CN109765083A - 一种高湿烟气颗粒采样和测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高湿烟气颗粒采样和测量装置及其使用方法，属于烟气颗粒物采样测量技术领域。包括高湿烟气除湿装置、烟气稀释装置、颗粒分离装置、采样测量装置和真空泵；采用离子交换膜材质的烟气管，利用其对水的选择透过性进行一次除湿，在干燥空气对流管外壁设置加热装置，提高烟气温度，对烟气进行二次除湿；外部干燥空气通入装置，通入干燥空气促进逸出水分流出，加大烟气管两边水分浓度差，提升除湿能力。同时，通过设置烟气稀释装置和颗粒分离装置，对除湿后浓度增高的烟气进行稀释，同时将非测试目标的大颗粒去除，满足后续采样和测量要求。该装置结构设计合理、操作方便、测量数值准确。

Description

一种高湿烟气颗粒采样和测量装置及其使用方法

技术领域

本发明属于烟气颗粒物采样测量技术领域，具体涉及一种高湿烟气颗粒采样和测量装置及其使用方法。

背景技术

空气中的PM2.5不仅加重了雾霾天气，而且由于其较小的粒径和在空气中较长的停留时间，使其极易结合空气中毒性物质，当其随呼吸进入人的血液循环，将给人体健康带来巨大的危害，提高致病风险。近年来，随着雾霾天气的不断加重，大气颗粒物污染也成为了社会的热点话题，目前，我国已全面开展对大气颗粒物的测量，以有效控制烟气颗粒物与其他大气颗粒物的排放。

据相关研究发现，火电厂烟气排放是空气中PM2.5的主要来源之一，因此，对电厂烟气中颗粒物的控制是减少PM2.5的有效途径。然而，烟气经湿式电除尘器或脱硫处理后，出口烟温较低，湿度饱和，并夹杂着液态水，针对此等高湿烟气的颗粒物测量，现有传统颗粒采样器在采样时，高水分会对采样及测量结果造成偏差，原因有二：1，采样时，烟气中水蒸气会在滤膜上吸附，增加滤膜重量造成测量偏差；2，烟气中水珠表面会凝结细小颗粒物，使得颗粒物发生凝并现象，对颗粒的粒径分布产生影响。因此，开发一种适用于高湿烟气的颗粒采样及粒径分布测量装置是必要的。

中国发明专利(公布号CN104359717A)涉及一种污染源湿度饱和烟气中低浓度颗粒物采样测试装置及方法，该装置包括依次连接的颗粒物采样探管、烟气干燥除湿单元、大流量自动采样仪。依靠烟气干燥除湿单元的缓冲罐与干燥罐以达到烟气除湿的目的，但是在该过程中，烟气中的颗粒容易粘附干燥剂而造成沉积，导致样品颗粒物测量误差较大。

中国发明专利(公布号CN104677700A)涉及一种用于固定源含液滴烟气中细颗粒物采集的采样系统，包括烟气预处理部分、烟气采样枪、稀释老化部分、出气装置和颗粒物采集部分。该发明通过置于采样枪前端的气液旋风分离器与采样枪管所采用的nafion管束对高湿烟气进行除湿，但该发明所采用气液旋风分离器在工作过程中容易造成颗粒误分离，样品采集误差较大，不适用于对颗粒物粒径特性的测定及分析，且该发明烟气经nafion管束后，以气体稀释减少水分含量占比，除湿能力有限。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高湿烟气颗粒采样和测量装置及其使用方法，结构合理、操作方便、对高湿气体进行有效除湿，再通过对除湿后浓度增高的烟气进行稀释和大颗粒去除，满足采样和测量要求，完成高湿烟气颗粒的采样和测量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种高湿烟气颗粒采样和测量装置，包括高湿烟气除湿装置、烟气稀释装置、颗粒分离装置、采样测量装置和真空泵；

高湿烟气除湿装置为多层组合套管结构，包括从内到外布置的烟气管和干燥空气对流管，烟气管采用对水具有选择透过能力的离子交换膜制成，离子交换膜可以是nafion膜、渗透蒸发膜等，烟气管和干燥空气对流管存在空腔，干燥空气对流管上设有与外部连通的气体流出孔；干燥空气对流管的外壁设置有加热装置，加热装置可以是加热丝或加热套等，干燥空气对流管与干燥空气通入装置连接；烟气管的一端连接有烟气取样枪头，另一端与烟气稀释装置连接；

