燃煤煙氣低濃度粉塵排放測試的研究

楊丁，陳威祥，鄭芳

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司工業(yè)煙塵凈化國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建龍巖364000)

燃煤煙氣低濃度粉塵排放測試的研究

楊丁，陳威祥，鄭芳

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司工業(yè)煙塵凈化國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建龍巖364000)

GB/T 16157－1996中推薦的采樣測試方法，僅適用于顆粒物濃度高于50mg/m3的固定污染源采樣。伴隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，污染物控制技術(shù)與工藝日趨完善，部分示范工程顆粒物排放在線數(shù)據(jù)顯示低于1mg/m3，沿用原方法采樣經(jīng)常出現(xiàn)樣品失重現(xiàn)象，從而無法得到煙氣中真實的低濃度粉塵排放濃度。經(jīng)多次試驗研究，通過采用一體式低濃度采樣頭和大流量采樣泵，增加采樣體積、預(yù)留空白樣、選用優(yōu)質(zhì)濾膜、對采樣槍進(jìn)行伴熱改造等措施，針對低濃度排放測試的準(zhǔn)確性和可靠性得到很大的提高，該法已在實際工程上得到應(yīng)用，為我國顆粒物低排放測試技術(shù)的規(guī)范與成熟提供借鑒。

低濃度;粉塵;測試

0 引言

為控制燃煤電站污染物排放總量，改善環(huán)境，我國對燃煤煙氣凈化的標(biāo)準(zhǔn)日益提高，新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)規(guī)定，燃煤鍋爐煙塵排放濃度要小于30mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)小于20mg/m3［1］，國家發(fā)改委2014年發(fā)布了關(guān)于《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014－2020年)》的文件［2］，重點(diǎn)地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)已嚴(yán)于發(fā)達(dá)國家。

相對于美國等發(fā)達(dá)國家，目前我國顆粒物檢測方法相對單一，美國對固定源顆粒物的測定方法包括EPA method 5、EPA method 17及EPA method 202，其測試對象包括固定源排放煙氣的TSP、PM10、PM2.5等［3－5］。我國對固定源顆粒物的采樣方法主要體現(xiàn)在《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157－1996)中規(guī)定對總顆粒物(TSP)的測定，該標(biāo)準(zhǔn)與美國EPA method 17基本相同，但該法僅適用于顆粒物濃度高于50mg/m3的固定污染源，當(dāng)顆粒物濃度低于50mg/m3時誤差較大［6］。伴隨污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，對應(yīng)的控制設(shè)施與手段越來越先進(jìn)，從工藝路線來看，為達(dá)到污染物的低排放，部分燃煤電站在濕法脫硫后配備了濕式電除塵器［7－8］，顆粒物排放在線數(shù)據(jù)顯示低于1mg/m3。顆粒物超低排放測量技術(shù)已經(jīng)成為制約我國顆粒物減排的瓶頸問題。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)了多種粉塵濃度測試方法:一種是先把粉塵沉降下來后進(jìn)行測量的直接取樣法，如稱重法;另一種是間接取樣法，從待測區(qū)中取出部分具有代表性的樣品送入分析測量系統(tǒng)測量粉塵濃度的方法，如濁度法、激光散射法、電荷法等。稱重法是顆粒物質(zhì)量濃度測定的一種基本方法，其比較簡單，以規(guī)定的流量進(jìn)行采樣，將煙氣中漂浮的顆粒物捕集到高性能濾膜或濾筒上，稱量采樣前后的質(zhì)量差即為粉塵顆粒質(zhì)量。其優(yōu)點(diǎn)在于可獲得煙塵絕對質(zhì)量濃度，測量的數(shù)據(jù)比較可靠。該方法的缺點(diǎn)是測量的過程較長且繁雜，但釆用其他方法進(jìn)行測量的時候，稱重法仍是固定源煙塵排放的基準(zhǔn)方法［9］。

本文著重研究一種針對低濃度粉塵排放測試的方法，在傳統(tǒng)的采樣測試方法上進(jìn)行多方面改進(jìn)，并已在多個除塵脫硫設(shè)備上得到應(yīng)用，為新的工程技術(shù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，為我國顆粒物低排放測試技術(shù)的規(guī)范與成熟提供借鑒。

