新型污染源廢氣排放采樣裝置的研究與應用

(上海貝瑟環保科技有限公司，上海 200233)

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、輪船等排氣源，其排放廢氣中含有顆粒物、有機和無機的氣態有害物質。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煙道或者其他污染源進行直接取樣，只能采集到一次顆粒物；后者是將高溫煙氣用零氣稀釋和冷卻至大氣環境溫度，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、凝結和二次反應等過程，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PM2.5，因此該方法被認為是更為準確的固定源[1]。

目前國內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，采樣參數不能精準控制等不足，都給現場采樣工作和后續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，需借助相應的預處理裝置。為解決上述困難，筆者設計研發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。

2 采樣裝置設計與研發

2.1 設計與研發思路

該裝置抽取污染源排放的廢氣，經干燥的零氣稀釋/直接抽取停留待氣溶膠老化后，經過旋風式切割器(Cyclone)分離掉氣流中大于某一粒徑的顆粒物質[1]，小于該粒徑的顆粒物質隨氣流分為四通道，分別由該通道中的濾膜收集，采樣裝置設計示意圖見圖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，選取不同材質的濾膜，四通道平行采樣，可用于污染源排放中顆粒物質量濃度及化學組分的分析；亦可作為粒徑譜儀、質譜儀、OCEC、VOCs分析儀等精密儀器的預處理設備。

2.3 關鍵技術要素設計

(1)滿足顆粒物源譜解析采樣和其他分析儀器的預處理需要；

(2)模塊化設計，可更換模塊實現不同類型源采樣；

(3)空氣動力學模擬設計停留室，提供顆粒物充足的停留/老化時間；

(4)四通道設計，可滿足顆粒物質量濃度測定及源譜分析要求；

(5)自動化控制相關運行參數，確保采樣的精準性；

(6)稀釋比可調節。

2.4 主要參數設計(表1)

表1 主要參數

2.5 結構設計2.5.1 系統結構組成

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。為實現等速采樣，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系統的影響，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，停留室結構設計見圖2。

圖2

2.5.4 中控模塊

中控模塊為該裝置的核心部件,結構設計見圖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)控制及計量各采樣通道及總氣流的質量流量及體積流量；(4)各采樣通道中濾膜安裝及更換；(5)采樣過程中數據計算及存儲。中控模塊組件包括切割器、分流器、膜托、質量流量控制器、顯示屏及操作系統。

圖3 中控模塊示意圖

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

該裝置進行了自動化控制系統的設計和研發，通過軟件實現各部件的自動控制，特別是質量流量控制系統，一共5路質量流量控制，可根據溫度壓力等參數進行實時反饋和調節，以確保顆粒物的精準切割和采樣體積的準確性[2]，自動編輯程序采樣；數據采集及顯示：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、每通道采樣標態煙氣體積；各樣品的詳細信息和參數的自動存儲。該裝置自動化控制設計見圖4。

圖4 自動化控制示意圖

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、工業鍋爐等固定源，以及機動車、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境較為接近的固定源，諸如安裝了高效凈化設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。

圖5 稀釋通道法部件連接示意圖

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設置

根據相關文獻和實地采樣經驗可進行下列參數設置，由于各地情況不同，本地各種污染源的采樣時間、稀釋比等參數可根據實際情況或實驗得出。

3.3.1 流動源稀釋法采樣

(1)采樣時長：可根據待測對象顆粒物質量濃度、PM2.5占總顆粒的比例、稀釋比例及后續分析需求等預估。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)采樣管的設定溫度：如若采樣管基本均處于排氣筒之內，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在7∶1～5∶1之間，因此，建議稀釋比設定為5∶1[3-6]。

3.3.2固定源稀釋法采樣

(1)采樣時長：采樣時長可根據待測對象顆粒物質量濃度、PM2.5或PM10占總顆粒的比例、稀釋比例及后續分析需求等預估。一般而言，對于污染物控制設施完善的電廠鍋爐(顆粒物排放標準為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，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：采樣時長可根據待測對象顆粒物質量濃度、PM2.5占總顆粒的比例、稀釋比例及后續分析需求等預估。一般而言，對于安裝有高效除塵設施的有組織排放餐飲源，推薦時間為120min，同時應盡可能在其高峰期采樣。

3.4 四通道采樣體積的平行性

本研究設計了通過同一個PM10/PM2.5切割器對樣品中的顆粒物進行切割，再通過4個均勻分布的采樣通道進行收集，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定性，進行8次測試試驗，每次采樣時長為60min，設置稀釋比8.5∶1和5.3∶1。實際稀釋比、各通道采樣體積和平行性結果見表2，相對標準偏差均小于0.1%，表明通道間平行性良好；各通道的采樣體積誤差結果見圖6，結果表明各通道的采樣體積誤差均在-2.5%～2.0%之間，各通道的穩定性良好。

表2 不同稀釋比下各通道的采樣體積

圖6 各通道的采樣體積的穩定性

4 結論

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境中的冷卻、稀釋、凝結和反應的過程。四通道均勻采樣、可調節稀釋比設計，實現對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備，亦可作為其他精密分析儀器的預處理系統。

該裝置進行了自動化控制系統的設計和研發，實現了自動控制，自動編程采樣、樣品信息及參數的自動采集、儲存及顯示打印。

該裝置已在多地的源解析工作中使用，結合污染源采樣的特殊性和實際應用情況來看，雖然已經進行模塊化、便攜性的設計，單個模塊控制在25kg以內，但由于該裝置尚未商業化批量生產，在設備外殼設計、材料、傳感器、結構優化等方面任需要進一步優化，以提高設備的輕便性和穩定性。