常倩云,楊正大,鄭成航,方夢(mèng)祥,高 翔,駱仲泱,岑可法 (浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

高濕煙氣中超低濃度細(xì)顆粒物測(cè)試方法研究

常倩云,楊正大,鄭成航,方夢(mèng)祥,高 翔*,駱仲泱,岑可法 (浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

總結(jié)和比較了國(guó)內(nèi)外常用的顆粒物采樣測(cè)試系統(tǒng)及方法,從顆粒物測(cè)量原理、采樣方法的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、適用范圍、誤差來(lái)源等角度分析了采樣系統(tǒng)的特點(diǎn)及準(zhǔn)確性,并結(jié)合我國(guó)燃煤電廠脫硫塔、濕式靜電除塵器出口等位置實(shí)際排放情況,提出適用于低濃度、高濕度條件下的超低濃度顆粒物的可靠測(cè)試方法.為燃煤電廠顆粒物排放濃度的準(zhǔn)確測(cè)量和環(huán)保設(shè)備對(duì)顆粒物控制效果的運(yùn)行和評(píng)估提供保證.

超低排放；顆粒物測(cè)試；PM2.5；采樣系統(tǒng)；燃煤電廠

隨著工業(yè)的發(fā)展,人類排放到大氣中的污染物日益增多.粒徑2.5μm以下的細(xì)顆粒物可長(zhǎng)時(shí)間在大氣中停留,吸附各種有毒的有機(jī)物和重金屬元素[1],并隨風(fēng)遷移和擴(kuò)散,擴(kuò)大污染范圍,且如果被吸入,可進(jìn)入人體肺泡中甚至血液循環(huán)對(duì)機(jī)體健康造成持久性損傷[2].世界衛(wèi)生組織于 2013年10月首次指認(rèn)大氣污染“對(duì)人類致癌”,并視其為普遍和主要環(huán)境致癌物.

2013年我國(guó)能源消費(fèi)總量達(dá)37.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤,能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤炭為主(66%),占全球煤炭消費(fèi)的 50.3%[3].燃煤發(fā)電是我國(guó)大氣污染物的主要排放源之一,2013年環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)顯示,我國(guó)電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)的煙塵排放量約占全國(guó)總煙塵排放量的21.15%,是我國(guó)PM2.5的主要來(lái)源之一[4],實(shí)現(xiàn)燃煤電廠煙氣中顆粒物的高效控制是解決我國(guó)大氣污染問(wèn)題的關(guān)鍵.為此,我國(guó)制定了更為嚴(yán)格的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223-2011)[5],重點(diǎn)地區(qū)煙塵排放限值為 20mg/m3.近年來(lái),燃煤電廠大氣污染物“超低排放”成為熱點(diǎn)話題,即燃煤機(jī)組達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組標(biāo)準(zhǔn)限值,其中煙塵的排放限值為 5mg/m3.這對(duì)我國(guó)顆粒物測(cè)試技術(shù)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn).

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157-1996)[6]為過(guò)濾稱重法,采用皮托管平行采樣法按顆粒物等速采樣原理抽取一定量的含塵氣體,根據(jù)濾筒上所捕集到的顆粒物量和同時(shí)抽取的氣體體積,計(jì)算出排氣中顆粒物濃度.該方法是我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)方法,適用于工況比較穩(wěn)定的污染源采樣,廣泛應(yīng)用于測(cè)試工作中.然而該方法中使用的濾筒自重較大,在低于 50mg/m3的顆粒物的采樣和分析中誤差較大,影響低顆粒物采樣準(zhǔn)確度.

與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)類似的采樣方法有美國(guó)環(huán)保署EPA 、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO、美國(guó)南海岸空氣管理局 SCAQMD 等組織發(fā)布的一系列固定源顆粒物濃度測(cè)試方法,其特點(diǎn)與適用范圍如表 1所示.針對(duì)50mg/m3以下的低濃度顆粒物采樣,目前國(guó)際上有 ISO12141-2002、ANSI/ASTM D 6331-98、US EPA method 5I、BS EN 13284-1: 2002等方法,采用大流量采樣,使用丙酮等溶劑回收并稱量濾筒上游采樣部件內(nèi)壁堆積的顆粒物計(jì)入總顆粒物增重,從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性.

