一种固定源可凝结颗粒物在线监测装置及使用方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体为一种固定源可凝结颗粒物在线监测装置及使用方法。

背景技术

固定源排放的颗粒物不仅包括液体或固体颗粒的可过滤颗粒物，还包括烟道温度下为气态，从烟道排出进入大气环境后快速凝结为固态或液态颗粒物。

目前应用广泛的固定源可凝结颗粒物的采样装置和方法是美国环保局(US EPA)推荐的Method 202。首先用PM2.5切割头和滤膜去除可过滤颗粒物，加热取样枪通常使其温度维持在120℃，防止高温烟气在取样枪内冷凝；采样过程中用水浴给冷凝管和冲击瓶降温，使得CPM滤膜出口烟气温度＜30℃；采样结束后用去离子水清洗冷凝管管路，将清洗液与冷凝液作为无机部分，然后用丙酮和正己烷清洗管路，该清洗液作为有机部分。采样结束后立即用高纯氮以14.5L/min流速吹洗无机部分冷凝液1h，去除SO

国际标准化组织(ISO)公布了用稀释方法测定烟气中PM

在发明专利一种固定源可凝结颗粒物采样装置及采样方法(专利公布号CN110441099 A)中公布了一种固定源可凝结颗粒物采样装置及采样方法，烟气经颗粒物分级装置去除大粒径颗粒物后，然后通过加热保温的烟气管路并一分为二，第一路烟气进入布气板，第二路烟气进入保温加热的可过滤颗粒物收集装置。第二路烟气中的颗粒物被全部收集到可过滤颗粒物收集装置中的滤膜上，之后第二路烟气通过可过滤颗粒物流量计，到达可过滤颗粒物抽气装置。稀释空气供气装置提供的稀释空气顺次经过稀释空气有机物和水汽去除装置、稀释空气颗粒物过滤装置和稀释空气流量计，进入稀释腔体，然后通过布气板与第一路烟气混合降温。稀释空气与第一路烟气的混合气一分两路，第一路混合气作为旁路气顺次经过旁路气颗粒物过滤装置、旁路气流量计、旁路气抽气装置；第二路混合气经过总颗粒物收集装置，第二路混合气中颗粒物被全部收集到总颗粒物收集装置的滤膜上，之后第二路混合气通过总颗粒物流量计，到达总颗粒物抽气装置。分别称量可过滤颗粒物收集装置的滤膜和总颗粒物收集装置的滤膜的增重，总颗粒物收集装置的滤膜的增重减去可过滤颗粒物收集装置的滤膜的增重，得到可凝结颗粒物的质量，再根据可过滤颗粒物流量计或者总颗粒物流量计的读数计算得到烟气中可凝结颗粒物的质量浓度。该方法属于离线采样测量方法，检测时间线长，步骤繁琐。

发明内容

鉴于已有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能在线监测可凝结颗粒物质量浓度、且检测时间短的固定源可凝结颗粒物的在线监测装置及使用方法。

本发明提供的固定源可凝结颗粒物在线监测装置，包括：颗粒物分级装置、管路加热装置、回流对撞式冷凝管、一号水冷排、二号水冷排、半导体制冷片、散热水排、蠕动泵、气体流量计、抽气装置、分流器、收集网绳、雾化装置、干燥装置、颗粒物质量浓度传感器、空气净化装置、空气颗粒物过滤装置、供气装置；其中：

所述颗粒物分级装置，放置、固定于污染源烟道内，用于采集烟气，并去除污染源中大粒径颗粒物；具体采用PM

所述管路加热装置，为加热电阻丝，附着于烟气管路，管路加热装置用于对烟气管路加热，并维持在120℃；

所述回流对撞式冷凝管，其进口与烟气管路相连，回流对撞式冷凝管的出口与分流器相连；优选专利申请号为202310670481.6的回流对撞式冷凝管；

所述一号水冷排与半导体制冷片的冷面相连，所述二号水冷排与半导体制冷片的热面相连；半导体制冷片将一号水冷排内的传热介质制冷，将热量传递给二号水冷排中的传热介质；

所述散热水排通过管路与二号水冷排相连，将二号水冷排中的传热介质降温后，循环回二号水冷排继续吸收热量；

所述蠕动泵，为高精度蠕动泵；蠕动泵用于抽取分流器内的冷凝液体至雾化装置；

所述气体流量计，用于设置抽气装置和供气装置的气量；

所述抽气装置，用于抽取烟道内的烟气；所述抽气装置具体采用抽气泵或风机；

所述分流器，为玻璃材质，内设有收集网绳，收集绳网材质为聚四氟乙烯，与冷凝液体接触的材料均满足冷凝液体的不沾性需求，既提高烟气冷凝效率也保证采集质量；

所述分流器有两个接口，第一个接口依次与气体流量计及抽气装置相连；另一接口通过软管与两个蠕动泵相连；

所述雾化装置，为压缩雾化器、超声雾化器、网式雾化器或电雾化器；所述雾化装置下端依次与空气净化装置、空气颗粒物过滤装置、气体流量计和供气装置相连；雾化装置出口依次与干燥装置、三通管和颗粒物质量浓度传感器相连；

