低粉尘浓度气体中细颗粒物_PM_2_5_含量的测量_黄斌香

净化后的工业烟气绝大多数都排入了环境大气，其 中飘尘（PM10、粉尘）尤其是细颗粒物的含量（即含尘 浓度），是判断净化工程是否成功以及预测其对环境影 响的依据和重要因素。
经过高效除尘器净化处理的工业烟气、雾霾天气、轻 度沙尘天气都属于属于低粉尘浓度气体，固体颗粒物的含 量一般在每立方米几十微克到几十毫克之间。与除尘器入 口的气体含尘浓度达到每立方米几到几百克的工业级浓 度相对比还是很低的。
关键词:粉尘;细颗粒物;稀释;计数法测量;质量浓度 中图分类号:X701 文献标志码:A 文章编号:1006-5377（2013）11-0025-04
前言
PM10粉尘（也称为可吸入颗粒物、飘尘，包括10μm 以下的颗粒物），PM2.5（可入肺颗粒物，包括2.5μm及 以下的颗粒物）都是大气环境中有害的固体颗粒物，其 很大比例是工业生产过程中散发到大气环境的，PM2.5正 式中文名称为细颗粒物（粒径小于等于2.5μm）。
笔者认为，采取经覆膜滤料过滤后的高压氧气、氮 气用作稀释气体是适宜的。具有价格低廉、含尘量低、 含湿量低、调节流量比例容易的优点。
5 细颗粒物浓度的测量计算
稀释后的气体细颗粒物（PM2.5）浓度可由前文中的
公式①、②测算得出。被稀释前的气体细颗粒物（PM2.5） 浓度可按以下步骤测算得出。
按示意图开动测量系统。
大于10μm的尘埃经稀释后可以测得其数量，但无 法确定其平均粒径，所以体积量测不准确，这种方法对 测算10μm以下尤其是细颗粒物（PM2.5）的尘埃还是比 较准确、实用的。
现 有 的 激 光 粒子 计 数器对 粒 径 分 为1 0 、5、2 、1、 0.5、0.3μm六个通道，对0.3μm以下的粒子，因小于1/2光波 波长，无法检测而作无穷小处理，对2.5μm粒子的数量用 现有仪器可在2.0~5.0μm之间用线性插值计算得出。从研 究结果来看，细颗粒物（PM2.5）在0.3~5.0μm内的粒径-数 量分布曲线是连续、平滑的，线形插值计算的误差不大。
1 低浓度含尘气体中飘尘（PM10）和细颗粒物 （PM2.5）浓度测量技术的特点与难点
对于测量气体中的含尘浓度通常采用过滤采样称重
法，即抽取一定体积量的含尘气体透过高效滤筒，称量
滤筒前后的质量变化（即气体中的粉尘质量），再除以
气体的体积量，并按一定的规则转变为工况、标准、标
干等状态的气体含尘浓度。
含尘浓度的计算：
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7 不同种类含尘气体中的细颗粒物（PM2.5）测量
7.1 净化后工业烟气中细颗粒物的测量（采用本文中的 示意图流程即可）
根据笔者曾做过的工业粉尘的测量，表6是未考虑稀 释比例的测量实例，这个例子只说明用计数法测量计算 粉尘质量浓度的可行性。水泥工业粉尘的计数浓度换算 为计重浓度的计算过程，稀释到计数器可检测范围之内。
大气环境气体中含有很多飘尘，不能满足稀释含尘 气体的要求。以上海市浦东为例，环境大气中的尘埃粒 子数量见表1。表1以上海浦东地区作良好环境的代表， 是由于浦东三面环水，环境空气质量算是好的，其他地 区的环境空气较之为差。
式中：m — 单位体积烟气中粉尘质量； Ni — 2.5μm及以下第i级的粒子数； Vi — 2.5μm及以下第i级单个粒子的球体积； ρ —粉尘的真密度。 气体的含尘浓度仍可用①式计算。但粉尘质量数值 系由式②计算得出。
流量。
Q = q0 － q1
③
式中：Q — 含尘气体流量，L；
q0 — 抽气泵的总流量，L； q1 — 经过滤器的干净气体的流量，L。 烟气中的尘埃质量等于混合后的气体尘埃质量减去
稀释气体的尘埃质量。其与烟气流量之比可得出净化后
烟气中的质量含尘浓度值。
m1 = m0 － m2
④
2 采用粒子计数测量的方法来测量气体中细颗粒 物（PM2.5）的含量
如果用测量气体中固体颗粒物的数量与粒径，计算 固 体颗 粒 物的总体 积，知 道固 体颗 粒 物的 平均 密度，则 可以计算出固体颗粒物的质量；根据测量气体的体积，也 可以计算出工况、标准、标干等状态的气体含尘浓度。
目前采用的激光尘埃粒子计数仪，就是利用不同大 小的固体粒子对光线的反射强度是不同的原理，测量出 气流中的粉尘大小与数量。国内常用的有BCJ-1激光尘 埃粒子计数器、CLJ-E尘埃粒子计数器等。国内外的PM2.5 测量仪也是利用激光测量粒子计数而后转换计算的方法 来测量大气环境中的细颗粒物质量浓度的。
为适应激光尘埃例子计数器的性能上限，要通过调
整转子流量计1和转子流量计2的流量来控制，激光尘埃
粒子计数器2的显示值在该计数器的要求之内且尽量接
近于允许上限。按公式①、②可计算出稀释气体与混会
