CN113432930B - 一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种烟囱气态流出物中Po‑210代表性取样系统及方法，属于放射性物质取样技术领域，所述系统包括多孔取样管和固态气溶胶取样器，多孔取样管一端用于连接烟囱取样点从烟囱烟气中进行Po‑210取样，另一端连接固态气溶胶取样器，烟气经固态气溶胶取样器过滤后分为第一气路和第二气路，第一气路上依次设置有用于吸收气态Po‑210的三级级联吸收装置和第一流量调节阀，第二气路上设置有第二流量调节阀，两路烟气合流后进入机械泵。本发明所述系统及方法为直接获得燃煤电厂Po‑210排放数据提供相关技术，弥补燃煤电厂辐射环境影响评价中关键核素Po‑210排放数据的缺失。

Description

一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统及方法

技术领域

本发明属于放射性物质取样技术领域，具体涉及一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统及方法。

背景技术

发电过程中的电离辐射影响最初主要是针对核能发电，然而随着对各种自然产生放射性物质(NORM)行业的深入认识，其他发电技术的辐射影响也在陆续的得到关注，其中燃煤发电作为全世界最为主要的一项电力来源，其造成的辐射影响是较早开始研究的。燃煤电厂对公众的辐射影响主要来源于烟囱排放的气态流出物以及煤灰渣的回收再利用。随着对燃煤电厂辐射影响的不断深入研究，发现了一些之前评价过程中没有考虑的问题(如对Pb-210和Po-210等易挥发核素在燃煤电厂的辐射影响中的作用)，2008年、2010年UNSCEAR多次建议重新对燃煤电厂的辐射影响进行评价。我国也在潘自强院士的领导下对整个煤电链的辐射影响开展研究。

燃煤电厂对周围环境放射性水平的影响主要是由于煤中含有的天然放射性核素(其中以U-238系核素为主)通过锅炉高温燃烧后随着飞灰进入后端烟尘处理系统中，少量的飞灰会逃离燃煤电厂的烟尘处理系统从而通过烟囱排放到大气环境中。从烟囱中排放出去的天然放射性核素主要为低沸点的核素，例如Po-210和Pb-210，以及其他放射性核素。Po-210是钋最为普遍的一种同位素，属于极毒组放射性核素，半衰期为138天。铅是燃煤电厂颗粒物排放中需要监测的一种重金属，一直受到人们的关注，而Pb-210作为一种高毒组放射性核素，半衰期为22.3年，在燃煤电厂的辐射影响评价中也不容忽视。这类低沸点的核素在飞灰中具有更高的富集因子，UNSCEAR1988年的报告中也指出，从烟囱排放的烟尘中各种放射性核素浓度可到达如下水平，265Bq/kg(K-40)、200Bq/kg(U-238)、240Bq/kg(Ra-226)、930Bq/kg(Pb-210)、1700Bq/kg(Po-210)、70Bq/kg(Th-232)，相较于其他放射性核素的富集程度，Pb-210和Po-210是它们的3倍和5倍左右。

因此关注燃煤电厂产生的低沸点天然放射性核素对于客观地评价燃煤电厂对环境的辐射影响具有重要的意义。当前大部分针对燃煤电厂放射性水平的研究关注的核素都是不易挥发的核素，例如U-238和Th-232等，但是对例如Po-210和Pb-210的易挥发核素的研究相对较少，基本以估算为主。此外，由于Po-210和Pb-210经过高温过程后极易富集在小粒径气溶胶上，在烟囱取样分析过程中很难完全捕集，目前缺少有效的取样方法。

发明内容

针对现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统及方法，为直接获得燃煤电厂Po-210排放数据提供相关技术，弥补燃煤电厂辐射环境影响评价中关键核素Po-210排放数据的缺失。

