燃煤电站烟气PM2.5测试技术综述

刘含笑，姚宇平，郦建国，朱少平，方小伟，郭 滢

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800）

燃煤电站烟气PM2.5测试技术综述

刘含笑，姚宇平，郦建国，朱少平，方小伟，郭 滢

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800）

阐述了国内外的固定源PM2.5的标准测试方法，并开展现场实测，对测试结果进行了对比分析，旨在探索并形成一种科学合理且适用于工程实测的PM2.5测试技术及方法。

燃煤电厂；细微颗粒物（PM2.5）；固定源测试方法

国家标准《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）要求重点地区的烟尘排放限值为20mg/m3，国家标准《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）规定了环境空气中的PM2.5浓度限值。近年来，大气污染日益严峻，由于环境容量有限等原因，排放要求进一步趋严，燃煤电厂烟气污染物“超低排放”全面实施。国家和地方政策、标准促进了我国除尘技术的快速发展，但同时也给现有的颗粒物测试技术，尤其是PM2.5测试技术，带来了巨大挑战。

本文依托国家“863”计划课题（2013AA065002）、国家重点研发计划（2016YFC0203704）、国家重点研发计划（2016YFC0209107）等，基于原有研究基础[1、2]，分析了国内外PM2.5的标准测试方法，并开展现场实测，对现场的测试结果进行对比研究，旨在探索一种科学合理的PM2.5工程测试技术和方法。

1 燃煤电厂烟气中PM2.5的测试方法

对于固定污染源，尤其是燃煤电厂的PM2.5（一次颗粒物）测试来说，检测仪器主要为美国或欧洲进口，按照原理不同大致可分三种方法：重量法、电荷法、光学法。

1.1 重量法

国外测试标准，如ISO 13271 : 2012、ISO 23210 2009、EPA method 201A、日本JIS K 0302等，均采用重量法作为标准的测试方法。重量法的操作步骤一般是通过调整采样嘴口径等方式在烟道内部等速采样，然后用旋风子分离、冲击板、虚拟撞击器等惯性分离方式将空气动力学直径大于2.5µm的颗粒物分离，PM2.5则由滤膜或冲击板涂脂铝膜捕集，然后到实验室进行干燥处理后用高精天平称重。属于重量法的测试仪器有DEKATI PM-10冲击器、DLPI（Dekati Low Pressure Impactor）低压冲击器、WY型冲击式尘粒分级仪、虚拟冲击器等。这种方法被认为是较直观可靠的方法，可作为标杆方法来验证其它方法的准确性，但对于浓度较低的烟尘环境，该方法则需要较长的采样时间，且滤膜恒重处理及样品称重等程序繁琐费时。

1.1.1 国内外标准测试方法

（1）EPA方法

EPA方法有201A和202两种方法，分别是用于不含液滴烟气中固定源一次固态细颗粒物和可凝结细颗粒物浓度的标准测试方法。201A中规定，对于高湿烟气环境需对采样系统进行加热处理，一般要求加热到120℃以上，以避免液滴对测量结果的影响。

201A规定的测量方法如图1所示，烟气依次进入Ⅰ级大颗粒旋风分离器和I级小颗粒旋风分离器，其中Ⅰ级旋风分离器可收集粒径大于10µm的颗粒，Ⅱ级旋风分离器收集粒径为2.5～10µm的颗粒物，小于2.5µm的颗粒最后由滤膜来收集，然后通过手工称重方法计算得到烟气中一次固态PM2.5的浓度。经此处理的烟气可进一步通过EPA方法202测试系统捕集计算可凝结颗粒物，最后得到烟气中总的PM2.5浓度。

