2013年我国74个城市的空气质量状况表明，PM_2.5是多数城市的空气首要污染物，绝大多数城市PM_2.5浓度满足不了环境空气质量标准的要求，PM_2.5污染已成为我国主要的大气环境问题(环境保护部，2014).我国大气一次PM_2.5主要来自水泥厂、燃煤电厂、钢铁厂和工业锅炉等固定源的排放(Lei et al., 2011).然而目前我国缺乏固定源排放PM_2.5采样标准方法，不利于固定污染源PM_2.5排放统计与减排控制.

目前，国际上针对固定源PM_2.5排放的测试方法可以分为直接采样法和稀释采样法(蒋靖坤等，2014a)，其中，稀释采样法是将高温烟气用洁净空气稀释和冷却至大气环境温度，稀释冷却后的烟气停留一段时间后用滤膜捕集其中的PM_2.5，该方法较好地模拟了烟气排入大气后的稀释、冷却和凝结等过程，捕集的PM_2.5除了包括直接采样法采集的可过滤PM_2.5，还包括直接采样法不能捕集的可凝结PM_2.5，可近似认为是固定源排放的一次PM_2.5(即包括可过滤PM_2.5和可凝结PM_2.5)(Hidemann et al., 1989)，因此，该方法被认为是更为准确的固定源PM_2.5的采样方法.采用该方法可获得一次PM_2.5的排放浓度及排放因子.此外，由于高温烟气稀释冷却至大气环境温度，许多不适用烟气条件的滤膜(如Telfon等)和只适于大气条件的在线细粒子测量仪器也可应用，因而可对PM_2.5的化学组成和粒径分布进行全方位的分析；同时，采用该方法得到的PM_2.5源成分谱数据适应于大气PM_2.5的源解析研究，获得的污染源PM_2.5及关键化学成分有机碳(OC)/元素碳(EC)的排放因子数据也被应用于排放清单的编制中.因此，该方法深受研究人员的青睐(Hidemann et al., 1991; Waston et al., 2001;Fine et al., 2001;白志鹏等，2003；周楠等，2006；李兴华等；2008).美国环保署(US EPA，2004)已将稀释采样法作为测量固定源PM₁₀和PM_2.5排放的“有条件的测试方法(Conditional Test Method 039)”.国际标准化组织(ISO，2013)近期将稀释采样作为固定源排放PM_2.5测试的标准方法(ISO 25597:2013).

稀释比和停留时间是稀释采样法的两个重要参数.稀释采样器在现场应用时，稀释比一般在20~50之间.早期的稀释采样器多采用较长的停留时间(如80 s)，停留室体积大，且混合段长度较长，一般为其直径的10倍以上(Hidemann et al., 1991; Waston et al., 2001; Fine et al., 2001)，导致稀释采样器庞大笨重，而许多污染源采样现场空间狭小，一定程度上限制了该方法的应用.随后，不少研究组开展了稀释比和停留时间等参数对颗粒物采样的影响研究.Lipsky等(2002)在一台中试规模的煤粉燃烧器测量颗粒物的粒径分布和PM_2.5的排放因子，结果表明，稀释比和停留时间对PM_2.5的排放因子影响不大，主要影响颗粒物粒径分布和总的粒子数浓度.Chang等(2004)采用稀释采样方法测量燃烧烟煤、6号燃料油和天然气排放的超细颗粒物，研究不同稀释比和停留时间对超细颗粒物粒径分布的影响，认为采用停留时间10 s，稀释比20足以获得有代表性的固定源一次颗粒物排放样品；并基于该研究，开发了一套紧凑型的稀释采样器(Engl and et al., 2007).ISO 25597:2013明确稀释比和停留时间分别不小于20倍和10 s，且稀释后的气体温度和相对湿度分别低于42 ℃和70%；但以上规定是否适应所有类型的固定源排放一次颗粒物的采集还需进一步的研究.

国内学者近些年开展了稀释采样器的研制(白志鹏等，2003；刘红杰等，2005；周楠等，2006；李兴华等，2008).周楠等(2006)等参考Hidemann等(1991)的设计，研制了停留时间较长(达90 s)、稀释倍数可调范围大(20~100之间)的稀释采样器.李兴华等(2008)和Li等(2011)采用喷射型稀释和多孔湍流混合稀释相结合的两级稀释方式，加强稀释气体和烟气的混合，降低稀释混合段长度；在满足采样的前提下，减少进入停留室的采样气量，缩小停留室体积；稀释后的采样气体在停留室呈微正压；稀释比在10~80之间，停留时间为60~70 s；由于体积和重量减少，更适合于现场应用.

