重力沉降作用下的采样管路颗粒物损失

朱 润 孺1,2,3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 节能工程技术研究分院,北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013; 3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室,北京 100013)

摘 要：为了研究烟尘采样系统的系统误差，采用重力沉降理论对颗粒物在水平直管段内的穿透率进行了理论计算，并以此方法为基础估算了在线监测系统水平直管段由于重力沉降造成的测量误差。结果表明，水平直采样管内的颗粒物损失会随着粒径增大、停留时间增长而显著增多；当颗粒物采样系统为烟气外抽式时，水平直管内颗粒物重力沉降会造成采样系统误差，超低排放的达标测量值应小于10 mg/m3。以一台600 MW火电机组为例，估算出由于采样系统水平直管内颗粒物重力沉降造成的年烟尘误排量约为15.5 t。

关键词：重力沉降；超低排放；颗粒物浓度监测；输送损失

0 引 言

目前大气环境污染形势严峻[1-2]，区域性复合型雾霾污染引起了全世界关注[3]，燃煤电站锅炉烟气排放是污染的重要来源之一[4-5]。《煤电节能减排升级与改造行动计划2014—2020》中要求火电厂的烟尘排放浓度为10 mg/m3，如何准确监测烟气中的超低颗粒浓度值，是一个棘手的难题。

颗粒物在采样系统中，由于重力、扩散、湍流惯性、热泳、扩散泳等机理作用，会沉积在装置和管线的壁面上[6-7]，造成监测值失真。Henry等[8]对环境污染监测站采样管路内的颗粒物流动特性进行了数值试验，结果表明当颗粒粒径大于20 μm时，颗粒物在管路内的平均损失率约为75%；Prashant等[9]对不同长度采样管内的超细颗粒物管路损失进行了试验研究，结果表明当颗粒粒径处于5～10 nm时损失最大；Zhao等[10]对一种颗粒采样入口装置的性能进行了研究，结果表明对10 μm以下颗粒物进行采样时，颗粒物损失较少。我国对燃煤烟气中的颗粒物浓度进行在线测量时，均为烟气外抽式颗粒物测量系统，如离子荷电法，光散射法和惯性撞击分级采样法等[11]，但对该类监测系统的管路颗粒物损失特性研究还较少。

本文针对重力沉降引起的采样管路颗粒物损失，对不同粒径颗粒物在水平直管线内的穿透率进行了理论计算，并结合理论计算结果和实际测试数据，估算了某超低排放电厂的真实排放值，以及由于重力沉降造成的电厂年烟尘误排量。

1 计算参数及方法

1.1 计算参数

计算对象为采样管的水平直管段，管长L为2 m，管内径d为10 mm。烟气采样流量Q为10～120 L/min，烟温50 ℃。烟气流动状态为湍流时，设定为完全发展湍流。颗粒物为球形，密度ρp为2 000 kg/m3。

1.2 计算方法

当采样管内流动状态为层流时，重力作用下的颗粒物穿透率计算方法[12]为

ηL=1-2ε-ε1/3+

式中,ε=，其中VTS为颗粒终端沉降速度，U为采样管内烟气的平均流速。

当采样管内流动状态为湍流时，重力作用下的颗粒物穿透率计算方法[13]为

2 计算结果

2.1 层流状态下的颗粒物穿透率

层流状态下不同粒径颗粒穿透率随停留时间的变化曲线如图1(a)所示。当停留时间相同时，穿透率会随着粒径的增大而降低，停留时间为0.36 s时，颗粒粒径da(空气动力学直径)由1 μm增大到15 μm，穿透率由0.998下降到了0.738。主要是由于随颗粒粒径增大，其沉降速度随之变大，被管壁捕捉所需时间变短。随着颗粒物在采样管内停留时间的增加，颗粒物的损失也会随之增加，停留时间由0.07 s增大到0.94 s时，da=5 μm的颗粒，穿透率由0.990下降到了0.883。

2.2 湍流状态下的颗粒物穿透率

湍流状态下不同粒径颗粒穿透率随停留时间变化曲线如图1(b)所示。湍流状态下颗粒穿透率和停留时间之间的关系与层流状态下相同，粒径增大、停留时间增长都会造成穿透率下降，颗粒损失增多。

对比层流的计算结果可知，大颗粒在湍流状态下其穿透率要高于层流状态，da=15 μm、停留时间为0.94 s时，其层流和湍流状态的穿透率分别为0.396和0.470。这可能是由于湍流状态下管内烟气速度分布较之层流状态均匀造成的。需要指出的是，这个结论不能认定湍流状态管流有利于大颗粒物的采样，因为该结论仅考虑了重力沉降的影响，并没有考虑湍流惯性沉积等机理的影响。

