CN108287091A - 一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置和采样方法 - Google Patents

一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置和采样方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置和采样方法，采样装置包括与烟道连接的多功能取样管；与多功能采样器连接的安德森分级采样器，安德森分级采样器的进气口的直径与所述多功能取样管的内管的直径相同；与安德森分级采样器的出口端连接的石英纤维滤膜筒；与石英纤维滤膜筒的出口端连接的冷凝单元；与冷凝单元的出口连接的离子交换吸附树脂单元；与离子交换吸附树脂单元连接的干燥单元；与干燥单元连接的采样仪主机。该采集装置能够同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物；采样装置中的设备易连接、易操作、采样简单易行、效果好、精确度高，具有环境和社会的双重效益。

Description

一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装 置和采样方法
技术领域
本发明涉及烟气采样技术领域，尤其涉及一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置和采样方法。
背景技术
近年来，我国由煤炭燃烧利用带来的环境污染问题日益突出，已经成为影响国计民生的重大问题。原煤在锅炉中燃烧过程中煤结构分子会发生各种化学反应并产生多种污染物，对人体健康和生态环境影响比较大的有可吸入颗粒物、NOx、SOx、放射性颗粒、重金属及多环芳烃等。当前我国对于燃煤电厂NOx、SOx和汞有相应的国家控制标准；而对于可吸入颗粒物(如PM10、PM2.5、PM1等)和多环芳烃暂无国家控制标准出台。
图1为现有技术中配有袋式除尘装置的循环流化床锅炉示意图，其中，1为燃煤仓，2为石灰石仓，3为锅炉主体，4为旋风分离器，5为燃烧后烟气。从图1可知，煤炭燃烧后产生的烟气排放至烟道中，烟道中烟气经过布袋除尘器后排放至大气中。
国内外相关研究表明，可吸入颗粒物和多环芳烃占燃煤固定源排放大气污染物的主要部分，其对大气环境污染物的贡献十分可观。因此，控制可吸入颗粒物和多环芳烃，对于减少燃煤固定源总排放量具有重要的作用。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置和采样方法，该装置能够同时采集到分级颗粒物及气态有机物。
本申请提供了一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置，包括与烟道连接的多功能取样管；
与所述多功能取样管连接的安德森分级采样器，所述安德森分级采样器的进气口的直径与所述多功能取样管的内管的直径相同；
与所述安德森分级采样器的出口端连接的石英纤维滤膜筒；
与所述石英纤维滤膜筒的出口端连接的冷凝单元；
与所述冷凝单元的出口连接的离子交换吸附树脂单元；
与所述离子交换吸附树脂单元连接的干燥单元；
与所述干燥单元连接的采样仪主机。
优选地，所述安德森分级采样器的进气口通过锥形漏斗连接；
所述锥形漏斗的细管端与多功能取样管的内管连接。
优选地，还包括设置在所述石英纤维滤膜筒的外部的滤膜筒保温箱，使得石英纤维滤膜筒保温。
优选地，所述安德森分级采样器的外部设有保温箱，使得安德森分级采样器内的温度与烟道内烟气的温度相同。
优选地，所述干燥单元包括硅胶干燥剂。
优选地，所述离子交换吸附树脂单元包括离子交换吸附树脂吸附柱和盛装所述离子交换吸附树脂吸附柱的棕色玻璃容器。
本申请提供了一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样方法，包括以下步骤：
将多功能取样管插入烟道中，烟气通过安德森分级采样器后，得到部分颗粒物；
再通过石英纤维滤膜筒收集得到剩余颗粒物；
