進(jìn)氣流量對(duì)PM2.5切割器捕集效率的影響

劉佳琪，張國城，趙曉寧，吳 丹，荊文杰

(北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

PM2.5(particulate matter，PM)顆粒物是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物?？諝庵械倪@類顆粒物會(huì)隨呼吸直接進(jìn)入人體，并滯留在肺部，導(dǎo)致各種疾病的產(chǎn)生。近年來，隨著對(duì)大氣顆粒物的深入研究，PM2.5污染越來越受到國內(nèi)外人士的廣泛關(guān)注，國家環(huán)保部門正對(duì)城市空氣PM2.5污染加強(qiáng)管理和控制。為了有效監(jiān)測此類物質(zhì)，各種粉塵濃度測量儀器、大氣污染物監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛研究與應(yīng)用[1～5]。目前常見的PM2.5質(zhì)量濃度測量儀由樣品采集單元(包括采樣口、PM2.5切割器和采樣管等)、樣品測量單元、數(shù)據(jù)處理單元和顯示單元幾部分組成，為了提高測量的準(zhǔn)確性，需要在顆粒物采集單元使用切割器對(duì)不同粒徑的顆粒物進(jìn)行分級(jí)，從而有針對(duì)性地測量空氣中的特定粒徑范圍的顆粒物濃度。美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)規(guī)定了常用的PM2.5切割器的捕集效率的評(píng)價(jià)方法[6]，包括洗脫法、分流法及靜態(tài)箱法。本文采用靜態(tài)箱法對(duì)切割器的捕集效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。已有一些研究人員對(duì)切割器的評(píng)價(jià)過程、氣溶膠發(fā)生裝置等進(jìn)行了相關(guān)探究[7～10]。

在顆粒物濃度監(jiān)測領(lǐng)域，PM2.5切割器可以分為旋風(fēng)式、沖擊式、虛擬式3種。采樣器在工作環(huán)境條件下，采樣流量保持定值，并能保證切割器切割特性的流量稱為采樣器的工作點(diǎn)流量。采樣器實(shí)時(shí)測量流量計(jì)前壓力、流量計(jì)前溫度、環(huán)境大氣壓、環(huán)境溫度等參數(shù)對(duì)采樣流量進(jìn)行控制[11]。在HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同切割器的流量范圍，大流量采樣器工作點(diǎn)流量為1.05 m3/min；中流量采樣器工作點(diǎn)流量為100 L/min；小流量采樣器工作點(diǎn)流量為16.67 L/min[12]。在采樣器使用過程中，溫濕度的變化、不斷積累的顆粒物都有可能會(huì)對(duì)切割器的進(jìn)氣流量產(chǎn)生影響，當(dāng)進(jìn)氣流量偏離切割器的標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)流量時(shí)，切割器的捕集效率會(huì)隨之受到影響。HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了當(dāng)采樣器測量的流量與規(guī)定的工作點(diǎn)流量的偏差超過±10%，且持續(xù)時(shí)間超過60 s時(shí)，采樣器應(yīng)停止抽取空氣樣品，同時(shí)停止采樣時(shí)間累計(jì)；采樣器應(yīng)對(duì)此種情況給出報(bào)警記錄和累計(jì)采樣時(shí)間記錄，用于判斷該采集樣品的有效性，可見采樣器的進(jìn)氣流量偏差較大時(shí)，會(huì)對(duì)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定影響。在HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在采樣器正常工作條件下，使用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在采樣入口處檢測流量，平均流量偏差應(yīng)不超過±5%設(shè)定流量；流量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不超過2%；平均流量示值誤差應(yīng)不大于2%。

為了探究進(jìn)氣流量與切割器捕集效率的關(guān)系，本文搭建了基于靜態(tài)箱法的切割器捕集效率評(píng)價(jià)系統(tǒng)，使用HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的8種粒徑聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)霧化發(fā)塵、稀釋干燥，再結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀進(jìn)行顆粒物個(gè)數(shù)濃度的測量。通過測量上游即未經(jīng)過切割器的顆粒物數(shù)量濃度值，以及下游即經(jīng)過切割器的顆粒物數(shù)量濃度值，下游與上游的比值即為該粒徑下的捕集效率。通過調(diào)整外接氣泵的抽氣流量，即可控制進(jìn)入切割器的氣流量大小。在實(shí)驗(yàn)設(shè)定中，選擇了進(jìn)口及國產(chǎn)的PM2.5切割器，分別對(duì)不同流量下的切割器捕集效率曲線進(jìn)行測量，從而分析Da50及捕集效率曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差受到的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 搭建測試系統(tǒng)

