武亞鳳，陳建華，鐘連紅

1. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)研究所, 北京 100012

2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院大氣環(huán)境研究所, 北京 100012

3. 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 北京 100037

目前我國(guó)大氣污染治理處于攻堅(jiān)期、窗口期，細(xì)顆粒物污染依舊突出，加強(qiáng)細(xì)顆粒物與相關(guān)污染物協(xié)同控制是“十四五”乃至更長(zhǎng)時(shí)期我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)主要的工作重點(diǎn). 國(guó)內(nèi)尚未發(fā)布針對(duì)燃煤污染源排放細(xì)顆粒物的排放標(biāo)準(zhǔn)及配套標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法. 我國(guó)適用于固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)采樣方法包括《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157-1996)[1]、《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157-1996)修改單[2]以及《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物的測(cè)定 重量法》(HJ 836-2017)[3]，上述標(biāo)準(zhǔn)采樣方法針對(duì)排氣筒等固定污染源排氣中總煙塵的測(cè)定進(jìn)行了規(guī)定，且采集到的顆粒物通常為直接以固態(tài)形式排放出來(lái)的可過(guò)濾顆粒物，難以準(zhǔn)確反映燃煤污染源對(duì)環(huán)境空氣中細(xì)顆粒物的實(shí)際貢獻(xiàn)值. 國(guó)外雖已推出固定污染源煙氣中PM10、PM2.5的推薦測(cè)試方法[4-9]，但僅用于建立PM10、PM2.5排放源清單，以了解燃煤污染源排放的顆粒物對(duì)大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)值.

近年來(lái)，針對(duì)燃煤污染源排放的細(xì)顆粒物已開展了大量分級(jí)采樣測(cè)試. 李小龍等[10]采用DPI顆粒物分粒徑采樣器對(duì)6家超低排放燃煤電廠濕法脫硫和濕式電除塵器進(jìn)出口煙氣開展了顆粒物的分級(jí)測(cè)試，分析了不同除塵器對(duì)不同粒徑段顆粒物的脫除效率.蔣靖坤等[11-15]采用雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器、低壓荷電撞擊器（ELPI）等對(duì)燃煤污染源排放煙氣中的顆粒物開展了大量分級(jí)測(cè)試研究工作，并對(duì)固定污染源可凝結(jié)顆粒物的3種測(cè)試方法開展了現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試工作. 武亞鳳等[16]采用Dekati ELPI+和DI1000稀釋系統(tǒng)測(cè)試研究了某電廠燃煤鍋爐機(jī)組在不同燃用煤種、不同煙冷器出口溫度下顆粒物排放數(shù)濃度以及粒徑分布特征. Shin等[17-18]針對(duì)燃煤電廠也開展了大量細(xì)顆粒物排放特征研究. Liu等[19]采用DGI研究了京津冀地區(qū)6個(gè)燃煤電廠采用濕法脫硫?qū)M2.5濃度粒徑分布的影響規(guī)律，研究表明，濕法脫硫?qū)倯腋☆w粒物的去除率(52.30%)較好；但經(jīng)過(guò)濕法脫硫裝置處理后的排氣中PM2.5濃度有所增加，粒徑小于0.2 μm的顆粒物為主要貢獻(xiàn)，周科等[20-21]研究結(jié)果也佐證了該結(jié)論.

基于現(xiàn)有科研測(cè)試工作，目前采用的固定污染源顆粒物分級(jí)采樣測(cè)試方法通常包括直接采樣法和稀釋采樣法，其中，直接采樣法顆粒物分級(jí)采樣器包括加熱型PM2.5采樣系統(tǒng)(Dekati重力撞擊采樣器，簡(jiǎn)稱“Dekati DGI”)、雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器等，稀釋采樣法顆粒物分級(jí)采樣器包括芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的低壓荷電撞擊器(ELPI/ELPI+)配備稀釋系統(tǒng)、稀釋型PM2.5采樣系統(tǒng)、部分科研單位自主研發(fā)的細(xì)顆粒物稀釋采樣系統(tǒng)等. 不同采樣方法采樣原理不同，顆粒物粒徑分級(jí)區(qū)間也不同. 但目前基于不同采樣原理的固定污染源顆粒物分級(jí)采樣方法同步比對(duì)測(cè)試研究較少，因此該研究采用民用小煤爐排放裝置結(jié)合煙氣采集系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)直接采樣法(雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器、旋風(fēng)采樣器、總煙塵采樣器)和稀釋采樣法〔低壓荷電撞擊器(ELPI)配備稀釋系統(tǒng)〕開展了測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性和相關(guān)性分析，以及涉及的4種顆粒物采樣器可操作性分析，研究了不同煤質(zhì)對(duì)顆粒物濃度測(cè)試結(jié)果的影響，評(píng)估了各類采樣方法和采樣器的適用性，以期為我國(guó)燃煤污染源顆粒物分級(jí)采樣標(biāo)準(zhǔn)方法的制定提供技術(shù)支撐.

