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摘 要： 摘要：為了改善現(xiàn)有污染源廢氣排放的采樣技術(shù)，特別是顆粒物稀釋采集技術(shù)上所存在的不足，如射流技術(shù)會產(chǎn)生伯努利效應(yīng)，導(dǎo)致射流泵體積大、重量重、樣品均勻性差，且不能實(shí)現(xiàn)等速采樣等缺點(diǎn)。本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一套可適用于不同污染源的、模塊化自動化控制的
摘要：為了改善現(xiàn)有污染源廢氣排放的采樣技術(shù)，特別是顆粒物稀釋采集技術(shù)上所存在的不足，如射流技術(shù)會產(chǎn)生伯努利效應(yīng)，導(dǎo)致射流泵體積大、重量重、樣品均勻性差，且不能實(shí)現(xiàn)等速采樣等缺點(diǎn)。本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一套可適用于不同污染源的、模塊化自動化控制的、輕便性、均勻性好的采樣裝置。該裝置可模擬污染源的高溫廢氣排放到大氣中的冷卻、稀釋、凝結(jié)等反應(yīng)過程。采用裝置設(shè)計(jì)成四通道均勻采樣，使其可作為大氣污染物的源譜解析研究的專用采樣設(shè)備，同時也可作為其他精密分析儀器的預(yù)處理裝置。
關(guān)鍵詞：污染源采樣稀釋通道直接抽取質(zhì)量流量控制
1、引言
按流動性分類，污染源可分為固定源和流動源。固定源指煙道、煙囪、排氣筒等排放源，流動源主要指交通車輛、飛機(jī)、輪船等排氣源，其排放廢氣中含有顆粒物、有機(jī)和無機(jī)的氣態(tài)有害物質(zhì)。污染源排放的高溫高濕、采樣條件的惡劣等特性，使其采樣和分析變得非常困難。
目前針對污染源排放的PM2.5采樣可以分為直接采樣法和稀釋通道采樣法，前者是將取樣管直接伸進(jìn)煙道或者其他污染源進(jìn)行直接取樣，只能采集到一次顆粒物;后者是將高溫?zé)煔庥昧銡庀♂尯屠鋮s至大氣環(huán)境溫度，稀釋冷卻后的煙氣停留一段時間后用濾膜捕集其中的PM2.5，該方法較好地模擬了煙氣排入大氣后的稀釋、冷卻、凝結(jié)和二次反應(yīng)等過程，捕集的PM2.5除了包括直接采樣法采集的可過濾PM2.5，還包括直接采樣法不能捕集的可凝結(jié)PM2.5，因此該方法被認(rèn)為是更為準(zhǔn)確的固定源[1]。
目前國內(nèi)外有幾款固定源采樣器，但由于體積大、重量重、不能廣泛適用各種污染源，采樣參數(shù)不能精準(zhǔn)控制等不足，都給現(xiàn)場采樣工作和后續(xù)分析處理帶來了較大的困難;另外，針對各類源排放的高溫、高濕、高濃度等特性，很多精密的分析儀器(如粒徑譜儀、VOCs儀等)無法直接采樣分析，需借助相應(yīng)的預(yù)處理裝置。為解決上述困難，筆者設(shè)計(jì)研發(fā)了一套可廣泛適用于各種污染物、模塊化自動化控制的采樣裝置。
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2采樣裝置設(shè)計(jì)與研發(fā)
2.1設(shè)計(jì)與研發(fā)思路
該裝置抽取污染源排放的廢氣，經(jīng)干燥的零氣稀釋/直接抽取停留待氣溶膠老化后，經(jīng)過旋風(fēng)式切割器(Cyclone)分離掉氣流中大于某一粒徑的顆粒物質(zhì)[1]，小于該粒徑的顆粒
物質(zhì)隨氣流分為四通道，分別由該通道中的濾膜收集，采樣裝置設(shè)計(jì)示意圖見圖1。
2.2采樣裝置適用范圍
該裝置適用于稀釋通道法或直接抽取法采樣，選取不同材質(zhì)的濾膜，四通道平行采樣，可用于污染源排放中顆粒物質(zhì)量濃度及化學(xué)組分的分析;亦可作為粒徑譜儀、質(zhì)譜儀、OCEC、VOCs分析儀等精密儀器的預(yù)處理設(shè)備。
2.3關(guān)鍵技術(shù)要素設(shè)計(jì)
(1)滿足顆粒物源譜解析采樣和其他分析儀器的預(yù)處理需要;
(2)模塊化設(shè)計(jì)，可更換模塊實(shí)現(xiàn)不同類型源采樣;
(3)空氣動力學(xué)模擬設(shè)計(jì)停留室，提供顆粒物充足的停留/老化時間;
(4)四通道設(shè)計(jì)，可滿足顆粒物質(zhì)量濃度測定及源譜分析要求;
