CN207215523U - 废气中总颗粒物的采样装置 - Google Patents

Abstract

一种废气中总颗粒物的采样装置，所述采样装置包括通过连接管线依次连接的组合加热采样枪、烟气冷凝器、烟气缓冲器、CPM‑F滤膜夹、烟气干燥器、流量传感器、流量自动跟踪调节装置和抽气装置。本实用新型适用于低浓度FPM排放水平下高湿废气中总颗粒物的测定，可以准确评估高湿废气中颗粒物的实际排放水平，特别是细颗粒物的排放情况。

Description

废气中总颗粒物的采样装置

技术领域

本实用新型属于环境监测领域，具体涉及一种废气中总颗粒物的采样装置。

背景技术

近年来以大气颗粒物为特征的区域性复合型污染日益严重，大气环境污染问题已引起公众的空前关注。有研究认为以燃煤为主的火力发电和工业锅炉是导致区域性复合污染的主要原因之一，并已引起国内外学者对燃烧源细颗粒物排放研究的广泛关注。通过对典型固定污染源颗粒物排放水平及其排放特征进行实测分析，可以探讨不同燃料锅炉、不同烟气净化措施对颗粒物的排放水平及粒径分布的影响，从而为评估烟气净化工艺治理效果和分析大气环境颗粒物的来源与成因提供技术支撑和基础依据。相关研究和文献表明：污染源中的颗粒物包含可过滤颗粒物(Filterable Particulate Matters，FPM)和可凝聚颗粒物(Condensable Particulate Matters，CPM)。在较高FPM排放水平下，由于颗粒物的碰撞、合并、聚合反应，CPM的含量水平及占比均较低，但在低浓度FPM排放水平下的高湿废气中，特别是含有水溶性组分的高湿废气，其CPM的含量水平及占比将显著提高。

我国现有固定污染源排气中颗粒物监测方法均参照《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T 16157-1996)，以及即将发布的国标《固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法》，这两个标准只能采集到FPM，均不能采集CPM，从而严重低估了高湿废气排放到大气环境中颗粒物的实际排放水平。

这两个标准均在正式采样前初步测定烟气含湿量，不能完全反映测试期间烟气的实际含湿量，存在一定误差。另外，GB/T16157采样时使用滤筒，因滤筒装卸引起的碎屑损失，而造成FPM测试误差。

在现有技术中，沉积在采样嘴及采样管前段(滤膜前端)的FPM颗粒物未回收，造成FPM测试结果误差；在CPM-F滤膜夹之后用超纯水吸收烟气中的其他水溶性组分作为CPM的一部分，扩大了CPM的测定范围，造成CPM测试结果偏高。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种废气中总颗粒物的采样装置，适用于高湿废气中低浓度排放总颗粒物的采样。

本实用新型所述的采样装置包括通过连接管线依次连接的组合加热采样枪、气体冷凝器、气体缓冲器、CPM-F滤膜夹、气体干燥器、流量传感器、流量自动跟踪调节装置和抽气装置，其中所述组合加热采样枪的前端设置有FPM滤膜夹，所述气体冷凝器连接有冷凝水收集瓶。

优选地，所述气体缓冲器包括热电偶温度计。

优选地，所述采样装置还包括循环水制冷与动力控制系统，用于调节控制气体冷凝器循环水水温并为气体冷凝器循环冷却水提供动力。

优选地，所述采样装置还包括S型皮托管平行测速装置。

优选地，所述组合加热采样枪由采样枪和与之平行放置的S型皮托管、热电偶温度计固定在一起组成。

优选地，所述采样枪包括封装的FPM一体式采样头和采样管主体。

优选地，所述封装的FPM一体式采样头由FPM一体式采样头、FPM滤膜、不锈钢托网和密封铝圈整体封装而成。

优选地，所述FPM一体式采样头包括整体制成的采样嘴、前弯管和FPM滤膜夹上半部分。

与现有技术相比，本实用新型所述的技术方案具有以下优点：

(1)本实用新型提供的CPM的采样装置适用于低浓度FPM排放水平下高湿废气中可凝聚颗粒物的采样和测定，可以准确评估高湿废气中总颗粒物的实际排放水平，特别是细颗粒物的排放情况；

