CN105136636B - 一种大气颗粒物除湿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气颗粒物除湿装置及方法。该大气颗粒物除湿装置包括Nafion管除湿单元、颗粒物特性参数测量单元、颗粒物净化单元和抽气泵。该大气颗粒物除湿方法是基于Nafion管除湿原理，通过低气压高流速干燥气体吹扫的方法，去除待测样气中的水汽，实现大气颗粒物的无损失非接触式连续除湿。为保证吹扫气体的洁净度，本发明先采用惯性撞击的方式，去除吹扫气体中的粒径在微米量级的颗粒物；再利用场致电离荷电与静电牵引去除相结合的方法，去除吹扫气体的纳米级的细颗粒物。本发明还利用限流阀与大功率抽气泵相结合的方法，实现吹扫气体压力低于样气，从而大大提高了整个大气颗粒物除湿装置的干燥效率。

Description

一种大气颗粒物除湿装置及方法

技术领域

本发明涉及大气气溶胶监测技术领域，具体涉及一种大气颗粒物除湿装置及方法。

背景技术

近年来，国内外灰霾事件频发，高浓度的臭氧与细粒子（PM2.5）污染已经成为当前大气的主要污染特征。随着国家PM2.5空气质量标准的出台，国内外各类细颗粒物质量浓度等测量仪器需求大增，但由于不同环境下大气相对湿度的不同导致细颗粒物本身含水率的差异，测试前的颗粒物湿度控制成为影响仪器测量精度的关键问题之一，因此，各仪器制造公司纷纷采用各类方法降低颗粒物样气湿度。

针对颗粒物的湿度控制，通常采用干燥剂吸附除湿或者加热除湿。对于干燥剂吸附除湿，干燥剂需要定期更换，无法实现无人状态下的长期免维护运行，同时，由于水汽是自内而外扩散吸湿，因此除湿效率会随着内层干燥剂的失效而逐步降低。而对于加热除湿，由于改变的颗粒物所处的环境温度，在去除水分的同时，也会使得颗粒物的其他易挥发成分发生高温挥发，从而影响测量精度。

中国发明专利申请CN101524617公开了一种用Nafion管去除气体中水份的方法，但该方法中的仪器首先要将样气（处理器）加热至100-120^oC度，同时后续气路还需要连接微孔过滤器，因此，该方法不能应用于环境颗粒物测量仪器的仪器除湿。中国发明专利申请CN103759998A公开了一种大气除湿方法和装置，将需要除湿的大气引入除湿管内壁之间的除湿气体通道，同时，经除湿管除湿后的剩余干燥大气回流进入气体回流通道内，从而实现干燥气的循环重复应用。但是，由于经除湿管除湿后的剩余干燥大气回流进入气体回流通道内时，没有经过任何颗粒物净化装置，长时间运行后内层干燥管外壁将会被污染，从而降低干燥效率；同时，在这种工作模式下，回流（吹扫）气流量远低于待干燥大气，即便在有固定压力差的条件下，也很难实现长时间的高效除湿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大气颗粒物除湿装置及方法，该除湿装置及方法能够解决现有技术中的不足，对大气颗粒物样气湿度进行动态实时控制，从而有效消除环境湿度变化对颗粒物监测仪器测量精度的影响。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种大气颗粒物除湿装置，包括Nafion管除湿单元、颗粒物特性参数测量单元、颗粒物净化单元和抽气泵。

所述Nafion管除湿单元包括外层管和嵌入设置在外层管中间的内层管；所述外层管内壁与内层管外壁之间形成吹扫气通路；所述外层管侧壁的上下两端分别设有与吹扫气通路相连通的吹扫气出气口和吹扫气进气口，所述吹扫气出气口与抽气泵的进气口相连通；所述内层管的上下两端分别设有与内层管内部相连通的样气进气口和样气出气口，所述样气进气口、内层管内部以及样气出气口形成样气干燥通路；所述样气出气口与颗粒物特性参数测量单元的进气管相连通。

