基于一種新型固定源廢氣顆粒物采樣管優(yōu)越性的驗證測試

泉州市綠色低碳研究院

0 引言

在環(huán)境監(jiān)測固定污染源廢氣顆粒物污染物的采樣過程中，由于顆粒物在煙道或排氣筒的分布是不均勻的，因此通常采用等速采樣和多點采樣相結(jié)合的方法，以獲得具有代表性的顆粒物樣品，如果直徑較大的圓形煙道或排氣筒（如直徑為2～4 m），測點數(shù)一般要求達(dá)到8～20個，這時就需要采用移動采樣的方法逐點來收集樣品[1-4]，由于每個采樣點都需要一段采集時間，測量斷面就出現(xiàn)了時間差的問題，同時現(xiàn)場采樣人員暴露在污染環(huán)境的時間也較長。本文參考直升機的旋翼滑流理論[5]，設(shè)計了一種新型的固定源廢氣顆粒物采樣管，即在采樣管的前端設(shè)計了一組旋翼槳葉，旋翼槳葉在煙道或排氣筒內(nèi)迎著氣流，氣流給旋翼槳葉的壓力轉(zhuǎn)化為旋翼槳葉的驅(qū)動力矩，從而驅(qū)動旋翼槳葉旋轉(zhuǎn)。氣流經(jīng)旋翼槳葉切割后穿出，損失了一部分功能且在旋翼槳葉后形成一個圓柱形渦面的穩(wěn)定的滑動流場，氣流裹挾的顆粒物就經(jīng)旋翼槳葉“攪拌混合”進入這滑動流場中，使流場中的單位體積內(nèi)分布的含塵量較為均勻。為驗證新型采樣管的科學(xué)實用性，進行了測試實驗，收集新型采樣管的系列檢測數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法進行的相對準(zhǔn)確度、相關(guān)系數(shù)、置信區(qū)間比對分析，在此前進行的實驗中，發(fā)現(xiàn)新型采樣管與參比方法比對其相對準(zhǔn)確度在評價允許的范圍內(nèi)，但校準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)為0.767 8，說明新型采樣管的優(yōu)越性除自身設(shè)計的優(yōu)勢外，還與采樣點的優(yōu)化選擇有很大關(guān)系。

1 新型固定源廢氣顆粒物采樣管設(shè)計

在環(huán)境監(jiān)測固定污染源廢氣顆粒物污染物的采樣過程中，通常將顆粒物采樣管由采樣孔伸入煙道或排氣筒中，使采樣嘴置于測點上，正對氣流，按照顆粒物等速采樣原理，抽取一定量的含塵氣體，根據(jù)采樣管濾筒上所捕集到的顆粒物量和同時抽取的氣體量，計算出排氣中的顆粒物濃度[1-4]。由于要保持采樣斷面與氣流方向垂直，采樣管必須從采樣孔進入后完成90°彎折動作，使采樣嘴正對著氣流方向。如同折疊雨傘的工作原理一樣，新型采樣管工作時在折疊氣缸組件的驅(qū)動下將采樣嘴前端的旋翼槳葉伸展，旋翼槳葉在氣流的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，“攪拌混合”形成含塵量較為均勻的滑動流場。工作結(jié)束時在折疊氣缸組件的牽引下完成收攏、折疊過程，彎折氣缸組件與彎折連桿機構(gòu)配合完成旋翼槳葉和采樣嘴從煙道或排氣筒的采樣孔退出。采樣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1[6-7]。

圖1 固定源廢氣顆粒物采樣管的結(jié)構(gòu)

2 驗證測試方案

2.1 方案設(shè)計

本文設(shè)計的新型采樣管主要解決現(xiàn)有技術(shù)問題是大直徑的煙道或排氣筒移動采樣的樣本數(shù)據(jù)代表性、精密性問題，常見的配置有較大直徑煙道或排氣筒的裝置如工業(yè)鍋爐，本著“先易后難、先簡單后復(fù)雜”的驗證測試原則，此次試驗選擇了較為簡單的檢測環(huán)境，不考慮不同煙氣流速、煙塵濃度、含濕量、煙道幾何尺寸變化等因素的影響。而循環(huán)流化床燃煤鍋爐為懸浮燃燒方式，燃料蓄熱燃燒層具有穩(wěn)定厚度，燃煤添加量均勻；從布風(fēng)板送出風(fēng)壓、鼓風(fēng)量較為均勻；經(jīng)引風(fēng)機引出的排放煙氣量也較為均勻且24 h連續(xù)工作，因此，其煙氣、煙塵參數(shù)相對穩(wěn)定，為此選擇一臺在用循環(huán)流化床燃煤鍋爐作為測試對象。

