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固定源稀释通道的设计和外场测试研究_周 楠,曾立民,于雪娜

温度控制为EPA M ethod 201A 推荐的 120℃. 综上所述, 稀释通道的烟气采集部分包括系列采样头、采样管和文丘里流量控制器.其次, 由于烟道排出的气体需经过烟气采集部分与洁净空气混合,
下载次数:505 浏览次数:1356发布时间:2018-05-12 15:50
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颗粒物的源成分谱是研究颗粒物的化学行为和量化大气中颗粒物来源的基础信息, 其中的一项关键技术是规范化的源采样方法. 长期以来, 研究者为获得颗粒物的源特征, 采用的采样方法各异.如:烟道内滤膜采集(U. S. EPA, 2003a)、烟道外的加热滤膜采集(U. S. EPA , 2003b)、稀释通道采样(Eng land et al. , 2000)等等. 但由于颗粒物来源自身的差异, 尤其是颗粒物的许多组成成分往往存在气相和颗粒相之间的相互转换, 这些不同的源采样方法获得的结果常常不具有可比性. 当今, 国际上对于固定源燃烧产生的颗粒物多采用稀释通道进行采样.稀释通道最初用于采集机动车排放的颗粒物,但机动车稀释通道由于体积庞大, 并不适用于固定源排气的测试. 固定源稀释通道为 20世纪 70年代棣栧厛鐢卞浗澶栫爺鍒跺嚭鏉ョ殑, 鍒扮洰鍓嶄负姝? 鍥藉澶т綋缁忓巻浜?2涓彂灞曢樁娈? 2闃舵绋€閲婇€氶亾鐨勭壒寰佸弬鏁板琛?1鎵€绀? 绗?1闃舵鏄?20涓栫邯 70骞翠唬鑷?90 骞翠唬.这一时期的稀释通道存在的主要问题是, 稀释通道普遍使用塑料作为主体材料, 而塑料很可能在采样时向系统释放有机物, 从而导致在采集过程中污染样品. 稀释通道发展的第 2阶段是 20世纪 90年代至今. H ildem ann等人(1989)设计出了以不锈钢为主体材料的固定源稀释通道, 克服了塑料对系统带来的污染. 但现有的稀释通道存在一些问题, 如:1)雷诺数较低, 不利于洁净空气(零空气)与烟气的混合;2)室内停留时间短, 不能充分满足颗粒物在成核、长大过程中进行物理、化学等变化所需要的时间(于雪娜, 2004);3)采样流量小, 采集的样品量少, 不利于颗粒有机物的分析;4)稀释倍数可调范围窄, 导致实际应用的范围小(W in et a .l , 2004);5)便携性较差. 20 世纪 70 年代, 我国的沈迪新等(1987a;1987b)、佟家蔚(1987)等人研究了固定源燃烧排放的颗粒物的特征, 得到了燃煤和燃油锅炉的排放因子、质量浓度、离子组成等一些基础数据,目前, 我国只有南开大学(朱坦等, 2005a;白志鹏等, 2004;朱坦等, 2005b)研制过烟道气稀释通道,型锅炉的排放样品, 得到了 PM10和 PM2. 5的排放因子、EC /OC组成、元素组成等重要数据(Ge et al. , 2001;G e et a .l , 2004). 因此, 本工作计划针对我国的固定源颗粒物采样设计制造出稀释通道, 并规范为研究我国固定源的颗粒物排放情况, 参考H ildem ann等(1989)的设计方案, 并在此基础上开发出一套固定源稀释通道采样装置. 其理论依据为:许多有机化合物同时存在于气相和颗粒相中,颗粒相在两相中的比率是随着源排放的有机化合物在大气中温度和稀释程度的变化而变化的(H ueg lin et a.l , 1997). 由于在常温下以颗粒态存在的颗粒物, 特别是许多有机颗粒物, 在烟气温度很高的烟道中一直都是以气体状态存在. 因此, 不能使用从热烟气中直接过滤颗粒物的传统方法来捕捉颗粒物. 这就需要足够量的洁净空气与高温高浓度的烟气混合, 在湍流的状态下稀释冷却烟气, 使其逐渐接近于环境温度, 再进行捕捉. 然而, 要保证足够量的洁净空气进入系统需要有足够的动力, 因姝? 闇€瑕佸ぇ娴侀噺椋庢満鎻愪緵杩欎竴鍔ㄥ姏. 姝ゅ, 杩樺簲褰撹€冭檻鍦ㄤ究鎼虹殑鍩虹涓婂敖鍙兘鍦板欢闀垮仠鐣欐椂闂? 浣垮緱绋€固定源稀释通道的设计需要考虑以下几点:首先, 由于烟尘受流场形式和惯性作用的影响, 需要考虑采样流量与烟道内的排气流速的关系, 所以应采取等速采样的采样方法和原则 (程盛高等, 1997). 