所述颗粒物净化单元包括限流阀、撞击式粒子切割器和静电细粒子去除器；所述限流阀上设有主进气口、辅气进气口和混合气出口；所述撞击式粒子切割器包括切割器腔体、设置在切割器腔体顶部的加速喷口以及可拆卸安装在切割器腔体内部底面上的撞击台；所述静电细粒子去除器包括去除器腔体、设置在去除器腔体上下两端的高压放电针和高压牵引电极、与高压放电针电连接的高压放电针电源和与高压牵引电极电连接的高压牵引电极电源；所述主进气口与颗粒物特性参数测量单元的出气管相连通；所述辅气进气口接外部干燥空气源；所述混合气出口与加速喷口的进气端相连通；所述加速喷口的进气端位于切割器腔体外侧，出气端位于切割器腔体内侧且与切割器腔体内部相连通；所述切割器腔体连接在去除器腔体侧壁上，且切割器腔体内部与去除器腔体内部相连通；所述去除器腔体下端侧壁上设有净化气出口，所述净化气出口与吹扫气进气口相连通。

进一步的，所述颗粒物特性参数测量单元采用颗粒物特性参数测量仪或监测仪。所述颗粒物特性参数测量仪或监测仪包括质量浓度、粒径谱、浊度计、消光仪等环境监测领域常用的颗粒物测量仪器。

进一步的，所述加速喷口包括加速喷头和设置在加速喷头中间的加速喷孔，所述加速喷孔为倒圆锥状。所述撞击台为与加速喷孔同轴设置的圆柱体，且所述撞击台螺纹连接在切割器腔体内的底部，撞击台与切割器腔体的连接处设有O型密封圈。

进一步的，所述高压放电针为钨针，所述高压放电针电源采用负压直流电源；所述高压牵引电极为与高压放电针同轴设置的钢棒，该钢棒的一端安装在去除器腔体的底部，另一端为半球形；所述的高压牵引电极电压采用负压直流电源。

进一步的，所述切割器腔体与去除器腔体均采用铝质材料。

进一步的，所述抽气泵采用气流流速可控的气泵。

本发明还涉及一种大气颗粒物除湿装置的除湿方法，该方法包括以下步骤：

（1）首先，采样气流由样气进气口进入Nafion管除湿单元内层管中的样气干燥通路中；然后，在样气干燥通路内的流动过程中，采样气流将其水汽渗透至内层管与外层管之间的吹扫气通路内的吹扫气中，完成采样气流干燥处理；最后，完成干燥处理后的采样气流经样气出气口从Nafion管除湿单元流出至颗粒物特性参数测量单元；

（2）经Nafion管除湿单元进行干燥处理后的采样气流在颗粒物特性参数测量单元中进行颗粒物特性参数测量，并在完成颗粒物特性参数测量后流入至颗粒物净化单元；

（3）流入至颗粒物净化单元中的采样气流，连同由辅助进气口进入的辅助气流，汇成吹扫气流，先采用撞击式粒子切割器截留去除其中的微米级大颗粒物，再采用静电细粒子去除器截留去除其中的纳米级细颗粒物，最后将清除完颗粒物的气流通过Nafion管除湿单元的吹扫气进气口进入至吹扫气通路中，进行采样气流吸湿处理，并在抽气泵的驱动下由吹扫气出气口排出。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明采用Nafion管对采样气流进行除湿干燥，通过内层管与外层管之间的吹扫气将采样气流中的水汽不间断排出，这不仅能够大幅度提高样气除湿效率，还能够解决传统吸附除湿过程中需要频繁更换干燥剂的问题。本发明适用于各类环境采样器上的前端无损失除湿。