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外常用的顆粒物測(cè)試系統(tǒng)及方法的基礎(chǔ)上,分析不同采樣裝置的顆粒物測(cè)量原理、適用條件及測(cè)量誤差來(lái)源,為固定源顆粒物準(zhǔn)確測(cè)量提供建議,并結(jié)合我國(guó)燃煤電廠脫硫塔、濕式靜電除塵器出口等位置實(shí)際情況,提出適用于高濕低溫?zé)煔鈼l件下低濃度顆粒物的可靠測(cè)試方法.

表1 國(guó)內(nèi)外常用固定源顆粒物采樣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Common particle measurement methods of stationary sources

續(xù)表1

1 常見(jiàn)燃煤煙氣顆粒物測(cè)試系統(tǒng)

顆粒物測(cè)試系統(tǒng)主要可分為采樣管路、顆粒收集裝置、煙氣冷卻干燥裝置、流量控制裝置以及流速測(cè)量裝置、加熱裝置等配件.常見(jiàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖 1所示.含塵煙氣從煙道內(nèi)的采樣嘴經(jīng)過(guò)采樣管路進(jìn)入采樣系統(tǒng),被顆粒收集裝置(如濾膜)捕集,在一定時(shí)間后測(cè)量顆粒收集裝置增重量,顆粒收集裝置后連接干燥器吸收煙氣中的水分,采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)或體積流量計(jì)測(cè)量采樣流量,并通過(guò)測(cè)點(diǎn)的壓力、溫度、含氧量等參數(shù)折算標(biāo)況干基條件下的采樣體積,顆粒物收集裝置得到的顆粒質(zhì)量與采樣體積的比值即為該采樣點(diǎn)煙氣顆粒物濃度.

以轉(zhuǎn)子流量計(jì)為例,當(dāng)流量計(jì)前裝有干燥器時(shí),采樣體積計(jì)算方法為:

式中:Vnd為標(biāo)準(zhǔn)工況下干基采樣體積,L;為采樣流量,L/min;Ba為大氣壓力,Pa;Pr為轉(zhuǎn)子流量計(jì)前氣體壓力,Pa;Mad為干排氣氣體分子量,kg/ kmol;tr為轉(zhuǎn)子流量計(jì)前氣體溫度,℃;t為采樣時(shí)間,min.

在測(cè)試過(guò)程中,采樣系統(tǒng)的各部分參數(shù)均會(huì)影響顆粒物測(cè)量的準(zhǔn)確性,其中關(guān)鍵因素的研究現(xiàn)狀歸納如下.

圖1 典型顆粒物濃度測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Typical particle measurement system in stationary sources

1.1 采樣管路

采樣管路是煙道中采樣截面至顆粒收集裝置之間的采樣結(jié)構(gòu).采樣管路的吸入效率和傳輸效率是影響顆粒物采樣準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素.為保證顆粒物的吸入效率,采樣點(diǎn)的選擇需具有代表性,即流場(chǎng)、顆粒濃度分布較均勻,并多點(diǎn)采樣取平均值.煙道中的采樣嘴應(yīng)正對(duì)氣流方向,并選擇合適的采樣嘴直徑和采樣流量,使進(jìn)入采樣嘴的氣流速度與采樣點(diǎn)流速相等,從而減少因顆粒物慣性而產(chǎn)生的采樣誤差[7-8].為了保證較高的傳輸效率,需注意采樣管路的彎頭、材質(zhì)、煙氣濕度等參數(shù)引起的慣性力、靜電力、熱泳力等對(duì)顆粒物傳輸?shù)臏?zhǔn)確性造成影響.

1.2 顆粒物收集裝置

1.2.1 過(guò)濾式采樣器 過(guò)濾稱重法是收集煙氣中顆粒物最常見(jiàn)方法.通過(guò)將煙氣中的顆粒物從氣相中收集到濾膜上并進(jìn)行重量分析、化學(xué)分析、顆粒物顯微分析、形態(tài)分析等,可以得到煙氣中顆粒物的總濃度以及其化學(xué)成分[9].為保證過(guò)濾收集的準(zhǔn)確性,采樣器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和濾膜的選擇是關(guān)鍵因素.