1 傳統(tǒng)的煙塵采樣方法

傳統(tǒng)的煙塵采樣方法主要采用濾筒采樣天平稱量的方式，采樣裝置如圖1所示。參考《電除塵器性能測試方法》(GB/T 13931－2002)，在管道等處用等面積圓盤法［10－12］選擇合適的采樣點(diǎn)進(jìn)行等速采樣，采樣后記錄采樣體積、溫濕度及壓力，并對濾筒進(jìn)行烘干稱重等處理。

圖1 傳統(tǒng)煙塵采樣系統(tǒng)

傳統(tǒng)的煙塵采樣方法在開展低濃度粉塵排放的測試時存在諸多不足之處，如采樣時間過長、濾筒破損失重、采樣嘴有殘留等，為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需加以改進(jìn)。

2 應(yīng)對低濃度粉塵排放測試的方法

針對電廠粉塵的測試位置從干式電除塵器出口轉(zhuǎn)移到濕式電除塵器出口，同時顆粒物濃度從原有的50mg/m3以上降低到10mg/m3，傳統(tǒng)的煙塵采樣方法已不能滿足低濃度粉塵排放對測試的要求，結(jié)合現(xiàn)場測試經(jīng)驗和相關(guān)資料，對傳統(tǒng)煙塵采樣方法進(jìn)行一系列的改進(jìn)。

2.1 采用一體式低濃度采樣頭

傳統(tǒng)的采樣方法是采樣頭與采樣嘴分開的形式，如圖2(a)所示，采樣后將采樣頭內(nèi)的濾筒取出烘干稱重，粉塵顆粒容易殘留在采樣頭上，造成粘附損失。當(dāng)煙塵濃度較高時，粘附在采樣頭內(nèi)壁表面的細(xì)顆粒物占全部塵量的比例較小。但是，當(dāng)煙塵濃度較低時，粘附的粉塵，很大程度的增大測試誤差，甚至得到錯誤的結(jié)果［13－15］。

改進(jìn)后的低濃度采樣槍頭采用采樣頭與采樣嘴一體化的形式，如圖2(b)所示，采樣后采樣嘴與濾膜一起進(jìn)行烘干稱量，避免粘附損失，同時也減少采樣頭與采樣嘴之間的漏氣現(xiàn)象，降低測試誤差。

圖2 兩種采樣裝置對比

2.2 采用優(yōu)質(zhì)濾膜進(jìn)行測試

如圖2所示，從體積和質(zhì)量上考慮，濾筒比濾膜大很多，單個濾筒的質(zhì)量約為1g，而一張濾膜的質(zhì)量約0.08g。樣品在攜帶運(yùn)輸過程中容易產(chǎn)生碰撞，使濾筒、濾膜表面細(xì)微纖維掉落，影響測試結(jié)果。經(jīng)多次現(xiàn)場試驗，采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口濾膜能明顯的提高樣品的平行性和測試的準(zhǔn)確性。

2.3 增加采樣體積

由于粘附損失和攜帶運(yùn)輸損失等因素的存在，低濃度粉塵排放的測試不可避免的存在誤差。按相對誤差3%考慮，計算所需采樣體積如表1所示。

表1 不同采樣方法所需采樣體積

如表1所示，不考慮稱量前后環(huán)境差異及天平精度影響的情況下，傳統(tǒng)的煙塵采樣方法，為控制測試的相對誤差，采集的煙塵體積需達(dá)到23.3m3，按照采樣流量20～35L/min進(jìn)行計算，累計采樣時間大于12h。若采用改進(jìn)后一體式的采樣方法，所需采樣體積為2.0～3.3m3，采樣時間最大3h。若考慮至少三組平行樣，則采用濾膜法是較為可行的。在核算的基礎(chǔ)上經(jīng)過多次試驗研究，針對低濃度粉塵排放測試需要，建議采樣體積增大到3.3m3以上，如果現(xiàn)場測試負(fù)荷和條件允許，應(yīng)盡可能的增大采樣體積，減小相對誤差。

