燃煤電廠低濃度顆粒物的測試方法研究

易玉萍，朱法華，段玖祥，趙 洋，李小龍

(國電環(huán)境保護研究院，江蘇 南京 210023)

0 引言

我國是能源消耗大國，而且在消費結(jié)構(gòu)上，煤炭占的比重比較高，清潔能源的比重比較低。按《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)要求，重點地區(qū)要求煙塵排放限值為20mg/m3，2014年又出臺了燃煤機組超低排放政策，煙塵排放濃度小于10mg/m3，有的地區(qū)甚至達到了燃機排放標準，煙塵排放濃度小于5mg/m3，為達到顆粒物排放限值要求，火電廠對除塵設備進行了不同技術(shù)路線的改造，低低溫電除塵器、濕式電除塵器、SPC-3D除塵脫硫一體化技術(shù)等，對于高濕度、低溫度、低濃度顆粒物的測試提出了更加嚴格的要求。

1 國內(nèi)火電廠現(xiàn)行顆粒物測試方法及弊端

火電廠的總顆粒物可分為一次顆粒物和二次顆粒物。一次顆粒物包括可過濾顆粒物和可逃逸顆粒物，而可過濾顆粒物又包括煙塵、可吸入顆粒物和細顆粒物，可逃逸顆粒物包括可凝結(jié)顆粒物和可溶解性顆粒物；二次顆粒物是以氣態(tài)形式如SO2、NOx、SO3和VOC等排放到大氣中，通過復雜的大氣物理化學過程生成的顆粒物。目前的測試方法只對一次顆粒物進行測試。我國火電廠總顆粒物和細顆粒物(PM2.5)的主要測試方法見表1。

目前國內(nèi)火電廠煙氣中顆粒物的測定主要依據(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/T16157-1996 )[1]。由于顆粒物的慣性，需要進行等速采樣，采樣嘴的流速應與煙氣流速一致，玻璃纖維濾筒放置在采樣槍不銹鋼托內(nèi)。由于該標準制定較早，當時的煙塵排放濃度限值較高，且均為干煙氣，對于采集濕煙氣玻璃纖維濾筒容易被沾污、破損，該方法已不適用于低濃度、高濕度的顆粒物的測試要求。圖1為玻璃纖維濾筒采集干煙氣和濕煙氣的比較。

表1 國內(nèi)煙氣中顆粒物測試標準比較

標準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/T16157-1996)電除塵器性能測試方法(GB/T13931-2017)鍋爐顆粒物測試方法(GB/T5468-1991)山東省固定污染源廢氣低濃度顆粒物的測定重量法(DB37/T2537-2014)火電廠煙氣中細顆粒物(PM2.5)測試技術(shù)規(guī)范重量法(DL/T1520-2016)適用范圍各種鍋爐、工業(yè)爐窯、及其他固定污染源電除塵器的性能測試,濕式電除塵器、電袋復合除塵器可參考鍋爐出口煙塵<50mg/m3檢出限為1mg/m3火電廠煙氣中細顆粒物(PM2.5)檢出限為0.150mg/m3采樣要求等速采樣(采樣嘴的吸氣速度與測點處氣流速度相等,其相對誤差應在10%以內(nèi))。全壓測孔正對著氣流方向,其偏差不得超過10°采用等速采樣、正對著氣流方向。采樣嘴中心線與煙氣流之間的夾角應小于5°,采樣時間視顆粒物濃度定等速采樣、采樣嘴軸線與氣流流線的夾角不得大于5°,每個測點連續(xù)采樣時間不得少于3min,總采氣量不得少于1m3采樣嘴平面正對排氣氣流,每個樣品采樣時間不小于30min(對于顆粒物濃度小于20mg/m3的煙氣,采樣體積不小于1m3)有代表性的采樣點進行恒定的流速采樣,采樣時長應確保濾膜上的顆粒物負載量大于0.1mg濾筒玻璃纖維濾筒(對于0.5μm粒子捕集效率≥99.9%)、剛玉濾筒(對0.5μm的粒子捕集效率≥99%)玻璃纖維濾筒、剛玉濾筒,濾筒捕集效率≥99.9%沒有作出規(guī)定用濾膜取代濾筒、聚四氟乙烯,不含有機粘合劑的玻璃纖維、石英纖維收集膜:鋁箔聚碳酸酯箔;濾膜:玻璃纖維濾膜、石英濾膜等無機濾膜或聚氯乙烯、聚丙烯、混合纖維素等有機濾膜天平0.1mg0.01mg沒有作出規(guī)定0.1mg或0.01mg0.01mg恒重要求兩次重量之差應不超過±0.5mg兩次重量之差應不超過±0.3mg沒有作出規(guī)定兩次重量之差應不超過±0.5mg兩次重量之差應不超過±0.04mg背景煙塵排放限值為200mg/m3煙塵排放限值為30mg/m3或20mg/m3煙塵排放限值為600mg/m3煙塵排放限值為30mg/m3或20mg/m3目前國內(nèi)對細顆粒物的排放沒有限值要求

