尿素造粒塔粉尘浓度监测方法的探索

朱正红，孙 丹，朱正祥，常万银，白 雪，王廷英

（中国石油宁夏石化公司质检中心，宁夏银川 750026）

随着全球保护环境攻坚战的全面展开，对治污减排工作提出了新的、更高的要求，特别是针对雾霾的治理，对空气中PM2.5的控制更加严格，从而引发环境监管部门加大了生产企业外排气中颗粒物含量的监测。因此，尿素造粒塔外排气中粉尘浓度的监测正式纳入了环境监管部门的工作范畴。

目前，我国关于固定污染源排气中颗粒物测定方法有国家标准《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T 16157-1996）[1]、国家标准《锅炉烟尘测试方法》（GB 5468-1991）[2]、国家环境保护标准《固定污染源废气 低浓度颗粒物的测定（重量法）》（HJ 836-2017）[5]等，均适用于经过高温的颗粒物、烟尘、粉尘的测定，采用在105℃烘箱内烘烤一段时间来干燥收集的试样。我国关于公共场所、环境中颗粒物测定方法有国家标准《环境空气总悬浮颗粒物的测定》（GB/T 15432-1995）[3]、国家职业卫生标准《工作场所空气中粉尘测定第1部分：总粉尘浓度》（GBZ/T 192.1-2007）[4]、国家环境保护标准《环境空气颗粒物（PM2.5）手工监测方法（重量法）技术规范》（HJ 656-2013）[6]等，均适用于环境空气中总悬浮颗粒物的测定，采用在恒温恒湿箱内平衡一段时间来干燥试样。

然而，尿素造粒塔外排气中的粉尘实际是湿润的、粒径较小的粉末状尿素，其物理、化学特性均有别于上述标准中所适用的颗粒物，上述标准中收集、干燥试样的方法是否适用于尿素造粒塔外排气中粉尘收集与干燥有待考证，是否有更适用于尿素造粒塔外排气中粉尘收集与干燥的方法有待探索。

因此，必须探寻适用于尿素造粒塔外排气中粉尘收集和干燥的方法，编制成完整的尿素造粒塔外排气中粉尘监测标准，为环保监测提供一种操作性较强的监测方法。

1 尿素造粒塔粉尘浓度测定的分析原理

首先应用等速采样原理收集尿素造粒塔粉尘试样，然后在一定条件下干燥试样，最后根据试样的质量和收集试样共采集气体的体积，计算出尿素造粒塔粉尘的浓度。

2 尿素造粒塔外排气中粉尘的收集

尿素造粒塔内气体通过塔顶固定排气通道外排，其现状类同国家标准《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T 16157-1996）、《锅炉烟尘测试方法》（GB 5468-1991）中烟气烟尘监测的现状。因此，可以引用这两份国家标准来制定尿素造粒塔外排气中粉尘收集方案。

2.1 采样工况

应在尿素装置生产正常、粉尘回收系统运行正常时采样。

2.2 采样位置

采样位置应优先选择在垂直管段，应避开排气通道弯头、断面急剧变化的部位。

采样位置应避开喷淋系统，必须位于喷淋洗涤头上方1 m以上。

采样位置应避开对测试人员操作有危险的场所。

2.3 采样点

采样点应均匀分布在同一外排气通道截面，且尽可能靠近排气通道中心部位，各方位至少有一个采样点。

2.4 采样设备

应用自动烟尘（气）测试仪（含配套多功能采样管）等速采样原理，将尿素造粒塔外排气中粉尘收集于玻璃纤维滤筒。

3 尿素造粒塔外排气中粉尘的干燥

3.1 干燥方法的选择

要从众多的检验方法中选择一种符合试样检验的方法，首先要了解相关检验方法的特点及其适用范围，其次要清楚试样的物理、化学特性，最后还可以通过相似试样类比分析，最终确定检验方法[10-12]。

3.1.1 固体物品干燥方法对比分析 收集、整理固体物品干燥方法及其特点（见表1）。

3.1.2 尿素造粒塔外排气中粉尘的理化特性 湿润的尿素具有一定的热不稳定性，受热时，在一定条件下会发生水解、缩合、分解等化学反应。

汇总潮湿尿素的化学热稳定性信息，在80℃以上温度下可能会发生以下化学反应：

3.1.3 含有尿素的产品的干燥方法 以尿素作为生产原料的复混肥料、掺混肥料，水分测定的依据是国家标准《复混肥料中游离水含量的测定-真空烘箱法》（GB/T 8576－2010），采用的是真空烘箱烘干干燥法，在温度（50±2）℃、真空度（6.4×104～7.1×104）Pa 的电热恒温真空干燥箱中干燥2 h。

