CN105223047A - 固定源烟气颗粒物稀释法自动等速采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固定源烟气颗粒物稀释法自动等速采样系统，包括烟气流速测量部分、颗粒物采集部分、稀释气配气部分和自动等速控制部分，其中，颗粒物采集部分包括依次连接并呈直线型排列的采样枪(2-1)、一级稀释装置(2-4)、二级稀释装置(2-7)、烟气老化室(2-9)和烟气出气装置(2-10)，在烟气出气装置(2-10)的出气口处设置有颗粒物采集装置(2-11)；一级稀释装置(2-4)采用多孔稀释，二级稀释装置(2-7)采用射流稀释。本发明稳定性高，测量精度好。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，涉及一种固定源烟气颗粒物稀释法采样系统，尤其适用于自动等速采样。
背景技术
目前我国大气环境问题突出，区域性灰霾频发，引起广泛关注。灰霾形成主要是由大气中的细颗粒物(PM2.5)增多引起的，以燃煤为主的固定燃烧源排放的PM2.5是大气中PM2.5的主要来源。如何合理采集固定燃烧源排放颗粒物，了解其粒径分布及物理化学特征，对于大气污染源解析，制定污染防控措施，改善区域环境空气质量具有十分重要的意义。
对于固定源烟气中细颗粒物的采集，主要采用稀释烟道方法进行，该方法的基本原理是将高温烟气在稀释通道内利用洁净空气进行稀释，并冷却至大气环境温度，停留一段时间后细颗粒物被采样器按一定粒度分离并捕集。其优点是消除了烟气温度高、湿度大、细颗粒物浓度高和其他气体的影响，使得燃烧源采样方法得以简化，同时扩大了滤膜的使用范围，也简化和扩大了化学物种的测量范围，同时也使更先进的气溶胶测量设备在燃烧源中的应用成为可能。
同时，测定烟气浓度必须采用等速采样法，即烟气进入采样嘴的速度应与采样点烟气流速相等。采样气流速大于或小于采样点烟气流速都将造成测定误差。当采样速度大于采样点的烟气流速时，由于气体分子的惯性小，容易改变方向，而颗粒物惯性大，不容易改变方向，导致采样嘴边缘以外的部分气流被抽入采样嘴，而其中的颗粒物按原方向前进，不进入采样嘴，从而导致测量结果偏低；当采样速度小于采样点烟气流速时，情况正好相反，使测定结果偏高。
目前，国内只有少数几家单位研制开发了稀释采样系统，且大多并未考虑自动等速追踪采样。中国发明专利(公开号CN1614385A)涉及了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、数据采集器等，由于其采用倒U型设计，且停留室设计体积较大，使得整套设备比较复杂和庞大，而许多固定源采样现场空间狭小，限制了其大范围使用。
综上所述，有必要开发采样系统小型化、适合于现场应用的具有自动等速采样的颗粒物稀释采样系统。
发明内容
针对现有的固定燃烧源颗粒物采样系统的缺陷和不足，本发明提供了一种固定源烟气颗粒物稀释法自动等速采样系统，该系统能够很好的解决固定源烟气颗粒物自动等速稀释采样的难题，且系统采用直线型设计，结构紧凑、操作简便。本发明的技术方案如下：
一种固定源烟气颗粒物稀释法自动等速采样系统，包括烟气流速测量部分、颗粒物采集部分、稀释气配气部分和自动等速控制部分，其中，
所述烟气流速测量部分包括皮托管(1-1)和气体压差变送器(1-2)，气体压差变送器(1-2)用于测量通过皮托管引导的采样点的烟气流速，其测量值传输至自动等速控制部分的数据处理器(4-1)；
所述颗粒物采集部分包括依次连接并呈直线型排列的采样枪(2-1)、一级稀释装置(2-4)、二级稀释装置(2-7)、烟气老化室(2-9)和烟气出气装置(2-10)，在烟气出气装置(2-10)的出气口处设置有颗粒物采集装置(2-11)；烟道内排放的烟气通过采样枪采样，经过一级稀释、二级稀释、停留老化后由颗粒物采集装置采集其中的颗粒物；在采样枪内设置有气体流速仪(2-3)，将采样气流速实时传输至数据处理器(4-1)；所述的一级稀释装置(2-4)采用多孔稀释，所述的二级稀释装置(2-7)采用射流稀释；
