CN110231262B - 一种民用固体燃料燃烧大气污染物排放现场检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种民用固体燃料燃烧大气污染物排放现场检测装置,其特征在于,包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分和采样部分。本发明不仅能够测量民用固体燃料燃烧颗粒物及CO2、CO、SO2、NOx等气体的排放浓度,而且能够准确确定其排放因子。此外,本发明的装置具有结构紧凑、系统简化等优点,适合于现场应用。

Description

一种民用固体燃料燃烧大气污染物排放现场检测装置
技术领域
本发明属于环境监测技术领域,涉及一种民用固体燃料燃烧大气污染物排放现场检测装置。
背景技术
民用固体燃料燃烧是我国大气污染的重要贡献源,据估计,2017年我国民用部门排放的SO2、NOx、CO及PM2.5分别占其总排放量的23%、3.6%、42%和39%,但其排放量具有较大的不确定性,其中除了活动水平不确定性较大外,排放因子的不确定性也相当大,而采样是影响排放因子不确定性的重要因素。排放因子是指单位活动造成的污染物排放量,是建立大气污染物排放清单的重要参数;排放清单是指一定范围内的各种污染物排放源,在一定的时间跨度和空间区域内向大气中排放的各种污染物的量的集合;在整个大气污染分析和控制对策的制定过程中,污染物的源排放清单既是利用空气质量模型进行模拟的基础,又是最终落实控制对策的重要依据,对整个控制决策的制定至关重要;因此准确获得民用固体燃料燃烧大气污染物排放因子数据对于科学地评价民用部门排放大气污染物的贡献及制定有针对性的民用部门大气污染控制对策与措施十分必要。
对于民用固体燃料燃烧,其产生的烟气具有排放速率不稳定且极小、烟气温度与污染物浓度波动大等特点,常用的采样方法包括传统采样方法、稀释采样法和烟罩法等,即使对同一种民用固体燃料燃烧采用不同采样方法测量其排放,结果的可比性也较差。
其中,稀释采样法可以同时捕集包括可过滤和可凝结颗粒物在内的颗粒物,可以较好的反映燃烧源的实际排放。稀释采样法主要是针对锅炉和工业过程等固定源而开发的,目前已被用于民用固体燃料燃烧排放颗粒物的测量,根据稀释比获得其在烟气中的浓度。在该方法中常采用烟气分析仪直接测量烟囱烟气中CO2、CO、SO2、NOx等气体的浓度,然而目前的烟气分析仪多是针对锅炉和工业过程的烟气条件而开发的,而民用固体燃料燃烧效率低,由不完全燃烧导致的排放烟气成分复杂,会干扰测量,例如CO排放浓度高,会对SO2的测量造成影响。
本申请人的申请号为201410340512.2的发明专利涉及一种固定污染源排放PM2.5稀释采样装置,其采用一级稀释,烟气和稀释空气通过气流分布板后充分混合,多余气体从旁路管道排出。但该装置局限于仅对颗粒物进行采集和测量,未对污染物中的气体组分进行检测;而且设置有旁路部分,系统较复杂。此外,该装置适用于固定污染源,而民用固体燃料燃烧烟气排放速率低,导致皮托管不能准确测量,不能由此准确确定烟气流量,因而不能按照固定源的方法,即,根据烟气流量与污染物浓度得到单位时间的排放量,并结合单位时间燃料的消耗量等信息确定大气污染物的排放因子。此外,用于固定源的采样装置采样流量一般较大,由于民用固体燃料燃烧烟气排放速率低;如果将固定源的采样装置用于民用固体燃料燃烧烟气排放测试,采样流量与烟气排放速率比值一般在10%以上,导致较大测量误差。
另外,现有技术中也存在用于民用炉具中烟气污染物排放的检测系统,但该系统采样过程并没有直接测量烟气采样流量,而是用稀释后烟气总流量减去新鲜空气流量得到未稀释烟气流量,即烟气采样流量,之后将其用于计算稀释比,稀释比的确定存在较大误差。此外,现有技术中仅涉及到稀释前烟气中排放污染物的浓度计算,而没有提及任何关于确定污染物排放因子的内容。
烟罩法也常用于民用固体燃料燃烧排放测量,在该方法中,民用固体燃料燃烧从烟囱排放的烟气由烟罩全部捕集,并用洁净空气稀释,降低烟气温度与污染物浓度,保持稀释后的气体流量稳定,气体速率处于可测量的范围,采用大气环境的采样方法采集大气污染物,可以较准确的测量排放因子。但由于烟气速率不稳,使得该方法不能准确确定烟囱的实际排放浓度,且该方法系统庞大,常用于实验室研究,不适合现场采样。
