火电厂湿烟气中低浓度PM2.5测试装置论文和设计-朱法华

全文摘要

本实用新型提供一种火电厂湿烟气中低浓度PM2.5测试装置，该装置包括依次连接的采样枪、旋风分离器、惯性撞击器、汽水分离器、干燥装置、计量装置，以及抽气装置，其特征于：所述采样枪、旋风分离器、惯性撞击器，以及它们之间的连接管路配置有伴热包和控温装置；所述采样枪包括采样嘴和枪体，所述枪体分为口径渐小的变径段和等径段；对采样枪内部结构和收集装置进行改进，提高PM2.5捕集效率、降低损失。

主设计要求

1.一种火电厂湿烟气中低浓度PM2.5测试装置，该装置包括依次连接的采样枪、旋风分离器、惯性撞击器、汽水分离器、干燥装置、计量装置，以及抽气装置，其特征于：所述采样枪、旋风分离器、惯性撞击器，以及它们之间的连接管路配置有伴热包和控温装置；所述采样枪包括采样嘴和枪体，所述枪体分为口径渐小的变径段和等径段。

设计方案

1.一种火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，该装置包括依次连接的采样枪、旋风分离器、惯性撞击器、汽水分离器、干燥装置、计量装置，以及抽气装置，其特征于：所述采样枪、旋风分离器、惯性撞击器，以及它们之间的连接管路配置有伴热包和控温装置；所述采样枪包括采样嘴和枪体，所述枪体分为口径渐小的变径段和等径段。}

2.根据权利要求1所述火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，其特征在于：所述枪体的长度取2m~3m，变径段长度取10cm~20cm。}

3.根据权利要求2所述火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，其特征在于：所述枪体的变径段入口直径为12mm ~10mm，出口直径为9mm~7mm；等径段直径与变径段出口直径一致，也为9mm~7mm。}

4.根据权利要求3所述火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，其特征在于：所述采样嘴采用圆角弧度设计，弧度为1.5705度。}

5.根据权利要求3所述火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，其特征在于：采样嘴口径选用6mm~10mm。}

6.根据权利要求1-5任一所述火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，其特征在于：枪体采用两段式控温方式，分别为占枪体总长度2\/3的升温段和占枪体总长度1\/3控温段。}

7.根据权利要求6所述火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，其特征在于：所述升温段控制温度范围为150℃~170℃；所述控温段控制温度范围为130℃~140℃。}

设计说明书

技术领域：

本实用新型属固定源烟气测试领域，涉及一种火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置。}

背景技术：

部分地区连续出现了以高细颗粒物(PM_{2.5<\/sub>)浓度为典型特征的大范围灰霾污染天气过程。细颗粒物成为当前区域性复合大气污染贡献最大的污染物。解决雾霾问题，必须首先掌握这些细颗粒物的生成、排放的详细信息。科学监测火电厂最终排放烟气中PM_{2.5<\/sub>浓度，对区域复合型大气雾霾污染治理意义重大。}}

目前，燃煤电厂全面推行超低排放改造，颗粒物排放浓度要求在10mg\/m^{3<\/sup>以下，甚至部分省份要求控制在5mg\/m^{3<\/sup>以下，排放要求世界最低。目前90％以上的燃煤机组因采用湿法脱硫带来的最终末端湿烟气排放，烟气含湿量可高达15％。湿烟气、超低浓度的烟气环境给PM_{2.5<\/sub>准确监测带来很大挑战。}}}

火电厂烟气中PM_{2.5<\/sub>的测试方法常用的有：惯性撞击分级法、虚拟惯性撞击分级法和旋风分级采样法。惯性撞击分级法的切割效率曲线较陡、测试准确性好，但因为烟道外采样，需要根据我国国情进行方法改进；虚拟惯性撞击分级法克服了大颗粒物反弹和再悬浮问题，但是要求烟气温度必须高于露点温度，否则水蒸气的凝结将改变颗粒物的空气动力学行为；旋风分级采样法因为集尘表面积远大于撞击分级法收集板的表面积，不容易过载，特别适用于测试高浓度烟尘环境下PM_{2.5<\/sub>浓度。但对于低浓度PM_{2.5<\/sub>测试精度较差，且同样不适于烟气温度低于露点温度的高湿烟气。}}}

目前常见的烟气中PM_{2.5<\/sub>测试方法，均强调是在高颗粒物浓度以及干烟气条件下进行。没有准确识别高湿、低温、液滴存在的烟气条件下PM_{2.5<\/sub>的空气动力学基本特征，没有采取措施克服PM_{2.5<\/sub>在重力、热迁移等作用下在采样枪处、旋风分离器处的凝结造成损失。现有PM_{2.5<\/sub>测试方法显然不适合目前湿度高、颗粒物排放浓度低的现实。}}}}

