CN110068488A

CN110068488A - 一种无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置及方法

Info

Publication number: CN110068488A
Application number: CN201910235675.7A
Authority: CN
Inventors: 朱天乐; 阴勇; 吕栋; 孙也
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-07-30

Abstract

本发明公开了一种无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置，包括顺次连接的固态颗粒物捕集单元、冷凝单元、气相吸附单元、采样泵和控制单元，其中，控制单元与采样枪的头部的烟气温度传感器和烟气流速传感器相连，根据所获得的压强、温度数据将采样流量实时换算为标况流量并记录总采样标况体积；控制单元与冷凝单元的气体出口处的温度传感器连接，根据采样点工况条件和烟气特征实时控制冷凝单元的冷凝强度；控制单元与所述采样泵连接，实时调节采样泵的流量达到等速采样。利用本发明的装置，可以同时采集固定源烟气中的固态颗粒相、可冷凝和不可冷凝的半挥发性有机物，实现对半挥发性有机物的无损采集。

Description

一种无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置及方法

技术领域

本发明属于环保监测技术领域，具体涉及一种无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置及方法。

背景技术

半挥发性有机物(SVOCs)，一般指沸点在170～350℃，蒸汽压在1.3×10-2～1.3×10-8kPa的有机化合物，这类有机物数量众多，包括多环芳烃、多氯联苯等。一些半挥发性有机物在自然环境中难以降解，许多半挥发性有机物具有三致作用，这类有机物在大气中主要以气态和气溶胶两种形态存在。而工业企业生产则是重要的半挥发性有机物人为源。因此，对固定污染源烟气中半挥发性有机物进行采集并分析对改善环境、保护人体健康具有重要意义。

目前，固定源烟气采样方法包括固态颗粒物采集、气相吸附法。而固定污染源烟气是一个多相共存的流体体系，半挥发性有机物不仅会吸附在固态颗粒物表面，也会以微小液滴或成气态存在。因此，单独使用采集固态颗粒物或用气相吸附的方法，均不能反映出烟气中半挥发性有机物含量和各相分布的真实情况。若将固态颗粒物采集方法和气相吸附法结合起来，并收集冷凝液，虽然可较为完全地收集多相态半挥发性有机物。但是在烟气样品的采集过程中，随着温度的降低，烟气会在采样管道中冷凝，研究指出，低环多环芳烃(如萘)在水中有较高的溶解度，因此冷凝液会对所采集气相样品进行洗脱，而现有国家标准仅包括气态和固态样品的采集，并未涉及液相样品的采集。

目前，针对半挥发有机物的采样方法存在以下不足：1.现有采样方法仅能针对某一类型的半挥发性有机物，且采集效率有限；2.在样品的采集过程中，烟气会在采样管道中冷凝形成冷凝液，冷凝液会对气相吸附单元洗脱，造成部分已经被吸附于PUF和XAD-2树脂的半挥发性有机物洗脱出来，且冷凝液也会吸收部分半挥发性有机物，但现有国家标准并未包括液相样品的采集；3.由于工业水平进步和余热利用率的提高，固定污染源排放口的烟气温度显著降低，目前适于对烟气温度较低的半挥发性有机物的采样方法还未成熟。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提出了一种无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置及方法，包括可装载滤筒(膜)的固态颗粒物捕集单元、冷凝单元和气相吸附单元、采样泵、控制单元，烟气在采样泵抽力作用下，依次通过采样枪、冷凝器和吸附器，烟气中的固态颗粒组分被滤筒(膜)收集，可冷凝的挥发性有机物在冷凝器中冷凝并收集，不可冷凝的气态组分在通过吸附单元时被吸附。利用本发明的装置及方法，可以同时采集固定源烟气中的固态颗粒相、可冷凝、不可冷凝的气相半挥发性有机物，实现对半挥发性有机物的无损采集。

根据本发明的一方面，提供了一种无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置，包括顺次连接的固态颗粒物捕集单元、冷凝单元、气相吸附单元和采样泵。

所述固态颗粒物捕集单元包括具有石英内衬的采样管和置于所述采样管的前端的内设置有过滤元件的采样枪，所述采样枪的头部设置有烟气温度传感器和烟气流速传感器，所述采样管包括放置过滤元件的第一内径和用于经过过滤元件处理后的烟气通过的第二内径；

