超低排放条件下烟尘测试方法研究

刘含笑，方小伟，郦冰峰，何德源，杨倩

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800）

目前，我国大气污染环境形势依然严峻，《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014～2020年）》（简称“行动计划”）、《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》等政策的执行，全面实施超低排放势在必行[1～4]。随着燃煤电厂烟气“超低排放”项目陆续投运，超低排放烟尘测试的难题逐渐突显，如何提高测试精度，保证数据的可信度，一直是近年来研究的热点和难点[5～10]。

燃煤电厂烟尘测试有自动分析和手工分析两种方法，其中，自动分析法有光学法、电荷法、β射线法等，其中光学法分为光散射（包括前位散射和后位散射）和光透射法（又称浊度法）；手工分析法主要是指等速采样然后过滤称重法。手工测试方法作为自动分析方法的校准依据[11、12]，本文主要对手工测试方法的准确性进行研究和分析。

1 超低排放烟尘测试特点

1.1 烟尘浓度低

燃煤电厂烟气超低排放条件下的烟尘测试最重要的一个特点就是浓度低。根据国家“行动计划”的要求，燃煤电厂烟尘超低排放标准要求不高于10mg/cm3，某些地方政策要求是5mg/m3以下，而实际投运的燃煤电厂烟气超低排放机组，尤其是配置了湿式电除尘器的超低排放机组，烟尘排放浓度极低。有的达到了超超低排放（≤2.5mg/m3），如广州某热电8号机组配置了金属板式湿式电除尘器，经第三方测试，烟尘排放浓度仅为1.94mg/m3；有的甚至低于1mg/m3，如神华国华某电厂4号机组，配置金属板式湿式电除尘器，经第三方测试，烟尘排放浓度仅为0.41mg/m3。如此低的烟尘浓度，对烟尘测试方法提出了较高的挑战。

1.2 烟气湿度大

对于湿法脱硫出口及湿式电除尘器出口，烟气均为饱和湿烟气，且当湿法脱硫除雾性能不佳时，会有大量液滴逃逸。而超低排放测试往往需要较大的采样体积以保证足够的粉尘增量，以至于容易出现滤筒被冷凝水浸泡或破损的问题，造成无效采样，干烟气及湿烟气采样后的滤筒照片如图1所示。

1.3 测孔不规范

图1 采样后滤筒照片

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/T16157-1996）和《固定源废气监测技术规范》（HJ/T 397-2007）规定，采样孔的布置位置要满足“前6后3”的要求，即采样位置应布置在距离弯头、阀门、变径管等下游方向不小于6倍直径和距离上游方向不小于3倍直径的位置，以保证采样截面的流速及烟尘浓度分布满足采样要求。《固定源排放-低浓度颗粒物（粉尘）的质量浓度测定-手工重量分析法》（ISO 12141）要求的是“前5后2”。但实际上国内的燃煤电厂烟道测孔布置是不规范的，尤其是现场超低排放改造，许多改造项目现场空间极为有限，以至于测孔紧挨着弯头布置，有的甚至干脆就布置在弯头上面，这对采集有代表性的样品数据提出了极高的要求。

另外，目前国内燃煤电厂烟道测孔的内径一般为80mm，这对于总尘采样来说一般可以满足要求，但对于PM2.5测试，尤其是采用国外高精度采样设备进行采样时，采样枪弯头距离较大，现有采样孔尺寸无法满足要求，一般需拆除外部保温，割掉测孔进行测试，电厂较难配合。目前燃煤电厂测孔布置位置及尺寸一般如图2所示。

图2 燃煤电厂测孔布置位置图

2 国内外测试标准

2.1 国外测试标准

国外低浓度烟尘测试标准主要有ISO 12141-2002、ASTM D6331-13，可为我国超低排放条件下烟尘测试提供参考。

以ISO 12141为例，该标准适用于测定粉尘浓度〈50mg/m3的条件，尤其是5mg/m3左右。为提高测定精度，要求严格按标准规定的称重步骤操作，并保证样品采集足够的粉尘增量，主要是靠延长采样时间和采用大流量采样来实现。另外一项提高测量精度的措施是必须要开展空白试验，即在相同试验地点、相同测试方法但无抽气情况下实验样品的质量变化。要求空白实验值应不超过测试期间颗粒物浓度限值的10%，颗粒物增重应超过空白样品质量偏差正值的5倍，否则应视为无效数据。

总结ISO 12141提高测量精准性的关键有：合适的采样位置；合适的滤膜材料；合适的采样嘴；足够的粉尘采样量；滤膜前的粉尘量评价；空白试验；采样枪的加热等。

2.2 国内测试标准

以往，国内关于烟尘测试的标准有：GB/T16157-1996和GB/T13931-2002，但均针对高浓度烟气测试，其中GB/T 13931-2002已于2015年进行修订，补充了部分低浓度测试的规定，并于2015年11月报批。目前国内已有较多低浓度测试标准正在制定或已颁布实施，如下表所示。

国内低浓度烟尘测试标准

3 测试误差分类及分析

测量误差就是测量结果与被测量值真值之间的差异。真值是一个物理量在一定条件下所呈现的可观大小或真实数值，又称为理论值或定义值，它客观存在，但要确切给出真值大小却十分困难，通过测量手段得到的数据一定会存在误差。