笔者在原开发的稀释采样器的基础上(李兴华等2008；Li et al., 2011)，结合最近的研究成果及ISO 25597:2013的规定，研制了一套紧凑型的固定源PM_2.5稀释采样器，以期满足我国典型固定源排放现场测试PM_2.5的要求，并在实验室对其性能进行评估.

本研究开发的固定源PM_2.5稀释采样器包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分、旁路部分与采样部分，具体如图 1所示.

图 1(Fig.1)

图 1 固定源PM2.5稀释采样器结构示意图(1.烟气进气部分，2.稀释空气部分、3.稀释混合部分，4.旁路部分，5.采样部分；101.粗颗粒切割器，102.加热采样管，103.文丘里流量计，104.连接管A；201.孔板流量计，202.调节阀，203.粗过滤器，204.活性炭过滤器，205.高效过滤器，206.稀释空气进气管道，207.冷却器，208.干燥器；301.稀释混合腔，301a.稀释空气进气腔，301b.混合腔，301c.停留室，302.气流分布板；401.旁路管，402.旁路过滤器，403.旁路风机，501.PM2.5切割器，502.连接管B，503.取样罐，504.离线PM2.5采样组件，504a.采样管路，504b.采样膜，504c.质量流量计，504d.采样泵，505.在线颗粒物监测仪器) Fig.1 Schematic of the dilution sampler for measuring fine particle from stationary sources(1.Flue gas inlet part，2.Dilution air part，3.Diluiton mixing part，4.Bypass part，5. Sampling part; 101.1st PM2.5 cyclone，102.Heated line，103.Venturi meter，104. Connector tube A; 201.Orifice meter，202.Regulating valve，203.Coarse PM filter，204. Carbon filter，205. High efficiency filter，206.Inlet tube for dilution air，207.Cooler，208.Dryer;301.Diltion mixing chamber，301a.Inlet chamber for dilution air，301b.Mixing chamber，301c.Residence chamber，302.air distribution plate，401. Bypass tube，402. Filter for bypassed air，403. Fan for bypassed air，501.2nd PM2.5 cyclone，502.Connector tube B，503.Sampling tube，504.sampling unit，504a.Sampling tube，504b.Sampling filters，504c. Mass flowmeter，504d. Sampling pumps，505. Online PM monitor)

烟气进气部分由粗颗粒切割器、加热采样管、文丘里流量计和连接管A组成.其中，粗颗粒切割器插入烟道中，用于去除烟气中空气动力学直径在2.5 μm以上的大颗粒，避免大颗粒沉积和堵塞加热采样管.粗颗粒切割器的进口端装有采样嘴，迎对气流，根据烟气流速选取适当的采样嘴，实现烟气的等速采样.去除大颗粒后的烟气进入加热采样管，其加热温度可设定高于烟道内烟气温度5 ℃以内或固定的温度如120 ℃，防止颗粒热泳沉积及冷凝发生.文丘里流量计用于测量烟气经过文丘里前后的压差，结合烟气温度和压力，确定采样烟气流量Q₁.连接管A将烟气引入稀释混合部分的混合腔.

稀释空气部分包括由上层粗过滤器、中层活性炭过滤器、下层高效过滤器构成的三层过滤单元，以及孔板流量计、调节阀和稀释空气进气管道.三层过滤单元中，粗过滤器一端与大气连通，空气由粗过滤器一端进入，依次经粗过滤器、活性炭过滤器、高效过滤器，分别去除空气中粗颗粒、有机气体和细小颗粒后，得到洁净稀释空气;高效过滤器对粒径为0.3 μm的颗粒物的去除效率在99.97%以上，过滤后的PM_2.5浓度小于5 μg · Nm^-3.孔板流量计测量经过孔板的稀释空气压差，结合稀释空气的温度和压力，可确定稀释空气流量Q₂.调节阀用来控制稀释空气的流量.稀释空气进气管道将净化后的空气导入稀释混合部分的稀释空气进气腔，进而进入混合段与烟气混合.稀释比至少保证不小于20:1，本设计的稀释比在20:1至50:1范围内.要求经过稀释后的烟气温度和相对湿度分别低于42 ℃和70%；若经过稀释空气稀释后的烟气温度高于42 ℃，则在三层过滤单元中粗过滤器的进气端安装冷却器，稀释空气先通过冷却器冷却降温后，再进入三层过滤单元中；若经过稀释空气稀释后的烟气相对湿度高于70%，则在三层过滤结构中粗过滤器的进气端安装干燥器，稀释空气先通过干燥器进行干燥后，再进入三层过滤单元中.

