CN211148199U - 一种火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，适用于超低排放改造后或烟羽治理改造后烟气排放总颗粒物排放情况的检测，以及设备对颗粒物脱除性能的检测。该采样装置主要包括沿烟气流向依次设置的采样装置、冷凝装置、除湿装置、计量装置和采样泵；所述采样装置包括采样头和加热采样枪；采样头由采样嘴和一级过滤膜组合而成；所述冷凝装置和除湿装置之间还设置有二级过滤膜；所述冷凝装置采用两级串联式结构，两级冷凝装置分别设有水浴控温装置；所述两级冷凝装置之间设有强化相变系统，用于向进入后级冷凝装置的烟气中添加水蒸气，增加烟气湿度，提高对总颗粒物捕集率。本实用新型的装置可实现对总颗粒物的科学、准确、全面的测试。

Description

一种火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置

技术领域：

本实用新型涉及固定源烟气测试领域，特别地涉及一种基于源环境的火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置。其中低浓度总颗粒物指可过滤颗粒物浓度在 50mg/m³(含50mg/m³)以内的颗粒物。

背景技术：

细颗粒物是对当前区域性复合大气污染贡献最大的污染物。解决区域大气环境问题，必须首先掌握这些颗粒物的生成、排放的详细信息，尤其不应遗漏重要污染源所排放的细颗粒物信息。科学监测火电厂烟气中颗粒物浓度，全面掌握火电厂所排放一次颗粒物浓度水平和排放量，对区域复合型大气雾霾污染治理意义重大。

可过滤颗粒物(Filterable Particulate Matter，FPM)是在烟道内呈固态或者液态的、并能够被采样滤筒/滤膜所捕集的一类颗粒物。这一部分颗粒物在固定源测试标准中有明确的测试规范，当前的环境统计公报或监测报告所披露的火电厂颗粒物排放数据都指的是可过滤颗粒物。

自火电厂全面推进超低排放改造，干式除尘器后烟气中颗粒物浓度大幅降低，可过滤颗粒物浓度绝大部分情况下在50mg/m³以内。但烟气脱硫超低排放改造和脱硝超低排放改造均有可能增加可逃逸颗粒物排放，并且该类颗粒物在污染源所排放总颗粒物中占比迅速增加。可逃逸颗粒物(Penetrating Particulate Matter，PPM) 是指在固定污染源排气中在采样过程中能够穿透采样过滤材质而逃逸到大气中形成液态或固态颗粒物的污染物(不包含烟气中SO₂、NOx等气态污染物在大气环境中二次转化形成的颗粒物)。PPM作为环境空气中PM_2.5的重要前体物，已有研究证明它在特定气象条件下对雾霾形成有着重要影响。

只有全面测试总颗粒物(包括FPM和PPM)浓度，才能完整测算燃煤源一次颗粒物的环境排放量，才能得到完整的、科学的火电厂颗粒物排放清单。

为推动火电行业大气污染深度治理，自湿烟羽治理改造以来，电厂烟气实际排放条件也发生了较大变化：经干式除尘器后烟气中的可过滤颗粒物浓度进一步下降(大部分在5mg/m³以内)；烟气排放温度从40℃～90℃不等；不同点位的烟气湿度也从3％到17％不等。实际测试环境的变化必然要求测试方法跟进创新，以便于对不同污染治理设备的颗粒物脱除效果进行对比。

发明内容：

本实用新型提供一种基于源环境的火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，适用于超低排放改造后或烟羽治理改造后烟气排放总颗粒物排放情况的检测，以及设备对颗粒物脱除性能的检测。

本实用新型的具体技术方案如下：

一种火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，主要包括沿烟气流向依次设置的采样装置、冷凝装置、除湿装置、计量装置和采样泵；所述采样装置包括采样头和加热采样枪；采样头由采样嘴和一级过滤膜组合而成；所述冷凝装置和除湿装置之间还设置有二级过滤膜；所述冷凝装置采用两级串联式结构，两级冷凝装置分别设有水浴控温装置；所述两级冷凝装置之间设有强化相变系统，用于向进入后级冷凝装置的烟气中添加水蒸气，增加烟气湿度，提高对总颗粒物捕集率。