所述稀释气配气部分，包括空气压缩装置(3-1)、储气罐(3-2)和气体分流器(3-3)；
在包括采样枪、一级稀释装置、二级稀释装置和烟气老化室在内的各个部件上固定有气体温湿度计和气体压力传感器实时监测各处的烟气状态，各个监测数据被送入数据处理器(4-1)；
所述的自动等速控制部分，包括数据处理器(4-1)、一级稀释气质量流量控制器(4-2)、二级稀释气质量流量控制器(4-3)和稀释气加热器(4-4)；从储气罐(3-2)释放出的压缩空气经气体分流器(3-3)分为两路，一路为一级稀释气，另一路为二级稀释气，其流量和流速分别由一级稀释气质量流量控制器(4-2)和二级稀释气质量流量控制器(4-3)控制；
所述一级稀释装置(2-4)包括一级稀释外腔(2-41)、一级稀释内腔(2-42)，在一级稀释内腔(2-42)上开设有稀释孔(2-43)；一级稀释气沿一级稀释外腔(2-41)通过稀释孔(2-43)进入稀释内腔，稀释孔设计为圆锥形小孔，靠近稀释外腔的底面直径大于靠近稀释内腔的底面直径；一级稀释气被稀释气加热器(4-4)加热为热稀释气，通过改变稀释气的流量和温度控制烟气的稀释效果，实现一级混合气湿度和温度可调；
所述数据处理器(4-1)，用于接收从各处监测到的烟气状态信息，并控制气体分流器(3-3)、一级稀释气质量流量控制器(4-2)和二级稀释气质量流量控制器(4-3)，其主要实现功能为：
一是使气体老化室内的混合气符合采集要求：根据烟气老化室(2-9)中的烟气监测数据判断是否符合采集要求，即稀释气总量与抽取烟气的总量之比是否符合要求；若混合气不符合采集要求，稀释气总量不足，此时数据处理器(4-1)对气体分流器(3-3)进行调节，直至混合气符合采集要求；
二是实现等速采样：在稀释气总量一定的情况下，数据处理器接收烟道内烟气流速V1和抽取烟气速度V2并进行比较，并控制二级稀释气质量流量控制器(4-3)的流量，使V1＝V2，实现等速采样；同时，调节一级稀释气质量流量控制器(4-2)将剩余的稀释气量作为一级稀释气的稀释气量。
本发明的有益效果是：
1)很好的解决了固定源烟气颗粒物自动等速稀释采样的难题；
2)两级稀释独立控制，系统稳定性高，测量精度好；
3)系统采用直线型设计，烟气状态实时显示，结构紧凑、模块化、操作简便；
4)通过改变一级稀释气的流量和温度控制烟气的稀释效果，可以实现混合气湿度和温度可调。而且，一级稀释气体通过沿传输线上分布的小孔进入传输线，使稀释更加均匀。
附图说明
图1为本发明提供的固定源颗粒物稀释法自动等速采集系统示意图。
图中：1-烟气流速测量部分；2-颗粒物采集部分；3-稀释气配气部分；4-自动等速控制部分。
1-1-皮托管；1-2-气体压差变送器；2-1-采样枪；2-2-气体温湿度计；2-3-气体流速仪；2-4-一级稀释装置；2-5-气体压力传感器；2-6-一级稀释气进口；2-7-二级稀释装置；2-8-二级稀释气进口；2-9-烟气老化室；2-10-烟气出气装置；2-11-颗粒物采集装置；3-1-空气压缩装置；3-2-储气罐；3-3-气体分流器；4-1-数据处理器；4-2-一级稀释气质量流量控制器；4-3-二级稀释气质量流量控制器；4-4-稀释气加热器。
图2为采用多孔稀释方式的一级稀释装置的示意图。
图中：2-2-气体温湿度计；2-41一级稀释外腔、2-42一级稀释内腔；2-43稀释孔；2-5-气体压力传感器；2-6-一级稀释气进口；箭头表示气流方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，固定源烟气颗粒物稀释法自动等速采样系统，包括烟气流速测量部分、颗粒物采集部分、稀释气配气部分和自动等速控制部分，其中，
烟气流速测量部分包括皮托管(1-1)和气体压差变送器(1-2)，气体压差变送器(1-2)用于测量通过皮托管引导的采样点的烟气流速，其测量值传输至自动等速控制部分的数据处理器(4-1)；
