燃煤电厂PM2.5超细颗粒物排放测试方法研究

王铮，薛建明，许月阳，王宏亮，王小明，管一明，刘珺

1.南京师范大学，江苏 南京 210042 2.国电科学技术研究院(国电环境保护研究院)，江苏 南京 210031

燃煤电厂PM2.5超细颗粒物排放测试方法研究

王铮1,2，薛建明1,2，许月阳2，王宏亮2，王小明2，管一明2，刘珺1,2

1.南京师范大学，江苏 南京 210042 2.国电科学技术研究院(国电环境保护研究院)，江苏 南京 210031

分析了燃煤电厂PM2.5超细颗粒物的排放特征，介绍了目前主要的PM2.5超细颗粒物的排放测试方法。其中较为成熟的燃煤电厂PM2.5排放测试方法主要是美国国家环境保护局(US EPA)推荐的201A，202法和国际标准化组织(ISO)发布的ISO 23210:2009法。近年来开发的稀释采样原理PM2.5排放测试方法及ELPI法表现出良好的发展应用前景。最后结合我国燃煤电厂大气污染物减排经验提出了建议。

燃煤电厂；超细颗粒物；PM2.5排放；测试方法

PM2.5超细颗粒物是一种长期悬浮于大气环境，具有比表面积大，易于富集多环芳香烃、多环苯类、病毒和细菌等有毒物质，以及痕量有毒元素的颗粒污染物；PM2.5超细颗粒物又称为可入肺颗粒物，能够进入人体肺泡甚至血液循环系统，一旦在人体呼吸系统沉积将产生严重的危害。同时PM2.5超细颗粒物也是导致大气能见度降低、灰霾天气和全球气候变化等重大环境问题的重要因素[1]。鉴于PM2.5超细颗粒物重大的环境和健康影响，2012年3月1日我国将PM2.5超细颗粒物指标纳入新修订的GB 3095—2012《环境空气质量标准》，从现在开始分步实施对PM2.5超细颗粒物的监测，并于2016年1月1日起在全国范围实施[2]。

大气中PM2.5超细颗粒物的来源包括自然源(植物花粉和孢子、土壤扬尘、海盐、森林火灾、火山爆发等)和人为源，人为源又可分为固定源和移动源，前者如燃料燃烧、工业生产过程，后者如交通运输等。近十年来，国内学者对部分城市大气颗粒物源解析研究结果表明，燃煤电厂是大气PM2.5超细颗粒物的重要来源之一[3-5]。因此，准确测量燃煤电厂PM2.5超细颗粒物的排放，对于了解燃煤电厂对大气PM2.5超细颗粒物的贡献及制定污染控制措施和排放标准十分重要。

1 燃煤电厂PM2.5超细颗粒物排放特征

燃煤电厂排放的PM2.5超细颗粒物主要可分为两类，即直接排出的一次PM2.5超细颗粒物和以气态形式如SO2、NOx、SO3和VOC等排放到大气中，通过复杂的大气物理化学过程生成的二次PM2.5超细颗粒物。一次PM2.5超细颗粒物又可分为直接以固态(或液态)形式排出的一次PM2.5超细颗粒物和在烟气温度状态下以气态或蒸汽形式排出，在烟羽的稀释和冷却过程中凝结成固态(或液态)的一次凝结PM2.5超细颗粒物[6]。Lu等[7]对某675 MW机组(SCR+ESP+FGD)烟囱出口处的PM2.5超细颗粒物排放测试结果明，一次凝结PM2.5超细颗粒物约占总一次PM2.5超细颗粒物的36％。

2 燃煤电厂PM2.5超细颗粒物排放测试方法

针对燃煤电厂PM2.5超细颗粒物的排放特征，国内外学者重点对一次PM2.5超细颗粒物测试技术进行了研究。目前，美国国家环境保护局(US EPA)、美国材料测试协会(ASTM协会)以及国际标准化组织(ISO)发布了多种燃煤电厂PM2.5超细颗粒物标准测试方法，根据采样原理的不同可分为等速采样法和稀释采样法两类，采用等速采样原理的测试方法主要有：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法则基于稀释采样原理。

