监控。系统设备集成度高、性能稳定、可自动控制并在无人值守的情况下进行采样。

为实现上述目的，本发明采用一种固定源颗粒物采样系统，其特征在于，该系统包括烟气引入系统、稀释停留系统、样品采集系统、控制及数据采集系统。

所述的烟气引入系统包括数字等速采样烟枪、加热保温管I(4)、引流室(5)、质量流量控制器A(6)、引流泵串联构成。

所述的数字等速采样烟枪由采样喷嘴(1)、加热采样管(2)、皮托管(39)、液晶控制面板(3)组成，采样喷嘴(1)、加热采样管(2)、液晶控制面板(3)依次固定连接连通，皮托管位于采样喷嘴(1)的嘴口。所述液晶面板可显示烟气流速、温度、压力等工况参数，并可提供数据接口与逐机箱数据采集系统相连。

所述数字等速采样烟枪的加热采样管(2)、液晶控制面板(3)、加热保温管I、引流室(5)串联连接。

稀释停留系统由一级稀释器(8)、二级稀释器(9)、三级稀释器(10)及停留室串(14)联连接构成，同时一级稀释器、二级稀释器、三级稀释器的入口分别通过伺服流量计A(11)、伺服流量计B(12)、伺服流量计C(13)与空气压缩机(20)连接，从而使得压缩空气由空气压缩机产生，分别通过伺服流量计A(11)、伺服流量计B(12)、伺服流量计C(13)控制流量压力后进入一级稀释器、二级稀释器、三级稀释器。

所述引流室(5)的采样端出口与一级稀释器(8)的进口相连，引流室(5)的另一端出口通过采样主机箱内的质量流量控制器A(6)与引流泵(38)相连。所述引流室的采样端出口与所述一级稀释器串联，气体经过三级稀释后在三级稀释器出口进入所述的停留室；停留室为一体积大小可变的容器，装有温度、压力、相对湿度传感器，停留室侧面有多个采样口(如采用口1、采样口2)，底部设置一个压力平衡口(19)。

所述样品采集系统安装在采样主机箱内部，样品采集系统至少包括四个切割头(24-27)、膜脱(28-31)、质量流量控制器(32-35)，四个切割头分别依次串联连接膜脱和质量流量控制器，四个质量流量控制器均与大流量变频采用泵(36)连接，其中两个切割头并联构成一个采样进气口，另两个构成另一个采样进气口；采样进气口分别与停留室的采样口连接。

采样进气口通过气路与停留室的采用口连接，质量流量控制器的出口作为样品采集系统的出气口通过气路与大流量变频采样泵相连。所述样品采集系统为用于采集PM10、PM2.5的颗粒物分级采样装置。样品采集系统由切割头、膜托、质量流量控制器、大流量变频采样泵串联构成。

一级稀释器(8)出口设置有多余气体出口，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(9)的多余气体排入空气，从而实现稀释系统的压力平衡。

本发明的控制及数据采集系统，控制及数据采集系统主要由配套软件、数据连接线、LED触摸操控面板构成。配套软件位于采样主机箱内，烟气引入系统、稀释停留系统、样品采集系统等的运行参数通过数据连接线接入采样主机箱，被控制及数据采集系统收集。LED触摸操控面板设置在机箱外侧，用于采集系统各部分流量、流速、温度、湿度、压力等参数，同时可以在显示屏上进行参数设置及系统控制。

本发明还采用远程控制系统，远程控制系统由信号发射器(22)、远程操作终端(37)组成；信号发射器位于采样主机箱内部，远程操作终端通过接收发射器信号实现与LED操控面板数据同步，进而实现对整个稀释通道采样系统的参数设置与系统控制。

一级稀释器采用加热稀释气对烟气进行稀释，因此一级稀释器(8)与伺服流量计A(11)之间采用加热管连接。

本发明的样品采集系统的每一个采样进气口有多个割头并联；样品采集系统的有更多个采样进气口。

质量流量控制器A(6)、伺服流量计A(11)、伺服流量计B(12)、伺服流量计C(13)、空气压缩机(20)、大流量变频采样泵(36)、引流泵(38)可根据需要置于采样主机箱(21)。

由以上技术方案可以看出：

1、系统采用三级喷射型稀释器，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。

2、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。

3、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。

4、经过前两级系时后，可通过调节三级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。其中二级稀释器为可拆卸设计，可以通过不同的稀释器组合达到不同的稀释倍数要求。

5、控制及数据采集系统采用自动化控制，无需手动调节仪表，并通过质量流量控制器和伺服流量计控制气体流量、压力等，大大减小了实验误差；系统运行参数全程自动记录并实时显示简化了实验流程。

