燃煤電廠PM2.5測試方法研究

劉含笑，姚宇平，酈建國，方小偉，酈冰峰，楊　倩

(浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨　311800)

日益嚴峻的大氣污染形勢，國家及地方政策、標準的趨嚴等，都促進我國燃煤電廠煙塵治理技術的迅猛發展，尤其是超低排放全面實施以來，各地項目陸續驗收，超低排放技術已進入全面總結階段，這也給相應的測試技術帶來了巨大挑戰，探索并發展一種適用于我國燃煤電廠實際工程條件的科學合理的PM2.5測試方法。

本文基于國家863計劃課題(2013AA065002)等原有研究基礎[1-10]，分析國內外PM2.5的標準測試方法、測試儀器，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　固定源PM2.5測試標準

國外固定源PM2.5測試標準主要有ISO 23210、ISO 13271、ISO 25597、EPA CTM 093、EPA Method 201A、ASTM WK8124、JIS K 0302等，如表1所示。首先通過顆粒分級裝置將不同空氣動力學粒徑的顆粒進行分級收集，然后經稱重換算得到煙氣中PM2.5質量濃度數據。按顆粒分級方式不同，可分為撞擊器、虛擬撞擊器和旋風切割器三種。其中，ISO 23210、JIS K 0302規定的是采用撞擊器；ISO 13271規定的是采用虛擬撞擊器；ISO 25597、EPA CTM 093、EPA Method 201A、ASTM WK8124規定的是采用旋風切割器，其中，ISO 25597、EPA CTM 093、ASTM WK8124還規定了采用稀釋系統進行稀釋冷凝來收集可凝結顆粒物。國內2016年1月7日發布《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)，采用撞擊器進行顆粒分級。

1.1　撞擊器法

ISO 23210、JIS K 0302規定的是采用撞擊器，其中ISO 23210要求測試環境顆粒物濃度應不超過40 mg/m3，當超過該濃度時，會導致撞擊器內集塵板和濾膜超負荷并影響取樣數據，并且也不適用于大部分為大顆粒(≥10 μm)的工況。

ISO 23210規定的是兩級撞擊器加一級濾膜，分別用來收集空氣動力學直徑大于10 μm、2.5～10 μm和小于2.5 μm的飛灰顆粒，測試系統如圖1所示。取樣過程中，應保證等速率保持在計算值的90%～130%。建議采樣嘴與撞擊器之間不通過彎頭，而是直接連接，以避免采樣過程中顆粒物的彎頭損失。撞擊器在煙道內加熱至與煙氣同溫后開始采樣，如果撞擊器放置在煙道外側，則需配備電加熱裝置，防止煙氣冷凝，需對撞擊器進行精準的溫度監控，以保證各級撞擊器切割合適的粒徑范圍。

表1　國內外固定源PM2.5測試標準

圖1　ISO 23210建議的PM2.5采樣系統

撞擊器是利用慣性作用對不同空氣動力學直徑的顆粒進行分離收集，如圖2所示。顆粒物通過撞擊器的噴嘴加速后進行90°的偏轉，空氣動力學直徑大的顆粒慣性大，來不及偏轉便撞擊到集塵板上被收集下來，而空氣動力學直徑小的顆粒慣性相對較小，會隨氣流進入下一級撞擊器。為防止顆粒在撞擊器內壁黏附，需保證內壁足夠的光滑度，并在集塵板表面涂一層油脂(如阿皮松脂等)，防止收集后的顆粒再次被氣流沖走。

圖2　撞擊器原理圖(ISO 23210)

撞擊器并不能對顆粒進行100%完全分離，標準也允許有一定偏差，切割粒徑d50時撞擊器的分離效率A如圖3所示，曲線1表示理想值，曲線2表示實際值。根據ISO 7708:1995要求，對于潤滑集塵板的單分散顆粒分離效率，1.0 ～2.5 μm的允許偏差為±10%，10.0～2.5 μm的允許偏差為±15%。

圖3　撞擊器的分離效率(ISO 23210)

采樣嘴孔徑的變化應該是漸變的，錐角角度應小于30°，其他尺寸及夾角要求如圖4所示。ISO 13271等也給出了同樣的要求。

圖4　采樣嘴(ISO 23210)

