CN116296632A - 一种烟气痕量重金属半连续快速采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烟气痕量重金属半连续快速采样装置，属于污染物监测领域，该装置包括采样枪、集尘室、吸附室、抽气泵、缓冲室和排空阀，其中：采样枪与集尘室连接，用于采集采样烟气并送入集尘室；集尘室与吸附室连接，用于过滤采样烟气中的灰尘并送入吸附室；吸附室包括吸附管，吸附室通过抽气泵与缓冲室连接形成闭环回路，用于使采样烟气在吸附室与缓冲室之间循环，保证采样烟气中的重金属完全被吸附管吸附，以实现痕量金属测量；排空阀设置在抽气泵与缓冲室之间，用于排空吸附室与缓冲室内部的采样烟气。本发明可将小时级浓度值缩短为分钟级浓度值，极大缩短了烟气采样时间，提高采样结果的准确性和实时性，降低烟气重金属的检出限。

Description

一种烟气痕量重金属半连续快速采样装置

技术领域

本发明属于污染物监测领域，更具体地，涉及一种烟气痕量重金属半连续快速采样装置。

背景技术

重金属是对人体及环境具有重大危害性的污染物之一，重金属的过量摄入将导致人体器官紊乱、神经系统失常，轻则导致脱发、脱甲，重则导致水俣病、佝偻、偏瘫、脱甲等症状。自然界中重金属大部分位于土壤、岩石等地质结构中，少量随风化、火山喷发等活动进入大气环境，但人为活动极大加速了重金属的释放和迁移过程。目前，人类活动环境中的重金属大部分来源于各类固体燃料的燃烧，如煤、生活垃圾、工业垃圾、污泥等。在高温燃烧条件下，燃料中的重金属发生氧化、气化，以气态形式随燃烧烟气排入环境，进入大气循环体系，危害全球生物健康。必须对各类工业燃烧过程中的重金属排放进行严格控制，降低重金属污染物对人类生存的威胁。

燃烧烟气中重金属的监测是开展重金属排放控制的先决条件，与其他常规污染物不同，燃烧烟气中重金属污染物浓度极低(比SO₂、NO_x低2-6个数量级)，并且重金属种类复杂，性质各异，难以实现众多重金属元素的同时在线测量。目前重金属的监测思路为利用固/液介质实现烟气中重金属的富集，再对固/液介质中重金属浓度进行检验，进而获得烟气中重金属浓度。现有关于烟气重金属监测技术中，主要包括：(1)美国环境保护署公布的《METHOD29—DETERMINATION OF METALS EMISSIONS FROM STATIONARY SOURCES》中提出了一种固定源重金属排放测量方法，从污染源处等速抽取烟气样本，将颗粒物利用过滤器收集，然后将气态重金属利用酸性双氧水和酸性高锰酸钾溶液吸收，最后对回收的样品进行消解，实现对Sb、As、Ba、Be、Cd、Cr、Co、Cu、Pb、Mn、Ni、P、Se、Ag、Tl和Zn的测定，该方法基于溶液吸收原理实现重金属富集，受限于溶液吸收速率，吸收液的体积不可过低，导致该方法对重金属的检出限高，无法实现对痕量浓度重金属的测量(例如，该方法中汞的检出限为0.56μg/m³，硒的检出限为0.8μg/m³，砷的检出限为0.4μg/m³)；并且，该方法采样时间过长，每组测试需1～2h，无法实时反映烟气中重金属浓度的变化情况，导致该方法只可用于稳定烟气测量，无法监测炉膛负荷或燃料波动剧烈的场景；此外，该方法需使用多种化学吸收液(共7个吸收瓶)，操作流程复杂，对操作人员具有极高要求，否则将导致测量误差增大；(2)美国环境保护署另公布的《METHOD 30B—DETERMINATION OF TOTAL VAPOR PHASE MERCURYEMISSIONS FROM COAL-FIRED COMBUSTION SOURCES USING CARBON SORBENT TRAPS》中提出了一种利用碳基吸附阱进行燃煤源汞的测量方法，以适当的流速将烟气中烟囱或烟道中抽出，使汞在吸附阱上富集，进而对吸附阱进行消解测试以获得烟气中汞浓度，该方法仍存在以上类似的问题，受限于吸附阱的吸附速率，为实现采集烟气中汞的完全吸附，吸附阱的填充量不可过低，导致该方法的汞检出限较高，无法用于极低浓度场景；并且，该方法采样时间需1～2h，无法实时反映烟气中重金属变化情况；此外，该方法吸附阱位于采样枪顶部，采样时置于烟道内，导致需将采样枪完全从烟道中拔出，更换吸附阱后再重新安装采样枪，方可开始下一组测试，操作繁琐，且无法实现重金属的连续测量；(3)CN103822934A公布了一种烟道气体中重金属含量的在线检测装置及方法，利用X-射线荧光能谱法对烟道气体中的有害元素进行定性和定量分析，避免了化学方法测试的繁冗，同时测试精度达到ppm级别，通过设计带式活性过滤膜的材料可实现多种状态重金属的富集和检测；检测及时，且效率高，但该方法采用X射线荧光能谱法的原理进行测量，测量结果仅为颗粒表相重金属含量，无法获得体相(即颗粒物内部)重金属浓度值，测量结果存在一定局限性。

