不同类型颗粒物切割器采样流量与切割粒径关系研究

田 莹, 张国城, 刘佳琪, 沈上圯, 吴 丹, 潘一廷, 荆文杰

(北京市计量检测科学研究院国家生态环境监测治理产品质量监督检验中心，北京100029)

1 引 言

近年来,空气颗粒物造成的环境污染已成为急需解决的问题之一。多种有毒、有害物质吸附在颗粒物表面,通过支气管和肺泡溶解在血液中,导致呼吸道和心血管疾病,严重危害人体健康[1～3]。为了确保有害气溶胶的浓度维持在造成健康不良效应的阈值以下,大气颗粒物浓度的准确监测非常重要[4,5]。切割器作为颗粒物浓度监测仪器的核心部件,对于粒径分级至关重要,根据切割粒径不同,可分为细颗粒物(PM2.5)切割器,亚微细颗粒物(PM1)切割器等。根据结构不同,分为撞击式,虚拟撞击式和旋风式切割器。切割器的性能直接决定了监测结果的准确性,因此,HJ 93—2013标准对PM2.5等切割器的性能评价方法和指标要求进行了明确规定[6]。

此前,已有研究人员开展了切割器的评价工作,Barth根据颗粒物受到的离心力和阻力的相对大小来预测旋风切割器的采集效率[7]。Iozia和Leith团队基于旋风切割器入口面积、高度和流速等提出预测采集效率的方程[8,9]。阮兵等采用多分散和单分散标定装置对PM1.0/PM2.5旋风切割器的性能进行测试[10,11]。本课题组前期利用空气动力学粒径谱仪法获得了PM1.0/2.5/10.0切割器的物理采集效率[12～14],并通过研究颗粒种类对测量结果的影响[15],揭示了流量变化会引起切割曲线平移,进而实现PM2.5/PM1.0切割器的切换[13]。

本研究基于静态箱法搭建的切割器评价系统,通过改变标准流量旋风式切割器、可调流量旋风式切割器(市场上存在的一种可通过调整采样流量,实现PM2.5或PM10切换的切割器)和撞击式切割器的采样流量实现PM1.0/PM2.5/PM4.0切割模式的切换,并研究了仪器结构对切换的影响,探索了采样流量与D50关系的适用性。

2 实验方案

实验采用的旋风切割器为BGI公司生产的VSCC-PM2.5、VSCC-PM1.0切割器、VSCC1.829切割器和VSCC2.654切割器。撞击式切割器为国产品牌的PM2.5切割器。其中VSCC-PM2.5,VSCC-PM1.0和PM2.5撞击式切割器的标准工作流量为16.7 L/min,这几种切割器的实物如图1所示。

图1 不同原理的切割器实物图Fig.1 Pictures of cutters with different principles

实验基于静态箱法的原理搭建了切割器的评价系统,包括气溶胶发生系统,生物气溶胶混匀舱,切割和参比管路,空气动力学粒径谱仪等。通过雾化亚利桑那尘(A1尘)悬浮液,在舱内形成连续粒径分布的气溶胶(图2)。为了保证混匀舱内维持合适的气溶胶浓度,光散射粉尘仪实时监测舱内气溶胶浓度,并反馈给控制系统,从而完成闭环调节。利用颗粒物传感器对舱内不同位置的气溶胶浓度均匀性和稳定性进行测试,结果均优于规范中的指标要求,以上结果表明系统内部的气溶胶浓度稳定且分布均匀,为后续实验奠定基础[16～18]。舱内安装待测切割器和参比管路,连接空气动力学粒径谱仪,分别记录切割器切割前后的气溶胶浓度,即切割器上游颗粒物数浓度C1和切割器出口的下游颗粒物数浓度C2,其采集效率E的计算式为:

(1)

将不同粒径下的浓度比通过拟合绘制出切割器的采集效率曲线。因空气动力学粒径谱仪的进气流量为5 L/min,所以可根据待测切割器的工作流量进行调整,移除或者补充气体,保证空气动力学粒径谱仪的正常工作。

图2 切割器的评价系统Fig.2 Evaluation system of cutter

通过切割器的采集效率曲线可以得到切割器的重要性能指标,例如,D16,D50,D84指的是在切割器采集效率为16%,50%,84%时对应的空气动力学粒径,锐度值用于描述采集效率曲线的陡峭性。几何标准差δg及锐度值(S)的计算式如下:

(2)

(3)

3 结果和讨论

3.1 标准流量旋风式切割器D50与流量的关系

大气颗粒物监测中,大部分使用采样流量为16.7 L/min的切割器,又称为标准流量切割器,例如BGI生产的VSCC-PM2.5和VSCC-PM1.0切割器。利用搭建的评价系统对切割器性能测试,结果如表1所示,在标准的工作流量16.67 L/min的条件下,PM2.5切割器的D50是2.57 μm,符合HJ 93—2013标准中对PM2.5切割器的要求,D50合格范围(2.5±0.2) μm,几何标准偏差合格范围1.2±0.1。PM1.0切割器的D50为1.0 μm,在1.2±0.1的范围内,几何标准偏差分别为1.29和1.28。锐度值可用于表征采集效率曲线的陡峭性,切割器出口直径越小,流量越大,锐度值越小,采样效率曲线越陡峭,从而避免在高负荷采样条件下,切割器切割粒径的偏移[19]。