烟气稀释装置设有稀释气体进口，稀释气体进口与干燥空气通入装置连接，稀释气体进口上设有第一阀门和稀释气体进口流量计；烟气稀释装置与颗粒分离装置通过第一管路连接，第一管路上设有混合气体出口，混合气体出口上设有第二阀门和混合气体流量计，颗粒分离装置与采样测量装置通过第二管路连接，颗粒分离装置进口处设有采样测量气体流量计，采样测量装置通过第三管路与真空泵连接。颗粒分离装置可以采用旋风分离器或颗粒分离膜等。

优选地，干燥空气对流管外还套设有保温套管，干燥空气对流管和保温套管之间设有保温层，保温层可以采用有机保温材料和无机保温材料，如聚氨酯泡沫、保温棉等，干燥空气对流管内设有测温装置。

优选地，干燥空气通入装置包括鼓风机，在管道上设有空气干燥器，管道分别与干燥空气对流管和稀释气体进口连接。空气干燥器可以采用电加热烘干式或填充吸附剂的过滤式干燥器。

优选地，烟气稀释装置还包括气体混合室，气体混合室的两端通过管路分别与稀释气体进口和混合气体出口连接，稀释气体进口套设在烟气管外部形成环状空腔，烟气管管壁上开设有与稀释气体进口连通的若干通孔。

优选地，气体混合室的出口设有混合气体排出阀。

进一步优选地，通孔沿烟气管管壁环向均布，且与烟气管管壁形成120～150°的夹角。

进一步优选地，气体混合室为椭球形结构，横向截面为圆形，纵向截面为椭圆形，进出口与管路圆滑连接。

优选地，采样和测量装置包括两条并联管路，一条管路上设有颗粒采样装置，另一条管路上设有颗粒分粒径测量装置，在两条管路的分支处设有三通阀门。颗粒分粒径测量装置采用ELPI(静电低压撞击器)，颗粒采样装置采用LPI(低压撞击器)。

进一步优选地，采样和测量装置的两条并联管路为可拆卸的，一路拆卸时采用堵头进行封堵。

本发明还公开了上述高湿烟气颗粒采样和测量装置的使用方法，分为以下步骤：

步骤1：打开加热装置对干燥空气对流管进行加热，打开第一阀门，向烟气稀释装置内通入稀释气体；

步骤2：根据稀释倍数，调整第一阀门和第二阀门的开度，直到装置内部气流稳定；

步骤3：将烟气取样枪头伸入烟道，打开真空泵，打开采样测量装置，进行高湿烟气颗粒的采样和测量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种高湿烟气颗粒采样和测量装置，采用离子交换膜材质的烟气管，利用其对水的选择透过性进行一次除湿，在干燥空气对流管外壁设置加热装置，提高烟气温度，对烟气进行二次除湿；外部干燥空气通入装置，通入干燥空气促进逸出水分流出，加大烟气管两边水分浓度差，提升除湿能力。同时，通过设置烟气稀释装置和颗粒分离装置，对除湿后浓度增高的烟气进行稀释，同时将非测试目标的大颗粒去除，满足后续采样和测量要求。

进一步地，在干燥空气对流管外还套设有保温套管，干燥空气对流管和保温套管之间设有保温层，可以使烟气管处于最佳除湿温度，提高除湿性能。

进一步地，烟气稀释装置通过设置气体混合室，使除湿后的烟气和稀释气体可以在气体混合室内充分混合；稀释气体进口套设在烟气管外部形成环状空腔，稀释气体通过通孔进入烟气管，减少对烟气管内气体流场的影响。

更进一步地，在气体混合室的出口设置混合气体排出阀，可以控制气体混合室中的混合时间，一般为10～15s，达到充分混合。

更进一步地，通孔环向均布，使稀释气体能够均匀进入烟气管，且与烟气管管壁形成120～150°的夹角，进一步减少对烟气管内气体流场的影响。

更进一步地，气体混合室为椭球形结构，进出口与管路圆滑连接，避免烟气颗粒混合后流出时在四角留下死角，造成颗粒沉积。

进一步地，采样和测量装置包括两条并联管路，可以同时接颗粒分粒径测量装置和颗粒采样装置，通过三通阀门连接，接通一路时另一路关闭，操作方便，效率高。

更进一步地，两条并联管路可拆卸设置，当只有一项测试任务时，可以只携带和连接一种仪器，提高效率，减少人工。

本发明公开的上述高湿烟气颗粒采样和测量装置的使用方法，通过合理的操作步骤，指导高湿烟气颗粒的采样和测量，操作简便、实用性强。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明高湿烟气除湿装置的纵向截面示意图；

