全程加热采样管和半程加热采样管对超净排放污染源颗粒物监测结果的影响

白 煜，刘通浩，文小明，秦承华，张守斌，周祥宇，伍跃辉

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.黑龙江省环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150056

全程加热采样管和半程加热采样管对超净排放污染源颗粒物监测结果的影响

白 煜1，刘通浩1，文小明1，秦承华1，张守斌1，周祥宇2，伍跃辉2

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.黑龙江省环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150056

根据《煤电节能减排升级与改造行动计划》以及《国家环境保护“十三五”规划纲要》，我国燃煤电厂污染物排放浓度应达到现行燃气锅炉标准，现行颗粒物监测仪器需要进行更新。现在市面上有2种污染源颗粒物采样管可对改造后电厂进行颗粒物采样监测，采用平行实验法对这2种采样管所采集的颗粒物质量结果进行分析，同时使用验证实验分析2种采样管颗粒物采集质量结果产生差异的原因，并对如何提升燃煤电厂颗粒物监测的准确性提出建议。

火电厂；烟尘；超净排放；全程加热采样管；半程加热采样管

雾霾是近年来公众关注度最高的环境事件，每次发生的大范围雾霾也是我国环保工作的一大难题[1]。以往研究表明，雾霾的成因主要是由化石燃料燃烧产生的颗粒物引起的[2-3]。同时燃煤电厂排放的颗粒物多为细颗粒物，并且随着颗粒物直径减小，重金属含量呈逐渐增加趋势，对人体损害很大[4]。燃煤电厂是我国环境空气中颗粒物的主要排放源之一，现行火电厂大气污染物排放标准中规定，一般燃煤火电厂颗粒物排放浓度标准限值为30 mg/m3[5]，目前此标准已难以满足我国环境保护发展对燃煤电厂的颗粒物排放限值要求。国家发展和改革委员会发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划》(发改能源[2014]2093号)提出，2020年前现有燃煤锅炉污染物排放浓度达到燃气轮机水平，也就是所谓的燃煤锅炉“超净排放”要求。

目前主流燃煤电厂超净排放烟尘净化设施改造大多采用多电场静电串联湿式静电除尘设施[6]，其排放口烟气含湿高，烟尘浓度低，传统石英纤维滤筒采样方法已不适用于超净排放燃煤电厂的烟尘监测[7-9]。

本研究采用石英滤膜和《固定污染源排放低浓度颗粒物(烟尘)质量浓度的测定 手工重量法》(ISO 12141—2002)进行烟尘采样监测[10]。用平行实验和验证实验讨论全程伴热烟尘采样管和半程加热烟尘采样管采集的颗粒物质量结果间产生差异的原因，以及如何提升对执行“超净排放”标准燃煤电厂烟尘监测结果准确性提出建议，同时也采用平行实验的方法比对《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T 16157—1996)[11]和《固定污染源排放低浓度颗粒物(烟尘)质量浓度的测定 手工重量法》(ISO 12141—2002)监测执行“超净排放”标准燃煤电厂烟尘监测结果的差异。

1 实验部分

1.1 滤膜法和滤筒法超净排放电厂烟尘比对监测

采用《固定污染源排放低浓度颗粒物(烟尘)质量浓度的测定 手工重量法》(ISO 12141—2002)和石英滤膜(以下简称滤膜法)进行烟尘采样监测。该方法与现行的《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T 16157—1996)(以下简称滤筒法)在采样和分析方式以及过滤装置的形态方面均有所不同，在本文讨论实验前应进行比对验证实验以证明其准确性和精确度。

采用滤筒法和滤膜法在同一监测点同时进行2种方法的比对监测。采样时长为60 min。最后滤膜法烟尘质量监测结果与滤筒法烟尘质量监测结果做差，用以比对以上2种方法的烟尘监测结果。

1.2 全程加热采样管和半程加热采样管烟尘比对监测

1.2.1 监测仪器

使用甲仪器生产厂家生产的便携式大流量低浓度烟尘自动测试仪及其配套附件作为烟尘采样仪器，分别采用乙仪器生产厂家生产的烟尘加热采样枪和甲仪器生产厂家生产的低浓度烟尘多功能采样管作为烟尘采样管。

乙仪器生产厂家生产的烟尘加热采样枪使用全管身伴热方式对样品气体进行加热采样，故后文用“全程加热烟尘采样管”作为简称。由于甲仪器生产厂家生产的低浓度烟尘多功能采样管使用对管身前端滤膜采样器加热的方式进行烟尘采样，所以后文用“半程加热烟尘采样管”作为简称。

