废气低浓度颗粒物采样常见问题的梳理
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作者:张伟 吴鑫宇 李睿
摘要：本文基于HJ836标准梳理了低浓度颗粒物采样中测点的位置和数目、移动采样、等速采样、采样频次和时长等四方面的问题，便于大家更好地理解标准的规定。
关键词：低浓度颗粒;采样;常见问题
中图分类号：X831 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）05-0-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.077
Combating common problems in sampling low concentration particulates of exhaust gas
Zhang Wei，Wu Xinyu，Li Rui
（Huaian Environmental Monitoring Center of Jiangsu Province，Huaian Jiangsu 223001，China）
Abstract：Based on the HJ836 standard， this article sorts out the four aspects of the location and number of measurement points，sampling， isokinetic sampling， sampling frequency，and duration in low-concentration particulate matter sampling， so that everyone can better understand the standards.
Key words：Low concentration particles;Sampling;Common problems
近几年，国家提出了“推进燃煤电厂低浓度排放改造”，其中要求颗粒物的排放不高于10mg/m3。大多数省份对燃煤电厂超低排放环保改造确定了时间表，改造后颗粒物排放不得高于10mg/m3，有些省份规定不得高于5mg/m3。另外，脱硫脱硝后烟道内颗粒物呈现出浓度低、温度低、湿度高的“二低一高”特征，现有的《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T 16157-1996）已经不能适应。这个方法对低浓度颗粒物测定误差较大。主要有两方面的原因，一是黏附在采样嘴及采样管前段的颗粒物无法转移到滤筒内，二是在高湿低温情况下长时间富集颗粒物会造成滤筒破裂或损失。为此，国家发布了《固定污染源废气 低浓度颗粒物的测定 重量法》（HJ 836-2017），于2018年3月1日实施。
1 HJ 836-2017主要特色
（1）首次提出颗粒物浓度测定范围及检出限。当测定结果大于50mg/m3时，表述为“>50mg/m3”，也就是该方法适用于颗粒物浓度小于等于50mg/m3的烟道;当采样体积为1m3时，方法的检出限为1.0mg/m3。（2）首次提出全程序空白和同步双样的质控手段。颗粒物浓度低于方法检出限时，对应的全程序空白增重应不高于0.5mg，失重应不多于0.5mg。测定同步双样时，同步双样的相对偏差不应大于允许的最大相对偏差。（3）样品称重方式改变。HJ 836-2017采用整体方式进行称重，将采样头作为一个整体放到十万分之一天平上称重。这就避免了装取过滤介质过程中的损失，也避免了黏附在采样嘴及采样管前段的损失。
2 常见问题
在废气颗粒物采样时，有关规范和标准没有对相关的规定进行详细解释，很多情况下采样人只是机械完成任务不明白其中的道理。下面从测点的位置和数目、移动采样、等速采样、采样频次和时长等四个问题进行梳理。
2.1 测点的位置和数目
在确定测点位置和数目时，矩形烟道是把断面分成一定份数的等面积小块，其中心即为测点，比较简单;圆形烟道标准规定是把断面分成一定数量的等面积同心环，按面积再平分各圆环，其测点在两条垂直相交的直径线与平分圆环线的交点上，各测点位置可按下式计算[1]。矩形烟道的分块和测点数见表1，圆形烟道分环及测点数见表2[2]。
式中：Ai为第i测点的位置;D为采样处烟道的内径;n为测点总个数;m为依次取奇数。
2.2 移动采样
用一个过滤介质在各个测点上移动采样，每点时间相等不少于3min，求出采样断面的平均浓度[3]。
烟道中的颗粒物不像氣态污染源可以看成均匀分布，只在中心点采样。受到自身重力作用以及速度场的影响，垂直烟道中，颗粒物浓度两边高中间低;水平烟道中，上面低下面高[4]。因此，为了得到具有带代表性的样品，移动采样是很好的一个方式。
