β射线法测量颗粒物浓度的可靠性分析

张 蓓，刘文凯，肖 军，刘兵兵，郝盼盼，相海恩

（1.国家环保产品质量监督检验中心，石家庄 050091；2.河北省环境监测中心站，石家庄 050091）

β射线法测量颗粒物浓度的可靠性分析

张 蓓1，刘文凯2，肖 军1，刘兵兵1，郝盼盼1，相海恩1

（1.国家环保产品质量监督检验中心，石家庄 050091；2.河北省环境监测中心站，石家庄 050091）

简介了β射线法测定颗粒物浓度的原理，通过对该方法空白试验、方法精密度、方法准确度及方法适用性测试的研究，认为β射线法测量固定污染源废气中颗粒物浓度较为可靠，与传统滤膜法相比具有现场出数据，效率高的优势，但在实际应用中应针对颗粒物浓度设计不同量程的测量设备，在烟气流速较低且波动较大时应增加平行检测次数，以确保测量结果的准确性。

β射线；颗粒物浓度；空白试验；精密度；准确度；适用性；可靠性

引言

随着科学技术的不断进步，环境检测设备也向着智能化和简便化发展，β射线法烟尘测定仪可现场出数据，极大提高了工作效率，降低了劳动强度，如用于环境执法，可现场解决质疑，提高执法效率和公信力。

近期，国家颁布实施了严格的固定污染源排气中颗粒物排放限值标准，固定污染源颗粒物排放浓度是我国节能减排重点控制的污染物指标，河北省的部分地区执行特别地区排放标准限值，颗粒物特别排放限值为20mg/m3。另外，根据河北省燃煤电厂超低排放升级改造专项行动方案要求，燃煤机组在2015年底前全部实现超低排放，即颗粒物排放浓度降至10mg/m3以下。

目前，我国对颗粒物的监测方法采用《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），严格意义而言，该方法仅适用于颗粒物质量浓度高于50mg/m3情况的监测，在测定低于50mg/m3的颗粒物浓度时的误差较大。该方法规定颗粒物捕集介质为滤筒，滤筒为柔性外表，在烟道内颗粒物浓度低、温度低、湿度高的“二低一高”环境下，采样过程较复杂，容易造成系统误差，对测定结果影响较大。β射线法测定固定污染源中颗粒物浓度不受粉尘粒子大小及粒子密度的影响，检测速度快，可直接读数，操作简便，耗材较少，维护量小，可有效降低误差率，是滤膜法、滤筒法的有益补充。

1 测试仪器及测试原理

1.1 测试仪器

测试仪器采用BDY型β传感器式快速烟尘测试仪，3012H型烟尘测试仪。

1.2 BDY型β传感器式快速烟尘测试仪的测试原理

β传感器式快速烟尘测试仪采用电离室结构的β射线传感器放入烟道内，进气口正对气流方向，保证排气等速通过电离室。电离室中一定能量的β射线通过物质时会与物质中的原子或原子核相互作用，引起能量衰减，能量衰减量与物质的质量成比例。通过β射线能量衰减量计算物质的质量，通过物质的质量和电离室的体积计算颗粒物的浓度。

式中：

I — 经过物质时的辐射强度，eV；

Io— 起始辐射强度，eV；

-μ m— 质量衰减系数；

m — 质量，g。

1.3 3012H型烟尘测试仪

按照《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）规定方法采样，根据采样前后滤筒/膜的重量差及采样体积，计算出浓度，重量法是一种直接质量测量法。

2 实验设计

2.1 验证测试内容

（1）空白试验

按照《环境监测分析方法标准制修订技术导则》（HJ 168-2010）的有关规定，选取零气进行空白试验，校准零点。在循环风洞中，选取洁净空气为零气进行样品测试，进行7次平行测定，每次1min，计算标准偏差。

（2）方法精密度

按照HJ 168-2010的有关规定，对不同浓度风洞测试样品进行分析测试，按全程序每个测点平行测定7次，每次测定时间为3min，分别计算不同浓度样品的平均值、标准偏差、相对标准偏差等各项参数。

