CN110441099B - 一种污染源可凝结颗粒物采样装置及采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于污染源监测领域的一种污染源可凝结颗粒物采样装置及采样方法；颗粒物分级装置放置于固定污染源烟道内，颗粒物分级装置通过烟气管路分别与稀释腔体内的布气板和可过滤颗粒物收集装置相连；稀释空气供气装置、稀释空气有机物和水汽去除装置、稀释空气颗粒物过滤装置、稀释空气流量计和稀释腔体的稀释空气入口通过管路顺次相连；稀释腔体的第一路混合气出口、旁路气颗粒物过滤装置、旁路气流量计和旁路气抽气装置通过管路顺次相连；稀释腔体的第二路混合气出口、总颗粒物收集装置、总颗粒物流量计、总颗粒物抽气装置通过管路顺次相连。本发明提供的测量方法，同时收集可过滤颗粒物和总颗粒物，然后计算差值得到可凝结颗粒物。

Description

一种污染源可凝结颗粒物采样装置及采样方法
技术领域
本发明属于测试技术领域，具体为一种污染源可凝结颗粒物采样装置及采样方法。
背景技术
固定污染源排放的颗粒物不仅包括以液体或固体颗粒存在于烟道中的可过滤颗粒物，还包括烟道温度下为气态，从烟道中排出进入大气环境后短时间内凝结为固态或液态颗粒的可凝结颗粒物。
目前应用较多的固定污染源可凝结颗粒物的采样装置和方法为美国环保署标准方法(美国环保署方法的装置202)，在United States Environmental Protection Agency(U.S.EPA).Method 202-Dry impinger method for determining condensableparticulate emissions from stationary sources[S].U.S.EPA:Washington,D.C.2011.中公开的装置是通过冷凝管将过滤了可过滤颗粒物的烟气直接冷凝到小于30℃，可凝结颗粒物前体物冷凝在冷凝管壁面，然后用去离子水和正己烷回收冷凝析出的有机物和无机物。二者之和为可凝结颗粒物的浓度，方法的缺点为在烟气冷凝降温的过程中水蒸气也一起冷凝出来，烟气中一些易溶于水的SO2等气体，溶于冷凝水，从而给可凝结颗粒物的准确测量带来正偏差。
国际标准化组织(ISO)公布了用稀释方法测定烟气中PM2.5的标准采样方法(ISO25597:2013)，相应的采样装置在International Organization for Standardization(ISO).ISO 25597:2013.Stationary source emissions-test method for determiningPM2.5and PM10mass in stack gases using cyclone samplers and sample dilution[S].ISO:Geneva,Switzerland,2013.中公开，该采样装置所使用的方法是用旋风切割器去除烟气中大于2.5μm的颗粒物，然后含有PM2.5颗粒物的烟气与稀释空气在稀释腔(混合室和停流室)内混合降温，最后用滤膜收集总PM2.5，因此该方法与装置为采集固定源烟气中PM2.5，所采集的颗粒物为将可凝结颗粒物和可过滤颗粒物混合在一起的总颗粒物，如果用于可凝结颗粒物测量，还需额外的装置测量烟气中可过滤颗粒物，增加测量复杂性，类似装置结构以及方法还在England G C,Watson J G,Chow J C,et al.Dilution-based emissionssampling from stationary sources:Part 1-compact sampler methodology andperformance[J].Journal of Air&Waste Management Association,2007,57(1):65-78.发表的稀释采样系统中公开。