6、远程控制系统可实现全系统的远程操作与监控，使采样人员可以远离强噪声、高粉尘、离地面较高的取样点，有效的保证了采样人员的人身安全。

附图说明

图1为固定源颗粒物采样系统的结构示意图

图2为样品采集系统的结构示意图。

1-等速采样喷嘴；2-烟枪加热采样管；3-液晶控制面板；4-加热保温管I；5-引流室；6-质量流量控制器A；7-加热保温管II；8-一级稀释器；9-二级稀释器；10-三级稀释器；11-伺服流量计A；12-伺服流量计B；13-伺服流量计C；14—停留室；15-停留室温度、压力、相对湿度传感器；16-采样口A；17-采样口B；18-预留采样口；19-压力平衡口；20-空气压缩机；21-采样主机箱；22-无线信号发射装置；23-LED触摸操控面板；24-切割头A；25-切割头B；26-切割头C；27-切割头D；28-膜托A；29-膜托B；30-膜托C；31-膜托D；32-质量流量控制器B；33-质量流量控制器C；34-质量流量控制器D；35-质量流量控制器E；36-大流量变频采样泵；37-远程操作终端；38-引流泵；39-皮托管，40-烟道。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

本发明所提供的固定源颗粒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。本发明主要由气引入系统、稀释停留系统、样品采集系统、控制及数据采集系统，远程操作终端五部分组成。

烟气引入系统由数字等速采样烟枪、加热保温管I4、引流室5、质量流量控制器A6(安装在主机箱内)串联构成。在数字等速采样枪上设置有采样喷嘴1、加热采样管2及液晶控制面板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的另一端与质量流量控制器A6及采样主机箱21相串连。根据数字等速采样烟枪计算的烟气流速，选取合适的采样喷嘴，调节质量流量控制器A6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I4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。

稀释停留系统由一级稀释器8、二级稀释器9、三级稀释器10及停留室14串联构成，一级稀释器8、二级稀释器9、三级稀释器10的入口端分别连接压缩空气，通过伺服流量计A11、伺服流量计B12、伺服流量计C13分别控制进入一级稀释器8、二级稀释器9、三级稀释器10压缩空气的气压气量。引流室5的采样端出口与一级稀释器8相串联，一级稀释器8与二级稀释器9相串连。一级稀释器8、二级稀释器9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。一级稀释器8出口设置有多余气体出口，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9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9用常温稀释气对烟气进行再次稀释。稀释器的稀释比例由进口处气体压力和压缩空气压力决定，根据提前标定的工作曲线设置不同的压缩空气压力可以获得每一级稀释器不同的稀释比例。三级稀释器10为轴向稀释，压缩空气与经过前两级稀释的气体均匀混合，通过控制进入三级稀释器10的压缩空气流量使烟气经过稀释后进入停留室14流量为恒定值。停留室14为一体积大小可变的筒状容器，在停留室14的底部设置一个压力平衡口。停留室14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14可保证停留时间大于90s，在停留室14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14侧部装有压力传感器、温度传感器、相对湿度传感器15，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14内的气体呈微正压，未被采集的多余气体通过压力平衡口19自动排出，保持停留室14压力平衡和整个系统的稳定。在停留室14的底部设置有万向轮，方便运输和转移。

样品采集系统安装在采样主机箱21内部，通过气路与停留室14上的采样孔A16、采样孔B17连接；由切割头A、B、C、D(24-27)、采样膜托A、B、C、D(28-31)、质量流量计B、C、D、E(32-35)、大流量变频采样泵36串联组成。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，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，通过停留室上的预留采样孔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。

控制及数据采集系统包括配套软件，LED触摸操控面板23、采样主机箱21。所述控制及数据采集系统的信号输入端分别通过数据连接线与数字等速采样烟枪、停留室温度、湿度、压力传感器相连接，并通过采样主机箱21内的控制系统调节引流流量、各级稀释器的稀释压力、流量、采样流量等。LED触摸操控面板23设置在机箱外侧，用于采集系统各部分流量、流速、温度、湿度、压力等参数，同时可以在显示屏上进行参数设置及系统控制。采样主机箱21底部安装有4个万向轮，方便移动运输。

远程控制系统由信号发射器22、远程操作终端37组成。信号发射器22位于采样主机箱21内部，远程操作终端通过接收发射器信号实现与LED触摸操控面板23数据同步。可远程实现对整个稀释通道采样系统的参数设置与系统控制。