为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：

一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，包括多孔取样管和固态气溶胶取样器，所述多孔取样管一端用于连接烟囱取样点从烟囱烟气中进行Po-210取样，另一端连接所述固态气溶胶取样器，烟气经所述固态气溶胶取样器过滤后分为第一气路和第二气路，所述第一气路上依次设置有用于吸收气态Po-210的三级级联吸收装置和第一流量调节阀，所述第二气路上设置有第二流量调节阀，两路烟气合流后进入机械泵。

进一步的，如上所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，所述多孔取样管的材料为钢衬塑，外形为两端开口的中空圆管，管壁上设置有多个取样嘴，所述多个取样嘴在一条直线上且沿管轴向呈对称分布，所述多个取样嘴位于等面积同心圆环中线上。

进一步的，如上所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，所述固态气溶胶取样器的取样滤膜材料为醋酸纤维滤膜，所述取样滤膜对0.3μm气溶胶捕集效率高于99.9％。

进一步的，如上所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，所述三级级联吸收装置包括一级吸收瓶、二级吸收瓶和三级吸收瓶，每级吸收瓶内盛有吸收溶液，每级吸收瓶口设有进气管和出气管，每级吸收瓶的出气管与相邻吸收瓶的进气管相连通。

进一步的，如上所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，所述吸收溶液为盐酸，浓度为2mol/L。

进一步的，如上所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，依据所述三级级联吸收装置对气态Po-210的捕集效率确定所述各级吸收瓶内吸收溶液的体积。

进一步的，如上所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，在所述第一气路上还设置有第一气水分离器和第一流量计，所述第一气水分离器位于所述三级级联吸收装置出口端，所述第一流量计位于所述第一流量调节阀出口端。

进一步的，如上所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，在所述机械泵进口端依次设置有第二气水分离器和第二流量计。

本发明还提供了基于上述系统的一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样方法，包括以下步骤：

S1、采用烟气流速测量仪对烟囱烟气流速进行实时测量，获得的参数包括烟气流速、压力和温湿度；

S2、将烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统连接到烟囱取样点，保证多孔取样管取样嘴入口气流方向与被取样气流的方向一致；

S3、根据实测流速设置总取样流速和三级级联吸收装置的流速，设置完成后开始取样；

S4、取样过程中，当气水分离器中的硅胶超过3/4已经变色，则暂停取样，更换硅胶；

S5、取样结束后，先关闭第一流量调节阀，再关闭系统电源。

进一步，如上所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样方法，基于所述总取样流速确定总取样时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)采用多孔取样管对烟囱中Po-210进行代表性取样；

2)利用三级级联吸收装置实现气态Po-210取样；

3)采用气水分离器对经过滤膜和三级级联装置后的气体进行干燥，以保护流量计和机械泵；

4)该系统同样适用于钢铁厂、水泥厂等经过高温工艺产生的Po-210通过烟囱排放情况下的取样。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统的架构示意图；

图2为图1所述系统中多孔取样管的截面图；

图3为图1所述系统中固态气溶胶取样器结构示意图；

图4为图1所述系统中三级级联吸收装置结构示意图；

图5为本发明具体实施方式中一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样方法流程图；

其中，1-多孔取样管，2-固态气溶胶取样器，3-三级级联吸收装置，4-第一流量调节阀，5-第二流量调节阀，6-第一气水分离器,7-第二气水分离器，8-第一流量计，9-第二流量计，10-机械泵。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明具体实施方式中一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统的架构示意图，由图中可以看出，该系统包括多孔取样管1、固态气溶胶取样器2、三级级联吸收装置3、第一流量调节阀4、第二流量调节阀5、第一气水分离器6、第二气水分离器7、第一流量计8、第二流量计9和机械泵10。

多孔取样管1一端连接烟囱取样点从烟囱烟气中进行Po-210取样，另一端连接固态气溶胶取样器2收集富集在固态气溶胶上的Po-210，取样气体经固态气溶胶取样器2过滤后分为两个支路，第一支路气体首先经过三级级联吸收装置3收集烟气中存在的气态Po-210，再经过第一气水分离器6、第一流量调节阀4和第一流量计8后达到合流点，第二支路气体经第二流量调节阀5后与第一支路气体汇合，两路气体合流后再依次经第二气水分离器7和第二流量计9进入机械泵10。