2.4 采用大流量采樣泵

為保證能采集到足夠粉塵，必須增大采樣體積。若根據(jù)傳統(tǒng)采樣思路，采樣流量為20～35L/min，每個樣品采樣時間需3h，三組平行樣則需9h，對于固定源變化多樣的工藝條件，無法恒定的保證采樣時間內(nèi)工藝穩(wěn)定，采樣的準(zhǔn)確性大打折扣［13］。

經(jīng)過細(xì)致的篩選，在考慮系統(tǒng)的輕便性、流量、壓力與功率等多種條件后，我們定制了適合低濃度采樣的采樣裝置，采樣流量可達(dá)100L/min，與原裝置相比，節(jié)省至少一倍的采樣時間，滿足現(xiàn)場測試條件需要。為了保證測試的準(zhǔn)確性，選用大流量采樣泵的同時，必須保證等速采樣，改進(jìn)后的采樣系統(tǒng)選直徑大于8mm的采樣嘴，通過流速跟蹤系統(tǒng)，保證采樣流速與煙氣流速一致，減少誤差。

2.5 增加空白樣進(jìn)行對比

受環(huán)境溫濕度以及分析天平精度的影響，同一個樣品在不同環(huán)境下，或不同的分析天平進(jìn)行稱量，其結(jié)果往往會有±0.5mg的偏差。就高濃度粉塵排放測試而言，±0.5mg偏差對測試結(jié)果的影響不大，但對于低濃度粉塵排放測試，影響非常明顯。這就需要用空白樣進(jìn)行對比校核，即在稱取樣品初重和終重時，放入若干個同批次的空白濾筒一起稱重，對比前后兩次多個空白樣的重量差，取其平均值，以此來修正測試結(jié)果。由于濾膜在攜帶運(yùn)輸過程中因碰撞會損失一定的重量，所以應(yīng)用同批次的樣品進(jìn)行空白樣對比分析［16］。通過多次的對比試驗表明采取空白樣品對比校核是很有必要的。

2.6 其他

由于低濃度粉塵采樣過程中煙氣往往具有較高的含濕量。高濕煙氣隨著采樣管路溫度的逐步降低，容易在采樣管內(nèi)冷凝，在濾膜拆卸時，易造成冷凝水倒流沖刷濾膜，造成濾膜表面的粉塵損失。為避免這一情況的發(fā)生，經(jīng)研究與試驗，對采樣槍進(jìn)行伴熱改造，防止煙氣在管內(nèi)冷凝，可以有效的提高測試樣品的平行性和準(zhǔn)確性。除此之外，還應(yīng)確保采樣系統(tǒng)的氣密性，以及嚴(yán)格規(guī)范的操作。

2.7 總結(jié)

對比傳統(tǒng)煙塵采樣方法和改進(jìn)后的低濃度采樣方法，考慮改進(jìn)前后粘附損失、運(yùn)輸過程損失、溫濕度影響及采樣時間、體積等因素對測試可行性和準(zhǔn)確性的影響，分析結(jié)果見表2。假設(shè)采樣體積為3000L，煙塵排放的濃度為8mg/m3，則理論上采集到的粉塵質(zhì)量為24mg。

表2 針對低濃度排放測試改進(jìn)前后影響因素對比

從表2可以看出，改進(jìn)后的低濃度測試方法，在縮短采樣時間的同時有效地控制了相對誤差，保障了現(xiàn)場測試的可行性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 工程應(yīng)用

某火電廠濕法脫硫后配套WBE210/1－2濕式電除塵器，2014年11月投運(yùn)。其主要設(shè)計參數(shù)如下:處理煙氣流量為1487000m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值，下同)，煙氣溫度50℃，入口煙塵濃度15mg/m3，出口煙塵濃度(含石膏)＜3mg/m3。

當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時，通過采用大流量采樣泵、加長采樣時間來增加采樣量，以及采用低濃度采樣槍、優(yōu)質(zhì)濾膜、空白樣對比等多種措施，對濕式電除塵器出口的含塵濃度進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

