β射線法測量顆粒物濃度的可靠性分析

張 蓓，劉文凱，肖 軍，劉兵兵，郝盼盼，相海恩

（1.國家環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，石家莊 050091；2.河北省環(huán)境監(jiān)測中心站，石家莊 050091）

β射線法測量顆粒物濃度的可靠性分析

張 蓓1，劉文凱2，肖 軍1，劉兵兵1，郝盼盼1，相海恩1

（1.國家環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，石家莊 050091；2.河北省環(huán)境監(jiān)測中心站，石家莊 050091）

簡介了β射線法測定顆粒物濃度的原理，通過對該方法空白試驗、方法精密度、方法準(zhǔn)確度及方法適用性測試的研究，認(rèn)為β射線法測量固定污染源廢氣中顆粒物濃度較為可靠，與傳統(tǒng)濾膜法相比具有現(xiàn)場出數(shù)據(jù)，效率高的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中應(yīng)針對顆粒物濃度設(shè)計不同量程的測量設(shè)備，在煙氣流速較低且波動較大時應(yīng)增加平行檢測次數(shù)，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

β射線；顆粒物濃度；空白試驗；精密度；準(zhǔn)確度；適用性；可靠性

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，環(huán)境檢測設(shè)備也向著智能化和簡便化發(fā)展，β射線法煙塵測定儀可現(xiàn)場出數(shù)據(jù)，極大提高了工作效率，降低了勞動強度，如用于環(huán)境執(zhí)法，可現(xiàn)場解決質(zhì)疑，提高執(zhí)法效率和公信力。

近期，國家頒布實施了嚴(yán)格的固定污染源排氣中顆粒物排放限值標(biāo)準(zhǔn)，固定污染源顆粒物排放濃度是我國節(jié)能減排重點控制的污染物指標(biāo)，河北省的部分地區(qū)執(zhí)行特別地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)限值，顆粒物特別排放限值為20mg/m3。另外，根據(jù)河北省燃煤電廠超低排放升級改造專項行動方案要求，燃煤機組在2015年底前全部實現(xiàn)超低排放，即顆粒物排放濃度降至10mg/m3以下。

目前，我國對顆粒物的監(jiān)測方法采用《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T 16157-1996），嚴(yán)格意義而言，該方法僅適用于顆粒物質(zhì)量濃度高于50mg/m3情況的監(jiān)測，在測定低于50mg/m3的顆粒物濃度時的誤差較大。該方法規(guī)定顆粒物捕集介質(zhì)為濾筒，濾筒為柔性外表，在煙道內(nèi)顆粒物濃度低、溫度低、濕度高的“二低一高”環(huán)境下，采樣過程較復(fù)雜，容易造成系統(tǒng)誤差，對測定結(jié)果影響較大。β射線法測定固定污染源中顆粒物濃度不受粉塵粒子大小及粒子密度的影響，檢測速度快，可直接讀數(shù)，操作簡便，耗材較少，維護(hù)量小，可有效降低誤差率，是濾膜法、濾筒法的有益補充。

1 測試儀器及測試原理

1.1 測試儀器

測試儀器采用BDY型β傳感器式快速煙塵測試儀，3012H型煙塵測試儀。

1.2 BDY型β傳感器式快速煙塵測試儀的測試原理

β傳感器式快速煙塵測試儀采用電離室結(jié)構(gòu)的β射線傳感器放入煙道內(nèi)，進(jìn)氣口正對氣流方向，保證排氣等速通過電離室。電離室中一定能量的β射線通過物質(zhì)時會與物質(zhì)中的原子或原子核相互作用，引起能量衰減，能量衰減量與物質(zhì)的質(zhì)量成比例。通過β射線能量衰減量計算物質(zhì)的質(zhì)量，通過物質(zhì)的質(zhì)量和電離室的體積計算顆粒物的濃度。

式中：

I — 經(jīng)過物質(zhì)時的輻射強度，eV；

Io— 起始輻射強度，eV；

-μ m— 質(zhì)量衰減系數(shù)；

m — 質(zhì)量，g。

1.3 3012H型煙塵測試儀

按照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T 16157-1996）規(guī)定方法采樣，根據(jù)采樣前后濾筒/膜的重量差及采樣體積，計算出濃度，重量法是一種直接質(zhì)量測量法。

2 實驗設(shè)計

2.1 驗證測試內(nèi)容

（1）空白試驗

按照《環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 168-2010）的有關(guān)規(guī)定，選取零氣進(jìn)行空白試驗，校準(zhǔn)零點。在循環(huán)風(fēng)洞中，選取潔凈空氣為零氣進(jìn)行樣品測試，進(jìn)行7次平行測定，每次1min，計算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

（2）方法精密度

按照HJ 168-2010的有關(guān)規(guī)定，對不同濃度風(fēng)洞測試樣品進(jìn)行分析測試，按全程序每個測點平行測定7次，每次測定時間為3min，分別計算不同濃度樣品的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差等各項參數(shù)。

