CN105258984B - 一种试验用民用炉燃煤烟气颗粒物采样系统及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种试验用民用炉燃煤烟气颗粒物采样系统及进行采样的方法，通过在民用炉炉壁设置引燃室，并进一步在引燃室内设置有电加热引燃装置；其中，电加热引燃装置包括：电源线及电热丝；相邻两根电热丝之间间隔有耐火绝缘陶瓷。引燃室及引燃装置的设置避免了民用炉引燃时采用煤炭以外的燃料，进而导致采样数据中混杂有部分杂质颗粒，对后续数据分析会带来一定的结论性的影响。本发明不仅操作简便，能对民用炉燃烧产生的烟气进行采集，还能够进一步取得获取高精度采样数据的技术效果，方便进一步的将数据进行分析及对比。

Description

一种试验用民用炉燃煤烟气颗粒物采样系统及采样方法

技术领域

本发明属于环境监测领域，涉及一种试验用民用炉中燃煤燃烧所产生烟气的颗粒物采样系统以及利用该系统的采样方法。

背景技术

随着经济的快速发展，我国的大气环境质量正面临着严峻的挑战。据中央气象台统计，自2011年10月以来，辽宁、河北、河南、山东、甘肃等多省市，都出现过能见度极差的雾霾天气，90％的省会城市细颗粒物严重超标。不仅影响了航班、高铁、高速公路等公共交通的运行，交通事故频发，还导致呼吸系统、心脑血管系统疾病频发。气象专家和医学专家认为，细颗粒物造成的雾霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。

细颗粒物污染对人体健康的影响是多方面的，主要影响呼吸系统和心血管系统。细颗粒物可以穿透人体呼吸道的防御毛发状结构进入人体内部，引发疾病。细颗粒物对心血管系统也可以产生毒性作用。它主要通过两条途径危害人体的心血管：一是通过引起炎症反应及继发的高凝状态，二是改变自主神经功能。人体吸入细颗粒物后可能会引发机体的一系列急性应激反应，并改变循环系统功能，从而导致心血管系统疾病的发生。国外大量流行病学研究资料表明，可吸入颗粒物的浓度的上升与疾病的发病率、死亡率的关系很密切，其中尤其是和呼吸系统疾病和心脏病。

燃煤采暖炉经济又实惠,对于没有集中供暖和不具备燃气采暖条件的城乡接合部和广大的农村地区，采暖费用较低的燃煤采暖炉是理想的选择，因此得以广泛的应用。但是该种采暖炉几乎没有采取任何的污染控制措施，燃煤产生的烟气都是直接排放到大气中，造成大气污染。研究表明，燃煤取暖造成的空气污染对儿童肺功能有明显损伤作用。细颗粒物进人肺部，并沉积于肺泡，而且粒子越小，越容易吸附一些对人类有害的重金属、有机物、细菌和病毒，增加发病率和死亡率，危害呼吸系统和心血管系统，改变免疫功能，增加癌患，如肺癌等。

因此，如何采集民用炉污染源排放的颗粒污染物，对污染物排放进行管理与控制，具有十分重要的意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种对民用炉燃煤烟气燃烧所产生烟气中的颗粒物进行采集的系统和方法，为民用炉燃煤烟气污染防控提供参考依据。

一方面，本发明提供了一种试验用民用炉燃煤烟气颗粒物采样系统，包括烟道、烟气采集器、颗粒物采集沉降室、吹风机以及空气过滤器，烟道由第一烟道和第二烟道组成；试验用民用炉的排气口通过第一烟道与第二烟道相连；吹风机通过空气过滤器在第一烟道与第二烟道的连接处，面向第二烟道的烟气排放方向导通；烟气采集器的第一端与颗粒物采集沉降室相连，第二端以面向烟气流动方向的方式设置在第二烟道内；颗粒物采集沉降室中设置有颗粒物采样器，其中，试验用民用炉的炉壁设置有引燃室，引燃室内设置有电加热引燃装置；所述电加热引燃装置包括：电源线及电热丝；相邻两根所述电热丝之间间隔有耐火绝缘陶瓷。

