燃煤電站煙氣PM2.5測試技術綜述

劉含笑，姚宇平，酈建國，朱少平，方小偉，郭 瀅

（浙江菲達環?？萍脊煞萦邢薰荆憬?諸暨 311800）

燃煤電站煙氣PM2.5測試技術綜述

劉含笑，姚宇平，酈建國，朱少平，方小偉，郭 瀅

（浙江菲達環?？萍脊煞萦邢薰荆憬?諸暨 311800）

闡述了國內外的固定源PM2.5的標準測試方法，并開展現場實測，對測試結果進行了對比分析，旨在探索并形成一種科學合理且適用于工程實測的PM2.5測試技術及方法。

燃煤電廠；細微顆粒物（PM2.5）；固定源測試方法

國家標準《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）要求重點地區的煙塵排放限值為20mg/m3，國家標準《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）規定了環境空氣中的PM2.5濃度限值。近年來，大氣污染日益嚴峻，由于環境容量有限等原因，排放要求進一步趨嚴，燃煤電廠煙氣污染物“超低排放”全面實施。國家和地方政策、標準促進了我國除塵技術的快速發展，但同時也給現有的顆粒物測試技術，尤其是PM2.5測試技術，帶來了巨大挑戰。

本文依托國家“863”計劃課題（2013AA065002）、國家重點研發計劃（2016YFC0203704）、國家重點研發計劃（2016YFC0209107）等，基于原有研究基礎[1、2]，分析了國內外PM2.5的標準測試方法，并開展現場實測，對現場的測試結果進行對比研究，旨在探索一種科學合理的PM2.5工程測試技術和方法。

1 燃煤電廠煙氣中PM2.5的測試方法

對于固定污染源，尤其是燃煤電廠的PM2.5（一次顆粒物）測試來說，檢測儀器主要為美國或歐洲進口，按照原理不同大致可分三種方法：重量法、電荷法、光學法。

1.1 重量法

國外測試標準，如ISO 13271 : 2012、ISO 23210 2009、EPA method 201A、日本JIS K 0302等，均采用重量法作為標準的測試方法。重量法的操作步驟一般是通過調整采樣嘴口徑等方式在煙道內部等速采樣，然后用旋風子分離、沖擊板、虛擬撞擊器等慣性分離方式將空氣動力學直徑大于2.5μm的顆粒物分離，PM2.5則由濾膜或沖擊板涂脂鋁膜捕集，然后到實驗室進行干燥處理后用高精天平稱重。屬于重量法的測試儀器有DEKATI PM-10沖擊器、DLPI（Dekati Low Pressure Impactor）低壓沖擊器、WY型沖擊式塵粒分級儀、虛擬沖擊器等。這種方法被認為是較直觀可靠的方法，可作為標桿方法來驗證其它方法的準確性，但對于濃度較低的煙塵環境，該方法則需要較長的采樣時間，且濾膜恒重處理及樣品稱重等程序繁瑣費時。

1.1.1 國內外標準測試方法

（1）EPA方法

EPA方法有201A和202兩種方法，分別是用于不含液滴煙氣中固定源一次固態細顆粒物和可凝結細顆粒物濃度的標準測試方法。201A中規定，對于高濕煙氣環境需對采樣系統進行加熱處理，一般要求加熱到120℃以上，以避免液滴對測量結果的影響。

201A規定的測量方法如圖1所示，煙氣依次進入Ⅰ級大顆粒旋風分離器和I級小顆粒旋風分離器，其中Ⅰ級旋風分離器可收集粒徑大于10μm的顆粒，Ⅱ級旋風分離器收集粒徑為2.5～10μm的顆粒物，小于2.5μm的顆粒最后由濾膜來收集，然后通過手工稱重方法計算得到煙氣中一次固態PM2.5的濃度。經此處理的煙氣可進一步通過EPA方法202測試系統捕集計算可凝結顆粒物，最后得到煙氣中總的PM2.5濃度。

