CN104677700A - 一种适用于固定源含液滴烟气中细颗粒物采集的采样*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于固定源含液滴烟气中细颗粒物采集的采样***，包括烟气预处理部分、烟气采样枪、稀释老化部分、出气装置和颗粒物采集部分，其中，烟气预处理部分包括采样喷嘴(1)和气液旋风分离器(2)；烟气采样枪(3)的主体为nafion管束；采样喷嘴(1)通过气液旋风分离器(2)与烟气采样枪(3)的前端相连接。本发明的优点为：增加了装置的除湿效果；结构紧凑、小型化、操作简便。

Description

一种适用于固定源含液滴烟气中细颗粒物采集的采样***
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，涉及一种适用于固定源高湿烟气中细颗粒物的采集装置，特别是一种适用于含液滴烟气中细颗粒物的采样***。
背景技术
目前我国大气环境问题突出，区域性灰霾频发，引起广泛关注。灰霾形成主要是由大气中的细颗粒物(PM2.5)增多引起的，以燃煤为主的固定污染源排放的PM2.5是大气中PM2.5的主要来源。我国固定源烟气处理主要采用除尘器+湿法脱硫的方法，脱硫后烟气液滴含量高、湿度大、成份复杂，所排放的高含湿量细颗粒物包括固体颗粒物、以酸雾气溶胶形态存在的SO3和脱硫浆液滴等。
随着煤改气尤其是供暖锅炉煤改气的推进，冬季供暖地区供暖锅炉将逐步使用天然气为燃料。尽管天然气为洁净能源，但其排放烟气中仍含细颗粒物。以天然气为燃料的锅炉排放烟气中液滴含量大，含湿量可达10％以上。
对于固定源烟气中细颗粒物的采集，主要采用稀释烟道方法进行。自二十世纪八十年代美国研究人员研制了第一台固定源稀释采样***后，固定源稀释采样***得到不断的发展和完善，我国在此***上的研发也取得了一定的进展。尽管固定源稀释采样***对烟气中的细颗粒物具有很好的采集效果，然而该***主要针对干烟气或相对湿度较大但无液滴的烟气，对于含液滴的烟气其适用性受到一定限制。
在美国EPA的方法中(EPA Method 5、EPA Method 17、EPA Method 201/201A、EPA Method 202、EPA CTM-039等)，为防止烟气冷凝，主要采用对采样嘴和采样枪进行加热，然后对热烟气进行稀释，经一定时间的老化后进行采集。由于在烟气被采集之前进行了加热，可能造成烟气的物理化学性质发生变化，使最终采集的颗粒物与原始状态存在差异。目前有国内外学者正对此进行研究。
我国对于固定源稀释采样***的研发，多是针对不含液滴的烟气，重点围绕稀释和等速采样开展的。专利号为200410096562.7的发明专利涉及一种等速追踪固定源稀释采样***，该发明的特征是，通过皮托管监测烟道内的压力参数和计算机调节流量控制器，实现采样的全过程等速，发明中未提及对含液滴烟气中细颗粒物采集的解决办法，且该***较为复杂，占地面积大。
专利号为200510086292.6和201310008119.9的发明专利尽管提到在进气部分设计颗粒物切割器，但仍是针对不含液滴的烟气进行设计的。
专利号为201410340512.2的发明专利，设计了第一和第二PM2.5切割器，采用一级稀释，通过在稀释混合段上开设旁路将多余气体排出，实现了将烟气停留时间设计为10s并减小停留室体积，对相对湿度较大但无液滴的烟气中的颗粒物具有很好的采集效果，但对含液滴烟气其适用性仍受局限且其采样***仍较为复杂。
对含液滴的烟气进行采集时，液滴会在采样喷嘴处聚集，影响等速追踪采样的效果，对采样嘴进行加热，尽管能够使部分液滴气化，但当烟气流速较大时，仍无法避免部分液滴进入采样***。液滴一旦进入采样***，将对细颗粒物的采集产生较大影响，而仅靠稀释的作用是很难将液滴除去的。
此外，由于稀释烟气流速在不同的应用场合存在差异，而稀释室的体积是固定的，稀释比的不确定，对测试精度也会造成一定影响。
综上所述，有必要对现有的固定源稀释采样***进一步完善，以适用于含液滴烟气中细颗粒物的采集。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种适用于高湿烟气尤其是含液滴烟气中细颗粒物的采集***，该***能够很好的去除烟气中的液滴，且采样器结构小型化，稀释比可以改变，稀释气用量小，操作方便。本发明的技术方案如下：
