专利名称：等速追踪固定源稀释采样系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种等速追踪固定源稀释采样系统，特别是一种能够对固定源排放的烟气流速进行自动追踪并保持等速稀释采集排放颗粒物样品的稀释采样系统。
背景技术：
固定源的烟尘排放是造成大气污染的重要根源，尤其是那些颗粒细小、表面积较大的颗粒物，它们在长时间的传输过程中进行着各种复杂的物理、化学变化，对人体健康造成不利的影响。
对于固定源排放气体的监测是研究大气污染的形成机理、控制污染烟尘排放的重要手段。目前，对固定源实施的监测装置或多或少存在着不能采集颗粒物样品，无法进行有机、元素、离子分析，不能进行烟尘粒径分割采样，不能测出烟尘在排放到大气环境中的真实形态等缺陷。
之所以需要进行烟尘粒径分割采样，是因为当颗粒物小于PM10时，烟尘对大气的污染更加严重，其中小于PM2.5的颗粒可以直接进入人体肺泡，将病毒带入，所以，对烟尘中微小颗粒物的采用研究尤为重要。
在对各种排放源(包括固定源)进行监测时，大气中有机气溶胶的测定是非常困难的。其原因是许多有机化合物同时存在于气相和气溶胶相中，因此气溶胶相在两相中的比率是随着源排放在大气中温度和稀释程度的变化而变化的。由于烟道中的温度很高，在常温下以气溶胶的状态存在的许多有机气溶胶在烟道中一直都是以气体状态存在的，因此不能用从热烟道气中直接过滤颗粒物的方法来捕捉气溶胶，而是需要使用特定的装置，对烟气进行稀释，模拟烟气在大气中的扩散、固相和气相之间的分配、颗粒物表面物理、化学变化等过程。
北京大学早期研制开发出的固定源稀释通道采样系统虽然可以进行粒径分割，并捕捉气溶胶颗粒，但其粒径分割装置组装复杂，难于拆卸清洗。
另外，测定烟气烟尘浓度必须采用等速采样法，即烟气进入采样嘴的速度应与采样点烟气流速相等。采样气流速大于或小于采样点烟气流速都将造成测定误差。当采样速度大于采样点的烟气流速时，由于气体分子的惯性小，容易改变方向，而尘粒惯性大，不容易改变方向，所以采样嘴边缘以外的部分气流被抽入采样嘴，而其中的尘粒按原方向前进，不进入采样嘴，从而导致测量结果偏低；当采样速度小于采样点烟气流速时，情况正好相反，使测定结果偏高。
上述北京大学的固定源稀释通道采样系统的等速采样头为多个不同直径的气嘴，采样前首先测量烟道内烟气流速，然后选择适当的采样头进行装配，采样中不能更换，但是在实际生产中锅炉在排放过程中烟道系统内烟气速度不稳定，变化频繁，所以现有的固定源稀释通道采样系统难于对等速采样进行追踪控制，难于保证采样的全过程等速，这就使所得到的数据产生偏差，加之现有的固定源稀释通道采样系统存在着体积庞大，质量过重，采样头高度固定，不能调节等缺陷，在实际采样应用中很难广泛使用，所应用的采样点有限，所得到的数据的代表性不足。
综上所述，对固定源排放烟尘实现烟尘的追踪等速采样并真实的模拟排放颗粒在大气中的稀释变化过程，从而提供具有代表性数据是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有固定源烟气排放采用设备在采用过程中所存在的不足和缺陷提供一种等速追踪固定源稀释采样系统，该装置通过等速采样设计，优化系统结构以及可以根据烟道内气压的变化，动态调节采样流量，保证了采样的全过程等速，使固定源气体样品的损失最小。