可选地，根据本发明的采样系统，所述电热丝沿所述试验用民用炉的炉壁以交叉网状的形式分布。

可选地，根据本发明的采样系统，所述电热丝沿所述试验用民用炉的炉壁缠绕式分布。

可选地，根据本发明的采样系统，所述第一烟道和第二烟道之间的夹角α为120-140°。

可选地，根据本发明的采样系统，颗粒物采样器包括依次连接的切割器、采样泵以及排气管路，所述排气管路的末端伸出所述颗粒物沉降室。

可选地，根据本发明的采样系统，所述切割器为PM_2.5切割器和/或PM₁₀切割器。

一方面，本发明提供了另一种试验用民用炉燃煤烟气颗粒物采样系统，包括烟道，烟气采集器，烟气稀释器，颗粒物采集沉降室以及引风机，烟道由第一烟道和第二烟道组成；第一烟道的第一端与民用炉的排气口连接；第二烟道的第一端与第一烟道的第二端连接，第二端与引风机连接；烟气采集器的第一端与烟气稀释器连接，第二端以朝向第二烟道第一端的方向设置在第二烟道内；烟气稀释器与颗粒物采集沉降室相连，以将稀释后的烟气送入颗粒物采集沉降室；颗粒物采集沉降室中设置有颗粒物采样器，其中，试验用民用炉的炉壁设置有引燃室，引燃室内设置有电加热引燃装置；电加热引燃装置包括：电源线及电热丝；相邻两根电热丝之间间隔有耐火绝缘陶瓷。

另一方面，本发明提供了一种民用炉燃煤烟气颗粒物采样方法，包括如下步骤：

将试验用民用炉的排气口与烟道连接，将烟气排入烟道；

开启与烟道相连的吹风机或引风机；

开启空气过滤器，将空气经净化后送入烟道以对烟气进行稀释；

将烟气采集器伸入烟道内，使其一端的采样喷嘴正对稀释后的烟气气流方向，进行烟气采集；

若开启的是吹风机则直接将采集到的烟气送入颗粒物采集沉降室中进行采样；

若开启的是引风机，则需将采集到的烟气送入稀释器中稀释后，再送入颗粒物采集沉降室中进行采样。

可选地，根据本发明的采样方法，所述烟气被稀释20-200倍。

可选地，根据本发明的采样方法，所述稀释后的烟气温度为50℃以下。

本发明所述采样系统结构简单，操作简便，能够对民用炉燃烧产生的烟气进行采集，并通过稀释沉降，对烟气中的颗粒物进行采集和后续分析，为污染防治提供支撑。进一步的，本发明通过在试验用民用炉的炉壁设置引燃室，并在引燃室内设置电加热引燃装置，为试验用民用炉的引燃提供了便利的技术支持。此外，由于本发明所述电加热引燃装置在引燃试验用民用炉时不会产生额外的烟气颗粒物，故产生的实验数据会更为准确，极大的减少了实验数据误差。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中采样系统的组成示意图；

图2为本发明实施例2中试验用民用炉局部剖视图示意图；

图3为本发明实施例3中试验用民用炉局部剖视图示意图；

图4为本发明实施例4中采样系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。

实施例1：

不失一般性，本发明提供了一种民用炉燃煤烟气颗粒物采样系统，图1示出了该采样系统的结构示意图。如图1所示，采样系统包括：烟道，烟气采集器200，颗粒物采集沉降室400、吹风机600以及空气过滤器300，烟道由第一烟道110和第二烟道120组成；试验用民用炉700的排气口通过第一烟道110与第二烟道120相连，民用炉中燃煤燃烧产生的烟气经排气口依次进入第一烟道和第二烟道；吹风机通过空气过滤器在第一烟道与第二烟道的连接处，面向第二烟道的烟气排放方向导通；烟气采集器200的第一端与颗粒物采集沉降室400相连，第二端以面向烟气流动方向的方式设置在第二烟道内；颗粒物采集沉降室400中设置有颗粒物采样器500，其中，试验用民用炉的炉壁设置有引燃室800，引燃室800内设置有电加热引燃装置810；电加热引燃装置包括：电源线811及电热丝812；相邻两根电热丝之间间隔有耐火绝缘陶瓷。

