一种生活垃圾填埋场导气管外排口气体采样装置的制作方法

1.本实用新型涉及气体采样装置的技术领域，尤其是涉及一种生活垃圾填埋场导气管外排口气体采样装置。


背景技术：

2.垃圾填埋场是重要的甲烷人为排放源之一，在中国，城市生活垃圾处理仍然以填埋为主，而填埋项目中主要的释放源是填埋垃圾发酵产生的沼气。垃圾填埋时一般要铺设导气管道以收集发酵产生的气体，当填埋作业完成，垃圾停止进场后，在整个填埋区域覆盖高密度聚乙烯膜，填埋区域垃圾发酵产生的气体通过导气管外排。根据环评要求，一般垃圾填埋深度在大于等于10m以上时，需将导气管外排口连接起来输送到火炬燃烧。当垃圾填埋深度低于10m以下时，可不用将导气管外排口连接，填埋发酵产生的气体通过导气管外排口直接对空排放。目前，我国垃圾填埋场以中小型居多，普遍负担不起填埋气收集及处理系统的前期投入。未来推行碳交易，减少填埋项目的碳排放需要确定填埋项目的温室气体排放量来提供数据支撑。
3.目前关于垃圾填埋项目的碳排放量主要是通过ipcc清单核算方法获得，核算方法中需输入填埋区域的垃圾成分分析，考虑到一般垃圾填埋场体量大，填埋的垃圾量多，很难获得代表整个填埋区域的垃圾成分，因此通过ipcc清单算法计算的碳排放量与实际的填埋区域碳排放量存在较大误差。当采用实际监测方法时，可以获得实际的甲烷、二氧化碳及氧化亚氮释放量，提供填埋场的碳排放总量。当垃圾填埋场采用主动收集系统并送去沼气火炬焚烧时，可在输送管道上安装在线监测装置，测定温室气体浓度及流速，进而获得填埋区域温室气体释放量。当填埋场未采用主动收集系统，填埋区域导气管外排口直接对空排放时，如何测定温室气体的释放量是一个难点。目前常见的填埋区域导气管外排口温室气体排放量测定方法，是利用风速仪置于外排口中心位置，测定气体释放速度，同时利用抽气泵直接在外排口中心点抽取气体样品，并送入第三方实验室测量气体浓度。基于外排口面积、气体释放速度及气体浓度，计算外排口温室气体排放量。但考虑到垃圾发酵产生的气体是非均匀释放，加上风速仪测定的下限值较高(一般为0.3m/s)，且外界风速变化对测定结果影响较大，温室气体释放结果存在不确定性。或者，可利用软质的气袋安装在沼气外排口上，通过测定气袋从干瘪到完全充盈所需的时间，并抽取气袋内的温室气体进行浓度测定，通过公式计算固定时间固定面积的温室气体释放量，但该方法在使用过程中，容易收到周边的环境风速的影响，且无法判断气袋完全充盈的临界状态，收集气体的体积计算结果不够准确。同时，气袋内压力的增加，对沼气外排口的温室气体自然释放有一定的影响。
4.专利cn114314868a公开了一种用于曝气动态水面释放vscs气体实时收集装置及方法，主要是描述了一种用于曝气池水面的气体实时采样装置，包括箱体系统，气体收集系统和气体测量系统。气体采集箱底部设置气体样品收集口，气体采集箱侧壁设置出气口，出气口设置连接管，连接管经过干燥装置和流量计，测定实时气体流量。气体收集系统包括苏玛罐，苏玛罐通过连接管与气体采集箱连通。通过测定固定时间内收集的气体体积，测量苏
玛罐内的温室气体浓度，计算温室气体排放量。但是该方法的缺点是采样箱需长时间置于曝气池水面，采样箱内的温度缓慢上升，专利中对采样箱颜色及材质未做要求，且也未采用减少箱内温度增加的辅助设备。另外，该专利中的计算方法未考虑温度压力对温室气体释放量的影响。同时，采用苏玛罐收集气体，考虑到气体浓度偏低，对气体收集装置的洁净程度要求较高，苏玛罐的缺点是不方便清洗，容易引起本底值较高。对厂区内的多个排放源进行样品采集时，需要多个苏玛罐，装置成本较高且清洗成本较高。且该专利采样箱中仅测量箱内气体温度，未测量箱内气压变化，无法根据箱内压力变化，判断箱内气压是否增加，是否影响水面的气体自然释放。
5.专利cn107941571a公开了一种水陆两用温室气体检测装置及检测方法，描述的装置兼具便携、低价和适应性强的特点。该装置虽然配备了温度计和气压表，但是并未将温压传感器与流量计结合，无法根据压力的变化来确认采集样品的准确度，不适用于垃圾填埋场这种气体速度不均匀，且容易出现一股一股外排的场景。


