燃煤电厂低浓度颗粒物的测试方法研究

易玉萍，朱法华，段玖祥，赵 洋，李小龙

(国电环境保护研究院，江苏 南京 210023)

0 引言

我国是能源消耗大国，而且在消费结构上，煤炭占的比重比较高，清洁能源的比重比较低。按《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)要求，重点地区要求烟尘排放限值为20mg/m3，2014年又出台了燃煤机组超低排放政策，烟尘排放浓度小于10mg/m3，有的地区甚至达到了燃机排放标准，烟尘排放浓度小于5mg/m3，为达到颗粒物排放限值要求，火电厂对除尘设备进行了不同技术路线的改造，低低温电除尘器、湿式电除尘器、SPC-3D除尘脱硫一体化技术等，对于高湿度、低温度、低浓度颗粒物的测试提出了更加严格的要求。

1 国内火电厂现行颗粒物测试方法及弊端

火电厂的总颗粒物可分为一次颗粒物和二次颗粒物。一次颗粒物包括可过滤颗粒物和可逃逸颗粒物，而可过滤颗粒物又包括烟尘、可吸入颗粒物和细颗粒物，可逃逸颗粒物包括可凝结颗粒物和可溶解性颗粒物；二次颗粒物是以气态形式如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颗粒物。目前的测试方法只对一次颗粒物进行测试。我国火电厂总颗粒物和细颗粒物(PM2.5)的主要测试方法见表1。

目前国内火电厂烟气中颗粒物的测定主要依据《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T16157-1996 )[1]。由于颗粒物的惯性，需要进行等速采样，采样嘴的流速应与烟气流速一致，玻璃纤维滤筒放置在采样枪不锈钢托内。由于该标准制定较早，当时的烟尘排放浓度限值较高，且均为干烟气，对于采集湿烟气玻璃纤维滤筒容易被沾污、破损，该方法已不适用于低浓度、高湿度的颗粒物的测试要求。图1为玻璃纤维滤筒采集干烟气和湿烟气的比较。

表1 国内烟气中颗粒物测试标准比较

标准固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法(GB/T16157-1996)电除尘器性能测试方法(GB/T13931-2017)锅炉颗粒物测试方法(GB/T5468-1991)山东省固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法(DB37/T2537-2014)火电厂烟气中细颗粒物(PM2.5)测试技术规范重量法(DL/T1520-2016)适用范围各种锅炉、工业炉窑、及其他固定污染源电除尘器的性能测试,湿式电除尘器、电袋复合除尘器可参考锅炉出口烟尘<50mg/m3检出限为1mg/m3火电厂烟气中细颗粒物(PM2.5)检出限为0.150mg/m3采样要求等速采样(采样嘴的吸气速度与测点处气流速度相等,其相对误差应在10%以内)。全压测孔正对着气流方向,其偏差不得超过10°采用等速采样、正对着气流方向。采样嘴中心线与烟气流之间的夹角应小于5°,采样时间视颗粒物浓度定等速采样、采样嘴轴线与气流流线的夹角不得大于5°,每个测点连续采样时间不得少于3min,总采气量不得少于1m3采样嘴平面正对排气气流,每个样品采样时间不小于30min(对于颗粒物浓度小于20mg/m3的烟气,采样体积不小于1m3)有代表性的采样点进行恒定的流速采样,采样时长应确保滤膜上的颗粒物负载量大于0.1mg滤筒玻璃纤维滤筒(对于0.5μm粒子捕集效率≥99.9%)、刚玉滤筒(对0.5μm的粒子捕集效率≥99%)玻璃纤维滤筒、刚玉滤筒,滤筒捕集效率≥99.9%没有作出规定用滤膜取代滤筒、聚四氟乙烯,不含有机粘合剂的玻璃纤维、石英纤维收集膜:铝箔聚碳酸酯箔;滤膜:玻璃纤维滤膜、石英滤膜等无机滤膜或聚氯乙烯、聚丙烯、混合纤维素等有机滤膜天平0.1mg0.01mg没有作出规定0.1mg或0.01mg0.01mg恒重要求两次重量之差应不超过±0.5mg两次重量之差应不超过±0.3mg没有作出规定两次重量之差应不超过±0.5mg两次重量之差应不超过±0.04mg背景烟尘排放限值为200mg/m3烟尘排放限值为30mg/m3或20mg/m3烟尘排放限值为600mg/m3烟尘排放限值为30mg/m3或20mg/m3目前国内对细颗粒物的排放没有限值要求