（3）方法准确度

用β射线法和膜称重法对1号风洞（≥100mg/m3）、2号风洞（30～80mg/m3）、3号风洞（20～50mg/m3）三种浓度水平的气流进行测定，β射线法测定时间为3min，采样7次，取平均值，膜称重法测定时间为15min，采样3次，取平均值，计算该方法与传统方法之间的相对误差。

（4）方法适用性测试

选取钢厂、电厂典型排污口进行实际样品测试，每个点位的测量时间为3min，进行4次平行测量，取平均值。

2.2 测试点位置

标准样品测试在霸州京博公司模拟风洞进行，测试点位置符合距弯头、阀门、变径下游方向大于6倍当量直径，距上述部件上游方向大于3倍当量直径距离。

适用性测试点位置如下：

（1）电厂：任丘电厂为两台60万千瓦机组，装备SNCR脱硝，静电除尘器，双塔单循环湿法脱硫等环保措施，测点位置为除尘后，脱硫后。

除尘后：测点位置距变径下游方向大于3m，距上述部件上游方向3m，测点当量直径3m。

脱硫后：测点距变径下游方向50m，距上述部件上游方向50m，测点当量直径5m。

（2）钢厂：前进钢铁230m2烧结机，环保设施为静电除尘器，湿法脱硫，测点位置为除尘后，脱硫后。

除尘后：测点下游距变径1m，上游距变径1m，测点当量直径5m。

脱硫后：测点距变径下游5m，上游距变径5m，测点当量直径5m。

（3）前进钢铁球团总排口：环保设施为活性胶脱硫设施，测点位置为总排口，测点下游距变径15m，上游距变径方向15m，测点当量直径5m。

3 数据分析

3.1 空白试验

依据HJ 168-2010的有关规定，选取零气进行测试，试验数据如表1所示。计算方法检出限：选取洁净环境空气为零气进行空白试验，按相同的操作步骤及流程进行7次平行测定，每次测试3min，以3倍标准偏差计算检出限。

表1 空白试验数据

3.2 方法精密度和准确度

3.2.1 实验条件

测试点为霸州京博公司1号、2号、3号风洞，模拟粉尘浓度分别为140～150mg/m3、20～30mg/m3、50～80mg/m3。测试烟道面积为0.0962m2，测点位置符合距弯头、阀门、变径下游方向大于6倍当量直径，距上述部件上游方向大于3倍当量直径距离。在相同的点位分别使用β射线法和膜称重法进行检测，β射线法测定时间为3min，膜称重法采样时间为15min。

3.2.2 精密度

1号风洞模拟平均烟温61.4℃，烟气平均流速14.86m/s，β射线法实验测得的平均粉尘浓度为145mg/m3。由图1可以看出，该浓度下7次平行试验的标准偏差（Si）为1.6mg/m3，相对标准偏差（RSD）为1.09%。

2号风洞模拟平均烟温61.4℃，烟气平均流速12.09m/s，β射线法实验测得的平均粉尘浓度为56mg/m3，由图1可看出，该浓度下7次平行试验的标准偏差（Si）为0.95mg/m3，相对标准偏差（RSD）为1.71%。

3号风洞模拟平均烟温61.0℃，烟气平均流速13.99m/s，β射线法实验测得的平均粉尘浓度为22mg/m3，由图1可以看出，该浓度下7次平行试验的标准偏差（Si）为0.38mg/m3，相对标准偏差（RSD）为1.71%。

图1 β射线法精密度实验结果

通过比较可以发现，在实验条件基本相同的情况下，当检测的粉尘浓度较高时，β射线法的精密度较高。

3.2.3 准确度

β射线法与膜称重法对1号、2号、3号风洞粉尘浓度的检测结果对比见表2，从结果看，两种方法对高、中、低粉尘浓度检测结果具有较高的一致性，相对偏差分别为5.00%、6.64%、8.33%，当粉尘浓度较高时，β射线法与滤膜称重法检测结果的一致性最好。

