燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物排放測試方法研究

王錚，薛建明，許月陽，王宏亮，王小明，管一明，劉珺

1.南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210042 2.國電科學(xué)技術(shù)研究院(國電環(huán)境保護(hù)研究院)，江蘇 南京 210031

燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物排放測試方法研究

王錚1,2，薛建明1,2，許月陽2，王宏亮2，王小明2，管一明2，劉珺1,2

1.南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210042 2.國電科學(xué)技術(shù)研究院(國電環(huán)境保護(hù)研究院)，江蘇 南京 210031

分析了燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物的排放特征，介紹了目前主要的PM2.5超細(xì)顆粒物的排放測試方法。其中較為成熟的燃煤電廠PM2.5排放測試方法主要是美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)推薦的201A，202法和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布的ISO 23210:2009法。近年來開發(fā)的稀釋采樣原理PM2.5排放測試方法及ELPI法表現(xiàn)出良好的發(fā)展應(yīng)用前景。最后結(jié)合我國燃煤電廠大氣污染物減排經(jīng)驗提出了建議。

燃煤電廠；超細(xì)顆粒物；PM2.5排放；測試方法

PM2.5超細(xì)顆粒物是一種長期懸浮于大氣環(huán)境，具有比表面積大，易于富集多環(huán)芳香烴、多環(huán)苯類、病毒和細(xì)菌等有毒物質(zhì)，以及痕量有毒元素的顆粒污染物；PM2.5超細(xì)顆粒物又稱為可入肺顆粒物，能夠進(jìn)入人體肺泡甚至血液循環(huán)系統(tǒng)，一旦在人體呼吸系統(tǒng)沉積將產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。同時PM2.5超細(xì)顆粒物也是導(dǎo)致大氣能見度降低、灰霾天氣和全球氣候變化等重大環(huán)境問題的重要因素[1]。鑒于PM2.5超細(xì)顆粒物重大的環(huán)境和健康影響，2012年3月1日我國將PM2.5超細(xì)顆粒物指標(biāo)納入新修訂的GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，從現(xiàn)在開始分步實施對PM2.5超細(xì)顆粒物的監(jiān)測，并于2016年1月1日起在全國范圍實施[2]。

大氣中PM2.5超細(xì)顆粒物的來源包括自然源(植物花粉和孢子、土壤揚塵、海鹽、森林火災(zāi)、火山爆發(fā)等)和人為源，人為源又可分為固定源和移動源，前者如燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)過程，后者如交通運輸?shù)?。近十年來，國?nèi)學(xué)者對部分城市大氣顆粒物源解析研究結(jié)果表明，燃煤電廠是大氣PM2.5超細(xì)顆粒物的重要來源之一[3-5]。因此，準(zhǔn)確測量燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物的排放，對于了解燃煤電廠對大氣PM2.5超細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)及制定污染控制措施和排放標(biāo)準(zhǔn)十分重要。

1 燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物排放特征

燃煤電廠排放的PM2.5超細(xì)顆粒物主要可分為兩類，即直接排出的一次PM2.5超細(xì)顆粒物和以氣態(tài)形式如SO2、NOx、SO3和VOC等排放到大氣中，通過復(fù)雜的大氣物理化學(xué)過程生成的二次PM2.5超細(xì)顆粒物。一次PM2.5超細(xì)顆粒物又可分為直接以固態(tài)(或液態(tài))形式排出的一次PM2.5超細(xì)顆粒物和在煙氣溫度狀態(tài)下以氣態(tài)或蒸汽形式排出，在煙羽的稀釋和冷卻過程中凝結(jié)成固態(tài)(或液態(tài))的一次凝結(jié)PM2.5超細(xì)顆粒物[6]。Lu等[7]對某675 MW機組(SCR+ESP+FGD)煙囪出口處的PM2.5超細(xì)顆粒物排放測試結(jié)果明，一次凝結(jié)PM2.5超細(xì)顆粒物約占總一次PM2.5超細(xì)顆粒物的36％。