本发明通过在试验用民用炉的炉壁设置引燃室，并在引燃室内设置电加热引燃装置，为试验用民用炉的引燃提供了便利的技术支持。此外，由于本发明所述电加热引燃装置在引燃试验用民用炉时不会产生额外的烟气颗粒物，故产生的实验数据会更为准确，极大的减少了实验数据误差。

进一步的，在本实施例中将第一烟道110与第二烟道120之间的夹角α设置为钝角。优选地，所述夹角α为120-140°。相较于现有的烟道组成中将第一烟道和第二烟道以90°直角进行的设置，该钝角角度的夹角使得烟气在达到第一烟道的末端时，能够平缓地进入第二烟道，避免了烟气中的颗粒物直接撞击第二烟道的内壁发生粉碎而影响颗粒物的采集效果。可以理解的是，除了图1中所示的烟道结构，还可以通过使用弯道将第一烟道和第二烟道进行连接，同样也可以使得烟气能够以平缓的方式进入第二烟道，这些连接形式也应落入本发明的保护范围。

由于直接进入烟道的烟气的温度和浓度均较高，烟气中高浓度颗粒物会影响采样器滤膜的捕集效果，因此需对其进行稀释并将其温度降至环境温度，以模拟烟气排放到大气中的稀释和冷却过程，提升后续分析结果的准确性。同时，烟气经过稀释作用后，其相对湿度也有所降低，可防止烟气中水蒸汽在颗粒物采集器的滤膜上液化及滤膜表面物理性能变化，使颗粒物采集器保持良好性能。

为此，本发明采样系统中通过设置吹风机，通过向烟道内吹入空气实现对烟气的稀释。为了避免稀释空气中的颗粒物对烟气分析结果造成影响，还需对空气进行净化。如图1中所示，所述空气过滤器300的第一端与所述吹风机600连接，第二端与所述第二烟道120的第一端连接。吹风机用于将环境空气吸入后送入空气过滤器中进行净化，可在空气过滤器中设置诸如活性炭层、硅胶层等过滤介质来去除环境空气中的粗颗粒物、细颗粒物以及有机物，过滤后得到的洁净空气再被送入第二烟道，对烟气进行稀释。可以通过控制吹风机的转速控制用来稀释烟气的空气进气量，也可以在吹风机与空气过滤器的连接管路或在空气过滤器与第二烟道的连接管路中设置流量阀，通过该流量阀控制净化后空气出气量，从而调节烟气的稀释倍数。

将所述烟气采集器200的第二端以朝向所述第二烟道120第一端的方向(即，朝向烟气流动的方向)设置在所述第二烟道内，以实现对稀释烟气的采集，其第一端与所述颗粒物采集沉降室400相连，以将采集的稀释后烟气送入颗粒物采集沉降室。

在所述颗粒物采集沉降室中设置有颗粒物采样器500。稀释后的烟气在沉降室中沉降一段时间，以模拟烟气排放到中的凝结、成核等过程，不改变原粒子成分谱，使烟气中气溶胶的物化行为更接近于环境条件下的转化。沉降一段时间后，烟气中的颗粒物被颗粒物采样器采集，而后即可对采集的样品进行后续分析。

本发明所述采样系统中，使用的颗粒物采样器包括依次连接的切割器、采样泵以及排气管路，所述排气管路的末端伸出所述颗粒物沉降室。其中，所述切割器为PM_2.5切割器和/或PM₁₀切割器，以采集PM_2.5切割器和/或PM₁₀颗粒物。含有颗粒物的烟气在采样泵的作用下，以一定的流速(恒流速)从烟气稀释器的排气口喷出后，颗粒获得一定动能，粒径大于2.5μm(10μm)的粒子，粒径小于或等于2.5μm(10μm)的粒子，由于惯性小，将随着气流运动，被收集在滤膜上，从而实现颗粒物的采集。分离出颗粒物的烟气经排气管路排出颗粒物沉降室或与其他气体分析设备相连以进行其他的后续分析。可以理解的是，除了本发明中所述的结构，诸如旋风式切割器等现有技术中其他结构的切割器也适用于本发明。