監(jiān)測現(xiàn)場的鍋爐型號為YXL-12000MW，為蒸汽導(dǎo)熱油一體循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐煙氣和煙塵經(jīng)布袋除塵器、堿噴淋洗氣塔等環(huán)保處理設(shè)施凈化后，排往總煙風(fēng)道，通過一根高50 m、直徑4 m的煙囪向大氣排放。監(jiān)測采樣點位置，選擇其環(huán)保處理設(shè)施后一段平直煙風(fēng)道開出兩個采樣口，兩個采樣斷面相隔1.5 m，分別作為參比方法與新型采樣管的采樣斷面。

新型采樣管的優(yōu)越性除自身設(shè)計的優(yōu)勢外，還與采樣點的優(yōu)化選擇有很大關(guān)系，此次試驗的目的是驗證新型采樣管的采樣嘴（采樣點）在采樣斷面上布點的選擇的優(yōu)化，也就是通過收集旋翼槳葉后的采樣斷面沿直徑方向上不同采樣點的顆粒物排放濃度數(shù)據(jù)，并與參比方法進行比對分析，尋找最能代表煙道整個流場的顆粒物排放濃度的采樣點。具體的方案是在采樣管旋翼槳葉后的測試斷面內(nèi)，以其中心為起點，間隔一段距離設(shè)置一個采樣嘴（采樣點），在同一時間段收集顆粒物排放濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場煙風(fēng)道直徑為1 m，沿采樣斷面直徑方向距中心線0.2 m、0.25 m、0.3 m、0.4 m處設(shè)置四個采樣嘴（采樣點）。

2.2 監(jiān)測設(shè)備簡介

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境，煙塵采樣與分析由嶗應(yīng)3012H自動煙塵（氣）測試儀、梅特勒ME204E電子天平完成，煙氣測試儀校正用標(biāo)準(zhǔn)氣體N2、O2混合氣體：濃度21.0%。

參比方法（手工監(jiān)測）所使用的采樣管為青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所設(shè)計的嶗應(yīng)1085A煙塵多功能取樣管。儀器設(shè)備均經(jīng)福建省計量科學(xué)研究院檢定或校準(zhǔn)合格。

2.3 采樣方案說明

采樣方法依據(jù)GB/T 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態(tài)污染物采樣方法》[2]及GB/T 5468-1991《鍋爐煙塵測試方法》[4]的要求。

參比方法（手工監(jiān)測）采樣方案：根據(jù)煙風(fēng)道直徑1 m，沿采樣斷面直徑方向選擇10個測點移動采樣，每個測點連續(xù)采樣時間3 min，采樣時間30 min，等速采樣方式，采樣流速40 L/min，采樣體積1 200 L，采集樣本共計16個；

新型采樣管采樣方案：固定在同一測點連續(xù)采樣30 min，等速采樣方式，采樣流速40 L/min，采樣體積1 200 L，采集樣本共計16個；

氧含量等煙氣參數(shù)測定：在同一監(jiān)測采樣斷面同時采集煙氣參數(shù)30 min，積分取平均值。

因比對檢測需要樣本的數(shù)量較多，樣本采集共計16個，所以采樣要在3個工作日內(nèi)連續(xù)完成。

3 實驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 同一時段手工監(jiān)測數(shù)據(jù)與新型采樣管數(shù)據(jù)比對結(jié)果