一种适用于固定源含液滴烟气中细颗粒物采集的采样***，包括烟气预处理部分、烟气采样枪、稀释老化部分、出气装置和颗粒物采集部分，其中，
所述烟气预处理部分包括采样喷嘴(1)和气液旋风分离器(2)；
所述的烟气采样枪(3)的主体为nafion管束；采样喷嘴(1)通过气液旋风分离器(2)与烟气采样枪(3)的前端相连接；
稀释老化部分包括稀释气质量流量计(6)、射流稀释器(7)、烟气停留室(8)、固定在烟气停留室上的气体温湿度计(9)和气体压力传感器(10)；气体温湿度计和气体压力传感器，用于监测气体参数；所述的射流稀释器(7)一端与烟气采样枪(3)的后端联接；另一端与烟气停留室(8)相连；
所述的出气装置(11)连接在烟气停留室(8)的出口处，所述的出气装置(11)有两个出气口，其中一个出气口(12)与大气相通，另一个出气口(13)与颗粒物采集部分相连。
所述适用于固定源含液滴烟气中细颗粒物采集的采样***，射流稀释器(7)可以包括依次相连的固定连接在所述的烟气采样枪(3)后端的射流管(72)，射流管(72)的后端与稀释腔(75)相连，其上固定的稀释器喷嘴(74)伸入稀释腔(75)中，在稀释腔(75)上设置有稀释气进口(76)，稀释腔(75)的后端设置有通向烟气停留室(8)的稀释混合气扩散椎体(77)，稀释器喷嘴(74)的直径和稀释混合气扩散椎体(77)窄口段直径相同，具有多组不同规格的组合，通过更换不同规格的组合来调节稀释比。
本发明的有益效果是：
(1)解决了固定源高湿烟气尤其是含液滴烟气中颗粒物的采集。
(2)引入了nafion采样枪，增强了装置的除湿效果，使用一级稀释即可达到烟气中颗粒物的采集要求。
(3)采用一级稀释，烟气经稀释后直接进入停留室，通过稀释器的入口和出口的选择，调节稀释比，整个装置结构紧凑、模块化、操作简便、方便运输与安装。
附图说明
图1为本发明固定源含液滴烟气中细颗粒物的采集装置结构示意图。
图中：1-采样喷嘴；2-气液旋风分离器；3-nafion采样枪；4-采样枪不锈钢外壳；5-氟橡胶连接管；6-气体质量流量计；7-射流稀释器；8-停留室；9-气体温湿度计；10-气体压力传感器；11-出气管；12-出气口1；13-出气口2；14-颗粒物切割器；15-采样膜；16-气体质量流量计；17-恒流采样泵。
图2为射流稀释器7的结构示意图。
图中：71-射流管固定螺栓；72-射流管(烟气引入管)；73-喷嘴安装底座；74-稀释器喷嘴；75-稀释腔；76-稀释气进口；77-稀释混合气扩散椎体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的采样***，适用于固定源含液滴烟气中细颗粒物采集，包括烟气预处理部分、烟气采样枪、稀释老化部分、出气装置和颗粒物采集部分。
烟气预处理部分包括采样喷嘴1和气液旋风分离器2；烟气采样枪3由nafion管束制成，包有不锈钢外壳4。气液旋风分离器的进气口可安装采样喷嘴；气液分离效率＞99％；整体高度≤80mm；出气口通过连接螺母与nafion采样枪联接。nafion采样枪由nafion管束制成，nafion管束采用美国博纯MD-700型号，具有除湿干燥作用。采样枪外安装不锈钢外壳，总体直径小于50mm，最大工作温度为95℃。在装置使用前，对烟道内烟气进行预判，当烟气中含液滴时，将采样喷嘴1与气液旋风分离器2联接使用，气液旋风分离器2与naifon采样枪3通过螺母联接；当烟气中不含液滴时，不使用气液旋风分离器2，将采样喷嘴1与nafion采样枪3通过直角弯管联接使用。
稀释老化部分包括稀释气质量流量计6、射流稀释器7、烟气停留室8、停留室8上安装的气体温湿度计9和气体压力传感器10，烟气在停留室停留时间为10s-15s；采样枪3与稀释器7通过氟橡胶管5联接。采用一级稀释，设计为射流稀释器，进气量由气体质量流量计控制并记录。停留室与稀释腔通过法兰联接，气体在停留室内停留时间为10秒至15秒，停留室安装气体温湿度计和气体压力传感器，通过监测气体参数判断稀释效果。