发明内容
本发明针对上述现有的用于民用固体燃料燃烧大气污染物排放检测系统的缺陷和不足,提供了一种民用固体燃料燃烧大气污染物排放现场检测装置及检测方法。本发明不仅能够测量民用固体燃料燃烧颗粒物(包括过滤颗粒物和可凝结颗粒物)及CO2、CO、SO2、NOx等气体的排放浓度,而且能够准确确定其排放因子。此外,本发明的装置具有结构紧凑、系统简化等优点,适合于现场应用。
根据本发明的一方面,提供了一种民用固体燃料燃烧大气污染物排放现场检测装置,其特征在于,包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分和采样部分,
所述烟气进气部分包括依次相连的撞击式颗粒分离器和加热取样管,所述撞击式颗粒分离器的进气端伸入烟道,所述加热取样管的出气端与所述稀释混合部分相连,所述加热取样管内设置有流量计Ⅰ;
所述稀释空气部分包括空气净化器、流量计Ⅱ、调节阀和稀释空气进气管道,所述空气净化器的一端与大气相通,另一端通过所述稀释空气进气管道与所述稀释混合部分相连,所述稀释空气进气管道上沿气流方向依次连接有流量计Ⅱ和调节阀;
所述稀释混合部分包括稀释空气进气腔、稀释混合/停留腔以及置于两者之间的气流分布板,所述稀释混合/停留腔包括靠近所述气流分布板的稀释混合段和远离所述气流分布板的停留段,所述停留段的尾端底部设置有第一采样孔,尾端侧面设置有第二采样孔和第三采样孔;
所述采样部分包括连接于所述第一采样孔的第一采样组件、连接于所述第二采样孔的第二采样组件和连接于所述第三采样孔的气体分析仪,所述第一采样组件包括依次连接的PM2.5撞击式切割器、第一采样膜托、第一滤膜、质量流量计和第一采样泵,所述PM2.5撞击式切割器安装连接在所述第一采样孔处;所述第二采样组件包括依次连接的PM2.5旋风切割器、第二采样膜托、第二滤膜、限流孔和第二采样泵,所述PM2.5旋风切割器安装连接在所述第二采样孔处;
所述流量计Ⅰ和所述流量计Ⅱ均依次包括入口圆管段、圆锥形收缩管、圆形喉管、圆锥形扩散管和出口圆管段,所述入口圆管段和所述出口圆管段均分别设有取压管,所述流量计Ⅰ的入口管段设有温度传感器;
其中,所述检测装置确定大气污染物的排放因子包括:
首先基于碳平衡原理,按照等式(1)计算得到固体燃料燃烧污染物CO2的排放因子
式中,Cf为固体燃料中碳的质量;Ca为剩余灰中碳的质量;M为固体燃料用量; CCOCTNMHC、Cparticle分别表示排放CO2、CO、CH4、非甲烷总烃及颗粒物中的含碳量,其中忽略CTNMHC、Cparticle的值;为从C转化为CO2的转化系数;
其次按照等式(2)计算得到其它气体污染物的排放因子Em,其它气体污染物和PM2.5颗粒的排放因子
式中,Cm,其它气体污染物分别为其它气体污染物、PM2.5颗粒和CO2的质量浓度。
在一些实施例中,所述流量计Ⅰ的测定流量范围可以为4.0~5.5l/min,在120℃条件下压差可以为317.0~596.1Pa,在常温条件下压差可以为231.3~434.1Pa,所述流量计Ⅰ的喉口尺寸可以介于2.0~2.5mm;所述流量计Ⅱ的测定流量范围可以为80~106.0l/min,在常温条件下压差可以为85.0~132.4Pa,所述流量计Ⅱ的喉口尺寸可以介于10~15mm,
标定建立流量计Ⅰ和流量计Ⅱ的静压差ΔP、流量Q、气体温度T之间的函数关系Q=f(ΔP,T)的具体过程可以如下:
1)加热流量计Ⅰ,使其达到工作温度,流量计Ⅱ则不做加热,维持在室温温度;
2)沿着流量计Ⅰ和流量计Ⅱ及其所在管路的气路方向分别依次连接质量流量计和抽气泵;
3)对于流量计Ⅰ,打开抽气泵,用质量流量计调节从4.0l/min到6.0l/mim呈等值递增的8个流量点,记录每个流量点下流量计Ⅰ测量的对应压差值,根据8组流量点和对应压差值得到函数关系Q=f(ΔP,T),流量计Ⅰ标定完成;
4)对于流量计Ⅱ,打开抽气泵,用质量流量计调节从60l/min到140l/min呈等值递增的17个流量点,记录每个流量点下流量计Ⅱ测量的对应压差值,根据17组流量点和对应压差值得到函数关系Q=f(ΔP,T),流量计Ⅱ标定完成。