经研究发现，现有的烟气重金属监测技术中，主要存在以下问题：(1)重金属监测检出限高，无法实现对痕量浓度重金属的准确测量，特别是对于经过污染物净化装置之后的烟气，其含有的重金属浓度极大降低，但其重金属浓度值是评估该排放源重金属排放状况的关键参数，必须获得准确的痕量重金属排放值；(2)采样时间过长，取决于待测烟气中重金属浓度，现有方法需采集1～2h方可满足重金属测量所需量，相应的测量结果为该采样周期内的重金属浓度平均值，无法反应负荷快速波动和燃料切换场景下重金属的排放特性，测量数值的指导意义有限；(3)操作流程繁琐，仪器参数设置复杂，要求操作人员具有丰富的采样经验和较高的专业素养，否则将降低测量结果可靠性，且无法实现重金属连续测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种烟气痕量重金属半连续快速采样装置，旨在解决现有的烟气重金属监测中无法对痕量浓度重金属准确测量、采样时间长、操作流程繁琐的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种烟气痕量重金属半连续快速采样装置，该装置包括采样枪、集尘室、吸附室、抽气泵、缓冲室和排空阀，其中：所述采样枪与集尘室连接，用于伸入烟道采集采样烟气并送入集尘室；所述集尘室与吸附室连接，用于过滤采样烟气中的灰尘并送入吸附室；所述吸附室包括吸附管，用于吸附采样烟气中的重金属，同时所述吸附室通过抽气泵与缓冲室连接形成闭环回路，用于使采样烟气在吸附室与缓冲室之间循环，保证采样烟气中的重金属完全被所述吸附管吸附，以实现痕量金属测量；所述排空阀设置在抽气泵与缓冲室之间，用于排空吸附室与缓冲室内部的采样烟气。

作为进一步优选地，所述烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括检验吸附管，所述检验吸附管与排空阀连接，用于检验采样烟气中的重金属是否完全被吸附室吸附。

作为进一步优选地，所述烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括吹扫阀，所述吹扫阀设置在抽气泵与缓冲室之间，用于通入空气以对集尘室进行吹扫，同时所述吸附室还包括预设数量并联连接的吸附管、与吸附管并联连接的吸附管旁路和控制吸附室各管路开闭的多路电磁阀，正向测量时，开启吸附管，关闭吹扫阀、吸附管旁路；反向吹扫时，开启吹扫阀、吸附管旁路，关闭吸附管。

作为进一步优选地，所述采样枪包括采样枪头、采样枪管、保温套管、固定法兰盘和密封塞，其中所述采样枪头为弧形并且入口正对烟气来流方向；所述采样枪管的一端与采样枪头连接，其另一端与集尘室连接，以将采集的采样烟气送入集尘室；所述保温套管套设在采样枪管的外部，用于保证采样烟气温度；所述固定法兰盘和密封塞设置在保温管套的外部，用于与烟道连接并进行密封。

作为进一步优选地，所述集尘室包括加热箱以及设置在所述加热箱内部的集尘瓶、滤膜支架、滤膜，同时还包括集尘室进口阀、集尘室出口阀和集尘室排空阀，其中：所述加热箱用于维持采样烟气温度；所述集尘瓶和滤膜支架通过集尘室进口阀与采样枪连接，所述滤膜支架上安装有滤膜，用于对采样烟气进行除尘；同时所述滤膜支架通过集尘室出口阀与吸附室连接，以将除尘后的采样烟气送入吸附室；所述集尘室排空阀与集尘瓶连接，用于排空集尘瓶内部的气体。

作为进一步优选地，所示集尘瓶的进口和出口设置有单向挡板。

作为进一步优选地，所述烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括流量表，所述流量表与抽气泵连接，用于获取所述采样烟气的体积。

作为进一步优选地，所述烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括集中控制器，所述集中控制器分别与集尘室、吸附室、抽气泵流量表、吹扫阀、排空阀和检验吸附管连接，用于实现自动化测量。

作为进一步优选地，所述吸附管的吸附剂填充量为10～1000mg。

作为进一步优选地，所述抽气泵的流量为10～200L/min，所述缓冲室的容积为5～50L。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

