抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試分析

白慧賓，呂子嘯

（中綠環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，山西 太原 030024）

空氣中的懸浮顆粒物也稱為粉塵，能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于大氣中，并被人或動(dòng)物吸入體內(nèi)甚至進(jìn)入肺部從而對(duì)身體構(gòu)成較大危害。特別是近年來(lái)爆發(fā)的PM2.5/PM10污染，由于危害大、治理難而備受人們關(guān)注。目前我國(guó)環(huán)境問(wèn)題仍然很嚴(yán)峻，根據(jù)中國(guó)歷年環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)數(shù)據(jù)可知，雖然近年來(lái)主要大氣污染物排放量有所下降，但排放量依然巨大，其中電力、鋼鐵、水泥、建材、焦化等行業(yè)是主要工業(yè)排放源，其中顆粒物質(zhì)量濃度在很大程度上影響大氣PM2.5/PM10的數(shù)值。隨著國(guó)家在各個(gè)層面上對(duì)空氣質(zhì)量的重視，固定污染源顆粒物的排放限值在逐年下降，已經(jīng)達(dá)到10 mg/m3甚至低于5 mg/m3。

顆粒物在線監(jiān)測(cè)技術(shù)根據(jù)工況煙氣的干、濕可分為兩大類：顆粒物直接監(jiān)測(cè)（適用于干煙氣） 和顆粒物抽取后監(jiān)測(cè)（適用于濕煙氣）[1]。2015 年以前國(guó)內(nèi)主流監(jiān)測(cè)顆粒物質(zhì)量濃度的方法是原位式激光后散射法或者透射式消光法，此類方法在低質(zhì)量濃度顆粒物的測(cè)量應(yīng)用上適應(yīng)性差，且受煙氣濕度影響大，在飽和濕煙氣中，水汽也會(huì)產(chǎn)生散射光或者消光，導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量濃度測(cè)量結(jié)果偏大，因此近年來(lái)已陸續(xù)被抽取式激光前向散射法替代。

抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于抽取式激光前向散射技術(shù)，采用采樣探頭、伴熱管線、測(cè)量室三級(jí)聯(lián)動(dòng)加熱，確保系統(tǒng)溫度高于結(jié)露溫度，防止水蒸氣冷凝，進(jìn)而消除飽和濕煙氣中水汽對(duì)顆粒物測(cè)量的影響，適合飽和濕煙氣環(huán)境下的顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)。

1 出廠前對(duì)傳感器比對(duì)檢定

1.1 以塵箱為比對(duì)用試驗(yàn)裝置

以濾膜稱重法作為溯源方法，建立了顆粒物檢定裝置。顆粒物檢定裝置由發(fā)塵裝置（煤粉）、不銹鋼風(fēng)筒、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、靜電除塵器、采樣裝置、電控部分及氣源組成。通過(guò)人工模擬各種質(zhì)量濃度的顆粒物環(huán)境來(lái)檢定顆粒物測(cè)量系統(tǒng)。

現(xiàn)有的直讀式顆粒物儀表大都利用光散射法原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量，顆粒物儀表對(duì)相同質(zhì)量濃度、不同顏色、不同密度顆粒物的測(cè)試結(jié)果有較大的差異。根據(jù)大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為干燥煤粉是理想的顆粒物試驗(yàn)對(duì)象，具有很好的代表性，并且作為耗材經(jīng)濟(jì)成本很低。

使用優(yōu)質(zhì)煤為原料，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的低溫干燥、粉碎、研磨，選擇平均顆粒物直徑10 μm 以下的精細(xì)顆粒物作為標(biāo)準(zhǔn)顆粒物，使用Mastersizer 2000 激光粒徑分析儀在濕法條件下測(cè)得D10=1.658 μm，D50=5.748 μm，D90=12.012 μm，體積平均顆粒物直徑為6.323 μm[2]，而工業(yè)除塵后所排放顆粒物直徑在0.5～10 μm 之間，因此能較好地與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境保持一致。比對(duì)用試驗(yàn)裝置能夠穩(wěn)定發(fā)塵，顆粒物質(zhì)量濃度范圍為0～50 mg/m3，滿足使用要求。

