CN107121309A - 可凝结颗粒物cpm采样设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工环保领域，公开了一种CPM采样设备，包含采样枪、FPM过滤装置、冷凝装置和吸收器。其中采样枪用于采集被测烟气；FPM过滤装置与采样枪连接，用于过滤掉采样枪采集的烟气中的可过滤颗粒物；冷凝装置与FPM过滤装置连接，用于对过滤掉FPM的被测烟气中的CPM进行冷凝；吸收器与冷凝装置连接，用于吸收被冷凝装置冷凝的CPM。本发明中的CPM采样设备可以将排放烟气中的CPM分离并捕集下来。

Description

可凝结颗粒物CPM采样设备

技术领域

本发明涉及化工环保领域，特别涉及一种可凝结颗粒物CPM采样设备。

背景技术

美国环境保护署(U.S.EPA)对可凝结颗粒物(Condensable Particulate Matter,CPM)的定义为：在烟道条件下为气态，但是从烟囱排放后降温并稀释到大气中时发生凝结和/或反应而立即变为固态或液态颗粒物的物质。此类物质通常以冷凝核的形式存在，空气动力学直径小于1μm，属于微细颗粒物(Fine Particulate Matter，FPM，EPA定义空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物为微细颗粒物)。

可凝结颗粒物对环境的影响主要缘由其物理形态及化学组成。从物理形态上看，可凝结颗粒物主要由气态物质凝聚而成，粒径一般小于1μm，以气溶胶的形式存在于环境空气中；从化学组成上看，这些颗粒上通常富集各种重金属(如As、Se、Pb、Cr等)和PAHs(多环芳烃)等污染物，多为致癌物质和基因毒性诱变物质，危害极大。对于环境，可凝结颗粒物能显著影响能见度，鉴于其对温度的敏感性，可能为霾的成因之一，由于其较大的比表面积且富集各种重金属，也为众多大气化学反应提供场所，并起到一定的催化作用。可凝结颗粒物对人体健康的危害有两个方面：一是可凝结颗粒物复杂的化学成分造成的危害，作为其他污染物的载体，能吸附多种化学组分随呼吸进入人体，并能使毒性物质有更高的反应和溶解速度，而且随着粒径的减小，可凝结颗粒物在大气中的存留时间和在呼吸系统的吸收率也随之增加；二是微细颗粒物可直接进入肺泡并在肺内沉积，被细胞吸收，侵入组织细胞，形成尘肺。

现有研究表明：第一，我国目前对于固定源颗粒物的测试结果(即可过滤颗粒物)不能代表固定源的真实排放情况；第二，可凝结颗粒物属于微细颗粒物且在PM10排放总量中所占份额较大，随着颗粒物粒径的减小其富集程度也逐渐增加。

因而，发明人认为，如果不对CPM的排放问题进行考量，势必会对环境造成负面影响，发明一种能对排放烟气中的CPM进行有效捕集的设备是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CPM采样设备，使得排放烟气中的CPM能够被分离、捕集下来，以供后续的分析检测。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种CPM采样设备，包含：一种可凝结颗粒物CPM采样设备，其特征在于，包含：

采样枪，用于采集被测烟气；

可过滤颗粒物FPM过滤装置，与所述采样枪连接，用于过滤掉所述采样枪采集的烟气中的可过滤颗粒物；

冷凝装置，与所述FPM过滤装置连接，用于对过滤掉所述FPM的被测烟气中的CPM进行冷凝；

吸收器，与所述冷凝装置连接，用于吸收被所述冷凝装置冷凝的CPM。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过采样枪采集被测烟气，并利用FPM过滤装置过滤掉被测烟气中的可过滤颗粒物，因为往往烟气温度会比较高，需要通过冷凝装置将过滤掉FPM的被测烟气的CPM进行冷凝，使得CPM变为固态或液态的颗粒状物质，最后利用吸收器吸收掉这些固态或液态的颗粒状物质，可以根据烟气采样体积和吸收器中增加的颗粒物重量，得到烟气中CPM的含量。因而，利用该设备可以将烟气中的CPM分离、捕集下来，以供后续的分析检测。