為了對(duì)切割器的捕集效率進(jìn)行測量，搭建如圖1所示的評(píng)價(jià)系統(tǒng)。系統(tǒng)由霧化發(fā)塵部分、混勻艙、測量艙及空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀組成。通過使用文丘里原理的霧化發(fā)塵器，可將不同粒徑的聚苯乙烯小球懸浮液以霧化方式噴出，在經(jīng)過潔凈氣流的稀釋干燥后，在混勻箱中緩慢下降，與空氣混勻，形成濃度穩(wěn)定的氣溶膠。當(dāng)顆粒物氣溶膠到達(dá)測量箱后，可通過控制電磁閥分別抽取參比路(未經(jīng)切割器)及經(jīng)過切割器的氣溶膠進(jìn)行測量。使用空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀(TSI，APS3321，美國)可對(duì)上、下游的顆粒物個(gè)數(shù)濃度進(jìn)行測量，從而計(jì)算出對(duì)應(yīng)此粒徑的切割器捕集效率。在完成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8種粒徑聚苯乙烯小球發(fā)塵及測量后，通過使用擬合算法[13，14]對(duì)所有粒徑的捕集效率進(jìn)行擬合，可得出Da16、Da50及Da84的值，即捕集效率為16%、50%及84%時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑值。HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了Da50及捕集效率曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)滿足的范圍，以此來判斷切割器是否合格。

圖1 切割器捕集效率評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.1 The construction of the particle separating device penetration curve assessment system

根據(jù)HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用于評(píng)價(jià)PM2.5切割器的顆粒物粒徑，確定了本實(shí)驗(yàn)過程中使用的8種聚苯乙烯微球的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑，如表1所示，均為空氣動(dòng)力學(xué)直徑為特性量值的國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(所用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為GBW 13624-13649，研制單位為中國計(jì)量科學(xué)研究院)[15]。

表1 用于實(shí)驗(yàn)的8種聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)粒徑Tab.1 Particle sizes of 8 kinds of standard polystyrene microspheres used in the experiment

切割器的捕集效率按照式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：ηij為單次測得的每個(gè)粒徑點(diǎn)的捕集效率；C1ij和C2ij分別為切割器上、下游單次測得的單分散顆粒物數(shù)量濃度，其單位為個(gè)/cm3；i是依次產(chǎn)生氣溶膠的粒徑序號(hào)(i=1～8)；j為在每個(gè)粒徑點(diǎn)測得的捕集效率次數(shù)(j=1～3)。

為了評(píng)價(jià)每個(gè)粒徑點(diǎn)處測得的捕集效率的有效性，需依照式(2)計(jì)算每個(gè)粒徑點(diǎn)處3次測得結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Cvi(i=1～8)。

(2)

按照HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，每個(gè)粒徑點(diǎn)處測得的3次捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差Cvi不超過10%時(shí)，此測量結(jié)果有效。在測得了各個(gè)粒徑點(diǎn)處有效的捕集效率后，可依次計(jì)算出8個(gè)粒徑點(diǎn)處的捕集效率平均值，將這些平均值與對(duì)應(yīng)的氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒徑進(jìn)行擬合，最終可得出捕集效率與氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒徑之間的關(guān)系曲線。

通過對(duì)擬合后的捕集效率曲線進(jìn)行分析，可獲取捕集效率為16%、50%、84%時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量粒徑，曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg可按式(3)計(jì)算得出。

(3)

式中：Da16、Da50、Da84分別為捕集效率為16%、50%、84%時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量粒徑。

2.2 控制進(jìn)氣流量

由于通過切割器的氣流量是由粒徑譜儀的抽氣流量及外接氣泵的抽氣流量共同決定的，而本文使用的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀的抽氣流量設(shè)定為不變的5 L/min，所以可通過控制抽氣泵的流量值來改變通過切割器的氣體流量。本文選擇了進(jìn)口和國產(chǎn)切割器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)它們的工作流量16.67 L/min，測量在以下進(jìn)氣流量下切割器的捕集效率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑及捕集效率曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差受到的影響。

評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的外接抽氣泵的抽氣流量是由流量計(jì)控制的，通過設(shè)定流量計(jì)的值，可達(dá)到調(diào)節(jié)切割器進(jìn)氣流量的目的。為了探究進(jìn)氣流量對(duì)切割器性能的影響，此處分別選取了切割器標(biāo)準(zhǔn)工作流量及該值的70%、80%、120%、130%作為抽氣流量值展開觀測，分別設(shè)定該5種流量值，完成切割器捕集效率的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，流量值如表2所示。

表2 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的切割器進(jìn)氣流量Tab.2 The inlet flow rates of cutter