1.2 傳感器比對(duì)檢定方法

抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顆粒物質(zhì)量濃度出廠量程設(shè)定為15 mg/m3，因此在0～15 mg/m3量程范圍內(nèi)均勻選取4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行稱重比對(duì)（4 個(gè)點(diǎn)的顆粒物質(zhì)量濃度分別為2 mg/m3，6 mg/m3，10 mg/m3，14 mg/m3）。塵箱發(fā)塵6 mg/m3，比對(duì)塵箱直讀式顆粒物儀表質(zhì)量濃度顯示值和系統(tǒng)粉塵儀傳感器讀數(shù)值，發(fā)塵穩(wěn)定后計(jì)算并第一次修改傳感器k值，使系統(tǒng)測(cè)量值匹配塵箱直讀式顆粒物儀表質(zhì)量濃度顯示值，示值誤差率控制在±5%以內(nèi)。

利用塵箱標(biāo)定4 組數(shù)據(jù)對(duì)分別為2 mg/m3，6 mg/m3，10 mg/m3，14 mg/m3，當(dāng)塵箱發(fā)塵穩(wěn)定后，持續(xù)采樣，保證塵箱濾膜增重約1 mg，采用標(biāo)準(zhǔn)方法稱量濾膜并計(jì)算得到發(fā)塵質(zhì)量濃度和傳感器對(duì)應(yīng)讀數(shù)值，得到4 組數(shù)據(jù)對(duì)。

數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)量N=4，其中4 組抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量均值分別為3.33 mg/m3，5.15 mg/m3，11.96 mg/m3，14.1 mg/m3，且4 組塵箱濾膜稱重計(jì)算質(zhì)量濃度分別為2.393 mg/m3，4.151 mg/m3，10.159 mg/m3，11.425 mg/m3。此外，理論空氣過(guò)剩系數(shù)為1.4；排放限值為120 mg/m3；測(cè)量均值為3.52 mg/m3；Un（75）=1.17；Vf=1.316 5。

線性回歸方程為y=0.850 327 73x-0.310 579 95；線性回歸方程相關(guān)系數(shù)R=99.849%；置信區(qū)間半寬ICI=0.640 915 703；ηCI=18.229%；允許區(qū)間半寬ITI=0.460 451 162；ηTI=13.096%。

將4 組數(shù)據(jù)對(duì)輸入“抽取式粉塵儀塵箱標(biāo)定自動(dòng)計(jì)算表格”，計(jì)算出修正后K=0.85，b=-0.31，并將修正后的K值和b值寫(xiě)入粉塵儀傳感器。

1.3 出廠質(zhì)量檢驗(yàn)

出廠前，質(zhì)檢部門需對(duì)抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行塵箱比對(duì)驗(yàn)收。利用塵箱標(biāo)定20%滿量程、50%滿量程、80%滿量程3 組數(shù)據(jù)，計(jì)算示值誤差率，示值誤差率應(yīng)不超過(guò)±20%，示例6 號(hào)的顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出廠質(zhì)量檢驗(yàn)記錄結(jié)果見(jiàn)表1。判定結(jié)果為：示值誤差率＜20%，合格。

2 固定污染源排放現(xiàn)場(chǎng)顆粒物測(cè)量比對(duì)

HJ 76—2017 固定污染源煙氣（SO2，NOX，顆粒物） 排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法[3]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了顆粒物在現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)校準(zhǔn)，采用參比方法與煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System，CEMS） 同步測(cè)量煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度，取相同時(shí)間區(qū)間且相同狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果，組成若干數(shù)據(jù)對(duì)，通過(guò)建立數(shù)據(jù)對(duì)之間的相關(guān)曲線，用參比方法校準(zhǔn)顆粒物CEMS[3]。

表1 顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出廠質(zhì)量檢驗(yàn)記錄

2.1 調(diào)整工況顆粒物質(zhì)量濃度的方法

HJ 76—2017 固定污染源煙氣（SO2，NOX，顆粒物） 排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法[3]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了3 個(gè)測(cè)量范圍，0～50%滿量程、25%～75%滿量程、50%～100%滿量程。調(diào)整工況顆粒物質(zhì)量濃度的有3 種方法：一是改變過(guò)程操作條件；二是改變顆粒物治理設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；三是顆粒物加標(biāo)。