在Zheng C H,Hong Y P,Liu X J,et al.Removal and emissioncharacteristics of condensable particulate matter in an ultralow emissionpower plant[J].Energy Fuels,2018,32(1):10586-10594.中公开了一种采集固定源可凝结颗粒物的稀释采样装置与方法，烟气经过等速采样管后分为两路，一路烟气经过一个旋风切割器，然后可过滤颗粒物收集装置采集可过滤颗粒物，另一路烟气也经过一个旋风切割器，然后烟气进入稀释系统，最后收集总颗粒物。该装置中有两个旋风切割器，用于去除烟气中特定的颗粒物，将导致测量误差。一方面两个旋风切割器的切割点不可能完全相同，导致分级的颗粒物不同。两路烟气流量不可能完全一致，也将导致旋风切割器的切割点不同，从而导致测量误差；另一方面，两个旋风分级器需要加热保温，同时增加采样系统的复杂性，从而影响采样系统的便携性。
因此，需要一种可靠的固定污染源可凝结颗粒物的采样装置及采样方法；可同时收集可过滤颗粒物和总颗粒物，对于固定污染源可凝结颗粒物的控制具有重要意义。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种污染源可凝结颗粒物采样装置，其特征在于，包括：颗粒物分级装置、烟气管路、可过滤颗粒物收集装置、可过滤颗粒物流量计、可过滤颗粒物抽气装置、稀释空气流量计、稀释空气颗粒物过滤装置、稀释空气有机物和水汽去除装置、稀释空气供气装置、旁路气颗粒物过滤装置、旁路气流量计、旁路气抽气装置、总颗粒物收集装置、总颗粒物流量计、总颗粒物抽气装置、稀释腔体和布气板；其中，颗粒物分级装置放置于固定污染源烟道内，颗粒物分级装置通过烟气管路分别与稀释腔体内的布气板和可过滤颗粒物收集装置相连，布气板与稀释腔体滑动连接；
稀释空气供气装置、稀释空气有机物和水汽去除装置、稀释空气颗粒物过滤装置、稀释空气流量计和稀释腔体的稀释空气入口通过管路顺次相连；稀释腔体的第一路混合气出口、旁路气颗粒物过滤装置、旁路气流量计和旁路气抽气装置通过管路顺次相连；稀释腔体的第二路混合气出口、总颗粒物收集装置、总颗粒物流量计、总颗粒物抽气装置通过管路顺次相连。
所述烟气管路和所述可过滤颗粒物收集装置上附着有加热保温装置的加热电阻丝，所述烟气管路和所述可过滤颗粒物收集装置的温度与烟气温度不小于烟气温度。
所述颗粒物分级装置为颗粒物旋风采样器或者颗粒物撞击器。
所述可过滤颗粒物抽气装置、所述旁路气抽气装置和所述总颗粒物抽气装置为气泵或风机。
所述稀释空气供气装置为空气压缩机、气瓶或风机。
所述旁路气颗粒物过滤装置为石英滤膜或者其他材料的颗粒物收集滤膜。
所述布气板为含有孔的不锈钢板，钢板上孔呈均匀分布，孔的尺寸范围从2mm至4mm。
本发明还提供了一种污染源可凝结颗粒物采样方法，其特征在于，所述采样方法为：
步骤1、烟气经颗粒物分级装置去除大粒径颗粒物后，通过加热保温的烟气管路并一分为二，第一路烟气进入布气板，第二路烟气进入保温加热的可过滤颗粒物收集装置；
步骤2、第二路烟气中的颗粒物被全部收集到可过滤颗粒物收集装置中的滤膜上，之后第二路烟气通过可过滤颗粒物流量计，到达可过滤颗粒物抽气装置；
稀释空气供气装置提供的稀释空气顺次经过稀释空气有机物和水汽去除装置、稀释空气颗粒物过滤装置和稀释空气流量计，进入稀释腔体，然后通过布气板与第一路烟气混合；稀释空气与第一路烟气在稀释腔体内充分混合降温；
步骤3、稀释空气与第一路烟气的混合气一分两路，第一路混合气作为旁路气顺次经过旁路气颗粒物过滤装置、旁路气流量计、旁路气抽气装置；第二路混合气经过总颗粒物收集装置，第二路混合气中颗粒物被全部收集到总颗粒物收集装置的滤膜上，之后第二路混合气通过总颗粒物流量计，到达总颗粒物抽气装置；