從表3可知，第一個樣品采集50min，采樣體積只有1032.5L，加上空白樣后還出現(xiàn)失重現(xiàn)象;當(dāng)延長采樣時間，增加采樣量，使采樣體積大于2700L，三個樣品的粉塵凈重分別為5.9、6.0、4.7，含塵濃度分別為1.9、2.2、1.7mg/m3，平均為1.9mg/m3，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差只有0.13。試驗證明通過改進(jìn)后的低濃度粉塵排放測試方法，保證了樣品的平行性，減小了測試誤差，對濕態(tài)煙氣超低顆粒物濃度測試是非常有效的。

表3 某火電廠濕式電除塵器出口煙塵濃度測試結(jié)果

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)粉塵采樣的基礎(chǔ)上，通過采用一體式低濃度采樣頭和大流量采樣泵，增加采樣體積、預(yù)留空白樣、選用優(yōu)質(zhì)濾膜及在緊靠采樣頭后端加入易吸收水分的材料等措施后，使采樣前后樣品失重的問題得到了有效的解決，在源頭上控制了測試的絕對誤差，明顯的提高了測試的平行性和準(zhǔn)確性，為除塵脫硫等設(shè)備的工程應(yīng)用以及燃煤煙塵排放總量的控制提供有效的數(shù)據(jù)支持，積累的經(jīng)驗與成果可為我國顆粒物低排放測試技術(shù)的規(guī)范與成熟提供借鑒。

［1］GB 13223－2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］國家發(fā)展改革委，環(huán)境保護(hù)部.國家能源局.煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014－2020)［S］.北京:國務(wù)院辦公廳.

［3］EPA method 5，Determination of particulate matter emissions from stationary sources［S］.

［4］EPA method 17，Determination of particulate matter emissions from stationary sources［S］.

［5］EPA method 202，Dry impinge method for determining condensable particulate emissions from stationary sorces［S］.

［6］GB/T 16157－1996.固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法［S］.

［7］洪成梅.鍋爐煙塵測試方法探討［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005，28 (z2):21－22.

［8］劉媛.濕式靜電除塵技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2014，37(6):83－88.

［9］李昆.煙塵濃度測量方法綜述［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32 (2):84－88.

［10］GB/T 15187－2005，濕式電除塵器性能測定方法［S］.

［11］GB/T 13931－2002，電除塵器性能測試方法［S］.

［12］GB 5468－91，鍋爐煙塵測試方法［S］.

［13］姚宇平.淺談鍋爐煙氣測試中應(yīng)注意的問題［J］.環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2009，(4):52－53.

［14］陳凱.論燃煤鍋爐煙氣煙塵監(jiān)測中一些技術(shù)問題［J］.北方環(huán)境，2011，(11):85－87.

［15］李陽春.煙塵監(jiān)測時采樣濾筒的質(zhì)量控制［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2007，19(1):50－51.

［16］王建新.鍋爐煙塵監(jiān)測準(zhǔn)確性問題的探討［J］.北方環(huán)境，2004，29(3):63－65.

Studies on low concentration of dust emission test in coal－fired flue gas

The traditional testing method mentioned in GB/T 16157－1996 only apply to stationary source with more than 50 mg/m3particulate concentration.Pollution control technologies and processes are maturing with the strict emission standards，the online data of some demonstration projects show the emissions of particulate are less than 1mg/m3.There are often occurring weightlessness phenomenon if following the traditional testing methods，thus it cannot get real concentration of dust emission in flue gas.Through repeated experiments and practice，the weightlessness problem can be effectively solved by using one－piece sampling－h(huán)ead and high flow sampling pump，increasing the sampling volume，reserving blank samples，choosing high－quality filter membrane and heating sampling gun，and the accuracy and reliability have been greatly improved.The method has been applied in practical engineering，provided reference for practical engineering.

low concentration;dust;test

X701.2

B

1674－8069(2015)05－028－04

2015-06-04;

:2015-07-16

楊丁(1981-)，男，四川廣元人，在讀博士，高級工程師，主要從事煙氣污染防治技術(shù)研究。E－mail:yblued@139.com

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2013AA065004)