最后通过冷凝单元和离子交换吸附树脂单元，收集得到气相有机物。
优选地，所述安德森分级采样器的粒径分级范围为10.0μm～0.4μm。
优选地，所述烟气的流量为18.7L/min；烟气的温度为120℃。
本申请提供了一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置，包括与烟道连接的多功能取样管；与所述多功能采样器连接的安德森分级采样器，所述安德森分级采样器的进气口的直径与所述多功能取样管的内管的直径相同；与所述安德森分级采样器的出口端连接的石英纤维滤膜筒；与所述石英纤维滤膜筒的出口端连接的冷凝单元；与所述冷凝单元的出口连接的离子交换吸附树脂单元；与所述离子交换吸附树脂单元连接的干燥单元；与所述干燥单元连接的采样仪主机。本申请提供的采样装置采用多功能采样器进入烟道，另一端连接改造后安德森八级采样器分级采集烟气颗粒物，滤膜筒过滤剩下的烟尘，通过冷凝后再通过离子交换吸附树脂单元采集气相有机物，最后连接干燥单元和为烟气的采集提供动力的采样仪主机。该采集装置能够同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物；采样装置中的设备易连接、易操作、采样简单易行、效果好、精确度高，具有环境和社会的双重效益。实验结果表明：安德森八级采样器采集的颗粒物的采样标准偏差为0.001～0.040；气相有机物的采集标准偏差为0.05～1.4。
附图说明
图1为现有技术中配有袋式除尘装置的循环流化床锅炉示意图；
图2为本申请提供的同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置，包括与烟道连接的多功能取样管；
与所述多功能采样器连接的安德森分级采样器，所述安德森分级采样器的进气口的直径与所述多功能取样管的内管的直径相同；
与所述安德森分级采样器的出口端连接的石英纤维滤膜筒；
与所述石英纤维滤膜筒的出口端连接的冷凝单元；
与所述冷凝单元的出口连接的离子交换吸附树脂单元；
与所述离子交换吸附树脂单元连接的干燥单元；
与所述干燥单元连接的采样仪主机。
本申请提供的采样装置采用多功能采样器进入烟道，另一端连接改造后安德森八级采样器分级采集烟气颗粒物，滤膜筒过滤剩下的烟尘，通过冷凝后再通过离子交换吸附树脂单元采集气相有机物，最后连接干燥单元和为烟气的采集提供动力的采样仪主机。该采集装置能够同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物；采样装置中的设备易连接、易操作、采样简单易行、效果好、精确度高，具有环境和社会的双重效益。实验结果表明：安德森八级采样器采集的颗粒物的采样标准偏差为0.001～0.040；气相有机物的采集标准偏差为0.05～1.4。
参见图2，图2为本申请提供的同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置示意图；其中，1为多功能取样管，2为安德森分级采样器，3为滤膜筒保温箱，4为石英纤维滤膜筒，5为冷凝器，6为冷水机，7为棕色玻璃容器，8为离子交换吸附树脂柱，9为硅胶干燥剂。
本申请提供的采样装置包括与烟道连接的多功能取样管1；在本申请中，所述多功能取样管的型号为青岛崂应3030B型配套的钛取样管；所述多功能取样管包括内管、外管、S型皮托管和Pt100温度计，采样时将多功能采样管的采样嘴置于测点上，S型皮托管正对烟气气流方向，控制器根据测量的排气静压、测点动压、温度等参数，可以计算出当前测点的烟气的流速值，并结合选用的采样嘴直径，计算出等速采样的流量。
采样前优选采用含湿量采样管测量烟气的含湿量；具体步骤包括：将含湿量取样管连接干燥剂，再连接采样仪主机；将含湿量取样管伸入烟道，启动采样仪主机，含湿量会自动显示。含湿量测定结束后开始进行采样。在本申请中，烟气中含湿量为4～6.5％；在本申请具体实施例中，所述烟气中含湿量为5.7％。