2 燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物排放測試方法

針對燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物的排放特征，國內(nèi)外學(xué)者重點對一次PM2.5超細(xì)顆粒物測試技術(shù)進(jìn)行了研究。目前，美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)、美國材料測試協(xié)會(ASTM協(xié)會)以及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布了多種燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物標(biāo)準(zhǔn)測試方法，根據(jù)采樣原理的不同可分為等速采樣法和稀釋采樣法兩類，采用等速采樣原理的測試方法主要有：EPA方法201A、EPA方法202、EPA OTM 027、EPA OTM 028和ISO 23210:2009法，而EPA CTM-039、ASTM WK8124以及ELPI法則基于稀釋采樣原理。

2.1 等速采樣法

等速采樣法是固定源顆粒物濃度測量廣泛采用的方法。其主要是通過動壓平衡或者靜壓平衡采樣管測出的壓力選取相應(yīng)規(guī)格的等速采樣嘴，煙氣經(jīng)等速采樣嘴進(jìn)入采樣鏈。主要的代表方法有EPA方法和ISO 23210:2009方法等。

2.1.1 EPA方法

燃煤電廠排放的PM2.5超細(xì)顆粒物可分為過濾顆粒物(FPM)和凝結(jié)顆粒物(CPM)，二者分別近似對應(yīng)于燃煤電廠排放的一次固態(tài)(或液態(tài))超細(xì)顆粒物和一次凝結(jié)超細(xì)顆粒物。常規(guī)的測量方法只能測量一次固態(tài)超細(xì)顆粒物，如EPA方法5、EPA方法201A及EPA OTM方法027[8-9]。EPA方法202及EPA OTM方法028用于測量一次凝結(jié)超細(xì)顆粒物[10-11]，該方法與EPA方法201A聯(lián)用可同時捕集一次固態(tài)超細(xì)顆粒物和一次凝結(jié)超細(xì)顆粒物。EPA方法201A和EPA方法202是US EPA推薦的煙氣中不含液滴條件下固定源PM2.5超細(xì)顆粒物一次固態(tài)超細(xì)顆粒物濃度和凝結(jié)性超細(xì)顆粒物濃度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法[8-11]。為了測量含濕量較高的煙氣中的顆粒物濃度(如FGD出口)，通常在采樣預(yù)處理系統(tǒng)中將煙氣加熱到120 ℃以上，在該溫度下，煙氣中的水分不會凝結(jié)以保證煙氣中不含液滴。

2010年修訂的EPA方法201A是在1990年US EPA發(fā)布的201方法基礎(chǔ)上吸收了EPA OTM方法27的優(yōu)點改進(jìn)而來的，主要是在原有的大顆粒分割器后設(shè)置了Ⅱ級顆粒分割器。其主要測量原理(圖1)：通過等速采樣嘴進(jìn)入采樣管的煙氣首先經(jīng)過Ⅰ級大顆粒分割器，去除粒徑大于10 μm的顆粒物，再經(jīng)由Ⅱ級顆粒分割器去除粒徑為2.5～10 μm的顆粒物，最后由濾膜來收集PM2.5超細(xì)顆粒物，通過測量收集到的PM2.5超細(xì)顆粒物的質(zhì)量計算得到PM2.5一次固態(tài)超細(xì)顆粒物濃度。經(jīng)采樣系統(tǒng)除去了一次固態(tài)超細(xì)顆粒物的煙氣進(jìn)入EPA方法202測試系統(tǒng)，以鼓泡方式穿過沖擊罐中的水，硫酸霧、半揮發(fā)性有機物等排放到大氣會發(fā)生冷凝的物質(zhì)被捕集于水中，最后通過計算得到總的PM2.5超細(xì)顆粒物濃度[8]。

圖1 EPA方法201A 測量原理Fig.1 Measurement principle of EPA method 201A

2.1.2 ISO 23210:2009[12]方法

ISO 23210:2009是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織2009年發(fā)布的用于固定源PM10PM2.5濃度測量的標(biāo)準(zhǔn)測試方法，可用其來測量固定源PM2.5一次固態(tài)超細(xì)顆粒物濃度，與EPA方法201A一樣，該法同樣只適用于煙氣中不含液滴的條件，與采用氣旋原理分離顆粒物的測試方法不同，該法采用撞擊器原理分離不同粒徑顆粒物，較大的顆粒物在自身慣性的作用下撞擊到撞擊器底部的集塵板上(圖2)[12]。實際操作時，根據(jù)每級撞擊器對應(yīng)的需要分離的顆粒粒徑，計算出撞擊嘴的長度(lin)、撞擊嘴的直徑(din)以及撞擊嘴與集塵板之間的距離(s)，選取相應(yīng)規(guī)格的顆粒撞擊器。

