定义首先明确什么是PM2.5
PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米(μm)的颗粒物。这里又提到一个空气动力学的概念，所谓空气动力学当量直径，是指某一种类的粉尘粒子，不论其形状、大小和密度如何，如果它在空气中的沉降速度与密度为1的球形粒子的沉降速度一样时，则这种球形粒子的直径即为该种粉尘粒子的空气动力学直径。需要注意，空气动力学当量直径是与颗粒物的密度有关的，如果颗粒物是一个密度大于1的球体，那么它的空气动力学当量直径要小于其几何直径。空气动力学当量直径的另一个特点是同一空气动力学当量直径的尘粒趋向于沉降在人体呼吸道内的相同区域。
由于PM2.5自身的空气动力学当量直径比较小，在之前专栏中介绍的测试粉尘的方法，如预测流速采样法、动压平衡采样法、静压平衡采样法和皮托管平行测速采样法，已经不能准确测量PM2.5，所以自2013年起，国内相关高校、科研单位和企业共同承担了国家高技术研究发展计划(863计划)“燃煤电站PM2.5捕集增效与优化技术与装备研制”，对燃煤电厂PM2.5测试技术进行了较为系统的研究，并取得一定进展，得到了如下结论“除尘器出口PM2.5质量浓度与总颗粒物在分别采用重量法和ELPI测试方法时，所得结果显示ELPI与重量法的测量结果虽然存在一定差异，但具有较好的相关性。分别对比分析了DEKATI PM-10和ELPI、ELPI两级稀释和一级稀释的测试数据，并对湿法脱硫塔进出口采集烟气中的飞灰颗粒物样品进行了测试分析，为制定相关监测技术规范提供理论依据和实践基础。”最终又在结论的基础上编制了《燃煤烟气PM2.5测试技术指南》。
下面就来详细介绍几种适用于燃煤电厂烟气中PM2.5的测试仪器。目前国内测试人员在进行PM2.5的测试时，绝大多数采用美国或欧洲进口测试设备，这些设备原理大致有三种：重量法、电荷法和光学法。
一、重量法
固定污染源的PM2.5(一次颗粒物)测试中，以重量法作为测试标准的方法有：美国EPA method 201A、ISO 23210：2009、ISO/DIS 13271：2011、日本JIS K 0302等测试方法。重量法是在烟道内等速采样，然后用冲击板或旋风子分离空气动力学直径大于2.5μm的颗粒物，PM2.5则由滤膜或冲击板捕集，然后进行干燥称重。属于这一类的测试仪器有WY型冲击式尘粒分级仪、DEKATI PM-10撞击器、DLPI(低压撞击器)等。重量法的优点是比较直观可靠，可以作为验证其他方法是否准确的标杆，但是它也具有一定的缺点，例如在烟尘浓度较低时，这种方法的采样时间较长，且人工称重程序比较繁琐费时。下面就来介绍重量法包含的几种方法和仪器。
1EPA方法
EPA的测量原理是通过等速采样嘴进入采样管的烟气首先经过Ⅰ级大气颗粒分割器，去除粒径大于10μm的颗粒物，再经过Ⅱ级颗粒分割器去除粒径为2.5～10μm的颗粒物，最后由滤膜来收集PM2.5，通过称重计算得到一次固态PM2.5浓度。经采样系统除去一次固态细颗粒物的烟气进入EPA方法202测试系统，以鼓泡方式穿过冲击罐中的水，硫酸雾、挥发性有机物等排放到大气会发生冷凝的物质被捕集在水中，最后通过计算得到总的PM2.5浓度。测量原理如图1所示。
图1 EPA方法201A测量原理图
2ISO 23210：2009方法
ISO 23210：2009方法具体的工作原理是经等速采样嘴进入采样链的烟气，首先经由Ⅰ、Ⅱ级撞击器分离粒径大于10μm和粒径介于2.5～10μm的颗粒物，随后由滤膜收集PM2.5，采样结束后，测量滤膜收集到的PM2.5质量，计算PM2.5质量浓度。具体工作原理图如图2所示。撞击器原理图如图3所示。
图2 ISO 23210:2009 方法测量原理图
图3 ISO 23210:2009 方法撞击器原理图
1—撞击嘴;2—流线;3—气流中剩余的颗粒;4—撞击器收集的颗粒;
5—颗粒轨迹;6—撞击嘴壁面;7—集尘板
3WY型冲击式尘粒分级仪
WY型冲击式尘粒分级仪(包括WY-1型、WY-2型)在国内有比较多的应用，其结构如图4所示。WY型冲击式尘粒分级仪由串连的不同直径喷孔及捕集板构成的撞击器组成，基本原理与ISO 23210：2009给出的撞击器完全相同，这里不再赘述。该仪器适用于测量通风管道、工业烟气和工作环境中粉尘的空气动力学直径和粒径分级组成。
图4 WY型冲击式尘粒分级仪结构图
4DEKATI PM-10撞击器