优选地，两级冷凝装置均设有螺旋冷凝管和冲击瓶，其中螺旋冷凝管竖直设置在冲击瓶上方，并经连接管连接。

优选地，两级冷凝装置中，螺旋冷凝管均采用泵循环方式对内管进行水浴控温，冲击瓶均采用水浴槽控温。

优选地，两级冷凝装置中，螺旋冷凝管的内管直径为6～8mm，内管延展长度为3～5米。

优选地，所述强化相变系统包括前后连通的射流混合器和相变室，射流混合器设有两个入口和一个出口，两个入口分别用于接入蒸汽和连接前级冷凝装置，相变室设有混合气出口用于连接后级冷凝装置。连接蒸汽的入口或直接接入一个蒸汽发生器。蒸汽发生器的蒸汽用于电加热汽化超纯水，蒸汽品质要求：蒸汽用水为超纯水(电阻率达到18MΩ*cm(25℃))，蒸汽温度范围为120℃±2℃。

优选地，加热采样枪管采用外衬加热套管结构。

优选地，所述一级过滤膜采用石英膜或PTFE膜；对于直径为0.3μm的标准粒子，一级过滤器的捕集效率应大于99.5％。

优选地，二级过滤膜采用倒置式过滤膜装置，滤膜材质为PTFE膜；对于直径为0.3μm的标准粒子，二级过滤器的捕集效率应大于99.5％。

优选地，还包括氮气吹脱装置；

优选地，所述计量装置包括压力计和干式流量计；

优选地，所述冲击瓶均采用干式球形冲击瓶。

一种对火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样的方法，该方法采用上述装置，主要包括以下步骤：装置控温、开启采样泵及添加蒸汽、停止采样及收集样品、称重及计算；

添加蒸汽时，控制进入后级冷凝装置的烟气含水量在34g/m³～46g/m³(干气条件下)；加热采样枪管的加热温度控制在120℃±5℃；前级冷凝装置的水浴控温为60℃-80℃；后级冷凝装置的水浴控温为25℃-30℃。

收集样品包括一级过滤膜、二次过滤膜上的颗粒物，以及一级过滤膜和二次过滤膜之间各连接组件上的颗粒物。

优选地，采样为等速跟踪采样，两级螺旋管内烟气流速均控制在2.5～3.5m/s；控制烟气在强化相变系统中停留时间不少于10秒。

优选地，添加蒸汽时，蒸汽添加流量控制在1g/min～10g/min，蒸汽品质要求：蒸汽用水为超纯水(电阻率达到18MΩ*cm(25℃))，蒸汽温度范围为120℃±2℃。

优选地，称重时，对于一级、二级过滤膜上捕集的颗粒物，均在恒温恒湿装置中干燥至恒重后计量。

优选地，在冷凝装置的循环水浴系统里，循环水泵采用最大扬程设计为3.5 米～4.5米的水泵。

添加蒸汽时，根据测试的基础烟气参数中的烟气湿度，来计算强化相变系统所需的蒸汽添加量，以便控制进入后级冷凝装置的烟气含水量在34g/m³～46g/m³。

通过设计相变室的尺寸，例如相变室的长宽高不小于600mm*50mm*50mm，可使相变室中烟气中颗粒物和蒸汽充分混合，烟气在强化相变系统中停留时间不少于10秒，确保烟气在强化相变系统中有足够的停留时间充分凝结长大。

为实现两级螺旋管内烟气流速均控制在2.5～3.5m/s，通过螺旋冷凝管的内管直径为6～8mm，可实现上述流速的控制；内管延展长度为3～5米，可实现对PPM 的充分冷凝。

本申请针中所述可过滤颗粒物浓度在50mg/m³以内的总颗粒物(称之为“低浓度总颗粒物”)采样，既要有针对避免凝结不充分造成逃逸损失的措施创新，也要有对细颗粒物不易捕集而采取强化干预的技术创新，还要对装置结构进行优化创新，以满足在火电厂深度净化装置性能测试中，以及在火电厂颗粒物排放清单更新中，对低浓度总颗粒物测试数据的支撑需求。