2.1 等速采样法

等速采样法是固定源颗粒物浓度测量广泛采用的方法。其主要是通过动压平衡或者静压平衡采样管测出的压力选取相应规格的等速采样嘴，烟气经等速采样嘴进入采样链。主要的代表方法有EPA方法和ISO 23210:2009方法等。

2.1.1 EPA方法

燃煤电厂排放的PM2.5超细颗粒物可分为过滤颗粒物(FPM)和凝结颗粒物(CPM)，二者分别近似对应于燃煤电厂排放的一次固态(或液态)超细颗粒物和一次凝结超细颗粒物。常规的测量方法只能测量一次固态超细颗粒物，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用于测量一次凝结超细颗粒物[10-11]，该方法与EPA方法201A联用可同时捕集一次固态超细颗粒物和一次凝结超细颗粒物。EPA方法201A和EPA方法202是US EPA推荐的烟气中不含液滴条件下固定源PM2.5超细颗粒物一次固态超细颗粒物浓度和凝结性超细颗粒物浓度的标准测试方法[8-11]。为了测量含湿量较高的烟气中的颗粒物浓度(如FGD出口)，通常在采样预处理系统中将烟气加热到120 ℃以上，在该温度下，烟气中的水分不会凝结以保证烟气中不含液滴。

2010年修订的EPA方法201A是在1990年US EPA发布的201方法基础上吸收了EPA OTM方法27的优点改进而来的，主要是在原有的大颗粒分割器后设置了Ⅱ级颗粒分割器。其主要测量原理(图1)：通过等速采样嘴进入采样管的烟气首先经过Ⅰ级大颗粒分割器，去除粒径大于10 μm的颗粒物，再经由Ⅱ级颗粒分割器去除粒径为2.5～10 μm的颗粒物，最后由滤膜来收集PM2.5超细颗粒物，通过测量收集到的PM2.5超细颗粒物的质量计算得到PM2.5一次固态超细颗粒物浓度。经采样系统除去了一次固态超细颗粒物的烟气进入EPA方法202测试系统，以鼓泡方式穿过冲击罐中的水，硫酸雾、半挥发性有机物等排放到大气会发生冷凝的物质被捕集于水中，最后通过计算得到总的PM2.5超细颗粒物浓度[8]。

图1 EPA方法201A 测量原理Fig.1 Measurement principle of EPA method 201A

2.1.2 ISO 23210:2009[12]方法

ISO 23210:2009是国际标准化组织2009年发布的用于固定源PM10PM2.5浓度测量的标准测试方法，可用其来测量固定源PM2.5一次固态超细颗粒物浓度，与EPA方法201A一样，该法同样只适用于烟气中不含液滴的条件，与采用气旋原理分离颗粒物的测试方法不同，该法采用撞击器原理分离不同粒径颗粒物，较大的颗粒物在自身惯性的作用下撞击到撞击器底部的集尘板上(图2)[12]。实际操作时，根据每级撞击器对应的需要分离的颗粒粒径，计算出撞击嘴的长度(lin)、撞击嘴的直径(din)以及撞击嘴与集尘板之间的距离(s)，选取相应规格的颗粒撞击器。

图2 ISO 23210:2009法撞击器原理Fig.2 Principle of impaction for ISO 23210:2009

具体的工作原理(图3)：经等速采样嘴进入采样链的烟气，首先经由Ⅰ、Ⅱ级撞击器分离粒径大于10 μm和粒径介于2.5～10 μm的颗粒物，随后由滤膜收集PM2.5超细颗粒物，采样结束后，测量滤膜收集到的PM2.5超细颗粒物质量，进而通过计算得到PM2.5超细颗粒物浓度[12]。

