摘要：我国大气环境形势严峻,相关国家政策、标准趋严,燃煤电厂烟气"超低排放"势在必行.但我国尚未制订燃煤电厂低浓度烟尘测定的标准方法.重点介绍了国外低浓度烟尘标准测试方法,并通过现场实际测试,对低浓度烟尘测试仪器和方法进行研究,旨在探索一种科学合理的低浓度烟尘测试技术和方法,为我国相应标准测试方法的选取提供一定的参考.
0引言
随着我国国民经济的快速发展，大气环境污染问题日益严峻，大中城市的雾霾、酸雨等灾害性天气频发，严重影响了人们的身心健康和正常生活。燃煤电厂作为大气污染物排放的重要污染源之一，一直都是人们关注的焦点。
GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》要求重点地区烟尘排放限值为20mg/m3，GB3095—2012《环境空气质量标准》中增设了环境空气的PM2.5浓度限值。近一年多来，燃煤电厂大气污染物“超低排放”已成热点话题，即燃煤机组将达到或者低于燃气轮机组标准限值，烟尘、SO2、NOx排放限值分别为5，35，50mg/m3(《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》给出的烟尘、SO2、NOx排放限值分别为10，35，50mg/m3)。
我国日益严峻的大气污染形势及趋严的国家及地方政策、标准促进了我国除尘技术的迅猛发展，但同时也给我国现有的烟尘测试技术带来了巨大挑战，探索并发展一种适用于低浓度烟尘环境下的科学合理的烟尘及PM2.5测试方法，迫在眉睫。
1固定源烟尘测试方法
固定源烟尘测试有自动分析和手工分析2种方法，其中，自动分析法包括光学法(光散射、透射)、电荷法、β射线法等，手工分析法主要是指过滤称重法，即通过等速采样的方法，抽取一定体积的烟气，将过滤装置收集到的粉尘进行称重，从而换算得到烟气中烟尘浓度值，该方法是固定源烟尘测试的标准方法。
目前，国内关于烟尘测试的标准有: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》[1]、GB/T13931—2002《电除尘器性能测试方法》[2]、HJ/T397—2007《固定源废气检测技术规范》[3]、HJ/T75—2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》[4]，但这些标准的编制时间已较久，并不能满足于现在低烟尘排放浓度的测试要求。
国际标准化组织(ISO)、美国材料测试协会(ASTM)分别发布了专门针对低浓度的烟尘测试标准和方法:ISO12141—2002《手工重量分析法测量固定污染源排放的低浓度的颗粒物(烟尘)的质量浓度》[5]、ASTMD6331—13《测定固定污染源排放的低浓度颗粒物的浓度的试验方法(手工重量分析法)》[6]，可为我国固定源的低浓度烟尘测试提供参考。
2低浓度烟尘测试方法
ISO12141—2002测试方法适用于标准状态下烟尘浓度低于50mg/m3的情况，尤其是在5mg/m3左右已经得到验证，ASTMD6331—13规定的测试范围是烟尘浓度低于50mg/m3的情况。在测定低浓度烟尘时，两种标准主要是通过3种方法提高测量准确度:
1)严格按标准规定的称重步骤操作，确保精确;2)在常规采样速率下延长采样时间;3)在常规采样时间内提高采样速率。
2.1系统构成
ISO12141—2002给出了2种采样系统布置方式，如图1所示，其中过滤器布置在烟道外时，要求其加热温度至(160±5)℃。ASTMD6331—13同样给出了2种采样系统布置方式，如图2所示，其中，当烟气内含有液滴或SO3时，需采用烟道外采样系统.
