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一种燃煤排放颗粒物采样系统及其分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种燃煤排放颗粒物采样系统及其分析方法。采样系统包括烟气采样嘴，烟气管道，冷凝管，粗颗粒切割器，停留室，稀释调节阀，流量计，真空抽气泵，ATOFMS颗粒在线检测仪，MCI采样器。分析方法包括采用适应于大气环境条件的在线颗粒物测量仪器ATOFMS以及用于TEM离线分析的MCI颗粒采样器进行采集分析，从而更加准确的研究燃煤排放颗粒物的粒径、化学成分及其随时间变化信息。本发明系统和方法为研究燃煤排放颗粒物的种类识别、粒径、化学成分以及对人体健康的影响等提供重要数据。
【专利说明】一种燃煤排放颗粒物采样系统及其分析方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃煤排放颗粒物采样系统及其分析方法。

【背景技术】
[0002]我国煤炭燃烧带来的环境污染问题依然异常严重。煤中的碳、氢、氧、氮、硫等元素在燃烧过程中能够生成so2、nox、co2等气态污染物和二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙和未经燃烧的炭微粒等大量固态颗粒物。
[0003]气溶胶飞行时间质谱仪(AerosolTime-of-flight Mass Spectrometer,ATOFMS)，可以直接快速地对单颗粒气溶胶进行实时在线监测，不仅避免了传统离线分析方法中样品前处理的困难，而且可以获得单颗粒粒径、化学成分及其随时间和空间分布变化的信息，为研究大气气溶胶快速变化的物理化学反应过程如气溶胶的形成，迁移和传输、气溶胶的种类识别和源解析，以及气溶胶对环境、气候和人体健康的影响等提供重要数据。
[0004]燃煤排放的颗粒物不仅组分复杂，粒度分布也呈多模态分布。利用ATOFMS可以在线分析不同粒径的单颗粒化学成分及其随时间和空间分布变化的信息。但是ATOFMS在采样过程中需要避免粗颗粒堵塞ATOFMS进样微孔，以及在采集含较高浓度颗粒物时需要稀释烟气来提高仪器分析中激光的打击率。
[0005]在分析颗粒时，ATOFMS无法观察颗粒的形貌等特征，同时用TEM分析方法来对比补充ATOFMS对燃煤排放单颗粒识别。将ATOFMS在线分析与TEM离线分析单颗粒结合起来，利用两种分析的优点，相互补充，从而全面地研究颗粒物物理化学特征。


【发明内容】

[0006]针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种燃煤排放颗粒物采样系统及其分析方法，从而更加准确的研究燃煤排放颗粒物的粒径、化学成分及其随时间变化信息。
[0007]为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种燃煤排放颗粒物采样系统，包括烟气采样嘴，烟气管道，冷凝管，粗颗粒切割器，停留室，稀释调节阀，流量计，真空抽气泵，ATOFMS颗粒在线检测仪，MCI采样器；所述烟气采样嘴对准燃煤炉，所述烟气采样嘴通过烟气管道连接粗颗粒切割器，在烟气管道上还设有冷凝管，所述粗颗粒切割器通过烟气管道连接停留室，所述停留室分别连接稀释调节阀，ATOFMS颗粒在线检测仪，MCI采样器，并通过流量计连接真空抽气泵。所述烟气管道采用聚四氟乙烯软管，避免污染采样气体。
[0008]一种燃煤排放颗粒物分析方法，具体步骤为:
1)将煤在燃煤炉中引燃，打开真空抽气泵，烟气通过烟气采样嘴进入采样系统，首先经过冷凝管进行冷凝，模拟烟气排放到大气中的成核、冷凝、凝聚的过程；调节流量计，控制进入粗颗粒切割器的烟气流速，通过粗颗粒切割器去除粒径较粗的颗粒物，过滤后的烟气进入停留室；
2)关闭真空抽气泵，打开稀释调节阀，调节稀释空气进入量，控制停留室内烟气颗粒物浓度；
3)关闭稀释调节阀，停留室中经稀释的烟气分别进入ATOFMS颗粒在线检测仪和MCI采样器进行采样，同时进行在线分析和离线分析，将在线分析与离线分析的结果进行对比，分析燃煤排放颗粒物的物理化学特征。
[0009]本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点:
本发明装置和方法将燃煤排放高温烟气过滤稀释至大气环境温度，采用适应于大气环境条件的在线颗粒物测量仪器ATOFMS以及用于TEM离线分析的MCI颗粒采样器进行采集分析，从而更加准确的研究燃煤排放颗粒物的粒径、化学成分及其随时间变化信息。ATOFMS在线与TEM离线联合分析，相互补充，全面地研究颗粒物物理化学特征。

【专利附图】

【附图说明】
[0010]图1为燃煤排放颗粒物采样系统示意图。
[0011]图2为燃煤排放颗粒物分析方法示意图。
[0012]图3燃煤排放单颗粒粒径分布。
[0013]图4燃煤排放化学组分单颗粒数时间序列图。
[0014]图5燃煤排放不同类型单颗粒的粒径分布图。
[0015]图6不同类型单颗粒数以及颗粒数所占比例曲线图。