本实用新型相比现有技术具有如下优点：

1、现有技术中忽视了烟气中SO₃、铵盐等吸湿性较强污染物在急冷条件下无法充分冷凝而造成的逃逸现象，忽视了温度达到冷凝要求但实际烟气中污染物并未冷凝充分的情况，忽视了对部分金属离子穿透二级过滤膜现象。本实用新型的方法可用于不同烟气湿度、不同烟气温度的源环境下测量低浓度总颗粒物的浓度，避免了因冷凝温度控制不当、含湿量低、金属离子随水穿透滤膜对总颗粒物测试带来的负误差。

2、本实用新型的方法基于源环境的烟道内采样，采用加热采样枪导出烟气，采样过程中对采样枪和冷凝装置进行合理控温，加热温度控制在烟气露点以上，抑制可逃逸颗粒物的吸附、损失，避免了稀释采样法对可逃逸颗粒物的吸附损失。

3、本实用新型采样方法通过两级冷凝装置分开控温的方式对可逃逸颗粒物冷凝捕集，该方法能促进脱硫脱硝次生颗粒物以及原煤燃烧过程所形成细颗粒物的凝结、成核、碰撞聚并，避免了因吸湿性较强的可逃逸颗粒物在冷凝过程中形成细小粒子造成的逃逸量过大，从而降低测试结果的误差。

4、本实用新型的测试方法是通过向烟气中添加蒸汽，对低湿度烟气中可逃逸颗粒物进行强化冷凝，有效抑制了因水汽不足造成的SO₃、NH₃等可逃逸颗粒物无法充分凝结而逃逸情况。该方法能适应实际烟气条件下不同的烟气湿度和烟气温度的可逃逸颗粒物捕集。

5、本实用新型中二级滤膜采取倒置膜结构，采用PTFE膜作为二级滤膜，有效抑制了Ca²⁺、Mg²⁺等离子的穿透损失。

6、本实用新型采用两组冷凝装置回收冷凝的PPM颗粒物，通过合理设计内管延展长度，控制内管管径进而控制内管中烟气流速。确保采样烟气在两级冷凝装置中的停留时间不少于5秒，实现有效捕集。

附图说明：

图1为实例中火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置示意图(也作摘要附图)；

图1中：1-一体化采样头；2-加热采样枪；3-皮托管；4-前级螺旋冷凝管； 5-控温循环水浴锅；6-循环水泵；7-冲击瓶；8-温度计；9-蒸汽发生器；10-强化相变系统；11-控温循环水浴锅；12-循环水泵；13-后级螺旋冷凝管；14-冲击瓶； 15-二级滤膜；16-温度计；17-干燥器；18-压力计；19-干式气体流量计；20-采样泵；

图2为实例一的中倒置式过滤膜装置结构；

图2中，1-入口烟气；2-PPM过滤膜；3-膜托；4-出口烟气；

图3为实例一的强化相变系统的结构；

图3中，1-蒸汽入口连接环；2-烟气入口连接环；3-射流混合器；4-相变室； 5-混合气出口连接环。

图4为实例一的氮气吹扫装置结构；

图4中，1-高纯氮气瓶；2-减压阀；3-流量控制装置；4-连接O型环；5-螺旋冷凝管；6-长颈撞击瓶；7-排气口。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本实用新型的火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，包括沿烟气流依次连接的采样装置、冷凝装置、二级过滤膜15(PPM滤膜)、干燥器17、计量装置和采样泵20。装置中还设有皮托管3。

采样装置包括一体化采样头1和加热采样枪2，一体化采样头1由采样嘴和一级过滤膜(FPM滤膜)组合而成，加热采样枪外衬加热套管，加热采样枪2管外衬加热套管的加热温度控制在120℃±5℃。

冷凝装置分为前后串联的两级，两级冷凝装置均设置有螺旋冷凝管和冲击瓶，螺旋冷凝管竖直设置冲击瓶上，螺旋冷凝管和冲击瓶均设有水浴控温装置。

其中，前级螺旋冷凝管4竖直设置在冲击瓶7上方，前级螺旋冷凝管4控温配有循环水泵6，冲击瓶7设在控温循环水浴锅5内。

后级螺旋冷凝管13竖直设置在冲击瓶14上方，后级螺旋冷凝管13控温配有循环水泵12，冲击瓶14设在控温循环水浴锅11内。

螺旋冷凝管分为内管和外管，内管为螺旋管用于走烟气，外管为外套管用于水浴控温。内管与冲击瓶连通，外套管采用循环水循进行水浴控温。

两级冷凝装置分开控温，控温温度不同。前级冷凝装置采用水浴控温可为 60℃-80℃；后级冷凝装置采用水浴控温可为25℃-30℃。在两级冷凝装置的干式冲击瓶的出口均设置有温度感应器。