采样系统的具体工作过程如下：

采样前，插入数字等速采样烟枪，正对气流，通过数字等速采样烟枪测量烟道内烟气流速、烟气温度、烟气压力，根据烟气流速选取适当的等速采样喷嘴1，设定适当的引流流量实现等速采样。调节烟枪加热取样管2、加热保温管I4、加热保温管II7温度使之略高于烟气温度。开启空气压缩机20，根据烟道内烟气压力及拟采用稀释比选择各级稀释器进气压力。待系统稳定后开启大流量变频采样泵36，在采样主机箱21上的LED触摸控制面板设置引流流量、各级稀释器进气压力、采样时间、采样流量开始采样。采样过程中可通过远程操作终端监视仪器运行状态、修改系统工作参数，人员可以远离条件艰苦的采样现场。采样过程中控制及数据采集系统和远程控制系统会同步记录各系统运行数据并储存在储存卡上。采样结束后，关闭采样系统，取出采样滤膜，导出稀释通道采样系统运行数据。

Claims (5)

1.一种固定源颗粒物采样系统，其特征在于，该系统包括烟气引入系统、稀释停留系统、样品采集系统、控制及数据采集系统；

所述的烟气引入系统包括数字等速采样烟枪、加热保温管I(4)、引流室(5)、质量流量控制器A(6)、引流泵串联构成；

所述的数字等速采样烟枪由采样喷嘴(1)、加热采样管(2)、皮托管(39)、液晶控制面板(3)组成，采样喷嘴(1)、加热采样管(2)、液晶控制面板(3)依次固定连接连通，皮托管位于采样喷嘴(1)的嘴口；

所述数字等速采样烟枪的加热采样管(2)、液晶控制面板(3)、加热保温管I、引流室(5)串联连接；

稀释停留系统由一级稀释器(8)、二级稀释器(9)、三级稀释器(10)及停留室(14)串联连接构成，同时一级稀释器、二级稀释器、三级稀释器的入口分别通过伺服流量计A(11)、伺服流量计B(12)、伺服流量计C(13)与空气压缩机(20)连接，从而使得压缩空气由空气压缩机产生，分别通过伺服流量计A(11)、伺服流量计B(12)、伺服流量计C(13)控制流量压力后进入一级稀释器、二级稀释器、三级稀释器；

所述引流室(5)的采样端出口与一级稀释器(8)的进口相连，引流室(5)的另一端出口通过采样主机箱内的质量流量控制器A(6)与引流泵(38)相连；所述引流室的采样端出口与所述一级稀释器串联，气体经过三级稀释后在三级稀释器出口进入所述的停留室；停留室为一体积大小可变的容器，装有温度、压力、相对湿度传感器，停留室侧面有多个采样口，底部设置一个压力平衡口(19)；

所述样品采集系统安装在采样主机箱内部，样品采集系统至少包括四个切割头、膜脱、质量流量控制器，四个切割头分别依次串联连接膜脱和质量流量控制器，四个质量流量控制器均与大流量变频采用泵(36)连接，其中两个切割头并联构成一个采样进气口，另两个构成另一个采样进气口；采样进气口分别与停留室的采样口连接；

控制及数据采集系统主要由配套软件、数据连接线、LED触摸操控面板构成；配套软件位于采样主机箱内，烟气引入系统、稀释停留系统、样品采集系统的运行参数通过数据连接线接入采样主机箱，被控制及数据采集系统收集；

引流室的采样端出口与一级稀释器相串联，一级稀释器与二级稀释器相串连；一级稀释器、二级稀释器均为喷射型稀释器，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；一级稀释器出口设置有多余气体出口，可以把经过一级稀释器稀释后未被采样进入二级稀释器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，在二级稀释器用常温稀释气对烟气进行再次稀释；稀释器的稀释比例由进口处气体压力和压缩空气压力决定，根据提前标定的工作曲线设置不同的压缩空气压力可以获得每一级稀释器不同的稀释比例；三级稀释器为轴向稀释，压缩空气与经过前两级稀释的气体均匀混合，通过控制进入三级稀释器的压缩空气流量使烟气经过稀释后进入停留室流量为恒定值；停留室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；停留室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、凝聚过程。

2.按照权利要求1所述的一种固定源颗粒物采样系统，其特征在于，所述样品采集系统为用于采集PM10、PM2.5的颗粒物分级采样装置。

3.按照权利要求1所述的一种固定源颗粒物采样系统，其特征在于，样品采集系统的每一个采样进气口有多个割头并联；样品采集系统有多个采样进气口。

4.按照权利要求1所述的一种固定源颗粒物采样系统，其特征在于，一级稀释器采用加热稀释气对烟气进行稀释，因此一级稀释器(8)与伺服流量计A(11)之间采用加热管连接。

5.按照权利要求1所述的一种固定源颗粒物采样系统，还采用远程控制系统，远程控制系统由信号发射器(22)、远程操作终端(37)组成；信号发射器位于采样主机箱内部，远程操作终端通过接收发射器信号实现与LED操控面板数据同步，进而实现对整个稀释通道采样系统的参数设置与系统控制。