圖1 玻璃纖維濾筒采集干煙氣和濕煙氣的比較

原《電除塵器 性能測試方法》(GB/T13931-2003)[2]標準已修訂成2017標準，新標準增加了對過濾裝置、濾筒準備及采樣的要求，對于電除塵器后的低濃度干煙氣可引用該標準進行監(jiān)測，但該標準不適合火電廠煙氣脫硫出口、濕式電除塵器進出口和煙囪排放口的濕煙氣顆粒物的監(jiān)測。鍋爐顆粒物測試方法(GB/T5468-1991)[3]因制定較早，已不適用于現(xiàn)行的低濃度顆粒物測試。山東省2014年發(fā)布了《固定污染源廢氣低濃度顆粒物的測定 重量法》(DB37/T2537-2014)[4]的地方標準，對于低濃度顆粒物的測試可參照該標準進行。對于固定污染源廢氣中細顆粒物(PM2.5)的測試沒有國家標準，2016年火電行業(yè)出臺了行業(yè)標準《火電廠煙氣中細顆粒物(PM2.5)測試技術(shù)規(guī)范 重量法》(DL/T1520-2016)[5]，該標準明確了火電廠煙氣中細顆粒物(PM2.5)的測試技術(shù)規(guī)范和要求，對于監(jiān)測火電廠煙氣中的細顆粒物可引用該標準方法進行測試[6-7]。

