固定污染源废气颗粒物的测定β射线法.docx
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固定污染源废气颗粒物的测定β射线法
固定污染源废气颗粒物的测定β射线法
（征求意见稿）
编制说明
编制组
2016年2月
1项目背景3
1.1任务来源3
1.2工作过程3
2标准制修订的必要性分析4
2.1颗粒物的环境危害4
2.2相关环保标准和环保工作的需要5
3国内外相关分析方法研究5
3.1国外相关标准分析方法的应用情况5
3.2国内相关分析方法研究6
3.3国内外标准与本方法关系7
4标准制修订的基本原则和技术路线7
4.1标准制修订的基本原则7
4.2标准的适用范围和主要技术内容7
4.3标准制修订的技术路线8
5方法研究报告9
5.2方法原理10
5.3干扰和消除10
5.4仪器和设备11
5.4.1β射线法颗粒物测定仪11
5.4.2要求11
5.5监测位置和监测点11
5.5.1测定位置11
5.5.2测定孔、测定点位置和数目11
5.6样品测定12
5.6.1测定位置和测定点12
5.6.2仪器准备12
5.6.3定点测定12
5.6.4多点测定12
5.6.5测定结束12
5.7颗粒物浓度计算和表示12
5.7.1颗粒物浓度12
5.7.2标准状态下干废气排放量13
5.7.3颗粒物排放速率13
5.7.4颗粒物排放浓度13
5.8质量保证和质量控制14
6方法验证14
6.1方法验证方案的制订14
6.2方法验证方案内容14
6.3方法验证过程16
6.4方法验证报告16
参考文献：
17
附件：
方法验证报告18
1项目背景
1.1任务来源
2015年8月，河北省环境保护厅向河北省环境监测中心站下达了起草《固定污染源颗粒物的测定β射线法》方法标准的任务。
国家环保产品质量监督检测中心、廊坊市环境监测站、秦皇岛市环境保护监测站、霸州市环境监测站、迁安市环境监测站、河北浦安环境检测有限公司协作；霸州市京博工程机械有限公司提供支持。
1.2工作过程
第一阶段：
成立标准编制小组。
本项目任务下达后，我站立即着手成立标准编制小组，同时选择了国家环保产品质量监督检测中心、廊坊市环境监测站、秦皇岛市环境保护监测站、霸州市环境监测站、迁安市环境监测站、河北浦安环境检测有限公司协作；霸州市京博工程机械有限公司提供支持。
成立了标准编制小组。
同时，标准编制小组完成了项目任务书和合同的填报。
第二阶段：
查询国内外相关标准和文献资料。
标准编制小组成立后，随即展开相关资料和标准的调研工作，对国内外有关“颗粒物的测定β射线法”的标准内容、包括测定原理、测定装置、测定程序、质量控制、结果计算及方法性能进行调研，对国内外固定污染源颗粒物测定设备的工作原理、测试方法、可行性及应用情况进行调研，对国内外相关分析方法进行研究比较，对国内固定污染源排放的相关法律、法规和政策进行分析研究，收集国内外关于颗粒物测定的文献资料，分类归纳。
第三阶段：
开题论证，确定标准制订的技术路线。
在广泛查阅、调研、实验研究的基础上，结合国内的使用情况，初步确定了方法适用范围、方法测定范围等，并在此基础上编写了开题论证报告和初步的标准草案。
2015年10月，河北省环境监测中心站在廊坊霸州组织召开了本标准的开题论证会。
论证委员会听取了标准开题论证报告和标准初稿内容介绍，经质询、讨论，形成了论证意见主要有：
一、该方法已有相应的技术基础，具有快捷、便利的特点，是重量法测定颗粒浓度方法的有益补充，适应了河北省固定污染源废气中颗粒物的监测需求，对提升河北省环境监测能力，推动节能减排具有重要意义；二、申报单位具有扎实的技术基础，已进行大量实验验证，提供的资料丰富，提出的总体思路和技术路线可行。
论证委员会通过了该标准的开题论证，并提出了具体修改意见和建议。
第四阶段：
开展实验研究工作，组织方法验证。
按照开题报告会确定的研究内容和技术路线，标准编制小组开展了方法研究实验，确定和完善了标准草案初稿的各项技术内容和方法验证实验方案。
2016年1月，标准编制组组织方法验证单位，在河北省霸州市正式开展了方法验证实验；根据各实验室的验证结果，编制完成了方法验证报告。
第五阶段：
编写标准征求意见稿和编制说明（含方法验证报告）。
在研究实验和验证实验的基础上，标准编制组不断补充和完善方法草本的各项内容，编制完成了初步的征求意见稿和编制说明（含方法验证报告）。
2标准制修订的必要性分析
2.1颗粒物的环境危害
颗粒物或尘，是指燃料和其他物质在燃烧、合成、分解以及各种物质在机械处理中所产生的悬浮于排放气体中的固体和液体颗粒状物质。
