一種燃煤排放顆粒物采樣系統及其分析方法
【專利摘要】本發明涉及一種燃煤排放顆粒物采樣系統及其分析方法。采樣系統包括煙氣采樣嘴，煙氣管道，冷凝管，粗顆粒切割器，停留室，稀釋調節閥，流量計，真空抽氣泵，ATOFMS顆粒在線檢測儀，MCI采樣器。分析方法包括采用適應于大氣環境條件的在線顆粒物測量儀器ATOFMS以及用于TEM離線分析的MCI顆粒采樣器進行采集分析，從而更加準確的研究燃煤排放顆粒物的粒徑、化學成分及其隨時間變化信息。本發明系統和方法為研究燃煤排放顆粒物的種類識別、粒徑、化學成分以及對人體健康的影響等提供重要數據。
【專利說明】一種燃煤排放顆粒物采樣系統及其分析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燃煤排放顆粒物采樣系統及其分析方法。
【背景技術】
[0002]我國煤炭燃燒帶來的環境污染問題依然異常嚴重。煤中的碳、氫、氧、氮、硫等元素在燃燒過程中能夠生成so2、nox、co2等氣態污染物和二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣和未經燃燒的炭微粒等大量固態顆粒物。
[0003]氣溶膠飛行時間質譜儀(AerosolTime-of-flight Mass Spectrometer,ATOFMS)，可以直接快速地對單顆粒氣溶膠進行實時在線監測，不僅避免了傳統離線分析方法中樣品前處理的困難，而且可以獲得單顆粒粒徑、化學成分及其隨時間和空間分布變化的信息，為研究大氣氣溶膠快速變化的物理化學反應過程如氣溶膠的形成，遷移和傳輸、氣溶膠的種類識別和源解析，以及氣溶膠對環境、氣候和人體健康的影響等提供重要數據。
[0004]燃煤排放的顆粒物不僅組分復雜，粒度分布也呈多模態分布。利用ATOFMS可以在線分析不同粒徑的單顆粒化學成分及其隨時間和空間分布變化的信息。但是ATOFMS在采樣過程中需要避免粗顆粒堵塞ATOFMS進樣微孔，以及在采集含較高濃度顆粒物時需要稀釋煙氣來提高儀器分析中激光的打擊率。
[0005]在分析顆粒時，ATOFMS無法觀察顆粒的形貌等特征，同時用TEM分析方法來對比補充ATOFMS對燃煤排放單顆粒識別。將ATOFMS在線分析與TEM離線分析單顆粒結合起來，利用兩種分析的優點，相互補充，從而全面地研究顆粒物物理化學特征。
【發明內容】
[0006]針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提供一種燃煤排放顆粒物采樣系統及其分析方法，從而更加準確的研究燃煤排放顆粒物的粒徑、化學成分及其隨時間變化信息。
[0007]為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下:
一種燃煤排放顆粒物采樣系統，包括煙氣采樣嘴，煙氣管道，冷凝管，粗顆粒切割器，停留室，稀釋調節閥，流量計，真空抽氣泵，ATOFMS顆粒在線檢測儀，MCI采樣器；所述煙氣采樣嘴對準燃煤爐，所述煙氣采樣嘴通過煙氣管道連接粗顆粒切割器，在煙氣管道上還設有冷凝管，所述粗顆粒切割器通過煙氣管道連接停留室，所述停留室分別連接稀釋調節閥，ATOFMS顆粒在線檢測儀，MCI采樣器，并通過流量計連接真空抽氣泵。所述煙氣管道采用聚四氟乙烯軟管，避免污染采樣氣體。
[0008]一種燃煤排放顆粒物分析方法，具體步驟為:
1)將煤在燃煤爐中引燃，打開真空抽氣泵，煙氣通過煙氣采樣嘴進入采樣系統，首先經過冷凝管進行冷凝，模擬煙氣排放到大氣中的成核、冷凝、凝聚的過程；調節流量計，控制進入粗顆粒切割器的煙氣流速，通過粗顆粒切割器去除粒徑較粗的顆粒物，過濾后的煙氣進入停留室；
2)關閉真空抽氣泵，打開稀釋調節閥，調節稀釋空氣進入量，控制停留室內煙氣顆粒物濃度；
3)關閉稀釋調節閥，停留室中經稀釋的煙氣分別進入ATOFMS顆粒在線檢測儀和MCI采樣器進行采樣，同時進行在線分析和離線分析，將在線分析與離線分析的結果進行對比，分析燃煤排放顆粒物的物理化學特征。
[0009]本發明與現有技術相比較，具有以下突出的優點:
本發明裝置和方法將燃煤排放高溫煙氣過濾稀釋至大氣環境溫度，采用適應于大氣環境條件的在線顆粒物測量儀器ATOFMS以及用于TEM離線分析的MCI顆粒采樣器進行采集分析，從而更加準確的研究燃煤排放顆粒物的粒徑、化學成分及其隨時間變化信息。ATOFMS在線與TEM離線聯合分析，相互補充，全面地研究顆粒物物理化學特征。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為燃煤排放顆粒物采樣系統示意圖。
