顆粒物的源成分譜是研究顆粒物的化學行為和量化大氣中顆粒物來源的基礎信息, 其中的一項關鍵技術是規范化的源采樣方法. 長期以來, 研究者為獲得顆粒物的源特征, 采用的采樣方法各異.如:煙道內濾膜采集(U. S. EPA, 2003a)、煙道外的加熱濾膜采集(U. S. EPA , 2003b)、稀釋通道采樣(Eng land et al. , 2000)等等. 但由于顆粒物來源自身的差異, 尤其是顆粒物的許多組成成分往往存在氣相和顆粒相之間的相互轉換, 這些不同的源采樣方法獲得的結果常常不具有可比性. 當今, 國際上對于固定源燃燒產生的顆粒物多采用稀釋通道進行采樣.稀釋通道最初用于采集機動車排放的顆粒物,但機動車稀釋通道由于體積龐大, 并不適用于固定源排氣的測試. 固定源稀釋通道為 20世紀 70年代棣栧厛鐢卞浗澶栫爺鍒跺嚭鏉ョ殑, 鍒扮洰鍓嶄負姝? 鍥藉澶т綋緇忓巻浜?2涓彂灞曢樁孌? 2闃舵紼€閲婇€氶亾鐨勭壒寰佸弬鏁板琛?1鎵€紺? 絎?1闃舵鏄?20涓栫邯 70騫翠唬鑷?90 騫翠唬.這一時期的稀釋通道存在的主要問題是, 稀釋通道普遍使用塑料作為主體材料, 而塑料很可能在采樣時向系統釋放有機物, 從而導致在采集過程中污染樣品. 稀釋通道發展的第 2階段是 20世紀 90年代至今. H ildem ann等人(1989)設計出了以不銹鋼為主體材料的固定源稀釋通道, 克服了塑料對系統帶來的污染. 但現有的稀釋通道存在一些問題, 如:1)雷諾數較低, 不利于潔凈空氣(零空氣)與煙氣的混合;2)室內停留時間短, 不能充分滿足顆粒物在成核、長大過程中進行物理、化學等變化所需要的時間(于雪娜, 2004);3)采樣流量小, 采集的樣品量少, 不利于顆粒有機物的分析;4)稀釋倍數可調范圍窄, 導致實際應用的范圍小(W in et a .l , 2004);5)便攜性較差. 20 世紀 70 年代, 我國的沈迪新等(1987a;1987b)、佟家蔚(1987)等人研究了固定源燃燒排放的顆粒物的特征, 得到了燃煤和燃油鍋爐的排放因子、質量濃度、離子組成等一些基礎數據,目前, 我國只有南開大學(朱坦等, 2005a;白志鵬等, 2004;朱坦等, 2005b)研制過煙道氣稀釋通道,型鍋爐的排放樣品, 得到了 PM10和 PM2. 5的排放因子、EC /OC組成、元素組成等重要數據(Ge et al. , 2001;G e et a .l , 2004). 因此, 本工作計劃針對我國的固定源顆粒物采樣設計制造出稀釋通道, 并規范為研究我國固定源的顆粒物排放情況, 參考H ildem ann等(1989)的設計方案, 并在此基礎上開發出一套固定源稀釋通道采樣裝置. 其理論依據為:許多有機化合物同時存在于氣相和顆粒相中,顆粒相在兩相中的比率是隨著源排放的有機化合物在大氣中溫度和稀釋程度的變化而變化的(H ueg lin et a.l , 1997). 由于在常溫下以顆粒態存在的顆粒物, 特別是許多有機顆粒物, 在煙氣溫度很高的煙道中一直都是以氣體狀態存在. 因此, 不能使用從熱煙氣中直接過濾顆粒物的傳統方法來捕捉顆粒物. 這就需要足夠量的潔凈空氣與高溫高濃度的煙氣混合, 在湍流的狀態下稀釋冷卻煙氣, 使其逐漸接近于環境溫度, 再進行捕捉. 然而, 要保證足夠量的潔凈空氣進入系統需要有足夠的動力, 因姝? 闇€瑕佸ぇ嫻侀噺椋庢満鎻愪緵榪欎竴鍔ㄥ姏. 姝ゅ, 榪樺簲褰撹€冭檻鍦ㄤ究鎼虹殑鍩虹涓婂敖鍙兘鍦板歡闀垮仠鐣欐椂闂? 浣垮緱紼€固定源稀釋通道的設計需要考慮以下幾點:首先, 由于煙塵受流場形式和慣性作用的影響, 需要考慮采樣流量與煙道內的排氣流速的關系, 所以應采取等速采樣的采樣方法和原則 (程盛高等, 1997). 為了實現采樣嘴在煙道內可以等速采樣, 參考 EPA M e thod 201A 的標準設計了不同直徑的不銹鋼采樣嘴(U. S. EPA, 2003c)(如表 2所示), 可以實現煙氣在 6. 47 ～ 43. 19m s- 1的范圍內等速采樣.