在一些实施例中,所述气体分析仪内可以包括CO2、CO、SO2、NO和NO2五种气体传感器、两块数显压差表、一个温湿度传感器、一个温度传感器及PLC数据采集模块,
所述CO2、CO、SO2、NO和NO2五种气体传感器用于测量稀释后烟气中相应气体的浓度;所述两块数显压差表分别用于测量流量计Ⅰ和流量计Ⅱ的压差;所述温湿度传感器用于测量稀释后烟气的温度和湿度;所述温度传感器用于测量所述加热取样管的加热温度;所述PLC数据采集模块用于将所述气体分析仪测量读取到的数据进行采集,并传输到所述电脑中。
在一些实施例中,所述检测装置确定大气污染物的排放因子具体实现过程可以如下:
1)检测启动前:
-标定建立流量计I和流量计II的压差ΔP、流量Q和气体温度T之间的函数关系Q=f(ΔP,T);
-在恒温恒湿条件下称量采样前的第一滤膜和第二滤膜的重量;
-称量固体燃料用量M;
-利用气体分析仪测量得到CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度的空气背景平均值;
2)启动检测:
-通过调节阀调节流量计I和流量计II至设定流量;
-利用气体分析仪测量得到流量计I和流量计II各自的压差平均值、稀释前烟气温度平均值以及稀释后烟气中CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度平均值;
3)检测结束:
-记录采样时间,称量剩余灰量;
-用元素分析仪分析固体燃料及剩余灰中碳的含量,结合固体燃料用量及剩余灰量,得到固体燃料中碳的质量Cf和剩余灰中碳的质量Ca
-在恒温恒湿条件下称量采样后的第一滤膜和第二滤膜的重量,根据采样时间和各流量计的流量值计算得到采样体积,根据第一滤膜和第二滤膜采样前后的重量差和计算得到的采样体积,计算得到稀释后的PM2.5浓度
-用稀释后的CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度平均值减去其气体浓度的空气背景平均值,得到稀释后的CO2、CO、SO2、NO和NO2气体实际浓度Cd,i,i=CO2、CO、SO2、NO、NO2
-将流量计I和流量计II各自的压差平均值、烟气温度平均值以及稀释空气室温值代入标定建立的函数关系Q=f(ΔP,T)中,计算得到烟气流量Q1和稀释空气流量Q2,按等式(3)计算稀释比DR:
DR=(Q1+Q2)/Q1 (3)
将CO2、CO、SO2、NO和NO2气体实际浓度Cd,i和PM2.5浓度代入等式(4),分别计算得到烟气中CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度Cm,i和PM2.5浓度
在一些实施例中,稀释比DR可以大于等于20:1,停留段内稀释后烟气的停留时间可以大于等于10秒。
在一些实施例中,所述第二采样组件的数量可以为m个,m≥2,所述m个第二采样组件对称安装在所述稀释混合/停留腔的尾端侧面,所述第一滤膜包括石英膜,所述第二滤膜包括Teflon膜、石英膜。
在一些实施例中,所述气流分布板周向上可以开有用于稀释空气通过的喷射孔以及中心位置上开有用于稀释前烟气通过的通孔,每圈喷射孔呈同心圆分布且沿各自圆周均布。
在一些实施例中,所述稀释空气进气腔的纵向长度可以是其直径的1倍。
在一些实施例中,所述稀释混合/停留腔的尾端可以设置有与在线颗粒物监测仪器配套的其它采样孔,所述在线颗粒物监测仪器包括扫描电迁移率粒径谱仪和气溶胶质谱仪。
在一些实施例中,当稀释后烟气的温度高于42℃时,在所述空气净化器的进气端可安装冷却器;当稀释后烟气的相对湿度高于70%时,在空气净化器的进气端可安装干燥器。
本发明的有益效果:
1)本发明采取了适用于民用固体燃料燃烧烟气排放流量测量的改进的流量计,取压管分布于入口管段和出口管段,在入口/出口管段分别设有取压管,采样前标定建立流量计的静压差ΔP、流量Q、气体温度T之间的函数关系Q=f(ΔP,T),通过实测ΔP和T来确定采样烟气流量Q1和稀释空气流量Q2,从而能够准确确定稀释比。
