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固定源PM_(2.5)稀释采样器的研制_李兴华,曹阳,蒋靖坤,段雷,邓建国,张强,韩军赞

采用喷射型稀释和多孔湍流混合稀释相结合的两级稀释方式,加强稀释气体和烟气的混合,降低稀释混合段长度; 在满足采样的前提下,减少进入停留室的采样气量,缩小停留室体积; 稀释后的采样气体在停留室呈微正等
下载次数:605 浏览次数:1253发布时间:2018-05-12 14:18
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目前,国际上针对固定源 PM2.5排放的测试方法可以分为直接采样法和稀释采样法( 蒋靖坤等2014a) ,其中,稀释采样法是将高温烟气用洁净空气稀释和冷却至大气环境温度,稀释冷却后的烟气停留一段时间后用滤膜捕集其中的 PM2.5,该方法较好地模拟了烟气排入大气后的稀释、冷却和凝结等过程,捕集的 PM2.5除了包括直接采样法采集的可过滤 PM2.5,还包括直接采样法不能捕集的可凝结PM2.5,可近似认为是固定源排放的一次 PM2.5( 即包括可过滤 PM2.51989) ,因此,该方法被认为是更为准确的固定源PM2.5的采样方法.采用该方法可获得一次 PM2.5的排放浓度及排放因子.此外,由于高温烟气稀释冷却至大气环境温度,许多不适用烟气条件的滤膜( 如 和可凝结 PM2.5 ) ( Hidemann et al.,1989) ,因此,该方法被认为是更为准确的固定源PM2.5的采样方法.采用该方法可获得一次 PM2.5的排放浓度及排放因子.此外,由于高温烟气稀释冷却至大气环境温度,许多不适用烟气条Telfon 等) 和只适于大气条件的在线细粒子测量仪器也可应用,因而可对 PM2.5的化学组成和粒径分布进行全方位的分析; 同时,采用该方法得到的 PM2.5源成分谱数据适应于大气 PM2.5的源解析研究,获得的污染源 PM2.5及关键化学成分有机碳( OC) /元素碳( EC) 的排放因子数据也被应用于排放清单的编制中.因此,该方法深受研究人员的青睐( Hidemann et al.,1991; Waston et al.,2001; Fine et al.,2001; 白志鹏等,2003; 周楠等,2006; 李兴华等; 2008) . 美国环保署( US EPA,2004) 已将稀释采样法作为测量固定源 PM10 和 PM2.5 排放的“有条件的测试方法( Conditional Test Method 039 ) ”. 国际标准化组织( ISO,2013) 近期将稀释采样作为固定源排放 PM2.5测试的标准方法( ISO 2559稀释比和停留时间是稀释采样法的两个重要7: 2013) .件的滤膜( 如参数.稀释采样器在现场应用时,稀释比一般在 20 ~50 之间.早期的稀释采样器多采用较长的停留时间( 如 80 s) ,停留室体积大,且混合段长度较长,一般为其直径的 10 倍以上 (Hidemann et al.,1991; Waston et al.,2001; Fine et al.,2001) ,导致稀释采样器庞大笨重,而许多污染源采样现场空间狭小,一定程度上限制了该方法的应用.随后,不少研究组开展了稀释比和停留时间等参数对颗粒物采样的影响研究. Lipsky 等( 2002) 在一台中试规模的煤粉燃烧器测量颗粒物的粒径分布和 PM2.5的排放因子,结果表明,稀释比和停留时间对 PM2.5的排放因子影响不大,主要影响颗粒物粒径分布和总的粒子数浓度.Chang 等( 2004) 采用稀释采样方法测量燃烧烟煤、6 号燃料油和天然气排放的超细颗粒物,研究不同稀释比和停留时间对超细颗粒物粒径分布的影响,认为采用停留时间 10 s,稀释比 20 足以获得有代表性的固定源一次颗粒物排放样品; 并基于该研究,开发了一套紧凑型的稀释采样器 ( England间分别不小于 20 倍和 10 s,且稀释后的气体温度和相对湿度分别低于 42 ℃ 和 70%; 但以上规定是否适应所有类型的固定源排放一次颗粒物的采集还志鹏等,2003; 刘红杰等,2005; 周楠等,2006; 李兴华等,2008 ) . 