为实现上述目的，本发明采用一种等速追踪固定源稀释采样系统，该系统至少包括采样头、加热管、一级稀释腔、二级稀释腔、停留室、采样器、数据采集器和皮托管；采样头的出口端与所述加热管的一端连接，该加热管的另一端与所述一级稀释腔连通，该一级稀释腔上安装有第一零空气发生器和保温部件，该第一零空气发生器的出气口通过第一质量流量控制器与所述一级稀释腔内部连通；所述一级稀释腔的出口通过流量控制器与所述二级稀释腔的一端连通；所述二级稀释腔为一封闭的管道，其另一端连接所述停留室的上部；所述停留室为一筒状容器；所述二级稀释腔上安装有第二零空气发生器，所述第二零空气发生器的出气口通过第二质量流量控制器与所述二级稀释腔内部连通；所述采样器安装在所述停留室的下部并与其内部连通；所述采样器为用于采集PM2.5颗粒物和PM10颗粒物的分级采样装置，其由旋风分离器、膜托、第三质量流量控制器和采样泵串联构成，其中所述旋风分离器与所述停留室的内部连通；所述数据采集器的信号输入端分别与所述加热管、所述一级稀释腔、所述二级稀释腔、所述停留室上设置的温度传感器和湿度传感器连接，同时还与一皮托管上设置的压差传感器、所述第一质量流量控制器、所述第二质量流量控制器、所述第三质量流量控制器及所述流量控制器的信号输出端连接；所述数据采集器的信号输出端连接外部用于处理数据并输出控制信号的计算机。
上述方案中，采样头和皮托管伸入固定源通道，采集固定源排放的烟气。被采集的烟气样品经加热管进入一级稀释腔内与第一零空气发生器产生的洁净空气混合并通过安装在一级稀释腔上保温部件保持温度和流量。皮托管、流量控制器及第一质量流量控制器将流量信号通过数据采集器送到计算机，计算机根据皮托管给出的固定源压差信号调整采集流量，使样品的采集速度与固定源排放流速相同并通过第一质量流量控制器和流量控制器将该流速反馈到计算机，从而实现等速追踪。
进入一级稀释腔内的混合气体在二级稀释腔内得到进一步的稀释，以次模拟烟气在自然界的空气中的稀释过程，最后，经过两极稀释的烟气样品在停留室中静置，模拟其在自然空气中颗粒的成核长大过程，再由旋风分离器将其分离采集。
由以上技术方案可以看出，本发明通过皮托管监测的固定源排放烟道内的压力参数，计算出对应的流速、流量，输送到计算机进行判断，真正实现了采样的全过程等速，模拟了在大气中烟尘形成颗粒物过程中物理、化学等变化，得到固定源排放颗粒物的种类、数量、化学成分和其排放规律，为研究烟尘化学组成及变化及烟尘对大气环境的污染提供了准确的原始数据。
以下，通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图1为本发明的一个具体实施例的结构示意图。
图2为图1所示实施例的烟气流向示意图。
具体实施例方式
本发明所提供等速追踪固定源稀释采样装置的一个具体实施例的结构如图1所示。图中所示装置的组成主要包括采样头1、加热管2、一级稀释腔3、二级稀释腔4、停留室5、采样器6、数据采集器7和皮托管8。
在进行固定源(烟道A)排放烟气采样中，将采样头1和皮托管8设置在固定源内，采样头1的出口端与加热管2的一端连接。加热管2的另一端与一个直筒形管道状的一级稀释腔3连通。该一级稀释腔3上与加热管2的另一端的连通处为一级稀释腔3的进气端。在一级稀释腔3的进气端处，安装有第一零空气发生器9，第一零空气发生器9的出气口通过第一质量流量控制器91与一级稀释腔3连通。在一级稀释腔3的表面设有保温部件32，该保温部件32可以采用由保温材料制成保温层并裹覆在一级稀释腔3的表面。
为了保证采集的烟尘在进入二级稀释腔4之前颗粒物不损失，采用加热管2对采集的烟气进行加热。
第一零空气发生器9中设有粗过滤网和滤胆，其中粗过滤网用于去除空气中粗颗粒物；滤胆用于去除空气中细颗粒物。
采集的烟气样品在一级稀释腔3内与来自第一零空气发生器9的洁净空气混合稀释并在保持热度的条件下，通过与一级稀释腔3的出口连通过的流量控制器31进入二级稀释腔4。
流量控制器31可以采用文丘里流量控制器，文丘里流量控制器有着流量控制准确、可以接在管路之中不会带入污染等优点。二级稀释腔4为一封闭的倒U形管道，在其与流量控制器31的连接端处，安装有第二零空气发生器10。第二零空气发生器10的出气口通过第二质量流量控制器101与二级稀释腔3的内部连通。第二零空气发生器10中也设有用于去除空气中粗颗粒物和用于去除空气中细颗粒物的粗过滤网和滤胆。