【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
[0017]如图1所示，一种燃煤排放颗粒物采样系统，包括烟气采样嘴，烟气管道，冷凝管，粗颗粒切割器，停留室，稀释调节阀，流量计，真空抽气泵，ATOFMS颗粒在线检测仪，MCI采样器；所述烟气采样嘴对准燃煤炉，所述烟气采样嘴通过烟气管道连接粗颗粒切割器，在烟气管道上还设有冷凝管，所述粗颗粒切割器通过烟气管道连接停留室，所述停留室分别连接稀释调节阀，ATOFMS颗粒在线检测仪，MCI采样器，并通过流量计连接真空抽气泵。所述烟气管道采用聚四氟乙烯软管，避免污染采样气体。
[0018]如图2所示，一种燃煤排放颗粒物分析方法，具体步骤为:
1)将煤在燃煤炉中引燃，打开真空抽气泵，烟气通过烟气采样嘴进入采样系统，首先经过冷凝管进行冷凝，模拟烟气排放到大气中的成核、冷凝、凝聚的过程；调节流量计，控制进入粗颗粒切割器的烟气流速，通过粗颗粒切割器去除粒径较粗的颗粒物，过滤后的烟气进入停留室；
2)关闭真空抽气泵，打开稀释调节阀，调节稀释空气进入量，控制停留室内烟气颗粒物浓度；
3)关闭稀释调节阀，停留室中经稀释的烟气分别进入ATOFMS颗粒在线检测仪和MCI采样器进行采样，同时进行在线分析和离线分析。离线分析通过MCI采样器用滤膜采集烟气颗粒，将采集有颗粒的滤膜剪成0.5X0.5cm2的小块，用TEM分析颗粒的形貌，化学组成等。离线分析中滤膜采集的燃煤排放颗粒样品，在采样过程中会有化学组分的挥发、结晶、气粒转化等过程，将在线分析与离线分析的结果进行对比，分析燃煤排放颗粒物的物理化学特征。
[0019]图:T图6是ATOFMS在线检测分析得到的燃煤排放单颗粒粒径、化学成分及其随时间变化的信息。
[0020]图3显示燃煤排放单颗粒粒径分布。燃煤排放颗粒物中，数浓度较大的粒径范围在0.4?0.8um之间。
[0021]图4燃煤排放化学组分单颗粒数时间序列图，显示燃煤排放不同组分单颗粒随着燃烧过程的进行，其单颗粒数量所占比例的变化。
[0022]图5是不同类型单颗粒物的粒径分布图。在0.r1.4um粒径范围内，燃煤排放重金属颗粒所占比例比较突出，重金属颗粒主要集中在此粒径范围内。
[0023]图6是不同类型单颗粒的颗粒数以及颗粒数所占比例曲线。总共采样3小时，采集含质谱信息的颗粒共计3401颗，含铝颗粒最多，占39.58% ;含铁颗粒占2.23% ;其他重金属颗粒所占比例在0.5%左右。
【权利要求】
1.一种燃煤排放颗粒物采样系统，其特征在于，包括烟气采样嘴，烟气管道，冷凝管，粗颗粒切割器，停留室，稀释调节阀，流量计，真空抽气泵，ATOFMS颗粒在线检测仪，MCI采样器；所述烟气采样嘴对准燃煤炉，所述烟气采样嘴通过烟气管道连接粗颗粒切割器，在烟气管道上还设有冷凝管，所述粗颗粒切割器通过烟气管道连接停留室，所述停留室分别连接稀释调节阀，ATOFMS颗粒在线检测仪，MCI采样器，并通过流量计连接真空抽气泵。
2.根据权利要求1所述的燃煤排放颗粒物采样系统，其特征在于，所述烟气管道采用聚四氟乙烯软管，避免污染采样气体。
3.一种燃煤排放颗粒物分析方法，其特征在于，具体步骤为: 1)将煤在燃煤炉中引燃，打开真空抽气泵，烟气通过烟气采样嘴进入采样系统，首先经过冷凝管进行冷凝，模拟烟气排放到大气中的成核、冷凝、凝聚的过程；调节流量计，控制进入粗颗粒切割器的烟气流速，通过粗颗粒切割器去除粒径较粗的颗粒物，过滤后的烟气进入停留室； 2)关闭真空抽气泵，打开稀释调节阀，调节稀释空气进入量，控制停留室内烟气颗粒物浓度； 3)关闭稀释调节阀，停留室中经稀释的烟气分别进入ATOFMS颗粒在线检测仪和MCI采样器进行采样，分别进行在线分析和离线分析，将在线分析与离线分析的结果进行对比，分析燃煤排放颗粒物的物理化学特征。
【文档编号】G01N1/10GK104280267SQ201410444470
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】吕森林, 刘品威, 程平, 张文超, 刘丁彧 申请人:上海大学