顆粒物的源成分譜是研究顆粒物的化學(xué)行為和量化大氣中顆粒物來(lái)源的基礎(chǔ)信息, 其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是規(guī)范化的源采樣方法. 長(zhǎng)期以來(lái), 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(nèi)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(lái)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(zhuǎn)換, 這些不同的源采樣方法獲得的結(jié)果常常不具有可比性. 當(dāng)今, 國(guó)際上對(duì)于固定源燃燒產(chǎn)生的顆粒物多采用稀釋通道進(jìn)行采樣.稀釋通道最初用于采集機(jī)動(dòng)車排放的顆粒物,但機(jī)動(dòng)車稀釋通道由于體積龐大, 并不適用于固定源排氣的測(cè)試. 固定源稀釋通道為 20世紀(jì) 70年代棣栧厛鐢卞浗澶栫爺鍒跺嚭鏉ョ殑, 鍒扮洰鍓嶄負(fù)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(shí)期的稀釋通道存在的主要問(wèn)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(shí)向系統(tǒng)釋放有機(jī)物, 從而導(dǎo)致在采集過(guò)程中污染樣品. 稀釋通道發(fā)展的第 2階段是 20世紀(jì) 90年代至今. H ildem ann等人(1989)設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的污染. 但現(xiàn)有的稀釋通道存在一些問(wèn)題, 如:1)雷諾數(shù)較低, 不利于潔凈空氣(零空氣)與煙氣的混合;2)室內(nèi)停留時(shí)間短, 不能充分滿足顆粒物在成核、長(zhǎng)大過(guò)程中進(jìn)行物理、化學(xué)等變化所需要的時(shí)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(jī)物的分析;4)稀釋倍數(shù)可調(diào)范圍窄, 導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用的范圍小(W in et a .l , 2004);5)便攜性較差. 20 世紀(jì) 70 年代, 我國(guó)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(zhì)量濃度、離子組成等一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù),目前, 我國(guó)只有南開(kāi)大學(xué)(朱坦等, 2005a;白志鵬等, 2004;朱坦等, 2005b)研制過(guò)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(shù)據(jù)(Ge et al. , 2001;G e et a .l , 2004). 因此, 本工作計(jì)劃針對(duì)我國(guó)的固定源顆粒物采樣設(shè)計(jì)制造出稀釋通道, 并規(guī)范為研究我國(guó)固定源的顆粒物排放情況, 參考H ildem ann等(1989)的設(shè)計(jì)方案, 并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一套固定源稀釋通道采樣裝置. 其理論依據(jù)為:許多有機(jī)化合物同時(shí)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(jī)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(tài)存在的顆粒物, 特別是許多有機(jī)顆粒物, 在煙氣溫度很高的煙道中一直都是以氣體狀態(tài)存在. 因此, 不能使用從熱煙氣中直接過(guò)濾顆粒物的傳統(tǒng)方法來(lái)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(tài)下稀釋冷卻煙氣, 使其逐漸接近于環(huán)境溫度, 再進(jìn)行捕捉. 然而, 要保證足夠量的潔凈空氣進(jìn)入系統(tǒng)需要有足夠的動(dòng)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(shè)計(jì)需要考慮以下幾點(diǎn):首先, 由于煙塵受流場(chǎng)形式和慣性作用的影響, 需要考慮采樣流量與煙道內(nèi)的排氣流速的關(guān)系, 所以應(yīng)采取等速采樣的采樣方法和原則 (程盛高等, 1997). 為了實(shí)現(xiàn)采樣嘴在煙道內(nèi)可以等速采樣, 參考 EPA M e thod 201A 的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了不同直徑的不銹鋼采樣嘴(U. S. EPA, 2003c)(如表 2所示), 可以實(shí)現(xiàn)煙氣在 6. 47 ～ 43. 19m s- 1的范圍內(nèi)等速采樣.又由于顆粒物隨氣流在水平采樣管內(nèi)呈波浪狀前進(jìn), 為防止煙氣中的顆粒物水平采樣管內(nèi)產(chǎn)生輸送沉積, 管道內(nèi)的顆粒物流速必須超過(guò)邊界層流速,例如:粒徑為 10μm 的顆粒物在水平采樣管內(nèi)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(nèi)的流速. 