低濃度顆粒物檢測(cè)用玻璃纖維濾筒恒重條件

張利娜，萬(wàn)夫偉，劉喬，劉旭月，李波

1 引言

GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，重點(diǎn)地區(qū)企業(yè)礦山開(kāi)采、水泥制造、散裝水泥中轉(zhuǎn)站及水泥制品生產(chǎn)中顆粒物排放限值為10mg/m3。在進(jìn)行低濃度顆粒物含量監(jiān)測(cè)時(shí)，低溫?zé)煔猸h(huán)境下，顆粒物含量的測(cè)量較為準(zhǔn)確，但是在較高溫度煙氣下，進(jìn)行顆粒物含量檢測(cè)時(shí)，如水泥廠(chǎng)廢氣總管、窯尾收塵器出口等處，則會(huì)出現(xiàn)顆粒物含量檢測(cè)結(jié)果偏小或?yàn)樨?fù)值的情況，測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性存疑。

低濃度顆粒物含量的精準(zhǔn)測(cè)量[1-4]已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但因測(cè)量中使用的玻璃纖維濾筒因自身受熱失重[5]而導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的分析及控制尚未引起重視，筆者以玻璃纖維濾筒為研究對(duì)象，模擬其在采樣環(huán)境中的受熱分解失重過(guò)程，以期對(duì)超低排放煙氣低濃度顆粒物含量監(jiān)測(cè)工作有所幫助。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)濾筒

實(shí)驗(yàn)用超細(xì)玻璃纖維無(wú)膠濾筒型號(hào)：1#φ 32mm×120mm。

2.2 主要儀器

梅特勒-托利多同步熱分析儀（TGA/DSC 1），馬弗爐，烘箱，分析天平，干燥器。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

以相同批次玻璃纖維濾筒為研究主體，分組實(shí)驗(yàn)，研究在以下處理?xiàng)l件時(shí)，玻璃纖維濾筒的失重情況：

（1）將4只玻璃纖維濾筒編號(hào)稱(chēng)量后，放入105℃烘箱中烘干30min，置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫，采用分析天平稱(chēng)量，如此反復(fù)烘干，直至恒重。

（2）將8只玻璃纖維濾筒編號(hào)稱(chēng)量后，放入105℃烘箱中烘干60min，冷卻稱(chēng)量，隨后放入400℃馬弗爐中灼燒60min，冷卻稱(chēng)量。

（3）將8只玻璃纖維濾筒編號(hào)稱(chēng)量后，放入400℃馬弗爐中灼燒60min，冷卻稱(chēng)量，隨后放入105℃烘箱中烘干60min，冷卻稱(chēng)量。

（4）使用梅特勒-托利多同步熱分析儀對(duì)玻璃纖維濾筒材料進(jìn)行熱分析試驗(yàn)。

以上實(shí)驗(yàn)中，濾筒恒重對(duì)稱(chēng)量結(jié)果至關(guān)重要，直接影響顆粒物含量監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。根據(jù)GB/T 176-2017《水泥化學(xué)分析方法》規(guī)定，前后兩次稱(chēng)量之差＜0.5mg，即達(dá)到恒重。GB/T 13931-2017《電除塵器性能測(cè)試方法》要求，同一濾筒重復(fù)稱(chēng)量，偏差應(yīng)＜0.3mg。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 烘干時(shí)間對(duì)濾筒恒重的影響

根據(jù)2.3實(shí)驗(yàn)方法方案（1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，烘干時(shí)間對(duì)濾筒質(zhì)量的影響如圖1所示。玻璃纖維濾筒在105℃烘箱中烘干30min，失重1.2～2.0mg；烘干30～60min，失重0.1～0.8mg；烘干60～120min，濾筒前后稱(chēng)量值相差≯0.5mg。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃纖維濾筒在105℃烘箱中，烘干60min即可達(dá)到恒重。

圖1 烘干時(shí)間對(duì)濾筒質(zhì)量的影響

3.2 濾筒由室溫至105℃再到400℃烘干失重情況

根據(jù)2.3實(shí)驗(yàn)方法方案（2）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，濾筒在烘干和灼燒后連續(xù)失重結(jié)果如圖2所示。105℃烘干稱(chēng)量后，濾筒失重2.1～2.7mg，占玻璃纖維濾筒初始質(zhì)量的0.11%～0.17%；400℃灼燒稱(chēng)量后，濾筒繼續(xù)失重10.4～12.5mg，占玻璃纖維濾筒初始質(zhì)量的0.64%～0.68%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在105℃時(shí)，只是將玻璃纖維濾筒吸附的水分烘干，繼續(xù)升溫到400℃，會(huì)將濾筒材料中易揮發(fā)或分解的成分去除。

