一種新型固定污染源廢氣顆粒物采樣管的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證測試

楊 松

(泉州市綠色低碳研究院，福建 泉州 362000)

一種新型固定污染源廢氣顆粒物采樣管的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證測試

楊 松

(泉州市綠色低碳研究院，福建 泉州 362000)

文中設(shè)計(jì)了一種新型的固定污染源廢氣顆粒物采樣管，該采樣管能有效解決移動采樣時在一個采樣斷面上不同時段的樣品代表性誤差的問題，同時降低現(xiàn)場采樣人員的勞動強(qiáng)度和暴露在污染環(huán)境中的時間。經(jīng)過與傳統(tǒng)的手工監(jiān)測方法比對實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其測試結(jié)果為準(zhǔn)確、可靠。

廢氣顆粒物采樣管；旋翼槳葉；設(shè)計(jì)；環(huán)境監(jiān)測；比對測試

1 引言

固定污染源排放的顆粒物是造成大氣污染的主要污染物之一，真實(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)是環(huán)境保護(hù)部門進(jìn)行總量控制、環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)和現(xiàn)場環(huán)境執(zhí)法等環(huán)境監(jiān)督管理的主要依據(jù)。在環(huán)境監(jiān)測固定源廢氣顆粒物污染物的采樣過程中，通常將顆粒物采樣管由采樣孔伸入煙道或排氣筒中，使采樣嘴置于測點(diǎn)上，正對氣流，按照顆粒物等速采樣原理，抽取一定量的含塵氣體，根據(jù)采樣管濾筒上所捕集到的顆粒物量和同時抽取的氣體量，計(jì)算出排氣中的顆粒物濃度[1-4]。由于顆粒物在煙道或排氣筒的分布是不均勻的，因此通常采用等速采樣和多點(diǎn)采樣相結(jié)合的方法，以獲得具有代表性的顆粒物樣品。眾所周知，如果直徑較大的圓形煙道或排氣筒（如直徑為2～4 m），測點(diǎn)數(shù)一般要求達(dá)到8～20個，這時就需要采用移動采樣的方法逐點(diǎn)來收集樣品。由于每個采樣點(diǎn)都需要停留一段采集時間，測量斷面就出現(xiàn)了時間差的問題，即存在樣品是在一個采樣斷面上不同時段的代表性誤差問題。除此之外，這種手工采樣的方法對于現(xiàn)場采樣人員來說，不僅勞動強(qiáng)度大，還較長時間處于污染的環(huán)境中，極大地影響工作效率和身心健康。因此，對于保證監(jiān)測數(shù)據(jù)要具有代表性、準(zhǔn)確性，除了嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方法進(jìn)行采樣和監(jiān)測外，通過對監(jiān)測儀器設(shè)備的改進(jìn)無疑也是一種有效的途徑。

2 固定源廢氣顆粒物采樣管的設(shè)計(jì)

2.1 采樣管的設(shè)計(jì)構(gòu)思

由于廢氣中顆粒物具有一定的重量，因此煙道或排氣筒氣流攜帶的顆粒物并不是均勻分布的[2]。參考直升機(jī)的旋翼滑流理論，在采樣管的前端設(shè)計(jì)了一片旋翼槳葉。如此一來，采樣管的旋翼組件在煙道或排氣筒內(nèi)將迎著氣流，氣流給旋翼槳葉的壓力轉(zhuǎn)化為旋翼槳葉的驅(qū)動力矩，從而驅(qū)動旋翼槳葉旋轉(zhuǎn)。氣流經(jīng)旋翼槳葉切割后穿出，損失了一部分功率且在旋翼槳葉后形成一個圓柱形渦面的穩(wěn)定的滑動流場[5]，氣流裹挾的顆粒物就經(jīng)旋翼槳葉“攪拌混合”進(jìn)入這滑動流場中，使流場中的單位體積內(nèi)分布的含塵量較為均勻。這對于直徑較大的煙道或排氣筒來講，選擇旋翼槳葉后圓柱形的穩(wěn)定滑動流場中的某個點(diǎn)作為采樣點(diǎn)能夠有效代表顆粒物這一時間段內(nèi)的排放濃度，從而提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也有效解決了移動采樣時在一個采樣斷面上不同時段的樣品代表性誤差的問題，同時還降低現(xiàn)場采樣人員的勞動強(qiáng)度和暴露在污染環(huán)境的時間。

2.2 采樣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于采樣斷面與氣流方向垂直，采樣管必須從采樣孔進(jìn)入后完成90°彎折動作，使采樣嘴正對著氣流方向，然后如同折疊雨傘工作原理一般，工作時在折疊氣缸組件的驅(qū)動下將采樣嘴前端的旋翼槳葉伸展，旋翼槳葉在氣流的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，“攪拌混合”形成含塵量較為均勻的滑動流場，工作結(jié)束時在折疊氣缸組件的牽引下完成收攏、折疊過程，彎折氣缸組件與彎折連桿機(jī)構(gòu)配合完成旋翼槳葉和采樣嘴從煙道或排氣筒的采樣孔退出。采樣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 固定源廢氣顆粒物采樣管的結(jié)構(gòu)示意圖

3 測試分析

3.1 測試分析方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的采樣管是否科學(xué)實(shí)用，需要進(jìn)一步進(jìn)行測試驗(yàn)證。文中按照GB/T 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態(tài)污染物采樣方法》[2]及GBT 5468-1991《鍋爐煙塵測試方法》[4]的要求設(shè)計(jì)了比對測試方案。選擇一臺循環(huán)流化床鍋爐作為驗(yàn)證的測試對象。這是因?yàn)檠h(huán)流化床鍋爐具有穩(wěn)定厚度、懸浮燃燒的燃料層緣故，其燃煤添加量、風(fēng)壓、通風(fēng)量都較為均勻，能夠?yàn)楸葘y試提供較好的檢測環(huán)境。