(5)自動化控制相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，確保采樣的精準(zhǔn)性;
(6)稀釋比可調(diào)節(jié)。
2.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
該裝置由6個模塊組成，包括采樣管、停留室、中控模塊、供氣模塊、抽氣模塊及自動化控制。
2.5.2采樣管
采樣管的作用為將污染源排氣引入停留室。根據(jù)污染源種類的不同，分為固定源采樣管及流動源采樣管。為實(shí)現(xiàn)等速采樣，固定源采樣管配有采樣嘴套件;為避免煙氣高含濕量對后續(xù)系統(tǒng)的影響，固定源為可加熱采樣管。
2.5.3停留室
停留室的作用為：(1)為污染源樣氣和零氣提供稀釋(混合)的場所;(2)為稀釋(混合)后的氣體提供停留時間，以使混合后的氣溶膠充分老化。停留室組件包括不銹鋼停留室、直接抽取法上蓋板及稀釋通道法上蓋板，停留室與直接抽取法上蓋板組合用于直接抽取法采樣，停留室與稀釋通道法上蓋板組合用于稀釋通道法采樣，停留室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。
2.5.4中控模塊
中控模塊為該裝置的核心部件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3，其作用為：(1)電源管理及可視化操控中心;(2)切割器分離樣品中的PM2.5或PM10(旋風(fēng)式切割器(Cyclone)，PM10的切割流量為66.68L/min，PM2.5切割流量為92L/min)。);(3)控制及計(jì)量各采樣通道及總氣流的質(zhì)量流量及體積流量;(4)各采樣通道中濾膜安裝及更換;(5)采樣過程中數(shù)據(jù)計(jì)算及存儲。中控模塊組件包括切割器、分流器、膜托、質(zhì)量流量控制器、顯示屏及操作系統(tǒng)。
2.5.5抽氣模塊
抽氣模塊為采樣器提供采樣動力，包括一臺真空泵。
2.5.6供氣模塊
供氣模塊為采樣器提供稀釋用的零氣，包括干燥劑、供氣泵、過濾器和質(zhì)量流量控制器。注：供氣入口，建議連接除濕裝置以減少潔凈空氣中含濕量，如分析氣體需增加供氣的凈化措施(燃燒爐、氧化劑等)。
2.5.7自動化控制
該裝置進(jìn)行了自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，通過軟件實(shí)現(xiàn)各部件的自動控制，特別是質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，一共5路質(zhì)量流量控制，可根據(jù)溫度壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時反饋和調(diào)節(jié)，以確保顆粒物的精準(zhǔn)切割和采樣體積的準(zhǔn)確性[2]，自動編輯程序采樣;數(shù)據(jù)采集及顯示：測量停留室壓力、溫度、切割流量和各氣路流量;計(jì)算顯示量：等速采樣跟蹤率、廢氣流速、樣品采樣時間、煙氣含濕量、每通道采樣標(biāo)態(tài)煙氣體積;各樣品的詳細(xì)信息和參數(shù)的自動存儲。該裝置自動化控制設(shè)計(jì)見圖4。
3針對不同類型污染源的采樣
該裝置可提供稀釋法及直接抽取法兩種方式供選擇，推薦的用法為：對于排氣溫度、含濕量及顆粒物含量較高的燃煤電廠、工業(yè)鍋爐等固定源，以及機(jī)動車、船舶及非道路移動等流動源，使用稀釋方法采樣;對于排氣溫度、含濕量及顆粒物含量與環(huán)境較為接近的固定源，諸如安裝了高效凈化設(shè)施的有組織排放餐飲源，使用直接抽取方法采樣。
3.1針對固定源和流動源的稀釋通道法采樣
組件為采樣管模塊、供氣模塊、停留室、中控模塊及抽氣模塊，其連接方式如圖5。
3.2針對餐飲源直接抽取法采樣
組件為采樣管模塊、停留室模塊、中控模塊以及抽氣模塊，無需供氣稀釋組件。
3.3不同污染源源譜采樣的參數(shù)設(shè)置
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)地采樣經(jīng)驗(yàn)可進(jìn)行下列參數(shù)設(shè)置，由于各地情況不同，本地各種污染源的采樣時間、稀釋比等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況或?qū)嶒?yàn)得出。