用來(lái)固定濾膜的采樣器應(yīng)保證將濾膜與周?chē)h(huán)境隔離,其流場(chǎng)應(yīng)盡量流暢,使采樣氣體以一致的速度通過(guò)濾膜,從而保證濾膜免受局部沖擊造成顆粒物損失[10].另外采樣器也可能會(huì)產(chǎn)生管壁靜電沉積和擴(kuò)散沉積,在選擇合適采樣器的同時(shí),可使用密閉溫控裝置使采樣器內(nèi)溫度梯度減小至最低.此外,可使用丙酮等有機(jī)溶劑清洗采樣器內(nèi)部并烘干稱重,將增重部分加入采樣顆粒物重量中以減小誤差.

濾膜的顆粒物收集效率、氣流通過(guò)濾膜時(shí)產(chǎn)生的壓降、濾膜表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的誤差、濾膜吸濕及靜電作用對(duì)氣溶膠重量分析的干擾以及濾膜本身材質(zhì)與采樣器的適用性都是選擇濾膜的關(guān)鍵因素[11].目前常用的濾膜及其特性如表2所示,通常濾膜選擇時(shí)需滿足0.3μm以上顆粒物過(guò)濾效率大于99.95%,同時(shí)保證一定的重量穩(wěn)定性和后續(xù)化學(xué)成分分析需求[12].玻璃纖維膜、石英纖維膜以及聚四氟乙烯膜都是常用濾膜.然而選擇時(shí)需注意:玻璃纖維濾膜可與 SO2等酸性化合物發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致濾膜質(zhì)量增加;聚四氟乙烯濾膜耐受溫度較低,在使用時(shí)不得超過(guò)規(guī)定的溫度;若濾膜中含有機(jī)粘結(jié)劑,應(yīng)注意防止有機(jī)粘結(jié)劑受熱蒸發(fā)造成濾膜質(zhì)量的損失.此外,濾膜產(chǎn)生的壓降是影響顆粒物采樣系統(tǒng)配件選擇和穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素,應(yīng)根據(jù)采樣系統(tǒng)管路阻力和真空泵參數(shù)選擇.

表2 常用濾膜特性[13]Table 2 Common filter properties

1.2.2 慣性沖擊器 慣性沖擊器利用不同直徑顆粒物的慣性不同,將顆粒物分級(jí)成若干的粒徑段進(jìn)行測(cè)量,可以得到顆粒物的分級(jí)重量分布,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 23210:2009采用沖擊器來(lái)測(cè)定固定污染源煙氣中低濃度的PM2.5和PM10的標(biāo)準(zhǔn)方法.其基本原理如圖 2所示,當(dāng)含塵氣體通過(guò)每一級(jí)上的微孔時(shí)氣流在噴孔處加速,受收集板的影響發(fā)生轉(zhuǎn)向,其中粒徑較小的顆粒物隨氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入下一級(jí),較大顆粒物因慣性作用被收集板上的膜收集.噴孔與收集板的距離S與每一級(jí)噴孔直徑W的比值S/W決定收集板上收集到的顆粒粒徑[14],典型不同粒徑顆粒物收集效率曲線如圖3所示,其中50%收集效率所對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑為該級(jí)沖擊器切割粒徑[15].為了阻止膜上收集的顆粒在采樣和稱重過(guò)程中被氣流攜帶和損失,使用四氯化碳等有機(jī)溶劑溶解粘性油脂覆于收集膜表面,所使用的涂層材料需要具有質(zhì)量穩(wěn)定性,保證在采樣前后和樣品烘干過(guò)程中重量不變.在不使用旋風(fēng)除塵器的情況下,沖擊式撞擊器各級(jí)濾膜重量差之和為采樣得到的煙氣中顆粒物總重量,可與過(guò)濾式采樣器采樣前后重量差相比較.而在 PM2.5濃度測(cè)量時(shí),切割粒徑在2.5μm及以下的各級(jí)沖擊式采樣膜重量差之和即為采樣得到的煙氣中PM2.5重量,可與使用PM2.5切割器后過(guò)濾式采樣器采樣前后重量差相比較.