同一時段手工監(jiān)測數(shù)據(jù)與新型采樣管數(shù)據(jù)比對結(jié)果如表1所示。

表1 同一時段手工監(jiān)測數(shù)據(jù)與新型采樣管數(shù)據(jù)比對結(jié)果

3.2 比對檢測數(shù)據(jù)分析

本文依據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[8]，運用現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)的理論[9][10]，并參考現(xiàn)有測量結(jié)果評定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方法為參比方法[1-4]，對新型采樣管的檢測數(shù)據(jù)進行相對準(zhǔn)確度、相關(guān)系數(shù)、置信區(qū)間比對檢測并進行評定。

新型采樣管的排放濃度為橫坐標(biāo)（X），以參比方法的排放濃度為縱坐標(biāo)（Y），用一元線性回歸方程建立兩者變量關(guān)系：式中：—— 預(yù)測顆粒物濃度，mg/m3；

其中截距計算公式：

其中斜率計算公式：

式中：

置信區(qū)間的計算，見式（6），新型采樣管顆粒物排放濃度測定值，其每一個值要求有95%的把握落在上述校準(zhǔn)曲線為該排放源排放限值的±15%的兩條直線區(qū)間內(nèi)。

n—— 樣本數(shù)量

由上述公式可求出在新型采樣管監(jiān)測顆粒物濃度平均值處的95%置信區(qū)間半寬為0.704。

相對準(zhǔn)確度的計算，見式（7）

同一時段各采樣點比對檢測結(jié)果，如表2所示。

表2 各采樣點比對檢測結(jié)果

4 結(jié)語

在前期進行的測試過程中發(fā)現(xiàn)新型采樣管的優(yōu)越性除自身設(shè)計的優(yōu)勢外，還與采樣點的優(yōu)化選擇有很大關(guān)系。此次試驗選擇了較為簡單的檢測環(huán)境，先排除煙氣流速、煙塵濃度、含濕量、煙道幾何尺寸變化等因素的影響，選擇循環(huán)流化床燃煤鍋爐為測試對象，收集新型采樣管的系列檢測數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法進行的相對準(zhǔn)確度、相關(guān)系數(shù)、置信區(qū)間比對分析，評定的結(jié)果顯示在新型采樣管旋翼槳葉后的采樣斷面沿直徑方向距中心線0.3 m處采集的樣本其相對準(zhǔn)確度和相關(guān)系數(shù)是最好的，即說明旋翼槳葉后形成一個圓柱形渦面的穩(wěn)定的滑動流場，其含塵流場可能有一個較優(yōu)的采樣點，更能夠代表整個流場的顆粒物排放濃度，可推斷這個采樣點應(yīng)該是分布在距采樣斷面中心線3/5半徑的圓環(huán)上。當(dāng)然僅僅一次的試驗不足以說明問題，而且是在煙氣、煙塵參數(shù)較為穩(wěn)定的測試環(huán)境中，對于煙氣、煙塵參數(shù)大幅變化的檢測環(huán)境沒有涉足，新型采樣管的優(yōu)越性能否體現(xiàn)出來還是未知數(shù)，因此，有必要繼續(xù)測試，累積更多的實驗數(shù)據(jù)并不斷改進設(shè)計。

[1]國家環(huán)保部編委會.空氣和廢氣監(jiān)測分析方法[M].中國環(huán)境科學(xué)出版社.2003-09.

[2]中國環(huán)境監(jiān)測總站.GB/T 16157-1996固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態(tài)污染物采樣方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[3]國家環(huán)境保護總局.HJ/T 373-2007固定污染源監(jiān)測質(zhì)量保證與質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范（試行）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[4]國家環(huán)境保護總局.GB/T 5468-1991鍋爐煙塵測試方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1991.

[5]王適存，徐國華.直升機旋翼空氣動力學(xué)的發(fā)展[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2001，33（3）：203-211.

[6]楊松.一種固定源廢氣顆粒物采樣管[P].中國；2017104207993，2017-08-11.

[7]楊松.一種固定源廢氣顆粒物采樣管的使用方法[P].中國；2017104208286，2017-08-29.

[8]全國法制計量管理計量技術(shù)委員會.JJF 1059.1-2012測量不確定度評定與表示[S].北京：中國計量出版社，2012.

[9]陳希孺.概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

[10]國家環(huán)境保護總局.HJ/T 75-2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.