全程加熱采樣管和半程加熱采樣管對超凈排放污染源顆粒物監(jiān)測結(jié)果的影響

白 煜，劉通浩，文小明，秦承華，張守斌，周祥宇，伍躍輝

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012 2.黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056

全程加熱采樣管和半程加熱采樣管對超凈排放污染源顆粒物監(jiān)測結(jié)果的影響

白 煜1，劉通浩1，文小明1，秦承華1，張守斌1，周祥宇2，伍躍輝2

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012 2.黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056

根據(jù)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》以及《國家環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃綱要》，我國燃煤電廠污染物排放濃度應(yīng)達(dá)到現(xiàn)行燃?xì)忮仩t標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行顆粒物監(jiān)測儀器需要進行更新?，F(xiàn)在市面上有2種污染源顆粒物采樣管可對改造后電廠進行顆粒物采樣監(jiān)測，采用平行實驗法對這2種采樣管所采集的顆粒物質(zhì)量結(jié)果進行分析，同時使用驗證實驗分析2種采樣管顆粒物采集質(zhì)量結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，并對如何提升燃煤電廠顆粒物監(jiān)測的準(zhǔn)確性提出建議。

火電廠；煙塵；超凈排放；全程加熱采樣管；半程加熱采樣管

霧霾是近年來公眾關(guān)注度最高的環(huán)境事件，每次發(fā)生的大范圍霧霾也是我國環(huán)保工作的一大難題[1]。以往研究表明，霧霾的成因主要是由化石燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物引起的[2-3]。同時燃煤電廠排放的顆粒物多為細(xì)顆粒物，并且隨著顆粒物直徑減小，重金屬含量呈逐漸增加趨勢，對人體損害很大[4]。燃煤電廠是我國環(huán)境空氣中顆粒物的主要排放源之一，現(xiàn)行火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，一般燃煤火電廠顆粒物排放濃度標(biāo)準(zhǔn)限值為30 mg/m3[5]，目前此標(biāo)準(zhǔn)已難以滿足我國環(huán)境保護發(fā)展對燃煤電廠的顆粒物排放限值要求。國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》(發(fā)改能源[2014]2093號)提出，2020年前現(xiàn)有燃煤鍋爐污染物排放濃度達(dá)到燃?xì)廨啓C水平，也就是所謂的燃煤鍋爐“超凈排放”要求。

目前主流燃煤電廠超凈排放煙塵凈化設(shè)施改造大多采用多電場靜電串聯(lián)濕式靜電除塵設(shè)施[6]，其排放口煙氣含濕高，煙塵濃度低，傳統(tǒng)石英纖維濾筒采樣方法已不適用于超凈排放燃煤電廠的煙塵監(jiān)測[7-9]。

本研究采用石英濾膜和《固定污染源排放低濃度顆粒物(煙塵)質(zhì)量濃度的測定 手工重量法》(ISO 12141—2002)進行煙塵采樣監(jiān)測[10]。用平行實驗和驗證實驗討論全程伴熱煙塵采樣管和半程加熱煙塵采樣管采集的顆粒物質(zhì)量結(jié)果間產(chǎn)生差異的原因，以及如何提升對執(zhí)行“超凈排放”標(biāo)準(zhǔn)燃煤電廠煙塵監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性提出建議，同時也采用平行實驗的方法比對《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)[11]和《固定污染源排放低濃度顆粒物(煙塵)質(zhì)量濃度的測定 手工重量法》(ISO 12141—2002)監(jiān)測執(zhí)行“超凈排放”標(biāo)準(zhǔn)燃煤電廠煙塵監(jiān)測結(jié)果的差異。