圖2 沖擊式采樣器收塵原理Fig.2 Schematic diagram of impactors

圖3 典型沖擊器顆粒物收集曲線Fig.3 Typical cut point of impactors

沖擊器主要存在的問(wèn)題是顆粒物彈跳、過(guò)量沉積和級(jí)間損失.當(dāng)用沖擊器系統(tǒng)采集高數(shù)量濃度氣溶膠時(shí),沖擊器中氣溶膠沖擊可能導(dǎo)致粒徑測(cè)量的偏移,Biswas[16]計(jì)算得到?jīng)_擊器內(nèi)不同噴孔直徑、顆粒物直徑所適用的數(shù)量濃度上限,為沖擊器的設(shè)計(jì)及采樣時(shí)間提供指導(dǎo).Chen[17]通過(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)算并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了沖擊器內(nèi)的顆粒物損失.而 Ji[18]等針對(duì)沖擊器噴孔堵塞的問(wèn)題進(jìn)行了研究和計(jì)算,得到了噴孔顆粒物沉積對(duì)切割粒徑的影響規(guī)律.Liu[19]等設(shè)計(jì)的微孔沖擊器改進(jìn)了噴孔結(jié)構(gòu),明顯提高了沖擊器對(duì)顆粒物的收集效果和長(zhǎng)時(shí)間采樣的穩(wěn)定性,并通過(guò)調(diào)整小粒徑段S/W值,提高了納米級(jí)顆粒切割粒徑的準(zhǔn)確性,且與商用儀器比前六級(jí)顆粒物損失低至1.6%～1.8%.在粒徑測(cè)量的過(guò)程中,水蒸汽和其他物質(zhì)的凝結(jié)作用可能導(dǎo)致測(cè)量的失真[20],因此在高濕度煙氣采樣過(guò)程中,增設(shè)加熱裝置使進(jìn)入采樣器的煙氣液滴完全蒸發(fā)能有助于保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性.然而需注意的是,加熱裝置使煙氣在沖擊器內(nèi)膨脹,導(dǎo)致煙氣流速增加,切割粒徑減小,需要調(diào)整流量保證切割粒徑的準(zhǔn)確性.在手動(dòng)沖擊式采樣器的基礎(chǔ)上,沖擊式低壓撞擊器 ELPI的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了6nm～10μm共14級(jí)顆粒物的在線濃度測(cè)量[21],并廣泛用于煙氣顆粒物濃度測(cè)試[22-24].

1.2.3 虛擬沖擊器 在慣性沖擊器的基礎(chǔ)上,虛擬沖擊器也得到了廣泛的研究和應(yīng)用,虛擬沖擊器的基本原理(圖4)與傳統(tǒng)的慣性分級(jí)采樣相似,利用不同粒徑顆粒物的慣性不同實(shí)現(xiàn)顆粒的分級(jí)采樣.虛擬沖擊器沒(méi)有收塵板,由兩個(gè)同軸噴嘴構(gòu)成,氣流進(jìn)入加速噴嘴后被加速一分為二,主流發(fā)生 90°變向進(jìn)入下一級(jí),次流直接進(jìn)入收塵噴嘴.由于粒徑小的顆粒物慣性小,大部分隨主流進(jìn)入下一級(jí),粒徑大的顆粒物脫離變向氣流,隨次流進(jìn)入收塵噴嘴,并被引入收集濾膜或?yàn)V筒[25-26],減少了沖擊器存在的顆粒物彈跳和承載量低的問(wèn)題,適合寬濃度范圍的長(zhǎng)時(shí)間煙塵采樣, ISO13271:2012測(cè)試方法將虛擬沖擊器用于較高濃度顆粒物采樣.