稀释混合部分用于将烟气和稀释空气充分稀释混合均匀，并停留一段时间后进行捕集.稀释混合部分包括稀释混合段与气流分布板，其中，稀释混合段为不锈钢材料腔体，内部安装有气流分布板，且外壁上安装有旁路部分的旁路管；通过气流分布板与旁路管将稀释混合段分为3部分：稀释混合段前端与气流分布板间的空腔为稀释空气进气腔，气流分布板与旁路管间的空腔为混合腔，旁路管与稀释混合段后端的空腔为停留室；气流分布板周向上开有3圈喷射孔，每圈喷射孔在气流分布板周向上均匀布置，且3圈喷射孔在气流分布板上呈同心圆布置，径向间距相等；3圈喷射孔的布置、开孔尺寸及稀释混合距离采用Fluent软件模拟和实测确定.通入到进气腔内的稀释空气由气流分布板上的喷射孔喷射进入混合腔内，与烟气在混合腔内快速湍流混合均匀，以降低烟气的温度、湿度和PM_2.5的浓度.本设计中混合腔长度仅为1.5倍稀释混合段直径长度，即可达到稀释空气与烟气充分混合均匀，相比传统的需要10倍混合段直径距离才可充分混合，大大降低了稀释混合段的长度(Hidemann et al., 1989).稀释烟气的一部分作为采样气体，流量为Q₃，沿稀释混合段继续向后流动，进入到停留室内停留一段时间，模拟烟气排放到大气中的成核、冷凝、凝聚等过程.本设计参考Chang等(2004)及ISO 25597:2013的规定，停留时间确定为10 s.相比早期的稀释采样器停留时间80 s而言，本设计停留室体积大大减少；且本采样器的稀释混合部分与停留室一体化设计，简化了结构，进一步降低了采样装置的体积.本设计的稀释混合部分(包括进气腔、混合腔和停留室)长度仅为1.28 m，较早期的稀释采样器长度和体积有较大的减少(Hidemann et al., 1989).

旁路部分用于排出部分稀释后的烟气，包括旁路管、过滤器与旁路风机.其中，旁路管环绕在稀释混合段周向上，且在稀释混合段侧壁上开设与旁路管连通的矩形出风口若干，旁路管的排气端依次安装有过滤器与旁路风机.通过开启旁路风机，使稀释烟气中一部分经出风口低速排出，降低对气流干扰，这也是短距离实现气流混合均匀的技术措施之一.过滤器用于去除稀释烟气中的颗粒物，保护旁路风机.旁路风机采用变频调速，根据烟气稀释比要求，调节排出多余气体的流量Q₄.通过调节旁路风机的频率与稀释空气部分中的调节阀及选取孔板流量计中合适的孔板，使混合腔内烟气的稀释比在20~50范围可调.

采样部分包括PM_2.5切割器、连接管、取样罐、离线PM_2.5采样组和在线颗粒物监测仪器.其中，PM_2.5切割器安装于稀释混合段内部末端，设计流量为113 L · min^-1，采用旋风式结构，用来去除采样气体中空气动力学直径大于2.5 μm的颗粒；PM_2.5切割器通过连接管与取样罐相连，将采样气体通入取样罐内；采用单个大流量的PM_2.5切割器代替以前多个小流量的PM_2.5切割器，简化了设计.在取样罐开设取样孔，用来外接适应于大气环境条件的采样仪器.离线PM_2.5采样组件按照大气环境颗粒物的采样方法采集PM_2.5样品进行物理化学分析，包括采样管路、采样膜、质量流量计与采样泵；根据采样和分析要求，设计为多通道，每个通道的采样膜可选取不同材料，如Teflon膜、石英膜、尼龙膜等，进行称重，以及PM_2.5化学组分如元素、水溶性离子、有机碳(OC)元素碳(EC)和特定有机物(如多环芳烃)等的分析.在线颗粒物监测仪器包括扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)、气溶胶质谱仪(AMS)等.

此外，本采样器还设有数据采集与控制部分，包括采集和存储采样过程中所测量到的压差、压力、温度、湿度和流量等参数，并且实现旁路风机转速的调节等.

采样器内各部分气体流向如图 2所示，进入稀释空气混合部分的烟气流量Q₁和稀释空气流量Q₂的总和应该等于停留室后部的采样部分的流量Q₃和旁路部分的气流流量之和Q₄，即：

图 2(Fig.2)

图 2 稀释采样器内气体流向示意图 Fig.2 Schematic of gas flow directions in the dilution sampler

采样器的稀释比(DR)根据式(2)确定，停留时间(t)根据Q₃、停留室长度(L)、停留室有效内径(D)等参数确定.

