一种颗粒物在线稀释采样测量系统及方法与流程

本发明涉及颗粒物检测技术领域，具体地讲，涉及一种颗粒物在线稀释采样测量系统及方法。

背景技术：

烟气颗粒物的采样检测不仅可以用于烟气污染物的生成与控制特性研究，而且在颗粒物特性分析、大气污染影响以及源解析方面的研究中具有重要作用，尤其在颗粒物脱除性能和源解析领域具有很大的应用前景。

颗粒物划分为可捕集颗粒物和可凝结颗粒物，可凝结颗粒物是指颗粒物在烟气环境中处于气态，进入大气经稀释降温过程后形成的颗粒物。目前，国内主要针对烟气可捕集颗粒物进行采样分析。国外现有针对可凝结颗粒物的采样方法主要是通过稀释降温作用使其形成易被捕集的颗粒物。

可捕集颗粒物的采样检测主要基于颗粒物的空气动力学特性、电学特性和过滤特性。过滤特性是常规颗粒物采样方法的常用依托机理，属于在线采样离线检测，典型的有滤筒采样和滤膜采样。电学特性广泛应用于颗粒物非直接接触采样中，主要依托带电颗粒物运动过程中产生的感应电流来对应颗粒物的采样浓度，属于在线检测，往往跟颗粒物的空气动力学特性同时运用。空气动力学特性是颗粒物随气流运动过程中体现出的特性，也能直接反映颗粒物在大气环境中的污染和迁移特性，因此广泛应用于细颗粒物（pm2.5）的采样检测中，同样属于在线采样离线检测。

目前，国内广泛采用的颗粒物采样测量方法主要基于颗粒物的空气动力学特性和过滤特性，均属于在线采样离线检测的方法，无法实时反映颗粒物的采样浓度，例如申请号为2015209117881，授权公告号为cn205120442u的中国专利：固定源烟气颗粒物稀释法采样系统，该系统无法实时反映颗粒物的采样浓度。

在当前烟气颗粒物的采样过程中，尤其是针对超低排放燃煤机组的烟气颗粒物采样检测过程中，由于尾部烟气中颗粒物浓度较低，同时存在尾部烟道环境中颗粒物浓度分布不均和采样过程中难以实现较好的等速取样，因此使得烟气中颗粒物的采样存在偏差，而在线采样离线检测的方法难以及时反馈采样偏差进行即时调整，只能通过后续的样品分析来调整下一次的采样过程，因此极大地增加了采样检测工作的负荷。此外，在当前燃煤机组负荷不稳定的情况下，容易错失采样检测的良好时机，使得采样检测结果不能准确反映实际情况。

因此，有必要对现有的颗粒物在线稀释采样测量系统进行改进和优化。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理、系统完善、基于稀释降温和电离荷电作用的可捕集颗粒物和可凝结颗粒物在线稀释采样测量系统，并给出其方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种颗粒物在线稀释采样测量系统，其特征在于：包括pm10旋风切割器、pm2.5旋风切割器、空气压缩机、压缩空气缓冲及处理装置、一级稀释器、二级稀释器、干燥洁净气流电离装置、荷电颗粒测量装置、颗粒物过滤器和采样泵；所述一级稀释器上设有烟气进口、混合烟气出口、一级稀释气流进口、二级稀释气流进口和二级稀释气流出口；所述pm10旋风切割器和pm2.5旋风切割器连接；所述pm2.5旋风切割器的出气口通过管路连接一级稀释器的烟气进口，并在该管路上安装采样气流流量计；所述干燥洁净气流电离装置的出口端与荷电颗粒测量装置的进口端连接；所述一级稀释器的混合烟气出口和二级稀释气流出口均连接二级稀释器的进气端，并且在二级稀释气流出口处安装有二级稀释气流压力表；所述二级稀释器的出气端连接干燥洁净气流电离装置与荷电颗粒测量装置的连接交汇处；所述荷电颗粒测量装置的出口端连接颗粒物过滤器的进气口；所述颗粒物过滤器的出气口通过管路与采样泵连接，并在该管路上按照气流方向依次安装有烟气流量计和烟气气流控制阀；所述空气压缩机和压缩空气缓冲及处理装置的进气口通过管路连接，并在该管路上安装压缩空气控制阀；所述压缩空气缓冲及处理装置的出气口分支为三路：干燥洁净气流路、一级稀释气流路和二级稀释气流路；所述干燥洁净气流路通向干燥洁净气流电离装置的进口端，并且干燥洁净气流路上按照气流方向依次安装有干燥洁净气流控制阀和干燥洁净气流流量计；所述一级稀释气流路通向一级稀释器的一级稀释气流进口，并且一级稀释气流路上按照气流方向依次安装有一级稀释气流控制阀和一级稀释气流流量计；所述二级稀释气流路通向一级稀释器的二级稀释气流进口，并且二级稀释气流路上按照气流方向依次安装有二级稀释气流控制阀和二级稀释气流流量计。