步骤4、分别称量可过滤颗粒物收集装置的滤膜和总颗粒物收集装置的滤膜的增重，总颗粒物收集装置的滤膜的增重减去可过滤颗粒物收集装置的滤膜的增重，得到可凝结颗粒物的质量，再根据可过滤颗粒物流量计或者总颗粒物流量计的读数计算得到烟气中可凝结颗粒物的质量浓度。
在所述步骤1之前，先将颗粒物分级装置放置于固定污染源烟道内，同时加热保温装置加热烟气管路和可过滤颗粒物收集装置。
所述大粒径颗粒物的粒径＞2.5μm。
本发明的有益效果在于：
1.相比于冷凝法(USEPA method-202)，本发明不存在烟气中水汽冷凝的问题，没有SO2等杂质气体对可凝结颗粒物测量的影响。
2.使用同一个颗粒物分级装置，使得可过滤颗粒物气路中的颗粒物与总颗粒物气路中的颗粒物完全一致，降低可凝结颗粒物测量误差，以及测量便携性。
3.提供了一种固定源可凝结颗粒物测量方法，即同时收集可过滤颗粒物和总颗粒物，二者之差为可凝结颗粒物。
附图说明
图1为本发明一种污染源可凝结颗粒物采样装置实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例使用在某电厂总排口时可凝结颗粒物的质量浓度图。
其中：1-颗粒物分级装置，2-烟气管路，3-加热保温装置，4-可过滤颗粒物收集装置，5-可过滤颗粒物流量计，6-可过滤颗粒物抽气装置，7-稀释空气流量计，8-稀释空气颗粒物过滤装置，9-稀释空气有机物和水汽去除装置，10-稀释空气供气装置，11-旁路气颗粒物过滤装置，12-旁路气流量计，13-旁路气抽气装置，14-总颗粒物收集装置，15-总颗粒物流量计，16-总颗粒物抽气装置，17-稀释腔体，18-布气板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的本发明实施例，包括：颗粒物分级装置1、烟气管路2、加热保温装置3、可过滤颗粒物收集装置4、可过滤颗粒物流量计5、可过滤颗粒物抽气装置6、稀释空气流量计7、稀释空气颗粒物过滤装置8、稀释空气有机物和水汽去除装置9、稀释空气供气装置10、旁路气颗粒物过滤装置11、旁路气流量计12、旁路气抽气装置13、总颗粒物收集装置14、总颗粒物流量计15、总颗粒物抽气装置16、稀释腔体17和布气板18；其中，颗粒物分级装置1通过烟气管路2分别与稀释腔体17内的布气板18和可过滤颗粒物收集装置4相连，布气板18与稀释腔体17滑动连接；加热保温装置3的加热电阻丝附着在烟气管路2和可过滤颗粒物收集装置4上；稀释空气供气装置10、稀释空气有机物和水汽去除装置9、稀释空气颗粒物过滤装置8、稀释空气流量计7和稀释腔体17的稀释空气入口通过管路顺次相连。
稀释腔体17的第一路混合气出口、旁路气颗粒物过滤装置11、旁路气流量计12和旁路气抽气装置13通过管路顺次相连；稀释腔体17的第二路混合气出口、总颗粒物收集装置14、总颗粒物流量计15、总颗粒物抽气装置16通过管路顺次相连。
在本实施例中，颗粒物分级装置1为颗粒物旋风采样器或者颗粒物撞击器；具体的，如PM2.5旋风采样器、PM2.5惯性撞击采样器；
在本实施例中，烟气管路2为不锈钢或者其他材料的可传输气体的管路；
在本实施例中，可过滤颗粒物收集装置4和总颗粒物收集装置14的特征为包括石英滤膜或者其他材料的颗粒物收集滤膜的装置；
在本实施例中，可过滤颗粒物流量计5、稀释空气流量计7、旁路气流量计12和总颗粒物流量计15为可指示和计量气体流量的装置，具体为文丘里流量计或其他类型的流量计；
在本实施例中，可过滤颗粒物抽气装置6、旁路气抽气装置13、总颗粒物抽气装置16为各类气体输送装置，具体为气泵或风机；
在本实施例中，稀释空气颗粒物过滤装置8为各类颗粒物去除装置，具体为过滤器或电除尘器；
在本实施例中，稀释空气有机物和水汽去除装置9为各类有机物以及水汽去除装置，具体为活性炭或者分子筛等；
在本实施例中，稀释空气供气装置10为各类气体提供装置，如空气压缩机、气瓶或风机；
在本实施例中，旁路气颗粒物过滤装置11为石英滤膜或者其他材料的颗粒物收集滤膜；