3.3.1流動源稀釋法采樣
(1)采樣時長：可根據(jù)待測對象顆粒物質(zhì)量濃度、PM2.5占總顆粒的比例、稀釋比例及后續(xù)分析需求等預(yù)估。一般而言，對于顆粒物含量較高的燃柴油流動源，需要時間約為60min;對于燃用汽油流動源，約為120min。
(2)采樣管的設(shè)定溫度：如若采樣管基本均處于排氣筒之內(nèi)，與停留室的連接管線也較短，那么可不加熱采樣管。
(3)流動源稀釋比：對于流動源分流式稀釋通道的稀釋比應(yīng)在7∶1～5∶1之間，因此，建議稀釋比設(shè)定為5∶1[3-6]。
3.3.2固定源稀釋法采樣
(1)采樣時長：采樣時長可根據(jù)待測對象顆粒物質(zhì)量濃度、PM2.5或PM10占總顆粒的比例、稀釋比例及后續(xù)分析需求等預(yù)估。一般而言，對于污染物控制設(shè)施完善的電廠鍋爐(顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)為20mg/m3)，在10∶1的稀釋比例下約需180～300min。
(2)采樣管溫度：采樣管加熱的目的是防止煙氣在采樣管中冷凝，加熱溫度如過低則不能達(dá)到上述效果，但也不宜過高，以防止額外的“烘烤”煙氣以至于產(chǎn)生較大顆粒物形狀的改變，建議加熱溫度高于煙氣溫度約10℃即可。當(dāng)然，對于安裝了GGH的采樣對象，煙氣溫度較高，或者采樣管基本處于煙道之內(nèi)，與停留室的連接管線也較短，那么也可選擇加熱至煙氣溫度，或者不加熱。
(3)固定源稀釋比：推薦設(shè)置10∶1的稀釋比[3-6]。
3.3.3餐飲源稀釋法采樣
采樣時長：采樣時長可根據(jù)待測對象顆粒物質(zhì)量濃度、PM2.5占總顆粒的比例、稀釋比例及后續(xù)分析需求等預(yù)估。一般而言，對于安裝有高效除塵設(shè)施的有組織排放餐飲源，推薦時間為120min，同時應(yīng)盡可能在其高峰期采樣。
3.4四通道采樣體積的平行性
本研究設(shè)計(jì)了通過同一個PM10/PM2.5切割器對樣品中的顆粒物進(jìn)行切割，再通過4個均勻分布的采樣通道進(jìn)行收集，確保了樣品的平行性[7]。
為了測試4個通道采樣體積的平行性和各通道的穩(wěn)定性，進(jìn)行8次測試試驗(yàn)，每次采樣時長為60min，設(shè)置稀釋比8.5∶1和5.3∶1。實(shí)際稀釋比、各通道采樣體積和平行性結(jié)果見表2，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.1%，表明通道間平行性良好;各通道的采樣體積誤差結(jié)果見圖6，結(jié)果表明各通道的采樣體積誤差均在-2.5%～2.0%之間，各通道的穩(wěn)定性良好。
4結(jié)論
該采樣裝置可適用于多種污染源的廢氣排放采樣，模擬高溫污染物排放到大氣環(huán)境中的冷卻、稀釋、凝結(jié)和反應(yīng)的過程。四通道均勻采樣、可調(diào)節(jié)稀釋比設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對PM10/PM2.5、OC、EC、重金屬、VOCs等的采樣，作為大氣污染物排放的源譜研究及顆粒物來源解析工作的專用采樣設(shè)備，亦可作為其他精密分析儀器的預(yù)處理系統(tǒng)。
該裝置進(jìn)行了自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了自動控制，自動編程采樣、樣品信息及參數(shù)的自動采集、儲存及顯示打印。
該裝置已在多地的源解析工作中使用，結(jié)合污染源采樣的特殊性和實(shí)際應(yīng)用情況來看，雖然已經(jīng)進(jìn)行模塊化、便攜性的設(shè)計(jì)，單個模塊控制在25kg以內(nèi)，但由于該裝置尚未商業(yè)化批量生產(chǎn)，在設(shè)備外殼設(shè)計(jì)、材料、傳感器、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面任需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高設(shè)備的輕便性和穩(wěn)定性。