优选的，本系统还包括数据处理器，所述数据处理器与荷电颗粒测量装置通信连接。

优选的，所述pm10旋风切割器和pm2.5旋风切割器的底部均带有灰斗。

优选的，所述一级稀释器为同心四层圆筒结构，最内层为第一层，以此类推，第一层圆筒的筒壁为不锈钢全封闭微孔结构，烟气进口和混合烟气出口位于第一层圆筒的两端；第二层圆筒的筒壁为不锈钢全封闭结构，一级稀释气流进口位于第二层圆筒的端部；第三层圆筒的筒壁为不锈钢半封闭结构，二级稀释气流出口位于第三层圆筒的端部；第四层圆筒的筒壁为不锈钢全封闭结构，二级稀释气流进口位于第四层圆筒的端部。

优选的，所述二级稀释器的进气端分为采样气流进气管道和二级稀释气流进气管道，所述一级稀释器的混合烟气出口连接采样气流进气管道，所述一级稀释器的二级稀释气流出口连接二级稀释气流进气管道；所述采样气流进气管道端部为圆锥体结构，该圆锥体结构位于二级稀释器的内部腔体入口中央，且该圆锥体结构与二级稀释气流进气管道垂直交叉；所述采样气流进气管道与二级稀释器的内部腔体入口处构成二级稀释器的进气气流通道，所述进气气流通道呈“渐缩扩喷嘴”形式。

优选的，所述干燥洁净气流电离装置采用电晕针尖端放电结构，电晕针尖端放置于干燥洁净气流电离装置的出口端中心，放电电压采用正5000v。

优选的，所述荷电颗粒测量装置的进口端与干燥洁净气流电离装置的出口端相对构成呈“渐缩扩喷嘴”的结构，所述荷电颗粒测量装置内部腔体采用离子阱结构，配备电流测量精度为0.1fa的电子测量仪，所述电子测量仪与数据处理器通信相连。

优选的，所述颗粒物过滤器采用可凝结颗粒物过滤膜。

为解决上述技术问题，本发明还提供另一技术方案：一种颗粒物在线稀释采样测量方法，用于上述系统，步骤如下：

第一步：将pm10旋风切割器和pm2.5旋风切割器放置于采样烟道内，或采用加热保温措施，使采样环境与烟道环境保持一致；

第二步：采样烟气进入pm10旋风切割器后，空气动力学粒径大于10微米的可捕集颗粒物被分离进入pm10旋风切割器的灰斗，其余颗粒物随采样烟气进入pm2.5旋风切割器，空气动力学粒径大于2.5微米的可捕集颗粒物被分离进入pm2.5旋风切割器的灰斗，其余颗粒物随采样烟气进入一级稀释器的第一层圆筒内；

第三步：空气压缩机给出的压缩空气依次通过压缩空气控制阀和压缩空气缓冲及处理装置然后分成三路，分别为一级稀释气流、二级稀释气流和干燥洁净气流；采样烟气进入一级稀释器，一级稀释气流通过一级稀释气流路进入一级稀释器的第二层圆筒内，保持一级稀释气流与采样烟气呈对向流动方式，控制一级稀释气流的流量为1.5倍采样烟气流量，一级稀释气流通过微孔进入第一层圆筒与采样烟气混合；二级稀释气流通过二级稀释气流路进入一级稀释器的第四层圆筒内，经过第三层圆筒后从二级稀释气流出口流出，保持第三层圆筒内二级稀释气流与第二层圆筒内一级稀释气流呈对向流动方式；

第四步：二级稀释气流从二级稀释气流出口流出后进入二级稀释器的二级稀释气流进气管道，随后进入二级稀释器的内部腔体，进气气流通过“文丘里效应”使采样气流进气管道的圆锥体端部压力低于二级稀释器采样烟气进气口压力，通过“压力差作用”促使采样烟气进入二级稀释器，采样烟气和二级稀释气流在二级稀释器的内部腔体充分混合；二级稀释器的稀释倍率由二级稀释器的采样烟气进气口气压和二级稀释气流进气口气压所控制；采样烟气经过一级稀释和二级稀释之后的总稀释倍率控制大于20倍，采样烟气总停留时间大于10s，稀释后采样烟气温度低于42℃；