发明内容：

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供一种火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置。}

本实用新型的具体技术方案如下：

一种火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，该装置包括依次连接的采样枪、旋风分离器、惯性撞击器、汽水分离器、干燥装置、计量装置，以及抽气装置，所述采样枪、旋风分离器、惯性撞击器，以及它们之间的连接管路配置有伴热包和控温装置；所述采样枪包括采样嘴和枪体，所述枪体分为口径渐小的变径段和等径段。}

优选设计在于，所述枪体的长度取2m～3m，变径段长度取10cm～20cm，用于保证加快采样枪内烟气流速。

优选设计在于，所述枪体的变径段入口直径为12mm～10mm，出口直径为9mm～7mm；等径段直径与变径段出口直径一致，为9mm～7mm。

优选设计在于，所述采样嘴采用圆角弧度设计，弧度为1.5705度。

优选设计在于，采样嘴口径为6mm～10mm；

优选设计在于，所述枪体采用两段式控温方式，分别为占枪体总长度2\/3的升温段和占枪体总长度1\/3控温段，用于保证湿烟气充分加热、升温。

优选设计在于，所述升温段控制温度范围为150℃～170℃；所述控温段控制温度范围为130℃～140℃。

本实用新型相比现有技术具有如下优点：

本实用新型设计一种火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，该装置能够在总颗粒物排放浓度在1mg\/m^{3<\/sup>～50mg\/m^{3<\/sup>以内、在高达10％～20％含湿量的烟气中，对PM_{2.5<\/sub>进行准确测量。这为全面实施超低排放背景下火电厂总排放口处PM_{2.5<\/sub>准确测试提供技术支持，为电力行业污染物的PM_{2.5<\/sub>减排与对雾霾天气影响分析提供了技术支撑。}}}}}}

本实用新型的采样系统组成简单，能够实现超低排放改造后火电厂低总尘浓度、高湿度的烟气中PM_{2.5<\/sub>的准确测试。通过采样枪圆角和管径梯度收缩设计，将在饱和液滴条件下PM_{2.5<\/sub>碰撞吸附损失降低至5％以内。}}

附图说明：

图1为实施例一中火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置的结构示意图；}

图2为实施例二中采样枪的结构示意图。

图中：1-采样嘴；2-加热采样枪；3-旋风分离器加热包；4-旋风分离器；5-惯性撞击器；6-惯性撞击器加热包；7-流量计；8-调节阀；9-真空泵；10-干燥器；11-汽水分离器。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本实用新型火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置，该装置包括采样装置、旋风分离器、惯性撞击器、汽水分离器、干燥装置，计量装置，以及抽气装置。对依次连接的采样枪、旋风分离器、惯性撞击器，以及它们之间的连接管路均配置有加热包和控温装置。伴热管线和加热包一般由耐高温、耐腐蚀且绝缘的材质制成。计量装置包括流量计、真空泵和调节阀。旋风分离器主要作用是收集粒径大于10μm的颗粒物。旋风分离器由耐腐蚀且耐高温的钛或者不锈钢制成。}

采样枪本体结构分为三部分，包括采样嘴、变径段、等径段；采样枪加热装置采用两段控温方式：升温段、控温段，用于对采样烟气加热和保温。枪体采用两段式控温方式，分别为占枪体总长度2\/3的升温段和占枪体总长度1\/3控温段。通过采样枪前端温控设计，大幅减少了湿烟气条件下PM_{2.5<\/sub>在入口处的重力沉降损失和热迁移损失。连接采样枪的后端管线和加热包联合控温，保证样气在经过旋风分离器和惯性撞击器时温度保持在(酸露点+20)摄氏度以上，避免烟气中水汽、SO_{3<\/sub>、HF、HCl等发生凝结、析出，保证切割粒径准确性。}}

实施例二：

可选地，本实施例设计方案在于，如图2所示，枪体变径段入口直径12mm，出口直径8mm；等径段直径8mm；变径段(C段)长度取15cm，等径段(D段)235cm长度，用于保证烟气的流量；枪体总长度L取2.5m，用于保证采样烟气升温。本实用新型对采样枪内部结构和收集装置进行改进，提高PM_{2.5<\/sub>捕集效率、降低损失。管径梯度收缩设计，有利于饱和液滴条件下PM_{2.5<\/sub>碰撞吸附损失降低。}}

实施例三：

可选地，本实施例设计方案在于，本实用新型方法配套的采样嘴口径在6mm～10mm之间，确保在实际采样过程中等速采样。

实施例四：

可选地，本实施例设计方案在于，如图2所示，采样枪的采样嘴为圆角弧度，弧度为1.5705度。通过采样枪圆角设计，有利于饱和液滴条件下PM_{2.5<\/sub>碰撞吸附损失降低。}