有益效果：

1.本发明通过设置缓冲室和并列式吸附管，能够使得在闭路循环中使采样烟气中的气态重金属在吸附室中完全吸附，突破了现有烟气采样装置中由于吸附速率限制导致采样时间过长的瓶颈，可将小时级浓度值缩短为分钟级浓度值，极大缩短了烟气采样时间，提高采样结果的准确性和实时性，降低由操作人员经验、操作习惯等差异造成的采样偏差，同时该方法可以极大减少吸附剂用量，相应地提高吸附剂中重金属的富集浓度，降低烟气重金属的检出限；

2.同时，本发明通过设置检验吸附管，能够使每组采样烟气经闭路循环后排空时经过检验吸附管，根据检验吸附管中重金属富集浓度判定采样烟气中的重金属是否已经完全被吸附室富集，进而有效提高采样结果的可靠性；

3.此外，本发明通过设置吹扫阀和吸附管旁路，能够对集尘室进行反向吹扫，避免采样烟气中飞灰在滤膜上富集导致采样烟气流动阻力增大，同时减少滤膜飞灰对气态重金属吸附造成的干扰，确保采样装置长期连续稳定运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的烟气痕量重金属半连续快速采样装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中采样装置处于工作模式1的状态示意图；

图3是本发明实施例中采样装置处于工作模式2的状态示意图；

图4是本发明实施例中采样装置处于工作模式3的状态示意图；

图5是本发明实施例中采样装置处于工作模式4的状态示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1：采样枪，1-1：采样枪头，1-2：采样枪管，1-3：保温套管，1-4：固定法兰盘，1-5：密封塞，2：集尘室，2-1：集尘瓶，2-2：滤膜支架，2-3：滤膜，2-4：加热箱，2-5：进口阀，2-6：出口阀，2-7：排空阀，3：吸附室，3-1：吸附管，3-2：吸附管旁路，3-3：多路电磁阀，4：抽气泵，5：流量表，6：缓冲室，6-1：压力传感器，6-2：缓冲室进口阀，6-3：缓冲室出口阀，7：检验吸附管，8：排空阀，9：吹扫阀，10：集中控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明优选实施例提供了一种烟气痕量重金属半连续快速采样装置，该装置包括采样枪1、集尘室2、吸附室3、抽气泵4、缓冲室6和排空阀8，其中：采样枪1与集尘室2连接，用于伸入烟道采集采样烟气并送入集尘室2，采样枪1包括采样枪头1-1、采样枪管1-2、保温套管1-3、固定法兰盘1-4和密封塞1-5，其中采样枪头1-1为弧形并且入口正对烟气来流方向；采样枪管1-2的一端与采样枪头1-1连接，其另一端与集尘室2连接，以将采集的采样烟气送入集尘室2；保温套管1-3套设在采样枪管1-2的外部，用于保证采样烟气温度；固定法兰盘1-4和密封塞1-5设置在保温管套1-3的外部，用于与烟道连接并进行密封；

集尘室2与吸附室3连接，用于过滤采样烟气中的灰尘并送入吸附室3，集尘室2包括加热箱2-4以及设置在加热箱2-4内部的集尘瓶2-1、滤膜支架2-2、滤膜2-3，同时还包括集尘室进口阀2-5、集尘室出口阀2-7和集尘室排空阀2-6，加热箱2-4通过电加热使其内部空间达到预设温度，用于维持采样烟气温度；集尘瓶2-1和滤膜支架2-2通过集尘室进口阀2-5与采样枪1连接，滤膜2-3位于滤膜支架2-2内部并通过压块进行双向固定，滤膜2-3吸附面垂直于气体来流方向，集尘瓶2-1和滤膜支架2-2分别用于收集和吸附采样烟气中的灰尘；同时滤膜支架2-2通过集尘室出口阀2-7与吸附室3连接，以将除尘后的采样烟气送入吸附室3；集尘室排空阀2-6一端与集尘瓶2-1连接，其另一端与外界环境相通，用于排空集尘瓶2-1内部的气体；

吸附室3包括预设数量并联连接的吸附管3-1，每个吸附管3-1内填充吸附剂，用于吸附采样烟气中的重金属；同时吸附室3、抽气泵4、缓冲室进口阀6-2、缓冲室6、缓冲室出口阀6-3依次串联形成闭环回路，用于使采样烟气在吸附室3与缓冲室6之间循环，保证采样烟气中的重金属完全被吸附管3-1吸附，以实现痕量金属测量；排空阀8设置在抽气泵4与缓冲室6之间，用于排空吸附室3与缓冲室6内部的采样烟气。

本发明通过设置吸附室3、抽气泵4、流量表5、缓冲室6及相关管路，首先将采样烟气快速抽入缓冲室6，然后进行闭路循环使得采样烟气中的气态重金属在吸附室3中完全吸附，突破了现有烟气采样装置中由于吸附速率限制导致采样时间过长的瓶颈，可将小时级浓度值缩短为分钟级浓度值，极大缩短烟气采样时间，提高采样结果的针对性和实时性，降低由操作人员经验、操作习惯等差异造成的采样偏差，提高采样结果的可靠性；此外，该方法可以极大减少吸附剂用量，相应地提高吸附剂中重金属的富集浓度，降低烟气重金属的检出限，克服现有技术中的检出限高、采样时间长、操作流程繁琐、无法连续测量等缺点，尤其适用于对燃煤锅炉、垃圾焚烧炉、工业回转窑等产生、经污染物控制装置处理后的净烟气进行采样。