3.1.4 筛选合适的干燥方法 综合考虑干燥方法的特点、尿素的理化特性，结合含有尿素的产品的干燥方法，在满足既能保证尿素造粒塔粉尘试样快速达到干燥效果，又不会破坏尿素造粒塔粉尘试样的大前提下，适用的干燥方法有两种：

方法一：干燥器干燥法，即将尿素造成粒塔粉尘试样置于盛装干燥剂的干燥器内，待水分自然挥发并被硅胶完全吸收，达到干燥目的。

方法二：低温真空烘箱干燥法，即在温度（50±2）℃、真空度（6.4×104～7.1×104）Pa 条件下，干燥尿素造粒塔粉尘试样。

3.1.5 恒重误差的确定 恒重，是质量分析法中的一项基本操作。指的是物质经一定条件下干燥、烘干或灼烧，冷却至室温后称量，然后再在同等条件下继续干燥、烘干或灼烧，冷却至室温后称量，两次称量所得质量之差不得超过一定的允许误差。

不同应用领域，恒重误差范围略有不同。常规质量分析中，恒重误差小于0.2 mg；中国药典规定，恒重误差小于0.3 mg；《火电厂排水水质分析方法》（DL/T 938-2005）规定，恒重误差不超过0.3 mg；《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）规定，恒重误差不超过0.5 mg。

尿素造成粒塔粉尘可以归属于固定污染源排气中颗粒物，依国家标准GB/T 16157-1996的要求，确定尿素造成粒塔粉尘恒重误差不超过0.5 mg。

3.2 验证干燥器干燥法的可行性

3.2.1 原理 带有试样的滤筒静置在密闭的干燥器内，游离水自然挥发并被干燥器内的变色硅胶吸收，从而实现干燥试样的目的。

3.2.2 实验试剂与仪器 变色硅胶；干燥器：φ25 cm；电子天平：精确至0.2 mg。

表1 固体物品干燥方法及其特点

3.2.3 实验部分 干燥器内铺设上预先于（105±5）℃干燥2 h的变色硅胶，再将带有试样的滤筒放入干燥器内，每天称重试样，记录数据（精确至0.2 mg），直至满足恒重要求。实验数据统计（见表2）。

表2实验数据显示，造粒塔粉尘试样静置于干燥器内，经过一段时间后，减重达到恒重要求。因此，干燥器干燥法可以应用于尿素造粒塔粉尘试样的干燥。

但从表2实验数据还可以看出，不同编号带有试样的滤筒达到恒重误差要求的时间略有不同，用时最短为2 d，用时最长为7 d。在大量实验中发现，达到恒重误差要求的时间与试样和滤筒携带水量、环境温度、使用的变色硅胶是否预先干燥等因素有关，无法准确限定某样品干燥达到恒重要求的具体时间。

3.3 验证低温真空烘箱干燥法的可行性

3.3.1 原理 带有试样的滤筒置于真空烘箱内，控制真空烘箱的温度和真空度，经过一段时间烘干，从而实现干燥试样的目的。

3.3.2 实验试剂与仪器 电子天平：精确至0.2 mg；电热恒温真空干燥箱：温度可控制在（50±2）℃，真空度可控制在（6.4×104～7.1×104）Pa。

3.3.3 实验部分

3.3.3.1 开展实验 将带有试样的滤筒放入真空烘箱内，控制真空烘箱的温度为（50±2）℃、真空度为（6.4×104～7.1×104）Pa，在该条件下干燥试样 2 h 后取出滤筒，在干燥器内冷却至室温，称重。然后将带有试样的滤筒在同等条件下干燥1 h，取出，在干燥器内冷却至室温后称重。记录每次烘干前后减重，统计（见表3）。

表3数据表明，试样在温度（50±2）℃、真空度（6.4×104～7.1×104）Pa条件下干燥 2 h，再次干燥减重不大于0.5 mg，满足了恒重要求，达到了设定的目标值。