(2)本实用新型提供了采样期间烟气含湿量进行准确评估的方法，可真实反映高湿废气中实际含湿量水平，进而更准确评估烟气标干排气量和颗粒物的排放速率；

(3)本实用新型以封装的FPM一体式采样头替换国内普遍使用的滤筒采样装置，减少了因滤筒装卸引起的碎屑损失及避免了对沉积在采样嘴及采样管前段(滤膜前端)的FPM颗粒物的忽略，而造成FPM测试误差。

(4)本实用新型以循环水制冷与动力控制系统代替了普遍使用的水浴装置，有利于稳定控制烟气冷凝器出口烟温，确保烟气中水汽的冷凝和CPM-F的稳定生成。

附图说明

图1是本实用新型的废气中总颗粒物的采样装置示意图；

图2是本实用新型的FPM一体式采样头封装示意图。

图中附图标记含义如下：1-FPM滤膜夹；2-加热采样枪；3-热电偶温度计；4-CPM-F滤膜夹；5-烟气干燥器；6-流量传感器；7-流量自动跟踪调节装置；8-抽气装置；9-S型皮托管平行测速装置；10-烟气冷凝器；11-冷凝水收集瓶；12-循环水制冷与动力控制系统；13-烟气缓冲器；14-FPM一体式采样头；15-FPM滤膜；16-不锈钢托网；17-密封铝圈。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型所述的采样装置利用等速采样原理，将一定量的含尘烟气在抽气泵的作用下在烟道内通过滤膜捕集可过滤颗粒物，透过滤膜后的烟气经过加热至120℃的采样枪后，进入烟气冷凝器快速冷却至≤30℃，烟气中的无机或有机蒸汽通过直接冷凝或反应生成可过滤的可凝聚颗粒物，重新被颗粒物捕集装置捕集，最后烟气经干燥器后由抽气泵排出。烟气冷凝过程中产生的冷凝水用收集瓶收集。

固定污染源废气中的颗粒物包括可过滤颗粒物和可凝聚颗粒物，而可凝聚颗粒物又包含可过滤的可凝聚颗粒物(CPM-F)和烟气冷凝过程中产生的冷凝水中的溶解性总固体(CPM-D)。根据采集到的颗粒物的质量和所抽取的标干气体量，计算出排气中颗粒物的排放浓度。

本实用新型所述的高湿废气是指固定污染源排放的烟气含湿量≥4.5％的废气。

本实用新型所述的颗粒物(Particulate Matters)是指燃料和其他物质在燃烧、合成、分解以及各种物料在机械处理中所产生的悬浮于排放气体中的固体和液体颗粒状物质。

本实用新型所述的可过滤颗粒物(Filterable Particulate Matters，FPM)是指由固定污染源直接排放的在烟道和排放状态下为固态或液态，可以在烟道采样过程中被滤膜捕获的颗粒物。

本实用新型所述的可凝聚颗粒物(Condensable Particulate Matters，CPM)是指由固定污染源直接排放的在烟道内和排放状态下为蒸汽状态，并在烟道采样过程中不能被滤膜捕获，而从烟道内排出、经降温后会直接冷凝或通过反应生成的液态或固态颗粒物。

本实用新型所述的标准状态下的干排气(Dry Flue Gas of StandardConditions)是指在温度为273K，压力为101.325kPa条件下不含水分的排气。

本实用新型所述的等速采样(Isokihetic Sampling)是指将采样嘴置于测点上，且采样嘴平面正对排气气流，并使进入采样嘴的气流速度与测点处的烟气流速相等。

本实用新型中的采样原则为：

等速采样：由于颗粒物具有一定的质量，其在烟道中因自身运动的惯性作用，不能完全随气流改变方向，为了从烟道中取得有代表性的颗粒物样品，需等速采样，即在测点处进入采样嘴的气体流速应与测点处的烟气流速相等，其相对误差应在10％以内。