进一步，烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括检验吸附管7，检验吸附管7一端与排空阀8连接，其另一端与外界环境相通，按照正向测量时采样烟气的流动方向，检验吸附管7设置在排空阀8的后端，每组采样烟气经闭路循环后排空时需经过检验吸附管7，根据检验吸附管7中重金属富集浓度可判定采样烟气中的重金属是否已完全被吸附室3富集，可提高采样结果的可靠性。

进一步，烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括吹扫阀9，吹扫阀9设置在抽气泵4与缓冲室6之间，用于通入空气以对集尘室2进行吹扫，避免采样烟气中飞灰在滤膜2-3上富集导致采样烟气流动阻力增大，以及滤膜累积飞灰对气态重金属吸附造成的干扰，确保采样装置的长期连续稳定运行；同时吸附室3还包括与吸附管3-1并联连接的吸附管旁路3-2和控制吸附室3各管路开闭的多路电磁阀3-3，多路电磁阀3-3的一端与集尘室出口阀2-7和缓冲室出口阀6-3相连，另一端分别与各个吸附管3-1和吸附管旁路3-2的进口连接，正向测量时，开启吸附管3-1，关闭吹扫阀9和吸附管旁路3-2，反向吹扫时，开启吹扫阀9、吸附管旁路3-2，关闭吸附管3-1。

进一步，集尘瓶2-1的进口和出口设置有单向挡板，确保灰尘只可单向进入集尘瓶2-1，无法被气流吹出，其中，正向测量时集尘瓶2-1出口的单向挡板能够避免灰尘被气流吹出集尘瓶2-1，逆向吹扫时集尘瓶2-1进口的单向挡板能够避免灰尘被气流吹出集尘瓶2-1。

进一步，烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括流量表5，流量表5与抽气泵4连接，用于获取采样烟气的体积；缓冲室6内壁布置有压力传感器6-1，用于监测缓冲室6内部的压力情况，避免压力过高导致操作风险增加。

进一步，烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括集中控制器10，集中控制器10分别与集尘室2、吸附室3、抽气泵4、流量表5、吹扫阀9、排空阀8和检验吸附管7连接，用于实现自动化测量，可半连续自动长期运行；具体地，集中控制器10与保温套管1-3、加热箱2-4、集尘室排空阀2-6、集尘室出口阀2-7、多路电磁阀3-3、抽气泵4、流量表5、吹扫阀9、排空阀8、缓冲室进口阀6-2、缓冲室出口阀6-3、压力传感器6-1连接，用于监测和控制以上各部件的工作状态，从而实现采样装置工作状态的自动切换和连续运行。本发明中所有动作部件(如抽气泵4、各个阀门、各个加热部件等)与监测部件(压力传感器6-1、流量表5、各个温度传感器等)均由集中控制器10进行统一控制，通过预先设置各器件的运行参数、切换逻辑和判定条件，实现采样装置的全自动运行，操作简便，减轻人工工作量，同时极大降低由操作人员经验、操作习惯等差异造成的采样偏差，提高采样结果的可靠性。

进一步，采样枪头1-1与采样枪管1-2均与采样烟气直接接触，为防止烟气重金属在采样过程中与管壁发生化学反应或物理吸附，因选取表面光洁度高、惰性的硅酸盐玻璃或石英玻璃为管壁材质。

保温套管1-3外壁和固定法兰盘1-4的材质为304不锈钢、309不锈钢、310不锈钢、316不锈钢中的一种。保温套管1-3外壁和固定法兰盘1-4均长期放置于高温烟道中，烟气中含有腐蚀性气体如SO₂、HCl等，故应选取耐腐蚀性能优异的材料作为管壁材质，综合考虑耐腐蚀性能与材料成本，优选为316不锈钢。保温套管1-3内层布置有电加热带与隔热材料。密封塞1-5的材质为芳纶、石棉、氢化丁腈橡胶、氟橡胶中的一种，以防止烟气从采样孔中外溢对采样人员造成伤害，或外界空气被吸入造成烟气组分偏差，需设置所述密封塞1-5实现烟道与外界的隔离，所述密封塞1-5需要在酸性高温烟气中长期保存优异密封性能，综合考虑材料成本与密封性能，优选为芳纶。

缓冲室6的材质为聚四氟乙烯、石英玻璃或316不锈钢中的一种，缓冲室6是采样烟气的临时过渡空间，缓冲室材质需对重金属呈惰性，不可导致采样烟气中重金属的形态及浓度改变，且需具备一定的承压性能，综合考虑材料的化学性质、耐压强度、密度及成本，优选为聚四氟乙烯。