（2）本发明所述的样气除湿的整个过程都是在室温下进行的，无需对采样气流进行加热及冷凝，从而最大限度地保留了大气颗粒物的原始特性。

（3）本发明采用撞击式粒子切割器去除干燥处理后的采样气流中的大颗粒物，同时采用静电细粒子去除器，利用场致电离荷电与电场牵引的方式去除经干燥处理后的采样气流中的小颗粒物，从而完成干燥处理后的采样气流的洁净处理得到洁净干燥气体，使该洁净干燥气体作为吹扫气来进行采样气流的吸湿处理。此外，本发明所述的颗粒物净化单元采用可拆卸结构，具有后期清理维护方便等特点，能够有效解决传统膜过滤器存在的价格昂贵、需要频换更换等问题。

（4）本发明采用限流阀和主动气源（即从辅助进气口接入的干燥空气源）相结合的方式，能够提高采样气流与吹扫气之间的气压差，保证吹扫气气压力低于采样气流的气压力，提高Nafion管除湿单元的干燥效率。本发明在实现样气除湿的基础上，实现了干燥后的样气的重复利用。在本发明中，即使不从辅助进气口接入干燥空气源，也能够实现对样气的除湿。

（5）本发明具有结构紧凑、维护方便等特点，不仅适用于实验室常规检测中的样气除湿，还能应用在外场恶劣条件下样气长时间的免维护除湿等场合。

附图说明

图1是大气颗粒物除湿装置的结构示意图；

图2是惯性撞击式粒子切割器的结构原理图。

其中：

100、Nafion管除湿单元，101、样气进气口，102、样气出气口，103、吹扫气进气口，104、吹扫气出气口，105、内层管，106、外层管，200、颗粒物特性参数测量单元，300、颗粒物净化单元，301、高压放电针电源，302、限流阀，303、主进气口，304、辅气进气口，305、混合气出口，306、加速喷口，307、撞击式粒子切割器，308、撞击台，309、高压放电针，310、静电细粒子去除器，311、高压牵引电极，312、净化气出口，400、抽气泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种大气颗粒物除湿装置，包括Nafion管除湿单元100、颗粒物特性参数测量单元200、颗粒物净化单元300和抽气泵400。

进一步的，所述Nafion管除湿单元100包括外层管106和嵌入设置在外层管106中间的内层管105。所述Nafion管除湿单元为圆柱型或平面型，所述内层管105为至少1根。平面型的Nafion管，主要是为了增大样气与内层管管壁的接触面积，从而降低Nafion管的长度。所述外层管106内壁与内层管105外壁之间形成吹扫气通路。所述外层管106侧壁的上下两端分别设有与吹扫气通路相连通的吹扫气出气口104和吹扫气进气口103，所述吹扫气出气口104与抽气泵400的进气口相连通。所述内层管105的上下两端分别设有与内层管105内部相连通的样气进气口101和样气出气口102，所述样气进气口101、内层管105内部以及样气出气口102形成样气干燥通路；所述样气出气口102与颗粒物特性参数测量单元200的进气管相连通。所述样气进气口101、样气出气口102、吹扫气进气口103和吹扫气出气口104均为空心圆柱型。

进一步的，所述颗粒物特性参数测量单元200采用颗粒物特性参数测量仪或监测仪。所述颗粒物特性参数测量仪或监测仪包括质量浓度、粒径谱、浊度计、消光仪等环境监测领域常用的颗粒物测量仪器。本发明的目的就是测样气中的干颗粒物，需要降低样气的相对湿度，从而保证颗粒物测量结果的准确性，为气象、环保、科研等提供数据。

进一步的，所述颗粒物净化单元300包括限流阀302、撞击式粒子切割器307和静电细粒子去除器310。

所述限流阀302上设有主进气口303、辅气进气口304和混合气出口305。具体地说，所述主进气口303与颗粒物特性参数测量单元200的出气管相连通，用于实现干燥废气的重复利用。所述辅气进气口304接外部干燥空气源，用于在主进气口303气量不足时进行实时动态的补充。所述混合气出口305与加速喷口的进气端相连通，用于将混合后的气体输送至撞击式粒子切割器307中。所述限流阀302上还设有调节旋钮，用于对混合气出口305处的气压进行控制。

