新型排放采样系统：颗粒数浓度在线测量与烟气治理应用

基于GRIMM SMPS+E的连续在线测量研究与应用验证 — 作者：F. Schneider, F. Tettich, M. Pesch（GRIMM Aerosol Technik, 德国）

关键词
排放采样系统, 颗粒数浓度, SMPS, 扫描迁移动性粒径谱仪, 法拉第杯电计器, 电除尘器, 烟气治理

随着环保法规日趋严格，工业烟气中超细颗粒（纳米级）排放的监测与治理成为各行业的关键诉求。在此背景下，排放采样系统（ESS）与颗粒数浓度在线监测技术，为锅炉、发电机、燃气轮机及各类工业燃烧过程提供了实时、定量的排放评估手段。本文基于GRIMM Aerosol Technik团队的研究，介绍一种便携、热稀释式的排放采样系统（ESS）联合扫描迁移动性粒径谱仪（SMPS+E）用于高浓度燃烧烟气的连续在线测量，并讨论其在中国浆纸、钢铁、水泥和化工等行业烟气治理与电除尘器（ESP）优化中的应用价值。

该研究由德国GRIMM团队开展，并在Ulm应用科学大学的15 kW科研型颗粒燃烧器上进行了验证。采样系统通过预加热且经绝对过滤、活性炭与干燥剂处理的稀释空气，以恒定体积流（稀释空气约9 L/min，取样流1 L/min）实现1:10的稀释比（亦可切换至1:100），取样探针可加热至高达400°C（实验中设为140°C），避免冷凝和二次生成。粒径分析采用SMPS+E（含DMA与法拉第杯电计器），常规扫描覆盖3 nm–155 nm的44个尺寸通道，单通道实时测量最高可达数Hz（本文中单通道为4 Hz，设备能力在文献中可达更高频率）。

在15 kW颗粒燃烧器的连续运行测试中，研究发现点火与预热阶段的粒径分布以约100 nm为主峰，而稳定工况下主峰向40–50 nm移位；总颗粒数浓度最高可达到10^9 particles/cm3的数量级，而计算得到的颗粒质量从预热期的约800 mg/m3降至稳定期约200 mg/m3。高时间分辨率使研究团队捕捉到与燃料自动投料周期（每15 s一次）相关的周期性排放脉动；在固定测量通道（47 nm）下，单点浓度在6×10^7–1.2×10^8 cm−3之间剧烈波动，显示出燃烧短时动态对超细颗粒排放的显著影响。额外测试包括在400°C高温废气中对柴油发电机及装有滤器后的烟气测量，使用无DMA的液体悬滴凝结计数器（CPC）评估整体数浓度，滤芯对颗粒过滤效率可高达≈99%。

对中国工业的启示显著：浆纸、钢铁、水泥与化工等重点行业在燃烧或高温工况中常产生大量细颗粒与烟尘。将ESS+SMPS在线监测与电除尘器（ESP）系统联动，可实现对超细颗粒的实时诊断与控制优化。以艾尼科（Enelco）为例，其在极板设计、极线（rod/rope）与电场优化方面的技术积累，可与在线粒径监测数据形成闭环：当监测到超细粒子数突增时，可调整电场强度、极板间距与振尘策略，提升ESP对纳米级颗粒的捕集效率并降低压差与能耗。此外，在线数据有助于判断滤袋/滤芯寿命、指导维护周期与预测性维修，从而在达标排放、节能降耗与运维成本控制上提供实效支持。

展望未来，监管趋严、数字化与耦合治理将是行业趋势。在线颗粒数浓度监测将成为评价燃烧效率、滤除技术与排放治理效果的重要工具；ESP与过滤器的混合治理（物理过滤 + 电场捕集）对超细颗粒的协同减排将更受重视；基于在线监测的自动化控制与预测性运维将显著提升治理效率与降低总拥有成本。对中国市场而言，将国际成熟的ESS与SMPS监测方案，与本土化的ESP改造（极板/极线材料、整流装置优化、智能振尘）结合，是实现排放达标与运营经济性的可行路径。

总之，GRIMM提出的便携式热稀释排放采样系统配合SMPS+E，证明了在高浓度、热烟气中进行纳米颗粒在线测量的可行性与实用性。对工业用户和治理供应商（如艾尼科），该类技术不仅能用于法规合规检测，还能作为工艺优化、滤除装置评估与实时排放管控的重要工具，为我国重点行业实现更高效的烟气治理和可持续运行提供参考。

参考文献
[1] BImSchV, 2010. Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen). Bundesgesetzblatt Jahrgang 2010 Teil I Nr. 4. www.bundesgesetzblatt.de.
[2] Klippel N., Nussbaumer T., 2007. Wirkung von Verbrennungspartikeln. Bundesamt für Energie, Bern. ISBN 3-908705-16-9.
[3] Adler J., Kalisch A., 2009. Keramikfilter in der Abgasanlage zur Staubemissionsminderung von Biomassefeuerungsanlagen. Abschlussbericht FKZ:220-22-006, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.