一種新的固定源廢氣顆粒物采樣方法的驗(yàn)證測(cè)試

楊松/泉州市綠色低碳研究院

0 引言

在環(huán)境監(jiān)測(cè)固定污染源廢氣顆粒物的采樣過(guò)程中，由于煙氣在煙道或排氣筒內(nèi)流速不均勻，影響了顆粒物分布的均勻性，因此，通常采用等速采樣和移動(dòng)采樣相結(jié)合的方法，獲得具有代表性的顆粒物樣品。如果使用直徑較大的煙道或排氣筒，測(cè)量點(diǎn)數(shù)要求達(dá)到20個(gè)，需要采用移動(dòng)采樣的方法逐點(diǎn)收集樣品[1-5]。由于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都需要一段采樣時(shí)間，測(cè)量斷面會(huì)出現(xiàn)時(shí)間差，從而影響樣品的代表性，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采樣人員暴露在污染環(huán)境的時(shí)間也較長(zhǎng)。本文受皮托管原理的啟示，設(shè)計(jì)了一種固定源廢氣顆粒物采樣方法（以下簡(jiǎn)稱新采樣方法），即讓排氣筒的開(kāi)口背對(duì)煙氣流，那么排氣筒內(nèi)任意采樣斷面所測(cè)得的壓力均為靜壓。換言之，煙氣流背對(duì)著排氣筒的開(kāi)口，排氣筒內(nèi)對(duì)煙氣任意采樣斷面所測(cè)得的壓力由動(dòng)壓變?yōu)殪o壓。根據(jù)伯努利原理，靜壓與煙氣密度成正比，而排氣筒內(nèi)任意一個(gè)采樣斷面的煙氣密度基本不變，即排氣筒內(nèi)的煙氣形成流速、壓力穩(wěn)定的流場(chǎng)。因此，選擇均勻流場(chǎng)中的某個(gè)斷面的某個(gè)點(diǎn)作為固定采樣點(diǎn)，都能夠有效地代表顆粒物在某一時(shí)間段內(nèi)的排放濃度。為驗(yàn)證新采樣方法的科學(xué)實(shí)用性，進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)，收集現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法[1-5]與新采樣方法的比對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行準(zhǔn)確度、相關(guān)系數(shù)、精密度比對(duì)分析。

1 新采樣方法采樣裝置

設(shè)計(jì)了一種新的固定源廢氣顆粒物采樣方法，采樣裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。采樣裝置包括雙層同心圓管、蜂巢管填料、靜壓排氣孔，雙層同心圓管由皮托外管與皮托內(nèi)管構(gòu)成，皮托外管與皮托內(nèi)管的下端設(shè)計(jì)共同底座，皮托外管與皮托內(nèi)管之間形成的圓環(huán)管上端開(kāi)口密封，下端開(kāi)口被底座密封。皮托外管壁中部開(kāi)口與煙道連接，皮托內(nèi)管上端開(kāi)口與排氣筒連接，下端開(kāi)口被底座密封，皮托內(nèi)管內(nèi)填充蜂巢管填料，蜂巢管填料由平行的等六邊形管件編組而成，其長(zhǎng)度與皮托內(nèi)管長(zhǎng)度相等。皮托內(nèi)管下端在距底座面50 mm處的管壁上均勻地開(kāi)有一圈靜壓排氣孔，靜壓排孔的開(kāi)孔面積與煙道截面積相等[6-7]。

圖1 新采樣方法采樣裝置的結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置

2 驗(yàn)證測(cè)試

2.1 驗(yàn)證測(cè)試方案

新采樣方法是否能夠滿足檢測(cè)要求，方案以現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)方法（HJ/T 397-2007、GB/T 16157-1996、HJ/T373-2007、HJ 836-2017、GB/T 5468-1991） 為參比方法，用兩種方法同時(shí)段平行采樣，并分析其精密度、準(zhǔn)確度，如果結(jié)果一致，那么新采樣方法將具有一定的實(shí)用性。

監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的鍋爐型號(hào)SZL6-1.25-W，為鏈條燃煤鍋爐，鍋爐煙氣和煙塵通過(guò)文丘里麻石水膜除塵器、堿噴淋洗氣塔等環(huán)保處理設(shè)施凈化后，排往總煙風(fēng)道，通過(guò)一根高20 m的煙囪向大氣排放。由于現(xiàn)有舊煙囪無(wú)法按照新采樣方法進(jìn)行改造，因此，在總煙風(fēng)道平直段增加了一段支線試驗(yàn)煙道，采用新采樣方法與參比方法分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，參比方法與新采樣方法中兩個(gè)采樣斷面分別設(shè)在原有煙道和支線試驗(yàn)煙道上。