本采样器的主要特点如下：①稀释空气从气流分布板上的喷射孔射入混合腔，能与烟气快速湍流混合；且稀释混合后的多余气体从旁路部分排出，旁路部分中旁路管道沿稀释混合段周向布置，在稀释混合段上开设多个矩形出风口，多余气流从矩形出风口低速排出，降低了对气流干扰；且大大降低了稀释混合段的长度.②稀释混合段与停留室一体化设计，按最近的研究结果及ISO 25597:2013停留时间设计为10 s，简化了结构，大大降低了仪器体积.③采样部分采用一个大流量的PM_2.5切割器分割粒径后气体进入一个微型取样罐，减少了切割器数量，且各支路采样组件流量设置灵活.④结构紧凑、小型化、操作简便；同时，各主要部件可拆卸，方便运输与安装；采用自动数据采集与控制，测量结果可靠；适合于现场应用.

为检验稀释采样器设计的可靠性，对影响采样器的几个关键因素进行性能评价.

采样过程中，稀释采样器通常是在负压条件下工作的.为了使稀释采样器内部不受外界气体的污染，并且保证精确的气体流量，稀释采样器必须要有一定的气密性.参考我国固定源废气监测技术规范(HJ/T 397—2007)(国家环境保护总局，2007)和ISO25597:2013，检验了整个采样器的气密性.具体方法：将除连接管502以外的出气口密封，并在连接管处用一个三通把泵和压力表相连，抽气到压力表显示-90 kPa，停止抽气，观察压力表变化.实验结果显示压力计在-90 kPa时维持10 min没有明显下降，表明气密性良好.

稀释采样方法中，稀释空气的轻微污染都会由于放大作用对实验结果带来显著的误差，因此，对稀释空气的净化要求是非常苛刻的.为此在最大稀释比(稀释空气流量最大)的情况下考察了三层过滤单元对颗粒物的净化性能，用凝聚核粒子计数器(CPC，TSI3781)测量三层过滤单元前后的颗粒物数浓度，发现经过过滤后，稀释空气中颗粒物数浓度从4×10⁴ 个 · cm^-3降低到4.3×10^-1 个 · cm^-3，在这种颗粒物超低浓度水平下不会对稀释结果造成影响.

本设计的稀释结构采用分流式，稀释、均匀混合的过程必须在分流之前完成，即在旁路气流之前，为此在分流截面之前10~20 mm处布置了7个测点(如图 3a所示)，在模拟稀释采样器正常工作的同时在入口通入一定浓度的NO，测量各个测点处NO的浓度.在入口通入两种NO浓度(1930 ppb、815 ppb)下，各测点NO浓度的结果如图 3b所示，各测点NO浓度与平均浓度的偏差均在10%以内，满足ISO 25597：2013标准的要求，认为气流混合均匀.

图 3(Fig.3)

图 3 稀释采样器混合均匀性实验测点示意图(a)及不同入口通入NO浓度下各测点的NO浓度(b) Fig.3 Sketch map of the measurement points of mixing in dilution sampler(a) and NO concentrations of each measurement point at different feeding NO concentrations(b)

利用实验室搭建的标定系统对颗粒物在稀释采样器内的损失进行标定，标定系统包括振动孔气溶胶发生器(VOGA，TSI 3450)、零空气发生器和干燥室等(蒋靖坤等，2014b).用VOGA产生含有荧光素铵的液滴，经过零空气发生器进行干燥，形成单分散的固体荧光素铵颗粒.固定VOGA的振动频率，调整荧光素铵溶液浓度可获得不同粒径大小的单分散颗粒，粒径范围为1~20 μm.将6个粒径的单分散固体荧光素铵颗粒分别引入稀释采样器，用滤膜采集颗粒，然后用高纯水淋洗采样器不同部分的内表面沉积及滤膜收集的荧光素铵颗粒于不同的烧杯中，用荧光分光光度计(HITACHI，F7000)测定荧光素铵的含量，由此确定的不同粒径颗粒物在稀释采样器不同部位的损失如图 4所示.结果表明：对空气动力学直径为11、8、6.7、4.5、2.8和1.9 μm的颗粒物损失分别为91.0%、56.1%、42.0%、40.6%、29.6%和14.1%；损失随粒径增加而增大；粗颗粒(粒径大于2.5 μm)的损失较大，说明稀释采样器不太适合于粗颗粒的捕集，较适宜于PM_2.5的采集；颗粒物损失主要发生在入口管和文丘里流量计. Hidemann等(1989)研制的稀释采样器中空气动力 学直径为6.2、4.3、3.1、2.0和1.3 μm的颗粒物损失分别为45%、29%、27%、15%和7%，颗粒物损失也主要发生在入口管和文丘里流量计；本研究和上述结果基本一致.以上测试和分析表明，稀释采样器可靠性高，适合于对固定源排放PM_2.5的采集.