二级稀释腔4的另一端连接一停留室5的上部。停留室5为一筒状不锈钢容器。在停留室5的下部均匀分布安装多个采样器6。采样器6由旋风分离器61、膜托62、第三质量流量控制器63和采用泵64串联构成，其中旋风分离器61与停留室5的内部连通。采样器6通过旋风分离器61可以进行分级采集PM2.5或PM10颗粒物。
另外，在二级稀释腔4上还设有一端与其内部连通的大流量分流管41，该大流量分流管41的另一端上设有一个分流流量控制器411，分流流量控制器411的后端设有三个分流采样泵412。分流流量控制器411与三个分流采样泵412组成一个分流采样通道。
本实施例中，数据采集器7的信号输入端分别与加热管2、一级稀释腔3、二级稀释腔4、停留室5上设置的温度传感器和湿度传感器连接，同时还与皮托管8上设置的压差传感器、第一质量流量控制器91、第二质量流量控制器101、第三质量流量控制器63、分流流量控制器411及流量控制器31的信号输出端连接。数据采集器7的信号输出端连接外部用于处理数据并输出控制信号的计算机连接。
上述实施例在对固定源的烟气排放进行采样中，其气流的流动过程如图2所示。图中，烟道中被采样烟气通过加热管进入一级稀释腔的流量为Q1。一级零空气发生器的进气流量为Q2。设Q1与Q2的和为30L/min。进入二级稀释腔的二级零空气发生器的进气流量为Q3与上述流量30L/min之和等于停留室下部采样器的流量Q4和大流量分流管的分流流量Q5的总和，也就是Q1+Q2＝30L/minQ3+30L/min＝Q4+Q5其中Q1——进入系统的烟气流量，L/min；Q2——一级干净的稀释空气的流量，L/min；Q3——二级干净的稀释空气的流量，L/min；Q4——总采样流量，L/min。
Q5——大流量分流流量，L/min皮托管为整个装置进行采样的关键。可以根据皮托管测定的压力差的变化计算出对映的烟道中烟气流量和流速的变化，输送到计算机进行判断，反馈的信号调整稀释空气流量，保证采样流量稳定在30L/min，从而达到等速采样。
一级稀释腔用文丘里流量控制器保证一级总采样流量恒定在30L/min，二级稀释腔采用倒U型设计，加大了湍流的混合时间，又减少了颗粒物在内壁的吸附几率。烟气在进入二级稀释腔之前保持温度在120摄氏度，避免了颗粒的损失。一级零空气发生器和二级零空气发生器在经过对空气的粗滤、细滤、去除有机物后与烟气分别在两个稀释腔内混合，一级稀释腔内的雷诺数达到5500，二级稀释腔内的雷诺数达到10000，从而保证了湍流，使烟尘与零空气混合均匀。
由于烟尘在大气中被稀释后还有一个颗粒成核长大的过程，在本装置里这个过程就通过停留室来完成，停留时间达到30秒，保证了颗粒物有充足的时间成核长大。最后通过采样器进行分级采集。采样的流量通过质量流量控制器来控制，可以精确的控制流量。本装置还可以通过计算机得到的皮托管的压差信号，来调节干净的稀释空气与烟气的流量比，可以采集不同稀释倍数下形成的颗粒物。另外在数据的显示和记录方面，也可采用比较直观的仪表显示，另一方面还可采用电脑进行数据采集和信号反控，记录装置采样中的温度、湿度、压力、流量、流速等参数，并及时调整采样气的流速，实现系统的实时在线监测。
本实施例的优点在于实现了烟尘的追踪等速采样，保证了整个装置在采样的全过程等速，可以得到不同的稀释比，采集的颗粒物状态接近烟尘在大气中的状态，最大限度的减少了颗粒物在实验过程中的损失，采用计算机进行全程控制、监测，使得到的数据更加真实可靠。
权利要求