实施例五：

可选地，本实施例设计方案在于，枪体采用两段式控温方式，分别为占枪体总长度2\/3的升温段和占枪体总长度1\/3控温段。采样枪升温段温度控制范围为150℃～170℃；控温段温度控制范围为130℃～140℃。

本实施例优选设计为，旋风分离器和惯性撞击器的控温范围：高出采样烟气露点温度的20℃。

实施例六：

惯性撞击器的撞击膜片采用铝箔膜，选用L型阿匹松脂作为粘附脂。撞击膜片采用涂油脂的铝箔，厚度小于0.1mm。

撞击器由耐腐蚀且耐高温的钛或者不锈钢制成，为三级联，分别是空气动力学直径大于10μm的、介于2.5μm和10μm之间的、介于1μm和2.5μm之间的撞击板和收集膜，并满足测试技术范围中所要求的技术条件：PM_{10<\/sub>级切割粒径Da50＝(10±0.5)μm，捕集效率的几何标准偏差σg＝(1.5±0.1)μm；PM_{2.5<\/sub>级切割粒径Da50＝(2.5±0.2)μm；捕集效率的几何标准差为σg＝(1.2±0.1)μm。}}

实施例七：

本实用新型火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>进行测试的方法，该方法包括以下步骤：}

采样枪采集烟道内待排放热烟气，经采样枪升温后烟气送入所述旋风分离器；

旋风分离器分离出大颗粒物并将含PM_{2.5<\/sub>的烟气，并将该烟气继续至烟气露点温度以上20℃，送入惯性撞击器；}

惯性撞击器撞击切割烟气，并继续控温在烟气露点温度以上20℃以上，处理后烟气进入汽水分离器；

烟气经汽水分离器分离出水汽，再经干燥装置进一步除去水分，再经抽气装置抽引排出。

实施例八：

本实用新型测试火电厂湿烟气中总颗粒物浓度在50mg\/m^{3<\/sup>(标态、干基、6％O_{2<\/sub>)环境下PM_{2.5<\/sub>方法，所述方法包括以下步骤：}}}

步骤一：滤筒\/铝箔的预处理。采样前将待用涂有L型阿匹松脂的铝箔编号，将铝箔放在温度介于110±5℃的烘箱中烘1h至完全干燥，再放入恒温恒湿箱中平衡24h，平衡条件为：温度介于15℃～30℃，相对湿度控制在30％～45％范围内，记录平衡温度与湿度。在上述平衡条件下，用感量为0.001mg的分析天平称量铝箔，记录铝箔重量。同一铝箔在恒温恒湿箱中相同条件下再平衡1h后称重，两次重量之差应小于0.004mg为满足恒重要求。预处理后放入专用容器中保存待用。

步骤二：现场装置组装。根据烟气温度、湿度、流速、动压、静压、全压等数据和相关公式计算喷嘴大小，从而选择适宜的采样嘴并与采样系统连接好，然后把预先编好号的铝箔装入撞击器内。用采样管依次连接采样枪、旋风分离器、干燥器、惯性撞击器、汽水分离器、真空泵等，可根据现场实际采样情况在汽水分离器和真空泵加装一个干燥器。组装完毕后进行气密性试验，泄漏量应低于2％。

步骤三：采样枪和后端采样系统温度设定：根据烟气温度设定采样枪两级温度；预先测试烟气露点温度，用加热包包裹好旋风分离器和惯性撞击器，设定加热包温度为(烟气露点温度+20)摄氏度，并预热至设计温度。

步骤四：单个样品采样。在加热采样枪和后端连接系统达到设定温度后，将采样枪插入采样孔内预设位置后进行采样。采样时长应确保滤膜上的颗粒物负载量大于0.1mg。采样完毕后，关掉抽气装置开关，抽出采样枪，待降温后用镊子取出铝箔，将有尘面两次对折，放入带有标示的样品盒在密闭环境下存放，并做好采样记录。

步骤五：采样后铝箔称重。按铝箔预处理的方法对采样后的铝箔进行处理后称重，记录铝箔重量，称量应使用同一台分析天平。采样前、后铝箔的增量即为采集的PM_{2.5<\/sub>质量。根据抽气体积进行PM_{2.5<\/sub>质量浓度计算。}}

测试例一：

A电厂现场测试与方法验证

该电厂机组容量为300MW。锅炉为亚临界参数、控制循环、四角切向燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢构架的∏型汽包炉，锅炉由上海锅炉厂设计、制造。除灰系统为气力出灰。在烟囱入口处进行测试，该处烟气温度为52℃、烟气露点温度为110℃.测试结果如下：

设备一：本实用新型实施例一火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置。其中，采样枪升温段加热温度为165℃，升温段长度为1.2米，控温段长度为0.6米；采样枪控温段加热温度为130℃；旋风分离器、惯性撞击器及其连接管路加热温度为130℃。}