但是, 提高采樣管內(nèi)的流速需要增加采樣動(dòng)力, 一方面這導(dǎo)致文丘里流量控制器喉管兩端壓差增加, 采樣管內(nèi)的負(fù)壓增大,使整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的壓力環(huán)境與實(shí)際大氣環(huán)境的壓力偏差較大;另一方面會(huì)使得采樣泵的負(fù)擔(dān)過(guò)大. 因此, 自行設(shè)計(jì)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(nèi), 使粒徑為 10 μm 的顆粒物表 2　不銹鋼采樣頭尺寸和流速關(guān)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(nèi)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(shè)計(jì)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(dá)到了相同的流量調(diào)節(jié)范圍 30 L m in- 1. 同時(shí), 為了防止煙氣在混合前形成凝結(jié)核或者凝結(jié)在管壁上, 必須對(duì)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(jīng)過(guò)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(jīng)的稀釋混合腔內(nèi)溫度應(yīng)當(dāng)接近環(huán)境溫度, 稀釋混合腔內(nèi)的氣體情況應(yīng)當(dāng)盡量接近大氣狀態(tài), 因此, 要求稀釋混合腔內(nèi)的氣體達(dá)到湍流要求. 即稀釋混合腔內(nèi)的雷諾數(shù)大于 4000, 以保證采樣煙氣與潔凈空氣混合均勻. 同時(shí), 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(zhǎng)度至少當(dāng)為稀釋管內(nèi)徑的 10 倍. 因此, 在保證稀釋通道內(nèi)氣體湍流流動(dòng)的前提下, 本裝置盡量減小系統(tǒng)的體積和質(zhì)量. 稀釋混合腔采用倒 U 型設(shè)計(jì), 稀釋混合管內(nèi)徑 127 mm , 長(zhǎng)度大于 10倍內(nèi)徑.實(shí)際測(cè)量的稀釋混合管內(nèi)雷諾數(shù)典型值可以達(dá)到長(zhǎng)越好, 但實(shí)際上應(yīng)當(dāng)根據(jù)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(shí)間最短不應(yīng)當(dāng)小于 2 s. 因此, 停留室體積設(shè)計(jì)為 250L, 氣體在內(nèi)的停留時(shí)間達(dá)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(zhǎng)的停留時(shí)間, 因此更加有利于顆粒物的長(zhǎng)大成核.再次, 稀釋倍數(shù)不同會(huì)影響氣體中的顆粒物特別是有機(jī)物的均相和非均相成核反應(yīng)(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(shù)下的顆粒物特征, 設(shè)計(jì)了可以調(diào)節(jié)進(jìn)氣量的零空氣發(fā)生裝置. 又由于環(huán)境空氣進(jìn)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(guò)濾網(wǎng)和高效顆粒物過(guò)濾膜(HEPA )去除空氣中的顆粒物. 粗過(guò)濾網(wǎng)去除粒徑較大的顆粒物, 高效顆粒物過(guò)濾膜(H EPA)對(duì)大于 0. 3μm 的顆粒物的去除效率達(dá)到 99. 97%. 同時(shí), 在稀釋系統(tǒng)中, 由于有機(jī)物的濃度很低, 空氣中的有機(jī)物會(huì)影響煙氣中有機(jī)物的分析, 導(dǎo)致分析結(jié)果偏高. 因此, 采用活性炭床防止空氣中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入到系統(tǒng). 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(jìn)入系統(tǒng). 為了調(diào)節(jié)稀釋倍數(shù), 采用球閥配合大流量風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的總空氣量. 通過(guò)調(diào)節(jié)大流量風(fēng)機(jī)的功率, 進(jìn)而調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力, 再通過(guò)調(diào)節(jié)球閥改變零空氣的進(jìn)氣量, 使整個(gè)系統(tǒng)的流量達(dá)到平衡. 相比 H ildem ann等人(1989)的設(shè)計(jì), 該裝置將稀釋倍數(shù)的調(diào)節(jié)范圍從 40倍擴(kuò)大為 20 ～ 100倍.

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