但是，将上述实验试样在干燥器内存放24 h后再称重，发现试样仍有减重，且减重值超过了0.5 mg，统计（见表4）。

表4实验数据显示，试样在干燥器内仍有减重。试样常温、常压状态下静置于干燥器内，尿素不会发生任何化学反应，而试样减重明显只能是试样中的水分挥发。为了验证这一推论，将该试样再次置于真空烘箱内继续干燥，每隔1 h称重一次，减重数据统计（见表5）。

表5实验数据显示，持续干燥过程中，虽说相邻两次称重差值均不超过0.5 mg，但试样始终保持减重趋势。说明，试样经过3 h的真空干燥，其包含的水分仍未完全烘干。也就是说，执行GB 8576中干燥条件，在那个时间段内只有很少量的水分挥发出来，导致相邻两次称重的差值不超过0.5 mg，这个所谓的不超过恒重误差只是一种假象。

因此，必须解决究竟多长时间能够完全干燥试样的问题。

表2 干燥器干燥法称重记录

表3 低温真空烘箱干燥法称重记录

表4 先真空烘箱干燥后干燥器存放称重记录

表5 试样在真空烘箱持续干燥减重数据统计

3.3.3.2 确定低温真空烘箱干燥法的干燥时间 将带有试样的滤筒放入真空烘箱内，控制真空烘箱的温度为（50±2）℃、真空度为（6.4×104～7.1×104）Pa，在该条件下干燥试样，每间隔1 h后取出滤筒，在干燥器内冷却至室温，称重，直至相邻两次称重差值小于0.5 mg，且试样无减重趋势。记录每次烘干前后减重，统计（见表6）。

表6实验数据显示，试样经过8 h干燥后再次烘干，相邻两次称重差值不超过±0.2 mg，而电子天平称重的误差为±0.2 mg，即可视为试样已无减重，达到了完全干燥。

为了验证这一结论，将上述试样置于干燥器内，静置10 d，每2 d称重一次，数据统计（见表7）。

表7实验数据显示，相邻两次称重差值均不超过电子天平称重的误差±0.2 mg。说明，尿素造粒塔粉尘经过8 h真空干燥箱烘干可以过到恒重效果。

表6 试样在真空烘箱持续干燥减重数据统计（单位：mg）

表7 表6中试样静置10 d减重数据统计（单位：mg）

3.3.4 低温真空烘箱干燥法可行性结论 带有试样的滤筒在温度为（50±2）℃、真空度为（6.4×104～7.1×104）Pa的真空烘箱内干燥试样8 h后，相邻两次称重差值不超过±0.2 mg，符合恒重误差不超过0.5 mg的要求。

3.4 两种干燥方法的比较

干燥器干燥法操作简单，干燥过程不会改变试样的成分，但受外界环境影响因素较多，干燥时间无法确定，且总体耗时较长，效率不高，监测数据不能及时反映出尿素造粒塔外排气体中粉尘浓度的现状。

低温真空烘箱干燥法操作简单，采用低温、真空环境烘干不但加快了试样的干燥速度，而且不会引起试样质变，可以较快地提供尿素造粒塔外排气体中粉尘浓度的数据。

干燥器干燥法和低温真空烘箱干燥法均适用于尿素造粒塔粉尘的干燥，且操作均不繁琐，但从快速、高效提供数据的角度来考虑，低温真空烘箱干燥法的优势更明显。

4 尿素造粒塔粉尘浓度监测方法

试样收集：按照固定污染源排气中颗粒物监测要求，在尿素造粒塔外排气通道内应用等速采样原理收集尿素造粒塔粉尘试样。

试样烘干：将试样在温度为（50±2）℃、真空度为（6.4×104～7.1×104）Pa 的真空烘箱内干燥试样 8 h，取出试样并置于干燥器内冷却至室温，称重。然后将试样在同等条件下干燥1 h，取出，在干燥器内冷却至室温后称重。要求称重精确至0.2 mg，恒重误差不超过0.5 mg。

浓度计算：根据试样的质量和收集试样共采集气体的体积，计算出试样所占采集气体的质量浓度即尿素造粒塔粉尘的浓度。

该方法可以较快地监测出尿素造粒塔粉尘的浓度，是针对尿素造粒塔粉尘而对固定污染源排气中颗粒物浓度监测方法的补充，为确保尿素造粒塔废气达标排放提供了技术支持。