1.2.2 被测机组信息

被测机组A装机容量为300 MW，建有SCR脱硝装置、静电除尘装置、石灰石-石膏法湿式脱硫装置和湿式静电除尘装置,被测机组B装机容量1 000 MW，建有SCR脱硝装置、布袋除尘装置、石灰石-石膏法湿式脱硫装置和湿式静电除尘装置，被测机组C装机容量为600 MW，建有SCR脱硝装置、静电布袋复合除尘装置、石灰石-石膏法湿式脱硫装置和湿式静电除尘装置。

1.2.3 实验人员

实验人员均持有国家环境保护部监测司颁发的环境监测人员上岗资格证，并拥有丰富的固定污染源废气监测经验。

1.2.4 监测方法

现场监测采样前：完成编号后，将石英滤膜置于180 ℃烘箱中烘干1 h，其他组件置于105 ℃烘箱烘干1 h，然后置于干燥皿中冷却至室温后压膜，之后放入恒温恒湿(20 ℃，50%相对湿度)间里平衡至少24 h，然后使用精度为0.01 mg电子天平称重，重复称重3次，相邻2次间隔1 min以上，3次称量误差不大于0.1 mg，记录平均值作为采样头初始质量。

现场监测采样期间：根据《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB 16157—1996)的要求进行采样点布设，共设5个采样点，每个点采样时长为12 min，单个采样孔采样时长为60 min。在3种不同工况负荷(分别为锅炉负荷90%、75%、50%)时使用全程加热烟尘采样管采集6个烟尘样品，使用半程加热烟尘采样管采集3个烟尘样品，每3个烟尘样品采集空白样一个。在烟尘采样前测定烟气湿度，烟尘采样期间同步测量流速、烟气温度、气压等相关烟气参数，计算标准状态(标准状态指一个标准大气压、0 ℃、干燥状态)下的采样流量和采气量。

采样后滤膜处理阶段：将采样后的一体式采样头置于105 ℃烘箱中烘干1 h，然后置于干燥皿中冷却至室温，之后放入恒温恒湿间里平衡至少24 h后，使用精度为0.01 mg电子天平称重，称重3次间隔1 min以上，3次称量误差不大于0.1 mg，记录平均值作为滤膜的采样后的最终质量。

最后根据滤膜的最终质量和初始质量之差计算出烟尘质量，再根据采气量计算出烟尘浓度，计算公式：

C=(M2-M1)/Vn

式中C为烟尘浓度，M2为采样头最终质量，M1为采样头初始质量，Vn为标干采气量。

本次实验只针对烟尘质量结果进行比对分析，未对烟尘浓度进行比对分析，故不计算烟尘浓度。

1.2.5 2种烟尘采样管烟尘监测结果比对方法

采用绝对误差进行监测结果比对，公式：绝对误差=全程加热采样管烟尘采样量—半程加热采样管烟尘采样量。

1.3 验证实验

由图1可见，半程加热采样管的滤膜颗粒物留下的痕迹比较明显，同时半程加热采样管颗粒物质量大于全程加热采样管。推测产生以上结果的原因是由于烟气中水蒸气凝结在半程加热采样管内壁，并将附着在半程加热采样管内壁上的颗粒物冲刷到滤膜上引起的。为证明半程加热采样管内壁附着的颗粒物会被水冲刷至滤膜上，设计以下验证实验。

1.3.1 实验步骤

1)按照烟尘监测方法称取采样器初始质量。

2)取进行过烟尘采样监测后的全程加热采样管和半程加热采样管各2个，再取崭新未使用过且内壁经清洗后清洁干净的2种采样管各2个，放入滤膜后通电进行预热。

3)预热完毕后取监测采样后和内壁清洗后的2种采样管各1个，分别将30 mL去离子水沿烟尘采样时气流方向，缓缓通过采样嘴加入到采样管中，此组为正向组；再取监测采样后和内壁清洗后的2种采样管各1个，分别将30 mL去离子水从烟尘采样时气流的出口反方向倒入采样管中，此组为反向组；同时将一部分滤膜浸入去离子水中，并保留部分干燥滤膜作为空白。