監(jiān)測現(xiàn)場的鍋爐型號為YXL-12000MW，為蒸汽導(dǎo)熱油一體循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐煙氣和煙塵經(jīng)布袋除塵器、堿噴淋洗氣塔處理后，排往總煙風(fēng)道，通過一根高50米、直徑4米的煙囪向大氣排放。監(jiān)測采樣點(diǎn)位置，選擇其凈化處理設(shè)施后一段平直煙風(fēng)道開出兩個采樣口，兩個采樣斷面相隔1.5m，分別作為手工監(jiān)測與設(shè)計(jì)采樣管的采樣點(diǎn)。

3.2 監(jiān)測設(shè)備簡介

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境，煙塵采樣與分析由嶗應(yīng)3012H自動煙塵（氣）測試儀、梅特勒ME204E電子天平完成，煙氣測試儀校正用標(biāo)準(zhǔn)氣體N2、O2混合氣體：濃度21.0%。

手工監(jiān)測所使用的采樣管為青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的嶗應(yīng)1085A煙塵多功能取樣管。

3.3 采樣方案說明

手工監(jiān)測采樣方案：根據(jù)煙風(fēng)道直徑1m，沿采樣斷面直徑方向選擇10個測點(diǎn)移動采樣，每個測點(diǎn)連續(xù)采樣時間3min，采樣時間30min，等速采樣方式，采樣流速40L/min，采樣體積1200L；

旋翼槳葉采樣管采樣方案：固定在同一測點(diǎn)連續(xù)采樣30min，等速采樣方式，采樣流速40L/min，采樣體積1200L；

氧含量等參數(shù)測定：在同一監(jiān)測采樣斷面同時采集煙氣參數(shù)30min，積分取平均值；

采樣頻次：同一采樣斷面3次。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

4.1 監(jiān)測現(xiàn)場采樣氣候條件及煙氣測試儀校正情況

監(jiān)測現(xiàn)場采樣氣候條件為：天氣多云；氣溫20～25℃；氣壓101.90kPa；風(fēng)力風(fēng)向：北，≤3級。檢測前后煙氣測試儀校正數(shù)據(jù)如表1。

表1 檢測前后煙氣測試儀校正數(shù)據(jù)

4.2 同一時段手工監(jiān)測數(shù)據(jù)與新型采樣管數(shù)據(jù)比對結(jié)果

同一時段手工監(jiān)測數(shù)據(jù)與新型采樣管數(shù)據(jù)比對結(jié)果如表2。

表2 同一時段手工監(jiān)測數(shù)據(jù)與旋翼槳葉采樣管數(shù)據(jù)比對結(jié)果

4.3 數(shù)據(jù)分析

參比方法為手工監(jiān)測數(shù)據(jù)，測試對象為在用循環(huán)流化床鍋爐，其煙氣參數(shù)較為穩(wěn)定均勻，瞬時數(shù)據(jù)的離散性較小，以其算術(shù)平均值為真值，新型采樣管的同一時間段檢測數(shù)據(jù)積分后平均值與參比方法比對后，其相對誤差為0.35%。

5 結(jié)論

由上述同一時段手工監(jiān)測數(shù)據(jù)與旋翼槳葉采樣管數(shù)據(jù)比對結(jié)果可知，其相對誤差僅為0.35%，由于是測試現(xiàn)場選擇在用循環(huán)流化床鍋爐，其煙氣參數(shù)較為穩(wěn)定，其測試環(huán)境也較為理想，采用旋翼槳葉采樣管獲得的數(shù)據(jù)與參比方法較為吻合，對于有效解決移動采樣時在一個采樣斷面上不同時段的樣品代表性誤差的問題應(yīng)該是有幫助的，同時也能夠降低現(xiàn)場采樣人員的勞動強(qiáng)度和暴露在污染環(huán)境中的時間。為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的采樣管是否科學(xué)實(shí)用，還應(yīng)該在不同顆粒物排放濃度的工作環(huán)境中累積樣品，改進(jìn)設(shè)計(jì)。

[1]王志軍．最新環(huán)境污染監(jiān)督管理與檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)務(wù)全書[M]．中國致公出版社.2002.

[2]GB/T 16157-1996固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態(tài)污染物采樣方法[S].

[3]HJ/T373-2007 國家環(huán)保部．固定污染源監(jiān)測質(zhì)量保證與質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范（試行）[S].

[4]GB/T 5468-1991鍋爐煙塵測試方法[S]．

[5]王適存，徐國華．直升機(jī)旋翼空氣動力學(xué)的發(fā)展[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào).2001,33(3):203-211.

Design and Veri fi cation Test of a New Type of Sampling Tube for Stationary Waste Gas Particulates

YANG Song
(Quanzhou Green Low-carbon Research Institute, Quanzhou 362000，F(xiàn)ujian，China)

This paper described the design of a fixed pollution source of new exhaust particulate sampling tube. The sampling tube can effectively solve the mobile sampling in a sampling section sample representative error of different time problem, and reduce the labor intensity of staff on-site sampling and exposure time in polluted environment. Compared with the traditional manual monitoring method, the test result was accurate and reliable.

Exhaust particulate sampling tube; Rotor blade; Design; Environmental monitoring; Comparison test

2017-09-21

楊 松，男，泉州市綠色低碳研究院，工程師