颗粒物采集部分包括依次连接的采样枪(2-1)、一级稀释装置(2-4)、二级稀释装置(2-7)、烟气老化室(2-9)和烟气出气装置(2-10)，在烟气出气装置(2-10)的出气口处设置有颗粒物采集装置(2-11)；烟道内排放的烟气通过采样枪采样，经过一级稀释、二级稀释、停留老化后由颗粒物采集装置采集其中的颗粒物；在采样枪内设置有气体流速仪(2-3)，将采样气流速实时传输至数据处理器(4-1)；一级稀释装置(2-4)采用多孔稀释，二级稀释装置(2-7)采用射流稀释；
稀释气配气部分，包括空气压缩装置(3-1)、储气罐(3-2)和气体分流器(3-3)；
在包括采样枪、一级稀释装置、二级稀释装置和烟气老化室在内的各个部件上固定有气体温湿度计和气体压力传感器实时监测各处的烟气状态，各个监测数据被送入数据处理器(4-1)；
自动等速控制部分，包括数据处理器(4-1)、一级稀释气质量流量控制器(4-2)、二级稀释气质量流量控制器(4-3)和稀释气加热器(4-4)；从储气罐(3-2)释放出的压缩空气经气体分流器(3-3)分为两路，一路为一级稀释气，另一路为二级稀释气，其流量和流速分别由一级稀释气质量流量控制器(4-2)和二级稀释气质量流量控制器(4-3)控制，其中一级稀释气被稀释气加热器(4-4)加热为热稀释气；
参见图2，一级稀释装置(2-4)包括一级稀释外腔(2-41)、一级稀释内腔(2-42)，在一级稀释内腔(2-42)上开设有稀释孔(2-43)；一级稀释气沿一级稀释外腔(2-41)通过稀释孔(2-43)进入稀释内腔，通过改变稀释气的流量和温度控制烟气的稀释效果，实现一级混合气湿度和温度可调，稀释孔设计为圆锥形小孔，靠近稀释外腔的底面直径大于靠近稀释内腔的底面直径；
数据处理器(4-1)，用于接收从各处监测到的烟气状态信息，并控制气体分流器(3-3)、一级稀释气质量流量控制器(4-2)和二级稀释气质量流量控制器(4-3)。
准备采样前，将各部件按照附图进行组装，查看各部件是否有异常。
系统使用前，先将皮托管(1-1)置于采样点位，对烟道内烟气平均流速进行测定，并根据测定的流速确定采样枪(2-1)上安装采样喷嘴的尺寸；使用便携式气体温湿度露点仪测试烟气的温湿度和含湿量，并确定采样枪的加热温度，一般加热温度为120℃。
系统在颗粒物采集时应同时满足以下两点要求：一是烟气老化室(2-9)内的烟气符合采集要求；二是全过程自动等速采样。系统在使用时，首先实现烟气符合采集要求。经过两级稀释后的烟气在烟气老化室(2-9)内停留10-15秒，通过观察老化室内烟气的状态判断是否符合颗粒物采集要求，如果符合采集要求，说明总的稀释比是合理的，即一级稀释气和二级稀释气的进气总量是合理的。其次，在保证进气总量合理的范围内，对一级稀释和二级稀释进气量重新分配，实现等速采样。具体操作如下：
将皮托管(1-1)和采样枪(2-1)一并置于采样点，同时对采样枪进行加热；开启稀释气配气部分，空气压缩装置(3-1)工作，储气罐(3-2)内气体压力保持在8-10MPa，气体分流器(3-3)控制进气总量并将压缩空气一分为二；开启自动等速控制部分，一级稀释气质量流量控制器(4-2)和二级稀释气质量流量控制器(4-3)开始工作，同时对一级稀释气进行加热；此时，一级稀释装置(2-4)、二级稀释装置(2-7)、烟气老化室(2-9)上的气体温湿度计(2-2)和气体压力传感器(2-5)实时监测各装置内的烟气状态并传输至数据处理器(4-1)。数据处理器(4-1)控制气体分流器(3-3)根据烟气老化室(2-9)内的烟气状态对稀释气总量进行调节直至符合采集要求，同时接收皮托管(1-1)测得的烟气流速V1和气体流速仪(2-3)测得的抽取烟气速度V2，并通过控制二级稀释气质量流量控制器(4-3)，调节二级稀释气流量和流速。
当烟气老化室(2-9)内的烟气符合采集要求时，一级稀释气和二级稀释气进气总量合理，在进气总量不变的前提下，一级稀释气质量流量控制器(4-2)和二级稀释气质量流量控制器(4-3)同时调整，直至气体流速仪(2-3)测得的抽气速度与烟道内烟气流速相等。一级稀释气质量流量控制器(4-2)和二级稀释气质量流量控制器(4-3)响应时间小于1秒，可确保调整的实时性，增加系统的稳定性。