图1 玻璃纤维滤筒采集干烟气和湿烟气的比较

原《电除尘器 性能测试方法》(GB/T13931-2003)[2]标准已修订成2017标准，新标准增加了对过滤装置、滤筒准备及采样的要求，对于电除尘器后的低浓度干烟气可引用该标准进行监测，但该标准不适合火电厂烟气脱硫出口、湿式电除尘器进出口和烟囱排放口的湿烟气颗粒物的监测。锅炉颗粒物测试方法(GB/T5468-1991)[3]因制定较早，已不适用于现行的低浓度颗粒物测试。山东省2014年发布了《固定污染源废气低浓度颗粒物的测定 重量法》(DB37/T2537-2014)[4]的地方标准，对于低浓度颗粒物的测试可参照该标准进行。对于固定污染源废气中细颗粒物(PM2.5)的测试没有国家标准，2016年火电行业出台了行业标准《火电厂烟气中细颗粒物(PM2.5)测试技术规范 重量法》(DL/T1520-2016)[5]，该标准明确了火电厂烟气中细颗粒物(PM2.5)的测试技术规范和要求，对于监测火电厂烟气中的细颗粒物可引用该标准方法进行测试[6-7]。

2 国外低浓度颗粒物测试方法

美国环保署和国际标准化组织对固定污染源中低浓度总颗粒物和细颗粒物的测试都已有一系列标准，如表2所示。

表2 国外低浓度总颗粒物和细颗粒物的测试标准比较

标准ISO12141-2002Stationarysourceemissions-Deter-minationofmassconcentrationofparticulatematter(dust)atlowcon-centrations-Man-ualgravimetricmethod[手工重量分析法监测固定污染源排放的低浓度的颗粒物(烟尘)的质量浓度]ANSI/ASTMD6331-2014Testmethodfordeterminationofmassconcentrationofparticulatematterfromstationarysourcesatlowcon-centrations(Manualgravimetricmethod)[手工重量分析法-测定固定污染源排放的低浓度颗粒物的浓度的试验方法]ISO9096-2003 Stationarysourceemissions-Manualdeter-minationofmassconcentrationofparticulatematter[手工测定固定污染源排放的颗粒物的质量浓度]EPAMethod201ADeterminationofPM10andPM2.5e-missionsfromSta-tionarysource(constantsamplingrateprocedure)[固定污染源排放PM10和PM2.5的测定-恒流采样法]ISO23210-2009 Stationarysourcee-missions-Determi-nationofPM10/PM2.5massconcen-trationinfluegas-Measurementatlowconcentrationsbyuseofimpactors[固定污染源排放烟气中PM10/PM2.5质量浓度测定-低颗粒物浓度下的撞击法测定]EPAMethod202-Impingermeth-odfordeterminingcondensablepar-ticulateemissionsfromStationarysource[利用干式撞击法测定固定污染源排放的可凝结颗粒物]适用范围颗粒物浓度<50mg/m3;当采样浓度低于5mg/m3时,建议采用大的采样嘴,或者延长采样时间颗粒物浓度<50mg/m3;当采样浓度低于5mg/m3时,建议采用大的采样嘴,或者延长采样时间颗粒物浓度20～1000mg/m3可监测可过滤颗粒物,包括固态(液态)可过滤PM2.5、可过滤PM10、及可过滤总颗粒物,不能测定可凝结颗粒物,即无法监测总一次颗粒物固定污染源中PM10、PM2.5可凝结颗粒物(PM2.5),包括有机和无机的可凝结颗粒物。可凝结颗粒物检出限为4mg,有机可凝结颗粒物检出限为0.5mg,无机可凝结颗粒物检出限为3.5mg采样要求等速采样,采样嘴迎气流方向夹角小于±10°等速采样,采样嘴迎气流方向夹角小于±10°(采样时间不低于30min)等速采样,采样嘴迎气流方向夹角小于±10°恒定流速采样,采样点数最大为12个有代表性的采样点恒流采样,采样嘴中心线与气流方向角小于±10°滤膜滤膜对0.3μm的粒子捕集效率≥99.5%。石英纤维滤膜、PTFE滤膜较好滤膜对0.3μm的粒子捕集效率≥99%。多孔氧化铝滤膜或玻璃纤维滤膜滤膜对0.3μm的粒子捕集效率≥99%。石英纤维滤膜、PTFE滤膜较好。在高湿状态下不建议用玻璃纤维滤筒,因会与SO3反应,导致滤筒增重惰性玻璃纤维、石英,或者不含有机粘合剂的高聚物过滤膜惰性玻璃纤维、石英,或者不含有机粘合剂的高聚物过滤膜。滤膜对0.3μm的粒子捕集效率≥99.5%,或平均粒径0.6μm时捕集效率≥99.9%惰性玻璃纤维、石英,或者不含有机粘合剂的高聚物过滤膜天平0.01mg或0.1mg0.1mg0.01mg或0.1mg0.1mg0.01mg0.1mg恒重无要求,回收采样设备上过滤器上游管道中的沉积尘并称重。称重需在3min内完成,每分钟读一个数,读三次无要求,回收采样设备上过滤器上游管道中的沉积尘并称重。称重需在3min内完成,每分钟读一个数,读三次回收采样设备上过滤器上游管道中的沉积尘并称重。称重时滤筒快速拿出,在1min内称完,首次读数后,每隔5s再读两次数两次重量之差应不超过±0.5mg或者1%,以较大值为准,称重之间的干燥时间不低于6h无要求,称重需在3min内完成,每分钟读一个数,读三次两次重量之差应不超过±0.5mg或者1%,以较大值为准,称重之间的干燥时间不低于6h

