CN106092663A - 燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃煤羰基化合物稀释采样装置，由进气部分、一级稀释系统、二级稀释系统、停留室和采样部分等部件组成。燃烧温度会影响羰基化合物的气粒分配，因此为模拟烟气排放到大气中的冷却、稀释和凝结过程，在烟气稀释后建立停留室。采样部分采用涂有五氟苯肼（PFPH）的Tenax‑TA吸附剂的自制采样管采集样品，且涂布过程为蒸汽涂布，分析方法为进样口热脱附，避免溶剂对检测结果的影响。本过程简单易行，利用稀释系统能调节稀释比，且适用于烟气浓度较大的其余气体物质的采集。

Description

燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置
技术领域
本发明涉及一种烟气化学成分检测和分析装置，特别是涉及一种高浓度燃烧烟气的稀释采样装置，应用于环境监测仪器技术领域。
背景技术
我国的能源消费和碳排放量在世界居首位。随着我国经济的疾速发展，我国每年在耗费2亿吨左右煤炭的基础上，需求量一直在不断增长。煤炭不但支撑了西方数百年的工业发展，在我国能源消耗中所占比例一直居于70%以上。燃煤燃烧是各种污染物的重要排放源，一直是近年来关注的主题，包括细颗粒物(PM2.5)，有机碳(OC)，黑碳(BC)，温室气体(GHGs)，和有毒的挥发性有机化合物(VOCs)等。这些排放和污染已经影响人类健康和全球气候，中国也正经历严重的灰霾污染。室内空气污染的主要来源往往是用来烹饪、取暖的煤炉。剧报道，室内空气污染是环境致病因素之一。仅仅在2012年，室内污染已导致430多万人死亡。除了危害人类健康，住宅领域的燃煤排放对当地的气候也有着显著的影响。
煤炭在燃烧时，会释放出大量的羰基化合物。羰基化合物是臭氧、过氧酰基硝酸酯的重要前体物，能够氧化自由基并形成光化学烟雾。此外，流行病学已证实羰基化合物会加剧哮喘、刺激皮肤、眼睛，甚至破坏呼吸系统的细胞膜。因此，估算羰基化合物的排放因子起着不可估量的作用。
目前采集和分析羰基化合物的各种方法大多需要后处理过程，溶剂洗脱是后处理过程中一种普遍使用处理方法，而部分溶剂本身会对羰基化合物检测结果存在影响。燃煤直接排放的污染物浓度高，超出大部分检测器的检测量程，且燃煤燃烧排放污染物量受燃煤特性(C、H、O、N等)、炉灶类型和燃煤煤型的影响较大，因此不同产地和不同炉型对燃煤燃烧排放的污染物均有影响，目前的采集和分析羰基化合物实验分析装置的还不够理想。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，模拟烟气排放到大气中的冷却、稀释和凝结过程，在烟气稀释后建立停留室，采样部分采用涂有吸附剂的采样管采集样品，避免使用任何溶剂而准确定量羰基化合物。本发明装置系统小型化，操作简便，便于清洗，利用稀释系统能调节稀释比，且适用于烟气浓度较大的其余气体物质的采集。
为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：
一种燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，由依次连通的等速采样头、进气管、文丘里管、级联烟气稀释系统、停留室和羰基化合物采样系统组成流体样品输送管路，等速采样头的一端插入烟囱进行原始烟气采集，等速采样头的另一端通过进气管与连接文丘里管连接，级联烟气稀释系统依次由一级稀释系统和二级稀释系统连接组成，文丘里管与一级稀释系统的入口连接，一级稀释系统依次连接第一空气预热器、第一空气净化器和第一空压机，使空气通过第一空压机输送并经由第一空气净化器净化，再经过第一空气预热器加热到设定温度后，制备得到稀释气与进入一级稀释系统的原始烟气进行混合，在一级稀释系统末端形成初次稀释烟气，继续向二级稀释系统中输送，二级稀释系统依次连接第二空气预热器、第二空气净化器、第二空压机，使空气通过第二空压机输送并经由第二空气净化器净化，再经过第二空气预热器加热到设定温度后，进一步制备得到稀释气与进入二级稀释系统的原始烟气进行混合，形成二次稀释烟气，通过调节第