所述撞击式粒子切割器307包括切割器腔体、设置在切割器腔体顶部的加速喷口306以及可拆卸安装在切割器腔体内部底面上的撞击台308。所述加速喷口306包括加速喷头和设置在加速喷头中间的加速喷孔；所述加速喷孔为倒圆锥状，且该倒圆锥状的加速喷孔的最下端为0.6mm的圆孔。通过将加速喷孔设置为直径依次变小的倒圆锥状的孔，能够实现气流的不断加速。所述撞击台308为与加速喷孔同轴设置的圆柱体，且所述撞击台308螺纹连接在切割器腔体内侧的底部，撞击台308与切割器腔体的连接处设有O型密封圈。通过将撞击台308可拆卸安装在切割器腔体内侧的底部，能够为后期的颗粒物清除提供方便。在恒定流速下，撞击式粒子切割器307能够实现1μm以上大颗粒物的截留去除。

图2为撞击式粒子切割器的结构原理图，其设计主要借鉴了常规惯性撞击式采样器的工作原理，利用的是惯性分离法，气流经过加速喷头后，由于受到撞击台的阻挡，气流迅速向周围散开。气流中粒径较小的粒子由于自身动量较小，很容易随气流向周围散开；对于粒径较大的粒子，由于自身较大的动量，即便受到气流分散时力的作用，但仍旧无法彻底改变运动轨迹，并最终沉积到撞击台上。

图2为撞击式粒径切割器结构原理图，图中W为加速喷孔直径，T为加速喷孔高度，S为加速喷口306与撞击台308的垂直距离。在实际计算中，决定惯性撞击式粒子切割器粒径分级效率的参数是 ，也就是收集效率达到50%时所对应的粒径值，设计过程中取W=T=S=0.6um，在标准状况下，当吹扫气流量为0.3L/min时，为0.6um，可以有效去除吹扫气中微米级的大颗粒物。同时，当吹扫气气流变大时，由于加速后气流流速更快，会更小。

所述静电细粒子去除器310包括去除器腔体、设置在去除器腔体上下两端的高压放电针309和高压牵引电极311、与高压放电针309电连接的高压放电针电源301和与高压牵引电极311电连接的高压牵引电极电源313。所述高压放电针309为钨针，在高压放电针电源301驱动下，能够产生大量自由电子。所述高压放电针电源301采用负压直流电源，能够实现0到负5000V范围内的连续调节。所述高压牵引电极313为与高压放电针309同轴设置的钢棒，该钢棒的一端安装在去除器腔体的底部，另一端为半球形（在图1中，高压牵引电极的上端为半球形）。高压放电针309的尖端与高压牵引电极313的半球端保持绝缘安全距离。通过将高压牵引电极313的前端设置为半球形，能够避免尖端放电现象的发生。所属高压牵引电极电源313采用负压直流电源。所述加速喷口306的进气端位于切割器腔体外侧，出气端位于切割器腔体内侧且与切割器腔体内部相连通。所述切割器腔体连接在去除器腔体侧壁上，且切割器腔体内部与去除器腔体内部相连通。所述去除器腔体下端侧壁上设有净化气出口312，所述净化气出口312与吹扫气进气口103相连通。所述切割器腔体与去除器腔体均采用铝质材料，并接地。在施加放电电压及牵引电压的前提下，静电细粒子去除器能够实现低至纳米级的细颗粒物的截留去除。具体去除过程如下：当高压放电针电源301正常工作时，高压放电针309会产生大量的自由电子并释放至周围空间，形成高密度电子云区域，当载有颗粒物的吹扫气通过该区域时，由于颗粒物与自由电子之间的碰撞及静电吸附作用，颗粒物会瞬间带上负电荷。而高压牵引电极电源313正常工作时，由于高压牵引电极311前端为半球形，在其周围空间只会产生稳定的电场区，当带有电荷的颗粒物到达电场区后，在电场力的作用下，往朝着静电细粒子去除器310器壁运动，并沉积在器壁上。实验分析表明，经撞击式粒子切割器307和静电细粒子去除器310净化后，10nm以上颗粒物基本被全部去除。