1 基于模擬系統(tǒng)的顆粒物采樣比對(duì)試驗(yàn)方法

1.1 顆粒物采集系統(tǒng)的建立

實(shí)驗(yàn)室比對(duì)測(cè)試流程見(jiàn)圖1. 以民用小煤爐作為煙氣排放源，模擬燃煤污染源. 煙氣采集系統(tǒng)由煙道裝置和各顆粒物采樣器組成. 煙道裝置包括一個(gè)呈喇叭狀的煙氣罩和直徑為25 cm的不銹鋼材質(zhì)煙道構(gòu)成. 煙道尾端與抽氣泵連接. 抽氣泵工作時(shí)，除了能保證燃煤產(chǎn)生的煙氣全部吸入煙道，還能將周圍環(huán)境中體積數(shù)倍于煙氣的空氣一并吸入，在煙道內(nèi)與熱煙氣進(jìn)行稀釋混合，以保證煙道內(nèi)煙氣流速的穩(wěn)定.

圖1 采樣系統(tǒng)示意Fig.1 Schematics of sampling system

由于小煤爐的煙道比較細(xì)，且煙氣流速較低，該試驗(yàn)不是直接在小煤爐的煙道內(nèi)取樣，而是在稀釋后的煙道內(nèi)取樣. 稀釋后的煙道內(nèi)煙氣流速約為9 m/s，稀釋煙道直徑為25 cm，經(jīng)計(jì)算煙道內(nèi)煙氣流量約為26 000 L/min. 該研究涉及的4臺(tái)顆粒物采樣器總?cè)恿坎蛔?00 L/min，占總煙氣量比例不足1%，從而規(guī)避了各顆粒物采樣器同步采樣時(shí)的互相干擾. 另外，為盡可能避免采樣頭對(duì)煙氣流動(dòng)狀態(tài)的擾動(dòng)，將采樣頭體積較小的顆粒物采樣器放置在煙道前段，并且每?jī)膳_(tái)采樣器之間保持一定距離，防止后者采樣嘴置于前者的渦流負(fù)壓區(qū)而采集不到顆粒物. 試驗(yàn)過(guò)程中采樣點(diǎn)的選取盡可能避開煙道彎管處，并確保煙道各連接處氣密性良好.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括民用小煤爐、雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器、旋風(fēng)采樣器、總煙塵采樣器和低壓荷電撞擊器(簡(jiǎn)稱“ELPI”)配備稀釋系統(tǒng)(見(jiàn)表1)，其中，總煙塵采樣器的采樣測(cè)試以及采樣準(zhǔn)備嚴(yán)格按照GB/T 16157-1996的顆粒物采樣測(cè)定技術(shù)要求執(zhí)行，其他顆粒物采樣器參照GB/T 16157-1996相關(guān)要求執(zhí)行.

表1 固定污染源顆粒物采樣方法和采樣器的基本情況Table 1 The information of particle sampling methods and samplers for stationary sources

該研究采用4種顆粒物采樣器同步比對(duì)采樣測(cè)試共計(jì)18次，其中同步有效數(shù)據(jù)共計(jì)14組，6組為燃用蜂窩煤排放煙氣中不同粒徑段顆粒物濃度，8組為燃用煙煤排放煙氣中不同粒徑段顆粒物濃度. 燃用煙煤時(shí)同步采樣時(shí)間為210～240 min，燃用蜂窩煤時(shí)同步采樣時(shí)間為360～390 min. 4種采樣器均為等速采樣.

雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器將采集到的顆粒物分為3級(jí)，分別為Da (顆粒物空氣動(dòng)力學(xué)直徑)＞10 μm、2.5 μm≤Da≤10 μm、Da＜2.5 μm，分級(jí)后的顆粒物分別采集到收口內(nèi)對(duì)應(yīng)的直徑為37 mm特氟龍濾膜上，采樣器為恒流量采樣，室溫下流量為25 L/min.

旋風(fēng)采樣器將采集到的顆粒物分為3級(jí)，分別為PM2.5、PM2.5-10、PM10+，其中Da＜2.5 μm顆粒物被捕集于后置的47 mm特氟龍濾膜上，少部分殘留在膜托上部旋風(fēng)出氣管路壁上；Da＞10 μm和2.5 μm≤Da≤10 μm的顆粒物附著在相應(yīng)灰斗和錐體表面，采用丙酮清洗收集. 試驗(yàn)中旋風(fēng)采樣器流量控制計(jì)計(jì)前壓差為2英寸汞柱(6.773 kPa). 采樣流量通過(guò)控制壓差為13.4～14毫米水柱(1毫米水柱=9.8 Pa)來(lái)實(shí)現(xiàn).

總煙塵采樣器采用玻璃纖維濾筒進(jìn)行采樣，濾筒外徑×高度×壁厚的規(guī)格為28 mm×70 mm×1 mm. 采樣器采樣流量為(16.7±0.25) L/min.

低壓荷電撞擊器(ELPI)使用的采樣膜為涂有Apiezon-L的25 mm鋁膜. 通過(guò)控制ELPI調(diào)節(jié)閥門壓力為100 mbar (1 mbar=100 Pa)，采樣流量控制在10 L/min. 根據(jù)ELPI各收集板顆粒物粒徑范圍和幾何中值，其1～10級(jí)鋁膜采集的顆粒物質(zhì)量累計(jì)為PM2.5的質(zhì)量，1～12級(jí)鋁膜采集的顆粒物質(zhì)量累計(jì)為PM10的質(zhì)量.

1.3 模擬試驗(yàn)用煤煤質(zhì)

模擬試驗(yàn)燃用的煤種包括無(wú)煙煤(蜂窩煤)和煙煤，二者煤質(zhì)分析結(jié)果如表2所示.

表2 蜂窩煤和煙煤煤質(zhì)的分析結(jié)果Table 2 Analysis result of honeycomb briquette and bituminous coal

1.4 試驗(yàn)質(zhì)量保證與質(zhì)量控制

1.4.1 樣品采集的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制

a） 濾膜使用前均進(jìn)行了檢查，保證不得有任何破損，并于恒溫恒濕環(huán)境中恒質(zhì)量48 h，稱量時(shí)需要先消除靜電的影響，并進(jìn)行非連續(xù)稱量3次，稱量結(jié)果誤差在±0.000 04 g內(nèi)，將3次稱量結(jié)果取平均值作為該濾膜的原始質(zhì)量. 稱量后的濾膜均放入用去離子水超聲清洗過(guò)的膜盒中，并用保鮮膜密封保存，備用.采樣后所有濾膜均恒質(zhì)量24～48 h后進(jìn)行稱量.

b） 玻璃纖維濾筒于105～110 ℃烘箱中烘烤1 h，取出放入干燥器中冷卻至室溫并恒質(zhì)量48 h，稱量時(shí)需要先消除靜電的影響，并進(jìn)行非連續(xù)稱重3次，稱量結(jié)果誤差在±0.000 04 g內(nèi). 采樣后恒質(zhì)量，在105～110 ℃烘箱中烘烤0.5 h，冷卻稱量，以減少濾筒本身失重帶來(lái)的系統(tǒng)誤差.

c） 每次試驗(yàn)前檢查儀器和采樣頭氣密性. 安裝儀器時(shí)，所有連接口均加上密封圈，螺紋處纏生料帶，保證試驗(yàn)氣密性良好.

d） 每次試驗(yàn)前所有顆粒物采樣頭使用95%乙醇擦洗干凈，再進(jìn)行下一次采樣.