两级冷凝装置中间设置一个强化相变系统10，该系统通过特氟龙管与两级螺旋冷凝管相连接，用于向后级冷凝装置中添加蒸汽。强化相变系统10可以直接接蒸气管路，还可以通过蒸汽入口连接环与蒸汽发生器9相连接。蒸气发生器9内部器件全部采用SUS304材质，产生流量可调、温度可控的水蒸气。蒸气发生器9所用水为超纯水(电阻率达到18MΩ*cm(25℃))，蒸汽温度范围为120℃±2℃；射流混合器采取射流原理设计，便于蒸汽和烟气充分混合；混合气体在相变室中停留时间不少于10秒。

计量装置，包括压力计18和干式气体流量计19。在0℃～90℃间和真值量测误差能在±3℃温度感应器、体积误差在±2％以内的干式气体流量计。

实施例二：

如图2所示，本实例可选地，二级过滤膜15采用倒置式结构；该过滤膜设有入口烟气1、PPM过滤膜2、膜托3和出口烟气4。二级过滤膜15的倒置式过滤膜材质为PTFE膜；对于直径为0.3μm的标准粒子，二级过滤器的捕集效率应大于99.5％。一级过滤膜采用石英膜或PTFE膜；对于直径为0.3μm的标准粒子，一级过滤器的捕集效率应大于99.5％。

实施例三：

如图3所示，本实例可选地，强化相变系统10设计如图，强化相变系统包括前后连通的射流混合器3和相变室4，射流混合器3设有两个入口，两个入口分别用于接入蒸汽和连接前级冷凝装置，射流混合器3与相变室4连通，相变室4设有混合气出口用于连接后级冷凝装置。

本实用新型通过射流方式将蒸汽与烟气进行混合，混合后烟气进入强化相变系统。相变室长宽高尺寸为600mm*50mm*50mm，以确保烟气在强化相变系统中停留时间不少于10秒。

实施例四：

本实例可选地，火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置还配置有氮气吹扫装置，用于回收样品时进行吹扫。如图4所示，包括高纯氮气瓶1；减压阀2；流量控制装置3；连接O型环4；冷凝管5；长颈撞击瓶6；排气口7。

实施例五：

本实用新型火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样方法，包括以下步骤：

步骤一：采样装置准备：采样前在去离子水中用超声波清洗一体化采样头。清洗5分钟后再用去离子水冲洗干净，并放置在烘箱内烘干，烘干温度105℃～110℃，烘干至少1小时。

对一级过滤膜、二级过滤膜烘培1小时，烘培温度为180℃。烘培后将滤膜置于干燥皿中冷却，冷却后将滤膜装入一体化采样头，将一体化采样头放入恒温恒湿设备平衡至少24小时。平衡后将样品取出，称重2次，2次称重间隔应大于1小时，2次称重结果间最大的偏差应在0.02mg以内，否则该样品废弃；以2 次称量的平均值作为称量值。对于二级过滤膜采用与一级过滤膜同样的处理方法进行准备。

按图1所示采样装置进行组装，检查系统是否漏气，如发现漏气，应再分段检查、堵漏，直到合格。检漏应符合GB/T16157-1996中系统现场检漏的要求。

步骤二：基础烟气参数测试。按GB/T16157-1996中的规定，对测试断面进行烟气温度、烟气湿度测试。烟气湿度可用于计算强化相变系统蒸汽添加量；按 GB/T16157-1996中的规定，通过网格法确定采样点数目、位置，采样点位置应距离烟道壁20cm以上，防止烟道壁上烟气冷凝液、颗粒物被误捕集。

步骤三：组装采样装置，开始控温。启动循环水浴泵，对前、后两级螺旋冷凝管进行水浴加热，将水浴温度升至设定温度；前级冷凝装置的水浴控温为 60℃-80℃；后级冷凝装置的水浴控温为25℃-30℃；接通加热采样枪的电源，使加热采样枪内管加热温度升至120±5℃。

