泉州市綠色低碳研究院

0 引言

在環(huán)境監(jiān)測(cè)固定污染源廢氣顆粒物污染物的采樣過(guò)程中，由于顆粒物在煙道或排氣筒的分布是不均勻的，因此通常采用等速采樣和多點(diǎn)采樣相結(jié)合的方法，以獲得具有代表性的顆粒物樣品，如果直徑較大的圓形煙道或排氣筒（如直徑為2～4 m），測(cè)點(diǎn)數(shù)一般要求達(dá)到8～20個(gè)，這時(shí)就需要采用移動(dòng)采樣的方法逐點(diǎn)來(lái)收集樣品[1-4]，由于每個(gè)采樣點(diǎn)都需要一段采集時(shí)間，測(cè)量斷面就出現(xiàn)了時(shí)間差的問(wèn)題，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采樣人員暴露在污染環(huán)境的時(shí)間也較長(zhǎng)。本文參考直升機(jī)的旋翼滑流理論[5]，設(shè)計(jì)了一種新型的固定源廢氣顆粒物采樣管，即在采樣管的前端設(shè)計(jì)了一組旋翼槳葉，旋翼槳葉在煙道或排氣筒內(nèi)迎著氣流，氣流給旋翼槳葉的壓力轉(zhuǎn)化為旋翼槳葉的驅(qū)動(dòng)力矩，從而驅(qū)動(dòng)旋翼槳葉旋轉(zhuǎn)。氣流經(jīng)旋翼槳葉切割后穿出，損失了一部分功能且在旋翼槳葉后形成一個(gè)圓柱形渦面的穩(wěn)定的滑動(dòng)流場(chǎng)，氣流裹挾的顆粒物就經(jīng)旋翼槳葉“攪拌混合”進(jìn)入這滑動(dòng)流場(chǎng)中，使流場(chǎng)中的單位體積內(nèi)分布的含塵量較為均勻。為驗(yàn)證新型采樣管的科學(xué)實(shí)用性，進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，收集新型采樣管的系列檢測(cè)數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行的相對(duì)準(zhǔn)確度、相關(guān)系數(shù)、置信區(qū)間比對(duì)分析，在此前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)新型采樣管與參比方法比對(duì)其相對(duì)準(zhǔn)確度在評(píng)價(jià)允許的范圍內(nèi)，但校準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)為0.767 8，說(shuō)明新型采樣管的優(yōu)越性除自身設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)外，還與采樣點(diǎn)的優(yōu)化選擇有很大關(guān)系。

1 新型固定源廢氣顆粒物采樣管設(shè)計(jì)

在環(huán)境監(jiān)測(cè)固定污染源廢氣顆粒物污染物的采樣過(guò)程中，通常將顆粒物采樣管由采樣孔伸入煙道或排氣筒中，使采樣嘴置于測(cè)點(diǎn)上，正對(duì)氣流，按照顆粒物等速采樣原理，抽取一定量的含塵氣體，根據(jù)采樣管濾筒上所捕集到的顆粒物量和同時(shí)抽取的氣體量，計(jì)算出排氣中的顆粒物濃度[1-4]。由于要保持采樣斷面與氣流方向垂直，采樣管必須從采樣孔進(jìn)入后完成90°彎折動(dòng)作，使采樣嘴正對(duì)著氣流方向。如同折疊雨傘的工作原理一樣，新型采樣管工作時(shí)在折疊氣缸組件的驅(qū)動(dòng)下將采樣嘴前端的旋翼槳葉伸展，旋翼槳葉在氣流的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，“攪拌混合”形成含塵量較為均勻的滑動(dòng)流場(chǎng)。工作結(jié)束時(shí)在折疊氣缸組件的牽引下完成收攏、折疊過(guò)程，彎折氣缸組件與彎折連桿機(jī)構(gòu)配合完成旋翼槳葉和采樣嘴從煙道或排氣筒的采樣孔退出。采樣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1[6-7]。

圖1 固定源廢氣顆粒物采樣管的結(jié)構(gòu)