图1 EPA方法201A测量方法

（2）ISO 23210 : 2009方法

ISO 23210 : 2009规定了冲击器测定了烟气中低浓度的PM10和PM2.5方法[3]。

ISO 23210 : 2009规定的冲击器基本原理如图2所示。当颗粒物随着气流通过孔板时，在喷孔处被一起加速，因受到收集板的阻挡，气流很容易发生转向，惯性较小的颗粒随着气流一起转向并进入下一级冲击器，惯性较大的颗粒物则撞击到收集板上被收集下来，收集板一般涂脂以增加黏性，防止颗粒被收集后再被冲散。喷孔处气流流速越大，收集板与喷孔的距离越小，收集板上收集到的颗粒物就越小。ISO 23210 : 2009给出了三级撞击器，分别用来划分空气动力学粒径大于10µm、粒径在2.5～10µm之间和粒径小于2.5µm的颗粒，如图3所示。如果在冲击器前端布置带有鹅颈状采样嘴，则容易沉积颗粒物而造成损失，影响测量的准确性。需有试验来验证颗粒物在弯头处的损失。如将冲击器放在烟道外采样，必须要配置加热器防止冷凝。该方法只适合浓度在40mg/m3以下烟尘的测量。

图2 冲击器的基本原理（ISO 23210 : 2009）

图3 冲击板式PM2.5采样系统图（ISO 23210 : 2009）

（3）ISO 13271 : 2012方法

鉴于冲击器采样时，不可避免颗粒的反弹、破碎、沉积过量及再进入等问题，使得数据分析不够准确，虽然表面涂脂可解决这些问题，但容易受到高温烟气或其它因素的影响，引起油脂质量变化。

ISO 13271 : 2012规定了固定源烟气较高烟尘浓度环境下的PM10/PM2.5质量浓度测量方法[4]，该方法实现最高200mg/m3烟尘浓度的烟气中PM2.5采样，主要是因为该方法通过采集腔取代传统惯性冲击器中的硬质收集板，让颗粒随着气流经喷口一起进入一个空腔体，如图4所示，需收集的颗粒还留在气体中，有效避免了颗粒破碎、反弹等问题[5]。但该方法气流分支较多，气流的操作难度较大。

图4 虚拟冲击板原理图（ISO 13271:2012）

1.1.2 主要测试仪器

（1）WY型冲击式尘粒分级仪

WY型冲击式尘粒分级仪包括WY-1型和WY-2型两种型号，由我国自主研发。WY型冲击式尘粒分级仪由不同直径喷孔及捕集板串连而成，如图5所示，与ISO 23210 : 2009方法一致。该仪器可测定空气动力直径为1.1～42µm的颗粒，每级接尘板最多允许沉积约100mg的颗粒，可用于烟尘浓度30g/m3的烟气环境。

图5 WY型冲击式颗粒分级仪结构图

（2）PM-10

DEKATI PM-10由芬兰Dekati公司研制，基本原理也是冲击式，如图6所示，两级撞击器测得的粒径范围与ISO 23210 : 2009描述一致，即测定的颗粒物划分为三部分：大于10µm、在2.5～10µm之间、小于2.5µm。该设备结构简单且便携，较适合于工程现场PM2.5测试。

（3）DLPI

DLPI（Dekati Low Pressure Impactor）也是由芬兰Dekati公司研制，一个13段串联的撞击器，如图7所示，应用空气动力学原理将颗粒物按30nm～10µm，划分为13个等级。小于30nm颗粒可被辅助的过滤器收集在一个47mm的滤膜上，其他颗粒分别收集在25mm基板上，基板上布置有涂脂铝箔。DLPI可用于很多行业，如大气测量、烟道测量、汽车测量、数学应用等。25mm收集盘上可进行化学分析，由于有过滤器，粒径范围可扩到30nm以下。

图6 DEKATI PM-10撞击器

图7 DLPI撞击器

（4）Andersen颗粒采样器

Andersen由采样头、旋风预切割器、过滤设备、撞击器、带有抽气泵的控制器及温度、压力之类的传感器等组成，如图8所示。撞击器是Andersen的核心部分，主要作用是对颗粒物分级和采集，共分为8级，分级方法同DLPI，最后一级F级装的是实心全膜，以过滤细粒子和凝结型颗粒物。