2)本发明除测量颗粒物外,还配套了便携式气体分析仪对CO2、CO、SO2、NO和NO2的浓度进行实时测量并且在线数据自动记录,适合于现场使用。此外,由于烟气经过稀释和冷却,气态污染物浓度和波动范围大大降低,温度和湿度接近大气环境水平,干扰影响明显减小,使得测量结果相对准确。
3)本发明不仅能够测量民用固体燃料燃烧颗粒物(包括过滤颗粒物和可凝结颗粒物),及CO2、CO、SO2、NOx等气体的排放浓度,而且通过碳平衡法准确确定了其排放因子。具体地,本发明利用碳平衡法确定排放因子不需要确定民用固体燃料燃烧的烟气流量,由此避免了民用固体燃料燃烧烟气排放流量测量不准的问题。利用本发明获得的排放因子,可为建立我国民用固体燃料燃烧大气污染物排放清单提供准确的基础数据,为空气质量模型提供输入数据,有助于制定有针对性的我国民用部门大气污染控制对策与措施。
4)本发明采用一步式稀释结构,烟气和稀释空气通过气流分布板充分混合稀释后全部进入停留段,不需要例如旁路部分等结构,使得整个装置结构简化、紧凑,适合于现场应用。
5)采样组件部分采用限流孔能够保证采样过程流量稳定,同时避免了采用质量流量计带来的系统的复杂性。
附图说明
图1为本发明的民用固体燃料燃烧排放大气污染物现场检测装置示意图。
附图标记
101-撞击式颗粒分离器 102-加热取样管 103-流量计Ⅰ
201-空气净化器 202-流量计Ⅱ 203-调节阀
301-稀释空气进气腔 302-稀释混合/停留腔
401-便携式气体分析仪 402-便携电脑 403-PM2.5旋风切割器
404-第二滤膜 405-第二采样膜托 406-限流孔
407-第二采样管路 408-第二采样泵 409-PM2.5撞击式切割器
410-第一滤膜 411-第一采样膜托 412-质量流量计
413-第一采样泵
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明,应该理解,以下所述实施例旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。
本发明的民用固体燃料燃烧排放大气污染物现场检测装置包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分、采样部分。
如图1所示,烟气进气部分由撞击式颗粒分离器101、加热取样管102和流量计Ⅰ103组成。其中,撞击式颗粒分离器101采用自行设计的撞击式结构,其进气端伸入烟道,进气端装有采样嘴,迎对气流采样,气流顺畅,可以减少颗粒物损失,用于去除烟气中空气动力学直径在2.5μm以上的大颗粒,避免大颗粒沉积和堵塞加热采样管102,分离器101的最大直径为55mm,适合民用炉具的小尺寸烟囱。之后去除大颗粒后的烟气进入加热取样管102,加热取样管102的加热温度可设定为高于烟道内烟气温度5℃以内或固定温度如120℃,防止颗粒热泳沉积及冷凝发生。流量计Ⅰ103用于测量稀释前烟气经过其前后的压差,结合加热取样管102的加热温度,可以确定稀释前烟气的流量Q1
稀释空气部由空气净化器201、流量计Ⅱ202和调节阀203组成。空气净化器201中,沿稀释空气气流方向依次有粗过滤器、活性炭过滤器和高效过滤器,分别用于去除空气中的粗颗粒、有机气体和细小颗粒,以此得到洁净的稀释空气。流量计Ⅱ202用来测量稀释空气经过其前后的压差,结合室内温度,可确定稀释空气的流量Q2。调节阀203用于控制稀释前烟气和稀释空气的流量。
由于流量计Ⅰ和流量计Ⅱ连接的管段直径分别约为10mm和25mm,尺寸较小,所以流量计Ⅰ和流量计Ⅱ的直径需要较小,因此不适于采用经典的文丘里结构。本发明的改进的流量计Ⅰ和流量计Ⅱ均包括入口圆管段、圆锥形收缩管、圆形喉管、圆锥形扩散管和出口圆管段(均采用机械加工并抛光处理),所述入口圆管段和所述出口圆管段分别设有取压管,所述流量计Ⅰ的入口管段设有温度传感器。