后烟气的流量和尘埃质量。
计算时，几处的流量须注意要转换为同样的度量单
位，气体流量等于混合后的气体流量减去稀释气体的
目前有两类气体可作为稀释气体用，第一类是“干 净的”气体，第二类是净化了的气体。对于第一类气 体，氧气瓶、氮气瓶中的气体是比较干净的。
高压氧气中的尘埃粒子数量见表2。
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表2 高压氧气中的固体颗粒物含量
粒径（μm） ＞10 ＞5 （＞2.5） ＞2 ＞1 ＞0.5 ＞0.3 数量（个） 0 220 （405） 442 1078 8689 15,822 注：测量气体体积：10L；使用仪器：LZC-B测试台；括弧中的数值为插值计算得来，以下
C = m/V
①
式中： C — 气体的含尘浓度，g/m3；
m — 捕集到的粉尘质量，g； V — 抽取的气体体积，m3。
但含尘气体的净化（除尘）效率越高，上述方法实
施越困难。这是因为除尘效率越高，净化后的气体粉尘
含量越低，由于仪器本身精度的原因，抽取的粉尘必须
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目前对于净化后的烟气质量评价，以及对大气环境 的质量要求，都是用不高于一定的质量浓度值来衡量， 这样给出质量浓度就是必须要解决的课题，不论采用何 种检测方法最终都要给出质量浓度值，即单位体积的气
体中含有的颗粒物的质量数值。 对于低浓度含尘气体，需要准确测量其中的飘尘
（PM10）和细颗粒物（PM2.5）的含量。本文着重讨论对 低浓度含尘气体中细颗粒物（PM2.5）的测量。
烟气采样器
温度表
转子流 覆膜滤料 量计 过滤器
高压气源
压力表 混合器
激光尘埃粒 子计数器
调压阀
转子流 量计
温度表
激光尘埃粒 子计数器
压力表
抽气泵
低浓度含尘 气体
稀释含尘气体后测量细颗粒物（PM2.5）含量流程示意图
4 “干净”的稀释气体
稀释气体中的尘埃粒子数量为零是理想的，但实际 上是无法做到的，这样就只能寻找尘埃粒子尽量少的“干 净”气体。
6 计数测量方法的进一步改进的途径
按此种方法测量净化后烟气的粉尘含量，其误差 来源有以下几部分：1）使用转子流量计调解流量的误 差；2）工业粉尘的真密度与实际粉尘密度的误差；3） 稀释气体中粉尘密度的不确定性产生的误差；4）激光 粒子计数器的性能限制。
解决对策：1）对流量的测量可以采用精度更高的 仪器和方法；2）对于工业粉尘的真密度和实际密度加 强研究，排列出各种粉尘真密度与实际密度的对应关 系；3）加大采样时间以平均粉尘密度的波动；4）采用 更高性能的激光粒子计数器，增加0.2~5.0μm粒子之间 粒子的分档数，减少采用粒径区间中值计算全粒径区间 体积的误差。
表3 环境大气（地点上海浦东）经覆膜滤料过滤后的固体颗粒含量
粒径（μm） ＞10 ＞5 ＞2.5 ＞1
＞0.5 ＞0.3
数量（个）
0
0
1
4
27
37
注：测量气体体积：10L；使用仪器：LZC-H测试台；时间2012-11。
表4 高压氧气经覆膜滤料过滤后的固体颗粒物含量
粒径（μm） ＞10 ＞5 （＞2.5） ＞2 ＞1 ＞0.5 ＞0.3
式中：m1 —单位体积烟气中PM2.5粉尘质量，mg；
m0 — 总气体中的PM2.5粉尘质量，mg；
m2 — 稀释气体中的PM2.5粉尘质量，mg。
烟气的含尘浓度按下式计算：
c = m1 / Q
⑤
式中：c — 含尘浓度，mg/L（或转换为mg/m3）。
除尘器出口的PM2.5含尘浓度即为烟气的含尘浓度。
上述实例表明：用计数法测量后转换为含尘气体的 质量浓度是可行的，对于浓度0.0176mg/m3的含尘气体用 过滤称重法是很困难的。 7.2 雾霾中细颗粒物的测量
雾霾天气十分有害，会刺激人的呼吸道，使人感染 呼吸道疾病；会使地面能见度降低，造成公路交通堵 塞，航班延误等。雾霾是由三个因素造成：1）空气湿 度大，形成大量悬浮水滴，使空气不透明；2）水滴吸 附了硫氧化物、氮氧化物，刺激人的感官；3）空气的 固体细颗粒物（PM2.5）是水气的凝结核，它加剧了雾霾 危害的影响。
m=
×ρ
②
间内数量上的限制，在激光束的路径上有若干粒子影像 重叠时，仪器在计算粒子的数量和大小时均不准确。这 种情况如同从正面观察一排人，可以清楚分辨出人数和 每个人的高矮胖瘦，但从侧面就分辨不清了一样。
目前国内的激光尘埃计数仪的粉尘数目的上限在 1.0×106个/2.83升，而低浓度含尘气体中的粒子数量要 大大高于此数值。在无法进一步提高烟气除尘效率时， 稀释含尘气体的浓度以适应仪器的使用限制就是切实可 行的方案了。其工艺流程可参见下图。
数量（个） 0
0
（12）
15
69
397