1 實驗部分

1.1 濾膜法和濾筒法超凈排放電廠煙塵比對監(jiān)測

采用《固定污染源排放低濃度顆粒物(煙塵)質(zhì)量濃度的測定 手工重量法》(ISO 12141—2002)和石英濾膜(以下簡稱濾膜法)進行煙塵采樣監(jiān)測。該方法與現(xiàn)行的《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)(以下簡稱濾筒法)在采樣和分析方式以及過濾裝置的形態(tài)方面均有所不同，在本文討論實驗前應(yīng)進行比對驗證實驗以證明其準(zhǔn)確性和精確度。

采用濾筒法和濾膜法在同一監(jiān)測點同時進行2種方法的比對監(jiān)測。采樣時長為60 min。最后濾膜法煙塵質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果與濾筒法煙塵質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果做差，用以比對以上2種方法的煙塵監(jiān)測結(jié)果。

1.2 全程加熱采樣管和半程加熱采樣管煙塵比對監(jiān)測

1.2.1 監(jiān)測儀器

使用甲儀器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的便攜式大流量低濃度煙塵自動測試儀及其配套附件作為煙塵采樣儀器，分別采用乙儀器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的煙塵加熱采樣槍和甲儀器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的低濃度煙塵多功能采樣管作為煙塵采樣管。

乙儀器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的煙塵加熱采樣槍使用全管身伴熱方式對樣品氣體進行加熱采樣，故后文用“全程加熱煙塵采樣管”作為簡稱。由于甲儀器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的低濃度煙塵多功能采樣管使用對管身前端濾膜采樣器加熱的方式進行煙塵采樣，所以后文用“半程加熱煙塵采樣管”作為簡稱。

1.2.2 被測機組信息

被測機組A裝機容量為300 MW，建有SCR脫硝裝置、靜電除塵裝置、石灰石-石膏法濕式脫硫裝置和濕式靜電除塵裝置,被測機組B裝機容量1 000 MW，建有SCR脫硝裝置、布袋除塵裝置、石灰石-石膏法濕式脫硫裝置和濕式靜電除塵裝置，被測機組C裝機容量為600 MW，建有SCR脫硝裝置、靜電布袋復(fù)合除塵裝置、石灰石-石膏法濕式脫硫裝置和濕式靜電除塵裝置。

1.2.3 實驗人員

實驗人員均持有國家環(huán)境保護部監(jiān)測司頒發(fā)的環(huán)境監(jiān)測人員上崗資格證，并擁有豐富的固定污染源廢氣監(jiān)測經(jīng)驗。

1.2.4 監(jiān)測方法

現(xiàn)場監(jiān)測采樣前：完成編號后，將石英濾膜置于180 ℃烘箱中烘干1 h，其他組件置于105 ℃烘箱烘干1 h，然后置于干燥皿中冷卻至室溫后壓膜，之后放入恒溫恒濕(20 ℃，50%相對濕度)間里平衡至少24 h，然后使用精度為0.01 mg電子天平稱重，重復(fù)稱重3次，相鄰2次間隔1 min以上，3次稱量誤差不大于0.1 mg，記錄平均值作為采樣頭初始質(zhì)量。

現(xiàn)場監(jiān)測采樣期間：根據(jù)《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 16157—1996)的要求進行采樣點布設(shè)，共設(shè)5個采樣點，每個點采樣時長為12 min，單個采樣孔采樣時長為60 min。在3種不同工況負(fù)荷(分別為鍋爐負(fù)荷90%、75%、50%)時使用全程加熱煙塵采樣管采集6個煙塵樣品，使用半程加熱煙塵采樣管采集3個煙塵樣品，每3個煙塵樣品采集空白樣一個。在煙塵采樣前測定煙氣濕度，煙塵采樣期間同步測量流速、煙氣溫度、氣壓等相關(guān)煙氣參數(shù)，計算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)指一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、0 ℃、干燥狀態(tài))下的采樣流量和采氣量。

采樣后濾膜處理階段：將采樣后的一體式采樣頭置于105 ℃烘箱中烘干1 h，然后置于干燥皿中冷卻至室溫，之后放入恒溫恒濕間里平衡至少24 h后，使用精度為0.01 mg電子天平稱重，稱重3次間隔1 min以上，3次稱量誤差不大于0.1 mg，記錄平均值作為濾膜的采樣后的最終質(zhì)量。