ISO12141-2002[8]和ANSI/ASTMD6331-2014[9]，都是监测总颗粒物浓度小于50mg/m3以下的烟气，均为等速采样，并且要回收采样设备上过滤器上游管道中的沉积尘。对于中国火电厂低浓度颗粒物的测试可参考标准ISO9096-2003[10]，监测范围在20～1000mg/m3之间，小于20 mg/m3的烟气不适合于该方法，所以不适合中国火电厂低浓度颗粒物的测试。

EPA Method 201A[11]是监测固定污染源中可过滤的PM10和PM2.5，其采用旋风分级法原理：是使气流做旋转运行产生离心力对不同粒径的颗粒物进行分级的方法，大粒径的颗粒物所受离心力大，脱离气流沉积在分级器壁表面上，而小颗粒物所受离心力小跟随气流流出分级器，进入到下一级分级器中。首先烟气经过Ⅰ级大颗粒分割器，分离粒径大于10μm的颗粒物，再经由Ⅱ级颗粒分割器去除粒径2.5～10μm的颗粒物，最后由滤膜来收集PM2.5细颗粒物，通过监测收集到的PM2.5细颗粒物质量，计算得到PM2.5一次固态(液态)细颗粒物浓度。

EPA Method 202[12]是监测固定污染源中可凝结细颗粒物，与EPA Method 201A相结合，可监测可凝结细颗粒物。当一次固态(液态)细颗粒物通过EPA Method 201A的方法被滤膜收集后(温度大于30℃)，烟气经过低于30℃的冷凝器，可冷凝颗粒物被干燥的撞击器和滤膜所捕集，通过干燥和称重撞击器和滤膜得到一次冷凝颗粒物的重量。收集后需要用丙酮清洗整个旋风分级器，然后蒸干冲洗液丙酮并进行恒重，其整个过程繁琐且不易控制其分析误差，不利于现场的操作，对于监测烟气中低浓度的PM2.5其可操作性差，不太适合燃煤电厂现场监测。

ISO23210-2009[13]可监测固定污染源中PM10和PM2.5，是基于采用圆形喷嘴撞击器的撞击作用，被测气体通过一个喷嘴得到加速并偏转90°，空气动力学当量直径较大的颗粒物，由于其质量惯性无法跟随气流运动，进而撞击收集膜并被捕集，较小的颗粒物随气流继续前进，进入下一级撞击收集膜。

3 现行低浓度颗粒物和细颗粒物测试方法建议

由于颗粒物的惯性力，颗粒物的测试应采用网格等速采样，即采样嘴的流速应与烟气流速一致，国内外测试标准的采样原理均相同，不同之处是采样设备、滤筒(膜)材质和天平感量的不同。对我国火电厂低浓度颗粒物的测试建议通过对采样设备、滤筒、分析天平、采样人员、采样过程的质量控制来保证监测数据的可靠性、准确性[14-17]。

(1)传统的滤筒与采样头、采样嘴分开，实际采样中只称量滤筒的重量，对高尘烟气而言，此误差可以忽略不计，而对低尘烟气，如不计采样头、采样嘴上附着的颗粒物将引起较大的监测误差。高湿、低尘、低温烟气采用一体化采样头(见图2)，采样头用不锈钢材质不会破损，附着在采样嘴和弯头上的颗粒物一起被整体称量，减少了误差提高了采样精度。用滤膜网来支撑滤膜，保证了滤膜长时间采样不破裂，能够采到1m3以上的烟气。一体化采样头使用完后，应用超声波仪器清洗干净后再烘干待用。

图2 一体化采样头

(2)采用进口材质的滤膜(PTFE聚四氟乙烯滤膜、石英纤维滤膜)，滤膜对颗粒截留率(0.3μm) >99.995%，滤膜能够抗酸碱，并能渗透烟气中的气态、液态水，不会打湿滤膜也不会影响试验数据。