現(xiàn)場(chǎng)顆粒物監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在電廠布袋除塵、脫硫和濕式靜電除塵之后，正常工況顆粒物質(zhì)量濃度為0.2～1 mg/m3，關(guān)閉濕式靜電除塵后顆粒物質(zhì)量濃度為1.5～2.5 mg/m3，采取關(guān)閉脫硫或調(diào)整其他工況參數(shù)已無(wú)法使煙道排放顆粒物質(zhì)量濃度發(fā)生改變，于是采用手工顆粒物加標(biāo)的方法實(shí)現(xiàn)工況顆粒物質(zhì)量濃度的調(diào)整。手工顆粒物加標(biāo)所選用的加標(biāo)物質(zhì)為電廠灰?guī)斓姆勖夯?，用容器進(jìn)行收集，使用壓縮空氣吹入煙道內(nèi)，吹入口需設(shè)置在抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝點(diǎn)位的前端，可通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣的氣量大小來(lái)控制煙道內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)K 值和b 值的計(jì)算

通過(guò)手工顆粒物加標(biāo)，調(diào)整煙道內(nèi)顆粒物質(zhì)的質(zhì)量濃度，共形成4 種不同顆粒物質(zhì)量濃度的工況， 分別為 0.57 ～0.65 mg/m3， 2.19 ～2.63 mg/m3，7.79～8.43 mg/m3，10.11～11.38 mg/m3，在每個(gè)區(qū)間段同步采用超低顆粒物采樣槍進(jìn)行濾膜采樣，每個(gè)區(qū)間段采樣4～7 個(gè)濾膜，共進(jìn)行了23 次濾膜采樣。第75 頁(yè)表2 為手工稱重與抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)結(jié)果比對(duì)。濾膜收集后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稱重前預(yù)處理，然后使用十萬(wàn)分之一的天平（絕對(duì)精度分度值達(dá)到0.01 mg） 進(jìn)行稱重。使用標(biāo)準(zhǔn)稱重法計(jì)算出煙道實(shí)際顆粒物質(zhì)量濃度，然后針對(duì)有效的23 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，利用SLOPE 函數(shù)和INTERCEPT 函數(shù)計(jì)算23 組數(shù)據(jù)對(duì)的一次項(xiàng)系數(shù)K值和常數(shù)項(xiàng)b值，最終求得K=1.61，b=-1.088，并將修正后的K值和b值寫(xiě)入系統(tǒng)的粉塵儀傳感器。

表2 手工稱重與抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)結(jié)果比對(duì)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)K 值和b 值的分析

數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)量N=23；理論空氣過(guò)剩系數(shù)為1.4；排放限值為20 mg/m3；測(cè)量均值為14.38 mg/m3；Un（75）=1.175；Vf=1.346。

線性回歸方程為y=1.611x-1.09；線性回歸方程相關(guān)系數(shù)R=0.979；置信區(qū)間半寬ICI=0.595；ηCI=4.1%；允許區(qū)間半寬ITI=2.169；ηTI=15.1%。

從手工稱重與抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的比對(duì)結(jié)果可以看出，稱重法計(jì)算的顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)大于抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的K值較大，為1.61。出現(xiàn)這種結(jié)果是由于煙道內(nèi)含有一定比例的固體可凝結(jié)顆粒物。固定污染源排放的顆粒物不僅包括直接以固體或液體顆粒物存在于煙氣中的可過(guò)濾顆粒物，還包括煙氣溫度下為氣態(tài)、從煙道中排出進(jìn)入大氣環(huán)境后短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)為固體或液體顆粒的可凝結(jié)顆粒物[4]。這種可凝結(jié)顆粒物有一部分會(huì)被采樣濾膜收集到；但抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有所不同，該系統(tǒng)基于加熱環(huán)境下的激光散射法原理，可凝結(jié)顆粒物通過(guò)激光時(shí)不會(huì)產(chǎn)生散射信號(hào)，也就是說(shuō)抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量煙道內(nèi)可凝結(jié)顆粒物，因此23 組數(shù)據(jù)對(duì)中，采用稱重法的顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)會(huì)偏高。

3 結(jié)論

抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在出廠前需要進(jìn)行塵箱比對(duì)，以檢定其計(jì)量功能，應(yīng)盡可能在全量程范圍內(nèi)均勻選取多點(diǎn)，以提高傳感器的一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)的準(zhǔn)確度。

現(xiàn)場(chǎng)安裝后，還需調(diào)整工況的顆粒物質(zhì)量濃度變化，手動(dòng)采樣稱重計(jì)算顆粒物質(zhì)量濃度，按照HJ 76—2017 固定污染源煙氣（SO2，NOX，顆粒物） 排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)K值和b值的確定。K值和b值經(jīng)過(guò)兩次校準(zhǔn)，抽取式顆粒物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)才能較真實(shí)地反映工況顆粒物質(zhì)量濃度。