圖2 ISO 23210:2009法撞擊器原理Fig.2 Principle of impaction for ISO 23210:2009

具體的工作原理(圖3)：經(jīng)等速采樣嘴進(jìn)入采樣鏈的煙氣，首先經(jīng)由Ⅰ、Ⅱ級撞擊器分離粒徑大于10 μm和粒徑介于2.5～10 μm的顆粒物，隨后由濾膜收集PM2.5超細(xì)顆粒物，采樣結(jié)束后，測量濾膜收集到的PM2.5超細(xì)顆粒物質(zhì)量，進(jìn)而通過計算得到PM2.5超細(xì)顆粒物濃度[12]。

圖3 ISO 23210:2009法測量原理Fig.3 Measurement principle of ISO 23210:2009

2.2 稀釋采樣法

稀釋采樣法是20世紀(jì)八九十年代美國研究者發(fā)展起來的可以較好地用于測量燃燒源一次顆粒物排放的方法。該方法將高溫?zé)煔庠谙♂屚ǖ烙脻崈艨諝膺M(jìn)行稀釋，并冷卻至大氣環(huán)境溫度，稀釋冷卻后的采樣氣體進(jìn)入煙氣駐留室，停留一段時間后顆粒物被捕集，模擬煙氣排放到大氣中的稀釋、冷卻、凝結(jié)等過程，捕集的顆粒物可近似認(rèn)為是燃燒源排放的一次顆粒物(包括一次固態(tài)超細(xì)顆粒物和一次凝結(jié)超細(xì)顆粒物)。國內(nèi)北京大學(xué)、清華大學(xué)以及南開大學(xué)等少數(shù)幾家單位研制開發(fā)了稀釋采樣系統(tǒng)。目前稀釋采樣原理PM2.5超細(xì)顆粒物濃度測量法主要有EPA CTM-039方法和ASTM WK8124，這兩種方法的測量原理(圖4)為：采用顆粒切割器去除大顆粒后，經(jīng)稀釋采樣系統(tǒng)稀釋采樣氣，采集的煙氣在駐留室內(nèi)停留經(jīng)歷冷卻凝結(jié)后，再由濾膜收集PM2.5超細(xì)顆粒物進(jìn)行PM2.5超細(xì)顆粒物濃度測量[13-14]，采樣時，煙氣加熱到120 ℃以上以保證煙氣中不含液滴。

圖4 稀釋采樣法PM2.5超細(xì)顆粒物濃度測量原理Fig.4 The schematic of dilution sampling PM2.5 measurement

2.3 新興的ELPI測量法

近年來，已有學(xué)者將新興的ELPI法與稀釋采樣法聯(lián)用進(jìn)行固定源PM2.5超細(xì)顆粒物濃度的測量。ELPI是芬蘭Dekati公司開發(fā)的基于靜電低壓撞擊器原理的顆粒物濃度測量儀器，可應(yīng)用于燃燒時產(chǎn)生的顆粒研究、汽車排放的顆粒粒徑分布測量、藥物吸入研究、過濾分選效率測量、室內(nèi)室外空氣測量、粒子電荷測量等領(lǐng)域。

其工作原理(圖5)：含有顆粒的氣體樣品首先通過單極電暈充電室進(jìn)行充電，帶電的顆粒物被運送到裝備有絕緣收集層的低壓沖擊儀上，進(jìn)入每個層面的帶電顆粒物的電流，都可以實時地通過多通道精密電子測量計進(jìn)行電量測量，最后將電流信號轉(zhuǎn)化為(空氣動力學(xué)上的)顆粒物的粒徑分布。電子低壓沖擊儀(ELPI)可以實時的測量30 nm～10 μm的顆粒物分布和粒數(shù)濃度[15]。

圖5 ELPI原理Fig.5 ELPI principle

將ELPI與稀釋采樣法聯(lián)用即可用于燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物濃度監(jiān)測，煙氣在稀釋采樣系統(tǒng)(圖6)中經(jīng)歷了模擬煙氣排放到大氣中的稀釋、冷卻、凝結(jié)等過程后，進(jìn)入ELPI，不同粒徑的顆粒被收集在不同級，在計算機上反映出實時顆粒物濃度的粒徑分布，采樣時將煙氣加熱到120 ℃以上(通常為200 ℃)以保證煙氣中不含液滴(圖7)。