更进一步的，所述抽气泵400采用气流流速可控的气泵。

本发明还涉及一种大气颗粒物除湿装置的除湿方法，该方法包括以下步骤：

（1）首先，采样气流由样气进气口101进入Nafion管除湿单元100的内层管105中的样气干燥通路中。然后，在样气干燥通路内的流动过程中，采样气流将其水汽渗透至内层管105与外层管106之间的吹扫气通路内的吹扫气中，完成采样气流干燥处理；最后，完成干燥处理后的采样气流经样气出气口102从Nafion管除湿单元100流出至颗粒物特性参数测量单元200。在本发明中，所述样气即为采样气流。

（2）经Nafion管除湿单元100进行干燥处理后的采样气流在颗粒物特性参数测量单元200中进行颗粒物特性参数测量，并在完成颗粒物特性参数测量后流入至颗粒物净化单元300。将经颗粒物特性参数测量后的气体作为吹扫气进行回收利用，连同辅助气流汇成吹扫气流一并通入至颗粒物净化单元300中，从而加大吹扫气与样气之间的湿度差，进而能够提高整个大气颗粒物除湿装置的干燥效率。

（3）颗粒物特性参数测量单元200的出气管流出的经干燥处理后的采样气流，从主进气口303流入至限流阀302中。同时为保证吹扫气流量高于待测样气的流量，从辅助进气口304向限流阀302中通入一部分干燥空气。在限流阀302中，从主进气口303进入的干燥采样气流和从辅助进气口304进入的干燥空气混合均匀后，形成带有颗粒物的吹扫气。带有颗粒物的吹扫气经混合气出口305和加速喷口306进入至撞击式粒子切割器307中。经加速喷口306后，吹扫气中的微米级大颗粒物被截留在撞击台308中，其他纳米级细颗粒物随吹扫气进入静电细粒子去除器310中。在静电细粒子去除器310中，在高压放电针309、高压放电针电源301的共同作用下，吹扫气中的颗粒物瞬间完成荷电过程，然后在高压牵引电极311、高压牵引电极电源313的共同作用下，吹扫气中带电的纳米级颗粒物瞬间被牵引至内外电极表面，从而完成吹扫气中纳米级颗粒物的去除。由此，带有颗粒物的吹扫气经过颗粒物净化单元后，其所携带的颗粒物基本全部被清除，从而能够避免对Nafion管除湿单元100的污染。净化后的吹扫气经过吹扫气进气口103进入Nafion管除湿单元100中，并充满内层管105与外层管106组成的中间区域中，进行采样气流的吸湿处理，然后在抽气泵的作用下，由吹扫气出气口104离开Nafion管除湿单元100，并通过抽气泵400排出。本发明通过设置抽气泵400，能够使吹扫气气流大于待测样气，从而在固定时间内带走更多的水汽分子，而限流阀302的引入能够在实现气体初步混合的同时，实现阀体后方吹扫气气压低于待测样气，根据nafion管工作原理，气压差的引入将大大加快水分子在Nafion管中的输运速度，从而提高整个大气颗粒物除湿装置的干燥效率。

综上所述，本发明所述的大气颗粒物除湿装置及方法是基于Nafion管除湿原理，通过低气压高流速干燥气体吹扫的方法，去除待测样气中的水汽，实现大气颗粒物的无损失非接触式连续除湿。为保证吹扫气体的洁净度，本发明先采用惯性撞击的方式，去除吹扫气体中的粒径在微米量级的颗粒物；再利用场致电离荷电与静电牵引去除相结合的方法，去除吹扫气体的纳米级的细颗粒物。本发明还利用限流阀与大功率抽气泵相结合的方法，实现吹扫气体压力低于样气，从而大大提高了整个大气颗粒物除湿装置的干燥效率。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大气颗粒物除湿装置，其特征在于：包括Nafion管除湿单元、颗粒物特性参数测量单元、颗粒物净化单元和抽气泵；

