燃煤电厂PM2.5测试方法研究

刘含笑，姚宇平，郦建国，方小伟，郦冰峰，杨　倩

(浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨　311800)

日益严峻的大气污染形势，国家及地方政策、标准的趋严等，都促进我国燃煤电厂烟尘治理技术的迅猛发展，尤其是超低排放全面实施以来，各地项目陆续验收，超低排放技术已进入全面总结阶段，这也给相应的测试技术带来了巨大挑战，探索并发展一种适用于我国燃煤电厂实际工程条件的科学合理的PM2.5测试方法。

本文基于国家863计划课题(2013AA065002)等原有研究基础[1-10]，分析国内外PM2.5的标准测试方法、测试仪器，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　固定源PM2.5测试标准

国外固定源PM2.5测试标准主要有ISO 23210、ISO 13271、ISO 25597、EPA CTM 093、EPA Method 201A、ASTM WK8124、JIS K 0302等，如表1所示。首先通过颗粒分级装置将不同空气动力学粒径的颗粒进行分级收集，然后经称重换算得到烟气中PM2.5质量浓度数据。按颗粒分级方式不同，可分为撞击器、虚拟撞击器和旋风切割器三种。其中，ISO 23210、JIS K 0302规定的是采用撞击器；ISO 13271规定的是采用虚拟撞击器；ISO 25597、EPA CTM 093、EPA Method 201A、ASTM WK8124规定的是采用旋风切割器，其中，ISO 25597、EPA CTM 093、ASTM WK8124还规定了采用稀释系统进行稀释冷凝来收集可凝结颗粒物。国内2016年1月7日发布《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)，采用撞击器进行颗粒分级。

1.1　撞击器法

ISO 23210、JIS K 0302规定的是采用撞击器，其中ISO 23210要求测试环境颗粒物浓度应不超过40 mg/m3，当超过该浓度时，会导致撞击器内集尘板和滤膜超负荷并影响取样数据，并且也不适用于大部分为大颗粒(≥10 μm)的工况。

ISO 23210规定的是两级撞击器加一级滤膜，分别用来收集空气动力学直径大于10 μm、2.5～10 μm和小于2.5 μm的飞灰颗粒，测试系统如图1所示。取样过程中，应保证等速率保持在计算值的90%～130%。建议采样嘴与撞击器之间不通过弯头，而是直接连接，以避免采样过程中颗粒物的弯头损失。撞击器在烟道内加热至与烟气同温后开始采样，如果撞击器放置在烟道外侧，则需配备电加热装置，防止烟气冷凝，需对撞击器进行精准的温度监控，以保证各级撞击器切割合适的粒径范围。

表1　国内外固定源PM2.5测试标准

图1　ISO 23210建议的PM2.5采样系统

撞击器是利用惯性作用对不同空气动力学直径的颗粒进行分离收集，如图2所示。颗粒物通过撞击器的喷嘴加速后进行90°的偏转，空气动力学直径大的颗粒惯性大，来不及偏转便撞击到集尘板上被收集下来，而空气动力学直径小的颗粒惯性相对较小，会随气流进入下一级撞击器。为防止颗粒在撞击器内壁黏附，需保证内壁足够的光滑度，并在集尘板表面涂一层油脂(如阿皮松脂等)，防止收集后的颗粒再次被气流冲走。

图2　撞击器原理图(ISO 23210)

撞击器并不能对颗粒进行100%完全分离，标准也允许有一定偏差，切割粒径d50时撞击器的分离效率A如图3所示，曲线1表示理想值，曲线2表示实际值。根据ISO 7708:1995要求，对于润滑集尘板的单分散颗粒分离效率，1.0 ～2.5 μm的允许偏差为±10%，10.0～2.5 μm的允许偏差为±15%。

图3　撞击器的分离效率(ISO 23210)

采样嘴孔径的变化应该是渐变的，锥角角度应小于30°，其他尺寸及夹角要求如图4所示。ISO 13271等也给出了同样的要求。

图4　采样嘴(ISO 23210)

JIS K 0302规定的是八级撞击器加一级滤膜，八级撞击器的50%切割粒径d50分别为14 μm、8.6 μm、5.6 μm、4.0 μm、2.5 μm、1.3 μm、0.8 μm、0.54 μm，滤膜用来收集小于0.54 μm的颗粒。DL/T 1520规定撞击器应为两级或两级以上，将颗粒分为大于10 μm、2.5～10 μm和小于2.5 μm三段。

1.2　虚拟撞击器法

ISO 13271规定的是采用虚拟撞击器法，适用于较高烟尘浓度工况(≤200 mg/m3)，也适用于高温(≤250℃)、高湿(水蒸气含量≤100 g/m3)工况。ISO 13271规定的是两级虚拟撞击器，分别用来收集空气动力学直径大于10 μm、2.5～10 μm和小于2.5 μm的飞灰颗粒，测试系统如图5所示。建议采用虚拟撞击器布置在烟道内的采样方法，并尽量避免安装鹅颈管等弯头。当虚拟撞击器放置在烟道外侧，则需配备温控装置，保证各级虚拟撞击器切割合适的粒径范围。