各项研究表明，长期接触空气中的污染颗粒会增加患肺癌的风险，颗粒或其他空气污染物短期内浓度上升，会增加患心脏病的风险。
欧洲流行病学家发现，肺癌与局部地区的空气污染颗粒有明显的关联，即使污染水平短暂升高----类似城市发出雾霾警告的同时，也会使心力衰竭住院或死亡的风险上升2%-3%。
鲁晟等人[1]对燃煤电厂烟气中颗粒物粒径分布特征的研究表明，燃煤电厂经除尘后排放的烟气以PM10和PM2.5为主。
而粒径小于2.5μm以下的部分，可直接达到人类肺部进入肺泡，并可能进入血液通往全身，颗粒物富集大量有毒重金属和有害有机物，并且粘附细菌和病毒。
颗粒物不仅影响人类身体健康，对植物也会造成危害。
早在1974年，中国医学科学院科学研究所就对国内电厂的烟尘排放进行了研究，发现火电厂烟尘对农作物也会产生危害，傅嘉媛等[2]按照某电厂扩建工程预测的降尘量，采用模拟试验的方法，研究烟尘对大白菜的生物学性状、生理功能、产量和品质均有不同伤害程度。
针对目前的情况开展此类方法的标准制定是十分必要的。
2.2相关环保标准和环保工作的需要
近期国家和我省相继颁布实施了严格的固定污染源排气中颗粒物排放标准限值，固定污染源颗粒物排放浓度是我国节能减排重点控制的污染物指标，我省部分地区执行特别地区排放限值标准，颗粒物特别排放限值为20mg/m3。
根据河北省燃煤电厂超低排放升级改造专项行动方案要求，我省燃煤机组在2015年底前全部实现超低排放，即颗粒物排放浓度降至10mg/m3以下。
随着环境管理日趋严格及环境污染治理技术不断进步，尤其是全国大气污染源自动监测工作已全面展开，针对脱硫后管道内颗粒物浓度低、温度低、湿度高的“二低一高”状况，国内现阶段颗粒物监测方法采用《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T16157-1996），严格意义而言，该方法仅适用于颗粒物质量浓度高于50mg/m3情况下的监测，测定低于50mg/m3的颗粒物时误差较大，该方法规定颗粒物捕集介质为滤筒，滤筒为柔性外表，在烟道内颗粒物浓度低、温度低、湿度高的“二低一高”的环境下，加之采样过程比较复杂，容易造成系统误差，在低浓度颗粒物采样和分析中，对测定结果影响较大。
随着大气固定污染源颗粒物允许排放限值越来越低，《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T16157-1996）颗粒物手工采样重量法逐渐暴露出不适应测定低浓度颗粒物的缺陷。
因此，研究一种更为科学的固定污染源颗粒物测定方法显得尤为重要。
目前，β射线法已广泛应用于环境空气中PM10、PM2.5的监测，且技术已较为成熟。
此方法原理不受粉尘粒子大小、粉尘粒子密度的影响，特点为快速监测，直接读数，操作简便，耗材少，维护量小，可以有效降低人工误差。
但是，针对固定污染源颗粒物的测定，国内外尚无现行的标准，本标准弥补了此空白，且是滤膜法、滤筒法的有益补充。
3国内外相关分析方法研究
3.1国外相关标准分析方法的应用情况
β射线法测定废气（环境空气）中颗粒物的技术在国外发达国家已开展了研究，所涉及的主要方法标准如下：
（1）Ambientair-Measurementofthemassofparticulatematteronafiltermedium-Beta-rayabsorptionmethod（ISO10473:
2000）
译文：
环境空气中颗粒物的测定—β射线吸收法。
（2）Stationarysourceemissions-Determinationoflowrangemassconcentrationofdust-Part2:
Automatedmeasuringsystems（BSEN13284-2:
2004）
译文：
固定污染源废气—低浓度颗粒物的测定—第二部分：
自动监测系统。
（3）Stationarysourceemissions-Qualityassuranceofautomatedmeasuringsystem（BSEN14181:
2004）
译文：
固定污染源废气—自动监测系统质量保证。
（4）Airquality-Certificationofautomatedmeasuringsystems-Part3:
Performancecriteriaandtestproceduresforautomatedmeasuringsystemsformonitoringemissionsfromstationarysources（BSEN15267-3:
2007）
译文：
空气质量—自动监测系统的认证—第三部分：
固定污染源排放自动监测系统的性能标准和测试程序。
标准
（1）描述了β射线法测定环境空气中颗粒物的测定过程和分析方法，其原理与β射线法测定固定污染源颗粒物相同。
标准
（2）和标准（3）描述了固定污染源颗粒物测定自动监测系统的质量保证。
文献（4）描述了废气中颗粒物的测定装置和测定过程，并对不同方法进行了比较分析，包括β射线法、光散射法等。
固定污染源排气中颗粒物β射线法是污染源监测方法的一种，应用于便携式现场监测仪。
通过查阅相关文献，国外涉及到β射线法为环境空气质量监测，与本方法具有相同的原理，本标准是建立在对国外此类方法标准参考的基础上建立起来的，更加符合我国固定源排气测定的相关条件。
3.2国内相关分析方法研究
国内固定污染源颗粒物的测定方法标准有《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T16157-1996），《工业炉窑烟尘测试方法》（GB9079-1988）、《锅炉烟尘测试方法》（GB5468-1991）、《固定污染源烟气排放监测系统技术要求及检测方法》（HJ/T76-2007）、《烟尘采样器技术条件》（HJ/T48-1999）。
目前，国内大部分标准方法均将《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T16157-1996）作为测定固定源颗粒物浓度的标准方法，尚无β射线烟尘测定仪的原理与固定污染源排放检测方法。
国内已有多家企业开展了β传感器式快速烟尘测试仪的研究，验证实验采用了霸州市京博工程机械有限公司和北京地海云天相关的产品。
3.3国内外标准与本方法关系
国内外相关标准为本标准的制订提供了基础，GB/T16157-1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》提供了在颗粒物采样方面的相关要求，ISO10473:
2000）《Ambientair-Measurementofthemassofparticulatematteronafiltermedium-Beta-rayabsorptionmethod》，BSEN13284-2:
2004）《Stationarysourceemissions-Determinationoflowrangemassconcentrationofdust-Part2:
Automatedmeasuringsystems》，提供了该方法的理论依据。
4标准制修订的基本原则和技术路线
4.1标准制修订的基本原则
本次标准修订，本着科学性、先进性和可操作性为原则，在原《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T16157-1996）基础上,按照国家《大气污染防治行动计划》的有关要求，同时参考国内外相关文献，在我国现有标准、规定和各监测站的技术经验的基础上，结合我省实际情况和当前世界的科学技术水平，修订本标准。
4.2标准的适用范围和主要技术内容
有关颗粒物的测定β射线法的技术要求是对国内有关固定污染源颗粒物测定及采样方法标准、固定污染源烟尘采样器的行业标准、国外低浓度颗粒物的测定方法标准、征求仪器厂商代表意见等的调研、分析基础上制定，其相应的技术要求的检测方法是对具有应用前景的方法进行试验验证的基础上制订。
为切实加强本标准的实施，规范我省固定污染源低浓度颗粒物测定方法的规范，促进低浓度颗粒物测定水平的提高和数据的有效性，更好地为环境管理、环境决策服务。
各级环境监测站及其他环境监测机构工作人员及相关企业应按照本标准执行。
4.3标准制修订的技术路线
（1）查阅期刊文献、国内和国际标准化组织的标准文本。
（2）完成标准的开题报告提交河北省环保厅科技处，组织专家论证，确定技术路线，拟定实验方案；
（3）参照有关的基础标准或者规范技术要求，编制国家标准文本草案，同时编制标准文本制订的说明。
提交标准文本和编制说明的征求意见稿；
（4）征求意见稿上报河北省环保厅科技处，环境保护相关机构、科研院所、大专院校等公开征求意见；
5方法研究报告
5.1方法研究的目标
β射线法作为一种成熟的质量测试技术已广泛应用到料位计等质量监测仪器中。
本方法研究目标是制定测定固定污染源排气中颗粒物的β射线法。
方法适用于固定污染源排气中颗粒物的瞬时监测。