1.4.2 樣品收集的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制

附著在旋風(fēng)采樣器相應(yīng)灰斗和錐體表面的顆粒物，其清洗方式以及后續(xù)清洗液的收集方法都會(huì)引入一定的試驗(yàn)誤差. 為使試驗(yàn)誤差降至最小，開展了大量不同純度、不同收集方法的定量空白丙酮浸漬試驗(yàn)，結(jié)果如表3～5所示. 由表3可見(jiàn)，石英膜的適應(yīng)性較差，干凈的47 mm石英膜經(jīng)定量空白丙酮潤(rùn)濕浸漬并待丙酮完全揮發(fā)恒質(zhì)量后，多數(shù)較浸漬前質(zhì)量增加0.1～0.2 mg，部分較丙酮浸漬前質(zhì)量減少約0.1 mg，與空白丙酮純度無(wú)顯著相關(guān)性.

表3 丙酮浸漬石英膜的空白試驗(yàn)Table 3 Acetone blank test of quartz membrane

將自制漏斗狀鋁箔容器恒質(zhì)量48 h后，加入不同體積、不同純度的丙酮. 由表4可見(jiàn)，空白試驗(yàn)前、后鋁箔容器的質(zhì)量差值在十萬(wàn)分之一天平測(cè)量誤差范圍(±0.04 mg)內(nèi).

表4 丙酮浸漬鋁箔容器的空白試驗(yàn)Table 4 Acetone blank test of aluminum foil

表5 丙酮浸漬特氟龍膜的空白試驗(yàn)Table 5 Acetone blank test of teflon membrane

由表4、5可見(jiàn)，無(wú)論分析純丙酮還是色譜純丙酮，空白試驗(yàn)后待丙酮完全揮發(fā)，恒質(zhì)量后的特氟龍濾膜和自制鋁箔容器質(zhì)量變化均在誤差范圍內(nèi)，試驗(yàn)效果相對(duì)較好. 綜合考慮，使用自制鋁箔容器進(jìn)行后續(xù)清洗液的收集，可使試驗(yàn)誤差降至最低，提高測(cè)試結(jié)果的正確度. 基于上述研究，該研究采用色譜純丙酮對(duì)附著在旋風(fēng)采樣器相應(yīng)灰斗和錐體表面的顆粒物分別進(jìn)行清洗和收集，具體操作方法：將旋風(fēng)采樣頭PM10+和PM2.5-10的灰斗旋開，用適量色譜純丙酮清洗內(nèi)壁3次，將洗液直接轉(zhuǎn)移至對(duì)應(yīng)標(biāo)記的漏斗狀鋁箔容器內(nèi)，放在干燥器中保持干燥器蓋子略微敞開，在通風(fēng)櫥內(nèi)直至丙酮完全揮發(fā)，用鑷子收集并恒質(zhì)量.

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物采樣器測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性驗(yàn)證

ELPI測(cè)試結(jié)果擬合情況如圖2所示. 由圖2可見(jiàn)，采用ELPI顆粒物分級(jí)采樣系統(tǒng)，15次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果中PM10和PM2.5濃度數(shù)據(jù)擬合的決定系數(shù)（R2）為0.976，斜率為1.055±0.044，數(shù)據(jù)殘差平方和為1.05. 旋風(fēng)采樣器測(cè)試結(jié)果擬合情況如圖3所示. 由圖3可見(jiàn)：采用旋風(fēng)采樣器，13次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果中PM10和PM2.5濃度數(shù)據(jù)擬合的R2為0.999，斜率為1.006±0.006，數(shù)據(jù)殘差平方和為0.01；TSP和PM2.5濃度數(shù)據(jù)擬合的R2為0.996，斜率為1.008±0.02，數(shù)據(jù)殘差平方和為0.12. 雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器測(cè)試結(jié)果擬合情況如圖4所示. 由圖4可見(jiàn)：采用雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器，18次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果中PM10和PM2.5濃度數(shù)據(jù)擬合的R2為0.999，斜率為1.005±0.005，數(shù)據(jù)殘差平方和為0.014；TSP和PM2.5濃度數(shù)據(jù)擬合的R2為0.998，斜率為1.012±0.009，數(shù)據(jù)殘差平方和為0.05.

