一种高温烟气颗粒采样和测量装置及其使用方法与流程

本发明属于烟气颗粒物采样测量技术领域，具体涉及一种高温烟气颗粒采样和测量装置及其使用方法。

背景技术：

目前国内外细颗粒物的采样方法从技术上主要分为两种：一种为基于源环境的直接采样法，主要测量可过滤颗粒物，适用于浓度较高的颗粒物环境；另一种是基于大气环境的稀释采样法，测试较为准确，但所耗时间较长。现有的烟气颗粒分析常以除尘器前后烟气颗粒粒径、除尘效率分析为主，因此采样点多设于低温烟道处，不能对炉膛等高温烟气进行采样，具有温度局限性，且现有分析常常以现场采样-实验室粒径分析模式为主，采样与分析相分离，样品在保存过程中难免出现样品变质，损失，缺少等问题。

中国发明专利(公开号cn108332993a)涉及一种快速阻燃型固体燃烧颗粒取样装置及其取样步骤，包括套筒、过滤筒和抽气泵，套筒与过滤筒和抽气泵依次连通，套筒由多层管体组成，该发明将隔层套管之间形成的夹层腔室一部分用来从取样端排放惰性气体，另一部分夹层腔室用来给惰性气体进行降温，使取样装置取样时不会因为空气的原因使样品氧化燃烧，导致样品失真。但是在采样过程中冷却水要为惰性气体冷却，冷却效率不高，且没有考虑到取样所需要的稀释问题。

中国发明专利(公开号cn108548700a)涉及细微颗粒物分析测量相关设备领域，公开了一种无水冷高温气溶胶定量稀释取样探头，其包括稀释气管、混合气管、取样喷头。稀释气管与同轴嵌合在内部的混合气管之间形成环形通道用于输送稀释气；取样喷头由进样孔、外喷嘴和内喷嘴共同组成。该发明能有效隔绝火焰对稀释气的加热，降低取样探头对火焰的干扰，但其冷却效果有限，不能冷却1000℃左右的高温颗粒。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高温烟气颗粒采样和测量装置，结构合理、操作方便，对高温气体进行稀释、降温，再通过对稀释、降温后的烟气进行大颗粒去除，满足采样和测量要求，完成高温烟气颗粒的采样和测量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种高温烟气颗粒采样和测量装置，包括烟气稀释装置，烟气冷却装置、颗粒分离装置、采样测量装置和抽气装置；

烟气稀释装置包括烟气管、稀释气体对流管道和稀释气体储存器，稀释气体对流管道套设在烟气管外层，且两者之间形成空腔，烟气管上设有与稀释气体对流管道连通的通孔；稀释气体储存器通过管道与稀释气体对流管道连接，在管道上设有第一阀门和稀释气体流量计；烟气管一端连接有取样枪头，另一端与颗粒分离装置连接，在颗粒分离装置入口处设有第二温度计；

烟气冷却装置设在烟气稀释装置和颗粒分离装置之间，烟气冷却装置套设在烟气管上，冷却介质通过冷却介质进口和冷却介质出口循环对烟气管进行冷却；冷却介质进口设有第二阀门，冷却介质出口设有第一温度计；颗粒分离装置通过第一管路与采样测量装置连接，采样测量装置通过第二管路与真空泵连接。

优选地，通孔靠近取样枪头设置，稀释气体储存器靠近烟气冷却装置设置。

优选地，烟气冷却装置为多层套管结构，包括由烟气管外壁与回转隔板形成的第二腔室和回转隔板与烟气冷却装置外壁形成的第三腔室，第二腔室与第三腔室连通；第二腔室中冷却介质的流通方向与烟气管中介质的流动方向相反；第二腔室与冷却介质进口连通，第三腔室与冷却介质出口连通。

优选地，烟气冷却装置可拆卸的套设在烟气管上。

优选地，采样测量装置包括两条并联管路，一条管路上设有粒径测量装置，另一条管路上设有颗粒采样器，在两条管路的分支处设有三通阀门。

进一步优选地，采样和测量装置的两条并联管路为可拆卸的。

优选地，烟气稀释装置使用的稀释气体为惰性气体。

优选地，通孔在烟气管外壁上周向均布。

优选地，第二管路上设有干燥装置和阀门。

本发明还公开了上述高温烟气颗粒采样和测量装置的使用方法，分为以下步骤：

步骤1：断开采样测量装置，将颗粒分离装置与抽气装置连接；打开烟气冷却装置，待冷却介质正常循环后，打开抽气装置，使用取样枪头进行取样，监测第一温度计和第二温度计的显示数值，通过第二阀门调整冷却介质的流量；