所述冷凝单元包括蛇形冷凝管和连接在所述蛇形冷凝管的下端的冷凝液接收瓶，所述冷凝单元的气体出口处设置有温度传感器；

所述气相吸附单元包括气相吸附管和设置在所述气相吸附管中的树脂吸附段，所述树脂吸附段包括PUF树脂—XAD-2树脂—PUF树脂的层结构，位于外侧的PUF树脂的总高度为10-60mm，位于中间的XAD-2树脂的高度为10-30mm，

其中，所述装置还包括控制单元，所述控制单元与所述采样枪的头部的烟气温度传感器和烟气流速传感器相连，根据所获得的压强、温度数据将采样流量实时换算为标况流量并记录总采样标况体积；所述控制单元与所述冷凝单元的气体出口处的温度传感器连接，根据采样点工况条件和烟气特征实时控制冷凝单元的冷凝强度；所述控制单元与所述采样泵连接，实时调节采样泵的流量达到等速采样。

在一些实施例中，所述过滤元件可以为石英滤筒，所述第一内径为20-30mm，所述第二内径小于20mm，所述石英滤筒的长度为70mm。

在一些实施例中，所述过滤元件可以为石英滤膜，所述第一内径为48mm，所述第二内径小于20mm。

在一些实施例中，所述采样枪可以具有直径为6-10mm的采样滤嘴。

在一些实施例中，所述过滤元件的固态颗粒物截流率可以大于99.7％。

在一些实施例中，所述气相吸附管可以为由石英玻璃制成。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用上述装置无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的方法，包括如下步骤：将采样枪深入烟道抽取烟气，所抽取的烟气经过滤元件过滤捕集固态颗粒物后，进入冷凝单元；烟气中的可冷凝组分在蛇形冷凝管中冷凝后被收集到冷凝液接收瓶中；剩余的未冷凝烟气进入气相吸附单元，烟气中的气相半挥发性有机物被XAD-2树脂和PUF树脂吸收；采样结束后，将经过采用的过滤元件和XAD-2树脂和PUF树脂以及收集的冷凝液，立即冷藏保存，待下一步预处理及分析。

其中，通过所述控制单元记录总采样体积并根据工况条件将采样体积换算为标况体积；根据工况条件和采样烟气控制冷凝单元的冷凝强度，保证冷凝效果和气相吸附效果；以及控制采样泵调节采样流量保持等速采样，从而实现对烟气中固态颗粒相、液相、气相半挥发性有机物的同步无损采集。

在一些实施例中，可以控制烟气出冷凝单元的温度低于10℃-25℃，出冷凝单元的水蒸气含量低于0.3％-0.5％。

在一些实施例中，可以控制等速采样体积不低于300NdL，半挥发性有机物的检出限为90％。

在一些实施例中，气相半挥发性有机物的采集效率大于95％。

本发明的有益效果：

1)可以对多种半挥发性有机物进行同时采样，并且根据半挥发性有机物在固态颗粒相、液相、气相中的不同分布特征，采用不同的采样单元对其进行无损分离，即，烟气中的固态颗粒组分被滤筒(膜)收集，可冷凝的挥发性有机物在冷凝器中冷凝并收集，不可冷凝的气态组分在通过吸附单元时被吸附，从而可以基本反映出烟气中半挥发性有机物含量和各相分布的真实情况；

2)本发明根据不同的烟气组成成分，采用不同型号的冷凝器结构以及设置不同的冷凝器气相出口温度，来实现对冷凝液的高效收集，可防止高湿度烟气在后续单元的冷凝，消除对后续气相吸附单元采样效率的影响，从而可对较低温度烟气中的半挥发性有机物进行高效无损采样；

3)本发明采用模块化设计，部分装置(例如过滤元件、蛇形冷凝管等)可以根据实际采样条件的不同进行替换。

附图说明

图1为本发明的无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置的连接示意图。

图2为本发明的无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

如图1所示，本发明的一实施例提供了一种无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置，顺次连接的固态颗粒物捕集单元1、冷凝单元2、气相吸附单元3和采样泵4。固态颗粒物捕集单元1包括具有石英内衬的采样管和置于所述采样管的前端的内设置有过滤元件的采样枪，采样枪的头部设置有烟气温度传感器和烟气流速传感器，采样管包括放置过滤元件的第一内径和用于经过过滤元件处理后的烟气通过的第二内径。冷凝单元2包括蛇形冷凝管和连接在所述蛇形冷凝管的下端的冷凝液接收瓶(如图2所示)，冷凝单元的气体出口处设置有温度传感器。气相吸附单元3包括气相吸附管和设置在所述气相吸附管中的树脂吸附段，所述树脂吸附段包括PUF树脂—XAD-2树脂—PUF树脂的层结构(如图2所示)，位于外侧的PUF树脂的总高度为10-60mm，位于中间的XAD-2树脂的高度为10-30mm。