根据HJ/T22-1998《气载放射性物质取样一般规定》，非同流态取样引起的误差主要有：当取样头的取样流速小于被取样气流的速度时，大粒子将穿越流线进入取样头，于是样品的浓度大于气流的实际浓度，由于收集到的大粒子超过了它们的实际数目，使得样品的粒度分布也将产生偏离；反之当取样速度大于被取样气流的速度时，其结果则相反。

当具备下述三个条件时，进入取样头内的气流其流线畸变最小：

a、取样头设计符合空气动力学原理，使得取样头本身不引起原气流的扰动；

b、取样头入口气流方向与被取样气流的方向一致；

c、取样气流的速度值与被取样气流的速度值相等。

本发明所述的多孔取样管1即根据以上原则而设计，图2示出了图1所述系统中多孔取样管1的截面图，为了保证取样的代表性，以多孔取样管1的截面等面积圆环中心分别作为取样点，即多个取样点在一条直线上且沿管轴向呈对称分布，以对称轴为中心画多个同心圆环，每个圆环面积相等，取样点即位于每个圆环的中线上。当取样系统连接到烟囱取样点时，多孔取样管1的取样点对称轴线与烟囱轴线重合，保证了取样位置的对称性。多孔取样管采用钢衬塑材料，以减少对Po-210的吸附。

固态气溶胶取样器2的结构如图3所示，固态气溶胶取样器包括固态气溶胶取样器壳体，壳体具有进气口和出气口，壳体内设置有取样滤膜。固态气溶胶取样器壳体使用不锈钢304L材料加工而成，外表面抛光处理，易于防污和清洗；气路设计满足气溶胶颗粒的均匀分布原则；取样滤膜选取醋酸纤维滤膜，对0.3μm气溶胶捕集效率高于99.9％。

由于烟气中存在一部分气态Po-210，因此在固态气溶胶取样器后设置一个三级级联吸收装置3对气态Po-210进行捕集。三级级联吸收装置3的结构如图4所示，包括一级吸收瓶、二级吸收瓶和三级吸收瓶，每级吸收瓶内盛有吸收溶液，每级吸收瓶口设有一进气管和一出气管，一级吸收瓶的出气管与二级吸收瓶的进气管相连通，二级吸收瓶的出气管与三级吸收瓶的进气管相连通，烟气从一级吸收瓶的进气管进入三级级联吸收装置，依次经三道吸收溶液后，从三级吸收瓶的出气管排出。本实施例中，三级级联吸收装置内的吸收溶液为盐酸，浓度为2mol/L，经试验证明，当各级吸收瓶内吸收溶液的体积依次为700ml、500ml和300ml时，该三级级联吸收装置对气态Po-210的捕集效率可达90％以上。

第一气水分离器6和第二气水分离器7分别用于对经过三级级联吸收装置3和固态气溶胶取样器2后的气体进行干燥，以防止水气对流量计和机械泵造成损坏。

第一流量计8用于测量第一气路的实时流量和累积流量，第二流量计9用于测量总气路的实时流量和累积流量。

机械泵10用于为从烟气中取得Po-210提供动力。

基于上述系统，本发明实施方式中还提供了一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样方法，如图5所示，该方法主要包括以下步骤：

S1、利用烟气流速测量仪对烟囱烟气流速进行实时测量，获得烟气流速、压力、温湿度等参数。

S2、将取样系统连接到烟囱取样点。

多孔取样管每个取样嘴入口气流方向与被取样气流的方向需保持一致。

S3、根据实测流速设置总取样流速和三级级联吸收装置的流速，设置完成后开始取样。

为了保证气态物质与三级级联吸收装置的吸收溶液充分接触，本实施例中利用分流阀控制三级级联吸收装置的流速在1m³/h。

总取样流速根据烟囱实时监测的烟气流速进行控制，以保证取样的代表性。总取样时间需根据总取样流速来确定，如针对600MWe发电功率的燃煤电厂Po-210取样，总体积应大于10m³。