圖4 虛擬沖擊器收塵原理Fig.4 Schematic diagram of virtual impactors

與沖擊式采樣器類似,虛擬沖擊器的顆粒收集效率曲線也是尖銳明顯的,小于切割粒徑顆粒的收集主要來(lái)源于次流的攜帶作用,通過(guò)優(yōu)化加速噴嘴和收塵噴嘴的形狀、角度、位置等參數(shù)[25,27-29],可以有效提高切割粒徑的準(zhǔn)確性,使之與理論分析符合性較好[30].虛擬沖擊器的關(guān)鍵問(wèn)題是加速噴嘴背面和收塵噴嘴邊緣的顆粒損失,這主要取決于收塵噴嘴直徑與加速噴嘴的直徑D1/D0[31]、收塵噴嘴的形狀[32-34]、雷諾數(shù)[35]、次流所占總氣流比例[36]以及安裝準(zhǔn)確度等[37]. Haglund等[38]通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化虛擬沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu),將 2.2μm 級(jí)切割粒徑顆粒損失降低至3%.Lee等[39]在加速噴嘴前增加節(jié)流孔板將虛擬沖擊器內(nèi)斯托克斯數(shù)從0.77降低至0.68,顆粒損失從30%～40%降低至5%以下.蔣靖坤等[40]開(kāi)發(fā)了固定源 PM10/PM2.5雙級(jí)虛擬撞擊采樣器,與國(guó)際其他產(chǎn)品相比采樣器直徑更小,滿足我國(guó)固定源采樣口尺寸要求.

2 顆粒物測(cè)試誤差來(lái)源及分析

顆粒物測(cè)試過(guò)程中的主要誤差來(lái)源及影響因素如圖 5所示.受煙氣中顆粒物慣性、布朗運(yùn)動(dòng)、熱泳力、靜電力、粘附力等作用的影響,顆粒物采樣、傳輸、顆粒物收集、樣品處理及分析等一系列過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,直接影響了顆粒物測(cè)試的準(zhǔn)確性.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)都有一定的研究,旨在分析顆粒物在采樣過(guò)程中的遷移規(guī)律,得到更加準(zhǔn)確的顆粒物測(cè)試系統(tǒng)和方法.

圖5 顆粒物測(cè)試過(guò)程中的主要誤差來(lái)源Fig.5 Mean particle losses during particle measurement in stationary sources

2.1 顆粒采樣損失

顆粒物隨煙氣進(jìn)入采樣嘴時(shí)的采樣損失是產(chǎn)生測(cè)試誤差分析的第一步,已有研究針對(duì)旋風(fēng)分離器[41]、石棉過(guò)濾器[42]、總塵測(cè)量裝置[43]、吸入式采樣器[44-45]等的顆粒采樣入口效率進(jìn)行研究.研究表明采樣效率與顆?？諝鈩?dòng)力學(xué)直徑、采樣管入口流速、入口形狀和尺寸、所連接采樣裝置尺寸等因素有關(guān).在顆粒物采樣過(guò)程中,由于大顆粒的慣性較大,較易受采樣管附近氣流的影響而產(chǎn)生采樣誤差.當(dāng)采樣流速大于煙氣在煙道中的流速時(shí),更多大顆粒會(huì)被吸入采樣管,導(dǎo)致所測(cè)得顆粒物濃度產(chǎn)生正偏差,反之會(huì)產(chǎn)生負(fù)偏差,因此采樣流速必須保證與采樣點(diǎn)煙氣流速相等(相對(duì)誤差應(yīng)在 10%之內(nèi)).維持顆粒物等速采樣的方法有預(yù)測(cè)流速法、皮托管平行測(cè)速采樣法、動(dòng)壓平衡型采樣管法和靜壓平衡型采樣管法等四種(其中后三種可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)等速采樣).在測(cè)定煙氣流速時(shí),我國(guó)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 16157-1996[6]規(guī)定使用皮托管在各個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得動(dòng)壓、靜壓以及溫度等參數(shù),按照相關(guān)計(jì)算公式計(jì)算出排氣流速,并重復(fù)測(cè)量求得平均流速后,選擇合適的采樣嘴尺寸并控制采樣流量從而保證等速采樣.

在采樣管與煙氣交界面以及煙道內(nèi)放置的顆粒收集裝置附近會(huì)產(chǎn)生氣流減速,導(dǎo)致上游大顆粒的沉積.開(kāi)發(fā)或選擇采樣系統(tǒng)時(shí),建議針對(duì)其對(duì)流場(chǎng)的影響進(jìn)行評(píng)估,根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)及EPA或ISO標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的采樣嘴材質(zhì),開(kāi)口直徑和與中軸線夾角等參數(shù).此外,存在液滴及濕度較大的煙氣中采樣時(shí),液滴在采樣管口的沉積和凝聚會(huì)導(dǎo)致顆粒物的吸附,煙道中的采樣管也需要加熱防止水汽的影響,必要時(shí)在采樣嘴干濕交界面附近采用較高加熱溫度從而促進(jìn)水分蒸發(fā).