技术实现要素：

6.本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种生活垃圾填埋场导气管外排口气体采样装置，通过在外排口上设置收集箱，配备温度、压力测量设备和气体流量测定设备，通过收集固定体积的温室气体，并检测温室气体浓度，计算沼气外排口的温室气体排放量。
7.为实现上述目的，本实用新型的生活垃圾填埋场导气管外排口气体采样装置的具体技术方案如下：
8.一种生活垃圾填埋场导气管外排口气体采样装置，包括采样箱壳体、温度压力测量设备、干燥装置、高精度电子流量计以及采样袋；
9.所述采样箱壳体安装在导气管顶部，填埋区域的导气管如附图3所示，导气管竖直设置，导气管为贯通圆管，填埋区域覆盖层下的垃圾发酵产生的沼气通过导气管外排到环境中；采样箱壳体顶部安装有温度压力传感器，温度压力传感器的传感器探头伸入采样箱壳体内部，传感器探头与温度压力测量设备连接，温度压力测量设备用于实时显示采样箱壳体内的温度、压力参数变化，可更好地观察采样箱内工况参数变化，判断是否存在压力变化，不仅可以协助确定采样时长，还可以对温室气体的排放量进行修正，以获得实际工况的排放量；采样箱壳体侧壁上连通有出口管道，出口管道的一端顺次连接有干燥装置和高精度电子流量计，高精度电子流量计连接有采样管，采样管的末端连接有采样袋；
10.采样箱内的气体经过干燥装置后流经高精度电子流量计进入采样袋，通过收集固定时间的流量，并送入第三方实验室检测采样袋中的温室气体浓度，并结合采样箱内的工况参数，通过公式计算导气管外排口的温室气体浓度，公式如下：
[0011][0012]
式中：f为气体释放mg/min；
[0013]
c为采样袋内气体浓度，mg/m3；
[0014]
q为流量计记录的采样期间累计流量，m3；
[0015]
t为采样过程累计时间，min；
[0016]
t为采样过程中采样箱内的平均温度，k；
[0017]
p为采样过程中采样箱内的平均压力，kpa；
[0018]
t0、p0，为标准工况下的温度和压力，为273.15k，101.325kpa。
[0019]
进一步，所述导气管为竖直设置的贯通圆管，导气管的顶端设有导气管外排口；采样箱壳体底部设有采样箱底座，采样箱底座为正方形，采样箱底座中部设有内凹部分，内凹部分为圆环开口结构，内凹部分黏贴有橡胶软垫，橡胶软垫为圆环形，橡胶软垫的尺寸与内凹圆环尺寸相符合，导气管外排口插入内凹部分与橡胶软垫抵接，采用采样箱自身的重量增加橡胶软垫与导气管外排口之间的密封性；
[0020]
采样箱壳体的底板为内凹形状的变径结构，以生活垃圾填埋场的导气管外径200mm为例，采样箱底座的内凹部分直径尺寸在210mm即可，略大于导气管，起稳固作用，防止安装在导气管上的采样箱滑移；导气管厚度为8mm，导气管内径为184mm，采样箱底座的内凹部分开口直径取180mm，略小于导气管内径，如图4所示，填埋覆盖层下垃圾发酵产生的沼气通过导气管进入到采样箱内；
[0021]
本技术在充分调研生活垃圾填埋场沼气外排口的实际情况，并基于目前的填埋区域导气外排口的温室气体检测的缺点，有针对性地研究了一种适用于填埋区域沼气外排管的温室气体样品采集装置，通过变径支撑板，可使得整个装置稳定的放置在外排口上；利用采样箱的体积及流量计测量的平均流速，计算排空采样箱内的气体所需的时间，通过两倍的时间排空采样箱内的空气，此时重新置零流量计，连接采样袋6进行采样，基于收集箱内的气压参数变化确定采样时长，记录流量计显示的累计流量值，并检测相对应的温室气体浓度，计算沼气外排口的温室气体释放量。
[0022]
进一步，所述采样管包括主管道以及与主管道连接的至少一个分支管道，主管道上设置有逆流截止阀，分支管道上设置有截止阀。
[0023]