最后根據(jù)濾膜的最終質(zhì)量和初始質(zhì)量之差計算出煙塵質(zhì)量，再根據(jù)采氣量計算出煙塵濃度，計算公式：

C=(M2-M1)/Vn

式中C為煙塵濃度，M2為采樣頭最終質(zhì)量，M1為采樣頭初始質(zhì)量，Vn為標(biāo)干采氣量。

本次實驗只針對煙塵質(zhì)量結(jié)果進行比對分析，未對煙塵濃度進行比對分析，故不計算煙塵濃度。

1.2.5 2種煙塵采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果比對方法

采用絕對誤差進行監(jiān)測結(jié)果比對，公式：絕對誤差=全程加熱采樣管煙塵采樣量—半程加熱采樣管煙塵采樣量。

1.3 驗證實驗

由圖1可見，半程加熱采樣管的濾膜顆粒物留下的痕跡比較明顯，同時半程加熱采樣管顆粒物質(zhì)量大于全程加熱采樣管。推測產(chǎn)生以上結(jié)果的原因是由于煙氣中水蒸氣凝結(jié)在半程加熱采樣管內(nèi)壁，并將附著在半程加熱采樣管內(nèi)壁上的顆粒物沖刷到濾膜上引起的。為證明半程加熱采樣管內(nèi)壁附著的顆粒物會被水沖刷至濾膜上，設(shè)計以下驗證實驗。

1.3.1 實驗步驟

1)按照煙塵監(jiān)測方法稱取采樣器初始質(zhì)量。

2)取進行過煙塵采樣監(jiān)測后的全程加熱采樣管和半程加熱采樣管各2個，再取嶄新未使用過且內(nèi)壁經(jīng)清洗后清潔干凈的2種采樣管各2個，放入濾膜后通電進行預(yù)熱。

3)預(yù)熱完畢后取監(jiān)測采樣后和內(nèi)壁清洗后的2種采樣管各1個，分別將30 mL去離子水沿?zé)焿m采樣時氣流方向，緩緩?fù)ㄟ^采樣嘴加入到采樣管中，此組為正向組；再取監(jiān)測采樣后和內(nèi)壁清洗后的2種采樣管各1個，分別將30 mL去離子水從煙塵采樣時氣流的出口反方向倒入采樣管中，此組為反向組；同時將一部分濾膜浸入去離子水中，并保留部分干燥濾膜作為空白。

4)將放入到采樣管中的裝有濾膜的采樣器和浸入去離子水中的濾膜取出，然后將所有濾膜按照煙塵監(jiān)測方法稱取濾膜最終質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾膜法和濾筒法超凈排放電廠煙塵比對監(jiān)測結(jié)果及分析

濾膜法和濾筒法超凈排放電廠煙塵監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 濾膜法和濾筒法超凈排放電廠煙塵質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果 mg

由表1可知，濾筒法測得的煙塵質(zhì)量比濾膜法小0.5～0.9 mg,表明在超凈排放濃度下(煙塵質(zhì)量濃度低于10 mg/m3)濾膜法的煙塵顆粒物截留率比濾筒法高，所以濾膜法的測量準(zhǔn)確性比較高。

2.2 全程加熱采樣管和半程加熱采樣管煙塵比對監(jiān)測結(jié)果及分析

全程加熱煙塵采樣管采集石英濾膜煙塵樣品和半程加熱煙塵采樣管采集石英濾膜煙塵樣品見圖1，監(jiān)測后全程加熱采樣管取樣圖見圖2，監(jiān)測后半程加熱采樣管取樣圖見圖3。