2.2 顆粒傳輸損失

顆粒從煙道進(jìn)入采樣器前經(jīng)過(guò)的管路會(huì)由于重力沉降、擴(kuò)散沉積、慣性沉降以及溫度梯度和靜電作用造成損失,其中顆粒物的傳輸損失可以分為重力沉降和擴(kuò)散作用的共同影響[13].在一項(xiàng)包括幾百個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的研究中,顆粒物的壁面損失變化很大(2%～100%)[46].而另一些研究發(fā)現(xiàn)僅22%的顆粒被補(bǔ)集在濾膜上,而65%的顆粒在濾膜上游部件中[47-48].

2.2.1 沉降損失 顆粒的沉降主要來(lái)源于傳輸過(guò)程中的重力沉降以及彎管的慣性沉積作用. Fuchs[49]、Lin[50]、Yamano[51]研究得到并改進(jìn)了管道中顆粒物重力沉降的傳輸效率公式,研究表明,在層流和湍流兩種模式下,減少輸送長(zhǎng)度、增加氣流量、減小管道傾角等措施可以減小重力沉降損失.Cheng[52]、Pui[53]、Sun[54]等研究并建立了適應(yīng)不同雷諾數(shù)和彎管弧度數(shù)的傳輸效率公式,可得到不同雷諾數(shù)下的斯托克斯數(shù)范圍(如0.05以下),從而保證彎管慣性沉積引起的顆粒損失最小,為設(shè)計(jì)采樣管路和估計(jì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率提供參考.研究表明,通過(guò)改進(jìn)采樣管路結(jié)構(gòu),可將顆粒沉降損失從25%～30%降低至5%[55].

2.2.2 擴(kuò)散損失 由于布朗運(yùn)動(dòng),小顆粒會(huì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散,最終停留在采樣管壁處,這一擴(kuò)散現(xiàn)象受采樣管內(nèi)的溫度梯度,顆粒濃度,煙氣濕度等條件影響.氣流中存在溫度梯度時(shí),受熱泳力影響,顆粒由于受較熱一側(cè)氣體分子的撞擊更加劇烈而被從熱源中推出,因而相對(duì)較冷的表面更容易沉積顆粒[56],Friedlander[57]和Talbot[58]等提出了溫度梯度中顆粒物遷移速度的公式.通過(guò)加熱采樣管壁等措施降低管道內(nèi)氣流的溫度梯度,可有效減少由于熱遷移作用產(chǎn)生的顆粒物沉積.

煙氣濕度很大時(shí),采樣系統(tǒng)中的水等蒸氣組分會(huì)向管壁方向冷凝,氣體從蒸發(fā)表面向冷凝表面遷移,產(chǎn)生Stefan流,并對(duì)顆粒產(chǎn)生作用力使其向冷凝面運(yùn)動(dòng)和沉積[49,59],且液滴吸附在粒子表面,并充滿作用點(diǎn)及其附近的毛細(xì)空間.液體層的表面張力增大了兩個(gè)表面間的吸附力.使顆粒更易粘附在采樣管壁內(nèi).Whitmore等[60]的研究表明,顆粒的輸送效率與發(fā)生冷凝煙氣的量成反比.通過(guò)對(duì)采樣系統(tǒng)加熱或稀釋可避免采樣系統(tǒng)中發(fā)生冷凝,可減少液滴對(duì)顆粒遷移沉積的影響.還應(yīng)在采樣管路中過(guò)濾裝置前增設(shè)擴(kuò)散干燥器,氣流從干燥器內(nèi)管通過(guò)時(shí)煙氣中的水分通過(guò)內(nèi)外管之間的微孔擴(kuò)散至外管并被硅膠吸收,擴(kuò)散干燥器內(nèi)的硅膠應(yīng)及時(shí)更換保證煙氣被充分干燥.然而,保溫溫度并非越高越好,顆粒物采集所用濾膜均有一定的溫度限制,如特氟龍濾膜承受溫度為180℃以下,溫度過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾裝置金屬部件膨脹變形,會(huì)影響顆粒捕集效果.