圖1 EPA方法201A測量方法

（2）ISO 23210 : 2009方法

ISO 23210 : 2009規定了沖擊器測定了煙氣中低濃度的PM10和PM2.5方法[3]。

ISO 23210 : 2009規定的沖擊器基本原理如圖2所示。當顆粒物隨著氣流通過孔板時，在噴孔處被一起加速，因受到收集板的阻擋，氣流很容易發生轉向，慣性較小的顆粒隨著氣流一起轉向并進入下一級沖擊器，慣性較大的顆粒物則撞擊到收集板上被收集下來，收集板一般涂脂以增加黏性，防止顆粒被收集后再被沖散。噴孔處氣流流速越大，收集板與噴孔的距離越小，收集板上收集到的顆粒物就越小。ISO 23210 : 2009給出了三級撞擊器，分別用來劃分空氣動力學粒徑大于10μm、粒徑在2.5～10μm之間和粒徑小于2.5μm的顆粒，如圖3所示。如果在沖擊器前端布置帶有鵝頸狀采樣嘴，則容易沉積顆粒物而造成損失，影響測量的準確性。需有試驗來驗證顆粒物在彎頭處的損失。如將沖擊器放在煙道外采樣，必須要配置加熱器防止冷凝。該方法只適合濃度在40mg/m3以下煙塵的測量。

圖2 沖擊器的基本原理（ISO 23210 : 2009）

圖3 沖擊板式PM2.5采樣系統圖（ISO 23210 : 2009）

（3）ISO 13271 : 2012方法

鑒于沖擊器采樣時，不可避免顆粒的反彈、破碎、沉積過量及再進入等問題，使得數據分析不夠準確，雖然表面涂脂可解決這些問題，但容易受到高溫煙氣或其它因素的影響，引起油脂質量變化。

ISO 13271 : 2012規定了固定源煙氣較高煙塵濃度環境下的PM10/PM2.5質量濃度測量方法[4]，該方法實現最高200mg/m3煙塵濃度的煙氣中PM2.5采樣，主要是因為該方法通過采集腔取代傳統慣性沖擊器中的硬質收集板，讓顆粒隨著氣流經噴口一起進入一個空腔體，如圖4所示，需收集的顆粒還留在氣體中，有效避免了顆粒破碎、反彈等問題[5]。但該方法氣流分支較多，氣流的操作難度較大。

圖4 虛擬沖擊板原理圖（ISO 13271:2012）

1.1.2 主要測試儀器

（1）WY型沖擊式塵粒分級儀

WY型沖擊式塵粒分級儀包括WY-1型和WY-2型兩種型號，由我國自主研發。WY型沖擊式塵粒分級儀由不同直徑噴孔及捕集板串連而成，如圖5所示，與ISO 23210 : 2009方法一致。該儀器可測定空氣動力直徑為1.1～42μm的顆粒，每級接塵板最多允許沉積約100mg的顆粒，可用于煙塵濃度30g/m3的煙氣環境。

圖5 WY型沖擊式顆粒分級儀結構圖

（2）PM-10

DEKATI PM-10由芬蘭Dekati公司研制，基本原理也是沖擊式，如圖6所示，兩級撞擊器測得的粒徑范圍與ISO 23210 : 2009描述一致，即測定的顆粒物劃分為三部分：大于10μm、在2.5～10μm之間、小于2.5μm。該設備結構簡單且便攜，較適合于工程現場PM2.5測試。

（3）DLPI

DLPI（Dekati Low Pressure Impactor）也是由芬蘭Dekati公司研制，一個13段串聯的撞擊器，如圖7所示，應用空氣動力學原理將顆粒物按30nm～10μm，劃分為13個等級。小于30nm顆?？杀惠o助的過濾器收集在一個47mm的濾膜上，其他顆粒分別收集在25mm基板上，基板上布置有涂脂鋁箔。DLPI可用于很多行業，如大氣測量、煙道測量、汽車測量、數學應用等。25mm收集盤上可進行化學分析，由于有過濾器，粒徑范圍可擴到30nm以下。

圖6 DEKATI PM-10撞擊器

圖7 DLPI撞擊器

（4）Andersen顆粒采樣器

Andersen由采樣頭、旋風預切割器、過濾設備、撞擊器、帶有抽氣泵的控制器及溫度、壓力之類的傳感器等組成，如圖8所示。撞擊器是Andersen的核心部分，主要作用是對顆粒物分級和采集，共分為8級，分級方法同DLPI，最后一級F級裝的是實心全膜，以過濾細粒子和凝結型顆粒物。