综上所述，粒径和停留时间会显著影响颗粒的穿透率。当出现大粒径颗粒所占比例较高，停留时间较长的工况时，测量结果的修正是必要的。

2.3 重力沉积损失估算

赵磊等[14]对某超低排放300 MW机组WESP(湿式静电除尘器)后的颗粒物浓度进行了测量，其采样烟气流量为10 L/min，采样系统保温部件温度为150 ℃。现假设其采样管长度为2 m，内径为10 mm，烟气温度为120 ℃。由此计算其管流雷诺数约为830，为层流状态，采用式(1)估算其直管段颗粒穿透率。

此外，因无详细的粒径分布信息，按其测试结果作如下假设：① PM2.5的穿透率按da=1 μm的颗粒计算；② PM2.5～PM10的穿透率按da=5 μm的颗粒计算；③ gt;PM10的颗粒穿透率按da=10 μm的颗粒计算。估算真实颗粒物浓度的计算公式为

式中,me、mS,PM2.5、mS,PM2.5-10、mS,PMgt;10和ηL,PM1、ηL,PM5、ηL,PM10分别为估算颗粒物的质量浓度、实测PM2.5、PM2.5～10和PMgt;10的质量浓度值和计算得出的PM1、PM5和PM10的穿透率。

将文献[14]mS,PM2.5=0.77 mg/m3，mS,PM2.5-10=0.24 mg/m3和mS,PMgt;10=0.79 mg/m3代入式(3)可得me=2.11 mg/m3，与原文献测定值1.8 mg/m3相差17.2%。以此为依据，计算超低排放达标测量值应为8.53 mg/m3，小于10 mg/m3。此外，假如以ηL,PM15代替ηL,PM10，该误差将上升至52.6%，这说明大颗粒的管路损失会极大影响监测准确性。

2.4 重力沉积损失排放总量估算

600 MW及以上的机组已成为我国火电机组的主力[15]。以600 MW机组为例，假设排放烟气量为2 000 000 m3/h，年发电4 500 h。如采用烟气外抽式监测方式测得的排放浓度为10 mg/m3，基于之前的计算方法(由水平直管重力沉降造成的测量误差为17.2%)，可得年颗粒物误排量约为15.5 t。若为1 000 MW机组，这一数值约为23.2 t/a。

本文计算仅考虑了颗粒物管路损失机理中的一种，而管路损失又只是采样系统损失的一部分，管件、装置等损失还未计入，就已造成如此大的误排量，这说明，对在线采样系统的颗粒损失进行深入研究并制定相应的颗粒物采样标准势在必行。

3 结 论

1)颗粒粒径和管线停留时间会显著影响其穿透率。当出现大粒径颗粒所占比例较高，停留时间较长的工况时，监测结果修正是必要的。

2)烟气外抽式采样系统，如计入水平直管内颗粒物重力沉降造成的误差，超低排放达标测量值应低于10 mg/m3。

3)火电机组由于颗粒物重力沉降造成的年烟尘误排量数值巨大，需对采样系统的颗粒损失特性进行深入研究，并制定相应的颗粒物采样标准来减少误排。

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Effect of gravitational deposition on particle tube loss of sampling system

Zhu Runru1,2,3

(1.Energy Conservation and Engineering Technology Research Institute,CCTEG Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.State Key Laboratory of High Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources,Beijing 100013,China; 3.National Energy Technology and Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission Control,Beijing 100013,China)

Abstract:The effect of gravitational deposition on the transporting loss usually caused a system error in sampling tube according to the gravitational deposition theory.Thus,the measurement error of in-situ horizontal straight sampling tube was theoretically studied in this paper.Results show that with the particle diameter and the residence time increase,the transporting loss increases significantly.The online monitor standard of the ultra-low emission of particle should be less than 10 mg/m3 when considering the transporting loss of the horizontal sampling tube in the in-situ external particle extraction sampling system.In addition,the extra particulate matter emission of a 600 MW coal-fired power plant is about 15.5 t per year due to the effect of the transporting loss on the horizontal straight sampling tube measurement.

Key words:gravity deposition;ultra-low emission;particle concentration moritoring;transport loss

中图分类号：TK284;X701

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2017)04-0119-04

收稿日期：2017-02-24；责任编辑孙淑君

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.04.019

基金项目：煤炭科学研究总院科技创新基金项目面上资助项目 (2016110003000423)

作者简介：朱润孺(1984—)，男，河北承德人，助理研究员，博士，从事颗粒动力学方面的研究工作。E-mail:joshzrr@163.com

引用格式：朱润孺.重力沉降作用下的采样管路颗粒物损失[J].洁净煤技术，2017，23(4)：119-122.

Zhu Runru.Effect of gravitational deposition on particle tube loss of sampling system[J].Clean Coal Technology，2017，23(4)：199-122.