此撞击器如图5a所示，基本原理(如图5b)也是冲击式的，两级的DEKATI PM-10撞击器测试的粒径范围与ISO 23210：2009中描述的两级级联式撞击器一致，即将测定的颗粒划分成三个部分：
第一级捕集空气动力学直径大于10μm的颗粒;
第二级捕集空气动力学直径在10μm到2.5μm之间的颗粒;
第三级滤膜捕集空气动力学直径小于2.5μm的颗粒。
这种设备结构简单，携带方便，粒径分级合理，比较适合于现场测试PM2.5。
图5 DEKATI PM-10 撞击器
5DLPI低压撞击器
DLPI(低压撞击器)如图6所示，它是一个13段串联的撞击器，应用空气动力学原理将颗粒物在30nm～10μm范围内进行划分。小于30nm的颗粒被辅助过滤器收集到一个47mm的过滤器上，其他规格的颗粒分别被收集在25mm的基板上。小的沉积面积与低的损失量使DLPI成为比重粒径分析与颗粒化学成分分析的理想工具。
DLPI可以应用于很多的行业，如烟道测量、大气测量、汽车测量、数学应用等。该仪器25mm收集盘上可以进行化学分析，由于有了过滤器，粒径范围可以扩大到30nm以下。
图6 DLPI撞击器
6Andersen颗粒采样器
Andersen由采样头、旋风预切割器、过滤设备、撞击器、带有抽气泵的控制器及温度、压力之类的传感器等组成，如图7所示。撞击器是Andersen的核心部分，主要作用是对颗粒物分级和采集，共分为8级，分级方法同DLPI，最后一级F级装的是实心全膜，以过滤细粒子和凝结型颗粒物。
图7 Andersen颗粒采样器
二、电荷法(ELPI)
电荷法是通过测量颗粒物所带的电荷量来确定其质量。采用电荷法的典型仪器是ELPI(电子低压撞击器)。该仪器同样采用等速采样并用冲击板对颗粒物按粒径大小进行分级。与重量法不同的是，该仪器在颗粒物分级前，需先使颗粒物荷电，然后通过测定颗粒物所带的电荷量再经换算得到其质量。这种方法非常快捷，可以实时得到颗粒物的质量浓度，但ELPI直接测量值是颗粒个数浓度值，质量浓度是通过个数乘上体积和密度后获得，为两次转换数据，精度稍差。
ELPI工作原理如图8所示，含有颗粒的气体样品首先通过单极电晕充电室进行充电，带电的颗粒物被运送到装备有绝缘收集层的低压撞击器上，进入每个层面的带电颗粒物的电流，都可以实时地通过精密电子测量计进行电量测量，最后将电流信号转化为(空气动力学上的)颗粒物粒径分布。电子低压撞击器(ELPI)可以实时地测量30nm～10μm的颗粒物分布和粒子浓度。
图8 ELPI原理图
ELPI的快速反应使得它对于分析不稳定的颗粒物浓度和粒径分布或者粒径分布的变化来说，非常的理想。电子低压撞击器是一个较可靠且易操作的探测仪器，它能够应用在较恶劣的环境中，测量过的颗粒物被收集起来，可以做更进一步的质量分析或成分分析。电荷法现场采样系统图如图9所示。
图9 ELPI现场采用系统图
三、光学法
光学法是通过测量颗粒物的反射光或透射光来确定颗粒物的粒径与浓度。代表性的有帕莱斯便携式颗粒物检测仪、TSI：APS-3321，通过加速喷嘴使不同粒径的颗粒物获得不同的加速度，然后测量其散射光强度来确定颗粒物的粒径与浓度。这种方法也可以实时得到颗粒物的质量浓度，但同样存在测量精度上的问题。
1、帕莱斯便携式颗粒物检测仪
帕莱斯便携式颗粒物检测仪可同时测量PM1、PM2.5、PM4、PM10、TSP质量或数量浓度，可以从0.18～18μm的范围内选择最多64个等级分析粒径分布，时间分辨率可在1s至24h内任意设定。
当烟气中的粉尘通过光路的光敏感区时，粉尘的散射光量与它的质量浓度成正比，用单位时间内散射光的累计值表示出悬浮粉尘的相对质量浓度，并通过转化系数，计算出粉尘的质量浓度。
2、TSI：APS-3321
TSI：APS-3321型空气动力学粒度仪测定气溶胶颗粒的空气动力学粒径，并给出气溶胶数量浓度、表面积浓度、体积浓度及质量浓度随粒径的分布情况。该仪器测定每一粒子通过两束近距离激光束的飞行时间，以此换算粒子的动力学粒径。测试粒径范围：0.5～20μm(空气动力学直径)，0.37～20μm(光散射直径)。
目前光学法在燃煤电厂PM2.5测试中的应用较少，仍需进一步研究。
综 述综上所述，目前使用前两种方法测量PM2.5最为普遍，由于测试一般都在脱硫出口或湿除出口，所以水滴是影响烟气PM2.5测试结果准确性的主要因素，在测试时需采取有效的方式避免水滴的影响。
原标题：【原创精品】第37篇 燃煤电厂烟气中PM2.5测试方法