步骤四：启动采样泵，以自动跟踪烟气流速的方式抽取烟气。烟气通过采样嘴实现对可过滤颗粒物的捕集。开启强化相变系统的蒸汽喷射阀，将水蒸气与样气混合；混合后气体进入蒸汽相变室，通过控制烟气流速使混合气体在相变室中停留时间不少于10S，混合蒸汽后的烟气进入后级冷凝装置。蒸汽添加流速为 1g/min～10g/min，通过相变室的尺寸设计，控制相变室内烟气流速在0.05m/s以内。添加蒸汽量使样气中含水量不低于34g/m³(干气条件下)；

每次样品采集时间不小于60min；采样过程中，二级冷凝装置的冲击瓶出口的烟气温度应不低于25℃、不高于30℃。

步骤五：采样结束后，关闭采样泵，做好采样信息记录；然后依次进行如下操作：

1)将一级过滤膜(滤膜1)和二级过滤膜(滤膜2)分别收集、编号，一级过滤膜采用保鲜膜封存；二级过滤膜采用培养皿封存。同时编号、记录。

2)回收冷凝液和冲洗液：

首先，回收两集冷凝装置干式冲击瓶中的冷凝液至一个长茎撞击瓶。

然后，用超纯水冲洗一级过滤膜和二次过滤膜之间的各连接组件(包括两级冷凝装置的螺旋管内管、干式冲击瓶、强化相变系统，以及从一体化采样头至二级过滤器之前所有组件的连接管路)上的颗粒物2次，冲洗液也回收至上述长茎撞击瓶；再向长茎撞击瓶添加超纯水，使液面高于撞击瓶导气管口5cm，再将长茎撞击瓶装复，组装成图4所述装置。

最后，采用图4的氮气吹扫装置对长茎撞击瓶中收集的冷凝液和冲洗液进行吹扫，用高纯氮气以10升/分钟左右的流量吹扫30min。氮气吹扫后将冷凝液和冲洗液转移至样品瓶。同时编号、记录。

步骤六：样品称重和计算。

对滤膜1和滤膜2均采取恒温恒湿装置中干燥恒重。采样前、后滤膜1的增重即为采集可过滤颗粒物(FPM)的质量，记为M_FPM。滤膜2的增重即为部分可逃逸颗粒物(PPM1)的质量，记为M_PPM1。

将样品瓶中的冷凝液和冲洗液倒入玻璃蒸发皿中，置于50℃烘箱中烘干至剩少量液体(体积小于10mL)，然后将玻璃蒸发皿移至干燥皿中干燥至恒重并称重，玻璃蒸发皿试验前后的增重即为另一部分的可逃逸颗粒物(PPM2)质量。

总颗粒物质量：M_TPM＝M_FPM+M_PPM1+M_PPM2，

进一步计算总颗粒物浓度：

总颗粒物浓度＝M_TPM/V。

其中，总颗粒物浓度，单位：mg/m³；M_TPM为总颗粒物质量，单位为mg； V为采气体积(标态、干基)，单位：m³。

测试案例一：

A电厂，该2×600MW锅炉为超临界压力，一次中间再热，单炉膛、平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢架结构、“W”型火焰燃烧、垂直内螺纹水冷壁、π型变压直流锅炉。配套环保设施包括SCR脱硝装置、电除尘器、湿法脱硫系统、湿式电除尘器。

测试负荷为660MW满负荷，在该负荷下进行了不同螺旋冷凝管内管长度下捕集效果的验证试验。试验位置位于脱硫塔出口。在实验验证中使用如下二套设备：

设备1，设备为美国ES公司提供的基于Method 17和Method202A方法的颗粒物采样装置，前、后两级控温螺旋冷凝管内管延展长度均为160cm，内管直径为7mm，内管圈径为50mm；采取两段降温冷凝：前段水浴温度为65℃，后段水浴温度为30℃。

设备2，本实用新型方法所提出火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，前段和后段两级螺旋冷凝管延展长度均为300cm，内管直径为7mm，内管圈径为 50mm；前段水浴温度为65℃、后段水浴温度30℃。