[0011]圖2為燃煤排放顆粒物分析方法示意圖。
[0012]圖3燃煤排放單顆粒粒徑分布。
[0013]圖4燃煤排放化學組分單顆粒數時間序列圖。
[0014]圖5燃煤排放不同類型單顆粒的粒徑分布圖。
[0015]圖6不同類型單顆粒數以及顆粒數所占比例曲線圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。
[0017]如圖1所示，一種燃煤排放顆粒物采樣系統，包括煙氣采樣嘴，煙氣管道，冷凝管，粗顆粒切割器，停留室，稀釋調節閥，流量計，真空抽氣泵，ATOFMS顆粒在線檢測儀，MCI采樣器；所述煙氣采樣嘴對準燃煤爐，所述煙氣采樣嘴通過煙氣管道連接粗顆粒切割器，在煙氣管道上還設有冷凝管，所述粗顆粒切割器通過煙氣管道連接停留室，所述停留室分別連接稀釋調節閥，ATOFMS顆粒在線檢測儀，MCI采樣器，并通過流量計連接真空抽氣泵。所述煙氣管道采用聚四氟乙烯軟管，避免污染采樣氣體。
[0018]如圖2所示，一種燃煤排放顆粒物分析方法，具體步驟為:
1)將煤在燃煤爐中引燃，打開真空抽氣泵，煙氣通過煙氣采樣嘴進入采樣系統，首先經過冷凝管進行冷凝，模擬煙氣排放到大氣中的成核、冷凝、凝聚的過程；調節流量計，控制進入粗顆粒切割器的煙氣流速，通過粗顆粒切割器去除粒徑較粗的顆粒物，過濾后的煙氣進入停留室；
2)關閉真空抽氣泵，打開稀釋調節閥，調節稀釋空氣進入量，控制停留室內煙氣顆粒物濃度；
3)關閉稀釋調節閥，停留室中經稀釋的煙氣分別進入ATOFMS顆粒在線檢測儀和MCI采樣器進行采樣，同時進行在線分析和離線分析。離線分析通過MCI采樣器用濾膜采集煙氣顆粒，將采集有顆粒的濾膜剪成0.5X0.5cm2的小塊，用TEM分析顆粒的形貌，化學組成等。離線分析中濾膜采集的燃煤排放顆粒樣品，在采樣過程中會有化學組分的揮發、結晶、氣粒轉化等過程，將在線分析與離線分析的結果進行對比，分析燃煤排放顆粒物的物理化學特征。
[0019]圖:T圖6是ATOFMS在線檢測分析得到的燃煤排放單顆粒粒徑、化學成分及其隨時間變化的信息。
[0020]圖3顯示燃煤排放單顆粒粒徑分布。燃煤排放顆粒物中，數濃度較大的粒徑范圍在0.4?0.8um之間。
[0021]圖4燃煤排放化學組分單顆粒數時間序列圖，顯示燃煤排放不同組分單顆粒隨著燃燒過程的進行，其單顆粒數量所占比例的變化。
[0022]圖5是不同類型單顆粒物的粒徑分布圖。在0.r1.4um粒徑范圍內，燃煤排放重金屬顆粒所占比例比較突出，重金屬顆粒主要集中在此粒徑范圍內。
[0023]圖6是不同類型單顆粒的顆粒數以及顆粒數所占比例曲線。總共采樣3小時，采集含質譜信息的顆粒共計3401顆，含鋁顆粒最多，占39.58% ;含鐵顆粒占2.23% ;其他重金屬顆粒所占比例在0.5%左右。
【權利要求】
1.一種燃煤排放顆粒物采樣系統，其特征在于，包括煙氣采樣嘴，煙氣管道，冷凝管，粗顆粒切割器，停留室，稀釋調節閥，流量計，真空抽氣泵，ATOFMS顆粒在線檢測儀，MCI采樣器；所述煙氣采樣嘴對準燃煤爐，所述煙氣采樣嘴通過煙氣管道連接粗顆粒切割器，在煙氣管道上還設有冷凝管，所述粗顆粒切割器通過煙氣管道連接停留室，所述停留室分別連接稀釋調節閥，ATOFMS顆粒在線檢測儀，MCI采樣器，并通過流量計連接真空抽氣泵。
2.根據權利要求1所述的燃煤排放顆粒物采樣系統，其特征在于，所述煙氣管道采用聚四氟乙烯軟管，避免污染采樣氣體。
3.一種燃煤排放顆粒物分析方法，其特征在于，具體步驟為: 1)將煤在燃煤爐中引燃，打開真空抽氣泵，煙氣通過煙氣采樣嘴進入采樣系統，首先經過冷凝管進行冷凝，模擬煙氣排放到大氣中的成核、冷凝、凝聚的過程；調節流量計，控制進入粗顆粒切割器的煙氣流速，通過粗顆粒切割器去除粒徑較粗的顆粒物，過濾后的煙氣進入停留室； 2)關閉真空抽氣泵，打開稀釋調節閥，調節稀釋空氣進入量，控制停留室內煙氣顆粒物濃度； 3)關閉稀釋調節閥，停留室中經稀釋的煙氣分別進入ATOFMS顆粒在線檢測儀和MCI采樣器進行采樣，分別進行在線分析和離線分析，將在線分析與離線分析的結果進行對比，分析燃煤排放顆粒物的物理化學特征。
【文檔編號】G01N1/10GK104280267SQ201410444470
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】呂森林, 劉品威, 程平, 張文超, 劉丁彧 申請人:上海大學
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