2.2.3 靜電損失 大多數(shù)煙氣中的顆粒物所帶的電荷都高于大氣中顆粒電荷的平衡量,尤其是靜電除塵器后等測(cè)點(diǎn)的煙氣中的顆粒物,這些帶電的顆粒物在采樣和傳輸過(guò)程中容易因靜電作用而沉積產(chǎn)生測(cè)量誤差.當(dāng)顆粒帶電量或所處區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí),不會(huì)有電場(chǎng)力影響顆粒運(yùn)動(dòng),而當(dāng)采樣系統(tǒng)和顆粒均帶電時(shí),電場(chǎng)力造成的影響會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于重力、慣性、擴(kuò)散及其他因素.當(dāng)采樣器與大地絕緣并被通過(guò)制造、搬運(yùn)、摩擦等過(guò)程攜帶一定的電荷,尤其是在低濕度條件下(＜20% RH)[48].塑料、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、PVC和聚苯乙烯都是能保持高荷電水平的材料,含有這些材料的采樣裝置導(dǎo)致顆粒物由于靜電吸附產(chǎn)生壁面損失,對(duì)顆粒測(cè)試結(jié)果造成負(fù)偏差[61-62],使用金屬等可導(dǎo)電材料的采樣系統(tǒng)可有效避免靜電沉積的產(chǎn)生.

除了采樣系統(tǒng)之外,濾膜材料的選擇也影響著顆粒物的收集效果.如聚碳酸酯、聚四氟乙烯、PVC以及低濕度條件(＜10% RH)下的纖維素等濾膜都保持著很高的帶電水平,導(dǎo)致顆粒在濾膜上附著不均勻,甚至從濾膜上反彈.這些濾膜甚至在稱量過(guò)程中也由于靜電作用而更難稱準(zhǔn).有研究證明可以在不明顯改變?yōu)V膜重量穩(wěn)定性和吸濕性的同時(shí)使它們能夠?qū)щ奫9],使顆粒物采樣損失從14%降低至2%[55].

2.3 顆粒重量分析損失

低濃度顆粒物測(cè)試過(guò)程中,由于顆粒物濃度低、濾膜增重少,需增大采樣體積,在常規(guī)采樣速率下延長(zhǎng)采樣時(shí)間,在常規(guī)采樣時(shí)間內(nèi)提高采樣速率,從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性.此外,測(cè)定低濃度顆粒物時(shí),可使用丙酮、去離子水等溶劑回收、稱重濾筒上游采樣設(shè)備上堆積的顆粒物,濾筒增加的質(zhì)量與從采樣設(shè)備上收集的堆積顆粒物質(zhì)量之和作為煙氣樣品中所含顆粒物質(zhì)量.同時(shí),使用高穩(wěn)定性、高精度的電子天平,也是保證濾膜增重準(zhǔn)確稱量的關(guān)鍵.目前低濃度顆粒物測(cè)試條件下,使用精度為0.1mg甚至0.01mg的電子天平十分必要.

3 高濕煙氣中超低濃度顆粒物測(cè)試系統(tǒng)的選擇

通過(guò)分析和比選現(xiàn)有顆粒物測(cè)試方法,并結(jié)合當(dāng)前顆粒物測(cè)試研究成果和關(guān)鍵誤差來(lái)源分析,為實(shí)現(xiàn)高濕煙氣中低濃度顆粒物的準(zhǔn)確測(cè)量,我們選擇了一系列關(guān)鍵裝置和參數(shù)(如圖6所示),具體內(nèi)容如下:

圖6 高濕環(huán)境下低濃度顆粒物測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.6 Desigh of ultra-low concentration particle measurement system in high humidity flue gas

針對(duì)目前我國(guó)多使用濕法脫硫和濕式靜電除塵設(shè)備,脫硫塔后及濕式靜電除塵器后煙氣中含液滴的采樣情況,使用采樣設(shè)備全程加熱過(guò)濾的采樣方式,從采樣槍到煙道外采樣器均加設(shè)保溫裝置,溫度設(shè)定為 120℃,保證煙氣逐步加熱至顆粒收集裝置時(shí)水分已被完全蒸發(fā),減少采樣管內(nèi)產(chǎn)生冷凝水及熱泳力作用下顆粒物在管壁的沉積.在高濕度條件下使用擴(kuò)散干燥器,不影響顆粒物總量的前提下吸收煙氣中的水分,進(jìn)一步提高精度.