圖2 ELPI采樣器測(cè)試結(jié)果的擬合情況Fig.2 Fitting degree of test results from ELPI sampler

圖3 旋風(fēng)采樣器測(cè)試結(jié)果的擬合情況Fig.3 Fitting degree of test results from cyclone sampler

圖4 雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器測(cè)試結(jié)果的擬合情況Fig.4 Fitting degree of test results from virtual impactor

數(shù)理統(tǒng)計(jì)擬合優(yōu)度分析中，決定系數(shù)（R2）和殘差平方和可協(xié)同對(duì)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果作出定量判定，其中決定系數(shù)通常取值在0～1之間，越接近1表示擬合效果越好，同時(shí)殘差平方和越小表示擬合效果越好[22]. 可見(jiàn)，稀釋采樣法測(cè)試結(jié)果自身擬合性較直接采樣法差，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)分散，95%置信帶較寬. 主要影響因素包括以下3個(gè)方面：①為保證模擬煙氣流速穩(wěn)定，采樣器采樣位置為稀釋后的煙道內(nèi)，因此當(dāng)燃用顆粒態(tài)物質(zhì)排放量較低的蜂窩煤時(shí)，采用稀釋采樣分級(jí)測(cè)試的方法時(shí)即使增加采樣時(shí)間，ELPI各級(jí)采樣膜稱量誤差仍較大，經(jīng)累計(jì)求和導(dǎo)致其測(cè)試結(jié)果誤差疊加，并經(jīng)稀釋倍數(shù)成倍擴(kuò)大. ②ELPI均為普通的撞擊收集板，存在顆粒物反彈和再懸浮現(xiàn)象，使收集到上一級(jí)收集板的大顆粒隨氣流向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致顆粒物切割效率穩(wěn)定性降低. ③ELPI對(duì)顆粒物的荷電效率與顆粒物粒徑具有一定相關(guān)性，對(duì)粒徑小于2 μm的顆粒物荷電效率較高[23]，即荷電過(guò)程中大顆粒物荷電誤差較大，與ELPI說(shuō)明書[24]表述一致.

與ELPI測(cè)試結(jié)果相比，旋風(fēng)采樣器和雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)擬合殘差平方和降低了1～2數(shù)量級(jí)，可見(jiàn)在操作誤差范圍內(nèi)包括旋風(fēng)采樣器和雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器在內(nèi)的直接采樣法測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性更高. 一方面，旋風(fēng)采樣器和雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器積塵表面積均遠(yuǎn)大于普通慣性撞擊分級(jí)收集板；另一方面，直接采樣法樣品采集影響因子較稀釋采樣法少，主要與煙氣中一次可過(guò)濾顆粒物有關(guān). 旋風(fēng)采樣器多次測(cè)試所得PM10濃度和TSP濃度均與PM2.5濃度的擬合度較高，特別是PM10濃度與PM2.5濃度擬合度高達(dá)0.999，可見(jiàn)采用該研究確定的附著在灰斗和錐體表面顆粒物的清洗和收集方式，其測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高，但鑒于旋風(fēng)采樣器樣品清洗收集操作復(fù)雜，其污染源現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)試可操作性會(huì)受到一定影響.

2.2 顆粒物采樣器測(cè)試結(jié)果相關(guān)性研究

對(duì)于煙氣中不同粒徑段顆粒物，相應(yīng)顆粒物采樣器測(cè)試結(jié)果之間的相關(guān)性如表6～8所示. 由表6～8可見(jiàn)，在α=0.01顯著性水平上，對(duì)于煙氣中同一粒徑段顆粒物，各顆粒物采樣器測(cè)試結(jié)果之間顯著相關(guān). 對(duì)比Pearson相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)表6～8)可知：稀釋采樣法與直接采樣法測(cè)試結(jié)果相關(guān)性略低，不足0.9；而直接采樣法測(cè)試結(jié)果之間相關(guān)性均在0.99以上，呈高度相關(guān). 原因可能為稀釋采樣法測(cè)定顆粒物濃度的影響因子較直接采樣法多，不僅與燃煤排放的一次可過(guò)濾顆粒物濃度有關(guān)，而且與煙氣溫度、相對(duì)濕度、煙氣中半揮發(fā)性物質(zhì)的含量以及稀釋比、稀釋空氣溫度密切相關(guān).