编写相关测试说明及验证报告试验仪器检出限、准确度测试选择标准组提供的循环风洞，利用GB/T16157方法进行标定，选用两个生产厂家的仪器进行测试验证，现场测试验证6家实验室仪器精密度。
测试按照HJ168-2010的有关规定，通过研究和实验验证，本标准明确了监测方法的检出限、精密度、准确度等，满足我国现行的关于固定污染源排放颗粒物标准的测定要求。
方法检出限：
按照HJ168-2010的有关规定，在标准编制组提供的循环风洞，选取洁净环境空气为零气进行样品测试，按本方法操作步骤及流程进行7次平行测定：
该方法检出限为0.24~0.35mg/Nm3，选用其中最大并且取整，本标准将β射线法测定颗粒物的检出限定为0.4mg/Nm3。
本标准的方法精密度：
6个实验室对3种浓度水平的气流：
1号风洞（≥100mg/m3）、2号风洞（30-80mg/m3）、3号风洞（20-50mg/m3）进行测定：
实验室内相对标准偏差分别为：
0.3%~2.2%、0.8%~3.7%、1.6%~7.7%；
实验室间相对标准偏差分别为：
3.08%、4.50%、3.89%；
重复性限分别为：
4.4mg/Nm3、3.2mg/Nm3、2.5mg/Nm3；
再现性限分别为：
12.4mg/Nm3、7.3mg/Nm3、2.5mg/Nm3。
本标准的方法准确度：
6个实验室对3种浓度水平的气流：
1号风洞（≥100mg/m3）、2号风洞（30-80mg/m3）、3号风洞（20-50mg/m3）进行测定：
相对误差分别为：
0.00%~8.70%，7.69%~21.15%，10%~20%。
相对误差的最终值为：
3.86%±3.20%，11.54%±5.01%，15.00%±4.47%。
5.2方法原理
测定时，将采用电离室结构的β射线传感器放入烟道内，进气口正对气流方向，保证排气等速通过电离室。
电离室中一定能量的β射线通过物质时会与物质中的原子或原子核相互作用，引起能量衰减，能量衰减量与物质的质量成比例。
通过β射线能量衰减量计算物质的质量，通过物质的质量和电离室的体积计算颗粒物的浓度。
………………………………………………………………………………
（1）
式中：
——经过物质时的强度,eV；
——起始辐射强度,eV；
——质量衰减系数；
——质量，g。
5.3干扰和消除
烟道内湿度较大时，废气中的颗粒物和水汽容易在传感器内表面沉积，对本测定方法的零点产生干扰，因而须对传感器定期清理及零点校准。
传感器必须附带温度补偿电路，消除温度使传感器内部体积变化的影响。
对于湿法脱硫后烟气中颗粒物浓度的测定时间，应控制不大于3分钟，并在测定完成后立即清除传感器内的凝结水。
表3不同湿度对β射线传感器测试数据的干扰
室温
加湿半分钟数据
加湿一分半浓度稳定后数据
仪器
加热至70度降至室温
加湿半分钟后温度
加湿半分钟浓度△值
罩子内湿度
加湿一分半后温度
加湿一半分钟浓度△值
罩子内湿度
57号
28
23.09
8.14%
40%RH
22.56
8.93%
32%RH
27.32
26.1
7.36%
50%RH
25.25
6.27%
41%RH
27.51
25.25
7.92%
60%RH
24.79
8.42%
53%RH
26.95
23.38
9.96%
70%RH
23.09
10.87%
64%RH
24.88
21.5
9.11%
80%RH
27.31
12.51%
75%RH
27.98
23.09
9.88%
90%RH
23.09
13.08%
89%RH
26.66
25.63
11.97%
饱和
24.31
9.83%
饱和
23号
26.38
21.97
10.06%
40%RH
21.67
9.06%
32%RH
28.35
26.95
11.84%
50%RH
25.48
11.20%
41%RH
27.41
25.67
12.08%
60%RH
24.5
10.14%
53%RH
24.88
22.72
11.25%
70%RH
22.34
12.61%
64%RH
26.57
22.72
7.76%
80%RH
22.62
6.39%
75%RH
27.98
23.28
8.30%
90%RH
22.82
10.89%
89%RH
26.48
26.57
9.30%
饱和
26.57
8.58%
饱和
38号
27.85
22.31
10.11%
40%RH
22.12
10.52%
32%RH
28.6
27.68
10.33%
50%RH
27
11.98%
41%RH
28.41
25.69
7.67%
60%RH
25.22
6.94%
53%RH
26.53
24
7.14%