（3）方法準(zhǔn)確度

用β射線法和膜稱重法對1號風(fēng)洞（≥100mg/m3）、2號風(fēng)洞（30～80mg/m3）、3號風(fēng)洞（20～50mg/m3）三種濃度水平的氣流進(jìn)行測定，β射線法測定時間為3min，采樣7次，取平均值，膜稱重法測定時間為15min，采樣3次，取平均值，計算該方法與傳統(tǒng)方法之間的相對誤差。

（4）方法適用性測試

選取鋼廠、電廠典型排污口進(jìn)行實際樣品測試，每個點位的測量時間為3min，進(jìn)行4次平行測量，取平均值。

2.2 測試點位置

標(biāo)準(zhǔn)樣品測試在霸州京博公司模擬風(fēng)洞進(jìn)行，測試點位置符合距彎頭、閥門、變徑下游方向大于6倍當(dāng)量直徑，距上述部件上游方向大于3倍當(dāng)量直徑距離。

適用性測試點位置如下：

（1）電廠：任丘電廠為兩臺60萬千瓦機組，裝備SNCR脫硝，靜電除塵器，雙塔單循環(huán)濕法脫硫等環(huán)保措施，測點位置為除塵后，脫硫后。

除塵后：測點位置距變徑下游方向大于3m，距上述部件上游方向3m，測點當(dāng)量直徑3m。

脫硫后：測點距變徑下游方向50m，距上述部件上游方向50m，測點當(dāng)量直徑5m。

（2）鋼廠：前進(jìn)鋼鐵230m2燒結(jié)機，環(huán)保設(shè)施為靜電除塵器，濕法脫硫，測點位置為除塵后，脫硫后。

除塵后：測點下游距變徑1m，上游距變徑1m，測點當(dāng)量直徑5m。

脫硫后：測點距變徑下游5m，上游距變徑5m，測點當(dāng)量直徑5m。

（3）前進(jìn)鋼鐵球團(tuán)總排口：環(huán)保設(shè)施為活性膠脫硫設(shè)施，測點位置為總排口，測點下游距變徑15m，上游距變徑方向15m，測點當(dāng)量直徑5m。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 空白試驗

依據(jù)HJ 168-2010的有關(guān)規(guī)定，選取零氣進(jìn)行測試，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。計算方法檢出限：選取潔凈環(huán)境空氣為零氣進(jìn)行空白試驗，按相同的操作步驟及流程進(jìn)行7次平行測定，每次測試3min，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算檢出限。

表1 空白試驗數(shù)據(jù)

3.2 方法精密度和準(zhǔn)確度

3.2.1 實驗條件

測試點為霸州京博公司1號、2號、3號風(fēng)洞，模擬粉塵濃度分別為140～150mg/m3、20～30mg/m3、50～80mg/m3。測試煙道面積為0.0962m2，測點位置符合距彎頭、閥門、變徑下游方向大于6倍當(dāng)量直徑，距上述部件上游方向大于3倍當(dāng)量直徑距離。在相同的點位分別使用β射線法和膜稱重法進(jìn)行檢測，β射線法測定時間為3min，膜稱重法采樣時間為15min。

3.2.2 精密度

1號風(fēng)洞模擬平均煙溫61.4℃，煙氣平均流速14.86m/s，β射線法實驗測得的平均粉塵濃度為145mg/m3。由圖1可以看出，該濃度下7次平行試驗的標(biāo)準(zhǔn)偏差（Si）為1.6mg/m3，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.09%。

2號風(fēng)洞模擬平均煙溫61.4℃，煙氣平均流速12.09m/s，β射線法實驗測得的平均粉塵濃度為56mg/m3，由圖1可看出，該濃度下7次平行試驗的標(biāo)準(zhǔn)偏差（Si）為0.95mg/m3，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.71%。

3號風(fēng)洞模擬平均煙溫61.0℃，煙氣平均流速13.99m/s，β射線法實驗測得的平均粉塵濃度為22mg/m3，由圖1可以看出，該濃度下7次平行試驗的標(biāo)準(zhǔn)偏差（Si）為0.38mg/m3，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.71%。

圖1 β射線法精密度實驗結(jié)果

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在實驗條件基本相同的情況下，當(dāng)檢測的粉塵濃度較高時，β射線法的精密度較高。

3.2.3 準(zhǔn)確度

β射線法與膜稱重法對1號、2號、3號風(fēng)洞粉塵濃度的檢測結(jié)果對比見表2，從結(jié)果看，兩種方法對高、中、低粉塵濃度檢測結(jié)果具有較高的一致性，相對偏差分別為5.00%、6.64%、8.33%，當(dāng)粉塵濃度較高時，β射線法與濾膜稱重法檢測結(jié)果的一致性最好。