所述Nafion管除湿单元包括外层管和嵌入设置在外层管中间的内层管；所述外层管内壁与内层管外壁之间形成吹扫气通路；所述外层管侧壁的上下两端分别设有与吹扫气通路相连通的吹扫气出气口和吹扫气进气口，所述吹扫气出气口与抽气泵的进气口相连通；所述内层管的上下两端分别设有与内层管内部相连通的样气进气口和样气出气口，所述样气进气口、内层管内部以及样气出气口形成样气干燥通路；所述样气出气口与颗粒物特性参数测量单元的进气管相连通；

所述颗粒物净化单元包括限流阀、撞击式粒子切割器和静电细粒子去除器；所述限流阀上设有主进气口、辅气进气口和混合气出口；所述撞击式粒子切割器包括切割器腔体、设置在切割器腔体顶部的加速喷口以及可拆卸安装在切割器腔体内部底面上的撞击台；所述静电细粒子去除器包括去除器腔体、设置在去除器腔体上下两端的高压放电针和高压牵引电极、与高压放电针电连接的高压放电针电源和与高压牵引电极电连接的高压牵引电极电源；所述主进气口与颗粒物特性参数测量单元的出气管相连通；所述辅气进气口接外部干燥空气源；所述混合气出口与加速喷口的进气端相连通；所述加速喷口的进气端位于切割器腔体外侧，出气端位于切割器腔体内侧且与切割器腔体内部相连通；所述切割器腔体连接在去除器腔体侧壁上，且切割器腔体内部与去除器腔体内部相连通；所述去除器腔体下端侧壁上设有净化气出口，所述净化气出口与吹扫气进气口相连通；

所述加速喷口包括加速喷头和设置在加速喷头中间的加速喷孔，所述加速喷孔为倒圆锥状；

所述撞击台为与加速喷孔同轴设置的圆柱体，且所述撞击台螺纹连接在切割器腔体内的底部，且撞击台与切割器腔体的连接处设有O型密封圈。

2.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物除湿装置，其特征在于：所述颗粒物特性参数测量单元采用颗粒物特性参数测量仪或监测仪。

3.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物除湿装置，其特征在于：所述高压放电针为钨针，所述高压放电针电源采用直流电源；所述高压牵引电极为与高压放电针同轴设置的钢棒，该钢棒的一端安装在去除器腔体的底部，另一端为半球形。

4.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物除湿装置，其特征在于：所述切割器腔体与去除器腔体均采用铝质材料。

5.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物除湿装置，其特征在于：所述抽气泵采用气流流速可控的气泵。

6.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物除湿装置的除湿方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）首先，采样气流由样气进气口进入Nafion管除湿单元内层管中的样气干燥通路中；然后，在样气干燥通路内的流动过程中，采样气流将其水汽渗透至内层管与外层管之间的吹扫气通路内的吹扫气中，完成采样气流干燥处理；最后，完成干燥处理后的采样气流经样气出气口从Nafion管除湿单元流出至颗粒物特性参数测量单元；

（2）经Nafion管除湿单元进行干燥处理后的采样气流在颗粒物特性参数测量单元中进行颗粒物特性参数测量，并在完成颗粒物特性参数测量后流入至颗粒物净化单元；

（3）流入至颗粒物净化单元中的采样气流，连同由辅助进气口进入的辅助气流，汇成吹扫气流，先采用撞击式粒子切割器截留去除其中的微米级大颗粒物，再采用静电细粒子去除器截留去除其中的纳米级细颗粒物，最后将清除完颗粒物的气流通过Nafion管除湿单元的吹扫气进气口进入至吹扫气通路中，进行采样气流吸湿处理，并在抽气泵的驱动下由吹扫气出气口排出。