第五步：干燥洁净气流通过干燥洁净气流路进入干燥洁净气流电离装置内，干燥洁净空气被电晕针的高电压正电晕电离，产生的正离子随高速干燥洁净气流经过干燥洁净气流电离装置的出口喷嘴进入荷电颗粒测量装置；

第六步：所述荷电颗粒测量装置的进口端与干燥洁净气流电离装置的出口端相对构成呈“渐缩扩喷嘴”的结构，气流通过“文丘里效应”使荷电颗粒测量装置的入口处压力低于二级稀释器采样烟气出气口压力，通过“压力差作用”促使采样烟气进入荷电颗粒测量装置进口端，与干燥洁净气流电离装置出口端的气流充分混合，采样烟气中的颗粒物被荷电带上电荷；

第七步：干燥洁净空气与荷电颗粒物形成的高速混合气流进入荷电颗粒测量装置，干燥洁净空气形成鞘气流持续冲刷荷电颗粒测量装置内部腔壁，保持腔壁干净，荷电颗粒物通过荷电颗粒测量装置内部的离子阱，通过“法拉第杯效应”产生感应电流信号被电子测量仪捕捉，通过数据线传输到数据处理器中计算出荷电颗粒物浓度；荷电颗粒物随烟气经过荷电颗粒测量装置出口端进入颗粒物过滤器被过滤捕集；颗粒物过滤器过滤后的烟气通过采样泵排出。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

（1）在pm10旋风切割器和pm2.5旋风切割器串联实现颗粒物预分离的基础上，联合多级稀释装置、稀释电离颗粒荷电装置和高效颗粒物分离过滤装置，可实现可捕集颗粒物和可凝结颗粒物的在线采样测量；

（2）pm10旋风切割器和pm2.5旋风切割器串联，实现空气动力学粒径大于2.5微米的可捕集颗粒物的预分离，一方面减轻后续颗粒物采样装置的采样负荷，避免管路堵塞，另一方面通过颗粒物预分离使后续的荷电颗粒在线测量结果不受大粒径颗粒物的影响，此外通过空气动力学粒径小于等于2.5微米的可捕集颗粒物在后续的稀释降温过程中促进可凝结颗粒物的凝结成核过程；

（3）一级稀释器采用同心四层圆筒结构，第一层圆筒壁采用不锈钢全封闭微孔结构，第二层圆筒壁采用不锈钢全封闭结构，第三层圆筒壁采用不锈钢半封闭结构，第四层圆筒壁采用不锈钢全封闭结构；利用多层圆筒结构，一方面通过加热一级稀释气流实现了一级稀释器内的降温稀释作用，另一方面通过加热二级稀释气流实现了一级稀释器内采样烟气的进一步降温；

（4）二级稀释器的进气气流通道构成“渐缩扩喷嘴”形式，一方面通过调节二级稀释气流压力实现二级稀释器稀释倍率的控制，从而控制系统的总稀释倍率，另一方面利用“文丘里效应”促进采样烟气进入二级稀释器，更进一步促进采样烟气的稀释凝结作用；

（5）干燥洁净气流电离装置对高速干燥洁净气流进行电晕电离，一方面可以在荷电颗粒测量装置入口对二级稀释器出口的采样烟气进行颗粒荷电和进一步稀释，另一方面干燥洁净空气可以形成鞘气流持续冲刷荷电颗粒测量装置内部腔壁，保持腔壁干净；

（6）干燥洁净气流电离装置出口端和荷电颗粒测量装置进口端构成“渐缩扩喷嘴”形式，一方面利用“文丘里效应”促进采样烟气进入荷电颗粒测量装置入口，另一方面减少泵入系统对荷电颗粒通过荷电颗粒测量装置内部离子阱的干扰；

（7）荷电颗粒测量装置和数据处理器联合，可以在线测量显示颗粒物的采样浓度，及时反馈采样偏差进行即时调整，极大地减轻了采样检测工作的负荷，在当前燃煤机组负荷不稳定的情况下，更好地把握采样检测的时机，使得采样检测结果能准确反映实际情况；