表2 準(zhǔn)確度檢測結(jié)果

3.3 適用性

使用β射線法進(jìn)行現(xiàn)場顆粒物濃度檢測，分別選?。?）電廠除塵后排放口；2）電廠脫硫后排放口；3）鋼鐵廠燒結(jié)機除塵后排放口；4）鋼鐵廠燒結(jié)機脫硫后排放口；5）鋼鐵廠球團(tuán)燒結(jié)排氣塔五個點進(jìn)行現(xiàn)場顆粒物濃度檢測，每個點平行測量4次，結(jié)果見圖2。

圖2 β射線法現(xiàn)場檢測結(jié)果

從圖2可看出，排放煙氣中顆粒物濃度相對較低的電廠除塵后排放口、電廠脫硫后排放口、鋼鐵廠球團(tuán)燒結(jié)排氣塔的檢測結(jié)果穩(wěn)定性較好，排放濃度均在10mg/m3以下。如圖3所示，各點在進(jìn)行平行測量時的煙氣含濕量、煙氣溫度均恒定，對檢測結(jié)果的影響不明顯。現(xiàn)場檢測過程中，鋼鐵廠燒結(jié)機除塵后排放口煙氣流速較低且波動明顯（見圖4），有可能造成檢測結(jié)果的波動。

圖3 β射線法現(xiàn)場檢測工況

圖4 β射線法現(xiàn)場檢測煙氣流速

4 結(jié)論

通過實驗室模擬及現(xiàn)場檢測，對β射線法測量固定污染源廢氣中顆粒物濃度的可靠性進(jìn)行了研究。通過實驗室風(fēng)洞模擬實驗分析，得出該方法檢出限為0.36mg/m3，高、中、低濃度（145mg/m3、56mg/m3、22mg/m3）顆粒物測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.09%、1.71%、1.71%，測量較高濃度顆粒物時的精密度較好。研究發(fā)現(xiàn)，β射線法對高、中、低粉塵濃度檢測結(jié)果與膜稱重法測量結(jié)果相對偏差均在10%以下，當(dāng)粉塵濃度較高時，β射線法與膜稱重法測得結(jié)果一致性相對較高，相對偏差僅為5%。通過現(xiàn)場檢測驗證，β射線法在不同工況環(huán)境下的實際應(yīng)用狀況良好，煙氣含濕量、煙氣溫度對檢測結(jié)果的影響不明顯，顆粒物排放濃度、煙氣流速對測量結(jié)果有一定的影響，具體關(guān)系需進(jìn)一步研究分析。

通過研究分析可見，β射線法測量固定污染源廢氣中顆粒物濃度較為可靠，在實際應(yīng)用中應(yīng)針對顆粒物濃度設(shè)計不同量程的測量設(shè)備，在煙氣流速較低且波動較大時應(yīng)增加平行檢測次數(shù)，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1] HJ 168-2010，環(huán)境監(jiān)測 分析方法制修訂技術(shù)導(dǎo)則[S].

[2] GB/T 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[S].

[3] 王永敏，高健，等.光散射法與β射線衰減-光散射聯(lián)用法顆粒物在線測量方法對比[J].環(huán)境科學(xué)研究，2017（3）：108-118.

[4] 鄭道敏，吳微燕，等.β射線衰減法和重量法測定環(huán)境空氣中PM10的對比研究[J].環(huán)境污染與防治，2007（2）：138-140.

[5] 郭浩，紀(jì)德鈺，等.激光散射法與β射線法測量環(huán)境空氣中顆粒物質(zhì)量濃度的差異[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015（3）：195-197.

[6] 胡月琪，王琛，等.固定源細(xì)顆粒物監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀分析與思考[J].環(huán)境科技，2016（1）：73-78.

Reliability Analysis of Particle Concentration Measured by β-ray Method

ZHANG Bei1, LIU Wen-kai2, XIAO Jun1, LIU Bing-bing1, HAO Pan-pan1, XIANG Hai-en1
(1.China National Center for Quality Supervision and Test of Environmental Protection Products, Shijiazhuang 050091; 2. Hebei Province Environmental Monitoring Center Station, Shijiazhuang 050091, China)

The paper briefy introduces the principle of particle concentration measured by β-ray method. Based on the test research on the blank test, the precision of the method, the accuracy of the method and the suitability of the method, the paper considers that the β-ray method is more reliable in measuring the concentration of particulate matter in the waste gas of stationary pollution sources. In comparison to the traditional flter membrane method, it has the advantages of data came out on the spot and high effciency. However, in the practical application, it should design different measuring equipment aiming at the particle concentration. In case, the fue gas velocity of fow is lower and the fuctuation is greater, we should increase the numbers of parallel checks and tests in order to ensure the accuracy of the measurement results.

β-ray; particle concentration; blank test; precision; accuracy; applicability; reliability

X831

A

1006-5377（2017）08-0055-04