4)将放入到采样管中的装有滤膜的采样器和浸入去离子水中的滤膜取出，然后将所有滤膜按照烟尘监测方法称取滤膜最终质量。

2 结果与讨论

2.1 滤膜法和滤筒法超净排放电厂烟尘比对监测结果及分析

滤膜法和滤筒法超净排放电厂烟尘监测结果见表1。

表1 滤膜法和滤筒法超净排放电厂烟尘质量监测结果 mg

由表1可知，滤筒法测得的烟尘质量比滤膜法小0.5～0.9 mg,表明在超净排放浓度下(烟尘质量浓度低于10 mg/m3)滤膜法的烟尘颗粒物截留率比滤筒法高，所以滤膜法的测量准确性比较高。

2.2 全程加热采样管和半程加热采样管烟尘比对监测结果及分析

全程加热烟尘采样管采集石英滤膜烟尘样品和半程加热烟尘采样管采集石英滤膜烟尘样品见图1，监测后全程加热采样管取样图见图2，监测后半程加热采样管取样图见图3。

图1 A机组全程加热采样管烟尘样品和半程加热采样管烟尘样品

从图1可以看出，A机组全程加热采样管采样后石英滤膜边缘完整无破损，半程加热采样管采样后石英滤膜边缘破损严重。从图2、图3可以看出：A机组全程加热采样管在监测后取出滤膜时滤膜未粘连在采样管上，滤膜边缘干净无破损；半程加热采样管在监测后取出滤膜时滤膜粘连在采样管上，取出滤膜后部分滤膜碎屑依然粘连在采样管上同时滤膜边缘由于脱落的碎屑会出现破损。

图2 A机组全程加热采样管取样图

产生以上结果的原因是由于采用湿式脱硫的锅炉脱硫塔出口烟气湿度高，烟气温度低，水蒸气处于过饱和状态，在低温固体表面会迅速凝结成水珠附着其上，采样时全程加热采样管内部整体温度处于120 ℃左右，高于水的沸点，高湿度烟气中水蒸气不会凝结。而半程加热采样管只有滤膜部分采样时保持120 ℃，采样管内部其他位置温度与烟气温度相同或低于烟气温度，采样时烟气中水蒸气会迅速凝结成水珠并附着在采样管内壁，部分水珠会倒流到滤膜上使滤膜边缘粘连在采样管内壁上。

图3 A机组半程加热采样管取样图

2种烟尘采样管烟尘监测结果见表2。

表2 A机组2种烟尘采样管烟尘监测结果

注：①为全程加热烟尘采样管半程加热烟尘采样管；②为半程加热烟尘采样管。下同。

由表2可知：A机组工况90%时，全程加热采样管烟尘监测结果平均值比半程加热采样管烟尘监测结果平均值小0.54 mg；A机组工况75%时，全程加热采样管烟尘监测结果平均值比半程加热采样管烟尘监测结果平均值小0.70 mg；A机组工况50%时，全程加热采样管烟尘监测结果平均值比半程加热采样管烟尘监测结果平均值小0.74 mg。

由表3可知：B机组工况90%时，全程加热采样管烟尘监测结果平均值比半程加热采样管烟尘监测结果平均值小0.47 mg；B机组工况75%时，全程加热采样管烟尘监测结果平均值比半程加热采样管烟尘监测结果平均值小0.49 mg；B机组工况50%时，全程加热采样管烟尘监测结果平均值比半程加热采样管烟尘监测结果平均值小0.66 mg。

由表4可知：C机组工况90%时，全程加热采样管烟尘监测结果平均值比半程加热采样管烟尘监测结果平均值小0.54 mg；C机组工况75%时，全程加热采样管烟尘监测结果平均值比半程加热采样管烟尘监测结果平均值小0.59 mg；C机组工况50%时，全程加热采样管烟尘监测结果平均值比半程加热采样管烟尘监测结果平均值小0.61 mg。

分析原因认为，烟气中水蒸气凝结在半程加热采样管内壁，并将附着在半程加热采样管内壁上的颗粒物冲刷到滤膜上，造成了增重误差。

2.3 验证实验结果及分析

验证实验结果见表5。

表3 B机组2种烟尘采样管烟尘监测结果

表4 C机组2种烟尘采样管烟尘监测结果

表5 验证实验结果

由表5可知，正向组全程加热采样管组的增重0.5～0.8 mg，正向组半程加热采样管组增重1.2～1.8 mg，正向组内壁清洁的全程加热采样管组增重-0.2～0 mg，正向组内壁清洁的半程加热采样管组增重-0.2～0.2 mg；反向组全程加热采样管组的增重0.1～0.4 mg，反向组半程加热采样管组增重0.5～0.7 mg，反向组内壁清洁的全程加热采样管组增重-0.2～0 mg，反向组内壁清洁的半程加热采样管组增重-0.1～0.3 mg；浸入去离子水组滤膜增重-0.5～0.1 mg，空白组滤膜质量实验前后最大误差为0.2 mg(小于0.5 mg)，表明此次实验的误差在合理范围之内。