圖2 濾筒由室溫至105℃烘干和400℃灼燒后連續(xù)失重結(jié)果

3.3 濾筒由室溫至400℃再到105℃烘干失重情況

根據(jù)2.3實(shí)驗(yàn)方法方案（3），結(jié)合3.2研究結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，濾筒在灼燒和烘干后連續(xù)失重結(jié)果如圖3所示。400℃灼燒稱(chēng)量后，濾筒繼續(xù)失重11.3～12.9mg，占玻璃纖維濾筒初始質(zhì)量的0.68%～0.80%；105℃烘干稱(chēng)量后，濾筒失重-0.5～-0.4mg，占玻璃纖維濾筒初始質(zhì)量的-0.03%～-0.02%。

圖3 濾筒在400℃灼燒和105℃烘干后連續(xù)失重結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濾筒在400℃灼燒時(shí)，400℃以下能夠反應(yīng)的物質(zhì)已被灼燒分解，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與濾筒由室溫至105℃再到400℃烘干失重情況研究結(jié)果（失重0.64%～0.68%）一致，105℃繼續(xù)烘干不再失重。實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)，溫度一般≯400℃，因此只對(duì)濾筒進(jìn)行400℃灼燒60min處理，即可滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求。

3.4 濾筒熱重分析結(jié)果

采用烘箱和馬弗爐只能研究特定溫度下濾筒的失重情況，為了覆蓋更大溫度范圍，采用梅特勒-托利多同步熱分析儀對(duì)玻璃纖維濾筒材料進(jìn)行熱分析試驗(yàn)，熱重分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 玻璃纖維濾筒熱重分析曲線(xiàn)

由圖4熱重分析曲線(xiàn)可見(jiàn)，玻璃纖維濾筒在室溫升高到350℃的過(guò)程中逐步失重。原因在于，玻璃纖維濾筒吸附有一定的水分，在升溫過(guò)程中（＜105℃溫度段），水分逐漸烘干，導(dǎo)致失重0.25%，與烘箱105℃失重結(jié)果（失重0.17%）相對(duì)應(yīng)，因測(cè)量時(shí)空氣濕度不同，失重值略有不同；玻璃纖維濾筒中含有少量的易揮發(fā)或分解的物質(zhì)，在高溫環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生濾筒失重現(xiàn)象，熱重分析曲線(xiàn)中繼續(xù)升溫到350℃失重0.38%，加上低溫段共失重0.63%，與馬弗爐灼燒失重結(jié)果（失重0.64%～0.68%）一致；350℃～400℃溫度段，濾筒基本不再失重；＞400℃溫度段，濾筒質(zhì)量再次減少。

3.5 存放環(huán)境對(duì)稱(chēng)量結(jié)果的影響

在超低排放煙氣低濃度顆粒物含量監(jiān)測(cè)中，濾筒是否烘干恒重對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響很大。因?yàn)V筒長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，空氣濕度對(duì)濾筒稱(chēng)量會(huì)產(chǎn)生影響[10]，在條件允許情況下，建議在恒溫、恒濕實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行稱(chēng)量。

400℃灼燒恒重后的濾筒在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的吸濕增重情況如下：

將4只在400℃馬弗爐灼燒恒重后的濾筒放于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行0～180min吸濕試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。4只濾筒放置180min后增重0.3～0.6mg，占濾筒初始質(zhì)量的0.02%～0.04%，表明玻璃纖維濾筒在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中吸濕速度很緩慢。

圖5 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中濾筒吸濕增重情況

4 結(jié)論

在超低排放煙氣低濃度顆粒物含量監(jiān)測(cè)中，為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，減少玻璃纖維濾筒失重對(duì)顆粒物含量檢測(cè)結(jié)果的影響，應(yīng)在顆粒物采集前，對(duì)玻璃纖維濾筒進(jìn)行恒重處理，具體措施建議如下：

（1）濾筒使用前需進(jìn)行恒重處理，具體處理方法應(yīng)根據(jù)工作環(huán)境來(lái)確定。對(duì)于低溫?zé)煔?，采樣前，濾筒應(yīng)在105℃烘箱中烘干處理60min。對(duì)于高溫?zé)煔猓?00℃～400℃，如水泥工業(yè)廢氣總管、窯尾收塵出口等），濾筒材料中少量易揮發(fā)或分解的成分對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大，采樣前濾筒應(yīng)在不低于采樣環(huán)境溫度下進(jìn)行恒重處理，建議在400℃馬弗爐中灼燒60min。

（2）采樣后的濾筒需在105℃烘干60min，再置于干燥器中冷卻后稱(chēng)量。

（3）在進(jìn)行低濃度顆粒物檢測(cè)前，應(yīng)先將濾筒放在400℃馬弗爐中灼燒60min，再置于干燥器中儲(chǔ)存，短時(shí)間內(nèi)可以直接使用，如時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可在105℃烘干60min后再使用，這樣可以最大限度減少濾筒質(zhì)量變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。