70%RH
23.71
12.29%
64%RH
28.97
25.97
6.27%
80%RH
25.4
7.45%
75%RH
28.97
24.37
9.65%
90%RH
24.09
10.31%
89%RH
27.19
28.13
8.74%
饱和
28.6
7.53%
饱和
通过实验发现高湿度对测定结果的干扰，因此测定过程需考虑水分对测定的影响。
5.4仪器和设备
5.4.1β射线法颗粒物测定仪
β射线法颗粒物测定仪包括：
颗粒物浓度传感器、采样泵、S型标准皮托管、压力传感器、温度传感器、二次仪表等组成，能保证排气等速通过电离室的β射线传感器可不连接采样泵。
5.4.2要求
i.β射线法颗粒物测定仪应符合《烟尘测定仪技术条件》HJ/T48的要求；
ii.β射线法颗粒物测定仪应具有存储及打印功能。
存储不少于50组测定点数据，单点测定时间1至30分钟可调；
iii.β射线源应使用国家法规规定的五类以下豁免源，并应保证无射线泄露。
颗粒物浓度传感器中β射线源应安装牢固，保证在使用过程中不丢失；
5.5监测位置和监测点
5.5.1测定位置
测定位置应优先选择在垂直管段。
应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。
测定位置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径和距上述部件上游方向不小于3倍直径处。
对矩形烟道，其当量直径D=2AB/（A+B），式中A、B为边长。
5.5.2测定孔、测定点位置和数目
应符合GB/T16157第4.2.4条的规定。
5.6样品测定
5.6.1测定位置和测定点
按本标准第8项的要求选定。
5.6.2仪器准备
i.仪器校零
打开主机电源，以清洁的环境空气为颗粒物的零点，按仪器使用说明书中规定进行仪器零点校准。
ii.气密性检查
以恒定的压力堵紧S型皮托管的全压口，若仪器显示风速在60秒内无变化，表示气密性合格。
5.6.3定点测定
将颗粒物测定仪传感器插入烟道中，使采样嘴置于测点上，正对气流，采样嘴平面与气流方向成90o，即采样嘴的进气速度与测点处气流速度相等（其相对误差应在10%以内）。
仪器在每个测定点测量时应旋转探枪至浓度显示最大值，以保证等速测定。
待仪器读数稳定时，即可记录读数。
每个测点上测定一次，每次时间不低于1分钟。
5.6.4多点测定
采样截面面积较大时，采样点位的确定按照应符合GB/T16157第4.2.4条的规定，对每一采样点位测定数据的平均值，即为该断面颗粒物的平均浓度。
5.6.5测定结束
测定结束后，将传感器置于清洁的空气中，待读数归零时将仪器关闭。
5.7颗粒物浓度计算和表示
5.7.1颗粒物浓度
5.7.1.1定点测量时，颗粒物的浓度按公式
（2）计算。
………………………………………………………………………………
（2）
式中：
——颗粒物浓度，mg/m3；
——起始辐射强度,eV；
——经过物质时的强度,eV
——质量衰减系数
——电离室体积，m3。
5.7.1.2多点测定时，颗粒物的平均浓度按公式（3）计算。
……………………………………………………………………………………..（3）
式中：
——污染物平均排放浓度，mg/m3；
——采集的样品数。
5.7.2标准状态下干废气排放量
标准状态下干废气排放量按式（4）计算：
…………………………………….（4）
式中：
——标准状态下干排气量，m3/h；
——大气压力，Pa；
——排气静压，Pa；
——排气温度，℃；
——排气中水分含量体积百分数，%。
5.7.3颗粒物排放速率
颗粒物排放速率以单位小时颗粒物的排放量表示，其单位为kg/h。
颗粒物排放速率按式（4）计算：
…………………………………………………………………..（5）
式中：
——颗粒物排放速率，kg/h；
——颗粒物实测排放浓度，mg/m3；
——标准状态下干排气量m3/h。
5.7.4颗粒物排放浓度
本方法计算出的浓度为实测浓度，排放浓度需根据相关排放标准的要求进行折算。
5.8质量保证和质量控制
仪器应按期送国家授权的计量部门进行鉴定。
每个月至少进行一次测定前后的零点漂移检查。
每次测量前应应检查S型皮托管至压力传感器之间的气密性。
测定过程中应确保测孔密封，避免改变原有流场。
6方法验证
6.1方法验证方案的制订
2015年10月，标准编制组按照开题论证会专家提出的意
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