申请提供的采样装置包括与所述多功能取样管连接的安德森分级采样器2；所述改造后安德森分级采样器的进气口直径与所述多功能取样管的内管直径相同。在本申请中，所述改造后安德森分级采样器由8个撞击盘组成，每个撞击盘具有数量和直径经过严格设计的加速喷射小孔。样气流经过每一级撞击盘时，其中较大的颗粒由于惯性作用，直接撞击并停留在撞击盘的表面，而较小的颗粒则随空气流穿过，到达下一级撞击盘。设置一定的流速，粒径分级范围是10.0μm到0.4μm(空气动力学直径)，最后一级撞击盘收集所有直径小于0.4μm的颗粒。不同空气动力学粒径的气溶胶粒子根据空气动力学原理被分离并采集到各级采样膜片上，膜片用于重量和颗粒物成分分析。在本申请中，所述改造后安德森分级采样器中的膜片优选在置于马弗炉中于570℃～630℃加热6h以上，冷却，密封保存，待用；采样时平稳放于每一级托盘上，再将采样器紧密组装。在本申请中，所述改造后安德森分级采样器要做好保温措施，使得改造后安德森分级采样器内的温度与烟道内烟气的温度相同。
本申请提供的采样装置包括与所述改造后安德森分级采样器的出口端连接的石英纤维滤膜筒4。所述石英纤维滤膜筒在使用前优选在马弗炉中于580～620℃下加热6h以上，冷却，密封保存，保证滤膜筒没有折痕；必要时依次采用丙酮、二氯甲烷回流提取，溶剂挥干后封存备用。在本申请中，所述石英纤维滤膜筒过滤经过改造后安德森分级采样器后的剩余颗粒物。所述石英纤维滤膜筒外部设有滤膜筒保温箱3，使得石英纤维滤膜筒保温。
本申请提供的采样装置包括与所述石英纤维滤膜筒的出口端连接的冷凝单元；所述冷凝单元包括冷凝器5和冷水机6，所述冷凝器的进水口和出水口分别与所述冷水机相应的接口相连，构成冷水的闭合循环回路。在本申请中，所述冷水机6的型号为武汉微冷科技有限公司MCI450B；在本申请中，所述冷凝器5的型号为青岛崂应3030B配套的普通玻璃冷凝器；冷凝器将冷凝下来的液体收集在所述冷凝器的冷凝水瓶内。在本申请中，所述冷凝单元采用循环冷凝水对烟气进行降温，采用的循环水的温度优选在5℃以下。
采样前，本申请优选启动制冷系统，即冷凝单元，步骤如下：
a)冷水机水平放置，将冷水机的进水口和出水口分别与冷凝器相应的接口相连，构成冷水的闭合循环回路；
b)打开冷水机面板上的注水口盖，往内部水箱慢慢注水，优选采用纯净水或去离子水，液位不得低于最低液位，也不得超过最高液位，加好水后盖紧注水口。注水时需要慢慢注水，防止水溢出进入主机，对冷水机损坏。在冷凝器内注入一定量的水，保证冷凝器的出水口浸没在水中。接入交流220V电源，打开“电源开关”，将冷水机面板上的启/停按钮置于闭合位置，启动水泵运转；
c)在水泵运转过程中，液位计中液面会有所下降。如有必要，可再补充一定量的水，直到液位达到合适位置(大于最小液位，小于最大液位)；
d)系统此时进入正常的自动制冷和水循环状态，时常检查运行状况即可。
本申请提供的采样装置包括与所述冷凝单元的出口连接的离子交换吸附树脂单元。在本申请中，所述离子交换吸附树脂单元包括离子交换吸附树脂柱8和盛装所述离子交换吸附树脂柱的棕色玻璃容器7。在本申请中，所述离子交换吸附树脂柱的型号具体为XAD-2吸附柱。XAD-2吸附柱使用前优选依次采用二氯甲烷回流提取15～17h后，更换二氯甲烷继续回流提取15～17h，再用乙醚-正己烷混合液回流提取15～17h后干燥，密封保存，待用；所述干燥的方式采用在通风橱中将溶剂挥干；亦可采用在45～55℃下真空干燥7～9h，优选在50℃下真空干燥8h。
本申请提供的采样装置包括与所述离子交换吸附树脂单元连接的干燥单元；所述干燥单元的目的是防止烟气中的水气进入采样仪主机。在本申请中，所述干燥单元优选包括硅胶干燥剂9；本申请优选将硅胶干燥剂置于高效气水分离器中。具体操作包括：将高效气水分离器的底盖旋开，加入约3/4体积的具有充分干燥能力的变色硅胶干燥剂(颗粒状)，然后将底盖旋紧，应保证不漏气。
本申请提供的采样装置包括与所述干燥单元连接的采样仪主机(Pump)。所述采样仪主机为采样装置提供动力。保证好采样装置的气密性，确认电源接通后，打开采样仪电源开关，启动，开始采样，采样结束后，断开电源，拆除各处连接，将各个装置装箱，妥善保存。
