基于一种新型固定源废气颗粒物采样管优越性的验证测试

泉州市绿色低碳研究院

0 引言

在环境监测固定污染源废气颗粒物污染物的采样过程中，由于颗粒物在烟道或排气筒的分布是不均匀的，因此通常采用等速采样和多点采样相结合的方法，以获得具有代表性的颗粒物样品，如果直径较大的圆形烟道或排气筒（如直径为2～4 m），测点数一般要求达到8～20个，这时就需要采用移动采样的方法逐点来收集样品[1-4]，由于每个采样点都需要一段采集时间，测量断面就出现了时间差的问题，同时现场采样人员暴露在污染环境的时间也较长。本文参考直升机的旋翼滑流理论[5]，设计了一种新型的固定源废气颗粒物采样管，即在采样管的前端设计了一组旋翼桨叶，旋翼桨叶在烟道或排气筒内迎着气流，气流给旋翼桨叶的压力转化为旋翼桨叶的驱动力矩，从而驱动旋翼桨叶旋转。气流经旋翼桨叶切割后穿出，损失了一部分功能且在旋翼桨叶后形成一个圆柱形涡面的稳定的滑动流场，气流裹挟的颗粒物就经旋翼桨叶“搅拌混合”进入这滑动流场中，使流场中的单位体积内分布的含尘量较为均匀。为验证新型采样管的科学实用性，进行了测试实验，收集新型采样管的系列检测数据，并与现有标准方法进行的相对准确度、相关系数、置信区间比对分析，在此前进行的实验中，发现新型采样管与参比方法比对其相对准确度在评价允许的范围内，但校准曲线的相关系数为0.767 8，说明新型采样管的优越性除自身设计的优势外，还与采样点的优化选择有很大关系。

1 新型固定源废气颗粒物采样管设计

在环境监测固定污染源废气颗粒物污染物的采样过程中，通常将颗粒物采样管由采样孔伸入烟道或排气筒中，使采样嘴置于测点上，正对气流，按照颗粒物等速采样原理，抽取一定量的含尘气体，根据采样管滤筒上所捕集到的颗粒物量和同时抽取的气体量，计算出排气中的颗粒物浓度[1-4]。由于要保持采样断面与气流方向垂直，采样管必须从采样孔进入后完成90°弯折动作，使采样嘴正对着气流方向。如同折叠雨伞的工作原理一样，新型采样管工作时在折叠气缸组件的驱动下将采样嘴前端的旋翼桨叶伸展，旋翼桨叶在气流的驱动下旋转，“搅拌混合”形成含尘量较为均匀的滑动流场。工作结束时在折叠气缸组件的牵引下完成收拢、折叠过程，弯折气缸组件与弯折连杆机构配合完成旋翼桨叶和采样嘴从烟道或排气筒的采样孔退出。采样管的结构设计见图1[6-7]。

图1 固定源废气颗粒物采样管的结构

2 验证测试方案

2.1 方案设计

本文设计的新型采样管主要解决现有技术问题是大直径的烟道或排气筒移动采样的样本数据代表性、精密性问题，常见的配置有较大直径烟道或排气筒的装置如工业锅炉，本着“先易后难、先简单后复杂”的验证测试原则，此次试验选择了较为简单的检测环境，不考虑不同烟气流速、烟尘浓度、含湿量、烟道几何尺寸变化等因素的影响。而循环流化床燃煤锅炉为悬浮燃烧方式，燃料蓄热燃烧层具有稳定厚度，燃煤添加量均匀；从布风板送出风压、鼓风量较为均匀；经引风机引出的排放烟气量也较为均匀且24 h连续工作，因此，其烟气、烟尘参数相对稳定，为此选择一台在用循环流化床燃煤锅炉作为测试对象。

监测现场的锅炉型号为YXL-12000MW，为蒸汽导热油一体循环流化床锅炉，锅炉烟气和烟尘经布袋除尘器、碱喷淋洗气塔等环保处理设施净化后，排往总烟风道，通过一根高50 m、直径4 m的烟囱向大气排放。监测采样点位置，选择其环保处理设施后一段平直烟风道开出两个采样口，两个采样断面相隔1.5 m，分别作为参比方法与新型采样管的采样断面。

新型采样管的优越性除自身设计的优势外，还与采样点的优化选择有很大关系，此次试验的目的是验证新型采样管的采样嘴（采样点）在采样断面上布点的选择的优化，也就是通过收集旋翼桨叶后的采样断面沿直径方向上不同采样点的颗粒物排放浓度数据，并与参比方法进行比对分析，寻找最能代表烟道整个流场的颗粒物排放浓度的采样点。具体的方案是在采样管旋翼桨叶后的测试断面内，以其中心为起点，间隔一段距离设置一个采样嘴（采样点），在同一时间段收集颗粒物排放浓度数据，根据现场烟风道直径为1 m，沿采样断面直径方向距中心线0.2 m、0.25 m、0.3 m、0.4 m处设置四个采样嘴（采样点）。