2 國外低濃度顆粒物測試方法

美國環(huán)保署和國際標準化組織對固定污染源中低濃度總顆粒物和細顆粒物的測試都已有一系列標準，如表2所示。

表2 國外低濃度總顆粒物和細顆粒物的測試標準比較

標準ISO12141-2002Stationarysourceemissions-Deter-minationofmassconcentrationofparticulatematter(dust)atlowcon-centrations-Man-ualgravimetricmethod[手工重量分析法監(jiān)測固定污染源排放的低濃度的顆粒物(煙塵)的質(zhì)量濃度]ANSI/ASTMD6331-2014Testmethodfordeterminationofmassconcentrationofparticulatematterfromstationarysourcesatlowcon-centrations(Manualgravimetricmethod)[手工重量分析法-測定固定污染源排放的低濃度顆粒物的濃度的試驗方法]ISO9096-2003 Stationarysourceemissions-Manualdeter-minationofmassconcentrationofparticulatematter[手工測定固定污染源排放的顆粒物的質(zhì)量濃度]EPAMethod201ADeterminationofPM10andPM2.5e-missionsfromSta-tionarysource(constantsamplingrateprocedure)[固定污染源排放PM10和PM2.5的測定-恒流采樣法]ISO23210-2009 Stationarysourcee-missions-Determi-nationofPM10/PM2.5massconcen-trationinfluegas-Measurementatlowconcentrationsbyuseofimpactors[固定污染源排放煙氣中PM10/PM2.5質(zhì)量濃度測定-低顆粒物濃度下的撞擊法測定]EPAMethod202-Impingermeth-odfordeterminingcondensablepar-ticulateemissionsfromStationarysource[利用干式撞擊法測定固定污染源排放的可凝結(jié)顆粒物]適用范圍顆粒物濃度<50mg/m3;當采樣濃度低于5mg/m3時,建議采用大的采樣嘴,或者延長采樣時間顆粒物濃度<50mg/m3;當采樣濃度低于5mg/m3時,建議采用大的采樣嘴,或者延長采樣時間顆粒物濃度20～1000mg/m3可監(jiān)測可過濾顆粒物,包括固態(tài)(液態(tài))可過濾PM2.5、可過濾PM10、及可過濾總顆粒物,不能測定可凝結(jié)顆粒物,即無法監(jiān)測總一次顆粒物固定污染源中PM10、PM2.5可凝結(jié)顆粒物(PM2.5),包括有機和無機的可凝結(jié)顆粒物?？赡Y(jié)顆粒物檢出限為4mg,有機可凝結(jié)顆粒物檢出限為0.5mg,無機可凝結(jié)顆粒物檢出限為3.5mg采樣要求等速采樣,采樣嘴迎氣流方向夾角小于±10°等速采樣,采樣嘴迎氣流方向夾角小于±10°(采樣時間不低于30min)等速采樣,采樣嘴迎氣流方向夾角小于±10°恒定流速采樣,采樣點數(shù)最大為12個有代表性的采樣點恒流采樣,采樣嘴中心線與氣流方向角小于±10°濾膜濾膜對0.3μm的粒子捕集效率≥99.5%。石英纖維濾膜、PTFE濾膜較好濾膜對0.3μm的粒子捕集效率≥99%。多孔氧化鋁濾膜或玻璃纖維濾膜濾膜對0.3μm的粒子捕集效率≥99%。石英纖維濾膜、PTFE濾膜較好。在高濕狀態(tài)下不建議用玻璃纖維濾筒,因會與SO3反應,導致濾筒增重惰性玻璃纖維、石英,或者不含有機粘合劑的高聚物過濾膜惰性玻璃纖維、石英,或者不含有機粘合劑的高聚物過濾膜。濾膜對0.3μm的粒子捕集效率≥99.5%,或平均粒徑0.6μm時捕集效率≥99.9%惰性玻璃纖維、石英,或者不含有機粘合劑的高聚物過濾膜天平0.01mg或0.1mg0.1mg0.01mg或0.1mg0.1mg0.01mg0.1mg恒重無要求,回收采樣設備上過濾器上游管道中的沉積塵并稱重。稱重需在3min內(nèi)完成,每分鐘讀一個數(shù),讀三次無要求,回收采樣設備上過濾器上游管道中的沉積塵并稱重。稱重需在3min內(nèi)完成,每分鐘讀一個數(shù),讀三次回收采樣設備上過濾器上游管道中的沉積塵并稱重。稱重時濾筒快速拿出,在1min內(nèi)稱完,首次讀數(shù)后,每隔5s再讀兩次數(shù)兩次重量之差應不超過±0.5mg或者1%,以較大值為準,稱重之間的干燥時間不低于6h無要求,稱重需在3min內(nèi)完成,每分鐘讀一個數(shù),讀三次兩次重量之差應不超過±0.5mg或者1%,以較大值為準,稱重之間的干燥時間不低于6h

ISO12141-2002[8]和ANSI/ASTMD6331-2014[9]，都是監(jiān)測總顆粒物濃度小于50mg/m3以下的煙氣，均為等速采樣，并且要回收采樣設備上過濾器上游管道中的沉積塵。對于中國火電廠低濃度顆粒物的測試可參考標準ISO9096-2003[10]，監(jiān)測范圍在20～1000mg/m3之間，小于20 mg/m3的煙氣不適合于該方法，所以不適合中國火電廠低濃度顆粒物的測試。

EPA Method 201A[11]是監(jiān)測固定污染源中可過濾的PM10和PM2.5，其采用旋風分級法原理：是使氣流做旋轉(zhuǎn)運行產(chǎn)生離心力對不同粒徑的顆粒物進行分級的方法，大粒徑的顆粒物所受離心力大，脫離氣流沉積在分級器壁表面上，而小顆粒物所受離心力小跟隨氣流流出分級器，進入到下一級分級器中。首先煙氣經(jīng)過Ⅰ級大顆粒分割器，分離粒徑大于10μm的顆粒物，再經(jīng)由Ⅱ級顆粒分割器去除粒徑2.5～10μm的顆粒物，最后由濾膜來收集PM2.5細顆粒物，通過監(jiān)測收集到的PM2.5細顆粒物質(zhì)量，計算得到PM2.5一次固態(tài)(液態(tài))細顆粒物濃度。