表6 各采樣器PM2.5濃度測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性分析Table 6 Correlations of PM2.5 mass concentrations from different particle samplers

2.3 煤質(zhì)對(duì)顆粒物排放特征測(cè)試結(jié)果的影響

在燃用蜂窩煤和煙煤的工況下，采用ELPI、旋風(fēng)采樣器、雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器和總煙塵采樣器分別進(jìn)行了多顆粒物采樣器同步采樣，測(cè)試結(jié)果如圖5所示. 試驗(yàn)中，燃用蜂窩煤的小煤爐排放煙氣經(jīng)煙氣罩內(nèi)環(huán)境空氣大量稀釋，待測(cè)混合煙氣溫度基本接近周圍環(huán)境溫度(介于30～35 ℃之間)；而燃用熱值相對(duì)較高的煙煤時(shí)，產(chǎn)生的熱煙氣經(jīng)煙氣罩內(nèi)環(huán)境空氣稀釋，混合煙氣溫度仍高于周圍環(huán)境溫度，介于40～45 ℃之間.

燃用蜂窩煤同步采樣測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)圖5)顯示，同一粒徑段顆粒物各直接采樣法的濃度測(cè)試結(jié)果處于同一數(shù)量級(jí)，采用ELPI稀釋采樣分級(jí)測(cè)試所得的PM2.5濃度為直接采樣法的9～18倍；按GB/T 16157-1996的顆粒物采樣測(cè)定技術(shù)要求，總煙塵采樣器的TSP濃度測(cè)試值僅為(0.33±0.166) mg/m3，推測(cè)燃用蜂窩煤稀釋煙道中煙氣的PM2.5濃度實(shí)際值在0.33 mg/m3以下. 可見(jiàn)，對(duì)于顆粒物濃度較低的煙氣，通過(guò)增加采樣時(shí)間無(wú)法有效控制各級(jí)濾膜稱量誤差的疊加效應(yīng)，因此針對(duì)常溫且顆粒物濃度較低的煙氣，不宜采用ELPI配備稀釋系統(tǒng)的采樣測(cè)試方法監(jiān)測(cè)煙氣中PM2.5和PM10濃度，建議采用直接采樣法.

表7 各采樣器PM10濃度測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性分析Table 7 Correlations of PM10 mass concentrations from different particle samplers

通常民用小煤爐爐膛內(nèi)燃燒溫度相對(duì)較低，燃煤停留時(shí)間相對(duì)較短，煤質(zhì)非揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)燃燒效率較低，極易以碳質(zhì)組分顆粒物排出. 煙煤不同于蜂窩煤，其揮發(fā)分含量、全硫含量、發(fā)熱量均較高. 筆者研究中同等模擬工況下燃用煙煤總顆粒物平均排放濃度約為無(wú)煙煤(蜂窩煤)的11～23倍. 煤質(zhì)分析結(jié)果表明，筆者試驗(yàn)中燃用的煙煤其揮發(fā)分和硫含量均較高，而硫酸鹽顆粒是細(xì)顆粒物的重要組成部分，推測(cè)其為燃用煙煤煙氣中顆粒物濃度較高的主要因素之一. 此外，碳質(zhì)組分是民用煤燃燒煙氣中PM2.5的主要成分，通常煙煤的碳質(zhì)組分最高，從而可大幅增加燃燒過(guò)程中顆粒物的生成[25]. Li等[26-27]研究表明，燃用揮發(fā)分含量較高的煙煤排放的煙氣中碳質(zhì)組分顆粒物濃度相對(duì)較高. Butcher等[28]研究表明，燃用煙煤顆粒物平均排放因子約為無(wú)煙煤的20倍. Lu等[29]研究結(jié)果也表明，燃用煙煤的細(xì)顆粒物排放因子高于無(wú)煙煤. 此外，如圖5所示，燃用煙煤時(shí)，各采樣器對(duì)煙氣中的PM10和PM2.5濃度測(cè)試結(jié)果(3～4 mg/m3)在一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此高顆粒物濃度煙氣可以有效降低濾膜稱量誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響. 采用ELPI配備稀釋系統(tǒng)對(duì)PM2.5和PM10濃度的測(cè)試結(jié)果比直接采樣法測(cè)試結(jié)果高約1 mg/m3，推測(cè)主要影響因素為高溫?zé)煔庠谙♂尳禍剡^(guò)程中隨著溫度和壓力的變化，部分半揮發(fā)性前體物經(jīng)均相或非均相成核形成可凝結(jié)顆粒物.Yang等[30]研究結(jié)果也表明，隨著排氣溫度的升高，可凝結(jié)顆粒物含量增加.