在本实施例中，布气板18为含有孔的不锈钢板，钢板上孔呈均匀分布，孔的尺寸范围从2mm至4mm；
在本实施例中，稀释腔体17为有一定内部空间的腔体，与稀释腔体17相连的烟气管路2穿过稀释腔体17的外壳后，再与稀释腔体17内部布气板18的底部相连；随着布气板18在稀释腔体17的底部和不高于稀释空气入口的空间内上下滑动，通过稀释腔体17上方稀释空气入口进入的稀释空气和通过烟气管路2进入的第一路烟气在稀释腔体17中充分混合。
本实施例所使用的采样方法为：
在步骤1之前，先将颗粒物分级装置1放置于固定污染源烟道内，同时加热保温装置3加热烟气管路2和可过滤颗粒物收集装置4，使二者温度与烟气温度一致或稍高于烟气温度。
步骤1、烟气进入颗粒物分级装置1后，烟气中大于某粒径如2.5μm的颗粒物被颗粒物分级装置1分离去除，然后烟气通过加热保温的烟气管路，一分为二，第一路烟气进入布气板18，第二路烟气进入保温加热的可过滤颗粒物收集装置4。
步骤2、第二路烟气中的颗粒物被全部收集到可过滤颗粒物收集装置4中的滤膜上，之后第二路烟气通过可过滤颗粒物流量计5，到达可过滤颗粒物抽气装置6；
稀释空气供气装置10提供稀释空气，然后稀释空气顺次经过稀释空气有机物和水汽去除装置9、稀释空气颗粒物过滤装置8和稀释空气流量计7，进入稀释腔体17，然后通过布气板18与第一路烟气混合；稀释空气与第一路烟气在稀释腔体17内充分混合降温。
步骤3、稀释空气与第一路烟气的混合气一分两路，第一路混合气作为旁路气顺次经过旁路气颗粒物过滤装置11、旁路气流量计12、旁路气抽气装置13；第二路混合气经过总颗粒物收集装置14，第二路混合气中颗粒物被全部收集到总颗粒物收集装置14的滤膜上，之后第二路混合气通过总颗粒物流量计15和总颗粒物抽气装置16。
步骤4、分别称量可过滤颗粒物收集装置4的滤膜和总颗粒物收集装置14的滤膜的增重，总颗粒物收集装置14的滤膜的增重减去可过滤颗粒物收集装置4的滤膜的增重，得到可凝结颗粒物的质量，再根据可过滤颗粒物流量计5或者总颗粒物流量计15的读数计算得到烟气中可凝结颗粒物的质量浓度。
图2所示，使用本实施例和采样方法测量某电厂总排口可凝结颗粒物质量浓度，并同时用美国环保署标准方法进行对比。本发明的装置与方法能模拟污染源烟气排入大气中可凝结颗粒物的形成过程，测得的结果更接近真实排放。如图中所示可凝结颗粒物前体物总浓度为1.6mg·m-3，实际排放的可凝结颗粒物浓度应小于其前体物浓度，通过本实施例和采样方法测得可凝结颗粒物浓度为0.6±0.4mg·m-3，更接近真实排放。而美国环保署方法测得的结果高于可凝结颗粒物前体物浓度值，显著高估了可凝结颗粒物实际排放浓度，如上文所述，这是因为美国环保署方法在测量过程中由于水蒸汽过饱和冷凝成水吸收SO2等气体，导致测量结果偏高。
在本发明的采样装置与采样方法中，烟气先通过一个颗粒物分级装置，然后再一分两路，第一路烟气与稀释空气混合测定总颗粒物，第二路烟气测定烟气中可过滤颗粒物，可过滤颗粒物与总颗粒物同时测定，二者相减得可凝结颗粒物。
本发明的采样装置与采样方法使得可凝结颗粒物测量不受烟气中SO2的等气体干扰，且能模拟实际烟气排放进入大气环境后的混合降温过程。

Claims (10)

1.一种污染源可凝结颗粒物采样装置，包括：稀释空气流量计（7）、稀释空气颗粒物过滤装置（8）、稀释空气有机物和水汽去除装置（9）、稀释空气供气装置（10）、旁路气颗粒物过滤装置（11）、旁路气流量计（12）、旁路气抽气装置（13）、总颗粒物收集装置（14）、总颗粒物流量计（15）、总颗粒物抽气装置（16）和稀释腔体（17），其中稀释空气供气装置（10）、稀释空气有机物和水汽去除装置（9）、稀释空气颗粒物过滤装置（8）、稀释空气流量计（7）和稀释腔体（17）的稀释空气入口通过管路顺次相连；稀释腔体（17）的第一路混合气出口、旁路气颗粒物过滤装置（11）、旁路气流量计（12）和旁路气抽气装置（13