一种新型固定污染源废气颗粒物采样管的设计及验证测试

杨 松

(泉州市绿色低碳研究院，福建 泉州 362000)

一种新型固定污染源废气颗粒物采样管的设计及验证测试

杨 松

(泉州市绿色低碳研究院，福建 泉州 362000)

文中设计了一种新型的固定污染源废气颗粒物采样管，该采样管能有效解决移动采样时在一个采样断面上不同时段的样品代表性误差的问题，同时降低现场采样人员的劳动强度和暴露在污染环境中的时间。经过与传统的手工监测方法比对实验，验证其测试结果为准确、可靠。

废气颗粒物采样管；旋翼桨叶；设计；环境监测；比对测试

1 引言

固定污染源排放的颗粒物是造成大气污染的主要污染物之一，真实准确的监测数据是环境保护部门进行总量控制、环境空气质量评价和现场环境执法等环境监督管理的主要依据。在环境监测固定源废气颗粒物污染物的采样过程中，通常将颗粒物采样管由采样孔伸入烟道或排气筒中，使采样嘴置于测点上，正对气流，按照颗粒物等速采样原理，抽取一定量的含尘气体，根据采样管滤筒上所捕集到的颗粒物量和同时抽取的气体量，计算出排气中的颗粒物浓度[1-4]。由于颗粒物在烟道或排气筒的分布是不均匀的，因此通常采用等速采样和多点采样相结合的方法，以获得具有代表性的颗粒物样品。众所周知，如果直径较大的圆形烟道或排气筒（如直径为2～4 m），测点数一般要求达到8～20个，这时就需要采用移动采样的方法逐点来收集样品。由于每个采样点都需要停留一段采集时间，测量断面就出现了时间差的问题，即存在样品是在一个采样断面上不同时段的代表性误差问题。除此之外，这种手工采样的方法对于现场采样人员来说，不仅劳动强度大，还较长时间处于污染的环境中，极大地影响工作效率和身心健康。因此，对于保证监测数据要具有代表性、准确性，除了严格按照标准规范方法进行采样和监测外，通过对监测仪器设备的改进无疑也是一种有效的途径。

2 固定源废气颗粒物采样管的设计

2.1 采样管的设计构思

由于废气中颗粒物具有一定的重量，因此烟道或排气筒气流携带的颗粒物并不是均匀分布的[2]。参考直升机的旋翼滑流理论，在采样管的前端设计了一片旋翼桨叶。如此一来，采样管的旋翼组件在烟道或排气筒内将迎着气流，气流给旋翼桨叶的压力转化为旋翼桨叶的驱动力矩，从而驱动旋翼桨叶旋转。气流经旋翼桨叶切割后穿出，损失了一部分功率且在旋翼桨叶后形成一个圆柱形涡面的稳定的滑动流场[5]，气流裹挟的颗粒物就经旋翼桨叶“搅拌混合”进入这滑动流场中，使流场中的单位体积内分布的含尘量较为均匀。这对于直径较大的烟道或排气筒来讲，选择旋翼桨叶后圆柱形的稳定滑动流场中的某个点作为采样点能够有效代表颗粒物这一时间段内的排放浓度，从而提高检测数据的准确性，也有效解决了移动采样时在一个采样断面上不同时段的样品代表性误差的问题，同时还降低现场采样人员的劳动强度和暴露在污染环境的时间。

2.2 采样管的结构设计

由于采样断面与气流方向垂直，采样管必须从采样孔进入后完成90°弯折动作，使采样嘴正对着气流方向，然后如同折叠雨伞工作原理一般，工作时在折叠气缸组件的驱动下将采样嘴前端的旋翼桨叶伸展，旋翼桨叶在气流的驱动下旋转，“搅拌混合”形成含尘量较为均匀的滑动流场，工作结束时在折叠气缸组件的牵引下完成收拢、折叠过程，弯折气缸组件与弯折连杆机构配合完成旋翼桨叶和采样嘴从烟道或排气筒的采样孔退出。采样管的结构设计见图1。