进一步，所述采样箱壳体底部的四个边角位置对称设置有挂钩，用于悬挂砝码来增加采样箱壳体与导气管之间的密封性。
[0024]
进一步，所述采样箱壳体内侧壁安装有电风扇，用于气体搅拌混合。
[0025]
进一步，所述采样箱壳体采用pvc材质，这主要是考虑到采样箱自身会因为热辐射，导致采样箱内温度逐渐升高；采样箱壳体外表面设有反射保温隔热涂层，减少因长时间采样受阳光照射导致的采样箱内温度增加。
[0026]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0027]
本技术采用的气体采样装置，主要由气体收集箱、温压传感器探头及测量仪、加重砝码、干燥装置、高精度电子流量计组成，基于电子流量计显示的流速和气体收集箱的体积，计算排空收集箱内气体所需的时间，两倍时间后，流量计清零，将气体采样袋与采样管相连接，随着采样袋内气体的不断增加，采样管道中气体流动阻力不断增加，收集箱内的气体压力不断增加，当收集箱内的气压参数1min的平均增福大于初始气压值的1％时，开启截止阀，拧紧采样袋，以流量计显示的体积作为采样体积，并将采样袋送去第三方实验室检测温室气体浓度，基于采样体积，温室气体浓度，以及达到采样体积所需的时间，计算沼气外排口的温室气体释放量。与专利cn114314868a相比，本专利用于填埋区域沼气外排口的温室气体排放，且使用加重砝码增加采样装置与外排口之间的密封性；在气体收集箱内除温度外，同时测量气压，因为苏玛罐不易清洗引起本底较高，易给下次测量造成误差，本技术
中使用聚氟乙烯袋作为采样袋。
[0028]
一、本技术根据填埋场实际工况，设计沼气导气外排口采样装置，定量对填埋场沼气外排口的温室气体排放做检测，通过测定固定体积的温室气体，结合测量的温室气体浓度，以及采样箱内的环境工况参数，计算温室气体的释放速率，进一步确定温室气体排放量。
[0029]
二、本技术设计硬质采样箱，减少外界风向风速变化对气体采样的影响，同时采用聚乙烯材质，并在外壳涂反射保温隔热材料，减少太阳辐射对采样箱内温度的影响。利用采样箱的重量以及砝码的重量，增加了底部支撑板与沼气外排口之间的密封性。
[0030]
三、本技术采用温度压力传感器，并配备数据记录装置，根据设定的时间间隔记录对应的参数，可在采样结束后导出或者发送，以减少人为操作时遗漏记录采样过程的参数情况，更加便捷；还可实时测量采样箱内的气压变化，根据采样箱内的压力变化确定采样时长，以减少因采样时长设置不合理引起收集箱内压力增加明显而导致对沼气导气外排口温室气体的自然释放收到抑制。另外，压力参数的引入，可通过计算公式对温室气体释放量进行修正，以获得实际工况下的温室气体排放量。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为本实用新型的整体结构示意图；
[0033]
图2为本实用新型中采样箱壳体的示意图；
[0034]
图3为本实用新型中导气管的示意图；
[0035]
图4为本实用新型中采样箱底座与导气管外排口的示意图；
[0036]
图中标记说明：1、温度压力测量设备；2、干燥装置；3、高精度电子流量计；4、逆流截止阀；5、截止阀；6、采样袋；7、挂钩；8、电风扇；9、传感器探头；10、采样箱壳体；11、导气管；12、橡胶软垫；13、导气管外排口；14、采样箱底座。
具体实施方式
[0037]
为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图和具体较佳实施方式，对本实用新型一种生活垃圾填埋场导气管外排口气体采样装置做进一步详细的描述。
[0038]
本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。
[0039]
实施例1：
[0040]
请参阅图1-4，本实用新型提供一种技术方案：一种生活垃圾填埋场导气管外排口气体采样装置，包括采样箱壳体10、温度压力测量设备1、干燥装置2、高精度电子流量计3以及采样袋6；