）通过管路顺次相连；稀释腔体（17）的第二路混合气出口、总颗粒物收集装置（14）、总颗粒物流量计（15）、总颗粒物抽气装置（16）通过管路顺次相连；其特征在于，所述可凝结颗粒物采样装置还包括：颗粒物分级装置（1）、烟气管路（2）、可过滤颗粒物收集装置（4）、可过滤颗粒物流量计（5）、可过滤颗粒物抽气装置（6）和布气板（18）；其中，颗粒物分级装置（1）放置于固定污染源烟道内，颗粒物分级装置（1）通过烟气管路（2）分别与稀释腔体（17）内的布气板（18）和可过滤颗粒物收集装置（4）相连，布气板（18）与稀释腔体（17）滑动连接；
烟气通过加热保温的烟气管路（2），一分为二，第一路烟气进入布气板（18），第二路烟气进入保温加热的可过滤颗粒物收集装置（4）。
2.根据权利要求1所述的一种污染源可凝结颗粒物采样装置，其特征在于，所述烟气管路（2）和所述可过滤颗粒物收集装置（4）上附着有加热保温装置（3）的加热电阻丝，所述烟气管路（2）和所述可过滤颗粒物收集装置（4）的温度不小于烟气温度。
3.根据权利要求1所述的一种污染源可凝结颗粒物采样装置，其特征在于，所述颗粒物分级装置（1）为PM2.5颗粒物旋风采样器或者PM2.5颗粒物撞击器。
4.根据权利要求1所述的一种污染源可凝结颗粒物采样装置，其特征在于，所述可过滤颗粒物抽气装置（6）、所述旁路气抽气装置（13）和所述总颗粒物抽气装置（16）为气泵或风机。
5.根据权利要求1所述的一种污染源可凝结颗粒物采样装置，其特征在于，所述稀释空气供气装置（10）为空气压缩机、气瓶或风机。
6.根据权利要求1所述的一种污染源可凝结颗粒物采样装置，其特征在于，所述旁路气颗粒物过滤装置（11）为石英滤膜或者除石英滤膜外其他材料的颗粒物收集滤膜。
7.根据权利要求1所述的一种污染源可凝结颗粒物采样装置，其特征在于，所述布气板（18）为含有孔的不锈钢板，钢板上孔呈等面积分布，孔的尺寸范围从2mm至4mm。
8.一种如权利要求1所述一种污染源可凝结颗粒物采样装置的采样方法，其特征在于，所述采样方法为：
步骤1、烟气经颗粒物分级装置（1）去除大粒径颗粒物后，然后通过加热保温的烟气管路（2）并一分为二，第一路烟气进入布气板（18），第二路烟气进入保温加热的可过滤颗粒物收集装置（4）；
步骤2、第二路烟气中的颗粒物被全部收集到可过滤颗粒物收集装置（4）中的滤膜上，之后第二路烟气通过可过滤颗粒物流量计（5），到达可过滤颗粒物抽气装置（6）；
稀释空气供气装置（10）提供的稀释空气顺次经过稀释空气有机物和水汽去除装置（9）、稀释空气颗粒物过滤装置（8）和稀释空气流量计（7），进入稀释腔体（17），然后通过布气板（18）与第一路烟气混合；稀释空气与第一路烟气在稀释腔体（17）内充分混合降温；
步骤3、稀释空气与第一路烟气的混合气一分两路，第一路混合气作为旁路气顺次经过旁路气颗粒物过滤装置（11）、旁路气流量计（12）、旁路气抽气装置（13）；第二路混合气经过总颗粒物收集装置（14），第二路混合气中颗粒物被全部收集到总颗粒物收集装置（14）的滤膜上，之后第二路混合气通过总颗粒物流量计（15），到达总颗粒物抽气装置（16）；
步骤4、分别称量可过滤颗粒物收集装置（4）的滤膜和总颗粒物收集装置（14）的滤膜的增重，总颗粒物收集装置（14）的滤膜的增重减去可过滤颗粒物收集装置（4）的滤膜的增重，得到可凝结颗粒物的质量，再根据可过滤颗粒物流量计（5）或者总颗粒物流量计（15）的读数计算得到烟气中可凝结颗粒物的质量浓度。
9.根据权利要求8所述的采样方法，其特征在于，在所述步骤1之前，先将颗粒物分级装置（1）放置于固定污染源烟道内，同时加热保温装置（3）加热烟气管路（2）和可过滤颗粒物收集装置（4）。
10.根据权利要求8所述的采样方法，其特征在于，所述大粒径颗粒物的粒径＞2.5μm。
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