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(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨　311800)

日益嚴(yán)峻的大氣污染形勢，國家及地方政策、標(biāo)準(zhǔn)的趨嚴(yán)等，都促進(jìn)我國燃煤電廠煙塵治理技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是超低排放全面實(shí)施以來，各地項(xiàng)目陸續(xù)驗(yàn)收，超低排放技術(shù)已進(jìn)入全面總結(jié)階段，這也給相應(yīng)的測試技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)，探索并發(fā)展一種適用于我國燃煤電廠實(shí)際工程條件的科學(xué)合理的PM2.5測試方法。

本文基于國家863計(jì)劃課題(2013AA065002)等原有研究基礎(chǔ)[1-10]，分析國內(nèi)外PM2.5的標(biāo)準(zhǔn)測試方法、測試儀器，并開展現(xiàn)場實(shí)測，對現(xiàn)場的測試結(jié)果進(jìn)行對比研究，旨在探索一種科學(xué)合理的PM2.5工程測試技術(shù)和方法。

1　固定源PM2.5測試標(biāo)準(zhǔn)

國外固定源PM2.5測試標(biāo)準(zhǔn)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(xué)粒徑的顆粒進(jìn)行分級收集，然后經(jīng)稱重?fù)Q算得到煙氣中PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。按顆粒分級方式不同，可分為撞擊器、虛擬撞擊器和旋風(fēng)切割器三種。其中，ISO 23210、JIS K 0302規(guī)定的是采用撞擊器；ISO 13271規(guī)定的是采用虛擬撞擊器；ISO 25597、EPA CTM 093、EPA Method 201A、ASTM WK8124規(guī)定的是采用旋風(fēng)切割器，其中，ISO 25597、EPA CTM 093、ASTM WK8124還規(guī)定了采用稀釋系統(tǒng)進(jìn)行稀釋冷凝來收集可凝結(jié)顆粒物。國內(nèi)2016年1月7日發(fā)布《火電廠煙氣中細(xì)顆粒物 (PM2.5)測試技術(shù)規(guī)范 重量法》(DL/T 1520—2016)，采用撞擊器進(jìn)行顆粒分級。

1.1　撞擊器法

ISO 23210、JIS K 0302規(guī)定的是采用撞擊器，其中ISO 23210要求測試環(huán)境顆粒物濃度應(yīng)不超過40 mg/m3，當(dāng)超過該濃度時，會導(dǎo)致撞擊器內(nèi)集塵板和濾膜超負(fù)荷并影響取樣數(shù)據(jù)，并且也不適用于大部分為大顆粒(≥10 μm)的工況。

ISO 23210規(guī)定的是兩級撞擊器加一級濾膜，分別用來收集空氣動力學(xué)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(tǒng)如圖1所示。取樣過程中，應(yīng)保證等速率保持在計(jì)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(nèi)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(cè)，則需配備電加熱裝置，防止煙氣冷凝，需對撞擊器進(jìn)行精準(zhǔn)的溫度監(jiān)控，以保證各級撞擊器切割合適的粒徑范圍。

表1　國內(nèi)外固定源PM2.5測試標(biāo)準(zhǔn)

圖1　ISO 23210建議的PM2.5采樣系統(tǒng)

撞擊器是利用慣性作用對不同空氣動力學(xué)直徑的顆粒進(jìn)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(jìn)行90°的偏轉(zhuǎn)，空氣動力學(xué)直徑大的顆粒慣性大，來不及偏轉(zhuǎn)便撞擊到集塵板上被收集下來，而空氣動力學(xué)直徑小的顆粒慣性相對較小，會隨氣流進(jìn)入下一級撞擊器。為防止顆粒在撞擊器內(nèi)壁黏附，需保證內(nèi)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(jìn)行100%完全分離，標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際值。根據(jù)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(yīng)該是漸變的，錐角角度應(yīng)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(guī)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(guī)定撞擊器應(yīng)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(guī)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(guī)定的是兩級虛擬撞擊器，分別用來收集空氣動力學(xué)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(tǒng)如圖5所示。建議采用虛擬撞擊器布置在煙道內(nèi)的采樣方法，并盡量避免安裝鵝頸管等彎頭。當(dāng)虛擬撞擊器放置在煙道外側(cè)，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(tǒng)

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(jié)果的影響。但該方法同樣不能對顆粒進(jìn)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(jìn)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(dá)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(fēng)切割器法

