低浓度颗粒物检测用玻璃纤维滤筒恒重条件

张利娜，万夫伟，刘乔，刘旭月，李波

1 引言

GB 4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》规定，重点地区企业矿山开采、水泥制造、散装水泥中转站及水泥制品生产中颗粒物排放限值为10mg/m3。在进行低浓度颗粒物含量监测时，低温烟气环境下，颗粒物含量的测量较为准确，但是在较高温度烟气下，进行颗粒物含量检测时，如水泥厂废气总管、窑尾收尘器出口等处，则会出现颗粒物含量检测结果偏小或为负值的情况，测试数据的准确性存疑。

低浓度颗粒物含量的精准测量[1-4]已成为当前研究的热点，但因测量中使用的玻璃纤维滤筒因自身受热失重[5]而导致测量数据产生误差的分析及控制尚未引起重视，笔者以玻璃纤维滤筒为研究对象，模拟其在采样环境中的受热分解失重过程，以期对超低排放烟气低浓度颗粒物含量监测工作有所帮助。

2 实验过程

2.1 实验滤筒

实验用超细玻璃纤维无胶滤筒型号：1#φ 32mm×120mm。

2.2 主要仪器

梅特勒-托利多同步热分析仪（TGA/DSC 1），马弗炉，烘箱，分析天平，干燥器。

2.3 实验方法

以相同批次玻璃纤维滤筒为研究主体，分组实验，研究在以下处理条件时，玻璃纤维滤筒的失重情况：

（1）将4只玻璃纤维滤筒编号称量后，放入105℃烘箱中烘干30min，置于干燥器内冷却至室温，采用分析天平称量，如此反复烘干，直至恒重。

（2）将8只玻璃纤维滤筒编号称量后，放入105℃烘箱中烘干60min，冷却称量，随后放入400℃马弗炉中灼烧60min，冷却称量。

（3）将8只玻璃纤维滤筒编号称量后，放入400℃马弗炉中灼烧60min，冷却称量，随后放入105℃烘箱中烘干60min，冷却称量。

（4）使用梅特勒-托利多同步热分析仪对玻璃纤维滤筒材料进行热分析试验。

以上实验中，滤筒恒重对称量结果至关重要，直接影响颗粒物含量监测结果的可靠性。根据GB/T 176-2017《水泥化学分析方法》规定，前后两次称量之差＜0.5mg，即达到恒重。GB/T 13931-2017《电除尘器性能测试方法》要求，同一滤筒重复称量，偏差应＜0.3mg。

3 实验结果与讨论

3.1 烘干时间对滤筒恒重的影响

根据2.3实验方法方案（1）进行实验，烘干时间对滤筒质量的影响如图1所示。玻璃纤维滤筒在105℃烘箱中烘干30min，失重1.2～2.0mg；烘干30～60min，失重0.1～0.8mg；烘干60～120min，滤筒前后称量值相差≯0.5mg。实验结果表明，玻璃纤维滤筒在105℃烘箱中，烘干60min即可达到恒重。

图1 烘干时间对滤筒质量的影响

3.2 滤筒由室温至105℃再到400℃烘干失重情况

根据2.3实验方法方案（2）进行实验，滤筒在烘干和灼烧后连续失重结果如图2所示。105℃烘干称量后，滤筒失重2.1～2.7mg，占玻璃纤维滤筒初始质量的0.11%～0.17%；400℃灼烧称量后，滤筒继续失重10.4～12.5mg，占玻璃纤维滤筒初始质量的0.64%～0.68%。实验结果表明，在105℃时，只是将玻璃纤维滤筒吸附的水分烘干，继续升温到400℃，会将滤筒材料中易挥发或分解的成分去除。

图2 滤筒由室温至105℃烘干和400℃灼烧后连续失重结果

3.3 滤筒由室温至400℃再到105℃烘干失重情况

根据2.3实验方法方案（3），结合3.2研究结果进行实验，滤筒在灼烧和烘干后连续失重结果如图3所示。400℃灼烧称量后，滤筒继续失重11.3～12.9mg，占玻璃纤维滤筒初始质量的0.68%～0.80%；105℃烘干称量后，滤筒失重-0.5～-0.4mg，占玻璃纤维滤筒初始质量的-0.03%～-0.02%。

图3 滤筒在400℃灼烧和105℃烘干后连续失重结果

实验结果表明，滤筒在400℃灼烧时，400℃以下能够反应的物质已被灼烧分解，实验结果与滤筒由室温至105℃再到400℃烘干失重情况研究结果（失重0.64%～0.68%）一致，105℃继续烘干不再失重。实际监测时，温度一般≯400℃，因此只对滤筒进行400℃灼烧60min处理，即可满足监测要求。

3.4 滤筒热重分析结果

采用烘箱和马弗炉只能研究特定温度下滤筒的失重情况，为了覆盖更大温度范围，采用梅特勒-托利多同步热分析仪对玻璃纤维滤筒材料进行热分析试验，热重分析结果见图4。

图4 玻璃纤维滤筒热重分析曲线

由图4热重分析曲线可见，玻璃纤维滤筒在室温升高到350℃的过程中逐步失重。原因在于，玻璃纤维滤筒吸附有一定的水分，在升温过程中（＜105℃温度段），水分逐渐烘干，导致失重0.25%，与烘箱105℃失重结果（失重0.17%）相对应，因测量时空气湿度不同，失重值略有不同；玻璃纤维滤筒中含有少量的易挥发或分解的物质，在高温环境中会产生滤筒失重现象，热重分析曲线中继续升温到350℃失重0.38%，加上低温段共失重0.63%，与马弗炉灼烧失重结果（失重0.64%～0.68%）一致；350℃～400℃温度段，滤筒基本不再失重；＞400℃温度段，滤筒质量再次减少。

3.5 存放环境对称量结果的影响

在超低排放烟气低浓度颗粒物含量监测中，滤筒是否烘干恒重对监测结果的影响很大。因滤筒长时间暴露在空气中，空气湿度对滤筒称量会产生影响[10]，在条件允许情况下，建议在恒温、恒湿实验室中进行称量。

400℃灼烧恒重后的滤筒在实验室环境中的吸湿增重情况如下：

将4只在400℃马弗炉灼烧恒重后的滤筒放于实验室环境中进行0～180min吸湿试验，结果如图5所示。4只滤筒放置180min后增重0.3～0.6mg，占滤筒初始质量的0.02%～0.04%，表明玻璃纤维滤筒在实验室环境中吸湿速度很缓慢。

图5 实验室环境中滤筒吸湿增重情况

4 结论

在超低排放烟气低浓度颗粒物含量监测中，为了保证数据准确，减少玻璃纤维滤筒失重对颗粒物含量检测结果的影响，应在颗粒物采集前，对玻璃纤维滤筒进行恒重处理，具体措施建议如下：

（1）滤筒使用前需进行恒重处理，具体处理方法应根据工作环境来确定。对于低温烟气，采样前，滤筒应在105℃烘箱中烘干处理60min。对于高温烟气（100℃～400℃，如水泥工业废气总管、窑尾收尘出口等），滤筒材料中少量易挥发或分解的成分对检测结果影响较大，采样前滤筒应在不低于采样环境温度下进行恒重处理，建议在400℃马弗炉中灼烧60min。

（2）采样后的滤筒需在105℃烘干60min，再置于干燥器中冷却后称量。

（3）在进行低浓度颗粒物检测前，应先将滤筒放在400℃马弗炉中灼烧60min，再置于干燥器中储存，短时间内可以直接使用，如时间过长，可在105℃烘干60min后再使用，这样可以最大限度减少滤筒质量变化对检测结果的影响。