[0041]
所述采样箱壳体10安装在导气管11顶部，填埋区域的导气管11如附图3所示，导气管11竖直设置，导气管11为贯通圆管，填埋区域覆盖层下的垃圾发酵产生的沼气通过导气管11外排到环境中；采样箱壳体10顶部安装有温度压力传感器，温度压力传感器的传感器探头9贯穿伸入采样箱壳体10内部，传感器探头9与温度压力测量设备1连接，温度压力测量设备1用于实时显示采样箱壳体10内的温度、压力参数变化，可更好地观察采样箱内工况参数变化，判断是否存在压力变化，不仅可以协助确定采样时长，还可以对温室气体的排放量进行修正，以获得实际工况的排放量；采样箱壳体10侧壁上连通有出口管道，出口管道的一端顺次连接有干燥装置2和高精度电子流量计3，高精度电子流量计3连接有采样管，采样管的末端连接有采样袋6；
[0042]
采样箱内的气体经过干燥装置2后流经高精度电子流量计3进入采样袋6，通过收集固定时间的流量，并送入第三方实验室检测采样袋6中的温室气体浓度，并结合采样箱内的工况参数，通过公式计算导气管外排口13的温室气体浓度，公式如下：
[0043][0044]
式中：f为气体释放mg/min；
[0045]
c为采样袋内气体浓度，mg/m3；
[0046]
q为流量计记录的采样期间累计流量，m3；
[0047]
t为采样过程累计时间，min；
[0048]
t为采样过程中采样箱内的平均温度，k；
[0049]
p为采样过程中采样箱内的平均压力，kpa；
[0050]
t0、p0，为标准工况下的温度和压力，为273.15k，101.325kpa。
[0051]
进一步，所述导气管11为竖直设置的贯通圆管，导气管11的顶端设有导气管外排口13；采样箱壳体10底部设有采样箱底座14，采样箱底座14为正方形，采样箱底座14中部设有内凹部分，内凹部分为圆环开口结构，内凹部分黏贴有橡胶软垫12，橡胶软垫12为圆环形，橡胶软垫12的尺寸与内凹圆环尺寸相符合，导气管外排口13插入内凹部分与橡胶软垫12抵接，采用采样箱自身的重量增加橡胶软垫12与导气管外排口13之间的密封性；
[0052]
采样箱壳体10的底板为内凹形状的变径结构，以生活垃圾填埋场的导气管11外径200mm为例，采样箱底座14的内凹部分直径尺寸在210mm即可，略大于导气管11，起稳固作用，防止安装在导气管11上的采样箱滑移；导气管11厚度为8mm，导气管11内径为184mm，采样箱底座14的内凹部分开口直径取180mm，略小于导气管11内径，如图4所示，填埋覆盖层下垃圾发酵产生的沼气通过导气管11进入到采样箱内；
[0053]
本技术在充分调研生活垃圾填埋场沼气外排口的实际情况，并基于目前的填埋区域导气外排口的温室气体检测的缺点，有针对性地研究了一种适用于填埋区域沼气外排管的温室气体样品采集装置，通过变径支撑板，可使得整个装置稳定的放置在外排口上；利用采样箱的体积及流量计测量的平均流速，计算排空采样箱内的气体所需的时间，通过两倍的时间排空采样箱内的空气，此时重新置零流量计，连接采样袋6进行采样，基于收集箱内
的气压参数变化确定采样时长，记录流量计显示的累计流量值，并检测相对应的温室气体浓度，计算沼气外排口的温室气体释放量。
[0054]
进一步，所述采样管包括主管道以及与主管道连接的至少一个分支管道，主管道上设置有逆流截止阀4，分支管道上设置有截止阀5。
[0055]
进一步，所述采样箱壳体10底部的四个边角位置对称设置有挂钩7，用于悬挂砝码来增加采样箱壳体10与导气管11之间的密封性。
[0056]
进一步，所述采样箱壳体10内侧壁安装有电风扇8，用于气体搅拌混合。
[0057]
进一步，所述采样箱壳体10采用pvc材质，这主要是考虑到采样箱自身会因为热辐射，导致采样箱内温度逐渐升高；采样箱壳体10外表面设有反射保温隔热涂层，减少因长时间采样受阳光照射导致的采样箱内温度增加。
[0058]
工作原理：
[0059]