在本申请中，所述多功能取样管、安德森八级采样器、石英纤维滤膜筒、冷凝单元、干燥单元和采样仪主机之间通过PVC软管连接。
本申请提供了一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样方法，包括以下步骤：
将多功能取样管插入烟道中，烟气通过安德森分级采样器后，得到部分颗粒物；
再通过石英纤维滤膜筒收集得到剩余颗粒物；
最后通过冷凝单元和离子交换吸附树脂单元，收集得到气相有机物。
本发明将多功能取样管插入到烟道中。本申请优选从图1中所述布袋除尘后烟道处取样。
在本申请中，所述安德森分级采样器的粒径分级范围优选为10.0μm～0.4μm。所述安德森分级采样器优选为安德森八级采样器；每一级采集板采集的颗粒物为PM10～9、PM9～5.8、PM5.8～4.7、PM4.7～3.3、PM3.3～2.1、PM2.1～1.1、PM1.1～0.7和PM0.7～0.4。
在本申请中，所述烟气的流量优选为18.7L/min；烟气的温度优选为120℃。
为了进一步说明本申请，下面结合实施例对本申请提供的一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置和方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用含湿量取样管连接干燥剂，再连接采样仪主机；
将含湿量取样管伸入烟道，启动主机，测定烟道中烟气的含湿量为5.7％。
将多功能取样管、安德森八级采样器、石英纤维滤膜筒、冷凝单元、干燥单元和采样仪主机之间通过PVC软管连接，保证装置整体的密闭性；所述安德森分级采样器的进气口通过锥形漏斗连接；
所述锥形漏斗的细管端与多功能取样管的内管连接安德森八级采样器的进气口的直径与所述多功能取样管的内管的直径相同。
将多功能取样管插入到烟道中，测定烟气的流速为18.7L/min，温度为120℃，将采集的烟气通过改造后安德森分级采样器，得到分级颗粒物；改造后安德森八级采样器的外部配置有保温箱，使得采样器的温度和烟气的温度保持一致；
除去分级颗粒物后的烟气通过石英纤维滤膜，收集得到剩余颗粒物；
将除去颗粒物的烟气通过冷凝单元，将烟气冷却，得到冷凝液体；
再通过XAD-2吸附树脂的吸附柱吸收烟气中被冷却后的气相有机物，得到气相有机物,采样时间为15.5h，采样次数为3次。
经过测试，安德森八级采样器第一次采集的颗粒物数据如表1所示：
表1安德森八级采样器第一次采集的颗粒物数据
安德森八级采样器第二次采集的颗粒物数据如表2所示：
表2安德森八级采样器第二次采集的颗粒物数据
安德森八级采样器第三次采集的颗粒物数据如表3所示：
表3安德森八级采样器第三次采集的颗粒物数据
安德森八级采样器采集的颗粒物采样的准确度(用三次采样结果的标准偏差表述)如表4所示：
表4安德森八级采样器采集的颗粒物采样的准确度
标准偏差
PM10～9 0.040
PM9～5.8 0.015
PM5.8～4.7 0.010
PM4.7～3.3 0.016
PM3.3～2.1 0.012
PM2.1～1.1 0.007
PM1.1～0.7 0.001
PM0.7～0.4 0.002
XAD-2吸附树脂的吸附柱采集的气相有机物的三次采集数据见表5～表7所示：
表5 XAD-2吸附树脂的吸附柱第一次采集的气相有机物的数据
表6XAD-2吸附树脂的吸附柱第二次采集的气相有机物的数据
多环芳烃 浓度(μg/m3)
萘 52.1
苊 4.9
二氢苊 3.3
芴 3.6
蒽 3.1
菲 3.0
荧蒽 5.6
芘 5.2
苯并[a]蒽 3.1
屈 4.3
苯并[b]荧蒽 2.5
苯并[k]荧蒽 1.7
苯并[a]芘 2.1
二苯并[a,h]蒽 1.6
茚并[1,2,3-cd]芘 1.5
苯并[g,h,i]芘 1.5
多环芳烃总浓度 99.1
表7 XAD-2吸附树脂的吸附柱第三次采集的气相有机物的数据
XAD-2吸附树脂的吸附柱采集的气相有机物的准确度(用三次采样结果的标准偏差表述)见表8所示：
表8 XAD-2吸附树脂的吸附柱采集的气相有机物的准确度