一空压机和第二空压机的流速来控制制备二次稀释烟气的过程稀释比，二次稀释烟气从二级稀释系统的末端通过收缩管路末端的收流口进入停留室进行设定时间的驻留处理，收流口还连接大风机，停留室连接旋风分离器，旋风分离器分别连接羰基化合物采样系统和过滤器，过滤器连接抽气泵，羰基化合物采样系统由依次连接的针孔过滤头、铜管、采样管和小型采样泵组成，在停留室中完成驻留处理后的二次稀释烟气通过旋风分离器过滤后，成为样品气体，样品气体在小型采样泵的输送动力作用下，样品气体从针孔过滤头的入口流入羰基化合物采样系统，在流经采样管时，被采样管采集，完成燃煤燃烧源排放烟气的采样工艺。
作为本发明优选的技术方案，在等速采样头附近接入流量计，实时显示进入等速采样头的原始烟气流速，通过控制系统控制等速采样头的进气量，保持原始烟气气流初次进入级联烟气稀释系统的速度等于在采样点处进入采样管时的气流速度。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，在一级稀释系统中，设置气流汇流管路，使稀释气以套气的方式与进入一级稀释系统内的原始烟气进行均匀混合。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，一级稀释系统和二级稀释系统的管路外层采样保温层包裹，还在进气管外部套加热装置。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，在羰基化合物采样系统中，铜管的内壁上涂有饱和KI溶液。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，采用红外烟气分析仪，分别对进入等速采样头的原始烟气和通过旋风分离器完成气体过滤得到的样品气体中的至少CO2浓度和CO浓度分别进行测试，并以这两处测试点的CO2浓度比值和CO浓度比值进行对比，来校准烟气稀释比，若CO2浓度比值和CO浓度比值两数据间的差异在5%之内，则认为系统工作稳定，所制备的样品气体达到采样标准要求。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，旋风分离器采用10um旋风分离器。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，在羰基化合物采样系统中，采样管内壁至少涂有五氟苯肼的Tenax-TA吸附剂。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，在羰基化合物采样系统中，采样管内壁至少涂有五氟苯肼的Tenax-TA吸附剂和衍生剂。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，一级稀释系统、二级稀释系统和停留室的材质均采用不锈钢制成，连接采样管的管路材料均采用聚四氟乙烯制成。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明为一种便于搬运、拆卸、组装、清洗的燃煤烟气稀释装置，等速采样保证烟气全部进入稀释通道，稀释系统通过套气方式将烟气包裹稀释，使得稀释过程更均匀，通过调节空压机压力来控制稀释比，使得操作方便、简单，便于清洗，采样系统小型化，且基本能准确控制过程流速；
2. 本发明采样管内的Tenax TA吸附剂的装填不使用任何有机溶剂，避免溶剂对羰基化合物定量的影响；
3. 本发明装置使用的采样方法无需经过任何溶剂处理，避免使用任何溶剂而准确定量羰基化合物，采样完成后4℃保存三天即可直接进样，为便于跨地域采样或实验室模拟燃烧采样，本发明建立一套便于搬运、拆卸、组装、清洗的燃煤烟气稀释装置十分重要，有效减少了跨地域采样的不足和溶剂使用对羰基化合物检测的结果造成偏差。
附图说明
图1为本发明优选实施例燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置的结构示意图。
