从颗粒数到颗粒质：高浓度排放在线监测的新思路

基于GRIMM新型排放采样系统的纳米颗粒数浓度测量与排放控制启示

关键词
particle number concentration, emission sampling system, SMPS, biomass combustion, diesel engine, 静电除尘器, 超细颗粒物

在木质生物质燃烧、柴油机组和燃气轮机等高浓度烟气工况下，如何准确获取超细颗粒物的排放信息，正成为工业环保和静电除尘器（ESP）领域的技术焦点。德国 GRIMM Aerosol Technik GmbH & Co. KG 的 Friedhelm Schneider、Frank Tettich 和 Markus Pesch 等研究者，围绕一套新型排放采样系统（Emission Sampling System，ESS）展开实验研究，验证了其在高达 10^9 个/cm³ 颗粒数浓度条件下实现在线精细测量的可行性，为烟气颗粒数监测、超细颗粒控制以及后端除尘技术评估提供了新的技术路径。

本项工作由 GRIMM 团队联合德国乌尔姆应用科技大学（University of Applied Science Ulm）、荷兰 Bredenoord 公司及英国卡迪夫大学燃气轮机研究中心（GTRC）完成，核心思路是利用一套适用于高温高浓度排放的采样与稀释系统，结合扫描电迁移颗粒谱仪（Scanning Mobility Particle Sizer，SMPS）及法拉第杯静电计（Faraday Cup Electrometer，FCE），实现 3–155 nm 颗粒物的连续在线粒径谱和颗粒数浓度监测，并根据粒径分布在线换算颗粒物质量浓度。这种“数-质转换”的在线表征，对传统以质量浓度为主的静电除尘器和过滤系统评估，具有重要补充意义。

研究首先锁定当前欧洲尤其是德国对生物质燃烧排放的严格监管背景。德国新版《联邦排放控制条例第一实施细则》（1. BImSchV，2010）对小于 15 kW 的生物质燃烧装置提出了更严格的细颗粒物和 CO 排放限值，分两步实施，且按燃烧形式、燃料种类和额定热功率进行分级。以颗粒燃料炉为例，第一阶段细尘限值为 0.06 g/m³，第二阶段进一步收紧至 0.02 g/m³[1]。在此背景下，研究团队选择了一台 15 kW 试验用颗粒燃料炉，对不同运行阶段的颗粒排放进行详细量化，重点关注稳定 15 kW 负荷条件下的连续排放特性，并评估新型 ESS+SMPS 体系在极高颗粒数浓度条件下的适用性。

试验平台方面，乌尔姆应用科技大学配置了一台科研用非商业型颗粒燃料炉，配有自动给料系统和 6 m³ 热水锅炉，安装了热功率、体积流量、回水/供水温度及燃料消耗等多种传感器，便于将颗粒排放与燃烧工况进行关联。燃料使用标准化木质颗粒，保证工况的可重复性。为了兼顾颗粒测量与燃烧控制，系统同时配置了一套多组分烟气分析仪（ECOM J2KN），实时监测 CO、O₂、CO₂、NO₂、烟气温度和燃烧空气过量系数（Lambda）等参数，用于评价燃烧质量和调节控制策略。

在采样环节，GRIMM 新型排放采样系统 ESS 是整套方案的关键。其核心设计是对高温烟气进行等温稀释采样：采样探头可在 400 ℃ 以下调节，本次实验设置为 140 ℃，通过加热保证采样段不发生冷凝。烟气以固定稀释比（1:10 或 1:100）与预热、干燥、无颗粒的洁净空气混合，稀释空气由内置泵和加热临界孔板精确控制在 9 L/min，并经过绝对过滤器、活性炭、硅胶干燥器和二级绝对过滤器处理。这样，在不产生冷凝和二次成核的前提下，将高浓度排放稀释到适合精密颗粒在线测量的范围。稀释后的气溶胶通过探头末端的冷却段降温送往粒径谱仪，整个过程状态通过 LED 实时指示，便于现场运行和维护。

颗粒物表征采用 GRIMM SMPS+E 系统：以 Am-241 中和器实现气溶胶荷电平衡，再通过差分电迁移分析器（DMA）按电迁移径选择粒径，最后由法拉第杯静电计（FCE）对电荷流进行测量，换算出颗粒数浓度。样气流量设为 1 L/min，配合 ESS 9 L/min 稀释气，实现 1:10 总稀释比。系统以扫描方式获取 3–155 nm 范围内共 44 个粒径通道的数浓度分布，单次扫描时间约 48 s；也可切换为固定单粒径通道的快速测量模式，时间分辨率可达 4–8 Hz，用于捕捉快速动态变化的排放行为。

在颗粒燃料炉运行实验中，研究团队重点比较了点火预热阶段与稳定 15 kW 负荷阶段的粒径分布、总颗粒数浓度和换算质量浓度。结果表明，在点火及预热阶段，粒径分布峰值位于约 100 nm 左右，而在燃烧趋于稳定的 15 kW 恒定运行阶段，粒径分布峰值明显下移至 40–50 nm 区间。尽管两个阶段的颗粒数峰值浓度均可达到约 10^8 个/cm³，甚至在局部时段接近 10^9 个/cm³，但质量浓度却表现出相反趋势：预热阶段计算得到的粉尘质量浓度可接近 800 mg/m³，而在稳定 15 kW 运行期间，质量浓度降低到约 200 mg/m³。这一“数高质低”的特点，直接体现了在燃烧充分、火焰稳定阶段，颗粒粒径更小、数量更多但单颗粒质量更低的特征。

