实验一烟气流量及含尘浓度的测定
一、实验意义和目的
大气污染的主要来源是工业污染源排出的废气，其中烟道气造成的危害极为严重。因此，烟道气(简称烟气)的测试是大气污染源监测的主要内容之一。测定烟气的流量和含尘浓度对于评价烟气排放的环境影响、检验除尘装置的功效有重要意义。通过本实验应达到以下目的：
(1)掌握烟气测试的原则和各种测量仪器的使用方法；
(2)了解烟气状态(温度、压力、含湿量等参数)的测量方法和烟气流速、流量等参数的计算方法；
(3)掌根烟气含尘浓度的测定方法。
二、实验原理
(一)采样位置的选择
正确地选择采样位置和确定采样点的数目对采集有代表性的并符合测定要求的样品是非常重要的。采样位置应取气流平稳的管段．原则上避免弯头部分和断面形状急剧变化的部分，与其距离至少是烟道直径的1.5倍，同时要求烟道中气流速度在5m/s化以上。而采样孔和采样点的位置主要根据烟道的大小及断面的形状而定。下面说明不同形状烟道采样点的布置。
1.圆形烟道
采样点分布见图1-1(a)。将烟道的断面划分为适当数目的等面积同心圆环，各采样点均在等面积的中心线上，所分的等面积圆环数由烟道的直径大小而定。
2.矩形烟道
将烟道断面分为等面积的矩形小块．各块中心即采样点，见图1-1(b)。不同面积矩形烟道等面积分块数见表1-1。
烟道断面面积/m2等面积分块数测点数
<1 2×2 4
1～4 3×3 9
4～9 4×3 12
3.拱形烟道
分别按圆形烟道和矩形烟道采样点布置原则,见图1-1(c)。
图1-1 烟道采样点分布图
（a）圆形烟道；（b）矩形烟道；（c）拱形烟道
(二)烟气状态参数的测定
烟气状态参数包括压力、温度、相对湿度和密度。
1．压力
测量烟气压力的仪器为s形毕托管和倾斜压力计。s形毕托管适用于含尘浓度较大的烟道中。毕托管是由两根不锈钢管组成，测端做成方向相反的两个相互平行的开口，如图1-2所示，测定时将毕托管与倾斜压力汁用橡皮管连好．一个开口面向气流，测得全压；另一个背向气流，测得静压；两者之差便是动压，由于背向气流的开口上吸力影响，所得静压与实际值有一定误差，因而事先要加以校正。方法是与标准风速管在气流速度为2～60 m/s的气流中进行比较，s形毕托管和标准风速管测得的速度值之比，称为毕托管的校正系数。当流速在5～30 m/s的范围内，其校正系数值约为0.84。倾斜压力计测得动压值按下式计算: P＝L·K·d(1-1)
式中：L—斜管压力计读数；
K—斜度修正系数，在斜管压力标出0.2，0.3，0.4，0.6，0.8；
d—酒精相对密度，d＝0.81。
图1-2 毕托管的构造示意图
1—开口；2—接橡皮管
2．温度
烟气的温度通过热电偶和便携式测温毫伏计的联用来测定。热电偶是利用两根不同金属导线在结点处产生的电位差随温度而变制成的。用毫伏计测出热电偶的电势差，就可以得到工作端所处的环境温度。热电偶的技术数据参见其说明书。
3．相对湿度
烟气的相对湿度可用于湿球温度计直接测得，测试装置如图1-3所示。让烟气以一定的流速通过于湿球温度汁，根据干湿球温度汁的读数可计算烟气含湿量(水汽体积分数)；
图1-3 干湿球法采样系统
1—烟道；2—滤棉；3—干湿球温度计；4—压力计；5—抽气泵
s
a b a b c br sw p p p p t t C p +---=
)
)((χ （1-2）
式中： br p —温度为 b t 时的饱和水蒸气压力，Pa ；
b t —湿球温度，℃；
c t —干球温度，℃；
C —系数，C=0.00066；
a p —大气压力，Pa ； s p —烟气静压，Pa ；
b p —通过湿球表面的烟气压力，Pa 。
4.密度
干烟气密度由下式计算：
T
p
RT p g 287=
=
ρ （1-3） 式中：g ρ—烟气密度，㎏/m ；
p —大气压力，Pa ； T —烟气温度，K 。
(三) 烟气流真的计算 1.烟气流速的计算
当干烟气组分同空气近似，露点温度在35～55℃之间，烟气绝对压力在0.99×105～1.03×105Pa 时，可用下列公式计算烟气进口流速：
Tp K v p 77.20= （1-4）
式中：0v —烟气进口流速m/s ；
K P —毕托管的校正系数，K P ＝0.84； T —烟气底部温度，℃；
p ——各动压方根平均值，Pa 。
n
p p p p n
+???++
=
21 （1-5）
式中： n p —任—点的动压值，Pa ； n —动压的测点数。 2.烟气流量的汁算
烟气流量计算公式：
0v A Q s ?= （1-6）
式中：s Q —烟气流量，m 3/s ；
A —烟道进口截面积，m 2。 (四)烟气含尘浓度的测定
对污染源排放的烟气颗粒浓度的测定，一般采用从烟道中抽取一定量的含尘烟气，由滤筒收集烟气中颗粒后，根据收集尘粒的质量和抽取烟气的体积求出烟气中尘粒浓度。为取得有代表性的样品，必须进行等动力采样，即尘粒进入采样嘴的速度等于该点的气流速度，因而要预测烟气流速再换算成实际控制的采样流量。图1-4是等动力采样的情形，图中采样头与气流平行，而且采样速度与烟气流速相同，即采样头内外的流场完全一致，因此随气流运动的颗粒没有受到任何干扰，仍按原来的方向和速度进入采样头。