图2为本发明优选实施例的采样管制作系统示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，由依次连通的等速采样头1、进气管21、文丘里管7、级联烟气稀释系统、停留室5和羰基化合物采样系统组成流体样品输送管路，等速采样头1的一端插入烟囱进行原始烟气采集，等速采样头1的另一端通过进气管21与连接文丘里管7连接，级联烟气稀释系统依次由一级稀释系统2和二级稀释系统3连接组成，文丘里管7与一级稀释系统2的入口连接，一级稀释系统2依次连接第一空气预热器8、第一空气净化器9和第一空压机10，使空气通过第一空压机10输送并经由第一空气净化器9净化，再经过第一空气预热器8加热到设定温度后，制备得到稀释气与进入一级稀释系统2的原始烟气进行混合，在一级稀释系统2末端形成初次稀释烟气，继续向二级稀释系统3中输送，二级稀释系统3依次连接第二空气预热器11、第二空气净化器12、第二空压机13，使空气通过第二空压机13输送并经由第二空气净化器12净化，再经过第二空气预热器11加热到设定温度后，进一步制备得到稀释气与进入二级稀释系统3的原始烟气进行混合，形成二次稀释烟气，第一空气净化器9和第二空气净化器12除去空气中的颗粒物和有机物，保证稀释气为“零空气”，通过调节第一空压机10和第二空压机13的流速来控制制备二次稀释烟气的过程稀释比，二次稀释烟气从二级稀释系统3的末端通过收缩管路末端的收流口4进入停留室5进行40s设定时间的驻留处理，模拟烟气在大气中的冷却、稀释、凝结过程，收流口4尺寸为管道尺寸的一半，便于烟气迅速聚集进入停留室5，收流口4还连接大风机14，停留室5连接旋风分离器6，旋风分离器6分别连接羰基化合物采样系统和过滤器19，过滤器19连接抽气泵20，羰基化合物采样系统由依次连接的针孔过滤头15、铜管16、采样管17和小型采样泵18组成，在停留室5中完成驻留处理后的二次稀释烟气通过旋风分离器6过滤后，成为样品气体，样品气体在小型采样泵18的输送动力作用下，样品气体从针孔过滤头15的入口流入羰基化合物采样系统，在流经采样管17时，被采样管17采集，完成燃煤燃烧源排放烟气的采样工艺。
在本实施例中，参见图1，在等速采样头1附近接入流量计，实时显示进入等速采样头1的原始烟气流速，通过控制系统控制等速采样头1的进气量，保持原始烟气气流初次进入级联烟气稀释系统的速度等于在采样点处进入采样管17时的气流速度。
在本实施例中，参见图1，在一级稀释系统2中，设置气流汇流管路，使稀释气以套气的方式与进入一级稀释系统2内的原始烟气进行均匀混合。本装置的一级稀释系统2采用套气的方式稀释烟气，使稀释过程更均匀，且稀释气流速较大，形成压力差，便于控制等速采样。
在本实施例中，参见图1，在羰基化合物采样系统中，采样管17内壁涂有五氟苯肼的Tenax-TA吸附剂和衍生化试剂。采集样品3天后可直接放入GC/MS分析，无需繁杂的样品前处理过程。采样管17制作为图2所示形式，装填100mg Tenax TA吸附剂，两端用玻璃棉固定，涂布过程如图2所示，约50mg PFPH衍生化试剂装入鼓泡瓶内，在50℃和40ml/min氮气流下涂布6min后，涂布工作完成，并依此方式涂布若干根采样管。一级稀释系统2、二级稀释系统3和停留室5的材质均采用不锈钢制成，连接采样管17的管路材料均采用聚四氟乙烯制成，采样管17为自制玻璃采样管，对挥发性有机物的吸附性差，避免过程羰基化合物的损失。旋风分离器6采用10um旋风分离器，能除去粒径大于10um的干扰颗粒物，并与过滤器19结合使用，避免大粒径颗粒物堵塞抽气泵20。
在本实施例中，参见图1，采用红外烟气分析仪，分别对进入等速采样头1的原始烟气和通过旋风分离器6完成气体过滤得到的样品气体中的至少CO2浓度和CO浓度分别进行测试，并以这两处测试点的CO2浓度比值和CO浓度比值进行对比，来校准烟气稀释比，若CO2浓度比值和CO浓度比值两数据间的差异在5%之内，则认为系统工作稳定，所制备的样品气体达到采样标准要求。
在本实施例中，参见图1，铜管16的内壁上涂有饱和KI溶液，除去烟气和空气混合气内的臭氧，避免其影响羰基化合物的定量。