圖8 Andersen顆粒采樣器

1. 2 電荷法

電荷法是指通過直接測量顆粒所帶電荷量，來間接確定顆粒質量的方法，可通過換算得到顆粒物質量濃度。電荷法的典型儀器是ELPI電子低壓撞擊器（Electrical Low Pressure Impactor），也是由芬蘭Dekati公司研制的，該儀器撞擊器分級方法及級數同DLPI。與重量法不同，該儀器在顆粒分級前，要先通過荷電裝置使顆粒物預荷電，然后通過測定顆粒所帶電荷量，再經過換算，間接得到顆粒的質量濃度。該方法的特點是快捷，可實時得到顆粒物的質量濃度數據，且可對較低濃度的煙塵進行測量，對于高濃度煙塵環境可通過增設稀釋器的方式來準確測量。但ELPI測量直接值是電荷量，質量濃度數據需通過個數濃度乘上體積和密度后獲得，為間接轉換數據，精度稍差一些。

ELPI的工作原理如圖9所示，含塵煙氣首先通過單極電暈充電室進行荷電，進入撞擊器每個層面的帶電顆粒的電流，都可實時地通過精密電子測量計來進行測量，最后將電流信號轉化為顆粒物粒徑分布。

圖9 ELPI原理

ELPI的快速反應可實現實時測量，特別適合分析不穩定顆粒濃度、粒徑分布等變化。ELPI的現場采樣系統如圖10所示。

1.3 光學法

光學法是指通過測量顆粒的透射光或反射光來確定顆粒的粒徑分布與濃度數據。代表的儀器有TSI : APS-3321、帕萊斯便攜式顆粒物檢測儀等，通過加速噴嘴，使得不同粒徑顆粒獲得不同的加速度，然后測量各顆粒的散射光強度，來確定顆粒的粒徑分布與濃度數據。該方法也可實時得到顆粒的質量濃度數據，但同樣存在精度問題。

（1）TSI : APS-3321

TSI : APS-3321型空氣動力學粒度儀是由TSI公司開發的專利測試儀器，用于測定氣溶膠顆粒物的空氣動力學粒徑，并給出氣溶膠數量濃度、體積濃度、表面積濃度及質量濃度隨粒徑分布情況。該設備測定每一顆粒通過兩束近距離的激光束飛行時間，以換算顆粒的動力學粒徑。測試粒徑范圍：0.37～20μm（光散射直徑），0.5～20μm（空氣動力學直徑）。

（2）帕萊斯便攜式顆粒物檢測儀

帕萊斯便攜式顆粒物檢測儀為德國進口，可同時測量TSP、PM-10、PM4、PM2.5、PM1質量和數濃度，可以從0.18～18μm范圍內選擇最多64個等級進行粒徑分布分析，時間分辨率可在1s～24h內任意設定。

當煙氣中的顆粒通過光路光敏感區時，顆粒的散射光量與其質量濃度成正比，用單位時間內的散射光累計值來表示出懸浮顆粒的相對質量濃度，通過轉化系數，計算出顆粒的質量濃度數據。

圖10 ELPI現場采樣系統圖

2 PM2.5現場測試研究

2.1 采用的測試儀器及方法

本文研究采用重量法（PM-10、DGI）、電荷法（ELPI）測試儀器開展了多個現場對比測試。為了便于對比，均采用Dekati公司生產的三種PM2.5測試儀器。

PM-10、DGI、ELPI均是采用撞擊法對不同粒徑顆粒物進行分級收集的儀器。PM-10撞擊器分為3級，DGI分為4級，兩種撞擊器收集到顆粒后可通過稱重法確定顆粒物的質量濃度；ELPI撞擊器為13級，每級撞擊器均對應一個靜電計和電流放大器，可測量捕集到這一級撞擊板上的顆粒物所帶電荷量，并根據電荷量自動計算出該級上的顆粒物數濃度。

遵循電力行業標準《火電廠煙氣中細顆粒物（PM2.5）測試技術規范 重量法》（DL/T 1520-2016）的相關規定，開展現場測試，測試系統分別如圖11～圖13所示，PM-10和DGI均為直接采樣，ELPI配置了旋風切割器和一級高溫稀釋，各個設備的采樣槍、旋風分離器、PM-10撞擊器及DGI撞擊器均加熱至120℃。