同时，由于烟气中湿度较大，因此应在2-3h左右观察气水分离器的状态，如气水分离器中的硅胶超过3/4已经变色，则需要暂停取样，更换硅胶。

S4、取样结束后，先关闭三级级联吸收装置所在支路的第一流量调节阀4，防止发生倒吸，然后再关闭系统。

本发明提供的系统及方法采用多孔取样管对烟囱中Po-210进行代表性取样，采用三级级联吸收装置实现气态Po-210取样，弥补了国内在烟气中Po-210直接取样的不足，为直接获得燃煤电厂等类似工艺烟囱中Po-210排放数据提供相关技术，为燃煤电厂辐射环境评价中关键核素数据的获取提供了有效的取样技术。该系统同样适用于钢铁厂、水泥厂等经过高温工艺产生的Po-210通过烟囱排放情况下的取样。

本领域技术人员应该明白，本发明所述系统及方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，其特征在于，包括多孔取样管（1）和固态气溶胶取样器（2），所述多孔取样管（1）一端连接烟囱取样点从烟囱烟气中进行Po-210取样，另一端连接所述固态气溶胶取样器（2），烟气经所述固态气溶胶取样器（2）过滤后分为第一气路和第二气路，所述第一气路上依次设置有用于吸收气态Po-210的三级级联吸收装置（3）和第一流量调节阀（4），所述第二气路上设置有第二流量调节阀（5），两路烟气合流后进入机械泵（10）;所述多孔取样管（1）的材料为钢衬塑，外形为两端开口的中空圆管，管壁上设置有多个取样嘴，所述多个取样嘴在一条直线上且沿管轴向呈对称分布，所述多个取样嘴位于等面积同心圆环中线上;所述固态气溶胶取样器（2）的取样滤膜材料为醋酸纤维滤膜，所述取样滤膜对0.3μm气溶胶捕集效率高于99.9%，所述三级级联吸收装置（3）包括一级吸收瓶、二级吸收瓶和三级吸收瓶，每级吸收瓶内盛有吸收溶液，所述吸收溶液为盐酸，浓度为2mol/L，每级吸收瓶口设有进气管和出气管，每级吸收瓶的出气管与相邻吸收瓶的进气管相连通。

2.根据权利要求1所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，其特征在于，依据所述三级级联吸收装置（3）对气态Po-210的捕集效率确定各级吸收瓶内吸收溶液的体积。

3.根据权利要求1所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，其特征在于，在所述第一气路上还设置有第一气水分离器（6）和第一流量计（8），所述第一气水分离器（6）位于所述三级级联吸收装置（3）出口端，所述第一流量计（8）位于所述第一流量调节阀（4）出口端。

4.根据权利要求3所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统，其特征在于，在所述机械泵（10）进口端依次设置有第二气水分离器（7）和第二流量计（9）。

5.基于权利要求1-4任一项所述系统的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样方法，包括以下步骤：

S1、采用烟气流速测量仪对烟囱烟气流速进行实时测量，获得的参数包括烟气流速、压力和温湿度；

S2、将烟囱气态流出物中Po-210代表性取样系统连接到烟囱取样点，多孔取样管取样嘴入口气流方向与被取样气流的方向一致；

S3、根据实测流速设置总取样流速和三级级联吸收装置的流速，设置完成后开始取样；

S4、取样过程中，当气水分离器中的硅胶超过3/4已经变色，则暂停取样，更换硅胶；

S5、取样结束后，先关闭第一流量调节阀，再关闭系统电源。

6.根据权利要求5所述的烟囱气态流出物中Po-210代表性取样方法，其特征在于，基于所述总取样流速确定总取样时间。

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