1.一种等速追踪固定源稀释采样系统，其特征在于该系统至少包括采样头(1)、加热管(2)、一级稀释腔(3)、二级稀释腔(4)、停留室(5)、采样器(6)、数据采集器(7)和皮托管(8)；所述采样头(1)的出口端与所述加热管(2)的一端连接，该加热管(2)的另一端与所述一级稀释腔(3)连通，该一级稀释腔(3)上安装有第一零空气发生器(9)和保温部件(32)，该第一零空气发生器(9)的出气口通过第一质量流量控制器(91)与所述一级稀释腔(3)内部连通；所述一级稀释腔(3)的出口通过流量控制器(31)与所述二级稀释腔(4)的一端连通；所述二级稀释腔(4)为一封闭的管道，其另一端连接所述停留室(5)的上部；所述停留室(5)为一筒状容器；所述二级稀释腔(4)上安装有第二零空气发生器(10)，所述第二零空气发生器(10)的出气口通过第二质量流量控制器(101)与所述二级稀释腔(3)内部连通；所述采样器(6)安装在所述停留室(5)的下部并与其内部连通；所述采样器(6)为用于采集PM2.5颗粒物和PM10颗粒物的分级采样装置，其由旋风分离器(61)、膜托(62)、第三质量流量控制器(63)和采样泵(64)串联构成，其中所述旋风分离器(61)与所述停留室(5)的内部连通；所述数据采集器(7)的信号输入端分别与所述加热管(2)、所述一级稀释腔(3)、所述二级稀释腔(4)、所述停留室(5)上设置的温度传感器和湿度传感器连接，同时还与一皮托管(8)上设置的压差传感器、所述第一质量流量控制器(91)、所述第二质量流量控制器(101)、所述第三质量流量控制器(63)及所述流量控制器(31)的信号输出端连接；所述数据采集器(7)的信号输出端连接外部用于处理数据并输出控制信号的计算机。
2.根据权利要求1所述的等速追踪固定源稀释采样系统，其特征在于所述的一级稀释腔(3)为一直筒形管道，其与所述加热管(2)的另一端的连通处为所述一级稀释腔(3)的进气端；所述第一零空气发生器(9)的出气口通过第一质量流量控制器(91)安装在所述一级稀释腔(3)的进气端处。
3.根据权利要求1所述的等速追踪固定源稀释采样系统，其特征在于所述的流量控制器(31)为文丘里流量控制器。
4.根据权利要求1所述的等速追踪固定源稀释采样系统，其特征在于所述的二级稀释腔(4)为一倒U形管道；所述第二零空气发生器(10)的出气口通过第二质量流量控制器(101)安装在所述二级稀释腔(4)与所述流量控制器(31)的连接端处。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的等速追踪固定源稀释采样系统，其特征在于所述的二级稀释腔(4)上还设有一端与其内部连通的大流量分流管(41)，该大流量分流管(41)的另一端上设有一个或一个以上的由分流流量控制器(411)和分流采样泵(412)串联组成的分流采样通道；所述分流流量控制器(411)和分流采样泵(412)的信号端分别与所述数据采集器(7)及所述计算机的控制信号输出端连接。
6.根据权利要求5所述的等速追踪固定源稀释采样系统，其特征在于所述的采样器(6)为一个以上，且均匀分布设置在所述停留室(5)的下部。
7.根据权利要求5所述的等速追踪固定源稀释采样系统，其特征在于所述的第一零空气发生器(9)和第二零空气发生器(10)中均设有粗过滤网和滤胆，其中粗过滤网用于去除空气中粗颗粒物；滤胆用于去除空气中细颗粒物。
全文摘要
本发明涉及一种等速追踪固定源稀释采样系统，包括采样头(1)、加热管(2)、一级稀释腔(3)、二级稀释腔(4)、停留室(5)、采样器(6)、数据采集器(7)和皮托管(8)；采样头(1)与加热管(2)连接，加热管(2)与一级稀释腔(3)连通，一级稀释腔(3)通过流量控制器 (31)与二级稀释腔(4)连通；二级稀释腔(4)连接停留室(5)；采样器(6)安装在停留室(5)的下部；数据采集器(7)与温度传感器、湿度传感器，压差传感器、流量控制器连接。本发明通过监测的固定源烟道内的压力参数，实现了采样的全过程等速，得到排放颗粒物的种类、数量、化学成分和其排放规律，为研究烟尘对大气环境的污染提供了准确的原始数据。
文档编号G01N1/38GK1614385SQ20041009656
公开日2005年5月11日 申请日期2004年12月3日 优先权日2004年12月3日
发明者曾立民, 周楠, 张远航, 于雪娜 申请人:北京大学