表2 准确度检测结果

3.3 适用性

使用β射线法进行现场颗粒物浓度检测，分别选取：1）电厂除尘后排放口；2）电厂脱硫后排放口；3）钢铁厂烧结机除尘后排放口；4）钢铁厂烧结机脱硫后排放口；5）钢铁厂球团烧结排气塔五个点进行现场颗粒物浓度检测，每个点平行测量4次，结果见图2。

图2 β射线法现场检测结果

从图2可看出，排放烟气中颗粒物浓度相对较低的电厂除尘后排放口、电厂脱硫后排放口、钢铁厂球团烧结排气塔的检测结果稳定性较好，排放浓度均在10mg/m3以下。如图3所示，各点在进行平行测量时的烟气含湿量、烟气温度均恒定，对检测结果的影响不明显。现场检测过程中，钢铁厂烧结机除尘后排放口烟气流速较低且波动明显（见图4），有可能造成检测结果的波动。

图3 β射线法现场检测工况

图4 β射线法现场检测烟气流速

4 结论

通过实验室模拟及现场检测，对β射线法测量固定污染源废气中颗粒物浓度的可靠性进行了研究。通过实验室风洞模拟实验分析，得出该方法检出限为0.36mg/m3，高、中、低浓度（145mg/m3、56mg/m3、22mg/m3）颗粒物测量结果的相对标准偏差分别为1.09%、1.71%、1.71%，测量较高浓度颗粒物时的精密度较好。研究发现，β射线法对高、中、低粉尘浓度检测结果与膜称重法测量结果相对偏差均在10%以下，当粉尘浓度较高时，β射线法与膜称重法测得结果一致性相对较高，相对偏差仅为5%。通过现场检测验证，β射线法在不同工况环境下的实际应用状况良好，烟气含湿量、烟气温度对检测结果的影响不明显，颗粒物排放浓度、烟气流速对测量结果有一定的影响，具体关系需进一步研究分析。

通过研究分析可见，β射线法测量固定污染源废气中颗粒物浓度较为可靠，在实际应用中应针对颗粒物浓度设计不同量程的测量设备，在烟气流速较低且波动较大时应增加平行检测次数，以确保测量结果的准确性。

[1] HJ 168-2010，环境监测 分析方法制修订技术导则[S].

[2] GB/T 16157-1996，固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法[S].

[3] 王永敏，高健，等.光散射法与β射线衰减-光散射联用法颗粒物在线测量方法对比[J].环境科学研究，2017（3）：108-118.

[4] 郑道敏，吴微燕，等.β射线衰减法和重量法测定环境空气中PM10的对比研究[J].环境污染与防治，2007（2）：138-140.

[5] 郭浩，纪德钰，等.激光散射法与β射线法测量环境空气中颗粒物质量浓度的差异[J].环境与可持续发展，2015（3）：195-197.

[6] 胡月琪，王琛，等.固定源细颗粒物监测技术现状分析与思考[J].环境科技，2016（1）：73-78.

Reliability Analysis of Particle Concentration Measured by β-ray Method

ZHANG Bei1, LIU Wen-kai2, XIAO Jun1, LIU Bing-bing1, HAO Pan-pan1, XIANG Hai-en1
(1.China National Center for Quality Supervision and Test of Environmental Protection Products, Shijiazhuang 050091; 2. Hebei Province Environmental Monitoring Center Station, Shijiazhuang 050091, China)

The paper briefy introduces the principle of particle concentration measured by β-ray method. Based on the test research on the blank test, the precision of the method, the accuracy of the method and the suitability of the method, the paper considers that the β-ray method is more reliable in measuring the concentration of particulate matter in the waste gas of stationary pollution sources. In comparison to the traditional flter membrane method, it has the advantages of data came out on the spot and high effciency. However, in the practical application, it should design different measuring equipment aiming at the particle concentration. In case, the fue gas velocity of fow is lower and the fuctuation is greater, we should increase the numbers of parallel checks and tests in order to ensure the accuracy of the measurement results.

β-ray; particle concentration; blank test; precision; accuracy; applicability; reliability

X831

A

1006-5377（2017）08-0055-04