發(fā)布時(shí)間：2020-03-13所屬分類(lèi)：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了改善現(xiàn)有污染源廢氣排放的采樣技術(shù)，特別是顆粒物稀釋采集技術(shù)上所存在的不足，如射流技術(shù)會(huì)產(chǎn)生伯努利效應(yīng)，導(dǎo)致射流泵體積大、重量重、樣品均勻性差，且不能實(shí)現(xiàn)等速采樣等缺點(diǎn)。本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套可適用于不同污染源的、模塊化自動(dòng)化控制的
摘要：為了改善現(xiàn)有污染源廢氣排放的采樣技術(shù)，特別是顆粒物稀釋采集技術(shù)上所存在的不足，如射流技術(shù)會(huì)產(chǎn)生伯努利效應(yīng)，導(dǎo)致射流泵體積大、重量重、樣品均勻性差，且不能實(shí)現(xiàn)等速采樣等缺點(diǎn)。本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套可適用于不同污染源的、模塊化自動(dòng)化控制的、輕便性、均勻性好的采樣裝置。該裝置可模擬污染源的高溫廢氣排放到大氣中的冷卻、稀釋、凝結(jié)等反應(yīng)過(guò)程。采用裝置設(shè)計(jì)成四通道均勻采樣，使其可作為大氣污染物的源譜解析研究的專(zhuān)用采樣設(shè)備，同時(shí)也可作為其他精密分析儀器的預(yù)處理裝置。
關(guān)鍵詞：污染源采樣稀釋通道直接抽取質(zhì)量流量控制
1、引言
按流動(dòng)性分類(lèi)，污染源可分為固定源和流動(dòng)源。固定源指煙道、煙囪、排氣筒等排放源，流動(dòng)源主要指交通車(chē)輛、飛機(jī)、輪船等排氣源，其排放廢氣中含有顆粒物、有機(jī)和無(wú)機(jī)的氣態(tài)有害物質(zhì)。污染源排放的高溫高濕、采樣條件的惡劣等特性，使其采樣和分析變得非常困難。
目前針對(duì)污染源排放的PM2.5采樣可以分為直接采樣法和稀釋通道采樣法，前者是將取樣管直接伸進(jìn)煙道或者其他污染源進(jìn)行直接取樣，只能采集到一次顆粒物;后者是將高溫?zé)煔庥昧銡庀♂尯屠鋮s至大氣環(huán)境溫度，稀釋冷卻后的煙氣停留一段時(shí)間后用濾膜捕集其中的PM2.5，該方法較好地模擬了煙氣排入大氣后的稀釋、冷卻、凝結(jié)和二次反應(yīng)等過(guò)程，捕集的PM2.5除了包括直接采樣法采集的可過(guò)濾PM2.5，還包括直接采樣法不能捕集的可凝結(jié)PM2.5，因此該方法被認(rèn)為是更為準(zhǔn)確的固定源[1]。
目前國(guó)內(nèi)外有幾款固定源采樣器，但由于體積大、重量重、不能廣泛適用各種污染源，采樣參數(shù)不能精準(zhǔn)控制等不足，都給現(xiàn)場(chǎng)采樣工作和后續(xù)分析處理帶來(lái)了較大的困難;另外，針對(duì)各類(lèi)源排放的高溫、高濕、高濃度等特性，很多精密的分析儀器(如粒徑譜儀、VOCs儀等)無(wú)法直接采樣分析，需借助相應(yīng)的預(yù)處理裝置。為解決上述困難，筆者設(shè)計(jì)研發(fā)了一套可廣泛適用于各種污染物、模塊化自動(dòng)化控制的采樣裝置。
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2采樣裝置設(shè)計(jì)與研發(fā)
2.1設(shè)計(jì)與研發(fā)思路
該裝置抽取污染源排放的廢氣，經(jīng)干燥的零氣稀釋/直接抽取停留待氣溶膠老化后，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)式切割器(Cyclone)分離掉氣流中大于某一粒徑的顆粒物質(zhì)[1]，小于該粒徑的顆粒
物質(zhì)隨氣流分為四通道，分別由該通道中的濾膜收集，采樣裝置設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖1。
2.2采樣裝置適用范圍
該裝置適用于稀釋通道法或直接抽取法采樣，選取不同材質(zhì)的濾膜，四通道平行采樣，可用于污染源排放中顆粒物質(zhì)量濃度及化學(xué)組分的分析;亦可作為粒徑譜儀、質(zhì)譜儀、OCEC、VOCs分析儀等精密儀器的預(yù)處理設(shè)備。
2.3關(guān)鍵技術(shù)要素設(shè)計(jì)
(1)滿(mǎn)足顆粒物源譜解析采樣和其他分析儀器的預(yù)處理需要;
(2)模塊化設(shè)計(jì)，可更換模塊實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型源采樣;
(3)空氣動(dòng)力學(xué)模擬設(shè)計(jì)停留室，提供顆粒物充足的停留/老化時(shí)間;