又由于顆粒物隨氣流在水平采樣管內呈波浪狀前進, 為防止煙氣中的顆粒物水平采樣管內產生輸送沉積, 管道內的顆粒物流速必須超過邊界層流速,例如:粒徑為 10μm 的顆粒物在水平采樣管內的邊界層流速為 5. 4 ～ 8. 1 m s- 1 (郭靜等, 2001). 因此,必須提高采樣管內的流速. 但是, 提高采樣管內的流速需要增加采樣動力, 一方面這導致文丘里流量控制器喉管兩端壓差增加, 采樣管內的負壓增大,使整個系統內的壓力環境與實際大氣環境的壓力偏差較大;另一方面會使得采樣泵的負擔過大. 因此, 自行設計了文丘里流量控制器, 控制采樣流量在 30 L m in- 1的范圍內, 使粒徑為 10 μm 的顆粒物表 2　不銹鋼采樣頭尺寸和流速關系Tab le 2　The relation sh ip betw een th e s tain less steel nozz le size and the在水平采樣管內流速為 10. 2 m s- 1 (于雪娜, 2004), 文丘里流量控制器喉管兩端壓差為 1500 P a.相比 H ildem ann等人(1989)設計的文丘里流量控制器, 在采樣管管徑尺寸減小約 5 mm 的情況下, 達到了相同的流量調節范圍 30 L m in- 1. 同時, 為了防止煙氣在混合前形成凝結核或者凝結在管壁上, 必須對這部分加熱并保溫(Shiet a .l , 1999), 溫度控制為EPA M ethod 201A 推薦的 120℃. 綜上所述, 稀釋通道的煙氣采集部分包括系列采樣頭、采樣管和文丘里流量控制器.其次, 由于煙道排出的氣體需經過煙氣采集部分與潔凈空氣混合, 然后再冷卻和稀釋, 煙氣流經的稀釋混合腔內溫度應當接近環境溫度, 稀釋混合腔內的氣體情況應當盡量接近大氣狀態, 因此, 要求稀釋混合腔內的氣體達到湍流要求. 即稀釋混合腔內的雷諾數大于 4000, 以保證采樣煙氣與潔凈空氣混合均勻. 同時, H ildem ann 等人(1989)指出, 如果要保證煙氣和零空氣稀釋混合均勻, 那么稀釋混合管長度至少當為稀釋管內徑的 10 倍. 因此, 在保證稀釋通道內氣體湍流流動的前提下, 本裝置盡量減小系統的體積和質量. 稀釋混合腔采用倒 U 型設計, 稀釋混合管內徑 127 mm , 長度大于 10倍內徑.實際測量的稀釋混合管內雷諾數典型值可以達到長越好, 但實際上應當根據停留室的尺寸折衷. H ildem ann等人(1989)指出, 稀釋混合后的氣體停留時間最短不應當小于 2 s. 因此, 停留室體積設計為 250L, 氣體在內的停留時間達到了 90 s以上(于雪娜, 2004), 相比 H ildem ann等人(1989)的稀釋通道取得了更長的停留時間, 因此更加有利于顆粒物的長大成核.再次, 稀釋倍數不同會影響氣體中的顆粒物特別是有機物的均相和非均相成核反應(H ildem ann et a.l , 1989). 因此, 為了得到不同固定源和不同稀釋倍數下的顆粒物特征, 設計了可以調節進氣量的零空氣發生裝置. 又由于環境空氣進入稀釋通道要保證不含有顆粒物以免造成采樣誤差, 因此, 采用粗過濾網和高效顆粒物過濾膜(HEPA )去除空氣中的顆粒物. 粗過濾網去除粒徑較大的顆粒物, 高效顆粒物過濾膜(H EPA)對大于 0. 3μm 的顆粒物的去除效率達到 99. 97%. 同時, 在稀釋系統中, 由于有機物的濃度很低, 空氣中的有機物會影響煙氣中有機物的分析, 導致分析結果偏高. 因此, 采用活性炭床防止空氣中的有機物質進入到系統. 活性炭床后部采用玻璃纖維濾膜阻止大于 0. 03μm的顆粒物進入系統. 為了調節稀釋倍數, 采用球閥配合大流量風機調節進入系統的總空氣量. 通過調節大流量風機的功率, 進而調節整個系統的動力, 再通過調節球閥改變零空氣的進氣量, 使整個系統的流量達到平衡. 相比 H ildem ann等人(1989)的設計, 該裝置將稀釋倍數的調節范圍從 40倍擴大為 20 ～ 100倍.

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