低濃度煙塵采樣技術在CEMS監(jiān)測中的應用和意義

白 鴿，劉 艷，姜 曄，馬學美，王恩華

(1.齊魯工業(yè)大學 實驗管理中心 ,山東 濟南 250353；2.青島和誠環(huán)?？萍加邢薰?山東 青島 266100)

據(jù)統(tǒng)計顯示，我國火電廠發(fā)電排放的煙塵總量約占全國排放總量的30.1%[1]，煙塵煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)仍為環(huán)保部門全面掌握火電廠污染物排放總量的重要依據(jù)。而作為判定CEMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性的手工對比監(jiān)測已成為各級環(huán)境監(jiān)測部門日常工作的重點，隨著火電廠等各種固定污染源排放標準越來越嚴，顆粒物排放濃度的限值越來越小，在《火電 廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)[2]中規(guī)定，火力發(fā)電鍋爐和燃氣輪機組顆粒物濃度排放限值不能超過30mg/m3，傳統(tǒng)的手工稱重法主要采用濾筒法采集顆粒物，由于該法在煙氣含濕量高，濾筒在取拿過程中很容易損壞濾筒，導致破損而失重，導致采樣誤差，甚至出現(xiàn)負值。而低濃度采樣技術采用整體稱重，無中間環(huán)節(jié)，無損耗，因此能夠滿足低于30mg/m3濃度的低濃度采樣技術[3]對當前煙塵采樣工作有著非常重要的意義。

1 實驗方法及原理

1.1 傳統(tǒng)的煙塵采樣——濾筒稱重法

1.1.1 濾筒稱重法的原理

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》(GB16157-1996)[4]的要求，利用傳統(tǒng)濾筒法進行煙塵采樣是根據(jù)采樣管濾筒上所捕集到的顆粒物量和同時抽取的氣體量，計算排氣中的顆粒物濃度。采樣管使用玻璃纖維濾筒采樣管，主要由采樣嘴、前彎管、濾筒夾、濾筒、采樣管主體等部分組成(圖1)。

1.濾筒；2.采樣管；3.冷凝器；4.溫度計；5.干燥器;6.真空壓力表;7.轉子流量計;8.累積流量計;9.調(diào)節(jié)閥;10.抽氣泵

圖1 玻璃纖維濾筒采樣管

1.1.2 濾筒稱重法的局限性

濾筒稱重法還是一種比較準確的經(jīng)典方法，經(jīng)常在國家標準中作為其它測量手段的參比方法，但是其缺點也很明顯，一般來說需要進行手工操作，引入操作誤差，而且測量周期長，費時費力，自動化程度低，不符合現(xiàn)在標準實施操作的要求。當顆粒物濃度低于50 mg/m3時，適用于高濃度顆粒物的濾筒稱重法采樣方法在測量低濃度煙塵中存在很大的缺陷：除了人為操作誤差之外，還有以下原因：

(1)濾筒需要固定壓緊安裝在采樣管的氣路中，這種結構形式，導致濾筒在取拿的過程中，會導致濾筒的破損而引起失重(尤其是當水分含量高時，更容易使濾筒破損)；

(2)采樣嘴、采樣彎頭的內(nèi)部容易粘附顆粒物，而引起采集的顆粒物總重上的失重；

(3)由于濾筒是一層層噴涂而成，當長時間氣流經(jīng)過濾筒本身時，會導致濾筒的玻璃纖維等材料的流失，而導致濾筒本身的失重；

(4)在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，由于濾筒材質以及玻璃纖維本身的吸濕特性，烘干后的濾筒濕度較天平室內(nèi)濕度小，吸濕現(xiàn)象嚴重，造成天平顯示不穩(wěn)，恒重較為困難。

1.2 低濃度采樣技術

1.2.1 低濃度采樣技術產(chǎn)生的意義

根據(jù)《《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)污染物排放項目中煙塵最低濃度限值低于30mg/m3的要求，國家將更加嚴格地控制排污行為而制定并實施大氣污染物排放限值。按照《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T75-2007)[5]的要求，對比監(jiān)測項目中煙塵(顆粒物)的比對，大部分環(huán)境監(jiān)測站均使用自動煙塵采樣器并根據(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/T16517-1996)進行，因此解決濾筒稱重法在低濃度煙塵采樣中誤差大的問題對CEMS手工對比監(jiān)測具有重要的意義。

1.2.2 基本原理

低濃度采樣技術是我公司采用采樣嘴、彎頭、采樣膜一體化的采樣頭(圖2)實現(xiàn)低濃度采樣的一種技術。為配合煙道低濃度采樣槍用的整體稱重而設計了低濃度采樣頭適用于測量低濃度煙塵(<50mg/m3)排放的煙道，用濾膜過濾收集煙塵。低濃度采樣頭設計用不銹鋼彎管采樣嘴、濾膜、濾網(wǎng)為一體，一起烘干、一起稱重，將濾筒結構換成濾膜結構可避免濕度對測量結果的影響，可以大大減小采樣誤差，提高了采樣精度，使整個采樣過程輕松、簡單。

圖2 新型采樣頭與傳統(tǒng)采樣頭比較

1.2.3 關鍵技術

低濃度煙塵采樣技術的關鍵是對采樣頭、彎頭、濾膜及濾膜夾的結構、外形尺寸、重量、材質的要求。采樣頭由彎管采樣嘴、玻璃纖維濾膜、濾網(wǎng)和鋁箔四部分組成(圖3)。