(4)四通道設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足顆粒物質(zhì)量濃度測(cè)定及源譜分析要求;
(5)自動(dòng)化控制相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，確保采樣的精準(zhǔn)性;
(6)稀釋比可調(diào)節(jié)。
2.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
該裝置由6個(gè)模塊組成，包括采樣管、停留室、中控模塊、供氣模塊、抽氣模塊及自動(dòng)化控制。
2.5.2采樣管
采樣管的作用為將污染源排氣引入停留室。根據(jù)污染源種類(lèi)的不同，分為固定源采樣管及流動(dòng)源采樣管。為實(shí)現(xiàn)等速采樣，固定源采樣管配有采樣嘴套件;為避免煙氣高含濕量對(duì)后續(xù)系統(tǒng)的影響，固定源為可加熱采樣管。
2.5.3停留室
停留室的作用為：(1)為污染源樣氣和零氣提供稀釋(混合)的場(chǎng)所;(2)為稀釋(混合)后的氣體提供停留時(shí)間，以使混合后的氣溶膠充分老化。停留室組件包括不銹鋼停留室、直接抽取法上蓋板及稀釋通道法上蓋板，停留室與直接抽取法上蓋板組合用于直接抽取法采樣，停留室與稀釋通道法上蓋板組合用于稀釋通道法采樣，停留室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。
2.5.4中控模塊
中控模塊為該裝置的核心部件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3，其作用為：(1)電源管理及可視化操控中心;(2)切割器分離樣品中的PM2.5或PM10(旋風(fēng)式切割器(Cyclone)，PM10的切割流量為66.68L/min，PM2.5切割流量為92L/min)。);(3)控制及計(jì)量各采樣通道及總氣流的質(zhì)量流量及體積流量;(4)各采樣通道中濾膜安裝及更換;(5)采樣過(guò)程中數(shù)據(jù)計(jì)算及存儲(chǔ)。中控模塊組件包括切割器、分流器、膜托、質(zhì)量流量控制器、顯示屏及操作系統(tǒng)。
2.5.5抽氣模塊
抽氣模塊為采樣器提供采樣動(dòng)力，包括一臺(tái)真空泵。
2.5.6供氣模塊
供氣模塊為采樣器提供稀釋用的零氣，包括干燥劑、供氣泵、過(guò)濾器和質(zhì)量流量控制器。注：供氣入口，建議連接除濕裝置以減少潔凈空氣中含濕量，如分析氣體需增加供氣的凈化措施(燃燒爐、氧化劑等)。
2.5.7自動(dòng)化控制
該裝置進(jìn)行了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)各部件的自動(dòng)控制，特別是質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，一共5路質(zhì)量流量控制，可根據(jù)溫度壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和調(diào)節(jié)，以確保顆粒物的精準(zhǔn)切割和采樣體積的準(zhǔn)確性[2]，自動(dòng)編輯程序采樣;數(shù)據(jù)采集及顯示：測(cè)量停留室壓力、溫度、切割流量和各氣路流量;計(jì)算顯示量：等速采樣跟蹤率、廢氣流速、樣品采樣時(shí)間、煙氣含濕量、每通道采樣標(biāo)態(tài)煙氣體積;各樣品的詳細(xì)信息和參數(shù)的自動(dòng)存儲(chǔ)。該裝置自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。
3針對(duì)不同類(lèi)型污染源的采樣
該裝置可提供稀釋法及直接抽取法兩種方式供選擇，推薦的用法為：對(duì)于排氣溫度、含濕量及顆粒物含量較高的燃煤電廠、工業(yè)鍋爐等固定源，以及機(jī)動(dòng)車(chē)、船舶及非道路移動(dòng)等流動(dòng)源，使用稀釋方法采樣;對(duì)于排氣溫度、含濕量及顆粒物含量與環(huán)境較為接近的固定源，諸如安裝了高效凈化設(shè)施的有組織排放餐飲源，使用直接抽取方法采樣。
3.1針對(duì)固定源和流動(dòng)源的稀釋通道法采樣
組件為采樣管模塊、供氣模塊、停留室、中控模塊及抽氣模塊，其連接方式如圖5。
3.2針對(duì)餐飲源直接抽取法采樣
組件為采樣管模塊、停留室模塊、中控模塊以及抽氣模塊，無(wú)需供氣稀釋組件。
3.3不同污染源源譜采樣的參數(shù)設(shè)置
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)地采樣經(jīng)驗(yàn)可進(jìn)行下列參數(shù)設(shè)置，由于各地情況不同，本地各種污染源的采樣時(shí)間、稀釋比等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況或?qū)嶒?yàn)得出。