流量计Ⅰ和流量计Ⅱ的喉口尺寸综合考虑颗粒物损失和压差予以确定,要求颗粒物损失尽可能小,压差做到烟气进气部分与稀释空气部分压力平衡,达到设计的烟气流量。一般而言,喉口尺寸小,颗粒物损失大,压差也大;想要控制所测的颗粒物粒径的颗粒物损失在一定范围,就不能选择太小的喉口直径;但其直径过大,则经过流量计I的压差小,进而烟气进气部分压差小;而稀释空气部分管件较多,有一定的压差,就不能实现烟气进气部分和稀释空气部分的压力平衡,也就不能达到设计的流量;而且如果烟气进气部分压差小,测量的误差也会增加,所以需要综合考虑颗粒物损失和压差来确定喉口尺寸。特别地,流量计Ⅰ的喉口尺寸在2.0~2.5mm范围,流量计Ⅱ的喉口尺寸在10~15mm范围。
特别地,流量计Ⅰ的测定流量范围:4.0~5.5l/min,压差在317.0~596.1Pa(在120℃条件下)、231.3~434.1Pa(在常温条件下);流量计Ⅱ测定流量范围:80~106.0l/min,压差在85.0~132.4Pa(在常温条件下)。实际工作中,将流量计Ⅰ和流量计Ⅱ测量得到的静压差ΔP代入标定好的函数关系Q=f(ΔP,T)中,计算得到实际流量。
稀释混合部分3包括稀释空气进气腔301和稀释混合/停留腔302,稀释混合/停留腔302用于充分混合烟气和稀释空气,并使稀释后烟气停留一段时间后被采样。其中,稀释空气进气腔301和稀释混合/停留腔302之间安装有气流分布板,稀释混合/停留腔302包括靠近气流分布板的稀释混合段和远离气流分布板的停留段。特别地,气流分布板周向上开有至少两圈(优选的两圈)喷射孔,每圈喷射孔在板上呈同心圆分布且在其圆周上均匀分布,喷射孔的开孔尺寸及稀释混合距离采用Fluent软件模拟和实测确定。此外,气流分布板的中心位置开有用于稀释前烟气通过的通孔。进入到稀释空气进气腔301内的稀释空气由气流分布板上的喷射孔喷射进入稀释混合/停留腔302内,与采样烟气在稀释混合/停留腔302的稀释混合段快速湍流混合均匀,此时烟气温度、湿度、颗粒物浓度和气体污染物浓度得到降低。
特别地,稀释空气进气腔301长度为其直径的1倍,即可达到烟气与稀释空气均匀混合。稀释后的烟气全部作为采样气体,流量为Q3,沿稀释混合/停留腔302继续向后移动到停留段,停留一段时间,模拟烟气排放到大气中实际的稀释、冷凝、凝聚等过程。优选地,稀释混合部分的总长度为1.25m,直径为15cm,稀释后烟气停留时间确定为10秒,稀释混合/停留腔302长度仅为1.1m。
在本实施中,采样部分4包括温湿度、压差及气体浓度测量、1路第一采样组件(也称为中流量采样)和2路第二采样组件(也称为小流量采样)。其中,加热取样管102加热温度、流量计Ⅰ103和流量计Ⅱ202的压差、稀释后的烟气温度、湿度以及CO2、CO、SO2、NO、NO2的浓度测量及数据存储由便携式气体分析仪401和便携电脑402配套实现。
特别地,当稀释后烟气温度和湿度分别高于42℃和70%时,在空气净化器201的粗过滤器进气端加装冷却器或干燥器。
小流量采样依次包括PM2.5旋风切割器403、第二滤膜404、第二采样膜托405、限流孔406、第二采样管路407和第二采样泵408。有利地,限流孔的应用能够保证采样过程流量稳定,同时避免了采用质量流量计带来的系统的复杂性。在一些实施例中,小流量采样的第二滤膜可以采用Teflon膜、石英膜。中流量采样依次包括PM2.5撞击式切割器409、第一滤膜410、第一采样膜托411、质量流量计412和第一采样泵413,采样流量设计为100~120l/min。在一些实施例中,第一滤膜可以采用石英膜。特别地,采用PM2.5撞击式切割器409可以减少了取样罐,m路(m≥2)小流量采样直接在停留室尾部进行,使得整个装置的结构更加紧凑,操作更加简便。
便携式气体分析仪401主要装有两块数显压差表、一个温湿度传感器、一个温度传感器、CO2、CO、SO2、NO、NO2五个气体传感器及其PLC数据采集模块;两块数显压差表分别用于测量烟气经过流量计I103和流量计Ⅱ202前后的压差;温湿度传感器用于测量稀释后烟气温度和湿度;温度传感器用于测量加热取样管的温度;五种气体传感器用于测量稀释烟气中相应气体的浓度;PLC数据采集模块用于将设备读取到的压差、温度、湿度、气体浓度等数据进行采集,并传输到便携电脑402中。
在一些实施例中,稀释混合/停留腔4尾部还可以设置有其它的采样孔,用于在线颗粒物监测的仪器包括扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS),气溶胶质谱仪(AMS)等均可配套使用。