图5　ISO 13271建议的PM2.5采样系统

虚拟撞击器采用空腔代替撞击器的收尘板，如图6所示，有效避免了因颗粒破碎、反弹、气流冲刷等对采样结果的影响。但该方法同样不能对颗粒进行100%完全分离，分离效率曲线如图7所示，并且由于每级撞击器收集大颗粒的同时，势必也会有部分小颗粒随气流进入空腔而被收集下来。从图7中可以看出，分离效率曲线的小粒径段很难达到零，此段成为“小颗粒污染”。

图6　虚拟撞击器原理(ISO 13271)

图7　虚拟撞击器的分离效率

1.3　旋风切割器法

ISO 25597、EPA CTM 093、EPA Method 201A、ASTM WK8124规定的是采用旋风切割器，以ISO 25597为例，该标准推荐了两套PM2.5采样系统，分别如图8、图9所示。两级旋风切割器分别用来分离大于10 μm和2.5～10 μm的颗粒，滤膜用来收集小于2.5 μm的颗粒。图9所示采样系统用稀释系统将挥发和半挥发成分进行稀释冷凝，形成颗粒物后，再经过一级PM2.5旋风切割器和滤膜来收集。

旋风切割器通过旋转气流产生离心力将不同惯性颗粒进行分级收集，大粒径颗粒惯性大，所受离心力也大，会被收集到壁面后落入灰斗，小粒径颗粒则会随气流进入下一级旋风切割器，PM10旋风切割器和PM2.5旋风切割器原理如图10所示。

图8　ISO 25597建议的PM2.5采样系统(无稀释)

仪器名称采样方法数据读取方法级数及测量范围优点缺点WY⁃1型冲击式尘粒分级仪撞击器法直接称重7级，0．38～34．9μmWY⁃2型冲击式尘粒分级仪撞击器法直接称重9级，0．38～34．9μmDEKATIPM-10撞击器法直接称重3级，PM10、PM2．5、PM1DEKATIDGI撞击器法直接称重4级，PM2．5、PM1、PM0．5、PM0．2DEKATIDLPI撞击器法直接称重13级，0．03～10μmAndersen撞击器法直接称重8级，0．03～10μm称重结果较为直观可靠，可以作为验证其它方法是否准确的标杆。仪器灵敏度高，可瞬时读数。DEKATIELPI撞击器法电流信号换算13级，0．03～10μm人工称重程序比较繁琐费时。设备购置费高；现场携带不方便；数据系经换算得到，精度稍差。

图9　ISO 25597建议的PM2.5采样系统(有稀释)

图10　旋风切割器原理

2　PM2.5测试仪器

目前市面上用于PM2.5测试的仪器主要是撞击器法，有WY型冲击式尘粒分级仪、DEKATI PM-10、DEKATI DGI、DEKATI DLPI、Andersen、DEKATI ELPI等，如表2所示。另外，蒋靖坤等研制了适合我国固定源PM2.5采样的双极虚拟撞击器，并用该设备对各类固定源进行了现场实测[11]；商业用旋风切割器PM2.5采样器最大直径超过100 mm(PM10旋风切割器150 mm、PM2.5旋风切割器100 mm)，而国内采样孔内径多为80 mm，因此旋风切割器法测试设备应用较少[12]。

3　PM2.5现场实测

本文重点采用撞击法测试仪器进行现场实测研究，采用Dekati公司生产的三种PM2.5测试仪器：DEKATI PM-10、DEKATI DGI、DEKATI ELPI。参照《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，测试系统分别如图11～图13所示。DEKATI PM-10、DEKATI DGI 为采样后直接称重，可直接采样，当采集电除尘器入口时，可布置PM10旋风切割器；ELPI采样时需配置旋风切割器+稀释器(1级或2级)。

图11　DEKATI PM-10测试系统示意图

图12　DEKATI ELPI测试系统示意图

图13　DEKATI DGI测试系统示意图

分别采用DEKATI PM-10、DEKATI DGI、DEKATI ELPI对不同项目开展对比测试，将ELPI与DGI、PM-10测试结果对比如图14所示，测试结果较为接近，并且重复性均较好，验证了撞击器法的合理性，并且不论直接称重还是通过电流信号换算，均能得到理想的数据。

图14　测试结果对比

图15　电除尘器进出口测试结果

鉴于ELPI可获取0.03～10.00 μm段的粒径分布数据，利用ELPI分别对电除尘器进出口、WESP进口进行测试，测试结果如图15、图16所示。其中，电除尘器进、出口采用置旋风切割器+2级稀释器(一级高温稀释一级常温稀释)，WESP入口(WFGD出口)烟气含水量较高，因此也采用旋风切割器+2级稀释器(一级高温稀释一级常温稀释)，WESP出口采用旋风切割器+1高温稀释器，均取得理想的测试结果。

4　结语

(1)撞击器法(直接称重)是国内外PM2.5测试相关标准确定的标准测试方法，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)撞击器法中直接称重和电流信号换算测试结果很接近，且ELPI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推荐采用ELPI。当采用ELPI测定电除尘器进出口及湿法脱硫出口时，建议采用“旋风切割器+2级稀释器(一级高温稀释一级常温稀释)”；当测定WESP出口时，建议采用“旋风切割器+1高温稀释器”。

图16　WESP进出口测试结果

参考文献：

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