多环芳烃 标准偏差
萘 1.4
Acy 0.19
蒽 0.37
Flu 0.24
Anth 0.14
Phen 0.05
Fluo 0.33
Pyr 0.22
BaA 0.12
Chr 0.25
BbF 0.22
BkF 0.21
BaP 0.22
DahA 0.25
IP 0.17
BghiP 0.16
多环芳烃总浓度 2.1
由以上实施例可知，本申请提供了一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置，包括与烟道连接的多功能取样管；与所述多功能采样器连接的安德森分级采样器，所述安德森分级采样器的进气口的直径与所述多功能取样管的内管的直径相同；与所述安德森分级采样器的出口端连接的石英纤维滤膜筒；与所述石英纤维滤膜筒的出口端连接的冷凝单元；与所述冷凝单元的出口连接的离子交换吸附树脂单元；与所述离子交换吸附树脂单元连接的干燥单元；与所述干燥单元连接的采样仪主机。本申请提供的采样装置采用多功能采样器进入烟道，另一端连接改造后安德森八级采样器分级采集烟气颗粒物，滤膜筒过滤剩下的烟尘，通过冷凝后再通过离子交换吸附树脂单元采集气相有机物，最后连接干燥单元和为烟气的采集提供动力的采样仪主机。该采集装置能够同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物；采样装置中的设备易连接、易操作、采样简单易行、效果好、精确度高，具有环境和社会的双重效益。实验结果表明：安德森八级采样器采集的颗粒物的采样标准偏差为0.001～0.040；气相有机物的采集标准偏差为0.05～1.4。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置，包括与烟道连接的多功能取样管；
与所述多功能取样管连接的安德森分级采样器，所述安德森分级采样器的进气口的直径与所述多功能取样管的内管的直径相同；
与所述安德森分级采样器的出口端连接的石英纤维滤膜筒；
与所述石英纤维滤膜筒的出口端连接的冷凝单元；
与所述冷凝单元的出口连接的离子交换吸附树脂单元；
与所述离子交换吸附树脂单元连接的干燥单元；
与所述干燥单元连接的采样仪主机。
2.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述安德森分级采样器的进气口通过锥形漏斗连接；
所述锥形漏斗的细管端与多功能取样管的内管连接。
3.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，还包括设置在所述石英纤维滤膜筒的外部的滤膜筒保温箱，使得石英纤维滤膜筒保温。
4.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述安德森分级采样器的外部设有保温箱，使得安德森分级采样器内的温度与烟道内烟气的温度相同。
5.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述干燥单元包括硅胶干燥剂。
6.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述离子交换吸附树脂单元包括离子交换吸附树脂吸附柱和盛装所述离子交换吸附树脂吸附柱的棕色玻璃容器。
7.一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样方法，包括以下步骤：
将多功能取样管插入烟道中，烟气通过安德森分级采样器后，得到部分颗粒物；
再通过石英纤维滤膜筒收集得到剩余颗粒物；
最后通过冷凝单元和离子交换吸附树脂单元，收集得到气相有机物。
8.根据权利要求7所述的采样方法，其特征在于，所述安德森分级采样器的粒径分级范围为10.0μm～0.4μm。
9.根据权利要求7所述的采样方法，其特征在于，所述烟气的流量为18.7L/min；烟气的温度为120℃。
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