设备二：由国外某公司提供的成套PM_{2.5<\/sub>测试装置，其采样枪为全程统一内径、加热温度为100℃、采样枪长度为1.62米，旋风分离器、惯性撞击器及其连接管路加热温度为80℃。}

从上表可以发现，本实用新型方法PM_{2.5<\/sub>测试具有较好的测试重复性，基于现场同一工况下6个样品的估算标准偏差为0.63mg\/m^{3<\/sup>，显著低于未改进的惯性撞击分级采样方法的测试结果；同时，在采样枪出口处和惯性撞击器入口处，分别测试烟气温度。结果发现，设备一烟气温度始终在135℃以上，而设备二采样枪出口处烟气温度为92℃，而惯性撞击器入口烟气温度居然仅为73℃，连接管路末端出现水滴，说明该套设备没有彻底消除湿烟气对PM_{2.5<\/sub>测试影响，其测试结果是不可靠的。}}}

低浓度PM2.5测试一个重要难点就是降低采样枪内吸附。本次测试完成后用丙酮清洗采样枪，然后蒸干丙酮冲洗液中并称重，得出采样枪前端总颗粒物浓度。按照一般燃煤电厂总排放口处PM_{2.5<\/sub>占总颗粒物(采样枪内吸附的不仅包括10微米以下的细颗粒物，也包括10微米以上的颗粒物)比重70％来计算，得出理论上损失的PM_{2.5<\/sub>质量浓度，并与实际测试结果进行比较。实验室分析结果如下：}}

从上表可知，在该测试现场14.3％湿度、总颗粒物浓度3.718mg\/m^{3<\/sup>烟气环境下，设备一采用了变径增速、分段加热的方式，能够将采样枪内PM_{2.5<\/sub>因重力、热迁移损失控制在10％以内；而设备二的PM_{2.5<\/sub>采样枪，因为采样枪加热温度(100℃)低于露点温度(约110℃)，部分位置因水蒸汽的凝结改变PM_{2.5<\/sub>的空气动力学行为，导致相对数量的PM_{2.5<\/sub>损失在前端采样枪内，造成采样准确度急剧下降，不满足测试要求。}}}}}

测试例二：

B电厂现场测试与方法验证：

该机组容量为630MW，配套锅炉由美国巴威公司设计制造。锅炉型式为亚临界、一次再热、自然循环、平衡通风、单汽包、半露天煤粉炉。烟气环保设施主要是：配备1套双室四电场静电除尘器(除尘效率≥99.7％，除尘器电源改为高频电源)。#1炉脱硫工程的设计由武汉凯迪电力股份有限公司和技术合作方BABCOCK&WILCOX(B&W)公司共同完成.系统采用美国B&W公司的石灰石-石膏就地强制氧化脱硫工艺(脱硫效率为95％以上)。

同时采用火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置和由国外某公司提供的成套PM2.5测试装置两种方法进行比对测试。}

设备一：采用本实用新型实施例一火电厂湿烟气中低浓度PM_{2.5<\/sub>测试装置；其中，采样枪升温段加热温度为165℃，升温段长度为1.2米；采样枪控温段加热温度为130℃；旋风分离器、惯性撞击器及其连接管路加热温度为130℃。}

测试点位于湿法脱硫装置出口。该处烟气温度为52℃，烟气湿度为14.3％，烟气露点温度为107℃。根据现场情况，该现场验证设备一，采样枪升温段加热温度为165℃，升温段长度为1.2米；采样枪控温段加热温度为130℃；旋风分离器、惯性撞击器及其连接管路加热温度为130℃。

该现场验证设备二，其采样枪为全程统一内径、加热温度为100℃、采样枪长度为1.62米，旋风分离器、惯性撞击器及其连接管路加热温度为80℃。

600MW机组测试结果如下表：

从上表可以发现，设备一的PM_{2.5<\/sub>测试具有较好的测试重复性，基于现场同一工况下6个样品的估算标准偏差为0.217mg\/m^{3<\/sup>，显著低于设备二的测试结果；而平均结果为2.220mg\/m^{3<\/sup>，显著高于未改进的惯性撞击分级采样方法的测试结果。说明调节采样枪前端和后端温度、采样枪在烟道内部分采用圆角收口和管径梯度设计、全过程精准控制温度等技术措施能够显著减少颗粒物的损失，尤其是高湿度烟气条件下PM_{2.5<\/sub>的重力沉降、惯性碰撞、扩散损失、静电损失和热泳力损失。}}}}

专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和颖特点。

设计图

火电厂湿烟气中低浓度PM2.5测试装置论文和设计

火电厂湿烟气中低浓度PM2.5测试装置论文和设计-朱法华

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主设计要求

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