2 驗(yàn)證測(cè)試方案

2.1 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的新型采樣管主要解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題是大直徑的煙道或排氣筒移動(dòng)采樣的樣本數(shù)據(jù)代表性、精密性問(wèn)題，常見(jiàn)的配置有較大直徑煙道或排氣筒的裝置如工業(yè)鍋爐，本著“先易后難、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜”的驗(yàn)證測(cè)試原則，此次試驗(yàn)選擇了較為簡(jiǎn)單的檢測(cè)環(huán)境，不考慮不同煙氣流速、煙塵濃度、含濕量、煙道幾何尺寸變化等因素的影響。而循環(huán)流化床燃煤鍋爐為懸浮燃燒方式，燃料蓄熱燃燒層具有穩(wěn)定厚度，燃煤添加量均勻；從布風(fēng)板送出風(fēng)壓、鼓風(fēng)量較為均勻；經(jīng)引風(fēng)機(jī)引出的排放煙氣量也較為均勻且24 h連續(xù)工作，因此，其煙氣、煙塵參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，為此選擇一臺(tái)在用循環(huán)流化床燃煤鍋爐作為測(cè)試對(duì)象。

監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的鍋爐型號(hào)為YXL-12000MW，為蒸汽導(dǎo)熱油一體循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐煙氣和煙塵經(jīng)布袋除塵器、堿噴淋洗氣塔等環(huán)保處理設(shè)施凈化后，排往總煙風(fēng)道，通過(guò)一根高50 m、直徑4 m的煙囪向大氣排放。監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)位置，選擇其環(huán)保處理設(shè)施后一段平直煙風(fēng)道開出兩個(gè)采樣口，兩個(gè)采樣斷面相隔1.5 m，分別作為參比方法與新型采樣管的采樣斷面。

新型采樣管的優(yōu)越性除自身設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)外，還與采樣點(diǎn)的優(yōu)化選擇有很大關(guān)系，此次試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證新型采樣管的采樣嘴（采樣點(diǎn)）在采樣斷面上布點(diǎn)的選擇的優(yōu)化，也就是通過(guò)收集旋翼槳葉后的采樣斷面沿直徑方向上不同采樣點(diǎn)的顆粒物排放濃度數(shù)據(jù)，并與參比方法進(jìn)行比對(duì)分析，尋找最能代表煙道整個(gè)流場(chǎng)的顆粒物排放濃度的采樣點(diǎn)。具體的方案是在采樣管旋翼槳葉后的測(cè)試斷面內(nèi)，以其中心為起點(diǎn)，間隔一段距離設(shè)置一個(gè)采樣嘴（采樣點(diǎn)），在同一時(shí)間段收集顆粒物排放濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煙風(fēng)道直徑為1 m，沿采樣斷面直徑方向距中心線0.2 m、0.25 m、0.3 m、0.4 m處設(shè)置四個(gè)采樣嘴（采樣點(diǎn)）。

2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)介

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境，煙塵采樣與分析由嶗應(yīng)3012H自動(dòng)煙塵（氣）測(cè)試儀、梅特勒ME204E電子天平完成，煙氣測(cè)試儀校正用標(biāo)準(zhǔn)氣體N2、O2混合氣體：濃度21.0%。

參比方法（手工監(jiān)測(cè)）所使用的采樣管為青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的嶗應(yīng)1085A煙塵多功能取樣管。儀器設(shè)備均經(jīng)福建省計(jì)量科學(xué)研究院檢定或校準(zhǔn)合格。

2.3 采樣方案說(shuō)明

采樣方法依據(jù)GB/T 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物的測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》[2]及GB/T 5468-1991《鍋爐煙塵測(cè)試方法》[4]的要求。

參比方法（手工監(jiān)測(cè)）采樣方案：根據(jù)煙風(fēng)道直徑1 m，沿采樣斷面直徑方向選擇10個(gè)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)采樣，每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)采樣時(shí)間3 min，采樣時(shí)間30 min，等速采樣方式，采樣流速40 L/min，采樣體積1 200 L，采集樣本共計(jì)16個(gè)；

新型采樣管采樣方案：固定在同一測(cè)點(diǎn)連續(xù)采樣30 min，等速采樣方式，采樣流速40 L/min，采樣體積1 200 L，采集樣本共計(jì)16個(gè)；

氧含量等煙氣參數(shù)測(cè)定：在同一監(jiān)測(cè)采樣斷面同時(shí)采集煙氣參數(shù)30 min，積分取平均值。

因比對(duì)檢測(cè)需要樣本的數(shù)量較多，樣本采集共計(jì)16個(gè)，所以采樣要在3個(gè)工作日內(nèi)連續(xù)完成。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 同一時(shí)段手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與新型采樣管數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

