低浓度烟尘采样技术在CEMS监测中的应用和意义

白 鸽，刘 艳，姜 晔，马学美，王恩华

(1.齐鲁工业大学 实验管理中心 ,山东 济南 250353；2.青岛和诚环保科技有限公司,山东 青岛 266100)

据统计显示，我国火电厂发电排放的烟尘总量约占全国排放总量的30.1%[1]，烟尘烟气连续监测系统(CEMS)仍为环保部门全面掌握火电厂污染物排放总量的重要依据。而作为判定CEMS系统数据可靠性的手工对比监测已成为各级环境监测部门日常工作的重点，随着火电厂等各种固定污染源排放标准越来越严，颗粒物排放浓度的限值越来越小，在《火电 厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)[2]中规定，火力发电锅炉和燃气轮机组颗粒物浓度排放限值不能超过30mg/m3，传统的手工称重法主要采用滤筒法采集颗粒物，由于该法在烟气含湿量高，滤筒在取拿过程中很容易损坏滤筒，导致破损而失重，导致采样误差，甚至出现负值。而低浓度采样技术采用整体称重，无中间环节，无损耗，因此能够满足低于30mg/m3浓度的低浓度采样技术[3]对当前烟尘采样工作有着非常重要的意义。

1 实验方法及原理

1.1 传统的烟尘采样——滤筒称重法

1.1.1 滤筒称重法的原理

根据《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB16157-1996)[4]的要求，利用传统滤筒法进行烟尘采样是根据采样管滤筒上所捕集到的颗粒物量和同时抽取的气体量，计算排气中的颗粒物浓度。采样管使用玻璃纤维滤筒采样管，主要由采样嘴、前弯管、滤筒夹、滤筒、采样管主体等部分组成(图1)。

1.滤筒；2.采样管；3.冷凝器；4.温度计；5.干燥器;6.真空压力表;7.转子流量计;8.累积流量计;9.调节阀;10.抽气泵

图1 玻璃纤维滤筒采样管

1.1.2 滤筒称重法的局限性

滤筒称重法还是一种比较准确的经典方法，经常在国家标准中作为其它测量手段的参比方法，但是其缺点也很明显，一般来说需要进行手工操作，引入操作误差，而且测量周期长，费时费力，自动化程度低，不符合现在标准实施操作的要求。当颗粒物浓度低于50 mg/m3时，适用于高浓度颗粒物的滤筒称重法采样方法在测量低浓度烟尘中存在很大的缺陷：除了人为操作误差之外，还有以下原因：

(1)滤筒需要固定压紧安装在采样管的气路中，这种结构形式，导致滤筒在取拿的过程中，会导致滤筒的破损而引起失重(尤其是当水分含量高时，更容易使滤筒破损)；

(2)采样嘴、采样弯头的内部容易粘附颗粒物，而引起采集的颗粒物总重上的失重；

(3)由于滤筒是一层层喷涂而成，当长时间气流经过滤筒本身时，会导致滤筒的玻璃纤维等材料的流失，而导致滤筒本身的失重；

(4)在实践过程中发现，由于滤筒材质以及玻璃纤维本身的吸湿特性，烘干后的滤筒湿度较天平室内湿度小，吸湿现象严重，造成天平显示不稳，恒重较为困难。

1.2 低浓度采样技术

1.2.1 低浓度采样技术产生的意义

根据《《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)污染物排放项目中烟尘最低浓度限值低于30mg/m3的要求，国家将更加严格地控制排污行为而制定并实施大气污染物排放限值。按照《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》(HJ/T75-2007)[5]的要求，对比监测项目中烟尘(颗粒物)的比对，大部分环境监测站均使用自动烟尘采样器并根据《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T16517-1996)进行，因此解决滤筒称重法在低浓度烟尘采样中误差大的问题对CEMS手工对比监测具有重要的意义。

1.2.2 基本原理

低浓度采样技术是我公司采用采样嘴、弯头、采样膜一体化的采样头(图2)实现低浓度采样的一种技术。为配合烟道低浓度采样枪用的整体称重而设计了低浓度采样头适用于测量低浓度烟尘(<50mg/m3)排放的烟道，用滤膜过滤收集烟尘。低浓度采样头设计用不锈钢弯管采样嘴、滤膜、滤网为一体，一起烘干、一起称重，将滤筒结构换成滤膜结构可避免湿度对测量结果的影响，可以大大减小采样误差，提高了采样精度，使整个采样过程轻松、简单。

图2 新型采样头与传统采样头比较

1.2.3 关键技术

低浓度烟尘采样技术的关键是对采样头、弯头、滤膜及滤膜夹的结构、外形尺寸、重量、材质的要求。采样头由弯管采样嘴、玻璃纤维滤膜、滤网和铝箔四部分组成(图3)。

1.2.3.1 采样嘴

采样嘴的直径与各采样点处的排气温度、压力、水分含量和气流速度等参数决定着等速条件下各采样点所需的采样流量，因此需配置一系列不同直径的取样嘴，以确保在较宽的流速范围内(3m/s至50m/s)等速跟踪取样，并避免样气流速的极端变化。为避免干扰主气流和取样嘴顶端气流的湍动，取样嘴设计为尖嘴状，在取样嘴长度允许的情况下，将取样嘴设计为弯折，弯曲半径至少为取样嘴内径1.5倍。