根据误差的性质划分，误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差。系统误差是指在相同条件下，按某一确定规律变化的误差，也就是同一个被测量进行无限次数后得到的平均值与被测量真值之间的差异；随机误差又称为偶然误差，是在相同的条件下，多次测量同一量值时，所产生的不可预计的误差；粗大误差指明显超出规定条件下预期的误差值，又称为过失误差，此时的测量数据一般会舍弃不用。

根据误差的来源划分，误差可分为测量设备误差、测量方法误差、测量环境误差、测量人员误差等。测量设备误差主要包括采样枪、抽气泵及其相关附件的误差；测量方法误差主要是由于测量方法的不完善、测量所依据的理论不够严密或采用的近似公式等原因引起的误差；测量环境误差是由于各种环境因素与规定标准不一致所造成的误差，尤其是对于天平称重时环境的温湿度及有无振动或扬尘；测量人员误差是由于测量者主观因素，如技术熟练程度、生理及心理因素、固有操作习惯等引起的误差。

误差的存在是普遍和必然的，如何正确地认识及规避误差，正确处理测量结果和测试数据，合理计算所得结果，以得到真实可靠有代表性的数据，是超低排放条件下低浓度烟尘测试的关键。

4 现场实测研究

4.1 测试仪器及方法

测试仪器选用滤筒和滤膜两套系统，其中滤筒采样采用常规采样枪和3012H型自动烟尘测试仪，滤膜采样采用1085D型一体化采样枪和3012H型自动烟尘测试仪，仪器如图3所示。

图3 烟尘采样仪器

滤筒及滤膜均为进口石英材质，采样枪加热至160℃，测试方法参照ISO 12141-2002。采样前后对滤筒（膜）进行恒重和称重处理，进行空白试验。用0.01mg电子天平进行称重。

4.2 测试结果及分析

某1000MW机组配套的低低温电除尘器出口烟道为6进6出布置，进、出口测孔都布置在水平烟道上。电除尘器出口烟道截面尺寸为：4.2m×4.0m（高）= 16.8m2，烟道顶部布置有8个测孔，测试时每个测孔设4个测点，整个烟道截面共设32个测点。

经测试，滤筒和一体化采样头的样品增重、空白试验值及换算质量浓度数据如图4所示。滤筒的空白试验值为-0.2～0.3mg，最大正值的5倍是1.5mg，而实际采样的增重是3.8～6.1mg，均远超空白试验要求；一体化采样头空白试验值为0.1～0.4mg，最大正值的5倍是2mg，而实际采样的增重是3.8～4.1mg，也远超空白试验要求。两种测试方法均具有代表性，满足测试要求。经换算，滤筒测定结果为3.31mg/m3，一体化采样头测定结果为3.96mg/m3，数据较为接近，且一体化采样头测得的数据略大于滤筒，推测是因为滤筒采样未考虑弯头沉积粉尘的影响所致。

图4 测试结果

5 超低排放烟尘测试准确性评述

超低排放条件下烟尘测试结果的好坏可通过测量精度或测量结果的不确定性来评价，可将测试结果的精确度划分为精密度和准确度两部分，如图5所示。

图5 测试结果精确度示意

测量的精密度指的是在相同条件下，多次测量值之间的一致性程度，即数据是呈现发散还是密集状态。这依靠精密度较高的测量仪器来控制。对于超低排放烟尘测试来说，首先过滤材质应选用石英过滤材料，当采用滤筒时，应采用大流量采样仪，采样枪应采用保温加热枪，且采样枪应避免弯头粉尘沉积损失[13～15]，如图6所示的低浓度采样枪/头；样品称重应采用0.01mg天平甚至0.001mg天平，有条件的还可配备自动称重系统，如AWS-1R型自动称重系统，确保称重环境恒温、恒湿、无尘、无风、无振动、无噪声，且去静电影响，采用机械手臂精准输送，避免人为误差。

测量的准确度指的是测量值与“真值”的接近程度。这主要依靠科学的测试方法来控制。对于超低排放烟尘测试来说，首先应保证采样点有代表性，并保证样品有足够的粉尘增量（≥2mg），采样前后需对滤膜或滤筒进行恒重处理，且必须进行空白试验，对测试结果进行评价。

图6 低浓度烟尘采样枪/头

6 结语及展望

超低排放烟尘测试所采用的测试仪器和方法应精确、科学并统一，测孔位置应规范，保证足够的样品粉尘增量，且需进一步规范现场采样及实验室称重步骤。

值得注意的是，目前标准规定的烟尘排放限值考核的是瞬时排放值（1小时平均），这样实际上是非常严苛的，如美国等国家要求考核30日/24小时，是值得我们借鉴和学习的；另外，我们目前考核的是单纯的污染物排放限值，未考虑绩效考核，如美国的绩效排放限值（1b/MWh），这样导致许多项目为了实现超低排放或超超低排放，不计成本投入，且在目前燃煤发电低负荷为常态的形势下，应慎重考虑如何对污染物排放限值进行科学有效考核。

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