圖11 PM-10測試系統示意圖

圖12 ELPI測試系統示意圖

圖13 DGI測試系統示意圖

2.2 測試結果

（1）重量法（PM-10、DGI）與電荷法（ELPI）測試數據比較

分別采用PM-10、ELPI測試某電廠WESP后PM2.5質量濃度數據，比較結果如圖14所示， PM-10與ELPI測試的結果差別并不大，推測其差別主要是由于該兩次測試工況條件略有差異。

圖14 PM2.5測試結果比較

再分別采用PM-10、DGI和ELPI測試某電廠低低溫電除塵器后PM2.5質量濃度，測試結果對比分別如圖15、圖16所示，對于PM2.5來說，測試結果同樣較為接近，且重量法結果一般都會略大于電荷法。從數據對比可看出來，遵循PM2.5測試規范的相關規定進行測試，三種儀器的PM2.5測定數據重復性均較好，驗證了測試方法和測試儀器的合理性。

圖15 3個時段ELPI與DGI對比

圖16 2個時段ELPI與PM-10對比

（2）ELPI兩級稀釋、一級稀釋測試數據比較

分別采用ELPI的兩級稀釋器和一級稀釋器測試了某600MW機組WFGD后的PM10數據及粒徑分布，并將各測量工況的數據取了平均值，圖17為這兩種稀釋比條件下的各級顆粒數量濃度粒徑分布曲線，兩種不同稀釋比測得的顆粒數量濃度粒徑分布規律是基本一致的，只是在較大粒徑段略有些差異。

圖17 顆粒數量濃度曲線

對比兩種稀釋比條件下的PM1、PM2.5、PM10數量濃度、質量濃度數據，如圖18、圖19所示，采用兩級稀釋器時測得的PM1、PM2.5、PM10數量濃度結果均小于采用一級稀釋時；對于質量濃度而言，采用兩級稀釋測得的PM1、PM2.5結果小于采用一級稀釋時，而PM10測量的結果卻大于一級稀釋，這主要是因為采用兩級稀釋器時第10、11級沖擊器的顆粒數量濃度比較多引起的。

圖18 PM1、PM2.5、PM10數量濃度柱狀圖

圖19 PM1、PM2.5、PM10質量濃度柱狀圖

（3）ELPI用于 WFGD的現場測試研究

因煙氣溫度過高及濕度過大，濕法脫硫后煙氣含濕量較高，水蒸汽易在采樣管及ELPI集塵盤上凝結，對測量結果造成較大影響，為了減小液滴對顆粒物測量的影響，ELPI的測量系統中配有兩級稀釋系統，一級熱稀釋和二級常溫稀釋。即采用加熱后的凈化空氣作為稀釋氣體對煙氣進行稀釋，并對采樣管路采取加熱保溫措施，溫度設定為110℃使霧滴蒸發，以此避免煙氣中的水分對測量結果的影響。實驗過程中，在WFGD系統進口和出口煙道分別采樣兩次，取兩組數據的平均值進行計算。煙道內飛灰顆粒質量濃度的粒徑分布，由圖20可知，飛灰顆粒在PM2.5范圍內呈現單峰分布，粒徑峰值出現在0.1～1μm之間。然而當飛灰顆粒粒徑在2.5～10μm之間時，顆粒質量濃度隨粒徑增大而增大，推測在粒徑大于10μm處將出現另一個峰值。

圖20 進出口質量濃度分布

通過對進出口飛灰顆粒質量濃度隨粒徑的變化，可以得到顆粒物的分級脫除效率曲線，如圖21所示。各級顆粒物的脫除效率隨著粒徑增大總體呈現上升趨勢，脫除效率從前6級（粒徑小于0.3μm）的40%左右上升到后4級（粒徑大于1μm）的80%左右，對飛灰顆粒的脫除效率在0.1～1μm之間出現低谷。

圖21 飛灰顆粒的分級脫除效率曲線

（4）ELPI用于 WESP的現場測試研究

相對于濕法脫硫塔后的煙氣來說，濕式電除塵器（WESP）的煙氣特點則是不但煙塵濃度很低，且煙氣濕度大，煙氣中也很可能存在液態水滴但會少于濕法脫硫塔后的煙氣。為了避免煙氣中水滴對測試精度造成影響，同時保證煙氣不至于過度稀釋，本測試采用一級高溫稀釋器，且采樣槍、旋風子等采用電加熱保溫，使煙氣內水滴充分蒸發，測試過程中ELPI荷電器均未出現報警，各級撞擊器均沒有負電流現象，本次測試有效避免了煙氣中水滴對測試結果的影響。測試完畢后，將ELPI各級撞擊器拆卸下來，觀察每級的撞擊器，均無水滴或液膜。WESP進、出口的顆粒物數量濃度和質量濃度數據分別如圖22～圖24所示，各級撞擊器的照片如圖25所示。