所述干燥装置，为nafion干燥管或扩散干燥管；

所述颗粒物质量浓度传感器，为微量振荡天平、β衰减监测器、光散色法颗粒物传感器或光闪烁法颗粒物传感器。

所述供气装置，用于提供气源，具体可以为空气压缩机、气瓶或风机。

所述空气净化装置，用于去除供气装置所提供气体中的有机物和水汽。

所述空气颗粒物过滤装置，用于过滤去除供气装置所提供气体中的颗粒物。

本发明还提供上述固定源可凝结颗粒物在线监测装置的使用方法，具体步骤为：

步骤1：开启管路加热装置，使烟气管路加热保温在120℃；开启半导体制冷片和散热水排，使回流对撞式冷凝管内的传热介质降温；开启抽气装置，设置气体流量计，开始抽取烟气；

步骤2：烟气经颗粒物分级装置去除大粒径颗粒物，然后通过加热保温的烟气管路进入回流对撞式冷凝管，烟气在回流对撞式冷凝管内冷凝成液体进入分流器；

步骤3：蠕动泵抽取分流器内全部的冷凝液体至雾化装置中；

步骤4：开启供气装置，供气装置提供的空气顺次经过空气流量计、空气颗粒物过滤装置和空气净化装置，使定量的空气进入雾化器；

步骤5：雾化器雾化蠕动泵抽取的冷凝液体进入干燥装置；颗粒物质量浓度传感器抽取部分雾化后的颗粒物检测其质量浓度，再根据供气装置的供气空气体积和抽取装置所抽取的烟气体积，反算烟气中总颗粒物浓度；

步骤6：读取CEMS烟气排放连续监测系统的可过滤颗粒物质量浓度，然后计算总颗粒物浓度和可过滤颗粒物质量浓度差值得到可凝结颗粒物质量浓度。

本发明的有益效果在于：

(1)相比于冷凝法(US EPA Method-202)，本发明能避免可凝结颗粒物中SO

(2)相比于固定源可凝结颗粒物采样装置及采样方法(专利公布号CN 110441099A)，本发明能在线监测可凝结颗粒物质量浓度，检测时间短。

附图说明

图1为本发明固定源可凝结颗粒物在线监测装置结构示意图。

图2为本发明装置中分流对撞式高效冷凝管结构示意图。

图3为本发明装置中分流对撞式高效冷凝管结构剖示图。

图中标号：1为颗粒物分级装置，2为管路加热装置，3为回流对撞式冷凝管，401为一号水冷排，402为二号水冷排，5为半导体制冷片，6为散热水排，7为蠕动泵，8为气体流量计，9为抽气装置，10为分流器，11为雾化装置，12为干燥装置，13为颗粒物质量浓度传感器，14为空气净化装置，15为空气颗粒物过滤装置，16为供气装置，17为收集网绳，301为管程，3011为喉管，3012为环管，302为壳程，3021为冷却介质入口，3022为冷却介质入口，303为管程入口，304为管程出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例：参见图1。包括：颗粒物分级装置1、管路加热装置2、回流对撞式冷凝管3、为一号水冷排401、二号水冷排402、半导体制冷片5、散热水排6、蠕动泵7、气体流量计8、抽气装置9、分流器10、雾化装置11、干燥装置12、颗粒物质量浓度传感器13、空气净化装置14、空气颗粒物过滤装置15、供气装置16、收集网绳17、管程301、喉管3011、环管3012、壳程302、冷却介质入口3021、冷却介质入口3022、管程入口303、管程出口304。

在本实施案例中，颗粒物分级装置1为PM

在本实施案例中，烟气管路为不锈钢或者其他材料的可传输气体的管路。管路加热装置为加热电阻丝，附着于烟气管路，管路加热装置3使烟气管路维持在120℃。

在本实施案例中，回流对撞式冷凝管3采用中国申请号为202310670481.6中的分流对撞式冷凝管。其结构见图2所示。该分流对撞式高效冷凝管，包括管程301、壳程302；其中：