2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境，煙塵采樣與分析由嶗應(yīng)3012H自動(dòng)煙塵（氣）測(cè)試儀、梅特勒ME204E電子天平完成，煙氣測(cè)試儀校正用標(biāo)準(zhǔn)氣體N2、O2混合氣體：濃度21.0%。

監(jiān)測(cè)所使用的煙塵采樣管為嶗應(yīng)1085A煙塵多功能取樣管。儀器設(shè)備均經(jīng)福建省計(jì)量科學(xué)研究院檢定或校準(zhǔn)合格。

2.3 采樣方案說(shuō)明

采樣方法依據(jù)HJ/T 397-2007《固定源廢氣監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[1]、GB/T 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物的測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》[2]及GBT 5468-1991《鍋爐煙塵測(cè)試方法》[5]的要求。

參比方法采樣方案：根據(jù)煙風(fēng)道直徑0.6 m，沿采樣斷面直徑方向選擇4個(gè)測(cè)量點(diǎn)移動(dòng)采樣，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)連續(xù)采樣時(shí)間3 min，采樣時(shí)間共12 min，等速采樣方式，采樣流量40 L/min，采樣體積480 L，采集樣本共計(jì)16個(gè)。

新采樣方法采樣方案：固定在同一測(cè)量點(diǎn)，連續(xù)采樣12 min，等速采樣方式，采樣流量40 L/min，采樣體積480 L，采集樣本共計(jì)16個(gè)。

氧含量等煙氣參數(shù)測(cè)定：在同一監(jiān)測(cè)采樣斷面同時(shí)采集煙氣參數(shù)12 min，用積分取平均值。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 同一時(shí)段參比方法與新采樣方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

依2.3的方法采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 同一時(shí)段參比方法與新采樣方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

3.2 比對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析

依據(jù)JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[8]，并參考現(xiàn)有測(cè)量結(jié)果評(píng)定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[9]，以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法為參比方法[1-5]，對(duì)新采樣方法的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確度、相關(guān)系數(shù)、精密度比對(duì)分析。

新采樣方法實(shí)測(cè)顆粒物濃度為橫坐標(biāo)（X），以參比方法實(shí)測(cè)顆粒物濃度為縱坐標(biāo)（Y），用一元線性回歸方程建立兩者變量關(guān)系[8-9]：

b0——線性相關(guān)校準(zhǔn)曲線截距，計(jì)算見(jiàn)式（2）；

b1——線性相關(guān)校準(zhǔn)曲線斜率，計(jì)算見(jiàn)式（4）；

X——新采樣方法實(shí)測(cè)顆粒物濃度，mg/m3

其中截距計(jì)算公式：

其中斜率計(jì)算公式：

線性相關(guān)系數(shù)r計(jì)算見(jiàn)式（6）

式中：Syy——計(jì)算見(jiàn)式（7）

由上述新采樣方法與參比方法的檢測(cè)數(shù)據(jù)獲得的校準(zhǔn)曲線：y=1.001 2 x+0.096 5；線性相關(guān)系數(shù)r=0.89。

置信區(qū)間的計(jì)算見(jiàn)式（8）

n——樣本數(shù)量

由式（8）可求出，在參比方法實(shí)測(cè)顆粒物濃度平均值處的95%置信區(qū)間半寬為1.04，即新采樣方法實(shí)測(cè)顆粒物濃度的每一個(gè)測(cè)量值，要求有95%的把握認(rèn)為該批測(cè)量值的每一個(gè)值，均應(yīng)落在參比方法實(shí)測(cè)顆粒物濃度平均值28.7±1.04的兩條直線組成的區(qū)間內(nèi)。

準(zhǔn)確度的計(jì)算，見(jiàn)式（9）

式中：Rep%——實(shí)測(cè)顆粒物濃度相對(duì)誤差

通過(guò)上述公式進(jìn)行的新采樣方法與參比方法實(shí)測(cè)顆粒物濃度準(zhǔn)確度計(jì)算，新采樣方法的檢測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為-0.46%，相關(guān)系數(shù)為0.89，精密度為1.04。

4 結(jié)語(yǔ)

受皮托管原理的啟示，設(shè)計(jì)了一種新的固定源廢氣顆粒物采樣方法。為驗(yàn)證新采樣方法的實(shí)用性，進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。收集現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法與新采樣方法的比對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行準(zhǔn)確度、相關(guān)系數(shù)、精密度比對(duì)分析，兩種方法同時(shí)段平行采樣，采集的樣本數(shù)據(jù)經(jīng)分析后，新采樣方法相對(duì)誤差為-0.46%，相關(guān)系數(shù)為0.89，精密度為1.04，符合HJ/T 373-2007《固定污染源監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證與質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范（試行）》[3]要求。為將新采樣方法應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)，還需進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)、累積數(shù)據(jù)，持續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)。