大氣顆粒物切割器校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體動(dòng)態(tài)混合艙設(shè)計(jì)

舒宗昊 劉攀超 黃 慶

（華測檢測認(rèn)證集團(tuán) 廣東深圳 518101）

1 前言

2011年12月PM2.5正式被選為空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。PM2.5是對(duì)空氣中直徑小于或等于2.5 μm的固體顆?；蛞旱蔚目偡Q，又叫細(xì)顆粒物或入肺顆粒物，這類顆粒物體積小，易被人體吸入，傳播距離遠(yuǎn)，含有大量有毒物質(zhì)，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境[1]。

目前全球范圍對(duì)PM2.5的測定方法主要有：重量法、β射線吸收法、微量振蕩天平法[2]。以上3種方法測試過程雖然各有不同，但在氣體采樣處理階段，針對(duì)不同粒徑顆粒物的篩選都用到切割器這一關(guān)鍵器件。顆粒物切割器從原理上決定其使用前必須經(jīng)過校準(zhǔn)。筆者單位通過研究現(xiàn)有切割器校準(zhǔn)裝置，發(fā)現(xiàn)此類裝置的校準(zhǔn)原理均為將標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體通過切割器，經(jīng)過切割器采樣篩選后，測試采集到的顆粒物，比對(duì)切割前后顆粒物濃度進(jìn)行校準(zhǔn)，因此校準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)精確校準(zhǔn)關(guān)鍵是完成試驗(yàn)氣體的配制，尤其是對(duì)顆粒物濃度的精確控制[3-4]。

2 PM2.5切割器原理

切割器是空氣質(zhì)量檢測裝置中的核心部件，用以采樣分離不同粒徑的氣體顆粒物。其原理是待測氣體高速通過其內(nèi)部通道時(shí)，由于顆粒物體積質(zhì)量不同，其慣性也隨之大小不等，大體積顆粒通過內(nèi)腔氣道時(shí)由于慣性較大，無法隨氣流通過從而撞擊到捕獲板上。粒徑較小的顆粒物通過了切割器最后被濾膜捕獲，使用精密電子秤測試濾膜質(zhì)量，計(jì)算捕獲顆粒物重量。

切割器從原理上決定了其不可能精準(zhǔn)定量控制氣體顆粒物的通過性，對(duì)空氣顆粒的過濾效果是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)概念，所以在檢測設(shè)備投入使用之前必須對(duì)其核心零部件切割器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保切割器過濾的氣體顆粒物含量符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和要求[3-4]。

3 混合艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究的混合艙是為基于“靜態(tài)實(shí)驗(yàn)法”的校準(zhǔn)試驗(yàn)提供所需的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物濃度氣體。按照試驗(yàn)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度，試驗(yàn)艙將一定量的顆粒物粉末以及潔凈氣體注入試驗(yàn)艙并充分混合。因此試驗(yàn)艙的設(shè)計(jì)核心原則：顆粒物的精確配比以及在艙內(nèi)設(shè)置氣流循環(huán)流動(dòng)不沉淀。結(jié)合上述特點(diǎn)本研究設(shè)計(jì)的混合艙各組成部分包括標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)生裝置、溫濕度調(diào)節(jié)裝置、靜電調(diào)節(jié)裝置、混合裝置、艙內(nèi)粒徑譜儀、采樣測試裝置等，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體混合艙結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)生裝置包括潔凈氣源、PM2.5粉塵顆粒源、顆粒物定量取料裝置、氣體流量控制器；混合裝置包括混合艙體、傘狀氣流發(fā)生器、環(huán)形氣流發(fā)生器；溫濕度調(diào)節(jié)器和靜電調(diào)節(jié)器安裝于艙體內(nèi)部保證樣本氣體的溫濕度條件符合試驗(yàn)要求，并消除粒子間以及粒子與艙體間的靜電引力作用；采樣測試裝置包括流量控制器、PM2.5切割器、快換接頭、過濾器、真空泵。

混合倉體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本裝置設(shè)計(jì)的核心問題。首先確定混合艙包含了內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)及氣流發(fā)生裝置，其內(nèi)腔設(shè)計(jì)為漏斗形，工作狀態(tài)下顆粒物將伴隨氣體噴出后最終緩慢下落沉積，為充分混合顆粒物，在內(nèi)腔底部裝有氣流發(fā)生裝置，將落入腔底的粉塵顆粒吹入空中，避免顆粒物在重力作用下落入藏地并形成堆積。在混合艙四周同樣設(shè)置氣流發(fā)生裝置，結(jié)合底部氣流發(fā)生裝置以及漏斗形內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，混合氣體在艙內(nèi)可形成內(nèi)循環(huán)流動(dòng)從而保證顆粒物不會(huì)沉積，并且在艙中得到充分混合，最終形成比例均勻的氣體樣本。