另外，所述采样枪包含伴热元件，伴热元件能防止烟气中的CPM遇冷变为固态或液态的颗粒状物质，以至于被FPM过滤装置过滤掉或粘附在冷凝管前的采样管路内壁上，影响测量的准确性。

另外，所述冷凝装置包含：

冷凝管，与所述FPM过滤装置连接；

水槽，与所述冷凝管连接并对所述冷凝管进行热交换；

循环泵，与所述水槽连接，用于对所述冷凝管与所述水槽内的水进行循环。

水槽内的水作为冷凝管的冷源，不断地与烟气进行换热，使烟气中的CPM被完全冷凝。

另外，所述冷凝装置还包含：压缩机，与水槽连接，用于对所述水槽内的水进行制冷。当水槽内的水温度过高，使得换热效果不理想时，可以利用压缩机对水槽内的水进行强制制冷，使水槽内的水温降低，提升换热效率。

另外，所述冷凝管包含：

内芯管，与所述FPM过滤装置连接，用于输送过滤掉所述FPM的被测烟气，且所述内芯管为螺旋形；

外管，容纳所述内芯管，分别与所述循环泵和所述水槽连接，与所述循环泵与所述水槽形成循环通路。

冷凝管的内芯管为螺旋形，即为蛇形冷凝管，烟气流经蛇形冷凝管时为螺旋形气流，冷凝的效果更佳。

另外，所述冷凝装置还包含：半导体制冷装置，与所述循环泵连接，用于对所述水槽内的水进行制冷。

半导体制冷装置体积小，提高了CPM采集设备的便携性能，并降低了成本。

另外，所述吸收器包含：

一级吸收瓶，与所述冷凝装置连接，用于吸收所述被测烟气中部分冷凝的CPM；

二级吸收瓶，与所述一级吸收瓶连接，用于进一步吸收所述被测烟气中冷凝的CPM。

烟气中的CPM被冷凝为固态和液态颗粒状物质后，由于力的作用，无法继续跟随烟气流动通过一级吸收瓶和二级吸收瓶，被一级吸收瓶和二级吸收瓶收集。

另外，吸收器还包含CPM过滤元件，与所述二级吸收瓶连接，通过二级吸收瓶后，烟气中还有少量的被冷凝成微细颗粒物的CPM，通过CPM过滤元件可以完全过滤掉所述被测烟气中冷凝的CPM。

另外，所述CPM采样设备还包含温度传感器，用于对流经所述吸收器的所述被测烟气的温度进行检测，并与所述CPM采样设备的主控系统电性连接，将检测的温度上传至所述主控系统。

另外，所述CPM采样设备还包含：

尾气洗涤干燥装置，与所述吸收器连接，用于吸收所述被测烟气中残余的水分和污染物；

自动采样仪，与所述尾气洗涤装置连接，对所述被测烟气中剩余的烟气进行采集分析。

CPM被采集后，可以利用尾气洗涤干燥装置处理吸收残余的水分和污染物，并利用自动采样仪对烟气进行采集并对烟气体积等参数进行分析。

附图说明

图1是本发明第一实施方式中的CPM采样设备的示意图；

图2是本发明第二实施方式中的CPM采样设备的示意图；

图3是本发明第二实施方式中的半导体制冷技术原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种CPM采样设备，如图1所示，包含：采样枪1、FPM过滤装置2、冷凝装置、吸收器。其中采样枪1用于采集被测烟气。FPM过滤装置2与采样枪1连接，用于过滤掉采样枪1采集的烟气中的可过滤颗粒物。冷凝装置与FPM过滤装置2连接，用于对过滤掉FPM的被测烟气中的CPM进行冷凝。吸收器与冷凝装置连接，用于吸收被冷凝装置冷凝的CPM。

具体地说，CPM采样设备通过采样枪1采集被测烟气，并利用FPM过滤装置2过滤掉被测烟气中的可过滤颗粒物，因为往往烟气温度比较高，需要通过冷凝装置将过滤掉FPM的被测烟气的CPM进行冷凝，使得CPM变为固态或液态的颗粒物状物质，最后利用吸收器吸收掉这些固态或液态的颗粒状物质，可以根据烟气采样体积和吸收器中增加的颗粒物重量，得到烟气中CPM的含量。因而，利用该设备可以将烟气中的CPM分离、捕集下来，以供后续的分析检测。