多点采样：由于颗粒物在烟道中分布不均匀，为了从烟道内取得有代表性的颗粒物样品，必须在烟道监测断面上按照GB/T16157和HJ/T397规定的规则进行多点采样。

如图1所示，本实用新型所述的采样装置包括通过连接管线依次连接的组合加热采样枪2、烟气冷凝器10、烟气缓冲器13、CPM-F滤膜夹4、烟气干燥器5、流量传感器6、流量自动跟踪调节装置7、抽气装置8。组合加热采样枪2的前端设置有FPM滤膜夹1。烟气冷凝器10连接有冷凝水收集瓶11，循环水制冷与动力控制系统12调节控制烟气冷凝器循环水水温并为烟气冷凝器循环冷却水提供动力。采样装置还包括S型皮托管平行测速装置9。

组合加热采样枪2由普通型采样枪和与之平行放置的S型皮托管、热电偶温度计固定在一起组成。

普通型采样枪由采样嘴、前弯管、FPM滤膜夹、FPM滤膜与采样管主体等部分组成，其中采样嘴、前弯管和FPM滤膜夹上半部分制成一个整体，称作FPM一体式采样头14。FPM一体式采样头的内外表面应平滑，采样嘴至滤膜夹的采样管内表面不得有急剧的截面变化，FPM一体式采样头可与FPM滤膜15、不锈钢托网16和密封铝圈17按照图2所示封装为一个整体，得到封装的FPM一体式采样头，其整体质量不超过20g，且密封良好。

组合加热采样枪2应可在颗粒物捕集装置后至烟气冷凝器10前全程伴热，以防止蒸汽在管路中冷凝。伴热温度应可调，温度最高可到180℃，温度控制精度为±5℃。为避免静电对采样器的影响，采样枪应具有接地功能。

烟气冷凝器10可将烟气温度快速冷却至≤30℃，烟气冷凝过程中形成的冷凝水由冷凝水收集瓶11收集。

烟气冷凝器10与烟气缓冲器13应由耐腐蚀性、无反应性、无分解性的稳定材质制成，总体积不少于1.5L。

CPM滤膜夹4内设置有用于捕集可过滤的可凝聚颗粒物的滤膜。

烟气干燥器5内装变色硅胶。

热电偶温度计3的测量精度为±3℃。

冷凝水收集瓶11由耐腐蚀性、无反应性、无分解性的稳定材质制成，规格为250mL。

FPM滤膜夹和CPM-F滤膜夹中的滤膜由石英或玻璃纤维制成，直径为47±0.25mm，对0.3μm的标准粒子的捕集效率应不低于99％。

下面是利用所述采样装置进行采样并进行测定的详细步骤。

一、监测准备

1、玻璃器皿和采样枪的准备

a.用于测试和分析的玻璃器皿(冷凝水收集瓶和烧杯或蒸发皿)、采样枪、FPM一体式采样头、不锈钢托网与密封铝圈在首次使用前，应先分别经过肥皂水、自来水、去离子水、丙酮，最后用正己烷依次润洗，以清洗污渍和溶解去除硅树脂、油脂等。

b.经清洗后的采样枪置于通风处自然风干或吹干。

c.经清洗后的玻璃器皿、FPM一体式采样头、不锈钢托网与密封铝圈，置于300℃烘箱内烘1h后，于干燥器内冷却至室温。

d.用感重为0.01g的分析天平称量冷凝水收集瓶的质量，精确到0.01g，并编号记录。

e.清洗干燥后的蒸发皿或烧杯称量至恒重，编号并记录称量结果。

2、滤膜的准备

a.将滤膜置于300℃马弗炉中烘烤1h后，置于干燥器内冷却至室温。

b.将处理后的FPM一体式采样头14、FPM滤膜15、不锈钢托网16和密封铝圈17如图2所示封装一体，封装时滤膜的绒面应朝向采样嘴方向。

c.处理后的CPM-F滤膜和封装的FPM一体式采样头在干燥器中平衡不少于24h后，用感重为0.01mg的分析天平进行称量直至恒重，称量时间间隔不少于1h，并记录其重量。同一CPM-F滤膜或封装的FPM一体式采样头前后两次称重结果之差小于0.2mg为满足恒重要求。