图3为本发明烟气稀释装置的进口横向截面示意图；

图4为本发明烟气稀释装置的进口纵向截面示意图；

图5为本发明气体混合室的进口纵向截面示意图；

图中：1为烟气取样枪头，2为高湿烟气除湿装置，2a为烟气管，2b为干燥空气对流管，2c为保温套管，2e为保温层，2f为加热装置，2g为气体流出孔；3为鼓风机，4为空气干燥器，5为烟气稀释装置，5a为稀释气体进口流量计，5b为气体混合室，5c为稀释气体进口，5d为混合气体出口，5ca为稀释气体进口腔室，5cb为通孔；6为颗粒分离装置，7为三通阀门，7a为第一支路阀门，7b为第二支路阀门，8为颗粒采样装置，9为颗粒分粒径测量装置，10为真空泵。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

图1为本发明的整体结构示意图，适用于高湿烟气的颗粒采样及测量，主要包括：烟气采样枪头1、高湿烟气除湿装置2、鼓风机3、空气干燥器4、烟气稀释装置5、旋风分离器6、三通7及第一支路阀门7a、第二支路阀门7b、颗粒采样装置8、颗粒分粒径测量装置9、真空泵10，并按图1依次连接。

所述高湿烟气除湿装置如图2所示，整体为套管式结构，由内到外分为烟气管2a内的第一腔室、烟气管2a和干燥空气对流管2b形成的第二腔室、干燥空气对流管2b和保温套管2c形成的第三腔室；第一腔室为烟气流通管道，内管采用离子交换膜管束，如nafion膜、渗透蒸发膜等，利用其对水的选择透过性，对烟气进行一次除湿；第二腔室为空气对流管道，该腔室与鼓风机3相连，加快气流流通，带走除去水分，从与外部连通的气体流出孔2g排出，鼓风机3风速调整为10-30L/min，避免风速太快引起温度下降；鼓风机3与第二腔室进口之间设置空气干燥器4，吹入干燥空气，加大离子交换膜两侧浓度，提高除湿能力；空气干燥器4通过管道分别与干燥空气对流管2b和稀释气体进口5c连接，稀释气体进口5c也可单独接入洁净空气，可根据实际情况做灵活调整。

第三腔室为加热保温层，加热装置2f布设在干燥空气对流管2b外壁，腔室内设保温层2e，维持温度在70-90℃之间，既保证离子交换膜保持对水的最大选择性，又利用形成的高温对烟气进行二次除湿。

所述烟气稀释装置5包括稀释气体进口流量计5a、气体混合室5b、混合气出口5d，稀释气体在管道进口结构如图3、4所示，烟气管道有外套腔室5ca,稀释气体在该腔室内停留缓冲后，再由管道通孔5cb进入内管与烟气混合，通孔为4个均匀分布内管圆周上、直径1mm的圆孔，且通孔与管道壁成120-150°夹角，以减小对烟气流场影响。

使用时，对管道内烟气温度及流速进行测量，选取、安装合适直径的采样喷嘴，按图1所示依次连接好实验装置，整套采样系统连接完成。

打开加热电阻丝开关，对管内进行加热，利用温控设备保持温度在70-90℃之间；打开鼓风机3及空气干燥器4，第二腔体通入干燥空气；

根据稀释倍数确定稀释气体所需流量，调整稀释气体流量稳定，预备工作准备完成。将烟气采样枪头1伸入烟道，开启真空泵10即开始采样和测量。

烟气进入高湿烟气除湿装置2，经离子交换膜管束选择透过后，由鼓风机3鼓入干燥空气带走大量水分从气体流出孔2g排出，同时，第三腔室加热电阻丝及腔体内保温棉维持70-90°使水分不断挥发。

流经高湿烟气除湿装置2后的烟气，湿度显著降低，再进入烟气稀释装置5。稀释气体在外置稀释气体进口腔室5ca内缓冲后进入烟气管2a，与烟气快速混合，为使气体混合均匀，混合气体在气体混合室5b内停留10-15s，再打开混合气体排出阀；稀释气体进口5c、混合气体出口5d、旋风分离器进口分别安置流量计测量Q2、Q3、Q4，以验证稀释倍数。

稀释烟气经旋风分离器分离后，由三通管道确定进行采样或者颗粒粒径分级测量，三通7的阀门仅能开一个，若7a打开，烟气进入ELPI装置，等待一段时间后，读出显示数据，记录；若7b打开，烟气进入LPI低压撞击器进行样品采集，等待一段时间后，取出膜片，进行称量。测得的数值乘以稀释倍数，还原得到烟气中颗粒的数据。