同一時(shí)段手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與新型采樣管數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果如表1所示。

表1 同一時(shí)段手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與新型采樣管數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

3.2 比對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

本文依據(jù)JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[8]，運(yùn)用現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論[9][10]，并參考現(xiàn)有測(cè)量結(jié)果評(píng)定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方法為參比方法[1-4]，對(duì)新型采樣管的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確度、相關(guān)系數(shù)、置信區(qū)間比對(duì)檢測(cè)并進(jìn)行評(píng)定。

新型采樣管的排放濃度為橫坐標(biāo)（X），以參比方法的排放濃度為縱坐標(biāo)（Y），用一元線性回歸方程建立兩者變量關(guān)系：式中：—— 預(yù)測(cè)顆粒物濃度，mg/m3；

其中截距計(jì)算公式：

其中斜率計(jì)算公式：

式中：

置信區(qū)間的計(jì)算，見(jiàn)式（6），新型采樣管顆粒物排放濃度測(cè)定值，其每一個(gè)值要求有95%的把握落在上述校準(zhǔn)曲線為該排放源排放限值的±15%的兩條直線區(qū)間內(nèi)。

n—— 樣本數(shù)量

由上述公式可求出在新型采樣管監(jiān)測(cè)顆粒物濃度平均值處的95%置信區(qū)間半寬為0.704。

相對(duì)準(zhǔn)確度的計(jì)算，見(jiàn)式（7）

同一時(shí)段各采樣點(diǎn)比對(duì)檢測(cè)結(jié)果，如表2所示。

表2 各采樣點(diǎn)比對(duì)檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

在前期進(jìn)行的測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新型采樣管的優(yōu)越性除自身設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)外，還與采樣點(diǎn)的優(yōu)化選擇有很大關(guān)系。此次試驗(yàn)選擇了較為簡(jiǎn)單的檢測(cè)環(huán)境，先排除煙氣流速、煙塵濃度、含濕量、煙道幾何尺寸變化等因素的影響，選擇循環(huán)流化床燃煤鍋爐為測(cè)試對(duì)象，收集新型采樣管的系列檢測(cè)數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行的相對(duì)準(zhǔn)確度、相關(guān)系數(shù)、置信區(qū)間比對(duì)分析，評(píng)定的結(jié)果顯示在新型采樣管旋翼槳葉后的采樣斷面沿直徑方向距中心線0.3 m處采集的樣本其相對(duì)準(zhǔn)確度和相關(guān)系數(shù)是最好的，即說(shuō)明旋翼槳葉后形成一個(gè)圓柱形渦面的穩(wěn)定的滑動(dòng)流場(chǎng)，其含塵流場(chǎng)可能有一個(gè)較優(yōu)的采樣點(diǎn)，更能夠代表整個(gè)流場(chǎng)的顆粒物排放濃度，可推斷這個(gè)采樣點(diǎn)應(yīng)該是分布在距采樣斷面中心線3/5半徑的圓環(huán)上。當(dāng)然僅僅一次的試驗(yàn)不足以說(shuō)明問(wèn)題，而且是在煙氣、煙塵參數(shù)較為穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)境中，對(duì)于煙氣、煙塵參數(shù)大幅變化的檢測(cè)環(huán)境沒(méi)有涉足，新型采樣管的優(yōu)越性能否體現(xiàn)出來(lái)還是未知數(shù)，因此，有必要繼續(xù)測(cè)試，累積更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)。

[1]國(guó)家環(huán)保部編委會(huì).空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法[M].中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.2003-09.

[2]中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.GB/T 16157-1996固定污染源排氣中顆粒物的測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[3]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.HJ/T 373-2007固定污染源監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證與質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范（試行）[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[4]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.GB/T 5468-1991鍋爐煙塵測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1991.

[5]王適存，徐國(guó)華.直升機(jī)旋翼空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33（3）：203-211.

[6]楊松.一種固定源廢氣顆粒物采樣管[P].中國(guó)；2017104207993，2017-08-11.

[7]楊松.一種固定源廢氣顆粒物采樣管的使用方法[P].中國(guó)；2017104208286，2017-08-29.

[8]全國(guó)法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2012.

[9]陳希孺.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

[10]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.HJ/T 75-2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.