生活垃圾填埋场在垃圾填埋时会分层铺设导气管，以便于垃圾发酵产生的气体导出，大多数填埋场在未封场前或者封场后整个填埋区域的填埋深度低于环评设计深度时，填埋堆体区域埋设的导气管不设置主动收集，填埋垃圾发酵产生的沼气直接通过导气管外排口排入大气。
[0060]
考虑到填埋堆体区域温室气体排放量，因此需要定量监测填埋发酵产生的温室气体量。目前可采用的方法是通过手持式采样泵采集外排口平行采样获取排放口气体浓度，并且通过使用风速仪测量外排口沼气流速，进而计算沼气外排口的温室气体量。但填埋发酵产生的气体速度不均匀，且容易出现一股一股外排的情况，在外排口位置取平行样容易出现取样不均，平行样之间浓度差异较大等情况。且风速仪的最小风速下限一般是0.3或0.4m/s，存在低于风速下限时无法测量排放速率等情况。且考虑到填埋场面积较大，不易铺设电路，且释放的沼气属于易燃易爆气体，不宜在填埋区域设置电路，无法使用在线监测设备测量沼气排放浓度。
[0061]
针对上述存在的问题，使用采样箱装置测量沼气外排口的排放量，通过测量累计流量下的温室气体浓度，并结合采样箱内的温度及压力参数，通过公式计算固定体积中的温室气体浓度，并结合累计的流量，计算沼气外排口的温室气体释放量。该采样装置中，新增加重砝码，增加采样装置与沼气外排口之间的密封性，同时在采样箱内增加气压测量传感器，以判断长时间采样过程中，采样箱内的工况变化，并协助确定采样结束时间及流量计采样体积。另外，采用固定体积聚氟乙烯采样袋替代苏玛罐，价格较低，且可一次性使用，避免清洗再次使用时采样袋的本底值较高。
[0062]
本技术中的温度压力测量设备1，主要是为了协助确定采样时间及采样体积，采样过程中，导气管外排口13释放的温室气体在收集箱内混合均匀后通过收集箱侧面的出口管道排出，经过干燥装置2、高精度电子流量计3后通过采样管与采样袋6连接，随着采样袋6内的气体体积逐渐增加，导气管11中的气体阻力不断增加，导致收集箱内的气压不断增加。收集箱内的气压增加会对导气管外排口13的气体自然释放起抑制作用。本技术采样过程中，当收集箱内压力在1min内的增加幅度大于初始压力值的1％时，可开启截止阀5，拧紧采样袋6，并将此时的高精度电子流量计3显示的累计值作为采样体积。另外，收集箱内新增的压力参数，可通过计算公式对温室气体释放量进行修正，以获得实际工况下的导气管外排口13温室气体排放量。
[0063]
以下对本技术中涉及的专业术语和名词做出解释：
[0064]
温室气体指任何会吸收和释放红外线辐射并存在大气中的气体。京都议定书中规定控制的6种温室气体为：二氧化碳(co2)、甲烷(ch4)、氧化亚氮(n2o)、氢氟碳化合物(hfcs)、全氟碳化合物(pfcs)、六氟化硫(sf6)。
[0065]
无组织排放源一般指排放源高度低，污染物尚未充分稀释即进入呼吸带，且污染物的扩散随着排放源下风向距离的增长而逐渐降低，污染物往往呈多点、分散的无规则排放，监测、评价和管理都比较困难。
[0066]
填埋导气管外排口是指在垃圾填埋时一般要铺设导气管道，以收集填埋垃圾发酵过程中产生的沼气。当垃圾填埋作业完成停止进场后，在整个填埋区域覆盖hdpe膜，整个填埋区域垃圾发酵产生的气体通过导气管外排。根据环评要求，一般垃圾填埋深度在大于等于10m以上时，需将导气管外排口连接起来，通过输送管道进行火炬燃烧。当垃圾填埋深度低于10m以下时，可不用将导气管外排口连接，填埋发酵产生的气体通过导气管外排口直接对空排放。
[0067]
气袋法是指在一定的时间和一定的排放源面积内，释放的温室气体进入固定体积的气袋，计量气袋由干瘪直至完全充盈状态所花费的时间。根据气袋达到充盈状态所需时长、充盈状态时气袋内的温室气体浓度和温度压力参数，计算出单位时间单位面积排放源释放的温室气体，即排放通量。目前该方法常用于污水厂曝气池或者渗滤液站曝气池水面的气体释放量的测定。
[0068]
可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。