实施例2：

如图2所示，本发明在实施例1的基础上，将电热丝812沿试验用民用炉700的炉壁以交叉网状的形式分布。这种分布形式能进一步提高电热丝的散热效率，进而为实现快速引燃提供了更好的技术支持。实际使用时只需通电5分钟左右便能实现将位于试验用民用炉炉膛内部的煤炭燃料点燃。

实施例3：

如图3所示，本发明选用圆柱状外形的民用炉作为本实施例中所选用的试验用民用炉，本发明在实施例1的基础上，将电热丝812沿试验用民用炉700的炉壁缠绕式分布。这种分布形式虽相比实施例2的引燃速度略有降低，但为使用直径尺寸更大的电热丝提供了有力的技术支持，进而能够取得较长使用寿命的技术效果，经济实用，节省实验成本。

需要说明的是，本发明所用试验用民用炉的外形不受限制，为满足实验条件而设计的任意外形的民用炉均落入本发明的保护范围。

实施例4：

如图4所示，本实施例在上述实施例基础上，提供另一种试验用民用炉燃煤烟气颗粒物采样系统，包括烟道，烟气采集器200，烟气稀释器003，颗粒物采集沉降室400以及引风机006，所述烟道由第一烟道110和第二烟道120组成；所述第一烟道110的第一端与民用炉700的排气口连接；所述第二烟道120的第一端与所述第一烟道110的第二端连接，第二端与所述引风机006连接；所述烟气采集器200的第一端与所述烟气稀释器003连接，第二端以朝向所述第二烟道第一端的方向设置在所述第二烟道内；所述烟气稀释器003与所述颗粒物采集沉降室400相连，以将稀释后的烟气送入颗粒物采集沉降室；所述颗粒物采集沉降室中设置有颗粒物采样器500，其中，所述试验用民用炉的炉壁设置有引燃室800，所述引燃室内设置有电加热引燃装置810；电加热引燃装置包括：电源线811及电热丝812；相邻两根电热丝之间间隔有耐火绝缘陶瓷813。

本实施例由于使用引风机为烟气流动提供动力，相比实施例1，没有外界空气对烟气进行稀释，故需要在烟气采集器与颗粒物采集沉降室400之间额外设置烟气稀释器003。需要说明的是实施例2和实施例3中的改进也同样适用于本实施例，由于上述实施例已将改进技术方案详述，故本实施例对此不再赘述，但这些改进技术方案仍落入本发明的保护范围。

进一步的，由于本实施例中使用了和实施例1中相同的电加热引燃装置，取得了与前述实施例相同的技术效果，为上述技术方案的拓展提供了一种新的技术手段。

利用本发明的颗粒物采集系统，可以对民用炉燃煤烟气中的颗粒物进行有效采集，为此，本发明提供了利用上述采集系统进行采样的方法，该方法包括如下步骤：将试验用民用炉的排气口与烟道连接，将烟气排入烟道；开启与烟道相连的吹风机或引风机；开启空气过滤器，将空气经净化后送入烟道以对烟气进行稀释；将烟气采集器伸入烟道内，使其一端的采样喷嘴正对稀释后的烟气气流方向，进行烟气采集；若开启的是吹风机则直接将采集到的烟气送入颗粒物采集沉降室中进行采样；若开启的是引风机，则需将采集到的烟气送入稀释器中稀释后，再送入颗粒物采集沉降室中进行采样。