(3)采用感量为0.01mg天平，因感量为0.1mg天平难以达到称量要求，采样时应确保一体化采样头的增重大于2mg，称量时保证样品恒重，前后两次称重变化不超过0.3mg。

(4)采样技术人员的规范操作也是监测数据准确可靠的保证，采样完成后应用专用袋装好采样头，并保证采样嘴朝上，采样前、后采样头应在同一台天平进行称量，以减少系统误差。

(5)对于细颗粒物(PM2.5)的测试，从测试原理上看，重量法都是最直接、最可靠的方法，也与总颗粒物的测试方法原理一致，对于火电厂的PM2.5质量浓度排放量的监测使用重量法进行，以保证数据的可靠性和准确性。2016年电力行业出台了行业标准《火电厂烟气中细颗粒物(PM2.5)测试技术规范 重量法》(DL/T1520-2016)，该标准与ISO23210-2009相一致，都是基于采用圆形喷嘴撞击器的撞击作用(见图3)。烟气中不同粒径范围的颗粒物被收集在已知质量的收集膜和滤膜上，根据采样前、后收集膜和滤膜的质量差和采样体积，计算出细颗粒物(PM2.5)的质量浓度。

图3 PM2.5测试方法原理示意

图4 撞击法烟气采样系统流程

采样时烟气首先通过采样枪进入旋风分离器(见图4)，大于10μm的颗粒物由旋风分离器进行分离，小于10μm的颗粒物进入撞击器进行分级捕集。采样时应保证采样嘴处等速率的计算值在90%到130%之间，降低因颗粒物的惯性运动而导致采样偏差。在采集湿烟气时，由于烟气中水分较大，为防止烟气冷凝，采样枪、旋风分离器和撞击器必需进行加热保温，温度控制在130℃±10℃之间，并且保证采样枪、旋风分离器和撞击器是相同材质，如钛或不锈钢等。采样时保证滤膜上的颗粒物负载量大于0.1mg，收集膜和滤膜恒重时应保证连续两次烘干后的质量，其差值不超过±0.04mg。

4 结语

目前，火电厂烟气颗粒物超低排放已在全国燃煤电厂全面实施，准确监测总颗粒物和细颗粒物的排放浓度尤为重要，现行的标准《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T16157-1996)已经不适合于火电厂低浓度湿烟气中颗粒物的测试要求。

(1)对于火电厂颗粒物的监测建议使用一体化采样设备，通过对采样滤膜、设备、分析天平、采样过程的控制来保证监测数据的可靠性和准确性。

(2)按照《火电厂烟气中细颗粒物(PM2.5)测试技术规范 重量法》(DL/T1520-2016)来监测火电厂细颗粒物，能保证监测结果的可比性和准确性。

[1]GB/T16157-1996,固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法[S].

[2]GB/T13931-2017,电除尘器性能实验方法)[S].

[3]GB/T5468-1991,锅炉颗粒物测试方法)[S].

[4]DB37/T2537-2014,山东省固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法[S].

[5]DL/T1520-2016,火电厂烟气中细颗粒物(PM2.5)测试技术规范重量法[S].

[6]易玉萍,段玖祥,周道斌,等.重量法测定燃煤电厂烟气中细颗粒物[J].电力科技与环保,2015, 31(5):57-59.

[7]易玉萍,李小龙,朱法华,等.撞击分离法测定燃煤电厂烟气PM2.5的试验研究[J].环境工程,2017,35(增刊):127-130.

[8]ISO12141-2002,Stationary source emissions-Determination of mass concentration of particulate matter (dust) at low concentrations-Manual gravimetric method[S].

[9]ANSI/ASTMD6331-2014,Test method for determination of mass concentration of particulate matter from stationary sources at low concentrations (Manual gravimetric method) [S].

[10]ISO9096-2003,Stationary source emissions-Manual determination of mass concentration of particulate matter[S].

[11]EPA Method 201A Determination of PM10and PM2.5emissions from Stationary source (constant sampling rate procedure[S].

[12]EPA Method 202-Impinger method for determining condensable particulate emissions from Stationary source[S].

[13]ISO23210-2009,Stationary source emissions-Determination of PM10/PM2.5mass concentration in flue gas-Measurement at low concentrations by use of impactors[S].

[14]孟令媛,朱法华,易玉萍.燃煤电厂超低排放颗粒物测试方法研究[J].中国电力,2016,49(10):123-126.

[15]刘含笑,姚宇平,郦建国. 燃煤电厂低浓度颗粒物测试的空白实验研究[J].中国电力,2017, 50(7):115-120.

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