ISO 25597、EPA CTM 093、EPA Method 201A、ASTM WK8124規(guī)定的是采用旋風(fēng)切割器，以ISO 25597為例，該標(biāo)準(zhǔn)推薦了兩套PM2.5采樣系統(tǒng)，分別如圖8、圖9所示。兩級旋風(fēng)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(tǒng)用稀釋系統(tǒng)將揮發(fā)和半揮發(fā)成分進(jìn)行稀釋冷凝，形成顆粒物后，再經(jīng)過一級PM2.5旋風(fēng)切割器和濾膜來收集。

旋風(fēng)切割器通過旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生離心力將不同慣性顆粒進(jìn)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(jìn)入下一級旋風(fēng)切割器，PM10旋風(fēng)切割器和PM2.5旋風(fēng)切割器原理如圖10所示。

圖8　ISO 25597建議的PM2.5采樣系統(tǒng)(無稀釋)

儀器名稱采樣方法數(shù)據(jù)讀取方法級數(shù)及測量范圍優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)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(jié)果較為直觀可靠，可以作為驗(yàn)證其它方法是否準(zhǔn)確的標(biāo)桿。儀器靈敏度高，可瞬時讀數(shù)。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(fèi)時。設(shè)備購置費(fèi)高；現(xiàn)場攜帶不方便；數(shù)據(jù)系經(jīng)換算得到，精度稍差。

圖9　ISO 25597建議的PM2.5采樣系統(tǒng)(有稀釋)

圖10　旋風(fēng)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(shè)備對各類固定源進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測[11]；商業(yè)用旋風(fēng)切割器PM2.5采樣器最大直徑超過100 mm(PM10旋風(fēng)切割器150 mm、PM2.5旋風(fēng)切割器100 mm)，而國內(nèi)采樣孔內(nèi)徑多為80 mm，因此旋風(fēng)切割器法測試設(shè)備應(yīng)用較少[12]。

3　PM2.5現(xiàn)場實(shí)測

本文重點(diǎn)采用撞擊法測試儀器進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測研究，采用Dekati公司生產(chǎn)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(xì)顆粒物(PM2.5)測試技術(shù)規(guī)范 重量法》(DL/T 1520—2016)的相關(guān)規(guī)定，測試系統(tǒng)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(dāng)采集電除塵器入口時，可布置PM10旋風(fēng)切割器；ELPI采樣時需配置旋風(fēng)切割器+稀釋器(1級或2級)。

圖11　DEKATI PM-10測試系統(tǒng)示意圖

圖12　DEKATI ELPI測試系統(tǒng)示意圖

圖13　DEKATI DGI測試系統(tǒng)示意圖

分別采用DEKATI PM-10、DEKATI DGI、DEKATI ELPI對不同項(xiàng)目開展對比測試，將ELPI與DGI、PM-10測試結(jié)果對比如圖14所示，測試結(jié)果較為接近，并且重復(fù)性均較好，驗(yàn)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(shù)據(jù)。

圖14　測試結(jié)果對比

圖15　電除塵器進(jìn)出口測試結(jié)果

鑒于ELPI可獲取0.03～10.00 μm段的粒徑分布數(shù)據(jù)，利用ELPI分別對電除塵器進(jìn)出口、WESP進(jìn)口進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖15、圖16所示。其中，電除塵器進(jìn)、出口采用置旋風(fēng)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(fēng)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(fēng)切割器+1高溫稀釋器，均取得理想的測試結(jié)果。

4　結(jié)語

(1)撞擊器法(直接稱重)是國內(nèi)外PM2.5測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定的標(biāo)準(zhǔn)測試方法，雖采樣時間較長、人工稱重程序較繁瑣，仍應(yīng)作為工程實(shí)測的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果很接近，且ELPI可獲取更多分級數(shù)據(jù)，當(dāng)工程實(shí)測中需同時獲得粒徑分布等研究數(shù)據(jù)時推薦采用ELPI。當(dāng)采用ELPI測定電除塵器進(jìn)出口及濕法脫硫出口時，建議采用“旋風(fēng)切割器+2級稀釋器(一級高溫稀釋一級常溫稀釋)”；當(dāng)測定WESP出口時，建議采用“旋風(fēng)切割器+1高溫稀釋器”。

圖16　WESP進(jìn)出口測試結(jié)果

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