圖1 A機組全程加熱采樣管煙塵樣品和半程加熱采樣管煙塵樣品

從圖1可以看出，A機組全程加熱采樣管采樣后石英濾膜邊緣完整無破損，半程加熱采樣管采樣后石英濾膜邊緣破損嚴(yán)重。從圖2、圖3可以看出：A機組全程加熱采樣管在監(jiān)測后取出濾膜時濾膜未粘連在采樣管上，濾膜邊緣干凈無破損；半程加熱采樣管在監(jiān)測后取出濾膜時濾膜粘連在采樣管上，取出濾膜后部分濾膜碎屑依然粘連在采樣管上同時濾膜邊緣由于脫落的碎屑會出現(xiàn)破損。

圖2 A機組全程加熱采樣管取樣圖

產(chǎn)生以上結(jié)果的原因是由于采用濕式脫硫的鍋爐脫硫塔出口煙氣濕度高，煙氣溫度低，水蒸氣處于過飽和狀態(tài)，在低溫固體表面會迅速凝結(jié)成水珠附著其上，采樣時全程加熱采樣管內(nèi)部整體溫度處于120 ℃左右，高于水的沸點，高濕度煙氣中水蒸氣不會凝結(jié)。而半程加熱采樣管只有濾膜部分采樣時保持120 ℃，采樣管內(nèi)部其他位置溫度與煙氣溫度相同或低于煙氣溫度，采樣時煙氣中水蒸氣會迅速凝結(jié)成水珠并附著在采樣管內(nèi)壁，部分水珠會倒流到濾膜上使濾膜邊緣粘連在采樣管內(nèi)壁上。

圖3 A機組半程加熱采樣管取樣圖

2種煙塵采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 A機組2種煙塵采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果

注：①為全程加熱煙塵采樣管半程加熱煙塵采樣管；②為半程加熱煙塵采樣管。下同。

由表2可知：A機組工況90%時，全程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值比半程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值小0.54 mg；A機組工況75%時，全程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值比半程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值小0.70 mg；A機組工況50%時，全程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值比半程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值小0.74 mg。

由表3可知：B機組工況90%時，全程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值比半程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值小0.47 mg；B機組工況75%時，全程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值比半程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值小0.49 mg；B機組工況50%時，全程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值比半程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值小0.66 mg。

由表4可知：C機組工況90%時，全程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值比半程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值小0.54 mg；C機組工況75%時，全程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值比半程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值小0.59 mg；C機組工況50%時，全程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值比半程加熱采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果平均值小0.61 mg。

分析原因認(rèn)為，煙氣中水蒸氣凝結(jié)在半程加熱采樣管內(nèi)壁，并將附著在半程加熱采樣管內(nèi)壁上的顆粒物沖刷到濾膜上，造成了增重誤差。

2.3 驗證實驗結(jié)果及分析

驗證實驗結(jié)果見表5。

表3 B機組2種煙塵采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果

表4 C機組2種煙塵采樣管煙塵監(jiān)測結(jié)果

表5 驗證實驗結(jié)果

由表5可知，正向組全程加熱采樣管組的增重0.5～0.8 mg，正向組半程加熱采樣管組增重1.2～1.8 mg，正向組內(nèi)壁清潔的全程加熱采樣管組增重-0.2～0 mg，正向組內(nèi)壁清潔的半程加熱采樣管組增重-0.2～0.2 mg；反向組全程加熱采樣管組的增重0.1～0.4 mg，反向組半程加熱采樣管組增重0.5～0.7 mg，反向組內(nèi)壁清潔的全程加熱采樣管組增重-0.2～0 mg，反向組內(nèi)壁清潔的半程加熱采樣管組增重-0.1～0.3 mg；浸入去離子水組濾膜增重-0.5～0.1 mg，空白組濾膜質(zhì)量實驗前后最大誤差為0.2 mg(小于0.5 mg)，表明此次實驗的誤差在合理范圍之內(nèi)。