图1 固定源废气颗粒物采样管的结构示意图

3 测试分析

3.1 测试分析方案设计

设计的采样管是否科学实用，需要进一步进行测试验证。文中按照GB/T 16157-1996《固定污染源排气中颗粒物的测定与气态污染物采样方法》[2]及GBT 5468-1991《锅炉烟尘测试方法》[4]的要求设计了比对测试方案。选择一台循环流化床锅炉作为验证的测试对象。这是因为循环流化床锅炉具有稳定厚度、悬浮燃烧的燃料层缘故，其燃煤添加量、风压、通风量都较为均匀，能够为比对测试提供较好的检测环境。

监测现场的锅炉型号为YXL-12000MW，为蒸汽导热油一体循环流化床锅炉，锅炉烟气和烟尘经布袋除尘器、碱喷淋洗气塔处理后，排往总烟风道，通过一根高50米、直径4米的烟囱向大气排放。监测采样点位置，选择其净化处理设施后一段平直烟风道开出两个采样口，两个采样断面相隔1.5m，分别作为手工监测与设计采样管的采样点。

3.2 监测设备简介

根据现场监测环境，烟尘采样与分析由崂应3012H自动烟尘（气）测试仪、梅特勒ME204E电子天平完成，烟气测试仪校正用标准气体N2、O2混合气体：浓度21.0%。

手工监测所使用的采样管为青岛崂山应用技术研究所设计的崂应1085A烟尘多功能取样管。

3.3 采样方案说明

手工监测采样方案：根据烟风道直径1m，沿采样断面直径方向选择10个测点移动采样，每个测点连续采样时间3min，采样时间30min，等速采样方式，采样流速40L/min，采样体积1200L；

旋翼桨叶采样管采样方案：固定在同一测点连续采样30min，等速采样方式，采样流速40L/min，采样体积1200L；

氧含量等参数测定：在同一监测采样断面同时采集烟气参数30min，积分取平均值；

采样频次：同一采样断面3次。

4 实验数据与分析

4.1 监测现场采样气候条件及烟气测试仪校正情况

监测现场采样气候条件为：天气多云；气温20～25℃；气压101.90kPa；风力风向：北，≤3级。检测前后烟气测试仪校正数据如表1。

表1 检测前后烟气测试仪校正数据

4.2 同一时段手工监测数据与新型采样管数据比对结果

同一时段手工监测数据与新型采样管数据比对结果如表2。

表2 同一时段手工监测数据与旋翼桨叶采样管数据比对结果

4.3 数据分析

参比方法为手工监测数据，测试对象为在用循环流化床锅炉，其烟气参数较为稳定均匀，瞬时数据的离散性较小，以其算术平均值为真值，新型采样管的同一时间段检测数据积分后平均值与参比方法比对后，其相对误差为0.35%。

5 结论

由上述同一时段手工监测数据与旋翼桨叶采样管数据比对结果可知，其相对误差仅为0.35%，由于是测试现场选择在用循环流化床锅炉，其烟气参数较为稳定，其测试环境也较为理想，采用旋翼桨叶采样管获得的数据与参比方法较为吻合，对于有效解决移动采样时在一个采样断面上不同时段的样品代表性误差的问题应该是有帮助的，同时也能够降低现场采样人员的劳动强度和暴露在污染环境中的时间。为进一步验证设计的采样管是否科学实用，还应该在不同颗粒物排放浓度的工作环境中累积样品，改进设计。

[1]王志军．最新环境污染监督管理与检测技术标准规范实务全书[M]．中国致公出版社.2002.

[2]GB/T 16157-1996固定污染源排气中颗粒物的测定与气态污染物采样方法[S].

[3]HJ/T373-2007 国家环保部．固定污染源监测质量保证与质量控制技术规范（试行）[S].

[4]GB/T 5468-1991锅炉烟尘测试方法[S]．

[5]王适存，徐国华．直升机旋翼空气动力学的发展[J].南京航空航天大学学报.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，Fujian，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

杨 松，男，泉州市绿色低碳研究院，工程师