一種新的固定源廢氣顆粒物采樣方法的驗證測試

楊松/泉州市綠色低碳研究院

0 引言

在環境監測固定污染源廢氣顆粒物的采樣過程中，由于煙氣在煙道或排氣筒內流速不均勻，影響了顆粒物分布的均勻性，因此，通常采用等速采樣和移動采樣相結合的方法，獲得具有代表性的顆粒物樣品。如果使用直徑較大的煙道或排氣筒，測量點數要求達到20個，需要采用移動采樣的方法逐點收集樣品[1-5]。由于每個測量點都需要一段采樣時間，測量斷面會出現時間差，從而影響樣品的代表性，同時現場采樣人員暴露在污染環境的時間也較長。本文受皮托管原理的啟示，設計了一種固定源廢氣顆粒物采樣方法（以下簡稱新采樣方法），即讓排氣筒的開口背對煙氣流，那么排氣筒內任意采樣斷面所測得的壓力均為靜壓。換言之，煙氣流背對著排氣筒的開口，排氣筒內對煙氣任意采樣斷面所測得的壓力由動壓變為靜壓。根據伯努利原理，靜壓與煙氣密度成正比，而排氣筒內任意一個采樣斷面的煙氣密度基本不變，即排氣筒內的煙氣形成流速、壓力穩定的流場。因此，選擇均勻流場中的某個斷面的某個點作為固定采樣點，都能夠有效地代表顆粒物在某一時間段內的排放濃度。為驗證新采樣方法的科學實用性，進行了驗證測試實驗，收集現有標準方法[1-5]與新采樣方法的比對檢測數據，并與現有標準方法進行準確度、相關系數、精密度比對分析。

1 新采樣方法采樣裝置

設計了一種新的固定源廢氣顆粒物采樣方法，采樣裝置結構如圖1所示。采樣裝置包括雙層同心圓管、蜂巢管填料、靜壓排氣孔，雙層同心圓管由皮托外管與皮托內管構成，皮托外管與皮托內管的下端設計共同底座，皮托外管與皮托內管之間形成的圓環管上端開口密封，下端開口被底座密封。皮托外管壁中部開口與煙道連接，皮托內管上端開口與排氣筒連接，下端開口被底座密封，皮托內管內填充蜂巢管填料，蜂巢管填料由平行的等六邊形管件編組而成，其長度與皮托內管長度相等。皮托內管下端在距底座面50 mm處的管壁上均勻地開有一圈靜壓排氣孔，靜壓排孔的開孔面積與煙道截面積相等[6-7]。

圖1 新采樣方法采樣裝置的結構及現場監測布置

2 驗證測試

2.1 驗證測試方案

新采樣方法是否能夠滿足檢測要求，方案以現有的標準方法（HJ/T 397-2007、GB/T 16157-1996、HJ/T373-2007、HJ 836-2017、GB/T 5468-1991） 為參比方法，用兩種方法同時段平行采樣，并分析其精密度、準確度，如果結果一致，那么新采樣方法將具有一定的實用性。

監測現場的鍋爐型號SZL6-1.25-W，為鏈條燃煤鍋爐，鍋爐煙氣和煙塵通過文丘里麻石水膜除塵器、堿噴淋洗氣塔等環保處理設施凈化后，排往總煙風道，通過一根高20 m的煙囪向大氣排放。由于現有舊煙囪無法按照新采樣方法進行改造，因此，在總煙風道平直段增加了一段支線試驗煙道，采用新采樣方法與參比方法分別進行現場監測，參比方法與新采樣方法中兩個采樣斷面分別設在原有煙道和支線試驗煙道上。

2.2 監測設備

根據現場監測環境，煙塵采樣與分析由嶗應3012H自動煙塵（氣）測試儀、梅特勒ME204E電子天平完成，煙氣測試儀校正用標準氣體N2、O2混合氣體：濃度21.0%。

監測所使用的煙塵采樣管為嶗應1085A煙塵多功能取樣管。儀器設備均經福建省計量科學研究院檢定或校準合格。

2.3 采樣方案說明

采樣方法依據HJ/T 397-2007《固定源廢氣監測技術規范》[1]、GB/T 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態污染物采樣方法》[2]及GBT 5468-1991《鍋爐煙塵測試方法》[5]的要求。

參比方法采樣方案：根據煙風道直徑0.6 m，沿采樣斷面直徑方向選擇4個測量點移動采樣，每個測量點連續采樣時間3 min，采樣時間共12 min，等速采樣方式，采樣流量40 L/min，采樣體積480 L，采集樣本共計16個。

新采樣方法采樣方案：固定在同一測量點，連續采樣12 min，等速采樣方式，采樣流量40 L/min，采樣體積480 L，采集樣本共計16個。

氧含量等煙氣參數測定：在同一監測采樣斷面同時采集煙氣參數12 min，用積分取平均值。

3 實驗數據與分析

3.1 同一時段參比方法與新采樣方法監測數據比對結果

依2.3的方法采集監測數據，結果如表1所示。

表1 同一時段參比方法與新采樣方法監測數據比對結果

3.2 比對檢測數據與分析

依據JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[8]，并參考現有測量結果評定的規范和標準[9]，以現有標準方法為參比方法[1-5]，對新采樣方法的檢測數據進行準確度、相關系數、精密度比對分析。

新采樣方法實測顆粒物濃度為橫坐標（X），以參比方法實測顆粒物濃度為縱坐標（Y），用一元線性回歸方程建立兩者變量關系[8-9]：

b0——線性相關校準曲線截距，計算見式（2）；

b1——線性相關校準曲線斜率，計算見式（4）；

X——新采樣方法實測顆粒物濃度，mg/m3

其中截距計算公式：

其中斜率計算公式：

線性相關系數r計算見式（6）

式中：Syy——計算見式（7）

由上述新采樣方法與參比方法的檢測數據獲得的校準曲線：y=1.001 2 x+0.096 5；線性相關系數r=0.89。

置信區間的計算見式（8）

n——樣本數量

由式（8）可求出，在參比方法實測顆粒物濃度平均值處的95%置信區間半寬為1.04，即新采樣方法實測顆粒物濃度的每一個測量值，要求有95%的把握認為該批測量值的每一個值，均應落在參比方法實測顆粒物濃度平均值28.7±1.04的兩條直線組成的區間內。

準確度的計算，見式（9）

式中：Rep%——實測顆粒物濃度相對誤差

通過上述公式進行的新采樣方法與參比方法實測顆粒物濃度準確度計算，新采樣方法的檢測數據相對誤差為-0.46%，相關系數為0.89，精密度為1.04。

4 結語

受皮托管原理的啟示，設計了一種新的固定源廢氣顆粒物采樣方法。為驗證新采樣方法的實用性，進行了驗證測試。收集現有標準方法與新采樣方法的比對檢測數據，并與現有標準方法進行準確度、相關系數、精密度比對分析，兩種方法同時段平行采樣，采集的樣本數據經分析后，新采樣方法相對誤差為-0.46%，相關系數為0.89，精密度為1.04，符合HJ/T 373-2007《固定污染源監測質量保證與質量控制技術規范（試行）》[3]要求。為將新采樣方法應用于實際檢測，還需進一步進行驗證試驗、累積數據，持續改進設計。