吸附管3-1中吸附剂类型为普通活性炭、载氯活性炭、载溴活性炭、载碘活性炭、生物焦、分子筛、钙基吸附剂、铁基吸附剂、铝基吸附剂、金属有机骨架材料中的一种或几种，优选为载溴活性炭或钙基吸附剂。本采样装置的基本原理是利用吸附剂将采样烟气中痕量浓度重金属富集，通过测量吸附剂中重金属的含量而计算得到采样烟气中重金属的浓度，吸附剂的类型是决定其对重金属富集能力、以及确定吸附剂填充量、循环吸附时间的关键因素，不同吸附剂对重金属的吸附特异性不同，需根据待测重金属的种类及浓度，合理选择吸附剂类型或类型组合，如普通活性炭适用于吸附汞、砷、硒、铅，载氯活性炭、载溴活性炭和载碘活性炭适用于吸附汞，生物焦适用于吸附铬、镉，分子筛适用于吸附锑，钙基吸附剂适用于吸附砷、硒，铁基吸附剂适用于吸附硒，铝基吸附剂适用于吸附硒、铅，金属有机骨架材料适用于吸附汞、硒、铅等。对于同一目标重金属，可能多种吸附剂均有吸附效果，但其吸附速率、吸附容量及吸附剂价格存在差异，需根据实际采样需求合理配置。

进一步，吸附管3-1中吸附剂填充量为10～1000mg，吸附剂填充量决定了吸附剂对流经烟气中重金属的捕集效果，相同采样烟气体积和烟气重金属浓度的条件下，吸附剂填充量增加可提高对烟气中重金属的捕集效果，减少烟气循环次数及循环时间，但同时，吸附剂中重金属的相对含量降低，使得重金属测量误差及难度增大，反之，吸附剂填充量减小可以提高吸附剂中重金属的相对含量，利于后续分析测量，需根据实际采样需求确定合适的吸附剂填充量。

抽气泵4的流量为10～200L/min，抽气流量影响采样烟气在采样管道内的流速，进而影响采样烟气在吸附管内的停留时间，相同采样烟气体积的条件下，降低流速可以提高吸附剂对重金属的捕集效果，但会导致采样时间延长，需根据实际采样需求确定合适的吸附剂填充量。

缓冲室6的容积为5～50L，缓冲室6是烟气的临时过渡空间，其体积主要取决于待采样烟气体积，并与缓冲室的耐压强度及重量有关，相同采样烟气体积的条件下，增大缓冲室6体积可降低运行过程中气体压力，但其占地空间及重量增大，不利于采样装置的搬运及安装，根据实际采样需求确定合适的缓冲室容积。

进一步，采样枪1的布置点(即测点)可为烟气净化设备中选择性催化还原装置进出口、干式除尘器进出口、脱硫系统进出口、湿式除尘器进出口、烟囱出口之一，优选为湿式除尘器出口或烟囱出口。本发明提出的采样方法特点在于可实现痕量浓度重金属的测量，特别适用于经过烟气净化装置处理、重金属浓度较低的测点，此外，本发明需保持采样管道温度略高于烟气温度，若测点处于高温区域，采样管道需采用耐热性能更高的材料，设备成本将增加，因此，优选为湿式除尘器出口或烟囱出口。

进一步，为避免重金属在采样管道及器件内循环流动过程中发生冷凝，吸附室3、缓冲室6、吹扫阀9、排空阀2-7、检验吸附管7及所连接管路均设置有电加热温控器件，以维持全程气流温度恒定，综合考虑重金属冷凝温度和材料耐热性能，设定温度高于测点处烟气温度+5～10℃。同时，为避免重金属在采样枪1中发生冷凝，综合考虑重金属冷凝温度和材料耐热性能，采样枪管1-2保温温度高于测点处烟气温度+5～10℃。

如图2～5所示，利用本发明提供的烟气痕量重金属半连续快速采样装置进行重金属采样试验具体步骤如下，图中实线管路表示该模式下烟气流经管路，箭头表示烟气流向，虚线管路表示该模式下烟气不会流经的管路：

(a)选取烟气测点，开启烟道测孔法兰，将采样枪1插入烟道，采样枪头1-1进口正对烟气来流方向，利用密封塞1-5实现采样枪1与烟道测孔壁间的密封，防止烟气向外逃逸或空气进入烟道，将固定法兰盘1-4与烟道测孔法兰底座通过螺栓连接，实现采样枪1的固定；

(b)按照图1所示，将采样枪1与集尘室2、吸附室3、抽气泵4、流量表5、缓冲室6、缓冲室进口阀6-2、缓冲室出口阀6-3、吹扫阀9、排空阀8、检验吸附管7和集中控制器10连接，连接管路为聚四氟乙烯材质，避免气态重金属在管壁上的吸附；