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2.2采样设备
2.2.1采样咀
ISO12141—2002对采样咀尺寸给出了明确规定，如图3所示。孔径的任何变化应该是逐渐变小的，且锥角应小于30°;只有在直线长度至少超过30mm以后才允许有弯曲，其半径应至少是内径的1.5倍。当采用大流量采样时，采样咀直径一般为20～50mm。
GB/T16157—1996也给出了采样咀尺寸的相关规定，要求采样咀入口角应不大于45°，与前弯管连接的一端内径应与连接管内径相同，不得有急剧的断面变化或弯曲。入口边缘厚度应不大于0.2mm，入口直径d偏差应不大于±0.1mm，其最小直径应不小于5mm，如图4所示。
2.2.2采样泵
当采用大流量采样时，采样泵应保证抽气流量在5～50m3/h。
2.2.3滤膜
ISO12141—2002规定，滤膜对于平均粒径为0.3μm颗粒的收集效率应大于99.5%，或平均粒径为0.6μm颗粒的收集效率应大于99.9%。玻璃纤维滤膜可能同酸性气体反应，引起质量增加，因此推荐使用石英纤维滤膜、PTFE滤膜(<230℃)。当采用大流量采样时应避免滤膜破损及其质量损失。
ASTMD6331—13标准规定，玻璃纤维滤膜对于平均粒径为0.3μm的酞酸二辛酯颗粒的收集效率应大于99.95%。
GB/T16157—1996也对滤膜作了相关规定，要求玻璃纤维滤筒对于0.5μm颗粒的收集效率应不
低于99.9%，刚玉滤筒对于0.5μm颗粒的收集效率
应不低于99%。
2.3采样条件
2.3.1采样断面的确定
ISO12141—2002规定，采样断面应位于直管道上(最好是垂直管道)，应具有恒定的形状与横截面积，应尽可能布置在下游并在任意扰动源(弯头、风机或部分关闭的风门等)的上游。采样位置必须满足:
1)气流与管道轴线之间的角度小于15°。
2)无局部反向流动存在。
3)气流速度最低为所使用的流速测量方法的最小值(如用皮托管，压差应大于5Pa)。
4)最高与最低局部气流速度之比应小于3∶1。
满足上述要求的位置通常是:在采样断面上游的长度至少为烟道水力直径的5倍，在取样平面下游直线管道则至少为2倍水力直径。
我国的相关标准也对烟尘的采样位置作了规定，其中，GB/T16157—1996要求:采样位置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径和距上述部件上游方向不小于3倍直径处;HJ/T397—2007要求:采样位置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径，和距上述部件上游方向不小于3倍直径处，当现场空间有限，难以满足该要求时，采样断面与弯头等的距离至少是烟道直径的1.5倍。
2.3.2测孔
ISO12141—2002规定，测孔尺寸应保证采样设备能顺利通过，建议最小测孔内径为125mm，或表面积为100mm×250mm。GB/T16157—1996也给出了相应规定，要求测孔内径应不小于80mm，测孔管长应不大于50mm。目前，我国燃煤电厂烟道测孔一般采用GB/T3091—2008设计手册中的3号煤水管(内径80mm)，这给烟道内采样(如图1a、图2a所示)带来一定困难。
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2.4数据评价
实验表明，采样后颗粒物可能堆积于滤筒上游的采样设备。颗粒物堆积可能与采样设备的设计、烟气颗粒物的性质有关，但是目前尚无有效方法将堆积的颗粒物降低到可以忽略的水平。ISO12141—2002规定:测定低浓度颗粒物时，必须回收、称重过滤器上端采样设备上堆积的颗粒物，过滤器增加的质量与从采样设备上收集的堆积颗粒物质量之和才是实验样品中所含颗粒物的总质量。
静电、滤膜或灰尘的吸湿性、温度变化等都有可能影响称重数据，为提高称量数据的准确性，ISO12141—2002规定，采样前、后实验样品需在相同温度、湿度且无污染环境下称重。且为测试过程中质量变化的不确定性提供依据，还给出了空白实验的要求，在相同实验地点、相同测试方法但无抽气情况获得实验样品，即总空白值，该值除以平均采样体积后可为整个测试过程中质量变化的不确定性估值提供依据。总空白值应不超过烟尘浓度日排放限值的10%。当采样值是相应总空白值标准偏差5倍以上时，采样数据有效，当采样值低于空白值时，采样数据无效。
3低浓度烟尘现场测试研究
舟山电厂4号机组为国内首套采用湿式电除尘器的“超低排放”工程，湿式除尘器出口烟尘浓度要求≤5mg/m3，课题组采用大流量自动烟尘采样仪(采样流量:10～100L/min)进行烟尘采样和烟气量测定，测试仪器如图5所示，用进口的石英纤维滤筒作为收尘装置，在湿式电除尘器进出口的测试点上根据等速取样原理进行采样，每组采样时间不小于2h，用十万分之一天平进行称重，测试结果如图6所示，其中，湿式除尘器出口烟尘浓度测试结果与浙江省环境检测中心测试数据接近。
4结语
燃煤电厂烟气“超低排放”是我国大气环境治理的一个重要课题，低浓度烟尘的测定是必需的技术手段。我国尚未制订有关标准，遵循国际相关标准的基本原理与方法，制订适合于我国国情的测试标准是当务之急。本文对固定污染源低浓度烟尘测试方法进行了综述，并开展了燃煤电厂现场测试研究，可为我国燃煤电厂低浓度烟尘标准测试方法的选取提供一定的参考。
延伸阅读：
原标题：燃煤电厂低浓度烟尘测试方法探讨