特别地，装置还包括控制单元5，其与采样枪的头部的烟气温度传感器和烟气流速传感器相连，根据所获得的压强、温度数据将采样流量实时换算为标况流量并记录总采样标况体积；控制单元5与冷凝单元2的气体出口处的温度传感器连接，根据采样点工况条件和烟气特征实时控制冷凝单元的冷凝强度；控制单元5与采样泵4连接，实时调节采样泵4的流量达到等速采样。换言之，采样系统系统的动力由可控制流量的采样泵4提供，采样泵4由控制系统5实时控制。所述装置各模块电源均为220V交流电。

优选地，过滤元件可以为石英滤筒，所述第一内径为22mm，所述第二内径小于20mm，所述石英滤筒的长度为70mm。

优选地，所述过滤元件可以为石英滤膜，所述第一内径为48mm，所述第二内径小于20mm。

优选地，所述采样枪可以具有直径为6-10mm的采样滤嘴。

优选地，所述过滤元件的固态颗粒物截流率可以大于99.7％—99.99％。

优选地，所述气相吸附管可以为由石英玻璃制成。

采样枪和石英滤筒(膜)，二者组成机械阻挡机构。采样通道采用石英材质，可降低采样管对气体的吸附作用，降低采样系统的本地值。

本发明使用上述装置无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的方法具体包括如下步骤：如图1和2所示，将采样枪深入烟道抽取烟气，所抽取的烟气经过滤元件过滤捕集固态颗粒物后，进入冷凝单元；烟气中的可冷凝组分在蛇形冷凝管中冷凝后被收集到冷凝液接收瓶中；剩余的未冷凝烟气进入气相吸附单元，烟气中的气相半挥发性有机物被XAD-2树脂和PUF树脂吸收；采样结束后，将经过采用的过滤元件和XAD-2树脂和PUF树脂以及收集的冷凝液，立即冷藏保存，待下一步预处理及分析。

下面通过实施例1-6对本发明进行进一步详细说明。

实施例1：

采集水泥厂尾排烟囱废气：固态颗粒物捕集单元使用直径为22mm、长为70mm的石英滤筒，采样滤嘴直径为8mm，固态颗粒物截流率大于99.99％；使用300型蛇形冷凝管(外套直径35mm、长度300mm，上管直径20mm、长度80mm，下管直径12mm、长度100mm，全长480mm)，控制烟气出冷凝单元温度低于25℃(或采样时周围环境温度)，出冷凝单元水蒸气含量低于0.3％；气相吸附单元填充为：10mmPUF树脂—20mmXAD-2树脂—10mmPUF树脂，气态半挥发性有机物的采集效率大于95％，且不被穿透；等速采样体积不低于350NdL，可以达到90％半挥发性有机物的检出限。

实施例2：

采集垃圾焚烧厂尾排烟囱废气：固态颗粒物捕集单元1使用直径为47mm的石英滤膜，采样滤嘴直径为6mm，固态颗粒物截流率大于99.7％；使用300型蛇形冷凝管(外套直径35mm、长度300mm，上管直径20mm、长度80mm，下管直径12mm、长度100mm，全长480mm)，控制烟气出冷凝单元温度低于10℃，出冷凝单元水蒸气含量低于0.5％；气相吸附单元填充为：10mmPUF树脂—20mmXAD-2树脂—30mmPUF树脂，气态半挥发性有机物的采集效率大于95％，且不被穿透；等速采样体积不低于300NdL，可以达到92％半挥发性有机物的检出限。

实施例3：

采集钢铁烧结废气：固态颗粒物捕集单元1使用直径为22mm、长为70mm的玻璃纤维滤膜，采样滤嘴直径为10mm，固态颗粒物截流率大于99.7％；使用500型蛇形冷凝管(外套直径42mm、长度500mm，上管直径24mm、长度100mm，下管直径14mm、长度110mm，全长710mm)，控制烟气出冷凝单元温度低于10℃，出冷凝单元水蒸气含量低于0.3％；气相吸附单元填充为：20mmPUF树脂—20mmXAD-2树脂—10mmPUF树脂，气态半挥发性有机物的采集效率大于95％，且不被穿透；等速采样体积不低于400NdL，可以达到90％半挥发性有机物的检出限。