JIS K 0302規定的是八級撞擊器加一級濾膜，八級撞擊器的50%切割粒徑d50分別為14 μm、8.6 μm、5.6 μm、4.0 μm、2.5 μm、1.3 μm、0.8 μm、0.54 μm，濾膜用來收集小于0.54 μm的顆粒。DL/T 1520規定撞擊器應為兩級或兩級以上，將顆粒分為大于10 μm、2.5～10 μm和小于2.5 μm三段。

1.2　虛擬撞擊器法

ISO 13271規定的是采用虛擬撞擊器法，適用于較高煙塵濃度工況(≤200 mg/m3)，也適用于高溫(≤250℃)、高濕(水蒸氣含量≤100 g/m3)工況。ISO 13271規定的是兩級虛擬撞擊器，分別用來收集空氣動力學直徑大于10 μm、2.5～10 μm和小于2.5 μm的飛灰顆粒，測試系統如圖5所示。建議采用虛擬撞擊器布置在煙道內的采樣方法，并盡量避免安裝鵝頸管等彎頭。當虛擬撞擊器放置在煙道外側，則需配備溫控裝置，保證各級虛擬撞擊器切割合適的粒徑范圍。

圖5　ISO 13271建議的PM2.5采樣系統

虛擬撞擊器采用空腔代替撞擊器的收塵板，如圖6所示，有效避免了因顆粒破碎、反彈、氣流沖刷等對采樣結果的影響。但該方法同樣不能對顆粒進行100%完全分離，分離效率曲線如圖7所示，并且由于每級撞擊器收集大顆粒的同時，勢必也會有部分小顆粒隨氣流進入空腔而被收集下來。從圖7中可以看出，分離效率曲線的小粒徑段很難達到零，此段成為“小顆粒污染”。

圖6　虛擬撞擊器原理(ISO 13271)

圖7　虛擬撞擊器的分離效率

1.3　旋風切割器法

ISO 25597、EPA CTM 093、EPA Method 201A、ASTM WK8124規定的是采用旋風切割器，以ISO 25597為例，該標準推薦了兩套PM2.5采樣系統，分別如圖8、圖9所示。兩級旋風切割器分別用來分離大于10 μm和2.5～10 μm的顆粒，濾膜用來收集小于2.5 μm的顆粒。圖9所示采樣系統用稀釋系統將揮發和半揮發成分進行稀釋冷凝，形成顆粒物后，再經過一級PM2.5旋風切割器和濾膜來收集。

旋風切割器通過旋轉氣流產生離心力將不同慣性顆粒進行分級收集，大粒徑顆粒慣性大，所受離心力也大，會被收集到壁面后落入灰斗，小粒徑顆粒則會隨氣流進入下一級旋風切割器，PM10旋風切割器和PM2.5旋風切割器原理如圖10所示。

圖8　ISO 25597建議的PM2.5采樣系統(無稀釋)

儀器名稱采樣方法數據讀取方法級數及測量范圍優點缺點WY?1型沖擊式塵粒分級儀撞擊器法直接稱重7級，0．38～34．9μmWY?2型沖擊式塵粒分級儀撞擊器法直接稱重9級，0．38～34．9μmDEKATIPM-10撞擊器法直接稱重3級，PM10、PM2．5、PM1DEKATIDGI撞擊器法直接稱重4級，PM2．5、PM1、PM0．5、PM0．2DEKATIDLPI撞擊器法直接稱重13級，0．03～10μmAndersen撞擊器法直接稱重8級，0．03～10μm稱重結果較為直觀可靠，可以作為驗證其它方法是否準確的標桿。儀器靈敏度高，可瞬時讀數。DEKATIELPI撞擊器法電流信號換算13級，0．03～10μm人工稱重程序比較繁瑣費時。設備購置費高；現場攜帶不方便；數據系經換算得到，精度稍差。

圖9　ISO 25597建議的PM2.5采樣系統(有稀釋)

圖10　旋風切割器原理

2　PM2.5測試儀器

目前市面上用于PM2.5測試的儀器主要是撞擊器法，有WY型沖擊式塵粒分級儀、DEKATI PM-10、DEKATI DGI、DEKATI DLPI、Andersen、DEKATI ELPI等，如表2所示。另外，蔣靖坤等研制了適合我國固定源PM2.5采樣的雙極虛擬撞擊器，并用該設備對各類固定源進行了現場實測[11]；商業用旋風切割器PM2.5采樣器最大直徑超過100 mm(PM10旋風切割器150 mm、PM2.5旋風切割器100 mm)，而國內采樣孔內徑多為80 mm，因此旋風切割器法測試設備應用較少[12]。