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 進(jìn)氣流量對(duì)切割器Da50的影響

為了驗(yàn)證對(duì)進(jìn)氣流量的控制是否穩(wěn)定、準(zhǔn)確，本實(shí)驗(yàn)使用校準(zhǔn)過的流量計(jì)(TSI)對(duì)通過切割器的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量。流量計(jì)安裝在切割器之前，為了排除流量計(jì)可能造成的顆粒損失，將另一個(gè)相同的流量計(jì)安裝在參比管路的采樣器之前。在測量捕集效率的過程中，采集通過切割器的流量值，流量隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。此處進(jìn)行分析的流量值為進(jìn)行上、下游采集的各60 s，合計(jì)120 s內(nèi)流量計(jì)測得的進(jìn)氣口流量值，間隔10 s讀取一個(gè)值。根據(jù)HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在采樣器正常工作條件下，使用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在采樣入口處檢測流量，平均流量偏差應(yīng)不超過±5%設(shè)定流量；流量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不超過2%。通過對(duì)流量計(jì)測量結(jié)果的分析，在測量過程中，平均流量值為16.71 L/min，與設(shè)定流量值16.67 L/min的偏差為0.2%，流量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.59%，均符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

圖2 PM2.5切割器進(jìn)氣流量隨時(shí)間變化情況Fig.2 Time history of the inlet flow rates of PM2.5 particle separating device

圖3為進(jìn)口的VSCC-PM2.5切割器及國產(chǎn)的PMS-200-PM2.5切割器的Da50與進(jìn)氣流量之間的關(guān)系。可以看出，隨著切割器進(jìn)氣流量增加，捕集效率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)切割器的進(jìn)氣流量分別為標(biāo)準(zhǔn)工作流量的70%、80%、120%及130%時(shí)，2個(gè)參評(píng)切割器的Da50值分布范圍均為標(biāo)準(zhǔn)工作流量下Da50值的140%至80%。根據(jù)之前的研究人員進(jìn)行的相關(guān)研究結(jié)果，考慮造成該現(xiàn)象的原因是由于變化的進(jìn)氣流量影響了顆粒物在切割器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡，使切割器的性能表現(xiàn)有所不同。當(dāng)進(jìn)氣流量偏離切割器的標(biāo)準(zhǔn)工作流量超過一定程度時(shí)，切割器的Da50將超過HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。以進(jìn)口的VSCC-PM2.5切割器為例，當(dāng)切割器的進(jìn)氣流量偏差超過標(biāo)準(zhǔn)工作流量的7.4%時(shí)，切割器的Da50將不再滿足HJ 93-2013標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于此項(xiàng)的規(guī)定。

圖3 PM2.5切割器的Da50值與進(jìn)氣流量關(guān)系Fig.3 The relationship of the Da50 of PM2.5 particle separating devicesand inlet flow rates

3.2 進(jìn)氣流量對(duì)捕集效率幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響

為了探究進(jìn)氣流量的變化是否會(huì)對(duì)切割器捕集效率曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差產(chǎn)生影響，在分析了Da50與進(jìn)氣流量變化的關(guān)系后，總結(jié)了進(jìn)口與國產(chǎn)切割器在進(jìn)氣流量變化時(shí)的捕集效率曲線幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg的變化情況。圖4為進(jìn)口的VSCC-PM2.5切割器及國產(chǎn)的PMS-200切割器在進(jìn)氣流量變化時(shí)，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化情況，可見幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差(Da16/Da50及Da50/Da84)并未產(chǎn)生明顯變化，與標(biāo)準(zhǔn)工作流量下的值對(duì)比，偏移量均不超過0.9%。該結(jié)果與之前相關(guān)的研究報(bào)道結(jié)果相吻合[16～18]，考慮是因?yàn)檫M(jìn)氣流量對(duì)Da16、Da50及Da84的影響趨勢(shì)是一致的，故這幾個(gè)捕集效率對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量粒徑的比值未受到明顯影響。

圖4 PM2.5切割器捕集效率幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差與進(jìn)氣流量關(guān)系Fig.4 The relationship of the geometric standard deviation of PM2.5 particle separating devices and inlet flow rates

4 結(jié) 論

通過搭建切割器捕集效率測量系統(tǒng)，完成了對(duì)不同進(jìn)氣流量下進(jìn)口及國產(chǎn)切割器的捕集效率測量，分析了不同進(jìn)氣流量(標(biāo)準(zhǔn)工作流量的70%、80%、100%、120%、130%)下切割器的Da50及捕集效率曲線的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差受到的影響。通過開展實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PM2.5切割器的Da50會(huì)隨著進(jìn)氣流量的改變呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，Da50值分布范圍為標(biāo)準(zhǔn)工作流量下該值的140%至80%；但捕集效率曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差在不同進(jìn)氣流量下幾乎不變，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)工作流量下的偏移量不超過0.9%。該結(jié)果考慮是因?yàn)檫M(jìn)氣流量影響了顆粒物撞擊切割器內(nèi)部時(shí)的路徑，從而影響了切割器的Da50值；但進(jìn)氣流量對(duì)Da16、Da50及Da84的影響趨勢(shì)是一致的，故這幾個(gè)捕集效率對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量粒徑的比值未受到明顯影響。該結(jié)果可為切割器的使用及維護(hù)周期提供參考，同時(shí)本研究成果對(duì)于其他種類切割器捕集效率的測量及研究提供參考。