（8）荷电颗粒测量装置与颗粒物过滤器联合，一方面可以使颗粒物的在线测量和在线采样离线检测相互对比，从而更准确地反映颗粒物的采样浓度，另一方面采集的样品可以开展更进一步的检测分析；

（9）该颗粒物在线稀释采样测量系统颗粒物采样测量反馈及时，降温稀释充分，避免管路堵塞，测量结果准确，系统稳定运行时间较长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的结构示意图。

附图标记说明：pm10旋风切割器1、pm2.5旋风切割器2、采样气流流量计3、空气压缩机4、压缩空气控制阀5、压缩空气缓冲及处理装置6、二级稀释气流控制阀7、一级稀释气流控制阀8、干燥洁净气流控制阀9、干燥洁净气流流量计10、一级稀释气流流量计11、二级稀释气流流量计12、一级稀释器13、二级稀释气流压力表14、二级稀释器15、干燥洁净气流电离装置16、荷电颗粒测量装置17、数据处理器18、颗粒物过滤器19、烟气流量计20、烟气气流控制阀21、采样泵22。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例为一种颗粒物在线稀释采样测量系统，包括pm10旋风切割器1、pm2.5旋风切割器2、空气压缩机4、压缩空气缓冲及处理装置6、一级稀释器13、二级稀释器15、干燥洁净气流电离装置16、荷电颗粒测量装置17、颗粒物过滤器19、数据处理器18和采样泵22。

本实施例中，一级稀释器13上设有烟气进口、混合烟气出口、一级稀释气流进口、二级稀释气流进口和二级稀释气流出口。一级稀释器13为同心四层圆筒结构，最内层为第一层，以此类推，第一层圆筒的筒壁为不锈钢全封闭微孔结构，烟气进口和混合烟气出口位于第一层圆筒的两端；第二层圆筒的筒壁为不锈钢全封闭结构，一级稀释气流进口位于第二层圆筒的端部；第三层圆筒的筒壁为不锈钢半封闭结构，二级稀释气流出口位于第三层圆筒的端部；第四层圆筒的筒壁为不锈钢全封闭结构，二级稀释气流进口位于第四层圆筒的端部。

本实施例中，pm10旋风切割器1和pm2.5旋风切割器2连接；两者的底部均带有灰斗。pm2.5旋风切割器2的出气口通过管路连接一级稀释器13的烟气进口，并在该管路上安装采样气流流量计3。

本实施例中，干燥洁净气流电离装置16的出口端与荷电颗粒测量装置17的进口端连接。干燥洁净气流电离装置16采用电晕针尖端放电结构，电晕针尖端放置于干燥洁净气流电离装置16的出口端中心，放电电压采用正5000v。荷电颗粒测量装置17的进口端与干燥洁净气流电离装置16的出口端相对构成呈“渐缩扩喷嘴”的结构，荷电颗粒测量装置17内部腔体采用离子阱结构，配备电流测量精度为0.1fa的电子测量仪，电子测量仪与数据处理器18通信相连，至于具体的结构及原理可参考现有技术。

本实施例中，一级稀释器13的混合烟气出口和二级稀释气流出口均连接二级稀释器15的进气端，并且在二级稀释气流出口处安装有二级稀释气流压力表14。二级稀释器15的进气端分为采样气流进气管道和二级稀释气流进气管道，一级稀释器13的混合烟气出口连接采样气流进气管道，一级稀释器13的二级稀释气流出口连接二级稀释气流进气管道；采样气流进气管道端部为圆锥体结构，该圆锥体结构位于二级稀释器15的内部腔体入口中央，且该圆锥体结构与二级稀释气流进气管道垂直交叉。采样气流进气管道与二级稀释器15的内部腔体入口处构成二级稀释器15的进气气流通道，进气气流通道呈“渐缩扩喷嘴”形式。

本实施例中，二级稀释器15的出气端连接干燥洁净气流电离装置16与荷电颗粒测量装置17的连接交汇处。荷电颗粒测量装置17的出口端连接颗粒物过滤器19的进气口；颗粒物过滤器19的出气口通过管路与采样泵22连接，并在该管路上按照气流方向依次安装有烟气流量计20和烟气气流控制阀21；颗粒物过滤器19采用可凝结颗粒物过滤膜。