本发明检测装置及数值计算的工作过程如下:
A、标定建立流量计Ⅰ和流量计Ⅱ的静压差ΔP、流量Q、气体温度T之间的函数关系Q=f(ΔP,T),具体过程如下:
给流量Ⅰ计加热,使其达到工作温度;流量计Ⅱ则不做加热,维持在室温温度;沿着流量计Ⅰ和流量计Ⅱ及其所在管路的气路方向分别依次连接质量流量计和抽气泵;对于流量计Ⅰ,打开抽气泵,用质量流量计调节从4.0l/min到6.0l/mim呈等值递增的8个流量点,记录每个流量点下流量计Ⅰ测量的对应压差值,根据8组流量点和相应压差的数据得到函数关系Q=f(ΔP,T),流量计Ⅰ标定完成。对于流量计Ⅱ,打开抽气泵,用质量流量计调节从60l/min到140l/min呈等值递增的17个流量点,记录每个流量点下流量计Ⅱ测量的对应压差值,根据17组流量点和相应压差的数据得到函数关系Q=f(ΔP,T),流量计Ⅱ标定完成。
B、在恒温恒湿条件下称量采样前的Teflon膜和石英膜重量;
C、称量民用固体燃料用量M;
D、对加热取样管102进行通电加热,使其温度略高于废气温度或达到设定温度120℃;
E、打开便携式气体分析仪401电源,启动便携电脑402中的测量软件,测量得到CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度的空气背景平均值;
F、打开民用炉具烟囱采样孔,清除孔中的积灰,将加热采样管102插入烟囱内的采样点,使采样嘴正对气流,密封采样孔;
G、开启第一采样泵413和第二采样泵408,迅速通过调节阀203调节调节流量计I和流量计II至设定流量;利用气体分析仪测量得到流量计I和流量计II各自的压差平均值、稀释前烟气温度平均值以及稀释后烟气中CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度平均值;
H、采样完毕后,关闭第一采样泵413和第二采样泵408,将撞击式颗粒分离器101和加热取样管102取出烟道,记录采样时间;
I、关闭加热取样管102电源和便携式气体分析仪401电源;
J、称量剩余灰的质量;
K、用CHONS元素分析仪分析固体燃料及剩余灰中碳的含量,结合固体燃料、剩余灰的质量得到固体燃料和剩余灰中碳的质量,即Cf、Ca
L、在恒温恒湿条件下称量采样后的Teflon膜和石英膜重量;根据采样时间和各路采样流量计算得到采样体积,根据滤膜采样前后的重量差和采样体积计算得到稀释后烟气中的PM2.5浓度
M、用稀释后烟气中CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度平均值减去其气体浓度的空气背景平均值,得到稀释后烟气中CO2、CO、SO2、NO和NO2气体实际浓度Cd,i,i=CO2、CO、SO2、NO、NO2
N、将流量计I和流量计II各自的压差平均值、稀释前烟气温度平均值以及稀释空气室温值代入标定建立的函数关系Q=f(ΔP,T)中,计算得到稀释前烟气流量Q1和稀释空气流量Q2,按等式(3)计算稀释比DR:
DR=(Q1+Q2)/Q1 (3)
将CO2、CO、SO2、NO和NO2气体实际浓度Cd,i和PM2.5浓度代入等式(4),分别计算得到稀释前烟气中CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度Cm,i和PM2.5浓度
基于碳平衡原理,即燃烧过程中碳的质量平衡原理,也就是消耗的碳量等于以气态和颗粒物形式排出的碳的量,按照等式(1)计算得到固体燃料燃烧污染物CO2的排放因子
式中,Cf为固体燃料中碳的质量;Ca为剩余灰中碳的质量;M为固体燃料用量; CCOCTNMHC、Cparticle分别表示排放CO2、CO、CH4、非甲烷总烃及颗粒物中的含碳量,其中由于CTNMHC、Cparticle极小,可忽略;为从C转化为CO2的转化系数,等于3.67,
其次按照等式(2)计算得到其它气体污染物的排放因子Em,其它气体污染物和PM2.5颗粒的排放因子
式中,Cm,其它气体污染物分别为其它气体污染物、PM2.5颗粒和CO2的质量浓度。