为考察不同螺旋冷凝管内管长度对总颗粒物捕集效果，采用上述设备进行了验证试验。因FPM测试方法基本一致，为了突出不同冷凝管长度下的冷凝效果，本申请给出的是PPM测试结果，如下表所示。

表1螺旋冷凝管内管长度验证试验结果

在测试过程中，上述两套装置后级冷凝装置出口处烟气温度均降至29℃。验证试验结果显示，当采用内管延展长度为160cm的控温螺旋冷凝管，测试得到PPM质量为3.43mg/m³，显著低于采用内管长度为300cm的控温螺旋冷凝管的测试结果；设备2对PPM测试结果比设备1高出22.7％。

对比以往专利(胡月琪(201721111305.5)、沈志刚(申请号201710343942.3))，基本上都是强调烟气温度到达30℃即视为试验控制终点。但在试验中发现，由于等速跟踪采样，采样系统内烟气流速往往非常高，在局部管路内甚至达到5m/s 以上。烟气在高流速条件下虽然实现了烟气下降至目标温度、但实际上没有实现冷凝效果，即：烟气中颗粒物没有来得及凝结长大到一定粒径就被带出采样系统，这为后续捕集带来了困难。本申请特别强调了控温冷凝管的分段和内管延展长度设计，有效实现了烟气完全冷凝。

测试案例二：

B电厂，该厂2×350MW机组的锅炉为超临界压力，一次中间再热，单炉膛、平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢架结构、四角切圆燃烧锅炉。配套环保设施包括SCR脱硝装置、袋式除尘器、湿法脱硫系统、湿式电除尘器。

在B电厂#2机组脱硫出口进行分段水浴控温验证试验。在实验验证中使用两套设备，均为本实用新型所提出的试验装置，前段和后段两级螺旋冷凝管延展长度均为300cm，内管直径均为7mm，验证试验的不同点在于一个是分段水浴控温，一个为目前普通采用的直接降至30℃水浴控温。

设备3，前段水浴温度为65℃、后段水浴温度30℃；

设备4，前段水浴温度为30℃、后段水浴温度30℃。

其他采样部分、干燥系统、计量装置和实验室处理等均一致。因FPM测试方法完全一致，为考察分段降温设计的冷凝效果，本申请给出的是PPM测试数据以便对冷凝效果进行比对，如下表2所示。

表2分段降温设计实验验证结果

从上表可以看出，设备3对可逃逸颗粒物测试结果显著高于设备4，在同等条件下设备3对可逃逸颗粒物测试结果比设备4高出29.9％。最为主要原因在于从烟气加热枪出来的烟气温度为120℃，在从120℃降至30℃过程中，如果没有一次控温冷凝过程(该控温点高于烟气水露点、但低于烟气酸露点)而是采取直接冷凝、温度陡降方式，必然造成烟气中的硫酸雾、铵盐大量争食水汽，结果导致上述物质呈现气溶胶状态，平均粒径更小、跟随性更好，也就更难被捕集下来。

本实用新型两级冷凝装置分段温控，是本申请的重要创新所在。设备3通过 65℃温控点和30℃温控点等两个温控点，有效控制了PPM冷凝后的中位粒径，减少了在总颗粒物浓度测试结果负偏差。经以上对比，本申请的设计方案对可逃逸颗粒物的冷凝、捕集效果较好，测试总颗粒物浓度更准确。

测试案例三：

在B电厂#2机组脱硫出口，进行了二级过滤膜不同结构的效果验证试验。该处烟气温度51℃，烟气含湿量15.2％。在实验验证中使用两套设备，均为本实用新型方法所提出的试验装置，不同点在于二级过滤滤膜为设置，试验装置其他结构设计同测试案例一，螺旋冷凝管延展长度均为300cm，内管直径为7mm，内管圈径为50mm。

设备5，PPM滤膜为倒置，有固件支撑；

设备6，PPM滤膜为传统的横置方式；

其他采样部分、干燥系统、计量装置和实验室处理均一致。在PPM滤膜后置一冰水浴的冷凝瓶，收集透过PPM过滤膜的烟气冷凝液，并分析其中SO₄ ^2-、 NO₃ ^-、Ca²⁺、Mg²⁺浓度(冷凝液定容至25mL)。验证试验测试结果如下表3所示。