图3 ISO 23210:2009法测量原理Fig.3 Measurement principle of ISO 23210:2009

2.2 稀释采样法

稀释采样法是20世纪八九十年代美国研究者发展起来的可以较好地用于测量燃烧源一次颗粒物排放的方法。该方法将高温烟气在稀释通道用洁净空气进行稀释，并冷却至大气环境温度，稀释冷却后的采样气体进入烟气驻留室，停留一段时间后颗粒物被捕集，模拟烟气排放到大气中的稀释、冷却、凝结等过程，捕集的颗粒物可近似认为是燃烧源排放的一次颗粒物(包括一次固态超细颗粒物和一次凝结超细颗粒物)。国内北京大学、清华大学以及南开大学等少数几家单位研制开发了稀释采样系统。目前稀释采样原理PM2.5超细颗粒物浓度测量法主要有EPA CTM-039方法和ASTM WK8124，这两种方法的测量原理(图4)为：采用颗粒切割器去除大颗粒后，经稀释采样系统稀释采样气，采集的烟气在驻留室内停留经历冷却凝结后，再由滤膜收集PM2.5超细颗粒物进行PM2.5超细颗粒物浓度测量[13-14]，采样时，烟气加热到120 ℃以上以保证烟气中不含液滴。

图4 稀释采样法PM2.5超细颗粒物浓度测量原理Fig.4 The schematic of dilution sampling PM2.5 measurement

2.3 新兴的ELPI测量法

近年来，已有学者将新兴的ELPI法与稀释采样法联用进行固定源PM2.5超细颗粒物浓度的测量。ELPI是芬兰Dekati公司开发的基于静电低压撞击器原理的颗粒物浓度测量仪器，可应用于燃烧时产生的颗粒研究、汽车排放的颗粒粒径分布测量、药物吸入研究、过滤分选效率测量、室内室外空气测量、粒子电荷测量等领域。

其工作原理(图5)：含有颗粒的气体样品首先通过单极电晕充电室进行充电，带电的颗粒物被运送到装备有绝缘收集层的低压冲击仪上，进入每个层面的带电颗粒物的电流，都可以实时地通过多通道精密电子测量计进行电量测量，最后将电流信号转化为(空气动力学上的)颗粒物的粒径分布。电子低压冲击仪(ELPI)可以实时的测量30 nm～10 μm的颗粒物分布和粒数浓度[15]。

图5 ELPI原理Fig.5 ELPI principle

将ELPI与稀释采样法联用即可用于燃煤电厂PM2.5超细颗粒物浓度监测，烟气在稀释采样系统(图6)中经历了模拟烟气排放到大气中的稀释、冷却、凝结等过程后，进入ELPI，不同粒径的颗粒被收集在不同级，在计算机上反映出实时颗粒物浓度的粒径分布，采样时将烟气加热到120 ℃以上(通常为200 ℃)以保证烟气中不含液滴(图7)。

图6 ELPI与稀释采样系统联用Fig.6 Dilution principle for ELPI

图7 ELPI法测量燃煤电厂PM2.5浓度Fig.7 ELPI setup at power plant

3 结论

综合目前已有的测量方法，测量一次固态PM2.5超细颗粒物主要有EPA方法201A、EPA OTM 027以及ISO 23210:2009法；测量一次凝结PM2.5超细颗粒物的方法主要有EPA方法202以及EPA OTM 028法；EPA CTM-039、ASTM WK8124和ELPI法。由于采用了稀释采样原理，可测量总的一次PM2.5超细颗粒物，包括一次固态PM2.5超细颗粒物和一次凝结PM2.5超细颗粒物。

4 建议

PM2.5超细颗粒物污染已引起世界范围内的广泛关注，目前除美国、日本、欧盟、澳大利亚陆续将PM2.5超细颗粒物纳入监测指标外，我国也于近期将PM2.5超细颗粒物指标纳入新修订的GB 3095—2012《环境空气质量标准》。燃煤电厂作为重要的PM2.5超细颗粒物排放源之一，目前在世界范围内鲜有国家制定固定污染源PM2.5超细颗粒物排放标准。国外燃煤电厂PM2.5超细颗粒物排放测试方法经过二十多年的发展，目前比较成熟的方法是US EPA推荐的采用等速取样原理的201A法和202法等，基于近年来发展起来的稀释采样法开发的EPA CTM-039方法和ASTM WK8124可监测燃烧源排放的一次PM2.5超细颗粒物排放总量。在我国，燃煤电厂PM2.5超细颗粒物污染已引起一些学者的关注，但相应的标准监测方法体系尚不健全。因此，借鉴发达国家的经验，对我国燃煤电厂PM2.5超细颗粒物测试方法提出建议：

