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如何對(duì)機(jī)動(dòng)車排放超細(xì)顆粒物數(shù)濃度檢測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)檢查
發(fā)布時(shí)間: 2025-02-26
2025年1月,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》(GB18352.6—2016)修改單(征求意見稿),其中關(guān)于PEMS PN設(shè)備,增加了“檢查顆粒分析儀對(duì)于電遷移率粒徑50nm和100nm的單分散氣溶膠的計(jì)數(shù)效率”。
01 為什么增加PN設(shè)備量距點(diǎn)檢測(cè)?
目前,顆粒物仍是我國(guó)大氣污染物排放的主要來源。2023年,全國(guó)339個(gè)地級(jí)及以上城市中105個(gè)城市細(xì)顆粒物(PM2.5)超標(biāo)。在大型電廠、石油化工等重點(diǎn)行業(yè)為代表的固定污染源被嚴(yán)格管控,污染總量大幅度削減的大背景下,移動(dòng)源污染問題逐漸凸顯出來。特別是北京這些特大城市,移動(dòng)源污染已經(jīng)成為大氣污染物的首要來源,根據(jù)北京市2021年發(fā)布的最新PM2.5源解析結(jié)果,移動(dòng)源依然是本地排放源中PM2.5最大的貢獻(xiàn)源,占比達(dá)到46%(2017年源解析結(jié)果,移動(dòng)源占比45%)。
自2020年7月1日,機(jī)動(dòng)車國(guó)六a標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來,對(duì)機(jī)動(dòng)車排放顆粒物數(shù)濃度(PN)作了明確要求。然而長(zhǎng)期運(yùn)行的PN檢測(cè)設(shè)備由于顆粒物沉積等原因,儀器采樣流量、稀釋比、數(shù)濃度測(cè)量模塊計(jì)數(shù)效率發(fā)生變化,致使顆粒物數(shù)濃度測(cè)量結(jié)果偏低。為了保證設(shè)備計(jì)數(shù)效率的準(zhǔn)確性,設(shè)備僅開展零點(diǎn)測(cè)試遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,增加PN設(shè)備量距點(diǎn)檢測(cè)勢(shì)在必行。
02 為什么要進(jìn)行粒徑點(diǎn)的效率測(cè)試而不是相對(duì)快速的線性測(cè)試?
目前市面上的主流PN檢測(cè)設(shè)備主要分為DC方案和CPC方案,其中DC方案通過顆粒物荷電并檢測(cè)帶電量實(shí)現(xiàn)顆粒物PN測(cè)量,而CPC方案則是通過顆粒物在醇或水的蒸汽中冷凝增長(zhǎng)后利用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器(OPC)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)顆粒物PN測(cè)量。
在DC方案中,不同粒徑顆粒物的荷電效率不同;在CPC方案中,不同粒徑顆粒物的凝結(jié)增長(zhǎng)效率也不同。鑒于此,PN檢測(cè)設(shè)備對(duì)不同粒徑顆粒物的測(cè)量效率不同。此外,隨著待測(cè)顆粒物濃度的增加,對(duì)于DC方案會(huì)出現(xiàn)電荷濃度不夠的情況,對(duì)于CPC方案則會(huì)出現(xiàn)顆粒物重合通過OPC的情況,從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的非線性。
因此,對(duì)于一款PN檢測(cè)設(shè)備,計(jì)數(shù)效率和計(jì)數(shù)線性是表征其兩個(gè)不同維度性能的參數(shù):效率主要是表征設(shè)備對(duì)待測(cè)顆粒物粒徑的響應(yīng)情況,線性則是表征設(shè)備對(duì)待測(cè)顆粒物濃度的響應(yīng)情況。而在實(shí)際應(yīng)用中PN檢測(cè)設(shè)備通常在線性檢測(cè)中更容易達(dá)標(biāo),但在效率方面則較為敏感。因此,僅僅利用特定的氣溶膠發(fā)生器發(fā)生幾個(gè)不同階梯濃度進(jìn)行計(jì)數(shù)線性測(cè)試,并不能全面表征PN檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
03 為何選擇50nm和100nm兩個(gè)粒徑點(diǎn)?