圖22 WESP進口顆粒數量濃度、質量濃度數據

圖23 WESP出口顆粒數量濃度、質量濃度數據

圖24 WESP進、出口顆粒數量濃度、質量濃度數據

圖25 各級撞擊器照片

經過計算，WESP進、出口煙道內各級顆粒的數量、質量濃度數據如圖24所示，經WESP后，不同粒徑顆粒的數量濃度、質量濃度均有明顯的下降。其中，PM2.5數量濃度去除率為81.7%；質量濃度去除率為78.8%。

3 結果分析

（1）重量法是國內外PM2.5測試相關標準確定的標準測試方法。經實際測試，PM-10、DGI等重量法測試儀器的測試結果重復性較好，雖采樣時間較長、人工稱重程序較繁瑣，仍應作為工程實測的標準方法推薦使用。

（2）經對比測試，ELPI測得的PM2.5數據與PM-10、DGI等重量法測試儀器測試結果很接近，且ELPI可實時讀數，縮短采樣時間，可獲取更多分級數據，當工程實測中需同時獲得粒徑分布等研究數據時可采用該方法。

（3）由于進入ELPI撞擊器的液滴，也將作為粉塵重量計入從而影響測試結果，在含有液滴的濕煙氣中，要采用ELPI測試煙塵，進入其撞擊器前液滴已得到充分蒸發是保證測試精度的關鍵。建議脫硫塔后的煙氣測試采用二級稀釋，而濕式電除塵器后煙氣測試采用一級稀釋。

[1] 姚宇平.大氣及固定發生源煙氣中PM2.5的測試方法[C].第十五屆中國電除塵學術會議，2013.

[2] 劉含笑，姚宇平，酈建國，等.燃煤煙氣的PM2.5現場測試技術研究[C].第十五屆中國電除塵學術會議， 2013.

[3] 劉含笑，姚宇平，酈建國，等.一種集成式PM2.5采樣槍：中國，201710049662.1[P]. 2017-06-09.

[4] 劉含笑，姚宇平，酈建國，等.PM2.5團聚測試技術及其研究進展[J].電力與能源，2013（4）：118-123.

[5] 劉含笑，朱少平，姚宇平，等.電荷法測試WESP進出口煙氣中PM2.5的試驗研究[J].中國電力，2014，47（12）：37-41.

[6] ISO 23210 : 2009 Stationary source emissions-Determination of PM10/PM2.5mass concentration in flue gas-Measurement at low concentrations by use of impactors[S].2009.

[7] ISO 13271: 2012 Stationary source emissions-Determination of PM10/PM2,5mass concentration in flue gas-Measurement at higher concentrations by use of virtual impactors[S].2012.

[8] 呂陽，徐立大，劉凡.虛擬沖擊器的研究進展[J].衛生研究，2001，30（2）：125-127.

[9] 朱少平，劉含笑.WESP后PM2.5測試方法研究[J].當代環保，2013，32（14）：71-75.

[10] 朱少平，劉含笑.電子低壓沖擊器不同稀釋比對PM2.5排放測試的影響[J].電力與能源，2014（2）：141-143.

Summarization of Flue Gas PM2.5Testing Technique in Coal-fred Power Station

LIU Han-xiao, YAO Yu-ping, LI Jian-guo, ZHU Shao-ping, FANG Xiao-wei, GUO Ying
(Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co., Ltd, Zhejiang Zhuji 311800, China)

This paper mainly introduces the standards and testing methods of stationary source PM2.5at home and abroad and carries out the actual test on site and makes contrast and analysis on the test result, aiming at exploration and formation of a scientifc and reasonable testing technique and method that are suitable to the engineering actual test of PM2.5.

coal-fred power plant; PM2.5; test method of stationary source

X701

A

1006-5377（2017）08-0045-07

國家高技術研究發展計劃（2013AA065002）；國家重點研發計劃（2016YFC0203704）；國家重點研發計劃（2016YFC0209107）；浙江省科技計劃項目（2013C11G6080001）