EPA Method 202[12]是監(jiān)測固定污染源中可凝結(jié)細顆粒物，與EPA Method 201A相結(jié)合，可監(jiān)測可凝結(jié)細顆粒物。當一次固態(tài)(液態(tài))細顆粒物通過EPA Method 201A的方法被濾膜收集后(溫度大于30℃)，煙氣經(jīng)過低于30℃的冷凝器，可冷凝顆粒物被干燥的撞擊器和濾膜所捕集，通過干燥和稱重撞擊器和濾膜得到一次冷凝顆粒物的重量。收集后需要用丙酮清洗整個旋風分級器，然后蒸干沖洗液丙酮并進行恒重，其整個過程繁瑣且不易控制其分析誤差，不利于現(xiàn)場的操作，對于監(jiān)測煙氣中低濃度的PM2.5其可操作性差，不太適合燃煤電廠現(xiàn)場監(jiān)測。

ISO23210-2009[13]可監(jiān)測固定污染源中PM10和PM2.5，是基于采用圓形噴嘴撞擊器的撞擊作用，被測氣體通過一個噴嘴得到加速并偏轉(zhuǎn)90°，空氣動力學當量直徑較大的顆粒物，由于其質(zhì)量慣性無法跟隨氣流運動，進而撞擊收集膜并被捕集，較小的顆粒物隨氣流繼續(xù)前進，進入下一級撞擊收集膜。

3 現(xiàn)行低濃度顆粒物和細顆粒物測試方法建議

由于顆粒物的慣性力，顆粒物的測試應采用網(wǎng)格等速采樣，即采樣嘴的流速應與煙氣流速一致，國內(nèi)外測試標準的采樣原理均相同，不同之處是采樣設備、濾筒(膜)材質(zhì)和天平感量的不同。對我國火電廠低濃度顆粒物的測試建議通過對采樣設備、濾筒、分析天平、采樣人員、采樣過程的質(zhì)量控制來保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性、準確性[14-17]。

(1)傳統(tǒng)的濾筒與采樣頭、采樣嘴分開，實際采樣中只稱量濾筒的重量，對高塵煙氣而言，此誤差可以忽略不計，而對低塵煙氣，如不計采樣頭、采樣嘴上附著的顆粒物將引起較大的監(jiān)測誤差。高濕、低塵、低溫煙氣采用一體化采樣頭(見圖2)，采樣頭用不銹鋼材質(zhì)不會破損，附著在采樣嘴和彎頭上的顆粒物一起被整體稱量，減少了誤差提高了采樣精度。用濾膜網(wǎng)來支撐濾膜，保證了濾膜長時間采樣不破裂，能夠采到1m3以上的煙氣。一體化采樣頭使用完后，應用超聲波儀器清洗干凈后再烘干待用。

圖2 一體化采樣頭

(2)采用進口材質(zhì)的濾膜(PTFE聚四氟乙烯濾膜、石英纖維濾膜)，濾膜對顆粒截留率(0.3μm) >99.995%，濾膜能夠抗酸堿，并能滲透煙氣中的氣態(tài)、液態(tài)水，不會打濕濾膜也不會影響試驗數(shù)據(jù)。

(3)采用感量為0.01mg天平，因感量為0.1mg天平難以達到稱量要求，采樣時應確保一體化采樣頭的增重大于2mg，稱量時保證樣品恒重，前后兩次稱重變化不超過0.3mg。

(4)采樣技術(shù)人員的規(guī)范操作也是監(jiān)測數(shù)據(jù)準確可靠的保證，采樣完成后應用專用袋裝好采樣頭，并保證采樣嘴朝上，采樣前、后采樣頭應在同一臺天平進行稱量，以減少系統(tǒng)誤差。

(5)對于細顆粒物(PM2.5)的測試，從測試原理上看，重量法都是最直接、最可靠的方法，也與總顆粒物的測試方法原理一致，對于火電廠的PM2.5質(zhì)量濃度排放量的監(jiān)測使用重量法進行，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。2016年電力行業(yè)出臺了行業(yè)標準《火電廠煙氣中細顆粒物(PM2.5)測試技術(shù)規(guī)范 重量法》(DL/T1520-2016)，該標準與ISO23210-2009相一致，都是基于采用圓形噴嘴撞擊器的撞擊作用(見圖3)。煙氣中不同粒徑范圍的顆粒物被收集在已知質(zhì)量的收集膜和濾膜上，根據(jù)采樣前、后收集膜和濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計算出細顆粒物(PM2.5)的質(zhì)量濃度。