針對(duì)低濃度顆粒物采樣采用了大流量采樣裝置,相應(yīng)使用增大的47mm的濾膜,通過(guò)保證規(guī)范、有效稱量,在常規(guī)采樣流量下延長(zhǎng)采樣時(shí)間(通常 30min以上),在常規(guī)采樣時(shí)間內(nèi)提高采樣速率,從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性.

測(cè)定低濃度顆粒物時(shí),為減小靜電誤差,采樣管路系統(tǒng)均為不銹鋼材質(zhì),使用丙酮等溶劑回收上游采樣設(shè)備上堆積的顆粒物,保證測(cè)量準(zhǔn)確.

在需要得到測(cè)量PM2.5濃度的情況時(shí)采用沖擊式稱重方法,同時(shí)應(yīng)注意加熱溫度、采樣流量對(duì)沖擊式采樣器切割粒徑的影響.保證測(cè)試結(jié)果及粒徑分布結(jié)果的準(zhǔn)確性.

規(guī)范測(cè)試中的操作流程,減少人為因素引起的測(cè)試不準(zhǔn)確.并選用高精度天平、高穩(wěn)定性配件,保證濾膜重量稱量、采樣流量測(cè)量、煙氣參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性.

基于手動(dòng)采樣系統(tǒng)的煙氣采樣、收集原理及關(guān)鍵參數(shù),考慮優(yōu)化顆粒物在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性,如β射線法不受液滴和顆粒粒徑、顏色等性質(zhì)影響, 克服傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備易受液滴干擾的缺點(diǎn),測(cè)量結(jié)果可與經(jīng)典的稱重法等效,在高濕低濃度條件下提供更準(zhǔn)確的在線監(jiān)測(cè)結(jié)果.

4 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)了國(guó)內(nèi)外常用的顆粒物測(cè)試系統(tǒng)及方法,并從顆粒物測(cè)量原理、適用范圍、誤差來(lái)源等角度分析了采樣系統(tǒng)的特點(diǎn)及準(zhǔn)確性,結(jié)合我國(guó)燃煤電廠脫硫塔、濕式靜電除塵器出口等位置實(shí)際排放情況,提出適用于高濕低溫?zé)煔鈼l件下低濃度顆粒物的可靠測(cè)試方法.以期為我國(guó)燃煤煙氣低濃度顆粒測(cè)試工作的展開(kāi)以及制定燃煤電廠低濃度煙塵及PM2.5標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法的建立提供建議和幫助.

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Research on ultra-low concentration particle measurement in high humidity flue gas.

CHANG Qian-yun, YANG Zheng-da, ZHENG Cheng-hang, FANG Meng-xiang, GAO Xiang*, LUO Zhong-yang, CEN Ke-fa (State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2450～2459

Particle sampling and measurement methods and systems in China and abroad were concluded and compared, the measurement principles, configurations and characteristics of sampling systems, applicable scopes, particle transition and loss were analysed. A reliable ultra-low concentration particle measurement solution was achieved to meet the situation at the testing spots after flue gas desulfurization systems (FGDs) and wet electrostatic precipitators (WESPs) where the flue gas is in high humidity, which guarantees accuracy and reliability of particle emission concentration analysis and flue gas purification equipment operation assessment.

ultra-low emission；particle measurement；PM2.5；sampling system；coal-fired power plant

X513,X831

A

1000-6923(2017)07-2450-10

常倩云(1990-),女,陜西西安人,博士研究生,主要從事燃煤煙氣顆粒物脫除增效及測(cè)量技術(shù)研究.

2016-12-09

“973項(xiàng)目”(2013CB228504);國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAA05B02);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2016FZA4009)

* 責(zé)任作者, 教授, xgao1@zju.edu.cn