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 (9)

1.一种民用固体燃料燃烧大气污染物排放现场检测装置,其特征在于,包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分和采样部分,
所述烟气进气部分包括依次相连的撞击式颗粒分离器和加热取样管,所述撞击式颗粒分离器的进气端伸入烟道,所述加热取样管的出气端与所述稀释混合部分相连,所述加热取样管内设置有流量计Ⅰ;
所述稀释空气部分包括空气净化器、流量计Ⅱ、调节阀和稀释空气进气管道,所述空气净化器的一端与大气相通,另一端通过所述稀释空气进气管道与所述稀释混合部分相连,所述稀释空气进气管道上沿气流方向依次连接有流量计Ⅱ和调节阀;
所述稀释混合部分包括稀释空气进气腔、稀释混合/停留腔以及置于两者之间的气流分布板,所述稀释混合/停留腔包括靠近所述气流分布板的稀释混合段和远离所述气流分布板的停留段,所述停留段的尾端底部设置有第一采样孔,尾端侧面设置有第二采样孔和第三采样孔;
所述采样部分包括连接于所述第一采样孔的第一采样组件、连接于所述第二采样孔的第二采样组件和连接于所述第三采样孔的气体分析仪,所述第一采样组件包括依次连接的PM2.5撞击式切割器、第一采样膜托、第一滤膜、质量流量计和第一采样泵,所述PM2.5撞击式切割器安装连接在所述第一采样孔处;所述第二采样组件包括依次连接的PM2.5旋风切割器、第二采样膜托、第二滤膜、限流孔和第二采样泵,所述PM2.5旋风切割器安装连接在所述第二采样孔处;
所述流量计Ⅰ和所述流量计Ⅱ均依次包括入口圆管段、圆锥形收缩管、圆形喉管、圆锥形扩散管和出口圆管段,所述入口圆管段和所述出口圆管段均分别设有取压管,所述流量计Ⅰ的入口管段设有温度传感器;
其中,所述检测装置确定大气污染物的排放因子包括:
首先基于碳平衡原理,按照等式(1)计算得到固体燃料燃烧污染物CO2的排放因子
式中,Cf为固体燃料中碳的质量;Ca为剩余灰中碳的质量;M为固体燃料用量; CCOCTNMHC、Cparticle分别表示排放CO2、CO、CH4、非甲烷总烃及颗粒物中的含碳量,其中忽略CTNMHC、Cparticle的值;为从C转化为CO2的转化系数;
其次按照等式(2)计算得到其它气体污染物的排放因子Em,其它气体污染物和PM2.5颗粒的排放因子
式中,Cm,其它气体污染物分别为其它气体污染物、PM2.5颗粒和CO2的质量浓度,
所述流量计Ⅰ的测定流量范围为4.0~5.5l/min,在120℃条件下压差为317.0~596.1Pa,在常温条件下压差为231.3~434.1Pa,所述流量计Ⅰ的喉口尺寸介于2.0~2.5mm;所述流量计Ⅱ的测定流量范围为80~106.0l/min,在常温条件下压差为85.0~132.4Pa,所述流量计Ⅱ的喉口尺寸介于10~15mm,
标定建立流量计Ⅰ和流量计Ⅱ的静压差ΔP、流量Q、气体温度T之间的函数关系Q=f(ΔP,T)的具体过程如下:
1)加热流量计Ⅰ,使其达到工作温度,流量计Ⅱ则不做加热,维持在室温温度;
2)沿着流量计Ⅰ和流量计Ⅱ及其所在管路的气路方向分别依次连接质量流量计和抽气泵;
3)对于流量计Ⅰ,打开抽气泵,用质量流量计调节从4.0l/min到6.0l/mim呈等值递增的8个流量点,记录每个流量点下流量计Ⅰ测量的对应压差值,根据8组流量点和对应压差值得到函数关系Q=f(ΔP,T),流量计Ⅰ标定完成;
4)对于流量计Ⅱ,打开抽气泵,用质量流量计调节从60l/min到140l/min呈等值递增的17个流量点,记录每个流量点下流量计Ⅱ测量的对应压差值,根据17组流量点和对应压差值得到函数关系Q=f(ΔP,T),流量计Ⅱ标定完成。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述气体分析仪内包括CO2、CO、SO2、NO和NO2五种气体传感器、两块数显压差表、一个温湿度传感器、一个温度传感器及PLC数据采集模块,