周 楠 等 ( 2006 ) 等 参 考 Hidemann 等( 1991) 的设计,研制了停留时间较长( 达 90 s) 、稀释倍数可调范围大( 20 ~ 100 之间) 的稀释采样器.李兴华等( 2008) 和 Li 等( 2011) 采用喷射型稀释和多孔湍流混合稀释相结合的两级稀释方式,加强稀释气体和烟气的混合,降低稀释混合段长度; 在满足采样的前提下,减少进入停留室的采样气量,缩小停留室体积; 稀释后的采样气体在停留室呈微正等 2008; Li et al.,2011) ,结合最近的研究成果及ISO 25597: 2013 的规定,研制了一套紧凑型的固定源 PM2.5稀释采样器,以期满足我国典型固定源排放现场测试 PM2.5 的要求,并在实验室对其性能进行评估.文丘里流量计和连接管 A 组成.其中,粗颗粒切割器插入烟道中,用于去除烟气中空气动力学直径在 2.5 μm 以上的大颗粒,避免大颗粒沉积和堵塞加热采样管.粗颗粒切割器的进口端装有采样嘴,迎对气流,根据烟气流速选取适当的采样嘴,实现烟气的稀释空气部分包括由上层粗过滤器、中层活性炭过滤器、下层高效过滤器构成的三层过滤单元,以及孔板流量计、调节阀和稀释空气进气管道.三层过滤单元中,粗过滤器一端与大气连通,空气由粗过滤器一端进入,依次经粗过滤器、活性炭过滤器、高效过滤器,分别去除空气中粗颗粒、有机气体和细小颗粒后,得到洁净稀释空气; 高效过滤器对粒径为 0.3 μm 的颗粒物的去除效率在 99.97%以上,过滤后的 PM2.5浓度小于 5 μg·Nm-3 .孔板流量计测量经过孔板的稀释空气压差,结合稀释空气的温度和压力,可确定稀释空气流量 Q2 .调节阀用来控制稀释空气的流量.稀释空气进气管道将净化后的空气导入稀释混合部分的稀释空气进气腔,进而进入混合段与烟气混合.稀释比至少保证不小于 20∶1,本设计的稀释比在 20∶1 至 50∶1 范围内.要求经过稀释后的烟气温度和相对湿度分别低于 42 ℃ 和 70%;若经过稀释空气稀释后的烟气温度高于 42 ℃,则在三层过滤单元中粗过滤器的进气端安装冷却器,稀释空气先通过冷却器冷却降温后,再进入三层过滤单元中; 若经过稀释空气稀释后的烟气相对湿度高于 70%,则在三层过滤结构中粗过滤器的进气端安装干燥器,稀释空气先通过干燥器进行干燥后,再进入三层过滤单元中.释混合均匀,并停留一段时间后进行捕集.稀释混合部分包括稀释混合段与气流分布板,其中,稀释混合段为不锈钢材料腔体,内部安装有气流分布板,且外壁上安装有旁路部分的旁路管; 通过气流分布板与旁路管将稀释混合段分为 3 部分: 稀释混合段前端与气流分布板间的空腔为稀释空气进气腔,气流分布板与旁路管间的空腔为混合腔,旁路管与稀释混合段后端的空腔为停留室; 气流分布板周向上开有 3 圈喷射孔,每圈喷射孔在气流分布板周向上均匀布置,且 3 圈喷射孔在气流分布板上呈同心圆布置,径向间距相等; 3 圈喷射孔的布置、开孔尺寸及稀释混合距离采用 Fluent 软件模拟和实测确定.通入到进气腔内的稀释空气由气流分布板上的喷射孔喷射进入混合腔内,与烟气在混合腔内快速湍流混合均匀,以降低烟气的温度、湿度和 PM2.5 的浓度.本设计中混合腔长度仅为 1.5 倍稀释混合段直径长度,即可达到稀释空气与烟气充分混合均匀。

 

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