3　PM2.5現場實測

本文重點采用撞擊法測試儀器進行現場實測研究，采用Dekati公司生產的三種PM2.5測試儀器：DEKATI PM-10、DEKATI DGI、DEKATI ELPI。參照《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，測試系統分別如圖11～圖13所示。DEKATI PM-10、DEKATI DGI 為采樣后直接稱重，可直接采樣，當采集電除塵器入口時，可布置PM10旋風切割器；ELPI采樣時需配置旋風切割器+稀釋器(1級或2級)。

圖11　DEKATI PM-10測試系統示意圖

圖12　DEKATI ELPI測試系統示意圖

圖13　DEKATI DGI測試系統示意圖

分別采用DEKATI PM-10、DEKATI DGI、DEKATI ELPI對不同項目開展對比測試，將ELPI與DGI、PM-10測試結果對比如圖14所示，測試結果較為接近，并且重復性均較好，驗證了撞擊器法的合理性，并且不論直接稱重還是通過電流信號換算，均能得到理想的數據。

圖14　測試結果對比

圖15　電除塵器進出口測試結果

鑒于ELPI可獲取0.03～10.00 μm段的粒徑分布數據，利用ELPI分別對電除塵器進出口、WESP進口進行測試，測試結果如圖15、圖16所示。其中，電除塵器進、出口采用置旋風切割器+2級稀釋器(一級高溫稀釋一級常溫稀釋)，WESP入口(WFGD出口)煙氣含水量較高，因此也采用旋風切割器+2級稀釋器(一級高溫稀釋一級常溫稀釋)，WESP出口采用旋風切割器+1高溫稀釋器，均取得理想的測試結果。

4　結語

(1)撞擊器法(直接稱重)是國內外PM2.5測試相關標準確定的標準測試方法，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)撞擊器法中直接稱重和電流信號換算測試結果很接近，且ELPI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推薦采用ELPI。當采用ELPI測定電除塵器進出口及濕法脫硫出口時，建議采用“旋風切割器+2級稀釋器(一級高溫稀釋一級常溫稀釋)”；當測定WESP出口時，建議采用“旋風切割器+1高溫稀釋器”。

圖16　WESP進出口測試結果

參考文獻：

[1]姚宇平, 吳泉明. 大氣及固定發生源煙氣中PM2.5的測試方法[C]//2013全國袋式除塵技術研討會論文集,2013: 44-48.

[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論文集,2013: 124-126.

[3]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.

[4]朱少平, 劉含笑, 酈建國, 等. 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, 2014,35(2):141-143.

ZHU Shaoping, LIU Hanxiao, LI Jianguo, et al. Comparative study of elpi with different dilution ratio to PM2.5emission[J].Power & Energy, 2014, 35(2): 141-143.

[5]劉含笑, 姚宇平, 酈建國,等.PM_(2.5)測試方法對比及其燃煤電廠的排放特征分析[J]. 中國粉體技術, 2017(5).

[6]劉含笑, 姚宇平, 酈建國, 等. PM2.5團聚測量技術及其研究進展[J].電力與能源,2013, 34(2):118-123.

LIU Hanxiao, YAO Yuping, LI Jianguo, et al. Measurement technology and research progress of the PM2.5coalescence experiment[J].Power & Energy, 2013, 34(2):

118-123.

[7]劉含笑, 姚宇平, 酈建國,等.燃煤電站煙氣PM_(2.5)測試技術綜述[J]. 中國環保產業, 2017(8):45-51.

[8]劉含笑,朱少平, 姚宇平, 等. PM2.5重量法現場測量技術研究[J].電力與能源, 2014,35(5):572-575.

[9]劉含笑, 酈建國, 姚宇平, 等.較高負壓煙氣環境下PM2.5測試技術研究[J].中國粉體技術, 2017,23(2):79-83.

[10]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 .

[11]蔣靖坤,鄧建國,李振,等. 雙級虛擬撞擊采樣器應用于固定污染源PM10和PM2.5排放測量[J].環境科學,2016,37(6): 2003-2007.

[12]蔣靖坤,鄧建國,李振,等. 固定污染源排氣中PM2.5采樣方法綜述[J].環境科學,2014,35(5): 2018-2024.

JIANG Jingkun, DENG Jianguo, LI Zhen, et al. Sampling methods for PM2.5from stationary sources: a review[J].Environmental Science, 2014, 35(5): 2018-2024.