本发明所述采样方法中，所述稀释后的烟气温度为50℃以下，一般与环境温度相等或接近。可以根据稀释后的烟气温度、进入烟道的烟气温度以及烟气流量来确定第二烟道中所需的稀释用洁净空气的用量，从而通过调节吹风机的转速或者通过在第二管道的第一端处设置流量阀来控制进入第二烟道的洁净空气量。一般地，所述烟气在烟气稀释器中被稀释20-200倍，即可使其达到所需温度。

利用本发明的颗粒物采样系统，可以对民用炉中燃煤燃烧产生烟气中的颗粒物进行采集并进行分析，对颗粒物的组成及排放机制进行研究具有重要意义。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

Claims (8)

1.一种试验用民用炉燃煤烟气颗粒物采样系统，包括：烟道、烟气采集器、颗粒物采集沉降室、吹风机以及空气过滤器，所述烟道由第一烟道和第二烟道组成；所述试验用民用炉的排气口通过所述第一烟道与所述第二烟道相连；所述吹风机通过所述空气过滤器在所述第一烟道与所述第二烟道的连接处，面向所述第二烟道的烟气排放方向导通；所述烟气采集器的第一端与所述颗粒物采集沉降室相连，第二端以面向烟气流动方向的方式设置在所述第二烟道内；所述颗粒物采集沉降室中设置有颗粒物采样器，其中，

所述试验用民用炉的炉壁设置有引燃室，所述引燃室内设置有电加热引燃装置；所述电加热引燃装置包括：电源线及电热丝；相邻两根所述电热丝之间间隔有耐火绝缘陶瓷；

所述第一烟道和第二烟道之间的夹角α为120-140°；

所述烟气被稀释20-200倍。

2.根据权利要求1所述的采样系统，其中，所述电热丝沿所述试验用民用炉的炉壁以交叉网状的形式分布。

3.根据权利要求1所述的采样系统，其中，所述电热丝沿所述试验用民用炉的炉壁缠绕式分布。

4.根据权利要求1所述的采样系统，其中，颗粒物采样器包括依次连接的切割器、采样泵以及排气管路，所述排气管路的末端伸出所述颗粒物采集沉降室。

5.根据权利要求4所述的采样系统，其中，所述切割器为PM_2.5切割器和/或PM₁₀切割器。

6.一种试验用民用炉燃煤烟气颗粒物采样系统，包括烟道，烟气采集器，烟气稀释器，颗粒物采集沉降室以及引风机，所述烟道由第一烟道和第二烟道组成；所述第一烟道的第一端与民用炉的排气口连接；所述第二烟道的第一端与所述第一烟道的第二端连接，第二端与所述引风机连接；所述烟气采集器的第一端与所述烟气稀释器连接，第二端以朝向所述第二烟道第一端的方向设置在所述第二烟道内；所述烟气稀释器与所述颗粒物采集沉降室相连，以将稀释后的烟气送入颗粒物采集沉降室；所述颗粒物采集沉降室中设置有颗粒物采样器，其中，

所述试验用民用炉的炉壁设置有引燃室，所述引燃室内设置有电加热引燃装置；所述电加热引燃装置包括：电源线及电热丝；相邻两根所述电热丝之间间隔有耐火绝缘陶瓷；

所述第一烟道和第二烟道之间的夹角α为120-140°。

7.一种试验用民用炉燃煤烟气颗粒物采样方法，包括如下步骤：

将试验用民用炉的排气口与烟道连接，将烟气排入烟道；

开启与烟道相连的吹风机或引风机；

开启空气过滤器，将空气经净化后送入烟道以对烟气进行稀释；

将烟气采集器伸入烟道内，使其一端的采样喷嘴正对稀释后的烟气气流方向，进行烟气采集；

若开启的是吹风机则直接将采集到的烟气送入颗粒物采集沉降室中进行采样；

若开启的是引风机，则需将采集到的烟气送入稀释器中稀释，所述烟气被稀释20-200倍后，再送入颗粒物采集沉降室中进行采样。

8.根据权利要求7所述的采样方法，其中，所述稀释后的烟气温度为50℃以下。