表1 VSCC-PM1.0和VSCC-PM2.5旋风式切割器的性能指标Tab.1 Performance indexes of VSCC-PM1 and VSCC-PM2.5 cutters

为研究采样流量对旋风式切割器性能的影响,调整切割器的采样流量,由图3(a)和(b)可知,采集效率曲线随着流量增加不断左移,切割粒径D50随着采样流量的增加不断降低。因此可以通过改变采样流量Q得到相应的切割粒径。通过拟合曲线得到D50与采集流量的曲线关系(图3(c)和图3(d)):D50=34.73×Q-0.928,R2=0.997(PM2.5切割器);D50=14.81×Q-0.939,R2=0.976(PM1.0切割器)。

当PM1.0切割器的采样流量从16.67 L/min调节到6.67 L/min和4.00 L/min时,D50由1.00 μm变化到2.70 μm和4.14 μm,即由PM1.0切割器切换为PM2.5和PM4.0采样;当PM2.5切割器的流量从16.67 L/min变化到10 L/min和40.67 L/min时,D50由2.57 μm变化到4.09 μm和1.05 μm,即由PM2.5切割器切换到PM4.0和PM1.0切割器。因此,对于标况流量为16.7 L/min的PM1.0切割器,流量变化到40%和25%左右时,可以切换到PM2.5和PM4.0切割器。同样对于旋风式PM2.5切割器,PM1.0、PM2.5和PM4.0切割模式的变换,其对应的流量比也是特定的,且比例与PM1.0切割器基本一致。

旋风式切割器通过利用圆柱结构中气流产生的离心力将颗粒物按粒径大小分离。在旋风式切割器气流中运动的气溶胶粒子会由于离心力作用而脱离运动轨迹。颗粒物粒径越大受到的离心力越大,从而在内壁形成更多沉积,提高切割器的采集效率。切割器切割粒径随采样流量改变的原因主要是采样流速的增加导致内部空气速度和离心效应的增加,从而减小切割粒径[20]。

图3 采样流量对VSCC-PM2.5和VSCC-PM1切割器的影响Fig.3 Influence of sampling flow rate on VSCC-PM2.5 and VSCC-PM1 cutters

3.2 可调流量旋风式切割器D50与采样流量的关系

对于可调流量BGI旋风式切割器,其设计目的就是实现不同流量下不同切割模式的切换,为不同场合的使用提供便利。通过选取VSCC2.654和VSCC1.829这2个型号进行验证,研究流量对切割粒径D50的影响,结果如图4和表2所示。通过拟合曲线得到D50与采集流量的曲线关系:D50=26.88×Q-1.083,R2=0.999(VSCC2.654切割器);D50=18.95×Q-1.422,R2=0.960(VSCC1.829切割器)。同样可以通过改变采样流量来得到相应的切割粒径,拓宽切割器的使用范围。模型曲线和实验拟合曲线结果显示,VSCC2.654和VSCC1.829在采样流量较大时呈现出较好的重合度,但采样流量较小时,偏差逐渐增大。

3.3 切割器D50快速评估方法

多种旋风式切割器中,采样流量Q与切割器D50的函数关系拟合度高,但不同切割器拟合出的参数有所差异,且复杂难以记忆。结合表1和表2的数据,可以发现不同流量下,D50和对应流量Q的乘积近似相等,即两者呈现反比关系,见式(4)。以VSCC-PM1.0切割器为例,D50由1.00 μm增加到2.50 μm和4.00 μm时,可以计算出对应的理论采样流量下降到原来的40%和25%,与实测结果一致。

D50×Q=常数

(4)

表2 VSCC2.654和VSCC1.829旋风式切割器在不同采样流量下的性能指标Tab.2 Performance indexes of VSCC2.654 and VSCC1.829 cutter under different sampling flow rates

根据式(4)可以快速估算出其他切割粒径D50对应的采样流量,即通过流量调节可快速实现某一切割器在PM1.0、PM2.5或PM4.0等多种切割模式之间的切换。

3.4 撞击式切割器D50与采样流量的关系

同时,撞击式切割器在长时间采样过程中,由于气溶胶颗粒在涂油的撞击板表面累积导致切割粒径发生变化。而且当温度低于25 ℃时,油层会发生结晶,影响切割器的性能,需要较为频繁地进行清洁[22,23]。因此,旋风式切割器在长时间采样时,更具有优势。

图5 流量对PM2.5撞击式切割器的影响Fig.5 Influence of flow rate on impaction-type PM2.5 cutter

表3 PM2.5撞击式切割器在不同采样流量下的性能指标Tab.3 Performance indexes of impaction-type PM2.5 cutter under different sampling flow rates

4 结 论

本文利用静态箱法,研究了多种旋风式切割器和撞击式切割器采样流量与切割粒径D50的关系。结果发现对于旋风式切割器,无论PM1或PM2.5,还是标准流量或可调流量,采样流量Q和切割粒径D50的乘积均近似相等,即两者近似呈反比关系。通过某一额度流量下对应的切割器类型,可快速估算出它转变为其他类型切割器所对应的采样流量,通过流量调节可快速实现某一切割器在PM1.0、PM2.5或PM4.0等多种切割模式之间的切换,或根据实际采样流量的偏差快速评估切割粒径D50的偏差,这在实际应用中具有一定的指导意义。对于撞击式切割器,本研究中D50的平方根与采集流量近似成反比,但是该函数关系对其他型号的切割器,及其他流量的切割器能否适用,有待进一步研究。