1.2.3.1 采樣嘴

采樣嘴的直徑與各采樣點處的排氣溫度、壓力、水分含量和氣流速度等參數(shù)決定著等速條件下各采樣點所需的采樣流量，因此需配置一系列不同直徑的取樣嘴，以確保在較寬的流速范圍內(nèi)(3m/s至50m/s)等速跟蹤取樣，并避免樣氣流速的極端變化。為避免干擾主氣流和取樣嘴頂端氣流的湍動，取樣嘴設計為尖嘴狀，在取樣嘴長度允許的情況下，將取樣嘴設計為彎折，彎曲半徑至少為取樣嘴內(nèi)徑1.5倍。

圖3 采樣頭組成

1.2.3.2 濾膜網(wǎng)

為了避免濾膜介質的損失 以及采樣氣流的穩(wěn)定均勻，使用濾膜網(wǎng)來支撐濾膜，濾膜網(wǎng)的設計通常使用粗網(wǎng)過濾支架確保連接點處無氣體湍動。特殊加工的濾膜支撐片直徑47mm，厚度為0.2mm。支撐片上均勻分布了4000多個0.2mm直徑的孔，這樣的結構保證了濾膜的受力均勻性和氣流均勻性，從而實現(xiàn)濾膜的強度不會因為濾膜局部受力不均而破裂。

1.2.3.3 濾膜

濾膜是采集顆粒物參與稱重的核心部位，濾膜材質的選取尤為關鍵。濾膜材質不應吸收或與樣氣中的氣態(tài)化合物反應，在最大的采樣溫度下應是熱穩(wěn)定的。一般都是用玻璃纖維的。玻璃纖維是常用濾膜，但存在邊緣切割不好也會造成掉渣的可能，所以現(xiàn)在采用特殊加工技術所做的濾膜，基本上解決了掉渣問題。濾膜過濾效率應大于99.5%，該效率使用液滴測試，在最大期望流率下，液滴平均直徑0.3μm，(或過濾效率應大于99.9%，使用液滴測試，在最大期望流率下，液滴平均直徑0.6μm)。此效率應由濾膜供應商證實。在大體積流率下，濾膜應由足夠的面積以確保壓力降足夠低符合指定的濾膜過濾效率。

1.2.3.4 稱重過程

低濃度采樣技術采用一體化設計，所有進入低濃度采樣頭的顆粒物均被捕集，從而最大程度的保證了采樣精度。利用專業(yè)的工藝條件保證采樣嘴、采樣彎頭一次成型，采樣嘴的直徑直接沖壓而成，使得采樣嘴、采樣彎頭、濾膜一體化設計，一起稱重，一起取拿(圖4)，整個采樣頭的重量輕(在天平稱量的范圍線性區(qū)內(nèi))，現(xiàn)在我公司做的采樣頭總重在18～20g之間(天平的稱量范圍可選：0～100g，精度為0.1mg)。低濃度采樣頭的整個部件均為304不銹鋼材料，不存在采樣頭破損等引起的失重。

圖4 采樣稱重

2 討論

選取**市**熱電廠(以下簡稱A)：2臺75t/h蒸汽鍋爐和12兆瓦抽凝機組；**縣**熱電廠除塵工程效果檢驗(以下簡稱B)。

2.1 實驗內(nèi)容

采用兩套HC-9001型煙塵自動測試儀，分別配有低濃度采樣槍和普通采樣槍。

2.1.1 低濃度采樣管采樣頭一體化稱重

采樣后先用酒精或者丙酮，擦洗采塵管外部，然后放入105℃烘箱中烤1小時，取出置于干燥皿中，冷卻至室溫，用感量0.1mg天平稱量至恒重，記錄下烘干后的終重。采樣前后整體重量之差，即為采取的顆粒物量。稱重完畢后將用過的濾膜、鋁箔更換，擦洗采樣頭內(nèi)部，采樣頭放入盒內(nèi)存儲。

2.1.2 HC-9001型煙塵自動測試儀普通采樣槍

采樣后的濾筒，記錄下烘干前的終重，放入105℃烘箱中烤1小時，取出置于干燥皿中，冷卻至室溫，用感量0.1mg天平稱量至恒重，記錄下烘干后的終重。采樣前后濾筒重量之差，即為采取的顆粒物量。

2.2 測試數(shù)據(jù)

某熱電廠測試：

測量時間間隔：20min。

工況：矩形煙道，除塵設備較完善。

某熱電廠普通采樣槍與低濃度采樣槍對比監(jiān)測見圖5。

圖5 2017年9月13日某熱電廠普通

2.3 實驗結果

通過A的低濃度采樣技術與濾筒采樣對比得出以下結論：

(1) 滿足低濃度(小于50mg/m3)，含濕量(大于15%)的煙氣的顆粒物采樣。

(2) 槍體結構合理，內(nèi)部連接通用性強，維護方便，外觀簡潔，功能完整，重量輕，使用攜帶方便。

表1 B低濃度采樣數(shù)據(jù)結果

(3) 低濃度煙槍設計避免了現(xiàn)場安裝、塵損耗等傳統(tǒng)濾筒無法避免的問題，得出的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，誤差小。

通過B得低濃度技術與濾筒采樣對比結果比濾筒采集效率高，而且操作方便，看表1可知，其濃度非常低，采集效果好。總結在濃度較低時，應更加注重采樣的質控過程，特別注意在每次稱重時，應用砝碼校準天平。

3 結論

隨著我國污染處理設施日益規(guī)范，對排放顆粒物的要求越來越高，低濃度顆粒物采樣在CEMS系統(tǒng)比對測試中已經(jīng)成為各級環(huán)境監(jiān)測部日常工作的重點。相對于濾筒法，低濃度采樣技術采用采樣嘴、采樣彎頭、采樣膜一體化的整體稱重，不僅克服了濾筒稱重在低濃度顆粒物采樣中的不足，實現(xiàn)低濃度的高精度采樣。