图8 Andersen颗粒采样器

1. 2 电荷法

电荷法是指通过直接测量颗粒所带电荷量，来间接确定颗粒质量的方法，可通过换算得到颗粒物质量浓度。电荷法的典型仪器是ELPI电子低压撞击器（Electrical Low Pressure Impactor），也是由芬兰Dekati公司研制的，该仪器撞击器分级方法及级数同DLPI。与重量法不同，该仪器在颗粒分级前，要先通过荷电装置使颗粒物预荷电，然后通过测定颗粒所带电荷量，再经过换算，间接得到颗粒的质量浓度。该方法的特点是快捷，可实时得到颗粒物的质量浓度数据，且可对较低浓度的烟尘进行测量，对于高浓度烟尘环境可通过增设稀释器的方式来准确测量。但ELPI测量直接值是电荷量，质量浓度数据需通过个数浓度乘上体积和密度后获得，为间接转换数据，精度稍差一些。

ELPI的工作原理如图9所示，含尘烟气首先通过单极电晕充电室进行荷电，进入撞击器每个层面的带电颗粒的电流，都可实时地通过精密电子测量计来进行测量，最后将电流信号转化为颗粒物粒径分布。

图9 ELPI原理

ELPI的快速反应可实现实时测量，特别适合分析不稳定颗粒浓度、粒径分布等变化。ELPI的现场采样系统如图10所示。

1.3 光学法

光学法是指通过测量颗粒的透射光或反射光来确定颗粒的粒径分布与浓度数据。代表的仪器有TSI : APS-3321、帕莱斯便携式颗粒物检测仪等，通过加速喷嘴，使得不同粒径颗粒获得不同的加速度，然后测量各颗粒的散射光强度，来确定颗粒的粒径分布与浓度数据。该方法也可实时得到颗粒的质量浓度数据，但同样存在精度问题。

（1）TSI : APS-3321

TSI : APS-3321型空气动力学粒度仪是由TSI公司开发的专利测试仪器，用于测定气溶胶颗粒物的空气动力学粒径，并给出气溶胶数量浓度、体积浓度、表面积浓度及质量浓度随粒径分布情况。该设备测定每一颗粒通过两束近距离的激光束飞行时间，以换算颗粒的动力学粒径。测试粒径范围：0.37～20µm（光散射直径），0.5～20µm（空气动力学直径）。

（2）帕莱斯便携式颗粒物检测仪

帕莱斯便携式颗粒物检测仪为德国进口，可同时测量TSP、PM-10、PM4、PM2.5、PM1质量和数浓度，可以从0.18～18µm范围内选择最多64个等级进行粒径分布分析，时间分辨率可在1s～24h内任意设定。

当烟气中的颗粒通过光路光敏感区时，颗粒的散射光量与其质量浓度成正比，用单位时间内的散射光累计值来表示出悬浮颗粒的相对质量浓度，通过转化系数，计算出颗粒的质量浓度数据。

图10 ELPI现场采样系统图

2 PM2.5现场测试研究

2.1 采用的测试仪器及方法

本文研究采用重量法（PM-10、DGI）、电荷法（ELPI）测试仪器开展了多个现场对比测试。为了便于对比，均采用Dekati公司生产的三种PM2.5测试仪器。

PM-10、DGI、ELPI均是采用撞击法对不同粒径颗粒物进行分级收集的仪器。PM-10撞击器分为3级，DGI分为4级，两种撞击器收集到颗粒后可通过称重法确定颗粒物的质量浓度；ELPI撞击器为13级，每级撞击器均对应一个静电计和电流放大器，可测量捕集到这一级撞击板上的颗粒物所带电荷量，并根据电荷量自动计算出该级上的颗粒物数浓度。

遵循电力行业标准《火电厂烟气中细颗粒物（PM2.5）测试技术规范 重量法》（DL/T 1520-2016）的相关规定，开展现场测试，测试系统分别如图11～图13所示，PM-10和DGI均为直接采样，ELPI配置了旋风切割器和一级高温稀释，各个设备的采样枪、旋风分离器、PM-10撞击器及DGI撞击器均加热至120℃。

图11 PM-10测试系统示意图

图12 ELPI测试系统示意图

图13 DGI测试系统示意图

2.2 测试结果

（1）重量法（PM-10、DGI）与电荷法（ELPI）测试数据比较

分别采用PM-10、ELPI测试某电厂WESP后PM2.5质量浓度数据，比较结果如图14所示， PM-10与ELPI测试的结果差别并不大，推测其差别主要是由于该两次测试工况条件略有差异。