在烟气稀释装置中气体流量满足如下关系：

烟气流量Q1+稀释气体流量Q2＝混合气体出口气体流量Q3+测量气体流量Q4，其中Q2通过稀释气体进口流量计5a测得，Q3通过混合气体流量计5e测得，Q4通过采样测量气体流量计测得，且Q1＝Q3+Q4-Q2，

则所述稀释倍数n＝(Q3+Q4)/Q1。

以上所述，仅为本发明实施方式之一，具体操作可根据现场情况而做更改，必须理解，本技术领域人员可设计出多种其他的改进和实施例，但有关所述图与权利要求所述的相关装置位置及其零件的改变应属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高湿烟气颗粒采样和测量装置，其特征在于，包括高湿烟气除湿装置(2)、烟气稀释装置(5)、颗粒分离装置(6)、采样测量装置和真空泵(10)；

高湿烟气除湿装置(2)为多层组合套管结构，包括从内到外布置的烟气管(2a)和干燥空气对流管(2b)，烟气管(2a)采用对水具有选择透过能力的离子交换膜制成，烟气管(2a)和干燥空气对流管(2b)存在空腔，干燥空气对流管(2b)上设有与外部连通的气体流出孔(2g)；干燥空气对流管(2b)的外壁设置有加热装置(2f)，干燥空气对流管(2b)与干燥空气通入装置连接；烟气管(2a)的一端连接有烟气取样枪头(1)，另一端与烟气稀释装置(5)连接；

烟气稀释装置(5)设有稀释气体进口(5c)，稀释气体进口(5c)与干燥空气通入装置连接，稀释气体进口(5c)上设有第一阀门和稀释气体进口流量计(5a)；烟气稀释装置(5)与颗粒分离装置(6)通过第一管路连接，第一管路上设有混合气体出口(5d)，混合气体出口(5d)上设有第二阀门和混合气体流量计(5e)，颗粒分离装置(6)与采样测量装置通过第二管路连接，颗粒分离装置(6)进口处设有采样测量气体流量计，采样测量装置通过第三管路与真空泵(10)连接。

2.根据权利要求1所述的高湿烟气颗粒采样和测量装置，其特征在于，干燥空气对流管(2b)外还套设有保温套管(2c)，干燥空气对流管(2b)和保温套管(2c)之间设有保温层(2e)，干燥空气对流管(2b)内设有测温装置。

3.根据权利要求1所述的高湿烟气颗粒采样和测量装置，其特征在于，干燥空气通入装置包括鼓风机(3)，在管道上设有空气干燥器(4)，管道分别与干燥空气对流管(2b)和稀释气体进口(5c)连接。

4.根据权利要求1所述的高湿烟气颗粒采样和测量装置，其特征在于，烟气稀释装置(5)还包括气体混合室(5b)，气体混合室(5b)的两端通过管路分别与稀释气体进口(5c)和混合气体出口(5d)连接，稀释气体进口(5c)套设在烟气管(2a)外部形成稀释气体进口腔室(5ca)，烟气管(2a)管壁上开设有与稀释气体进口(5c)连通的若干通孔(5cb)。

5.根据权利要求4所述的高湿烟气颗粒采样和测量装置，其特征在于，，气体混合室(5b)的出口设有混合气体排出阀。

6.根据权利要求4所述的高湿烟气颗粒采样和测量装置，其特征在于，通孔(5cb)沿烟气管(2a)管壁环向均布，且与烟气管(2a)管壁形成120～150°的夹角。

7.根据权利要求4所述的高湿烟气颗粒采样和测量装置，其特征在于，气体混合室(5b)为椭球形结构，进出口与管路圆滑连接。

8.根据权利要求1所述的高湿烟气颗粒采样和测量装置，其特征在于，采样和测量装置包括两条并联管路，一条管路上设有颗粒采样装置(8)，另一条管路上设有颗粒分粒径测量装置(9)，在两条管路的分支处设有三通阀门(7)。

9.根据权利要求8所述的高湿烟气颗粒采样和测量装置，其特征在于，采样和测量装置的两条并联管路为可拆卸的。

10.权利要求1～9任意一项高湿烟气颗粒采样和测量装置的使用方法，其特征在于，分为以下步骤：

步骤1：打开加热装置(2f)对干燥空气对流管(2b)进行加热，打开第一阀门，向烟气稀释装置(5)内通入稀释气体；

步骤2：根据稀释倍数，调整第一阀门和第二阀门的开度，直到装置内部气流稳定；

步骤3：将烟气取样枪头(1)伸入烟道，打开真空泵(10)，打开采样测量装置，进行高湿烟气颗粒的采样和测量。