步骤2：根据稀释倍数，打开烟气稀释装置，通过稀释气体流量计监测稀释气体流量数值，用第一阀门调整稀释气体流量；

步骤3：根据第一温度计和第二温度计的显示数值，通过第二阀门调整冷却介质的流量，保证第二温度计的示值满足采样测量装置的要求；

步骤4：将采样测量装置接入颗粒分离装置与抽气装置之间；打开抽气装置、烟气冷却装置和烟气稀释装置，使用取样枪头进行取样，待第一温度计和第二温度计示值稳定后，进行烟气颗粒的采样和测量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种高温烟气颗粒采样和测量装置，通过套管式的烟气稀释装置对烟气进行稀释和初步冷却，稀释气体不直接进入烟气管，防止急冷对烟气颗粒产生影响；再通过烟气冷却装置进一步冷却，再经颗粒分离装置将非测试目标的大颗粒去除，稀释、降温后的烟气浓度和温度达到采样和测量需求后，利用采样测量装置进行采样和测量。装置结构设计合理、功能齐全，可以通过第一温度计和第二温度计实时对冷却剂温度和烟气温度进行反馈，可以及时调整冷却剂流量对烟气进行降温，温度适应性广，满足各种场合的采样和测量需要，灵活方便。

进一步地，通孔靠近取样枪头设置，稀释气体储存器靠近烟气冷却装置设置，可以增加稀释气体的行程，提高降温效果。

进一步地，烟气冷却装置采用多层套管结构，增大冷却介质与烟气管外壁的接触面积，冷却介质逆流换热后流出烟气冷却装置，提高了冷却效果。

进一步地，烟气冷却装置可拆卸的套设在烟气管上，当烟气稀释装置能够将烟气温度冷却至合适温度时，拆下烟气冷却装置，减少装置重量，便于携带和操作。

进一步地，采样测量装置包括两条并联管路，可以同时接粒径测量装置和颗粒采样器，通过三通阀门连接，接通一路时另一路关闭，操作方便，效率高。

更进一步地，采样和测量装置的两条并联管路可拆卸设置，当只有一项测试任务时，可以只携带和连接一种仪器，提高效率，减少人工。

进一步地，稀释气体采用惰性气体，可以在具有良好降温效果的的同时，形成惰性气氛，防止烟气颗粒氧化变质。

进一步地，通孔在烟气管外壁上周向均布，可以使稀释气体均匀进入烟气管，防止对烟气管中的烟气流场造成影响。

进一步地，第二管路上设有干燥装置和阀门，可以实时调整抽气装置的功率，进而调整烟气的流量。

本发明公开的上述高温烟气颗粒采样和测量装置的使用方法，通过合理的操作步骤，指导高温烟气颗粒的采样和测量；通过预采样，对冷却介质和稀释气体的流量进行调整，合适后再接入采样测量装置，防止温度过高采样测量装置造成损坏，操作简便、实用性强。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明烟气稀释装置和烟气冷却装置局部纵向截面示意图；

图3为本发明烟气冷却装置的横向截面示意图；

图4为本发明烟气稀释装置的横向截面示意图；

图5为本发明的烟气管上通孔的示意图；

图6为本发明的隔热握柄的横向截面示意图；

图中：1为取样枪头，2为烟气稀释装置，2a为稀释气体储存器，2b为稀释气体流量计，2c为稀释气体对流管道，2d为通孔；3为烟气冷却装置，3a为烟气管，3b为第二腔室，3c为第三腔室，3d为冷却介质出口，3e为冷却介质进口；4为隔热握柄，5a为第一温度计，5b为第二温度计，6为颗粒分离装置，7为粒径测量装置，7a为空气洁净装置，7b为流量计，7c为elpi粒径测量装置，7d为混合室，8为颗粒采样器，9为三通阀，9a为第一管路阀门，9b为第二管路阀门，10为抽气装置，10a为真空泵，10b为干燥装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

本发明的一种高温烟气颗粒采样和测量装置，如图1，包括烟气稀释装置2，烟气冷却装置3、颗粒分离装置6、采样测量装置和抽气装置10a；

如图2、图4，烟气稀释装置2包括烟气管3a、稀释气体对流管道2c和稀释气体储存器2a，稀释气体对流管道2c套设在烟气管3a外层，且两者之间形成空腔，如图5，烟气管3a上设有与稀释气体对流管道2c连通的通孔2d，通孔2d在烟气管3a外壁上周向均布，通孔2d靠近取样枪头1设置，稀释气体储存器2a靠近烟气冷却装置3设置，以增加稀释气体的行程。稀释气体储存器2a通过管道与稀释气体对流管道2c连接，在管道上设有第一阀门和稀释气体流量计2b；烟气管3a一端连接有取样枪头1，另一端与颗粒分离装置6连接，在颗粒分离装置6入口处设有第二温度计5b，第二温度计5b测量冷却后的烟气温度t2，一般要求150℃<t2<200℃。颗粒分离装置6可以采用旋风分离器或颗粒分离膜等；烟气稀释装置2使用的稀释气体优选惰性气体。如图6，可以在烟气管3a的适当位置加装隔热握柄4，采用隔热材料包覆，便于手持，防止烫伤。