图14 PM2.5测试结果比较

再分别采用PM-10、DGI和ELPI测试某电厂低低温电除尘器后PM2.5质量浓度，测试结果对比分别如图15、图16所示，对于PM2.5来说，测试结果同样较为接近，且重量法结果一般都会略大于电荷法。从数据对比可看出来，遵循PM2.5测试规范的相关规定进行测试，三种仪器的PM2.5测定数据重复性均较好，验证了测试方法和测试仪器的合理性。

图15 3个时段ELPI与DGI对比

图16 2个时段ELPI与PM-10对比

（2）ELPI两级稀释、一级稀释测试数据比较

分别采用ELPI的两级稀释器和一级稀释器测试了某600MW机组WFGD后的PM10数据及粒径分布，并将各测量工况的数据取了平均值，图17为这两种稀释比条件下的各级颗粒数量浓度粒径分布曲线，两种不同稀释比测得的颗粒数量浓度粒径分布规律是基本一致的，只是在较大粒径段略有些差异。

图17 颗粒数量浓度曲线

对比两种稀释比条件下的PM1、PM2.5、PM10数量浓度、质量浓度数据，如图18、图19所示，采用两级稀释器时测得的PM1、PM2.5、PM10数量浓度结果均小于采用一级稀释时；对于质量浓度而言，采用两级稀释测得的PM1、PM2.5结果小于采用一级稀释时，而PM10测量的结果却大于一级稀释，这主要是因为采用两级稀释器时第10、11级冲击器的颗粒数量浓度比较多引起的。

图18 PM1、PM2.5、PM10数量浓度柱状图

图19 PM1、PM2.5、PM10质量浓度柱状图

（3）ELPI用于 WFGD的现场测试研究

因烟气温度过高及湿度过大，湿法脱硫后烟气含湿量较高，水蒸汽易在采样管及ELPI集尘盘上凝结，对测量结果造成较大影响，为了减小液滴对颗粒物测量的影响，ELPI的测量系统中配有两级稀释系统，一级热稀释和二级常温稀释。即采用加热后的净化空气作为稀释气体对烟气进行稀释，并对采样管路采取加热保温措施，温度设定为110℃使雾滴蒸发，以此避免烟气中的水分对测量结果的影响。实验过程中，在WFGD系统进口和出口烟道分别采样两次，取两组数据的平均值进行计算。烟道内飞灰颗粒质量浓度的粒径分布，由图20可知，飞灰颗粒在PM2.5范围内呈现单峰分布，粒径峰值出现在0.1～1µm之间。然而当飞灰颗粒粒径在2.5～10µm之间时，颗粒质量浓度随粒径增大而增大，推测在粒径大于10µm处将出现另一个峰值。

图20 进出口质量浓度分布

通过对进出口飞灰颗粒质量浓度随粒径的变化，可以得到颗粒物的分级脱除效率曲线，如图21所示。各级颗粒物的脱除效率随着粒径增大总体呈现上升趋势，脱除效率从前6级（粒径小于0.3µm）的40%左右上升到后4级（粒径大于1µm）的80%左右，对飞灰颗粒的脱除效率在0.1～1µm之间出现低谷。

图21 飞灰颗粒的分级脱除效率曲线

（4）ELPI用于 WESP的现场测试研究

相对于湿法脱硫塔后的烟气来说，湿式电除尘器（WESP）的烟气特点则是不但烟尘浓度很低，且烟气湿度大，烟气中也很可能存在液态水滴但会少于湿法脱硫塔后的烟气。为了避免烟气中水滴对测试精度造成影响，同时保证烟气不至于过度稀释，本测试采用一级高温稀释器，且采样枪、旋风子等采用电加热保温，使烟气内水滴充分蒸发，测试过程中ELPI荷电器均未出现报警，各级撞击器均没有负电流现象，本次测试有效避免了烟气中水滴对测试结果的影响。测试完毕后，将ELPI各级撞击器拆卸下来，观察每级的撞击器，均无水滴或液膜。WESP进、出口的颗粒物数量浓度和质量浓度数据分别如图22～图24所示，各级撞击器的照片如图25所示。