本实施例中，空气压缩机4和压缩空气缓冲及处理装置6的进气口通过管路连接，并在该管路上安装压缩空气控制阀5。压缩空气缓冲及处理装置6的出气口分支为三路：干燥洁净气流路、一级稀释气流路和二级稀释气流路；干燥洁净气流路通向干燥洁净气流电离装置16的进口端，并且干燥洁净气流路上按照气流方向依次安装有干燥洁净气流控制阀9和干燥洁净气流流量计10；一级稀释气流路通向一级稀释器13的一级稀释气流进口，并且一级稀释气流路上按照气流方向依次安装有一级稀释气流控制阀8和一级稀释气流流量计11；二级稀释气流路通向一级稀释器13的二级稀释气流进口，并且二级稀释气流路上按照气流方向依次安装有二级稀释气流控制阀7和二级稀释气流流量计12。

本实施例中，一种颗粒物在线稀释采样测量方法，用于上述系统，步骤如下：

第一步：将pm10旋风切割器1和pm2.5旋风切割器2放置于采样烟道内，或采用加热保温措施，使采样环境与烟道环境保持一致；

第二步：采样烟气进入pm10旋风切割器1后，空气动力学粒径大于10微米的可捕集颗粒物被分离进入pm10旋风切割器1的灰斗，其余颗粒物随采样烟气进入pm2.5旋风切割器2，空气动力学粒径大于2.5微米的可捕集颗粒物被分离进入pm2.5旋风切割器2的灰斗，其余颗粒物随采样烟气进入一级稀释器13的第一层圆筒内；

第三步：空气压缩机4给出的压缩空气依次通过压缩空气控制阀5和压缩空气缓冲及处理装置6然后分成三路，分别为一级稀释气流、二级稀释气流和干燥洁净气流；采样烟气进入一级稀释器13，一级稀释气流通过一级稀释气流路进入一级稀释器13的第二层圆筒内，保持一级稀释气流与采样烟气呈对向流动方式，控制一级稀释气流的流量为1.5倍采样烟气流量，一级稀释气流通过微孔进入第一层圆筒与采样烟气混合；二级稀释气流通过二级稀释气流路进入一级稀释器13的第四层圆筒内，经过第三层圆筒后从二级稀释气流出口流出，保持第三层圆筒内二级稀释气流与第二层圆筒内一级稀释气流呈对向流动方式；

第四步：二级稀释气流从二级稀释气流出口流出后进入二级稀释器15的二级稀释气流进气管道，随后进入二级稀释器15的内部腔体，进气气流通过“文丘里效应”使采样气流进气管道的圆锥体端部压力低于二级稀释器15采样烟气进气口压力，通过“压力差作用”促使采样烟气进入二级稀释器15，采样烟气和二级稀释气流在二级稀释器15的内部腔体充分混合；二级稀释器15的稀释倍率由二级稀释器15的采样烟气进气口气压和二级稀释气流进气口气压所控制；采样烟气经过一级稀释和二级稀释之后的总稀释倍率控制大于20倍，采样烟气总停留时间大于10s，稀释后采样烟气温度低于42℃；

第五步：干燥洁净气流通过干燥洁净气流路进入干燥洁净气流电离装置16内，干燥洁净空气被电晕针的高电压正电晕电离，产生的正离子随高速干燥洁净气流经过干燥洁净气流电离装置16的出口喷嘴进入荷电颗粒测量装置17；

第六步：荷电颗粒测量装置17的进口端与干燥洁净气流电离装置16的出口端相对构成呈“渐缩扩喷嘴”的结构，气流通过“文丘里效应”使荷电颗粒测量装置17的入口处压力低于二级稀释器15采样烟气出气口压力，通过“压力差作用”促使采样烟气进入荷电颗粒测量装置17进口端，与干燥洁净气流电离装置16出口端的气流充分混合，采样烟气中的颗粒物被荷电带上电荷；

第七步：干燥洁净空气与荷电颗粒物形成的高速混合气流进入荷电颗粒测量装置17，干燥洁净空气形成鞘气流持续冲刷荷电颗粒测量装置17内部腔壁，保持腔壁干净，荷电颗粒物通过荷电颗粒测量装置17内部的离子阱，通过“法拉第杯效应”产生感应电流信号被电子测量仪捕捉，通过数据线传输到数据处理器18中计算出荷电颗粒物浓度；荷电颗粒物随烟气经过荷电颗粒测量装置17出口端进入颗粒物过滤器19被过滤捕集；颗粒物过滤器19过滤后的烟气通过采样泵22排出。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。