2.3 等速采样
采样嘴平面正对废气气流，使进入采样嘴的气流速度与测点的废气流速相等[5]。
烟道中气体分子质量可以忽略不计，几乎没有惯性，容易改变方向，而颗粒物质量较大，惯性较大，难以改变方向。当采样流速大于测点流速时，采样嘴边缘以外的部分气流被抽入采样仪，作为采样体积的一部分，而其中的颗粒物受惯性影响继续向前进，没有吸附在过滤介质上，从而导致颗粒物浓度偏低;相反，当采样流速小于测点流速时，颗粒物浓度偏高[6]。因此，只有在采样流速等于测点流速即等速采样时，气体和颗粒物才会按照测点的实际情况进入采样嘴，所得到的颗粒物浓度才最接近真实浓度。
2.3.1 维持等速采样的方法
维持颗粒物等速采样的方法有普通型采样管法（预测流速法）、皮托管平行测速采样法、动压平衡型采样管法和静压平衡型采样管法等四种。目前皮托管平行测速采样法是我国的标准方法，也是最常用的方法。这种方法烟道具有适应性强、测量参数多、精度高、便携易操作等优点。 2.3.2 等速采样的流量
根据烟尘采样仪等速采样流量公式（见下式）可知，等速采样的流量主要跟采样嘴直径平方、烟气流速成正比。目前，采样嘴入口直径主要有4.0mm、5.0mm、6.0mm、8.0mm、10.0mm、12.0mm几种。不同烟道中，烟气流速大相径庭。在不考虑烟气湿度情况下，不同烟气流速下各采样嘴对应的等速流量见表3。
Qrs=0.047×d2×Vs×（1-Xsw）
式中：Qrs为等速采样流量，L/min;d为采样嘴直径，mm;Vs为烟气流速，m/s;Xsw为含湿量，%。
在烟尘采样仪泵流量允许的前提下，我们应尽可能地选直径大的采样嘴。在同一工况下，采样嘴越大，单位时间获得的采气量越大，可以缩短采样时间，增加采样体积。这既可以减轻采样人员的工作强度，又可以增加样品重量减少称量误差。
目前市面上烟尘采样仪最大采样流量可以达到110L/min左右，结合表1内容，我们可以得出，在烟气流速不大于20m/s时，可以选择入口直径10.0mm的采样嘴，大于20m/s时，可以选择8.0mm的采样嘴。因此在大多数情况下，我们准备8.0mm和10.0mm采样头就可以满足日常监测。
2.4 采样频次、采样时长
HJ836方法中规定了每个样品增重不小于1mg，或采样体积不小于1m3[7]，并没有对采样频次和时长有具体要求。HJ/T 397中有个原则性规定即排气筒中废气的采样以连续1h的采样获取平均值，或者在1h内，以等时间间隔采集3～4样品，并计算均值[8]。GB/T 16157和HJ/T 397都提高滤筒采集颗粒物时要采集3个样品取均值，对于滤膜采集废气颗粒物并没有提及。在实际采样中，样品增重不小于1mg不具有可操作性。
为了得到一个可以用于有效评价的样品，低浓度颗粒物监测可以采取1个滤膜连续采样1h，这既可以满足HJ/T 397的规定，也满足了采样体积不小于1m3（由表3可知）的要求。
3 结论
（1）为了得到具有代表性的样品，我们要按照规范要求对采样断面进行布点。（2）由于颗粒物在烟道中分布是不均匀的，要采用移动采样和等速采样的方式进行取样。（3）低浓度颗粒监测准备采样头以入口直径10.0mm和8.0mm为主。（4）为了得到一個有效评价的样品，低浓度颗粒物监测可以采取1个滤膜连续采样1h的方式。
参考文献
[1]王宗仁.固定污染源排气中颗粒物采样点位的确定方法[J].河南城建高等专科学校学报，2001，10（1）：25.
[2]HJ/T 397-2007，固定源废气监测技术规范[S].北京：中国环境科学出版社，2008.
[3]HJ 836-2017，固定污染源废气 低浓度颗粒物的测定 重量法[S].北京：中国环境出版集团，2018.
[4]王宗仁.固定污染源排气中颗粒物采样点位的确定方法[J].河南城建高等专科学校学报，2001，10（1）：24.
[5]HJ 836-2017，固定污染源废气 低浓度颗粒物的测定 重量法[S].北京：中国环境出版集团，2018.
[6] 国家环境保护总局.空气和废气监测分析方法（第四版增补版）[M].北京：中国环境科学出版社，2003：332-333.
[7]HJ 836-2017，固定污染源废气 低浓度颗粒物的测定 重量法[S].北京：中国环境出版集团，2018.
[8]HJ/T 397-2007，固定源废气监测技术规范[S].北京：中国环境科学出版社，2008.
收稿日期：2020-03-28
作者简介：张伟（1985-），男，汉族，本科学历，助工，研究方向为环境监测。
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