在本实施例中，参见图1，一级稀释系统2和二级稀释系统3的管路外层采样保温层包裹，还在进气管21外部套加热装置。为防止混合过程管道内形成水珠凝结，利用在进气管21外部套加热装置，加热温度约为100℃，在一级稀释系统2和二级稀释系统3外部包裹保温材料，并用第一空气预热器8和第二空气预热器11加热纯净稀释气体，加热温度约为100℃。减少混合气体的温差，保证混合效果。
如图1所示，本实施例装置的工作过程如下：
对稀释装置中的等速采样头1、进气管21、一级稀释系统2、二级稀释系统3、收流口4、停留室5、旋风分离器6等部件的所有接口部件进行清洗，保证整个采样系统中无残留颗粒物和有机物。清洗完毕后，按图1的连接方式组装稀释装置，检查装置气密性。接入采样系统前，接通第一空压机10、第二空压机13、大风机14和抽气泵20等通电设备，调节各空压机和泵的压力，控制过程稀释比范围为800～1000。燃烧部分燃煤样品，用红外烟气分析仪分别在等速采样头1前和旋风分离器6后测试烟气内CO2、CO等烟气浓度的比值用来校准稀释比，若两数据间的差异在5%之内，则可认为系统工作稳定，可用于实际稀释采样工作。关电源，重新装填燃煤样品，并连接采样装置，接通小型采样泵18，并调节采样流速为50ml/min，流速稳定后断开小型采样泵18，接通级联烟气稀释系统和进气管21外的加热装置，待进气管21加热温度稳定且级联烟气稀释系统工作稳定后，燃烧燃煤，在此前1min，接通小型采样泵18，保证采集到的样品为燃煤燃烧的整个循环过程，采集过程中，不定时测定等速采样头1前和旋风分离器6后烟气内CO2、CO等烟气浓度，同时记录各流量计的显示数字，用于多次校准过程稀释比，若差异超过5%，则迅速调节各泵的压力，尽快保证过程稀释比的准确性。由于一个燃烧循环过程超过2h，因此认为调节泵的过程为1～2min，对结果的影响可忽略。为避免过程中烟气的损失，块煤燃烧分三次等量加入，保证整个过程烟气流速较均衡。燃煤引燃前，用木炭装填炉灶，并用酒精块将木炭引燃，待木炭燃烧旺盛时，方能加入燃煤，尽量较少燃煤的焖烧过程，因为焖烧过程燃煤烟气中排放的羰基化合物为明火燃烧时的7～20倍。为保证燃烧过程烟气排放流速较均衡，燃烧过程中，在等速采样头1附近接入KURZ流量计，实时显示过程中的烟气流速，通过调节炉灶进气口开口大小，控制过程中的烟气流速，约为1.2m/s。完成一次采样工作后，收集采样管17保存，依照上次采样前的步骤清洗装置和接口部件，并替换新的针孔过滤头15，新的铜管16、新的燃煤样品和新的采样管17，之后收集并称重炉灶内燃煤灰分，重新加热炉灶。所有样品采集完成后保存三天即可直接用进样口热解析-GC/MS方法进行分析检测，整个过程没有使用任何有机溶剂，使得检测结果更具准确性。
本实施例燃煤羰基化合物稀释采样装置由进气部分、一级稀释系统2、二级稀释系统3、停留室5和采样部分等部件组成。燃烧温度会影响羰基化合物的气粒分配，因此为模拟烟气排放到大气中的冷却、稀释和凝结过程，在烟气稀释后建立停留室5。采样部分采用涂有五氟苯肼(PFPH)的Tenax-TA吸附剂的自制采样管17采集样品，且涂布过程为蒸汽涂布，分析方法为进样口热脱附，避免溶剂对检测结果的影响。利用本实施例装置的采用过程简单易行，利用稀释系统能调节稀释比，且适用于烟气浓度较大的其余气体物质的采集。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：由依次连通的等速采样头（1）、进气管（21）、文丘里管（7）、级联烟气稀释系统、停留室（5）和羰基化合物采样系统组成流体样品输送管路，所述等速采样头（1）的一端插入烟囱进行原始烟气采集，所述等速采样头（1）的另一端通过进气管（21）与所述连接文丘里管（7）连接，所述级联烟气稀释系统依次由一级稀释系统（2）和二级稀释系统（3）连接组成，所述文丘里管（7）与所述一级稀释系统（2）的入口连接，所述一级稀释系统（2）依次连接第一空气预热器（8）、第一空气净化器（9）和第一空压机（10），使空气通过所述第一空压机（10）输送并经由第一空气净化器（9）净化，再经过所述第一空气预热器（8）加热到设定温度后，制备得到稀释气与进入所述一级稀释系统（2）的原始烟气进行混合，在所述一级稀释系统（2）末端形成初次稀释烟气，继续向所述二级稀释系统（3）中输送，所述二级稀释系统（3）依次连接第二空气预热器（11）、