由圖5可見(jiàn)，無(wú)論燃用蜂窩煤或煙煤，直接采樣法中旋風(fēng)采樣器對(duì)TSP濃度的測(cè)試值更接近GB/T 16157-1996規(guī)定的總煙塵采樣法測(cè)試結(jié)果，特別燃用煙煤時(shí)旋風(fēng)采樣器對(duì)TSP的測(cè)試結(jié)果與總煙塵采樣器的測(cè)試結(jié)果相對(duì)偏差不足0.7%. 可見(jiàn)，通過(guò)1.4.2節(jié)確定的顆粒物清洗和收集方式，旋風(fēng)采樣器對(duì)粒徑大于2.5 μm顆粒物的損失率小于雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器對(duì)粒徑大于20 μm顆粒物的損失率，但旋風(fēng)采樣系統(tǒng)的便攜性與全流程操作性較差.

由圖6可見(jiàn)，在水閥打開同等工況下燃用熱值較高的煙煤時(shí)，ELPI配備稀釋系統(tǒng)、旋風(fēng)采樣器、雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器對(duì)PM10/PM2.5（濃度比，下同）的測(cè)試結(jié)果分別為0.86±0.07、0.95±0.03、0.98±0.004，高于燃用蜂窩煤時(shí)的相應(yīng)測(cè)試值. 結(jié)合對(duì)應(yīng)粒徑段顆粒物濃度排放水平(見(jiàn)圖5、6)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于燃用無(wú)煙煤(如蜂窩煤)，燃用煙煤產(chǎn)生的煙氣中顆粒物濃度相對(duì)較高，且PM2.5占比較高，與Chen等[31-32]研究結(jié)果一致.

圖6 煤質(zhì)對(duì)顆粒物分級(jí)采樣器測(cè)試結(jié)果的影響Fig.6 Influences of coal quality on the test results from particles-classified samplers

3 結(jié)論

a) 從決定系數(shù)(R2)和殘差平方和角度分析，稀釋采樣法測(cè)試結(jié)果自身擬合性較直接采樣法差，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)分散，95%置信帶較寬.

b) 直接采樣法中，基于該研究確定的清洗和收集方式，旋風(fēng)采樣器測(cè)試得到的PM10和PM2.5濃度擬合度高達(dá)0.999；雙級(jí)虛擬撞擊PM10/PM2.5采樣器測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性也較高，其測(cè)試得到的PM10和PM2.5濃度擬合度亦為0.999.

c) 不同顆粒物采樣器對(duì)煙氣中PM2.5、PM10、TSP的濃度測(cè)試結(jié)果均表明，稀釋采樣法與直接采樣法測(cè)試結(jié)果相關(guān)性較低；而各直接采樣法之間呈高度相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.993～0.999.

d) 燃用蜂窩煤時(shí)，采用ELPI配備稀釋系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)測(cè)試，各級(jí)濾膜稱量誤差的疊加效應(yīng)占主導(dǎo)地位. 針對(duì)常溫且顆粒物濃度較低的煙氣，建議采用直接采樣法，顆粒物濃度較高的煙氣可以有效降低濾膜稱量誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響. 針對(duì)高溫?zé)煔猓♂尣蓸臃刹都♂尳禍剡^(guò)程形成的可凝結(jié)顆粒物.

e) 各采樣方法測(cè)試結(jié)果均表明，相對(duì)于燃用無(wú)煙煤(如蜂窩煤)，燃用煙煤產(chǎn)生的煙氣中顆粒物濃度相對(duì)較高，且PM2.5占比較高.