图3 采样头组成

1.2.3.2 滤膜网

为了避免滤膜介质的损失 以及采样气流的稳定均匀，使用滤膜网来支撑滤膜，滤膜网的设计通常使用粗网过滤支架确保连接点处无气体湍动。特殊加工的滤膜支撑片直径47mm，厚度为0.2mm。支撑片上均匀分布了4000多个0.2mm直径的孔，这样的结构保证了滤膜的受力均匀性和气流均匀性，从而实现滤膜的强度不会因为滤膜局部受力不均而破裂。

1.2.3.3 滤膜

滤膜是采集颗粒物参与称重的核心部位，滤膜材质的选取尤为关键。滤膜材质不应吸收或与样气中的气态化合物反应，在最大的采样温度下应是热稳定的。一般都是用玻璃纤维的。玻璃纤维是常用滤膜，但存在边缘切割不好也会造成掉渣的可能，所以现在采用特殊加工技术所做的滤膜，基本上解决了掉渣问题。滤膜过滤效率应大于99.5%，该效率使用液滴测试，在最大期望流率下，液滴平均直径0.3μm，(或过滤效率应大于99.9%，使用液滴测试，在最大期望流率下，液滴平均直径0.6μm)。此效率应由滤膜供应商证实。在大体积流率下，滤膜应由足够的面积以确保压力降足够低符合指定的滤膜过滤效率。

1.2.3.4 称重过程

低浓度采样技术采用一体化设计，所有进入低浓度采样头的颗粒物均被捕集，从而最大程度的保证了采样精度。利用专业的工艺条件保证采样嘴、采样弯头一次成型，采样嘴的直径直接冲压而成，使得采样嘴、采样弯头、滤膜一体化设计，一起称重，一起取拿(图4)，整个采样头的重量轻(在天平称量的范围线性区内)，现在我公司做的采样头总重在18～20g之间(天平的称量范围可选：0～100g，精度为0.1mg)。低浓度采样头的整个部件均为304不锈钢材料，不存在采样头破损等引起的失重。

图4 采样称重

2 讨论

选取**市**热电厂(以下简称A)：2台75t/h蒸汽锅炉和12兆瓦抽凝机组；**县**热电厂除尘工程效果检验(以下简称B)。

2.1 实验内容

采用两套HC-9001型烟尘自动测试仪，分别配有低浓度采样枪和普通采样枪。

2.1.1 低浓度采样管采样头一体化称重

采样后先用酒精或者丙酮，擦洗采尘管外部，然后放入105℃烘箱中烤1小时，取出置于干燥皿中，冷却至室温，用感量0.1mg天平称量至恒重，记录下烘干后的终重。采样前后整体重量之差，即为采取的颗粒物量。称重完毕后将用过的滤膜、铝箔更换，擦洗采样头内部，采样头放入盒内存储。

2.1.2 HC-9001型烟尘自动测试仪普通采样枪

采样后的滤筒，记录下烘干前的终重，放入105℃烘箱中烤1小时，取出置于干燥皿中，冷却至室温，用感量0.1mg天平称量至恒重，记录下烘干后的终重。采样前后滤筒重量之差，即为采取的颗粒物量。

2.2 测试数据

某热电厂测试：

测量时间间隔：20min。

工况：矩形烟道，除尘设备较完善。

某热电厂普通采样枪与低浓度采样枪对比监测见图5。

图5 2017年9月13日某热电厂普通

2.3 实验结果

通过A的低浓度采样技术与滤筒采样对比得出以下结论：

(1) 满足低浓度(小于50mg/m3)，含湿量(大于15%)的烟气的颗粒物采样。

(2) 枪体结构合理，内部连接通用性强，维护方便，外观简洁，功能完整，重量轻，使用携带方便。

表1 B低浓度采样数据结果

(3) 低浓度烟枪设计避免了现场安装、尘损耗等传统滤筒无法避免的问题，得出的数据稳定可靠，误差小。

通过B得低浓度技术与滤筒采样对比结果比滤筒采集效率高，而且操作方便，看表1可知，其浓度非常低，采集效果好。总结在浓度较低时，应更加注重采样的质控过程，特别注意在每次称重时，应用砝码校准天平。

3 结论

随着我国污染处理设施日益规范，对排放颗粒物的要求越来越高，低浓度颗粒物采样在CEMS系统比对测试中已经成为各级环境监测部日常工作的重点。相对于滤筒法，低浓度采样技术采用采样嘴、采样弯头、采样膜一体化的整体称重，不仅克服了滤筒称重在低浓度颗粒物采样中的不足，实现低浓度的高精度采样。