可見，監(jiān)測后正、反方向組2種加熱采樣管實驗前后濾膜質(zhì)量均有所增加，內(nèi)壁清潔的2種采樣管組和浸入去離子水組濾膜實驗前后雖然質(zhì)量增加量不同，但均小于0.5 mg，表明濾膜浸入去離子水后不會增重。這六組數(shù)據(jù)表明，采樣管組的濾膜質(zhì)量增加是由于流經(jīng)采樣管內(nèi)壁的水珠將附著在采樣管內(nèi)壁上的顆粒物沖刷到濾膜上造成的。正向組中半程加熱采樣管實驗前后濾膜增質(zhì)量較全程加熱采樣管多0.7～1.0 mg，說明半程加熱采樣管濾內(nèi)壁附著水量和沖刷到濾膜上的顆粒物多于全程加熱采樣管，對煙塵質(zhì)量的增加量在監(jiān)測結(jié)果中不可忽視。同時反向組中2種采樣管實驗前后濾膜增重均小于或等于0.5 mg，可以看出濾膜法對煙氣中的顆粒物截留效率很高。

3 結(jié)論

由于超凈排放標(biāo)準(zhǔn)煙塵濃度對監(jiān)測儀器的精度要求高，監(jiān)測中極小的質(zhì)量誤差就會對煙塵監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生較大影響，所以使用全程加熱煙塵采樣管采集煙塵樣品時抗干擾和污染的能力優(yōu)于半程加熱煙塵采樣管，煙塵監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確。在監(jiān)測超凈排放污染源時，采樣管內(nèi)壁附著的顆粒物會對監(jiān)測結(jié)果造成較大誤差，在監(jiān)測時及日常儀器維護中應(yīng)注意定期進行采樣管內(nèi)壁清潔。

此次實驗采用的《固定污染源排放低濃度顆粒物(煙塵)質(zhì)量濃度的測定 手工質(zhì)量法》(ISO 12141—2002)為國際標(biāo)準(zhǔn)，屬于質(zhì)量管理體系中非國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。各省及其下級環(huán)境監(jiān)測站在使用次監(jiān)測方法時應(yīng)重新進行此方法的不同實驗室間比對認(rèn)證，對使用此法監(jiān)測的環(huán)境監(jiān)測站造成很多麻煩。國家應(yīng)盡快著手編制我國測定低濃度顆粒物固定污染源顆粒物監(jiān)測方法的國家標(biāo)準(zhǔn)。

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By Using Heating the Dust Sampling Tube in the Whole Process and Heating the Dust Sampling Tube in the Half Process

BAI Yu1, LIU Tonghao1, WEN Xiaoming1, QIN Chenghua1, ZHANG Shoubin1, ZHOU Xiangyu2, WU Yuehui2

1.The State Key Laboratory of Environmental Monitoring Quality Control，China Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012,China 2.Heilongjiang Environmental Monitoring Centre,Haerbin 150056,China

Based on Action Plan for Upgrading and Transformation of Energy Saving and Pollution Emission Reduction for Coal Power Industry and 13th Five-Year Plan of National Environmental Protection, it is required that the emission concentration of coal-fired power plant should be meet the current emission standard of gas-fired boiler. Analyzer for atmospheric particulate matter concentration need to be updated according to this standard. Currently there are two kinds of dust sampling tube that can monitor the particulate matter for the upgraded coal-fired power plant. This study is mainly discussed the following issues, firstly, with the parallel experimental method, analyzing the results that are collected by using two different dust sampling tubes, secondly analyzing and evaluating these affected factors if the results by using these two methods have been determined differently, lastly, giving suggestions on how to improve the accuracy of monitoring the particulate matter for the coal-fired power plant.

coal fired power plant；dust；ultra-clean emission；heating the dust sampling tube in the whole process；heating the dust sampling tube in the half process

2016-04-18;

2016-05-06

國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項“工業(yè)鍋爐大氣污染物高分辨率排放清單及總量控制研究”(201509010)

白 煜(1984-)，男，黑龍江雙城人，碩士，工程師。

伍躍輝

X830.1

A

1002-6002(2016)04- 0114- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.21