若烟气老化室(2-9)内的烟气不符合采集要求，说明进气总量不足，此时优先增加一级稀释气的供气量，直至符合采集要求。
上述调整完成后，开启颗粒物采集装置(2-11)，进行颗粒物分级采集。烟气出气装置(2-10)设计为六个出气口，采样时须保证至少一个与大气环境相通，并且总采集流量不得超过抽取烟气和两级稀释气的总量。
本发明的工作原理为：
1)实时监测烟气状态。通过采样枪、一级稀释装置、二级稀释装置、烟气老化室上安装的气体温湿度计(2-2)和气体压力传感器(2-5)实时监测烟气状态，直至烟气老化室(2-9)中的烟气符合采集要求。
2)一级稀释负责除湿和降温，二级稀释负责控制抽气速度。一级稀释装置(2-4)主要负责烟气的除湿和降温，根据烟气老化室(2-9)中的气体是否符合采集要求，调节一级稀释气的流量，并由稀释气加热器(4-4)对稀释气进行加热；二级稀释装置采用射流器，由其调节射流气流速，进而控制抽气速度，使V1＝V2，实现等速采样。
Claims (1)
1.一种固定源烟气颗粒物稀释法自动等速采集系统，包括烟气流速测量部分、颗粒物采集部分、稀释气配气部分和自动等速控制部分。其中，
所述烟气流速测量部分包括皮托管(1-1)和气体压差变送器(1-2)，气体压差变送器(1-2)用于测量通过皮托管引导的采样点的烟气流速，其测量值传输至自动等速控制部分的数据处理器(4-1)；
所述颗粒物采集部分包括依次连接并呈直线型排列的采样枪(2-1)、一级稀释装置(2-4)、二级稀释装置(2-7)、烟气老化室(2-9)和烟气出气装置(2-10)，在烟气出气装置(2-10)的出气口处设置有颗粒物采集装置(2-11)；烟道内排放的烟气通过采样枪采样，经过一级稀释、二级稀释、停留老化后由颗粒物采集装置采集其中的颗粒物；在采样枪内设置有气体流速仪(2-3)，将采样气流速实时传输至数据处理器(4-1)；所述的一级稀释装置(2-4)采用多孔稀释，所述的二级稀释装置(2-7)采用射流稀释；
所述稀释气配气部分，包括空气压缩装置(3-1)、储气罐(3-2)和气体分流器(3-3)；
在包括采样枪、一级稀释装置、二级稀释装置和烟气老化室在内的各个部件上固定有气体温湿度计和气体压力传感器实时监测各处的烟气状态，各个监测数据被送入数据处理器(4-1)；
所述的自动等速控制部分，包括数据处理器(4-1)、一级稀释气质量流量控制器(4-2)、二级稀释气质量流量控制器(4-3)和稀释气加热器(4-4)；从储气罐(3-2)释放出的压缩空气经气体分流器(3-3)分为两路，一路为一级稀释气，另一路为二级稀释气，其流量和流速分别由一级稀释气质量流量控制器(4-2)和二级稀释气质量流量控制器(4-3)控制；
所述一级稀释装置(2-4)包括一级稀释外腔(2-41)、一级稀释内腔(2-42)，在一级稀释内腔(2-42)上开设有稀释孔(2-43)；一级稀释气沿一级稀释外腔(2-41)通过稀释孔(2-43)进入稀释内腔，稀释孔设计为圆锥形小孔，靠近稀释外腔的底面直径大于靠近稀释内腔的底面直径；一级稀释气被稀释气加热器(4-4)加热为热稀释气，通过改变稀释气的流量和温度控制烟气的稀释效果，实现一级混合气湿度和温度可调；
所述数据处理器(4-1)，用于接收从各处监测到的烟气状态信息，并控制气体分流器(3-3)、一级稀释气质量流量控制器(4-2)和二级稀释气质量流量控制器(4-3)，其主要实现功能为：
一是使气体老化室内的混合气符合采集要求：根据烟气老化室(2-9)中的烟气监测数据判断是否符合采集要求，即稀释气总量与抽取烟气的总量之比是否符合要求；若混合气不符合采集要求，稀释气总量不足，此时数据处理器(4-1)对气体分流器(3-3)进行调节，直至混合气符合采集要求；
二是实现等速采样：在稀释气总量一定的情况下，数据处理器接收烟道内烟气流速V1和抽取烟气速度V2并进行比较，并控制二级稀释气质量流量控制器(4-3)的流量，使V1＝V2，实现等速采样；同时，调节一级稀释气质量流量控制器(4-2)将剩余的稀释气量作为一级稀释气的稀释气量。
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