表3 PPM滤膜倒置设计实验验证结果

从上表可以看出，设备6的PPM滤膜后冷凝液中离子浓度显著高于设备5，尤其是金属离子Ca²⁺和Mg²⁺浓度显著高于设备5。正常情况下，金属离子Ca²⁺和Mg²⁺浓度是不应该穿过PPM滤膜的。由于实际操作中发现，在常规的横置 PPM膜上出现了一定量的液态水，由此造成了滤膜对离子的捕集效率大大降低，由此产生了不可忽视的测量误差。可见本实用新型采用倒置PPM过滤膜设计，测量误差较小。

由于湿法脱硫工艺在火电厂脱硫装置中广泛应用，所以相当数量的火电厂烟气中含湿量较高，甚至达到过饱和状态。在该含湿量情况下，烟气温度降至30℃，势必造成PPM过滤膜上出现液态水。在实际操作中发现，液体水出现会导致部分水溶性离子和金属离子穿透滤膜，造成PPM损失，给PPM测试带来负误差。

测试案例四：

本例在C电厂#3机组进入烟囱烟道上的烟气再热器出口，进行强化相变系统效果的验证试验。该处烟气温度71℃，烟气含湿量5.2％。在实验验证中使用两套设备，均为本实用新型方法所提出的试验装置，不同点在于是否设置蒸汽发生器和相变室，试验装置其他结构设计同测试案例一，其中：螺旋冷凝管延展长度均为300cm，内管直径为7mm，内管圈径为50mm。

设备7，在两级冷凝装置之间设有强化相变系统，并使用了蒸汽发生器。

设备8，没有使用强化相变系统，烟气直接从前级冷凝管进入后级冷凝管。

其他采样部分、干燥系统、计量装置和实验室处理均一致。因FPM测试方法完全一致，为突出强化相变对PPM捕集效率的影响，本专利给出的是PPM测试数据，如下表所示。

表4火电厂烟气中可逃逸颗粒物测试蒸汽发生器设计验证结果

从上表可以看出，设备7测试结果显著高于设备8，设备7对PPM测试结果高出设备8的37.0％；而且，捕集下来的NH₄ ⁺、Cl^-、NO₃ ^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺的质量浓度均高于设备8。最为主要原因在于，本次验证试验位置位于烟气再热器后，经过了先冷凝后加热的烟羽治理工程后，烟气中含湿量较低(相对于湿法脱硫后烟气含湿量过饱和的状况)。采样系统中烟气从120℃降至30℃，烟气中的硫酸雾、铵盐大量争食水汽，结果导致上述物质平均粒径更小；设备7中通过强化相变系统添加蒸汽，可使细颗粒物平均粒径长大，大大促进CPM在B段控温冷凝管内的惯性捕集。

由于在当前烟羽治理实践中，部分机组通过烟气冷凝-再加热的方式，实现烟气治理，带来结果是烟气中湿度大幅下降，这对于可逃逸颗粒物中大量存在的吸湿性非常强的SO3、铵盐类物质的捕集是非常不利的。本实用新型提出的强化相变设计，是本申请的另外一个重要创新所在。本申请通过添加蒸汽以实现过饱和蒸汽环境，是通过人工强化方式实现水蒸气在颗粒物表面凝结、促使细颗粒物凝结长大。在本测试案例中发现，根据不同烟气含湿量添加不同量的蒸汽，一方面使发生核化凝结的微粒临界粒径减少，促使烟气中更多细颗粒物发生核化凝结；另一方面，在微粒表面凝结的蒸汽量越多，经凝结长大后的液滴粒径也就越大，从而提高了NH₄ ⁺、Cl^-、NO₃ ^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺等在烟气中原来以液态核形式存在的可凝结颗粒物的捕集。

测试案例五：

D电厂一期2×330MW，其中#2锅炉为1025t/h亚临界汽包炉，采用自然循环、一次中间再热、前后墙对冲燃烧方式、露天布置。试验前，#2机组已完成超低排放改造。改造后电除尘器出口烟尘排放浓度＜40mg/Nm³；脱硫塔出口烟尘排放浓度＜30mg/Nm³；湿式电除尘器出口设计除尘效率＞83.4％，出口烟尘排放浓度＜5mg/Nm³，液滴排放浓度＜20mg/Nm³。