基于上述的基礎(chǔ)模型，在流體力學(xué)分析軟件Fluent中對(duì)艙體、氣體和顆粒物進(jìn)行建模。校準(zhǔn)試驗(yàn)的氣體使用拉格朗日模型進(jìn)行分析，將空氣看作連續(xù)相，大氣顆粒物作為體積率小的離散相來分析，使顆粒物的運(yùn)動(dòng)模擬再現(xiàn)，從而根據(jù)顆粒物的逃逸率等參數(shù)不斷的調(diào)整艙體的尺寸，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最優(yōu)的混合艙體和氣流發(fā)生裝置。

4 混合艙工作原理（圖2）

圖2 混合艙內(nèi)部氣流循環(huán)仿真圖

本文研究的標(biāo)準(zhǔn)氣體混合艙是基于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)法完成顆粒物的采樣校準(zhǔn)試驗(yàn)，按照時(shí)間順序其工作原理可分為準(zhǔn)備階段、混合階段、采樣階段。

準(zhǔn)備階段首先將待校準(zhǔn)切割器安裝到切割器卡座，確認(rèn)物料準(zhǔn)備完成后，啟動(dòng)設(shè)備對(duì)混合艙進(jìn)行試驗(yàn)前的凈化處理。之后關(guān)閉采樣泵，避免氣體樣本提前進(jìn)入切割器，然后開啟艙內(nèi)細(xì)微氣流循環(huán)避免顆粒物迅速沉淀至艙底。潔凈氣體發(fā)生器工作產(chǎn)生并儲(chǔ)備氣體，同時(shí)顆粒物送料機(jī)構(gòu)根據(jù)預(yù)設(shè)顆粒物濃度將顆粒物粉塵傳送至備料管，此時(shí)潔凈氣體高速噴出利用伯努利原理將備料管中的顆粒物吸出并噴至混合艙內(nèi)。

進(jìn)入混合階段，艙內(nèi)氣流開始加速流動(dòng)，顆粒物在艙內(nèi)氣流循環(huán)作用下得以充分混合。溫濕度調(diào)節(jié)器和靜電調(diào)節(jié)器伴隨此過程開啟工作，使得試驗(yàn)樣品氣體條件達(dá)到合格要求。

在最后采樣階段，系統(tǒng)首先關(guān)閉內(nèi)部氣流發(fā)生裝置及其他進(jìn)出氣口，然后靜置標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品10～20 s，使顆粒物粒子從流動(dòng)狀態(tài)減速至懸浮狀態(tài)。然后啟動(dòng)粒徑譜儀和采樣抽氣泵，進(jìn)行顆粒物濃度測試及樣品氣體采樣。采樣結(jié)束卸下切割器取出濾膜，根據(jù)試驗(yàn)前后濾膜重量變化，計(jì)算出采樣過程中顆粒物含量，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度從而計(jì)算PM2.5切割器的切割精度。

該系統(tǒng)基于Fluent進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化氣流及內(nèi)腔混合作用。首先在源頭上確保對(duì)顆粒物質(zhì)量和氣體體積的精準(zhǔn)控制，其次在混合作用過程中強(qiáng)化內(nèi)部氣流混合作用降低顆粒物的沉積和損失，最后減少采樣過程顆粒物損耗，以保證采樣得到的氣體濃度差異極小。該校準(zhǔn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)原則上盡可能減少閥類及彎管類通道，降低狹小通道對(duì)顆粒物濃度的影響，以保證氣體的顆粒物濃度的區(qū)域均勻性和前后一致性?；旌吓搩?nèi)部氣流氣源同樣來自潔凈氣源，艙內(nèi)部設(shè)有泄壓出氣口，保持內(nèi)部與外部氣壓一致。該校準(zhǔn)系統(tǒng)同樣適用于PM10以及TSP切割器的校準(zhǔn)，不同在于試驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)顆粒物的選取以及切割器的替換。

5 結(jié)語

本文研究設(shè)計(jì)的用于PM2.5切割器校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體動(dòng)態(tài)混合艙可生成特定顆粒物濃度的試驗(yàn)氣體，用于顆粒物切割器校準(zhǔn)試驗(yàn)。其特點(diǎn)在于在艙體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部混合裝置作用下精確控制氣體濃度的均勻性和采樣過程氣體濃度的一致性，從而為切割器校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了有力保障。本裝置為空氣質(zhì)量檢測校準(zhǔn)領(lǐng)域提供了一個(gè)全新的可行方案，可望在切割器校準(zhǔn)中得到推廣應(yīng)用。

[1] 孫波，李爽.PM2.5檢測方法及研究進(jìn)展[J].山東化工，2015，44（9）：56-57.

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[5] HJ 656-2013環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定重量法[S].

[6] HJ93-2013環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）采樣器技術(shù)要求及檢測方法[S].