(1)参照国外已有的PM2.5超细颗粒物排放测试标准方法，充分结合我国燃煤电厂的实际情况与监测需求，在现有标准GBT 16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》基础上，研究并制(修)订出与之相适应的监测方法与标准，开发出适用于我国燃煤电厂的相关仪器并推广应用，在大量监测数据的基础上摸清我国燃煤电厂实际PM2.5超细颗粒物排放情况，并为我国环境监管、排污收费及污染物治理等提供技术手段和科学依据。

(2)在燃煤电厂PM2.5超细颗粒物排放调查的基础上，结合目前电厂已配置的环保设备的协同减排能力，以国外的研究成果作为参考借鉴，开展适合于我国燃煤电厂实际情况的PM2.5超细颗粒物控制技术研究。

[1]张文丽,徐东群,崔九思.空气细颗粒物(PM2.5)污染特征及其毒性机制的研究进展[J].中国环境监测,2002,18(1):59-63.

[2]环境保护部.GB 3095—2012 环境空气质量标准[S].北京:中国环境科学出版社,2012.

[3]朱先磊,张远航,曾立民,等.北京市大气细颗粒物PM2.5的来源研究[J].环境科学研究,2005,18(5):1-5.

[4]温新欣,崔兆杰,张桂芹.济南市PM2.5来源的解析[J].济南大学学报:自然科学版,2009,23(3):292-295.

[5]肖致美,毕晓辉,冯银厂,等.宁波市环境空气中PM10和PM2.5来源解析[J].环境科学研究,2012,25(5):549-555.

[6]李兴华,段雷,郝吉明,等.固定燃烧源颗粒物稀释采样系统的研制与应用[J].环境科学学报,2008,28(3):458-463.

[7]LU P,WU J,PAN W P.Particulate matter emissions from a coal-fired power plant[C]Bioinformatics and Biomedical Engineering (iCBBE),2010 4th International Conference,[S.l.]:Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE),2010.

[8]US EPA.Method 201A-determination of PM10and PM2.5emissions from stationary sources[SOL].[2012-07-26].http:www.epa.govttnemcmethodsmethod201a.html.

[9]US EPA.Other test method 27 (OTM 27)-determining PM10and PM2.5emissions from stationary sources[SOL].[2012-07-26]http:www.epa.govttnemcprelimotm27.pdf.

[10]US EPA.Method 202-dry impinger method for determining condensible particulate emissions from stationary sources[SOL].[2012-08-26]http:www.epa.govttnemcprelimotm27.pdf.

[11]US EPA.Other test method 28 (OTM 28)-dry impinger method for determining condensable particulate emissions from stationary sources[SOL].[2012-07-26].http:www.epa.govttnemcprelimotm28.pdf.

[12]ISO.ISO 23210:2009 stationary source emissions:determination of PM10PM2.5mass concentration in flue gas:measurement at low concentrations by use of impactors[SOL].[2012-07-26].http:www.iso.orgisocatalogue_detail.htm?csnumber=53379 amp;utm_source=ISOamp;utm_medium=RSSamp;utm_campaign=Catalogue.

[13]US EPA.Conditional test method (CTM-039) measurement of PM2.5and PM10emissions by dilution sampling (constant sampling rate procedures)[SOL].[2012-07-26].http:www.epa.govttnemcctmctm-039.pdf.

[14]US ASTM.ASTM WK8124 new test method for determining PM2.5and PM10mass in stack gases[SOL].[2012-07-26].http:www.astm.orgDATABASE.CARTWORKITEMSWK8124.htm.

[16]环境保护部.GB 13223—2011 火电厂大气污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社,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

中国国电集团公司科研项目(HZ1015)

王铮(1990—)，男，硕士，研究方向为燃煤电厂污染物减排及监测技术，jesse900109@126.com

X831

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.022