为了实现采样嘴在烟道内可以等速采样, 参考 EPA M e thod 201A 的标准设计了不同直径的不锈钢采样嘴(U. S. EPA, 2003c)(如表 2所示), 可以实现烟气在 6. 47 ~ 43. 19m s- 1的范围内等速采样.又由于颗粒物随气流在水平采样管内呈波浪状前进, 为防止烟气中的颗粒物水平采样管内产生输送沉积, 管道内的颗粒物流速必须超过边界层流速,例如:粒径为 10μm 的颗粒物在水平采样管内的边界层流速为 5. 4 ~ 8. 1 m s- 1 (郭静等, 2001). 因此,必须提高采样管内的流速. 但是, 提高采样管内的流速需要增加采样动力, 一方面这导致文丘里流量控制器喉管两端压差增加, 采样管内的负压增大,使整个系统内的压力环境与实际大气环境的压力偏差较大;另一方面会使得采样泵的负担过大. 因此, 自行设计了文丘里流量控制器, 控制采样流量在 30 L m in- 1的范围内, 使粒径为 10 μm 的颗粒物表 2 不锈钢采样头尺寸和流速关系Tab le 2 The relation sh ip betw een th e s tain less steel nozz le size and the在水平采样管内流速为 10. 2 m s- 1 (于雪娜, 2004), 文丘里流量控制器喉管两端压差为 1500 P a.相比 H ildem ann等人(1989)设计的文丘里流量控制器, 在采样管管径尺寸减小约 5 mm 的情况下, 达到了相同的流量调节范围 30 L m in- 1. 同时, 为了防止烟气在混合前形成凝结核或者凝结在管壁上, 必须对这部分加热并保温(Shiet a .l , 1999), 温度控制为EPA M ethod 201A 推荐的 120℃. 综上所述, 稀释通道的烟气采集部分包括系列采样头、采样管和文丘里流量控制器.其次, 由于烟道排出的气体需经过烟气采集部分与洁净空气混合, 然后再冷却和稀释, 烟气流经的稀释混合腔内温度应当接近环境温度, 稀释混合腔内的气体情况应当尽量接近大气状态, 因此, 要求稀释混合腔内的气体达到湍流要求. 即稀释混合腔内的雷诺数大于 4000, 以保证采样烟气与洁净空气混合均匀. 同时, H ildem ann 等人(1989)指出, 如果要保证烟气和零空气稀释混合均匀, 那么稀释混合管长度至少当为稀释管内径的 10 倍. 因此, 在保证稀释通道内气体湍流流动的前提下, 本装置尽量减小系统的体积和质量. 稀释混合腔采用倒 U 型设计, 稀释混合管内径 127 mm , 长度大于 10倍内径.实际测量的稀释混合管内雷诺数典型值可以达到长越好, 但实际上应当根据停留室的尺寸折衷. H ildem ann等人(1989)指出, 稀释混合后的气体停留时间最短不应当小于 2 s. 因此, 停留室体积设计为 250L, 气体在内的停留时间达到了 90 s以上(于雪娜, 2004), 相比 H ildem ann等人(1989)的稀释通道取得了更长的停留时间, 因此更加有利于颗粒物的长大成核.再次, 稀释倍数不同会影响气体中的颗粒物特别是有机物的均相和非均相成核反应(H ildem ann et a.l , 1989). 因此, 为了得到不同固定源和不同稀释倍数下的颗粒物特征, 设计了可以调节进气量的零空气发生装置. 又由于环境空气进入稀释通道要保证不含有颗粒物以免造成采样误差, 因此, 采用粗过滤网和高效颗粒物过滤膜(HEPA )去除空气中的颗粒物. 粗过滤网去除粒径较大的颗粒物, 高效颗粒物过滤膜(H EPA)对大于 0. 3μm 的颗粒物的去除效率达到 99. 97%. 同时, 在稀释系统中, 由于有机物的浓度很低, 空气中的有机物会影响烟气中有机物的分析, 导致分析结果偏高. 因此, 采用活性炭床防止空气中的有机物质进入到系统. 活性炭床后部采用玻璃纤维滤膜阻止大于 0. 03μm的颗粒物进入系统. 为了调节稀释倍数, 采用球阀配合大流量风机调节进入系统的总空气量. 通过调节大流量风机的功率, 进而调节整个系统的动力, 再通过调节球阀改变零空气的进气量, 使整个系统的流量达到平衡. 相比 H ildem ann等人(1989)的设计, 该装置将稀释倍数的调节范围从 40倍扩大为 20 ~ 100倍.

 

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