2.2 监测设备简介

根据现场监测环境，烟尘采样与分析由崂应3012H自动烟尘（气）测试仪、梅特勒ME204E电子天平完成，烟气测试仪校正用标准气体N2、O2混合气体：浓度21.0%。

参比方法（手工监测）所使用的采样管为青岛崂山应用技术研究所设计的崂应1085A烟尘多功能取样管。仪器设备均经福建省计量科学研究院检定或校准合格。

2.3 采样方案说明

采样方法依据GB/T 16157-1996《固定污染源排气中颗粒物的测定与气态污染物采样方法》[2]及GB/T 5468-1991《锅炉烟尘测试方法》[4]的要求。

参比方法（手工监测）采样方案：根据烟风道直径1 m，沿采样断面直径方向选择10个测点移动采样，每个测点连续采样时间3 min，采样时间30 min，等速采样方式，采样流速40 L/min，采样体积1 200 L，采集样本共计16个；

新型采样管采样方案：固定在同一测点连续采样30 min，等速采样方式，采样流速40 L/min，采样体积1 200 L，采集样本共计16个；

氧含量等烟气参数测定：在同一监测采样断面同时采集烟气参数30 min，积分取平均值。

因比对检测需要样本的数量较多，样本采集共计16个，所以采样要在3个工作日内连续完成。

3 实验数据与分析

3.1 同一时段手工监测数据与新型采样管数据比对结果

同一时段手工监测数据与新型采样管数据比对结果如表1所示。

表1 同一时段手工监测数据与新型采样管数据比对结果

3.2 比对检测数据分析

本文依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》[8]，运用现代统计学的理论[9][10]，并参考现有测量结果评定的规范和标准，以现有技术规范标准方法为参比方法[1-4]，对新型采样管的检测数据进行相对准确度、相关系数、置信区间比对检测并进行评定。

新型采样管的排放浓度为横坐标（X），以参比方法的排放浓度为纵坐标（Y），用一元线性回归方程建立两者变量关系：式中：—— 预测颗粒物浓度，mg/m3；

其中截距计算公式：

其中斜率计算公式：

式中：

置信区间的计算，见式（6），新型采样管颗粒物排放浓度测定值，其每一个值要求有95%的把握落在上述校准曲线为该排放源排放限值的±15%的两条直线区间内。

n—— 样本数量

由上述公式可求出在新型采样管监测颗粒物浓度平均值处的95%置信区间半宽为0.704。

相对准确度的计算，见式（7）

同一时段各采样点比对检测结果，如表2所示。

表2 各采样点比对检测结果

4 结语

在前期进行的测试过程中发现新型采样管的优越性除自身设计的优势外，还与采样点的优化选择有很大关系。此次试验选择了较为简单的检测环境，先排除烟气流速、烟尘浓度、含湿量、烟道几何尺寸变化等因素的影响，选择循环流化床燃煤锅炉为测试对象，收集新型采样管的系列检测数据，并与现有标准方法进行的相对准确度、相关系数、置信区间比对分析，评定的结果显示在新型采样管旋翼桨叶后的采样断面沿直径方向距中心线0.3 m处采集的样本其相对准确度和相关系数是最好的，即说明旋翼桨叶后形成一个圆柱形涡面的稳定的滑动流场，其含尘流场可能有一个较优的采样点，更能够代表整个流场的颗粒物排放浓度，可推断这个采样点应该是分布在距采样断面中心线3/5半径的圆环上。当然仅仅一次的试验不足以说明问题，而且是在烟气、烟尘参数较为稳定的测试环境中，对于烟气、烟尘参数大幅变化的检测环境没有涉足，新型采样管的优越性能否体现出来还是未知数，因此，有必要继续测试，累积更多的实验数据并不断改进设计。

[1]国家环保部编委会.空气和废气监测分析方法[M].中国环境科学出版社.2003-09.

[2]中国环境监测总站.GB/T 16157-1996固定污染源排气中颗粒物的测定与气态污染物采样方法[S].北京：中国标准出版社，1996.

[3]国家环境保护总局.HJ/T 373-2007固定污染源监测质量保证与质量控制技术规范（试行）[S].北京：中国标准出版社，2007.

[4]国家环境保护总局.GB/T 5468-1991锅炉烟尘测试方法[S].北京：中国标准出版社，1991.

[5]王适存，徐国华.直升机旋翼空气动力学的发展[J].南京航空航天大学学报，2001，33（3）：203-211.

[6]杨松.一种固定源废气颗粒物采样管[P].中国；2017104207993，2017-08-11.

[7]杨松.一种固定源废气颗粒物采样管的使用方法[P].中国；2017104208286，2017-08-29.

[8]全国法制计量管理计量技术委员会.JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S].北京：中国计量出版社，2012.

[9]陈希孺.概率论与数理统计[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

[10]国家环境保护总局.HJ/T 75-2007固定污染源烟气排放连续监测技术规范[S].北京：中国标准出版社，2007.