圖3 PM2.5測試方法原理示意

圖4 撞擊法煙氣采樣系統(tǒng)流程

采樣時煙氣首先通過采樣槍進入旋風分離器(見圖4)，大于10μm的顆粒物由旋風分離器進行分離，小于10μm的顆粒物進入撞擊器進行分級捕集。采樣時應保證采樣嘴處等速率的計算值在90%到130%之間，降低因顆粒物的慣性運動而導致采樣偏差。在采集濕煙氣時，由于煙氣中水分較大，為防止煙氣冷凝，采樣槍、旋風分離器和撞擊器必需進行加熱保溫，溫度控制在130℃±10℃之間，并且保證采樣槍、旋風分離器和撞擊器是相同材質(zhì)，如鈦或不銹鋼等。采樣時保證濾膜上的顆粒物負載量大于0.1mg，收集膜和濾膜恒重時應保證連續(xù)兩次烘干后的質(zhì)量，其差值不超過±0.04mg。

4 結(jié)語

目前，火電廠煙氣顆粒物超低排放已在全國燃煤電廠全面實施，準確監(jiān)測總顆粒物和細顆粒物的排放濃度尤為重要，現(xiàn)行的標準《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/T16157-1996)已經(jīng)不適合于火電廠低濃度濕煙氣中顆粒物的測試要求。

(1)對于火電廠顆粒物的監(jiān)測建議使用一體化采樣設備，通過對采樣濾膜、設備、分析天平、采樣過程的控制來保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。

(2)按照《火電廠煙氣中細顆粒物(PM2.5)測試技術(shù)規(guī)范 重量法》(DL/T1520-2016)來監(jiān)測火電廠細顆粒物，能保證監(jiān)測結(jié)果的可比性和準確性。

[1]GB/T16157-1996,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].

[2]GB/T13931-2017,電除塵器性能實驗方法)[S].

[3]GB/T5468-1991,鍋爐顆粒物測試方法)[S].

[4]DB37/T2537-2014,山東省固定污染源廢氣低濃度顆粒物的測定重量法[S].

[5]DL/T1520-2016,火電廠煙氣中細顆粒物(PM2.5)測試技術(shù)規(guī)范重量法[S].

[6]易玉萍,段玖祥,周道斌,等.重量法測定燃煤電廠煙氣中細顆粒物[J].電力科技與環(huán)保,2015, 31(5):57-59.

[7]易玉萍,李小龍,朱法華,等.撞擊分離法測定燃煤電廠煙氣PM2.5的試驗研究[J].環(huán)境工程,2017,35(增刊):127-130.

[8]ISO12141-2002,Stationary source emissions-Determination of mass concentration of particulate matter (dust) at low concentrations-Manual gravimetric method[S].

[9]ANSI/ASTMD6331-2014,Test method for determination of mass concentration of particulate matter from stationary sources at low concentrations (Manual gravimetric method) [S].

[10]ISO9096-2003,Stationary source emissions-Manual determination of mass concentration of particulate matter[S].

[11]EPA Method 201A Determination of PM10and PM2.5emissions from Stationary source (constant sampling rate procedure[S].

[12]EPA Method 202-Impinger method for determining condensable particulate emissions from Stationary source[S].

[13]ISO23210-2009,Stationary source emissions-Determination of PM10/PM2.5mass concentration in flue gas-Measurement at low concentrations by use of impactors[S].

[14]孟令媛,朱法華,易玉萍.燃煤電廠超低排放顆粒物測試方法研究[J].中國電力,2016,49(10):123-126.

[15]劉含笑,姚宇平,酈建國. 燃煤電廠低濃度顆粒物測試的空白實驗研究[J].中國電力,2017, 50(7):115-120.

[16]陳 歡,常倩云,許娟娟. 燃煤煙氣超低濃度顆粒物測試方法研究與應用[C].中國環(huán)境科學學會學術(shù)年會論文集, 2015:3310-3314.

[17]王忠渠,仝 聲,王 強.紫外煙氣分析儀在燃煤電廠超低排放氣態(tài)污染物監(jiān)測中的應用[J].電力科技與環(huán)保,2016,32(2):39-41.