所述管程301为多节圆环回流对撞结构上下串联组成，每节回流对撞结构呈圆环形，称为环管3012，相邻两环管之间有直管联通，该直管称为喉管3011；管程301的上端口为被冷却流体的入口303，管程301的下端口为被冷却流体的出口304；

所述壳程302，其下部设有冷却介质入口3021，上部设置有冷却介质出口3022；

冷却介质从冷却介质入口3021流入，从冷却介质出口3022流出，即冷却介质自下而上进入壳程302，保证壳程302中始终充满冷却介质；被冷却流体从管程上端的入口进入，冷却后从管程下端的出口流出，即被冷却的流体从管程上端进入内管后是由上而下流动；

所述喉管3012的截面积大于等于一个环管3011的截面积，小于等于两个环管3011的截面积；

所述管程302的入口和出口用于与玻璃器皿连接，根据实际需求可更换尺寸与结构。

在本实施案例中，回流对撞式冷凝管3的进口与烟气管路相连，回流对撞式冷凝管3的出口与分流器相连。

在本实施案例中，一号水冷排401与半导体制冷片5的冷面相连，二号水冷排402与半导体制冷片5的热面相连。半导体制冷片5将一号水冷排401内的传热介质制冷，将热量传递给二号水冷402排中的传热介质，具体的，在1号水冷排401于2号水冷排402中放置5块半导体制冷片5。

在本实施案例中，散热水排6通过管路与二号水冷排402相连，将二号水冷排402中的传热介质降温后，循环回二号水冷排402继续吸收热量。

在本实施案例中，蠕动泵7为高精度蠕动泵。蠕动泵7抽取分流器内全部的冷凝液体至雾化装置。

在本实施案例中，气体流量计8能设置抽气装置9和供气装置16的气量。

在本实施案例中，抽气装置9为抽气泵或风机。

在本实施案例中，分流器10为玻璃材质，内设有收集网绳17，收集绳网17设置为聚四氟乙烯材质，与冷凝液体接触的材料均满足了冷凝液体的不沾性需求，既提高了烟气冷凝效率也保证了采集质量。

在本实施案例中，分流器10有两个接口，第一个接口依次与气体流量计8及抽气装置9相连；另一接口通过软管与蠕动泵7相连。

在本实施案例中，雾化装置11为压缩雾化器、超声雾化器、网式雾化器或电雾化器。在本实施案例中，雾化装置11下端依次与空气净化装置14、空气颗粒物过滤装置13、气体流量计8和供气装置16相连。雾化装置11出口依次与干燥装置12、三通管和颗粒物质量浓度传感器13相连。

在本实施案例中，干燥装置12为nafion干燥管或扩散干燥管。

在本实施案例中，颗粒物质量浓度传感器为微量振荡天平、β衰减监测器、光散色法颗粒物传感器或光闪烁法颗粒物传感器。

在本实施案例中，供气装置为空气压缩机、气瓶或风机。

在本实施案例中，空气净化装置可以去除供气装置所提供气体中的有机物和水汽，具体为活性炭或分子筛等。

在本实施案例中，空气颗粒物过滤装置可以过滤去除供气装置所提供气体中的颗粒物，具体为布袋除尘器、滤筒除尘器或电除尘器。

本实例所使用的方法为：

步骤1：开启管路加热装置3，使烟气管路加热保温在120℃；开启半导体制冷片5和散热水排6，使回流对撞式冷凝管内的传热介质降温；开启抽气装置9，设置气体流量计8，开始抽取烟气；

步骤2：烟气经颗粒物分级装置1去除大粒径颗粒物后，然后通过加热保温的烟气管路进入回流对撞式冷凝管3，烟气在回流对撞式冷凝管3内冷凝成液体进入分流器10；

步骤3：蠕动泵7抽取分流器内全部的冷凝液体至雾化装置中；

步骤4：开启供气装置16，供气装置16提供的空气顺次经过空气流量计8、空气颗粒物过滤装置15和空气净化装置14，使定量的空气进入雾化器11；

步骤5：雾化器11雾化蠕动泵7抽取的冷凝液体进入干燥装置12；颗粒物质量浓度传感器13抽取部分雾化后的颗粒物检测其质量浓度，再根据供气装置16的供气空气体积和抽取装置9所抽取的烟气体积，反算烟气中总颗粒物浓度；

步骤6：读取CEMS烟气排放连续监测系统的可过滤颗粒物质量浓度，然后计算总颗粒物浓度和可过滤颗粒物质量浓度差值得到可凝结颗粒物质量浓度。

本发明的采样装置与使用方法能避免可凝结颗粒物中SO