目前市場(chǎng)基于CPC原理的PN檢測(cè)儀占比極高,從CPC本身的顆粒物計(jì)數(shù)效率曲線來看,在23nm處計(jì)數(shù)效率約50%;整個(gè)計(jì)數(shù)效率曲線在顆粒粒徑<50nm,曲線陡峭,很容易受外界干擾(顆粒物材質(zhì)、采樣流量微小波動(dòng)等)影響計(jì)數(shù)效率;50nm落在PN設(shè)備效率突變向平穩(wěn)的過渡區(qū)域(60%~130%),100nm則落在PN設(shè)備效率平穩(wěn)區(qū)域(70%~130%),為了兼顧快速校準(zhǔn)與大小不同粒徑顆粒的計(jì)數(shù)效率,采用50nm和100nm兩個(gè)粒徑點(diǎn)開展計(jì)數(shù)效率測(cè)試較為妥當(dāng)。
此外,由于顆粒物通過效率隨著粒徑增大而增大,并最終趨于平緩,因此,小粒徑顆粒的尾氣預(yù)處理裝置的顆粒物衰減系數(shù)(PCRF)值是要大于平均值的,同樣的大粒徑顆粒的PCRF將小于平均值。50nm粒徑點(diǎn)的PCRF更能準(zhǔn)確代表尾氣預(yù)處理裝置的平均PCRF。
04 現(xiàn)有的測(cè)量方案是什么?
顆粒物數(shù)濃度的測(cè)量與校準(zhǔn)一直是一個(gè)難題,目前尚無一款設(shè)備可以產(chǎn)生某一固定數(shù)量顆粒物并無損傳播。鑒于此,可采用比對(duì)法,即將待測(cè)儀器與參考儀器(如已校準(zhǔn)的CPC或靜電計(jì))并聯(lián),同時(shí)采集同一氣溶膠樣品。
從便攜的角度來看,采用高壓霧化器作為顆粒物發(fā)生模塊,產(chǎn)生多分散NaCl顆粒物,進(jìn)入基于平板電極的差分電遷移分析器(顆粒物篩分模塊),篩分出相應(yīng)粒徑顆粒物,然后同時(shí)接入被測(cè)PN檢測(cè)儀和法拉第杯氣溶膠靜電計(jì)(顆粒物測(cè)量模塊)進(jìn)行比對(duì)。其中法拉第杯氣溶膠靜電計(jì)所測(cè)量的電流值可溯源至SI制,便于后續(xù)量值傳遞和溯源。
當(dāng)然,也可以采用橫向淬火式碳煙發(fā)生器作為顆粒物發(fā)生模塊,產(chǎn)生準(zhǔn)單分散碳煙顆粒,其組分與機(jī)動(dòng)車排放顆粒物更加相似,測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)更高,但需要攜帶可燃?xì)馄亢偷獨(dú)馄?,適用于實(shí)驗(yàn)室固定安裝。
以高壓霧化器作為顆粒物發(fā)生模塊為例,計(jì)數(shù)效率的具體測(cè)量方案如下:
計(jì)數(shù)效率測(cè)試方案如下圖所示,將顆粒物篩分模塊的一個(gè)出口與測(cè)量模塊相連接,而另外一個(gè)出口則與被校便攜式PN檢測(cè)儀的入口相連接或與被校臺(tái)架式PN檢測(cè)儀的測(cè)量系統(tǒng)入口連接。
根據(jù)被測(cè)設(shè)備的流量,設(shè)置顆粒物篩分模塊的補(bǔ)氣/抽氣流量,同時(shí)調(diào)節(jié)顆粒物篩分模塊中平板DMA的篩分電壓從而得到不同粒徑的單分散顆粒物,同時(shí)通入顆粒物測(cè)量模塊和被測(cè)PN檢測(cè)儀,并記錄被測(cè)PN檢測(cè)儀和顆粒物測(cè)量模塊一段時(shí)間的測(cè)量結(jié)果,按照如下公式計(jì)算得到對(duì)應(yīng)顆粒物計(jì)數(shù)效率。
05 有沒有成熟的設(shè)備?
2022年,生態(tài)環(huán)境部機(jī)動(dòng)車污染控制與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院(安光所)開發(fā)了機(jī)動(dòng)車排放超細(xì)顆粒物數(shù)濃度檢測(cè)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)(P4103),用于基于凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)(CPC)法的移動(dòng)源排放顆粒物PN臺(tái)架式/便攜式檢測(cè)儀的校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)系統(tǒng)滿足《移動(dòng)源排放顆粒物數(shù)量檢測(cè)儀校準(zhǔn)規(guī)范》(報(bào)批稿)在測(cè)試方案、效率測(cè)試以及線性測(cè)試方面的要求。
近三年來,在中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、江淮汽車、廈門機(jī)動(dòng)車污染控制技術(shù)中心、重慶招商車研、中汽研鹽城試驗(yàn)場(chǎng)等多家單位開展了數(shù)十次比對(duì)、驗(yàn)證測(cè)試,并獲得中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院計(jì)量評(píng)價(jià)證書。隨著用戶需求量的增加,我們將在GB18352.6—2016修改單的要求下,根據(jù)客戶需求,提供更加穩(wěn)定、可靠、好用的標(biāo)定設(shè)備。

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