(c)启动保温套管1-3、加热箱2-4、吸附室3、缓冲室6、吹扫阀9、排空阀8、检验吸附管7及所有连接管路的电加热器件，设定温度为高于测点处烟气温度+5～10℃；

(d)安装吸附管3-1，每个吸附管3-1单独与多路电磁阀3-3的一条通路连接，吸附管3-1内有预先装填的吸附剂，安装检验吸附管7；

(e)待步骤(c)中所有器件温度达到设定温度并稳定后，检查装置气密性，确保装置漏气率＜0.1％；

(f)通过集中控制器启动采样装置，集中控制器的控制逻辑如下：

模式1：如图2所示，开启集尘室进口阀2-5，开启集尘室出口阀2-7，关闭集尘室排空阀2-6，多路电磁阀3-3连接至一路吸附管3-1，开启缓冲室进口阀6-2，关闭缓冲室出口阀6-3，关闭排空阀8，关闭吹扫阀9，抽气泵4正向工作(烟气由吸附室流至流量表)；

该模式下，利用抽气泵4将采样烟气经集尘室3除尘后，抽至缓冲室6中储存，该步骤中抽气泵4工作流量为10～200L/min，可在数分钟内抽集足够的采样烟气以满足后续分析测试需要，由于采样烟气抽取流速大，采样烟气与滤膜2-3上飞灰的接触时间短，可以显著降低滤膜2-3飞灰对气态重金属的吸附，但同时导致气态重金属无法被吸附室3完全捕集，仍有部分以气态形式存在于缓冲室6中；

模式2：如图3所示，关闭集尘室进口阀2-5、集尘室出口阀2-7、集尘室排空阀2-6，多路电磁阀3-3连接至一路吸附管3-1，开启缓冲室进口阀6-2、缓冲室出口阀6-3，关闭排空阀8、吹扫阀9，抽气泵4正向工作(采样烟气由吸附室流至流量表)；

该模式下，吸附室3、抽气泵4、流量表5、缓冲室6等构成闭路，利用抽气泵4将缓冲室6内的采样烟气抽出并进行内循环，在采样烟气每次流经吸附室3时，其携带的气态重金属将在吸附室3中被逐步吸附，经过数次循环后，闭路内的气态重金属完全进入吸附室3，富集于吸附剂上；

模式3：如图4所示，关闭集尘室进口阀2-5、集尘室出口阀2-7、集尘室排空阀2-6，多路电磁阀3-3连接至一路吸附管3-1，关闭缓冲室进口阀6-2，开启缓冲室出口阀6-3、排空阀8，关闭吹扫阀9，抽气泵4正向工作(采样烟气由吸附室流至流量表)；

该模式中，利用抽气泵4将缓冲室6及管路内的采样烟气排空，采样烟气排空前经过检验吸附管7，若采样烟气中有少量残留的气态重金属，将在检验吸附管7中富集；

模式4：如图5所示，关闭集尘室进口阀2-5，开启集尘室出口阀2-7、集尘室排空阀2-6，多路电磁阀3-3连接至吸附管旁路3-2，关闭缓冲室进口阀6-2、缓冲室出口阀6-3、排空阀8，开启吹扫阀9，抽气泵4反向工作(采样烟气由流量表流至吸附室)；

该模式中，利用抽气泵4反向工作，将外界空气抽入，经过吸附室旁路3-2后进入集尘室2，对滤膜进行反向吹扫，使其表面拦截的灰尘进入集尘瓶2-1，减少滤膜2-3表面的灰尘附着量，以避免对下一组气态重金属采样的干扰，吹扫气经集尘室排空阀2-6排出。

各模式下器件工作状态如下表所示：

表1各模式下器件工作状态

以上模式顺序循环工作，各模式工作时间根据采样烟气重金属浓度、采样烟气含尘量、吸附剂填充量、抽气泵4流量、缓冲室6体积等确定，每轮循环结束后，多路电磁阀3-3自动切换至下一个新鲜的吸附管3-1，等待开始下一组测量；

(g)根据实际需求，周期性采样工作结束或吸附管3-1耗尽后，由操作人员更换吸附管3-1及检验吸附管7，检查气密性无误后，重复步骤(f)；

(h)采集后的吸附管3-1及检验吸附管7经消解测试后，利用电感耦合等离子体质谱、电感耦合等离子体发射光谱仪、原子荧光光谱仪、原子吸收光谱仪等仪器检测其重金属含量，若检验吸附管7中重金属含量低于吸附管3-1中重金属含量的5％，则表示采样结果有效，反之，需增大步骤(f)中模式2时间或增大阵列式吸附管3-1中吸附剂填充量；

(i)采样烟气重金属浓度计算方法：

第n个吸附管3-1工作时，吸附管3-1内吸附剂填充量为m，模式1启动时流量表5示数为V₁，模式1结束时流量表5示数为V₂，经实验室消解测试，第n个吸附管3-1内吸附剂中重金属M的质量浓度为q，则该组采样时间内，采样烟气中气态重金属M的平均质量浓度C为：