如图3，烟气冷却装置3设在烟气稀释装置2和颗粒分离装置6之间，优选多层套管结构，可拆卸的套设在烟气管3a上，包括由烟气管3a外壁与回转隔板形成的第二腔室3b和回转隔板与烟气冷却装置3外壁形成的第三腔室3c，第二腔室3b与第三腔室3c连通；第二腔室3b中冷却介质的流通方向与烟气管2e中介质的流动方向相反；第二腔室3b与冷却介质进口3e连通，第三腔室3c与冷却介质出口3d连通。烟气冷却装置3套设在烟气管3a上，冷却介质通过冷却介质进口3e和冷却介质出口3d循环对烟气管2e进行冷却；冷却介质进口3e设有第二阀门，冷却介质出口3d设有第一温度计5a，第一温度计5a测量冷却介质出口3d温度t1，一般要求t1<45℃；颗粒分离装置6通过第一管路与采样测量装置连接，采样测量装置通过第二管路与真空泵10a连接，第二管路上设有干燥装置10b和阀门，可以防止烟气中带有水引起抽气装置10a损坏，抽气装置10a可以采用抽气泵、真空泵等。采样测量装置可以设计为两条并联管路，两条管路可拆卸，视实际情况同时连接或只连接一条管路。一条管路上设有粒径测量装置7，另一条管路上设有颗粒采样器8，在两条管路的分支处设有三通阀门9。粒径测量装置7可以采用elpi(静电低压撞击器)，颗粒采样器8可以采用lpi(低压撞击器)。当使用elpi粒径测量装置7c时，可以在elpi粒径测量装置7c前面的管路上设置混合室7d，混合室7d与洁净空气流量计7b和空气洁净装置7a连接，利用洁净空气对烟气进行二级稀释，洁净空气和烟气在混合室7d里充分混合后，进入elpi粒径测量装置7c，满足该检测设备对浓度的要求。当不进行二级稀释时，稀释比通过调整烟气流量q1和氮气流量q2实现，稀释比＝(q1+q2)/q1。当进行二级稀释时，稀释比通过调整烟气流量q1、氮气流量q2和洁净空气流量q3实现，稀释比n＝(q1+q2+q3)/q1。测得的结果乘以稀释倍数，还原取样烟气的颗粒数据。

下面提供一个具体的实施例来进一步对本发明进行解释，所做不是对本发明的限定：

稀释气体对流管道2c、烟气冷却装置3、操作手柄部分均为设计制作部分，稀释气体对流管道2c与烟气管3a采用镍铬钢制作，可耐1200℃左右高温。下面提供一种常用的烟气冷却装置管壁尺寸，管道壁厚均为2mm，烟气管3a内径为6mm，第二腔室3b环形管道内径为16mm，第三腔室3c内径为26mm，稀释气体对流管道2c内径16mm。烟气冷却装置3采用水为制冷剂。冷却介质出口3d处设第一温度计5a反馈水温以调节冷却水流量。烟气冷却装置3通过螺纹安装在烟气管3a上，周围用高温胶密封。根据稀释倍数确定流量，稀释气体采用氮气，氮气通过稀释气体流量计2b进入稀释气体对流管道2c，在管内换热后由8个周向均布通孔2d进入烟气管3a混合。氮气在对流过程中进行了预热，即加强烟气热量散失，又防止了氮气的急冷对颗粒造成影响。第一温度计5a采用电阻温度计，第二温度计5b采用k型热电偶。隔热握柄4处添加保温棉，采用四氟乙烯握柄，防止高温烫伤，形状如图6所示。颗粒分离装置6采用pm10切割旋风分离器，过滤大粒径颗粒；旋风分离器后加三通管，阀门9a、9b开关控制使用lpi颗粒采样器或是elpi粒径分布测量装置，操作中仅使用一种系统时，可以关闭一个阀门，根据需要在另一个阀门处接所需系统，减少设备携带。

使用时，按图1组装好实验装置，并按所述步骤取样测量，以采样为例，测量烟道烟速，选择φ4.5取样枪头；先进行参数调试，换接抽气泵，通入冷却剂，使冷却剂充满第二、第三腔室，保持流量稳定在0.1l/min，然后将取样枪头1伸入炉内采样孔，炉内温度为980℃，烟气流量控制在10l/min，调节氮气流量，使稀释比为1:64，待取样枪内烟气稳定后，根据第二温度计5b读数，调整冷却剂流量为0.5l/min，此时烟气温度为220℃；保持各参数不变，换接取样装置，打开阀门9b、抽气泵，等待一段时间后，收集lpi内颗粒物。若进行颗粒粒径分布测量，打开抽气泵、阀门9a，关闭阀门9b，再调整空气稀释比，确定空气流量，等待一段时间后，即可由elpi得到粒径分布结果。测得的结果乘以稀释倍数，还原取样烟气的颗粒数据。

以上所述，仅为本发明实施方式之一，具体操作可根据现场情况而做更改，必须理解，本技术领域人员可设计出多种其他的改进和实施例，但有关所述图与权利要求所述的相关装置位置及其零件的改变应属于本发明的保护范围内。