圖6 ELPI與稀釋采樣系統(tǒng)聯(lián)用Fig.6 Dilution principle for ELPI

圖7 ELPI法測量燃煤電廠PM2.5濃度Fig.7 ELPI setup at power plant

3 結(jié)論

綜合目前已有的測量方法，測量一次固態(tài)PM2.5超細(xì)顆粒物主要有EPA方法201A、EPA OTM 027以及ISO 23210:2009法；測量一次凝結(jié)PM2.5超細(xì)顆粒物的方法主要有EPA方法202以及EPA OTM 028法；EPA CTM-039、ASTM WK8124和ELPI法。由于采用了稀釋采樣原理，可測量總的一次PM2.5超細(xì)顆粒物，包括一次固態(tài)PM2.5超細(xì)顆粒物和一次凝結(jié)PM2.5超細(xì)顆粒物。

4 建議

PM2.5超細(xì)顆粒物污染已引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，目前除美國、日本、歐盟、澳大利亞陸續(xù)將PM2.5超細(xì)顆粒物納入監(jiān)測指標(biāo)外，我國也于近期將PM2.5超細(xì)顆粒物指標(biāo)納入新修訂的GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。燃煤電廠作為重要的PM2.5超細(xì)顆粒物排放源之一，目前在世界范圍內(nèi)鮮有國家制定固定污染源PM2.5超細(xì)顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)。國外燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物排放測試方法經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前比較成熟的方法是US EPA推薦的采用等速取樣原理的201A法和202法等，基于近年來發(fā)展起來的稀釋采樣法開發(fā)的EPA CTM-039方法和ASTM WK8124可監(jiān)測燃燒源排放的一次PM2.5超細(xì)顆粒物排放總量。在我國，燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物污染已引起一些學(xué)者的關(guān)注，但相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測方法體系尚不健全。因此，借鑒發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗，對我國燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物測試方法提出建議：

(1)參照國外已有的PM2.5超細(xì)顆粒物排放測試標(biāo)準(zhǔn)方法，充分結(jié)合我國燃煤電廠的實際情況與監(jiān)測需求，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GBT 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》基礎(chǔ)上，研究并制(修)訂出與之相適應(yīng)的監(jiān)測方法與標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)出適用于我國燃煤電廠的相關(guān)儀器并推廣應(yīng)用，在大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上摸清我國燃煤電廠實際PM2.5超細(xì)顆粒物排放情況，并為我國環(huán)境監(jiān)管、排污收費及污染物治理等提供技術(shù)手段和科學(xué)依據(jù)。

(2)在燃煤電廠PM2.5超細(xì)顆粒物排放調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前電廠已配置的環(huán)保設(shè)備的協(xié)同減排能力，以國外的研究成果作為參考借鑒，開展適合于我國燃煤電廠實際情況的PM2.5超細(xì)顆粒物控制技術(shù)研究。

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[16]環(huán)境保護(hù)部.GB 13223—2011 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2011. ?

ResearchonTestingMethodsforPM2.5EmissioninCoal-firedPowerPlants

WANG Zheng1,2， XUE Jian-ming1,2， XU Yue-yang2， WANG Hong-liang2， WANG Xiao-ming2，GUAN Yi-ming2， LIU Jun1,2

1.Nanjing Normal University, Nanjing 210042, China 2.Guodian Science and Technology Research Institute (State Power Environmental Protection Research Institute), Nanjing 210031, China

The emission characteristics of PM2.5in coal-fired power plants and the current main emission testing methods for PM2.5were introduced. The relatively mature monitoring methods included Method 201 A, Method 202 which were developed by US EPA and ISO 23210:2009 method which were developed by ISO. The dilution sampling PM2.5emission test methods and ELPI method show good development and application prospect in recent years. Finally, combined with the pollution controlling experience in China, some suggestions on air pollutants emission reduction from coal-fired power plants were raised.

coal-fired power plant; fine particle; PM2.5emission; testing method

1674-991X(2013)02-0133-05

2012-08-16

中國國電集團公司科研項目(HZ1015)

王錚(1990—)，男，碩士，研究方向為燃煤電廠污染物減排及監(jiān)測技術(shù)，jesse900109@126.com

X831

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.022