实施例4：

采集焦炉烟气：固态颗粒物捕集单元1使用直径为47mm的玻璃纤维滤膜，采样滤嘴直径为8mm，固态颗粒物截流率大于99.7％；使用400型蛇形冷凝管(外套直径35mm、长度400mm，上管直径22mm、长度90mm，下管直径13mm、长度100mm，全长590mm)，控制烟气出冷凝单元温度低于10℃，出冷凝单元水蒸气含量低于0.3％；气相吸附单元填充为：30mmPUF树脂—10mmXAD-2树脂—30mmPUF树脂，气态半挥发性有机物的采集效率大于95％，且不被穿透；等速采样体积不低于300NdL，可以达到90％半挥发性有机物的检出限。

实施例5：

采集燃煤电厂烟气：固态颗粒物捕集单元1使用直径为47mm的玻璃纤维滤膜，采样滤嘴直径为8mm，固态颗粒物截流率大于99.7％；使用400型蛇形冷凝管(外套直径35mm、长度400mm，上管直径22mm、长度90mm，下管直径13mm、长度100mm，全长590mm)，控制烟气出冷凝单元温度低于10℃，出冷凝单元水蒸气含量低于0.5％；气相吸附单元填充为：40mmPUF树脂—10mmXAD-2树脂—20mmPUF树脂，气态半挥发性有机物的采集效率大于95％，且不被穿透；等速采样体积不低于400NdL，可以达到90％半挥发性有机物的检出限。

实施例6：

采集浮法玻璃窑烟气：固态颗粒物捕集单元1使用直径为22mm、长为70mm的石英滤筒，采样滤嘴直径为10mm，固态颗粒物截流率大于99.99％；使用600型蛇形冷凝管(外套直径42mm、长度600mm，上管直径24mm、长度100mm，下管直径15mm、长度110mm，全长810mm)，控制烟气出冷凝单元温度低于25℃(或采样时周围环境温度)，出冷凝单元水蒸气含量低于0.5％；气相吸附单元填充为：10mmPUF树脂—20mmXAD-2树脂—10mmPUF树脂，气态半挥发性有机物的采集效率大于95％，且不被穿透；等速采样体积不低于300NdL，可以达到90％半挥发性有机物的检出限。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims

1.一种无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的装置，其特征在于，包括顺次连接的固态颗粒物捕集单元、冷凝单元、气相吸附单元、采样泵和控制单元，

所述气相吸附单元包括气相吸附管和设置在所述气相吸附管中的树脂吸附段，所述树脂吸附段包括PUF树脂—XAD-2树脂—PUF树脂的层结构，位于外侧的PUF树脂的总高度为10-60mm，位于中间的XAD-2树脂的高度为10-30mm；

所述控制单元与所述采样枪的头部的烟气温度传感器和烟气流速传感器相连，根据所获得的压强、温度数据将采样流量实时换算为标况流量并记录总采样标况体积；所述控制单元与所述冷凝单元的气体出口处的温度传感器连接，根据采样点工况条件和烟气特征实时控制冷凝单元的冷凝强度；所述控制单元与所述采样泵连接，实时调节采样泵的流量达到等速采样。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述过滤元件为石英滤筒，所述第一内径为20-30mm，所述第二内径小于20mm，所述石英滤筒的长度为70mm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述过滤元件为石英滤膜，所述第一内径为48mm，所述第二内径小于20mm。

4.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述采样枪具有直径为6-10mm的采样滤嘴。

5.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述过滤元件的固态颗粒物截流率大于99.7％。

6.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述气相吸附管为由石英玻璃制成。

7.一种使用根据权利要求1-6之一所述的装置无损采集固定源烟气中半挥发性有机物的方法，其特征在于，包括如下步骤：将采样枪深入烟道抽取烟气，所抽取的烟气经过滤元件过滤捕集固态颗粒物后，进入冷凝单元；烟气中的可冷凝组分在蛇形冷凝管中冷凝后被收集到冷凝液接收瓶中；剩余的未冷凝烟气进入气相吸附单元，烟气中的气相半挥发性有机物被XAD-2树脂和PUF树脂吸收；采样结束后，将经过采用的过滤元件和XAD-2树脂和PUF树脂以及收集的冷凝液，立即冷藏保存，待下一步预处理及分析，

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，控制烟气出冷凝单元的温度低于10℃-25℃，出冷凝单元的水蒸气含量低于0.3％-0.5％。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，等速采样体积不低于300NdL，半挥发性有机物的检出限为90％。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，气相半挥发性有机物的采集效率大于95％。