第二空气净化器（12）、第二空压机（13），使空气通过所述第二空压机（13）输送并经由第二空气净化器（12）净化，再经过所述第二空气预热器（11）加热到设定温度后，进一步制备得到稀释气与进入所述二级稀释系统（3）的原始烟气进行混合，形成二次稀释烟气，通过调节所述第一空压机（10）和所述第二空压机（13）的流速来控制制备二次稀释烟气的过程稀释比，二次稀释烟气从所述二级稀释系统（3）的末端通过收缩管路末端的收流口（4）进入停留室（5）进行设定时间的驻留处理，所述收流口（4）还连接大风机（14），所述停留室（5）连接旋风分离器（6），所述旋风分离器（6）分别连接所述羰基化合物采样系统和过滤器（19），所述过滤器（19）连接抽气泵（20），所述羰基化合物采样系统由依次连接的针孔过滤头（15）、铜管（16）、采样管（17）和小型采样泵（18）组成，在所述停留室（5）中完成驻留处理后的二次稀释烟气通过旋风分离器（6）过滤后，成为样品气体，样品气体在小型采样泵（18）的输送动力作用下，样品气体从所述针孔过滤头（15）的入口流入所述羰基化合物采样系统，在流经采样管（17）时，被所述采样管（17）采集，完成燃煤燃烧源排放烟气的采样工艺。
2.根据权利要求1所述燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：在所述等速采样头（1）附近接入流量计，实时显示进入所述等速采样头（1）的原始烟气流速，通过控制系统控制所述等速采样头（1）的进气量，保持原始烟气气流初次进入级联烟气稀释系统的速度等于在采样点处进入采样管（17）时的气流速度。
3.根据权利要求1或2所述燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：在所述一级稀释系统（2）中，设置气流汇流管路，使稀释气以套气的方式与进入所述一级稀释系统（2）内的原始烟气进行均匀混合。
4.根据权利要求1或2所述燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：所述一级稀释系统（2）和二级稀释系统（3）的管路外层采样保温层包裹，还在进气管（21）外部套加热装置。
5.根据权利要求1或2所述燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：在所述羰基化合物采样系统中，所述铜管（16）的内壁上涂有饱和KI溶液。
6.根据权利要求1或2所述燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：采用红外烟气分析仪，分别对进入所述等速采样头（1）的原始烟气和通过所述旋风分离器（6）完成气体过滤得到的样品气体中的至少CO2浓度和CO浓度分别进行测试，并以这两处测试点的CO2浓度比值和CO浓度比值进行对比，来校准烟气稀释比，若CO2浓度比值和CO浓度比值两数据间的差异在5%之内，则认为系统工作稳定，所制备的样品气体达到采样标准要求。
7.根据权利要求1或2所述燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：所述旋风分离器（6）采用10um旋风分离器。
8.根据权利要求1或2所述燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：在所述羰基化合物采样系统中，所述采样管（17）内壁至少涂有五氟苯肼的Tenax-TA吸附剂。
9.根据权利要求8所述燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：在所述羰基化合物采样系统中，所述采样管（17）内壁至少涂有五氟苯肼的Tenax-TA吸附剂和衍生剂。
10.根据权利要求1或2所述燃煤燃烧源排放的羰基化合物采样装置，其特征在于：所述一级稀释系统（2）、所述二级稀释系统（3）和所述停留室（5）的材质均采用不锈钢制成，连接所述采样管（17）的管路材料均采用聚四氟乙烯制成。
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