图22 WESP进口颗粒数量浓度、质量浓度数据

图23 WESP出口颗粒数量浓度、质量浓度数据

图24 WESP进、出口颗粒数量浓度、质量浓度数据

图25 各级撞击器照片

经过计算，WESP进、出口烟道内各级颗粒的数量、质量浓度数据如图24所示，经WESP后，不同粒径颗粒的数量浓度、质量浓度均有明显的下降。其中，PM2.5数量浓度去除率为81.7%；质量浓度去除率为78.8%。

3 结果分析

（1）重量法是国内外PM2.5测试相关标准确定的标准测试方法。经实际测试，PM-10、DGI等重量法测试仪器的测试结果重复性较好，虽采样时间较长、人工称重程序较繁琐，仍应作为工程实测的标准方法推荐使用。

（2）经对比测试，ELPI测得的PM2.5数据与PM-10、DGI等重量法测试仪器测试结果很接近，且ELPI可实时读数，缩短采样时间，可获取更多分级数据，当工程实测中需同时获得粒径分布等研究数据时可采用该方法。

（3）由于进入ELPI撞击器的液滴，也将作为粉尘重量计入从而影响测试结果，在含有液滴的湿烟气中，要采用ELPI测试烟尘，进入其撞击器前液滴已得到充分蒸发是保证测试精度的关键。建议脱硫塔后的烟气测试采用二级稀释，而湿式电除尘器后烟气测试采用一级稀释。

[1] 姚宇平.大气及固定发生源烟气中PM2.5的测试方法[C].第十五届中国电除尘学术会议，2013.

[2] 刘含笑，姚宇平，郦建国，等.燃煤烟气的PM2.5现场测试技术研究[C].第十五届中国电除尘学术会议， 2013.

[3] 刘含笑，姚宇平，郦建国，等.一种集成式PM2.5采样枪：中国，201710049662.1[P]. 2017-06-09.

[4] 刘含笑，姚宇平，郦建国，等.PM2.5团聚测试技术及其研究进展[J].电力与能源，2013（4）：118-123.

[5] 刘含笑，朱少平，姚宇平，等.电荷法测试WESP进出口烟气中PM2.5的试验研究[J].中国电力，2014，47（12）：37-41.

[6] ISO 23210 : 2009 Stationary source emissions-Determination of PM10/PM2.5mass concentration in flue gas-Measurement at low concentrations by use of impactors[S].2009.

[7] ISO 13271: 2012 Stationary source emissions-Determination of PM10/PM2,5mass concentration in flue gas-Measurement at higher concentrations by use of virtual impactors[S].2012.

[8] 吕阳，徐立大，刘凡.虚拟冲击器的研究进展[J].卫生研究，2001，30（2）：125-127.

[9] 朱少平，刘含笑.WESP后PM2.5测试方法研究[J].当代环保，2013，32（14）：71-75.

[10] 朱少平，刘含笑.电子低压冲击器不同稀释比对PM2.5排放测试的影响[J].电力与能源，2014（2）：141-143.

Summarization of Flue Gas PM2.5Testing Technique in Coal-fred Power Station

LIU Han-xiao, YAO Yu-ping, LI Jian-guo, ZHU Shao-ping, FANG Xiao-wei, GUO Ying
(Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co., Ltd, Zhejiang Zhuji 311800, China)

This paper mainly introduces the standards and testing methods of stationary source PM2.5at home and abroad and carries out the actual test on site and makes contrast and analysis on the test result, aiming at exploration and formation of a scientifc and reasonable testing technique and method that are suitable to the engineering actual test of PM2.5.

coal-fred power plant; PM2.5; test method of stationary source

X701

A

1006-5377（2017）08-0045-07

国家高技术研究发展计划（2013AA065002）；国家重点研发计划（2016YFC0203704）；国家重点研发计划（2016YFC0209107）；浙江省科技计划项目（2013C11G6080001）