d.将已称量的封装的FPM一体式采样头置于密封塑料袋内保存，并进行编号和记录称量结果。

e.将已称量的CPM-F滤膜置于滤膜盒内保存，并进行编号和记录称量结果。采样前CPM-F滤膜不得弯曲、折叠或损毁。

3、采样系统气密性检查

a.用橡胶管将组合加热采样枪的皮托管与主机相应接口连接，用聚四氟乙烯管将组合加热采样枪的采样管和烟气冷凝与缓冲器、CPM-F滤膜夹、烟气干燥器及主机等相应接口按图1所示依次连接。

b.依次将封装的FPM一体式采样头和CPM-F滤膜分别安装在组合加热采样枪的采样管与CPM-F滤膜夹上。

c.将已安装好封装的FPM一体式采样头的采样管进口堵严，打开抽气泵，调节抽气泵进口阀门，使采样系统中的真空压力表负压指示为6.7kPa时，抽气泵流量不大于600mL/min或关闭抽气泵及抽气泵进口后0.5min内真空压力表的示值下降不超过0.2kPa，则视为采样系统不漏气。

二、采样步骤

1、采样前准备

a.监测人员采样前应先核查排污单位的生产工况并记录相关排污工艺的生产负荷。采样期间的工况应与当时正常生产时的工况相同，排污单位人员和监测人员不得随意改变当时的运行工况。

b.打开采样孔并清理采样孔处的积灰，测量并记录测试烟道的尺寸。

c.读取测试现场的大气压，并记录。

d.对采样系统进行连接和气密性检查。检漏合格的采样系统方可用于采样。

e.将组合加热采样枪的加热电缆连接电源，启动加热装置，调节加热温度为120℃。

f.将烟气冷凝与缓冲器的循环水进出口分别和循环水制冷与动力控制系统的相应接口连接。

2、排气参数的测定

排气温度的测定：将热电偶温度计探头插入烟道中的测点处，封闭测孔，待温度计读数稳定后读数，并记录。

烟气含湿量的测定：测定方法有重量法、冷凝法、干湿球温度计法等。在采样前初步测定烟气含湿量。

3、样品的采集

a.接通仪器主机电源，自检完毕后，输入日期、时间、大气压、管道尺寸、排气烟温、烟气含湿量等参数，并对仪器压力测量单元进行零点校准；

b.按照仪器计算出的采样点的位置在组合加热采样枪相应位置做好标记；

c.依次将称量好并已编号的封装的FPM一体式采样头、冷凝水收集瓶和CPM-F滤膜按要求安装在采样系统中，并记录相应编号；

d.启动循环水泵，使烟气冷凝器充满循环冷却水；

e.设定每个采样点的采样时间，输入封装的FPM一体式采样头的编号，将组合加热采样枪采样嘴背对气流插入烟道中第一个采样点处，密封采样孔；

f.启动抽气泵，并迅速调整组合加热采样枪使其采样嘴平面正对气流，开始采样。第一个采样点采样时间结束后，立即将组合加热采样枪移至第二个采样点继续采样，依次类推，直至采样结束；

g.采样期间随时调整循环水制冷功率，观察和记录烟气冷凝器出口烟气温度，使冷凝器出口烟温≤30℃，并保持烟气温度在20～30℃之间；

h.采样结束后，将采样枪从烟道内小心取出，取下封装的FPM一体式采样头，将其放入相应编号的密封袋内保存，并用镊子将CPM-F滤膜从CPM-F滤膜夹中取出，上口折封或对折后放入相应编号的滤膜保存盒中保存；

i.轻轻振击烟气冷凝器，使冷凝器管壁上的冷凝水全部进入收集瓶，然后取下冷凝水收集瓶，旋紧瓶盖密封；

j.将贴有标签的样品置于低温洁净的冷藏箱中送回实验室，并于7日内完成样品分析；

k.用仪器保存并打印原始采样数据记录。

其他监测要求包括：

采样频次按照国家有关污染源监测技术规范的规定执行；

每组样品标干采气体积不少于1m³，且采样时间不少于45min；

多点采样时，每个采样点采样时间应相同并不少于3min；

采样时采气流量应以20～30L/min为宜。

4、样品分析程序

滤膜的分析：

用蘸有丙酮的脱脂棉对采样后封装的FPM一体式采样头外表面进行擦拭清洗，清洗过程应在通风橱中进行；清洗后的封装FPM一体式采样头和CPM-F滤膜先置于干燥器内干燥至少24h，再称量至恒重，记录称量结果，计算得到可过滤颗粒物和可过滤的可凝聚颗粒物的质量。