3.3.1流動(dòng)源稀釋法采樣
(1)采樣時(shí)長(zhǎng)：可根據(jù)待測(cè)對(duì)象顆粒物質(zhì)量濃度、PM2.5占總顆粒的比例、稀釋比例及后續(xù)分析需求等預(yù)估。一般而言，對(duì)于顆粒物含量較高的燃柴油流動(dòng)源，需要時(shí)間約為60min;對(duì)于燃用汽油流動(dòng)源，約為120min。
(2)采樣管的設(shè)定溫度：如若采樣管基本均處于排氣筒之內(nèi)，與停留室的連接管線(xiàn)也較短，那么可不加熱采樣管。
(3)流動(dòng)源稀釋比：對(duì)于流動(dòng)源分流式稀釋通道的稀釋比應(yīng)在7∶1～5∶1之間，因此，建議稀釋比設(shè)定為5∶1[3-6]。
3.3.2固定源稀釋法采樣
(1)采樣時(shí)長(zhǎng)：采樣時(shí)長(zhǎng)可根據(jù)待測(cè)對(duì)象顆粒物質(zhì)量濃度、PM2.5或PM10占總顆粒的比例、稀釋比例及后續(xù)分析需求等預(yù)估。一般而言，對(duì)于污染物控制設(shè)施完善的電廠鍋爐(顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)為20mg/m3)，在10∶1的稀釋比例下約需180～300min。
(2)采樣管溫度：采樣管加熱的目的是防止煙氣在采樣管中冷凝，加熱溫度如過(guò)低則不能達(dá)到上述效果，但也不宜過(guò)高，以防止額外的“烘烤”煙氣以至于產(chǎn)生較大顆粒物形狀的改變，建議加熱溫度高于煙氣溫度約10℃即可。當(dāng)然，對(duì)于安裝了GGH的采樣對(duì)象，煙氣溫度較高，或者采樣管基本處于煙道之內(nèi)，與停留室的連接管線(xiàn)也較短，那么也可選擇加熱至煙氣溫度，或者不加熱。
(3)固定源稀釋比：推薦設(shè)置10∶1的稀釋比[3-6]。
3.3.3餐飲源稀釋法采樣
采樣時(shí)長(zhǎng)：采樣時(shí)長(zhǎng)可根據(jù)待測(cè)對(duì)象顆粒物質(zhì)量濃度、PM2.5占總顆粒的比例、稀釋比例及后續(xù)分析需求等預(yù)估。一般而言，對(duì)于安裝有高效除塵設(shè)施的有組織排放餐飲源，推薦時(shí)間為120min，同時(shí)應(yīng)盡可能在其高峰期采樣。
3.4四通道采樣體積的平行性
本研究設(shè)計(jì)了通過(guò)同一個(gè)PM10/PM2.5切割器對(duì)樣品中的顆粒物進(jìn)行切割，再通過(guò)4個(gè)均勻分布的采樣通道進(jìn)行收集，確保了樣品的平行性[7]。
為了測(cè)試4個(gè)通道采樣體積的平行性和各通道的穩(wěn)定性，進(jìn)行8次測(cè)試試驗(yàn)，每次采樣時(shí)長(zhǎng)為60min，設(shè)置稀釋比8.5∶1和5.3∶1。實(shí)際稀釋比、各通道采樣體積和平行性結(jié)果見(jiàn)表2，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.1%，表明通道間平行性良好;各通道的采樣體積誤差結(jié)果見(jiàn)圖6，結(jié)果表明各通道的采樣體積誤差均在-2.5%～2.0%之間，各通道的穩(wěn)定性良好。
4結(jié)論
該采樣裝置可適用于多種污染源的廢氣排放采樣，模擬高溫污染物排放到大氣環(huán)境中的冷卻、稀釋、凝結(jié)和反應(yīng)的過(guò)程。四通道均勻采樣、可調(diào)節(jié)稀釋比設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PM10/PM2.5、OC、EC、重金屬、VOCs等的采樣，作為大氣污染物排放的源譜研究及顆粒物來(lái)源解析工作的專(zhuān)用采樣設(shè)備，亦可作為其他精密分析儀器的預(yù)處理系統(tǒng)。
該裝置進(jìn)行了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，自動(dòng)編程采樣、樣品信息及參數(shù)的自動(dòng)采集、儲(chǔ)存及顯示打印。
該裝置已在多地的源解析工作中使用，結(jié)合污染源采樣的特殊性和實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，雖然已經(jīng)進(jìn)行模塊化、便攜性的設(shè)計(jì)，單個(gè)模塊控制在25kg以?xún)?nèi)，但由于該裝置尚未商業(yè)化批量生產(chǎn)，在設(shè)備外殼設(shè)計(jì)、材料、傳感器、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面任需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高設(shè)備的輕便性和穩(wěn)定性。