C＝mq/(V₂-V₁)

以上各物理量的单位为，m：mg，V₁、V₂：L，q：μg/g，C：μg/m³；

以上步骤中，(a)～(e)为采样装置首次安装时进行，待装置正常工作后，采样人员重复步骤(f)～(i)即可。

按照以上步骤，可实现烟气痕量重金属半连续快速采样，具有采样快速、实时性好、检出限低、可长期连续稳定运行、采样结果可靠、操作简便等优点。

下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。

实施例1

应用对象：某燃煤烟气，待测重金属种类与预估浓度范围为：汞(0.05～0.1μg/m³)，测点为烟囱出口，含尘量1mg/m³，烟温50℃。

装置参数：采样枪管与采样枪头材质为硼硅酸盐玻璃，密封塞材质为芳纶，吸附管中吸附剂为载溴活性炭，填充量为15mg，抽气泵流量为50L/min，缓冲室材质为聚四氟乙烯，容积为10L，吸附室、缓冲室、吹扫阀、排空阀、检验吸附管及所有连接管路设定温度为55℃，采样枪管保温温度为55℃。

操作流程：按照上述步骤(a)～(e)进行采样装置的安装，按照上述步骤(f)～(i)进行连续采样，其中步骤(f)中模式1持续时间为1分钟，模式2持续时间为3分钟，模式3持续时间为1分钟，模式4持续时间为1分钟。

采样测试结果：每1小时采样一次，1日内共采集24次，得到烟气中汞浓度为0.053～0.086μg/m³，平均值为0.069μg/m³。

实施例2

应用对象：某燃煤烟气，待测重金属种类与预估浓度范围为：硒(0.02～0.2μg/m³)，测点为烟囱出口，含尘量0.6mg/m³，烟温34℃。

装置参数：采样枪管与采样枪头材质为硼硅酸盐玻璃，密封塞材质为氟橡胶，吸附管中吸附剂为钙基吸附剂，填充量为20mg，抽气泵流量为40L/min，缓冲室材质为聚四氟乙烯，容积为15L，吸附室、缓冲室、吹扫阀、排空阀、检验吸附管及所有连接管路设定温度为50℃，采样枪管保温温度为50℃。

操作流程：按照上述步骤(a)～(e)进行采样装置的安装，按照上述步骤(f)～(i)进行连续采样，其中步骤(f)中模式1持续时间为3分钟，模式2持续时间为3分钟，模式3持续时间为3分钟，模式4持续时间为1分钟。

采样测试结果：每0.5小时采样一次，1日内共采集48次，得到烟气中硒浓度为0.065～0.098μg/m³，平均值为0.087μg/m³。

实施例3

应用对象：某垃圾焚烧烟气，待测重金属种类与预估浓度范围为：汞(0.5～1μg/m³)，锑(0.1～1μg/m³)，测点为脱硫装置出口，含尘量5mg/m³，烟温58℃。

装置参数：采样枪管与采样枪头材质为硼硅酸盐玻璃，密封塞材质为芳纶，吸附管中吸附剂为载氯活性炭和分子筛，填充量为100mg，抽气泵流量为180L/min，缓冲室材质为聚四氟乙烯，容积为45L，吸附室、缓冲室、吹扫阀、排空阀、检验吸附管及所有连接管路设定温度为65℃，采样枪管保温温度为65℃。

操作流程：按照上述步骤(a)～(e)进行采样装置的安装，按照上述步骤(f)～(i)进行连续采样，其中步骤(f)中模式1持续时间为2分钟，模式2持续时间为3分钟，模式3持续时间为2分钟，模式4持续时间为2分钟。

采样测试结果：每1小时采样一次，1日内共采集24次，得到烟气中汞浓度为0.564～0.875μg/m³，平均值为0.765μg/m³，锑浓度为0.234～0.452μg/m³，平均值为0.329μg/m³。

实施例4

应用对象：某污泥焚烧烟气，待测重金属种类与预估浓度范围为：砷(0.5～1μg/m³)，测点为脱硫系统进口，含尘量30mg/m³，烟温130℃。

装置参数：采样枪管与采样枪头材质为石英玻璃，密封塞材质为石棉，吸附管中吸附剂为铁基吸附剂，填充量为800mg，抽气泵流量为120L/min，缓冲室材质为石英玻璃，容积为40L，吸附室、缓冲室、吹扫阀、排空阀、检验吸附管及所有连接管路设定温度为135℃，采样枪管保温温度为135℃。

操作流程：按照上述步骤(a)～(e)进行采样装置的安装，按照上述步骤(f)～(i)进行连续采样，其中步骤(f)中模式1持续时间为2分钟，模式2持续时间为3分钟，模式3持续时间为2分钟，模式4持续时间为5分钟。