冷凝水的分析：

用感重为0.01g的分析天平称量盛有冷凝水的收集瓶的质量，精确至0.01g，计算和记录采样过程收集的冷凝水的质量，并计算和修正烟气含湿量；将收集的冷凝水转移至已标号和称重的蒸发皿或烧杯内，将蒸发皿或烧杯置于105℃烘箱内蒸至近干，然后将蒸发皿或烧杯移入干燥器内冷却干燥至少24h；将蒸发皿或烧杯称量至恒重，计算和记录蒸发皿或烧杯的增重，得到溶解性的可凝聚颗粒物的质量。

5、监测结果的计算与表示

a.采样期间固定污染源排气中含湿量(冷凝法)按式(1)进行计算：

X_sw＝[1.24m_w+(P_v×V_nd)/(B_a+P_r)]/(1.24m_w+V_nd)×100； (1)

式中：X_sw为固定污染源排气中的含湿量(水分的体积百分数)，％；B_a为大气压，kPa；m_w为收集的冷凝水质量，g；P_r为流量计前气体压力，kPa；P_v为冷凝器出口的饱和水蒸气压力，kPa，V_nd为标准状态下干采气体积，L；1.24为标准状态下，1g水蒸气所占有的体积，L。

b.标准状态下干排气流量按式(2)计算：

Q_sn＝Q’_sn×(1-X_sw)/(1-X′_sw)； (2)

式中：Q_sn为标准状态下的干排气流量，m³/h；Q’_sn为测量仪器采样后输出的标准状态下的干排气流量，m³/h；X’_sw为采样前初测的烟气含湿量，％。

c.颗粒物的排放浓度按式(3)计算：

ρ＝[m(FPM)+m(CPM-F)+m(CPM-D)]/V_nd×10⁶； (3)

式中：ρ为标准状态下颗粒物的排放浓度，mg/m³；m(FPM)、m(CPM-F)、m(CPM-D)分别为可过滤颗粒物、可过滤的可凝聚颗粒物和溶解性的可凝聚颗粒物的质量，g。

d.颗粒物排放速率按式(4)计算：

G＝ρ×Q_sn×10^-6； (4)

式中：G为颗粒物的排放速率，kg/h。

上述计算结果保留至小数点后1位。

本实用新型适用于可过滤颗粒物排放浓度低于50mg/m³(标准状态干排气浓度)且烟气含湿量≥4.5％时，固定污染源高湿废气中总颗粒物的采样和测定。当标干采样体积为1m³时，方法检出限为1.0mg/m³(标准状态干排气浓度)。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种废气中总颗粒物的采样装置，其特征在于：包括通过连接管线依次连接的组合加热采样枪、气体冷凝器、气体缓冲器、CPM-F滤膜夹、气体干燥器、流量传感器、流量自动跟踪调节装置和抽气装置，其中所述组合加热采样枪的前端设置有FPM滤膜夹，所述气体冷凝器连接有冷凝水收集瓶。

2.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于：所述采样装置还包括循环水制冷与动力控制系统，用于调节控制气体冷凝器循环水水温并为气体冷凝器循环冷却水提供动力。

3.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于：所述采样装置还包括S型皮托管平行测速装置。

4.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于：所述气体缓冲器包括热电偶温度计。

5.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于：所述组合加热采样枪由采样枪和与之平行放置的S型皮托管、热电偶温度计固定在一起组成。

6.如权利要求5所述的采样装置，其特征在于：所述采样枪包括封装的FPM一体式采样头和采样管主体。

7.如权利要求6所述的采样装置，其特征在于：所述封装的FPM一体式采样头由FPM一体式采样头、FPM滤膜、不锈钢托网和密封铝圈整体封装而成。

8.如权利要求7所述的采样装置，其特征在于：所述FPM一体式采样头包括整体制成的采样嘴、前弯管和FPM滤膜夹上半部分。