值得一提的是，采样枪1包含伴热元件3，由于国内烟气湿度较高，烟气遇冷会导致大量冷凝物质在采样枪和FPM过滤装置2内析出，FPM过滤装置2不仅会吸收这些冷凝物质影响后续采样结果，同时也会造成FPM滤膜阻力过大而影响CPM采样的正常进行。采样枪烟气管路选用伴热聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯材料具有优异的耐高低温性(耐温范围-190℃～+260℃)、表面不粘性(已知的固体材料都不能粘附在表面上，是一种表面能最小的固体材料)和耐老化性(长期暴露于大气中，表面及性能保持不变)。同时，聚四氟乙烯管连接简便、抗震性能好。

本实施方式中，采样枪1与FPM过滤装置2是独立的两个装置。然而，根据实际的应用需求，FPM过滤装置2与采样枪1可以设置在一个装置内，FPM过滤装置在采样枪前，FPM过滤装置和采样枪全程伴热，防止烟气中的CPM遇冷变为固态或液态的颗粒状物质。

需要说明的是，冷凝装置包含：冷凝管4、水槽5和循环泵6。冷凝管4包含：内芯管与外管。内芯管与FPM过滤装置2连接，用于输送过滤掉FPM的被测烟气。外管可以容纳内芯管，分别与循环泵6和水槽5连接，与循环泵6与水槽5形成循环通路。冷凝管4的内芯管为螺旋形，即冷凝管4为蛇形冷凝管，烟气流经蛇形冷凝管时为螺旋形气流，冷凝的效果更佳。水槽5与冷凝管4连接并对冷凝管4进行热交换；循环泵6通过连接管路与水槽5和冷凝管4分别连接，用于对冷凝管4与水槽5内的水进行循环。水槽5内的水作为冷凝管4的冷源，不断地与烟气进行换热，使烟气中的CPM被完全冷凝。

另外，冷凝装置还包含：压缩机7，与水槽5连接，用于对水槽5内的水进行制冷。当水槽5内的水温度过高，使得换热效果不理想时，可以利用压缩机7对水槽5内的水进行强制制冷，使水槽5内的水温降低，提升换热效率。

还需要说明的是，吸收器包含：一级吸收瓶8、二级吸收瓶9。一级吸收瓶8与冷凝装置连接，用于吸收被测烟气中部分冷凝的CPM；二级吸收瓶9与一级吸收瓶8连接，用于进一步吸收被测烟气中冷凝的CPM。一级吸收瓶8和二级吸收瓶9可以部分浸在水槽5内，使烟气与水槽5内的水持续换热。烟气中的CPM被冷凝为固态和液态颗粒状物质后，由于力的作用，无法继续跟随烟气流动通过一级吸收瓶8和二级吸收瓶9，被一级吸收瓶8和二级吸收瓶9收集。

另外，吸收器还包含CPM过滤元件10，与二级吸收瓶9连接，通过二级吸收瓶9后，烟气中还有少量的被冷凝成微细颗粒物的CPM，通过CPM过滤元件10可以完全过滤掉被测烟气中冷凝的CPM。

CPM采样设备还包含温度传感器11，用于对流经吸收器的被测烟气的温度进行检测，并与CPM采样设备的主控系统电性连接，将检测的温度上传至主控系统。在烟气CPM的捕集过程中，温度应控制在30℃以内，使CPM尽可能地凝结成微细颗粒物，以便于CPM的精确采集。因而，将温度传感器11测得的温度传至主控系统后，如温度过高，可以人为的增加压缩机7的运行功率，加速制冷，也可以根据温度区间，自动地调节压缩机7的运行功率。

此外，CPM采样设备还包含：尾气洗涤干燥装置12和自动采样仪13。尾气洗涤干燥装置12与吸收器连接，用于吸收被测烟气中残余的水分和污染物；自动采样仪13与尾气洗涤干燥装置12连接，对被测烟气中剩余的烟气进行采集分析。CPM被采集后，可以利用尾气洗涤干燥装置12处理吸收残余的水分和污染物，并利用自动采样仪13对烟气进行采集并对烟气体积等参数进行分析。