可见，监测后正、反方向组2种加热采样管实验前后滤膜质量均有所增加，内壁清洁的2种采样管组和浸入去离子水组滤膜实验前后虽然质量增加量不同，但均小于0.5 mg，表明滤膜浸入去离子水后不会增重。这六组数据表明，采样管组的滤膜质量增加是由于流经采样管内壁的水珠将附着在采样管内壁上的颗粒物冲刷到滤膜上造成的。正向组中半程加热采样管实验前后滤膜增质量较全程加热采样管多0.7～1.0 mg，说明半程加热采样管滤内壁附着水量和冲刷到滤膜上的颗粒物多于全程加热采样管，对烟尘质量的增加量在监测结果中不可忽视。同时反向组中2种采样管实验前后滤膜增重均小于或等于0.5 mg，可以看出滤膜法对烟气中的颗粒物截留效率很高。

3 结论

由于超净排放标准烟尘浓度对监测仪器的精度要求高，监测中极小的质量误差就会对烟尘监测结果产生较大影响，所以使用全程加热烟尘采样管采集烟尘样品时抗干扰和污染的能力优于半程加热烟尘采样管，烟尘监测结果更加准确。在监测超净排放污染源时，采样管内壁附着的颗粒物会对监测结果造成较大误差，在监测时及日常仪器维护中应注意定期进行采样管内壁清洁。

此次实验采用的《固定污染源排放低浓度颗粒物(烟尘)质量浓度的测定 手工质量法》(ISO 12141—2002)为国际标准，属于质量管理体系中非国标标准。各省及其下级环境监测站在使用次监测方法时应重新进行此方法的不同实验室间比对认证，对使用此法监测的环境监测站造成很多麻烦。国家应尽快着手编制我国测定低浓度颗粒物固定污染源颗粒物监测方法的国家标准。

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[10] 国际标准化组织.固定污染源排放低浓度颗粒物(烟尘)质量浓度的测定 手工质量法：ISO 12141—2002[S/OL].[2015-02-25].http://www.doc88.com/p-7733283971499.html.

[11] 中国环境监测总站.固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法：GB/T 16157—1996.北京：中国环境科学出版社，1996.

By Using Heating the Dust Sampling Tube in the Whole Process and Heating the Dust Sampling Tube in the Half Process

BAI Yu1, LIU Tonghao1, WEN Xiaoming1, QIN Chenghua1, ZHANG Shoubin1, ZHOU Xiangyu2, WU Yuehui2

1.The State Key Laboratory of Environmental Monitoring Quality Control，China Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012,China 2.Heilongjiang Environmental Monitoring Centre,Haerbin 150056,China

Based on Action Plan for Upgrading and Transformation of Energy Saving and Pollution Emission Reduction for Coal Power Industry and 13th Five-Year Plan of National Environmental Protection, it is required that the emission concentration of coal-fired power plant should be meet the current emission standard of gas-fired boiler. Analyzer for atmospheric particulate matter concentration need to be updated according to this standard. Currently there are two kinds of dust sampling tube that can monitor the particulate matter for the upgraded coal-fired power plant. This study is mainly discussed the following issues, firstly, with the parallel experimental method, analyzing the results that are collected by using two different dust sampling tubes, secondly analyzing and evaluating these affected factors if the results by using these two methods have been determined differently, lastly, giving suggestions on how to improve the accuracy of monitoring the particulate matter for the coal-fired power plant.

coal fired power plant；dust；ultra-clean emission；heating the dust sampling tube in the whole process；heating the dust sampling tube in the half process

2016-04-18;

2016-05-06

国家环保公益性行业科研专项“工业锅炉大气污染物高分辨率排放清单及总量控制研究”(201509010)

白 煜(1984-)，男，黑龙江双城人，硕士，工程师。

伍跃辉

X830.1

A

1002-6002(2016)04- 0114- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.21