质量浓度的计算基于一个工程上可接受的假设：认为颗粒近似球形，且具有 1.6 g/cm³ 的均匀密度，这一密度区间对碳质颗粒具有代表性。SMPS+E 系统通过将各粒径通道的数浓度转换为质量，再对全谱积分，得到每一时刻对应的总尘质量浓度。研究进一步对比了标准化数分布和质量分布在不同燃烧阶段的变化，给出了计数均值直径（Count Mean Diameter，CMD）和质量均值直径（Mass Mean Diameter，MMD）。这些结果与文献中关于木片燃烧颗粒排放特性的研究[2]具有良好一致性，同时也与生物质燃烧尾气陶瓷过滤器设计中采用的颗粒尺度与负荷假设[3]相吻合，为后续静电除尘器和高温陶瓷滤管等除尘技术的设计提供了颗粒学基础数据。

值得关注的是，新系统在时间分辨率方面的优势，使得研究者首次清晰解析了自动给料颗粒炉的周期性排放行为。在将 SMPS+E 切换到单粒径通道（47 nm）、4 Hz 采样模式后，团队获取了持续数分钟的高分辨率时间序列数据。放大观察可以清楚看到每 12 秒自动投料周期内，47 nm 颗粒数浓度由约 6×10^7 个/cm³ 上升到 1.2×10^8 个/cm³，随后在 15 秒内逐渐回落，形成与给料节奏严格对应的“脉冲型”超细颗粒排放特征。这类数据以往几乎未见公开报道，对于理解生物质炉排放瞬态行为及设计相应的动态控制策略（例如与静电除尘器高压供电、极板振打规律联动）具有启发价值。

实验还进行了采样位置变更试验，将颗粒采样探头与烟气分析探头在烟道中的相对位置对调，结果显示无论数浓度还是质量浓度都保持在同一数量级，说明 ESS 系统在本工况下具备良好的空间代表性和稳定性。在另一组试验中，研究团队将 ESS 与丁醇凝结核粒子计数器（CPC）组合应用于一台大型柴油发电机组的高温尾气，在配备和拆除过滤元件两种工况下测量了 5 nm–2 µm 范围内的总颗粒数浓度，过滤效率最高可接近 99%。类似的 ESS+CPC 组合也应用于卡迪夫大学的燃气轮机试验台架尾气，用于评估其超细颗粒排放水平。虽然这两部分结果尚未详尽发表，但初步数据证明：该类高温稀释采样系统完全可延展至柴油机和燃气轮机等高温、高速、高浓度排放场景，为这些典型工业源的除尘与后处理评估提供统一的颗粒数测量平台。

从行业视角看，这项研究的意义不只在于开发了一套便携、仅需市电即可运行的高温稀释采样+SMPS 在线监测系统，更重要的是为颗粒数浓度这一“新指标”在工业烟气治理中的应用提供了可行验证。传统静电除尘器、袋滤器与陶瓷过滤单元，长期以来主要按质量排放限值、入口质量负荷及效率进行设计和评估，而对 3–100 nm 超细颗粒的数浓度和粒径分布关注有限。在欧盟及部分国家逐步将颗粒物排放评价从“仅质量”扩展到“数+质”双指标的大趋势下，类似 GRIMM ESS+SMPS 或 ESS+CPC 的技术路径，为后续从源头排放监测、过程优化控制，到除尘设备选型与改造升级，提供了新的数据基础和技术抓手。

对于静电除尘器领域而言，高数浓度超细颗粒在线监测的价值尤为突出。一方面，3–50 nm 范围内的纳米颗粒在 ESP 内的带电、迁移和凝并行为，与传统 PM₂.₅ 或 PM₁₀ 有明显差异，精细粒径谱数据有助于优化电场结构、电晕线布置及高压波形；另一方面，将 SMPS 或 CPC 安装在 ESS 下游，对比 ESP 入口和出口的颗粒数分布，可获得比单一质量效率更敏感的超细颗粒捕集效率，为高性能电除尘和混合式“ESP+滤筒/陶瓷滤管”系统的开发提供量化依据。

综合来看，GRIMM 团队的研究表明：在高达 10^9 个/cm³ 的极高颗粒数工况下，通过合理设计的高温稀释采样系统，完全可以实现 3–155 nm 范围颗粒粒径分布和总数浓度的连续在线测量，并可靠换算为质量浓度；系统结构紧凑、便于携带与安装，适合在生物质锅炉、柴油发电机与燃气轮机等多种排放源现场部署，为工况诊断、达标评估和除尘技术开发提供强有力的技术支撑。随着颗粒数排放标准和超细颗粒健康风险研究的不断推进，这类“从颗粒数到颗粒质”的在线监测技术，很可能成为下一阶段工业烟气治理和静电除尘技术升级的重要基础设施之一。

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

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