本发明的第二实施方式涉及一种CPM采样设备。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，冷凝装置包含：冷凝管4、水槽5、循环泵6和压缩机7，利用压缩机进行制冷。而在本发明第二实施方式中，如图2所示，冷凝装置包含：冷凝管4、水槽5、循环泵6和半导体制冷装置14，将压缩机替换成半导体制冷装置14，利用半导体制冷装置14进行制冷。半导体制冷装置14体积更小，提高了CPM采样设备的便携性能，并且降低了成本。

半导体制冷技术是把一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成一个电偶对，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移。其工作原理如图3所示，N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当电流从N型元件流入、从P型元件流出时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热，同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，下端聚合时放出热量，成为热端；同时，电流由N型元件流向P型元件，电子与空穴在上端分离，上端分离时吸收热量，成为冷端。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。由于半导体自身存在电阻，当电流经过半导体时就会产生热量，两个极板之间的热量会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消，此时冷热端的温度就不会继续发生变化。

本实施方式中，半导体制冷装置14的冷端分别与冷凝管4和循环泵6连接，循环水通过半导体制冷装置14的冷端而降低温度。为了使冷端得到更低的温度，可以在半导体制冷装置14的热端加装小型用热设备15降低热端的热量。通常半导体制冷装置的冷热端的温差可以达到40℃～65℃之间，如果降低热端温度，那冷端温度也会相应的下降，从而使冷端达到更低的温度。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可凝结颗粒物CPM采样设备，其特征在于，包含：

采样枪，用于采集被测烟气；

可过滤颗粒物FPM过滤装置，与所述采样枪连接，用于过滤掉所述采样枪采集的烟气中的可过滤颗粒物；

冷凝装置，与所述FPM过滤装置连接，用于对过滤掉所述FPM的被测烟气中的CPM进行冷凝；

吸收器，与所述冷凝装置连接，用于吸收被所述冷凝装置冷凝的CPM。

2.根据权利要求1所述的CPM采样设备，其特征在于，所述采样枪包含伴热元件。

3.根据权利要求1所述的CPM采样设备，其特征在于，所述冷凝装置包含：

冷凝管，与所述FPM过滤装置连接；

水槽，与所述冷凝管连接并对所述冷凝管进行热交换；

循环泵，与所述水槽连接，用于对所述冷凝管与所述水槽内的水进行循环。

4.根据权利要求3所述的CPM采样设备，其特征在于，所述冷凝装置还包含：压缩机，与水槽连接，用于对所述水槽内的水进行制冷。

5.根据权利要求3所述的CPM采样设备，其特征在于，所述冷凝管包含：

内芯管，与所述FPM过滤装置连接，用于输送过滤掉所述FPM的被测烟气，且所述内芯管为螺旋形；

外管，容纳所述内芯管，分别与所述循环泵和所述水槽连接，与所述循环泵与所述水槽形成循环通路。

6.根据权利要求3所述的CPM采样设备，其特征在于，所述冷凝装置还包含：半导体制冷装置，与所述循环泵连接，用于对所述水槽内的水进行制冷。

7.根据权利要求1所述的CPM采样设备，其特征在于，所述吸收器包含：

一级吸收瓶，与所述冷凝装置连接，用于吸收所述被测烟气中部分冷凝的CPM；

二级吸收瓶，与所述一级吸收瓶连接，用于进一步吸收所述被测烟气中冷凝的CPM。

8.根据权利要求7所述的CPM采样设备，其特征在于，吸收器还包含CPM过滤元件，与所述二级吸收瓶连接，用于完全过滤掉所述被测烟气中冷凝的CPM。

9.根据权利要求1所述的CPM采样设备，其特征在于，所述CPM采样设备还包含温度传感器，用于对流经所述吸收器的所述被测烟气的温度进行检测，并与所述CPM采样设备的主控系统电性连接，将检测的温度上传至所述主控系统。

10.根据权利要求1所述的CPM采样设备，其特征在于，所述CPM采样设备还包含：

尾气洗涤干燥装置，与所述吸收器连接，用于吸收所述被测烟气中残余的水分和污染物；

自动采样仪，与所述尾气洗涤装置连接，对所述被测烟气中剩余的烟气进行采集分析。