采样测试结果：每0.25小时采样一次，1日内共采集96次，得到烟气中砷浓度为0.657～0.965μg/m³，平均值为0.852μg/m³。

如此，利用本发明的烟气痕量重金属半连续采样装置，根据待测烟气性质及重金属特性，通过选取合适的器件材料、吸附剂种类/填充量、运行参数及各工作模式，可以实现对烟气中多种极低浓度重金属的准确采集及测量，具有采样快速、实时性好、检出限低、可长期连续稳定运行、采样结果可靠性强、操作简便等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，该装置包括采样枪(1)、集尘室(2)、吸附室(3)、抽气泵(4)、缓冲室(6)和排空阀(8)，其中：所述采样枪(1)与集尘室(2)连接，用于伸入烟道采集采样烟气并送入集尘室(2)；所述集尘室(2)与吸附室(3)连接，用于过滤采样烟气中的灰尘并送入吸附室(3)；所述吸附室(3)包括吸附管(3-1)，用于吸附采样烟气中的重金属，同时所述吸附室(3)通过抽气泵(4)与缓冲室(6)连接形成闭环回路，用于使采样烟气在吸附室(3)与缓冲室(6)之间循环，保证采样烟气中的重金属完全被所述吸附管(3-1)吸附，以实现痕量金属测量；所述排空阀(8)设置在抽气泵(4)与缓冲室(6)之间，用于排空吸附室(3)与缓冲室(6)内部的采样烟气。

2.如权利要求1所述的烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，所述烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括检验吸附管(7)，所述检验吸附管(7)与排空阀(8)连接，用于检验采样烟气中的重金属是否完全被吸附室(3)吸附。

3.如权利要求1所述的烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，所述烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括吹扫阀(9)，所述吹扫阀(9)设置在抽气泵(4)与缓冲室(6)之间，用于通入空气以对集尘室(2)进行吹扫，同时所述吸附室(3)还包括预设数量并联连接的吸附管(3-1)、与吸附管(3-1)并联连接的吸附管旁路(3-2)和控制吸附室(3)各管路开闭的多路电磁阀(3-3)，正向测量时，开启吸附管(3-1)，关闭吹扫阀(9)、吸附管旁路(3-2)；反向吹扫时，开启吹扫阀(9)、吸附管旁路(3-2)，关闭吸附管(3-1)。

4.如权利要求1所述的烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，所述采样枪(1)包括采样枪头(1-1)、采样枪管(1-2)、保温套管(1-3)、固定法兰盘(1-4)和密封塞(1-5)，其中所述采样枪头(1-1)为弧形并且入口正对烟气来流方向；所述采样枪管(1-2)的一端与采样枪头(1-1)连接，其另一端与集尘室(2)连接，以将采集的采样烟气送入集尘室(2)；所述保温套管(1-3)套设在采样枪管(1-2)的外部，用于保证采样烟气温度；所述固定法兰盘(1-4)和密封塞(1-5)设置在保温管套(1-3)的外部，用于与烟道连接并进行密封。

5.如权利要求1所述的烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，所述集尘室(2)包括加热箱(2-4)以及设置在所述加热箱(2-4)内部的集尘瓶(2-1)、滤膜支架(2-2)、滤膜(2-3)，同时还包括集尘室进口阀(2-5)、集尘室出口阀(2-7)和集尘室排空阀(2-6)，其中：所述加热箱(2-4)用于维持采样烟气温度；所述集尘瓶(2-1)和滤膜支架(2-2)通过集尘室进口阀(2-5)与采样枪(1)连接，所述滤膜支架(2-2)上安装有滤膜(2-3)，用于对采样烟气进行除尘；同时所述滤膜支架(2-2)通过集尘室出口阀(2-7)与吸附室(3)连接，以将除尘后的采样烟气送入吸附室(3)；所述集尘室排空阀(2-6)与集尘瓶(2-1)连接，用于排空集尘瓶(2-1)内部的气体。

6.如权利要求5所述的烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，所示集尘瓶(2-1)的进口和出口设置有单向挡板。

7.如权利要求1～6任一项所述的烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，所述烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括流量表(5)，所述流量表(5)与抽气泵(4)连接，用于获取所述采样烟气的体积。

8.如权利要求7所述的烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，所述烟气痕量重金属半连续快速采样装置还包括集中控制器(10)，所述集中控制器(10)分别与集尘室(2)、吸附室(3)、抽气泵(4)流量表(5)、吹扫阀(9)、排空阀(8)和检验吸附管(7)连接，用于实现自动化测量。

9.如权利要求1所述的烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，所述吸附管(3-1)的吸附剂填充量为10～1000mg。

10.如权利要求1所述的烟气痕量重金属半连续快速采样装置，其特征在于，所述抽气泵(4)的流量为10～200L/min，所述缓冲室(6)的容积为5～50L。

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