图1-4 等动力采样
图1-5是非等动力采样的情形。其中图1-5(a )中采样头与气流有一交角θ，进入采样头的烟气虽保持原来速度，但方向发生了变化，其中的颗粒物由于惯性，将可能不随烟气进入采样头；图1-5(b )中采样头虽然与烟气流线平行，但抽气速度超过烟气流速，由于惯性作用，采样体积中的颗粒物不会全部进入采样头；图1-5(c )内气速低于烟气流速，导致样品体积之外的颗粒进入采样头，由此可见．采用等动力采样对于采集有代表性的样品是非常重要的。
图1-5 非等动力采样
（a ）θ≠0；(b)u >u 0；(c) u
另外．在水平烟道中，由于存在重力沉降作用，较大的尘粒有偏离烟气流线向下运动的趋势，而在垂直烟道中尘粒分布较均匀，因此应优先选择在垂直管段上取样。
图1-6为采样装置。根据滤筒在采样前后的质量差以及采集的总气量，可以外算出烟气的含尘浓度。应当注意的是，需要将采样体积换算成环境温度和压力下的体积。
图1-6 烟尘采样系统示意图
τ
τtp p t V V a
t ++=2732730
（1-7）
式中：t V — 环境条件下的采样体积，L ;
0V —现场采样体积，L ； τt —测烟仪温度表的读数，℃； t —环境温度，℃；
a p —大气压力，Pa ;
τp —测烟仪压力表读数，Pa 。
由于烟尘取样需要等动力采样，因此需要根据采样点的烟气流速和采样嘴的直径计算采样控制流量。若干烟气组分与感空气近似：
)1())((
080.05.02sw a s s a s r p p T T p p v d Q χτ
τ
-++= （1-8） 式中：r Q —等动力采样时，抽气泵流量计读数，L/min ；
d —采样嘴直径，㎜；
s v —采样点烟气流速，m/s ； a p —大气压力，Pa ； s p —烟气静压， Pa ；
r p —测烟仪压力表读数，Pa ； s T —烟气绝对温度，K ；
r T —测烟仪温度（温度表读数），K ；
sw χ—烟气中水气的体积分数。
三、实验仪器和设备
（1）热电偶:EFZ-0型：1支。
（2）测温毫伏计：EFZ—020型，1个。
（3）S形毕托管：1支。
（4）倾斜压力计：YYT一200型，1台。
（5）烟气测试仪(测烟仪)：SVC—1型, 1个。
（6）尘粒采样仪(抽气泵)；CLK—1型，l台。
（7）干湿球温度计：DHM—2型，各1支。
（8）盒式压力计：DYM—3型，1个。
（9）U形管压力计：1支。
（10）烟尘采样管：2支。
（11）玻璃纤维滤筒：若干。
（12）镊子：1支。
（13）分析天平：分度值0.001g，1台。
（14）烘箱：1台。
（15）橡胶管：若干。
四、实验方法和步骤
1．滤筒的预处理
测试前先将滤筒编号，然后在105℃烘箱中烘2h,取出后置于干燥器内冷却20min，再用分析天平测得初重并记录。
2．采样位置的选择
根据烟道的形状和尺小确定采样点数目和位置。
3．烟气状态和环境参数的测定
分别利用热电偶、干湿球温度计和倾斜压力汁测定烟气的温度、湿度和压力,计算烟气的流速和流量。同时用盒式压力表和温度计测定大气压力和环境温度。
4．烟尘采样
（1）把预先干燥、恒重、编号的滤筒用镊子小心装在采样管的采样头内，再把选定好的采样嘴装到采样头上。
（2）根据每一个采样点的烟气流速和采样嘴的直径计算相应的采样控制流量。
（3）将采样管连接到烟尘浓度测试仪，调节流量计使其流量为采样点的控制流量，找准采样点位置，将采样管插入采样孔，使采样嘴背对气流顶热10min，后转动180°，即采样嘴正对气流方向，同时打开抽气泵的开关进行采样。
（4）逐点采样完毕后，关掉仪器开关，抽出采样管．待温度降下后．小心取出滤筒保存好。
（5）采尘后的滤简称重。将采集尘样的滤筒放在105℃烘箱中烘2h，取出置于玻璃干燥器内冷却20 min后，用分析天平称重。
（6）计算各采样点烟气的含尘浓度。
五、实验数据记录和处理
表1-2 烟气流量及含尘浓度测定实验记录表
大气压
力/kPa 大气
温度
/℃
烟气
温度
/℃
烟道
全压
/Pa
烟道
静压
/Pa
烟气干
球温度
/℃
烟气湿
球温度
/℃
温度计
表面压
力/Pa
烟气含
湿量
sw
毕托
管系
数K p
烟道断面积_____________m
采样点编号动
压
/Pa
烟气
流速
/（m·
s-1）
采样嘴
直径
mm
采样
流量
/(L·
min-1)
采样
时间
min
采样
体积
/L
换算
体积
/L
滤
筒
号
滤筒
初重
/g
滤筒
总重
/g
烟尘
浓度
/(mg
·L-1)
1
2
3
…
___________mg/L
六、实验结果讨论
(1)测烟气温度、压力和含温量等参数的目的是什么?
(2)实验前需要完成哪些准备工作?
(3)采集烟尘为何要等动力采样?
(4)当烟道截面较大时，为了减少烟尘浓度随时间的变化能否缩短采样时间? 如何操作?