测试负荷为330MW满负荷。在实验验证中分别依据HJ836-2017方法和本实用新型所提供方法。验证结果如下表：

表5传统方法与本实用新型方法对总颗粒物测试结果

该方法验证是在同一测孔位置进行，为同步平行测试。但最后总颗粒物测试结果差异较大。按照HJ836-2017方法测试结果，总颗粒物浓度为3.21±0.22mg/m³；本实用新型方法测试结果是5.96±0.67mg/m³。二者的可过滤颗粒物质量结果基本一致，但是差异主要体现在可逃逸颗粒物测试方面。依据本实用新型方法测得总颗粒物质量，比依据HJ836-2017方法测试颗粒物结果高出85.7％。在HJ836-2017 方法中，可逃逸颗粒物测试没有体现出来，而这部分颗粒物排入大气直接形成细颗粒物PM_2.5。

由本案例可见，本实用新型的方法能够全面、真实反应火电厂总颗粒物排放情况，尤其是针对大气重点控制地区严格控制细颗粒物排放有着较好的监测支撑。

测试案例六：

本实用新型采用恒温恒湿条件下干燥恒重设计。目前固定污染源检测中对测试后样品实验室称重的措施主要有两个：

1)现有的标准方法-“烘干称重”：

在105℃下烘干1h，之后将颗粒物样品置于干燥器内冷却至常温后称量至恒定质量；

2)本申请的恒温恒湿条件下干燥恒重：

将颗粒物样品置于温度15～30℃和湿度(50±5)％的环境中平衡24h，然后称量至恒重质量。由于超细模态是可逃逸颗粒物在冷凝后重要赋存形态，于 105℃下烘干显然会造成细颗粒物组分的挥发损失。所以平衡称重应于前后一致的温度和湿度环境中进行；在平衡24h后再恒重，而不应该采取烘干恒重的方式。

专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和颖特点。

Claims (10)

1.一种火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，主要包括沿烟气流向依次设置的采样装置、冷凝装置、除湿装置、计量装置和采样泵；其特征在于：所述采样装置包括采样头和加热采样枪；采样头由采样嘴和一级过滤膜组合而成；所述冷凝装置和除湿装置之间还设置有二级过滤膜；所述冷凝装置采用两级串联式结构，两级冷凝装置分别设有水浴控温装置；所述两级冷凝装置之间设有强化相变系统，用于向进入后级冷凝装置的烟气中添加水蒸气，增加烟气湿度，提高对总颗粒物捕集率。

2.根据权利要求1所述火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，其特征在于：两级冷凝装置均设有螺旋冷凝管和冲击瓶，其中螺旋冷凝管竖直设置在冲击瓶上方，并经连接管连接。

3.根据权利要求2所述火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，其特征在于：两级冷凝装置中，螺旋冷凝管均采用泵循环方式对内管进行水浴控温，冲击瓶均采用水浴槽控温。

4.根据权利要求3所述火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，其特征在于：两级冷凝装置中，螺旋冷凝管的内管直径为6~8mm，每级螺旋冷凝管的内管延展长度为3-5m。

5.根据权利要求1-4任一所述火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，其特征在于：所述强化相变系统包括前后连通的射流混合器和相变室，射流混合器设有两个入口和一个出口，两个入口分别用于接入蒸汽和连接前级冷凝装置，相变室设有混合气出口用于连接后级冷凝装置；连接蒸汽的入口或直接接入一个蒸汽发生器。

6.根据权利要求5所述火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，其特征在于：所述二级过滤膜采用倒置式过滤膜装置。

7.根据权利要求6所述火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，其特征在于：所述一级过滤膜为石英膜或PTFE膜。

8.根据权利要求7所述火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，其特征在于：所述二级过滤膜为PTFE膜。

9.根据权利要求6所述火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，其特征在于：还包括氮气吹脱装置。

10.根据权利要求3所述火电厂烟气中低浓度总颗粒物采样装置，其特征在于：所述计量装置包括压力计和干式流量计；所述冲击瓶均采用干式球形冲击瓶。

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