所述CO2、CO、SO2、NO和NO2五种气体传感器用于测量稀释后烟气中相应气体的浓度;所述两块数显压差表分别用于测量流量计Ⅰ和流量计Ⅱ的压差;所述温湿度传感器用于测量稀释后烟气的温度和湿度;所述温度传感器用于测量所述加热取样管的加热温度;所述PLC数据采集模块用于将所述气体分析仪测量读取到的数据进行采集,并传输到电脑中。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述检测装置确定大气污染物的排放因子具体实现过程如下:
1)检测启动前:
-标定建立流量计I和流量计II的压差ΔP、流量Q和气体温度T之间的函数关系Q=f(ΔP,T);
-在恒温恒湿条件下称量采样前的第一滤膜和第二滤膜的重量;
-称量固体燃料用量M;
-利用气体分析仪测量得到CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度的空气背景平均值;
2)启动检测:
-通过调节阀调节流量计I和流量计II至设定流量;
-利用气体分析仪测量得到流量计I和流量计II各自的压差平均值、稀释前烟气温度平均值以及稀释后烟气中CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度平均值;
3)检测结束:
-记录采样时间,称量剩余灰量;
-用元素分析仪分析固体燃料及剩余灰中碳的含量,结合固体燃料用量及剩余灰量,得到固体燃料中碳的质量Cf和剩余灰中碳的质量Ca
-在恒温恒湿条件下称量采样后的第一滤膜和第二滤膜的重量,根据采样时间和各流量计的流量值计算得到采样体积,根据第一滤膜和第二滤膜采样前后的重量差和计算得到的采样体积,计算得到稀释后的PM2.5浓度
-用稀释后的CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度平均值减去其气体浓度的空气背景平均值,得到稀释后的CO2、CO、SO2、NO和NO2气体实际浓度Cd,i,i=CO2、CO、SO2、NO、NO2
-将流量计I和流量计II各自的压差平均值、烟气温度平均值以及稀释空气室温值代入标定建立的函数关系Q=f(ΔP,T)中,计算得到烟气流量Q1和稀释空气流量Q2,按等式(3)计算稀释比DR:
DR=(Q1+Q2)/Q1 (3)
将CO2、CO、SO2、NO和NO2气体实际浓度Cd,i和PM2.5浓度代入等式(4),分别计算得到烟气中CO2、CO、SO2、NO和NO2气体浓度Cf,i和PM2.5浓度
Cm,i=Cd,i*DR
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,稀释比DR大于等于20:1,停留段内稀释后烟气的停留时间大于等于10秒。
5.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述第二采样组件的数量为m个,m≥2,所述m个第二采样组件对称安装在所述稀释混合/停留腔的尾端侧面,所述第一滤膜包括石英膜,所述第二滤膜包括Teflon膜或石英膜。
6.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述气流分布板周向上开有用于稀释空气通过的喷射孔以及中心位置上开有用于稀释前烟气通过的通孔,每圈喷射孔呈同心圆分布且沿各自圆周均布。
7.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述稀释空气进气腔的纵向长度是其直径的1倍。
8.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述稀释混合/停留腔的尾端设置有与在线颗粒物监测仪器配套的其它采样孔,所述在线颗粒物监测仪器包括扫描电迁移率粒径谱仪和气溶胶质谱仪。
9.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,当稀释后烟气的温度高于42℃时,在所述空气净化器的进气端安装冷却器;当稀释后烟气的相对湿度高于70%时,在空气净化器的进气端安装干燥器。
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