射流稀释器7由射流管固定螺栓71、射流管(烟气引入管)72、喷嘴安装底座73、稀释器喷嘴74、稀释腔75、稀释气进口76、稀释混合气扩散椎体77组成。稀释器喷嘴74的直径和稀释混合气扩散椎体77窄口段直径相同，且具有多组不同规格的组合，根据需要可进行更换。
经过射流稀释器7的出气装置11有两个出气口，其中一个出气口12与大气相通，另一个出气口13与颗粒物采集部分相连。
颗粒物采集部分包括颗粒物切割器14、采样膜15、气体质量流量计16和采样泵17。气体经过可对不同粒径颗粒物进行切割的大流量颗粒物切割器14，被相应的采样膜15所采集。
装置使用前，对烟道内烟气进行预判，当烟气中含液滴时，将采样喷嘴1与气液旋风分离器2联接使用，气液旋风分离器2与naifon采样枪3通过螺母联接；当烟气中不含液滴时，不使用气液旋风分离器2，将采样喷嘴1与nafion采样枪3通过直角弯管联接使用。
采样喷嘴1的选择流程为：首先预测烟道内烟气流速，其次将装置各部件依次联接，然后开启稀释气和采样泵，用两个气体质量流量计分别测试抽取的烟气和空气流量，根据烟气流速和空气流量计算喷嘴直径。
选取、安装合适直径的采样喷嘴，整套采样***联接完成。将采样枪伸入烟道，开启稀释气和采样泵即可采样。
烟气经过nafion采样枪3后，湿度显著减低。在射流稀释器7内烟气经稀释气快速稀释后进入停留室8，湿度进一步降低，混合烟气停留时间为10s-15s。在停留室8内可模拟烟气排放到大气中的成核、冷凝、凝聚等过程。停留室上安装气体温湿度计9和气体压力传感器10，以监测停留室内烟气状态，根据烟气状态监测稀释效果。
若停留室内烟气温湿度仍较高，说明稀释比较低，需增大稀释比。在稀释气进气量和抽取烟气速度不变的情况下，可通过更换稀释器喷嘴74和稀释混合气扩散椎体77来改变抽取的烟气气量，进而改变稀释比，使烟气符合采样要求。需增大稀释比时，减少抽取烟气气量，更换为较小直径的稀释器喷嘴和相应的扩散椎体；需减小稀释比时，增加抽取烟气气量，更换为较大直径的稀释器喷嘴和相应的扩散椎体。
烟气经稀释、老化后已达到颗粒物采集要求，经出气管11被颗粒物采集部分采集。出气口12与大气相通，出气口13与颗粒物采集部分相连，可使用三通同时实现PM10和PM2.5的采集。开启恒流采样泵17抽取采样气体，质量流量计16可记录采样气体的流量，通过采样膜15捕集采样气体中的颗粒物，采样膜15可根据分析需求选取不同材料，如Teflon膜、石英膜、尼龙膜等。
附图中所示Q1为烟气流量，Q2为稀释气进气量，Q3为排入大气中混合烟气的流量，Q4与Q5为采样泵抽取气体的流量，其中Q1+Q2应大于Q4+Q5，如此方能够满足采样的烟气流量要求。

Claims (2)

1.一种适用于固定源含液滴烟气中细颗粒物采集的采样***，包括烟气预处理部分、烟气采样枪、稀释老化部分、出气装置和颗粒物采集部分。其特征在于，
所述烟气预处理部分包括采样喷嘴(1)和气液旋风分离器(2)；
所述的烟气采样枪(3)的主体为nafion管束；采样喷嘴(1)通过气液旋风分离器(2)与烟气采样枪(3)的前端相连接；
稀释老化部分包括稀释气质量流量计(6)、射流稀释器(7)、烟气停留室(8)、固定在烟气停留室上的气体温湿度计(9)和气体压力传感器(10)；气体温湿度计和气体压力传感器，用于监测气体参数；所述的射流稀释器(7)一端与烟气采样枪(3)的后端联接；另一端与烟气停留室(8)相连；
所述的出气装置(11)连接在烟气停留室(8)的出口处，所述的出气装置(11)有两个出气口，其中一个出气口(12)与大气相通，另一个出气口(13)与颗粒物采集部分相连。
2.如权利要求1所述适用于固定源含液滴烟气中细颗粒物采集的采样***，其特征在于，射流稀释器(7)包括依次相连的固定连接在所述的烟气采样枪(3)后端的射流管(72)，射流管(72)的后端与稀释腔(75)相连，其上固定的稀释器喷嘴(74)伸入稀释腔(75)中，在稀释腔(75)上设置有稀释气进口(76)，稀释腔(75)的后端设置有通向烟气停留室(8)的稀释混合气扩散椎体(77)，稀释器喷嘴(74)的直径和稀释混合气扩散椎体(77)窄口段直径相同，具有多组不同规格的组合，通过更换不同规格的组合来调节稀释比。
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