图 4(Fig.4)

图 4 不同粒径颗粒物在稀释采样器不同部位的损失 Fig.4 Particle losses in the dilution sampler

综上，研制的紧凑型固定源PM_2.5稀释采样器的主要技术参数如表 1所示，稀释比在20:1~50:1范围，停留时间为10 s，稀释后的烟气温度和相对湿度分别小于42 ℃和70%，满足ISO 25597:2013的要求.表 1还列出了其它3种稀释采样器的主要技术参数，可以看出，相比于本研究组原设计(李兴华等，2008；Li et al., 2011)，以及周楠等(2006)和Hidemann等(1989)的设计，本设计的稀释采样器的稀释混合段和停留室尺寸、重量均有较大幅度的减小和降低.本设计的稀释比和停留时间两个主要参数和Engl and 等(2007)的设计基本一致，结构上有少许差别.混合段长度本设计为30 cm，后者为20 cm，本设计留有余量，实际20 cm也能满足要求.至于停留室长度，按照113 L · min^-1的采样流量，停留时间10 s的设计，停留室的有效长度应为60 cm.Engl and 等(2007)的设计为60 cm，应为有效长度，不包括尾部PM_2.5切割器所占空间；本设计为70 cm，包括了尾部放置PM_2.5切割器所占空间.本采样器的主体质量略大于Engl and 等(2007)的设计，一则是本设计的混合段长度大于后者，再则可能是两者在材料的壁厚选取有所差别导致.

表 1(Table 1)

表 1 固定源PM2.5稀释采样器的主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of the dilution sampler for measuring fine particle from stationary sources

表 1 固定源PM2.5稀释采样器的主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of the dilution sampler for measuring fine particle from stationary sources 数据来源 稀释比 停留 时间/s 稀释后 的烟气温 度/℃ 稀释后的 烟气相对 湿度 稀释混 合段直 径/cm 稀释混 合段长 度/cm 停留室 直径/cm 停留室 长度/cm 颗粒物 损失 采样器主 体材料 采样器 主体质 量h/kg 注：a.李兴华等，2008；Li et al., 2011；b.Hidemann et al., 1989；c.England et al., 2007；d.周楠等，2006；e.无参数；f.对空气动力学直径为1.9 μm的颗粒物；g.对空气动力学直径为2.0 μm的颗粒物；h.包括稀释混合段和停留室的重量，不包括烟气进气部分、稀释空气部分、旁路部分与采样部分的重量；i.估算值. 本设计 20~50 10 ≤42 ≤70% 20 30 20 70 14.1%f 不锈钢 约25 本研究组原设计a 10~80 60~70 -e - 4.5 84 45 70 - 不锈钢 约50 Hidemann等原设计b 25~100 2~180 - - 15 150 46 134 15%g 不锈钢 不低于100i Engl and 等设计c 15~50 10 - - 20 20 20 60 - 不锈钢 约20 周楠等设计d 20~100 90 - - 12.7 130 50 110 - 不锈钢 不低于100i

如果稀释后的烟气温度大于42 ℃，挥发损失增大，湿度大于70%，颗粒物吸湿增长显著，均会对采样结果产生较大影响；基于以上原因，本设计考虑设置了干燥器和冷却器，确保稀释后的烟气温度和相对湿度分别小于42 ℃和70%，这是其它3种设计没有考虑的.此外，本研究还对颗粒物在稀释采样器内的损失进行标定，国内以前的研究(白志鹏等，2003；刘红杰等，2005；周楠等，2006；李兴华等，2008)和Engl and 等(2007)均没有开展此项工作.

1)本研究开发了一种紧凑型的固定源PM_2.5稀释采样器，包括烟气进气部分、稀释空气部分、稀释混合部分、旁路部分与采样部分.

2)稀释采样器中稀释空气与烟气快速湍流混合，稀释混合后的多余气体从旁路部分低速排出，降低了对气流干扰，大大降低了稀释混合段的长度；稀释混合段与停留室一体化设计，简化了结构；按最近的研究结果及ISO 25597:2013停留时间设计为10 s，大大降低了仪器体积；本设计的稀释混合部分长度仅为1.28 m.

3)稀释采样器主要的技术参数如下：稀释比在20:1~50:1范围内，停留时间为10 s，稀释后的烟气温度和相对湿度分别小于42 ℃和70%，满足ISO 25597:2013的要求.

4)稀释采样器的性能评价实验表明，气密性良好，稀释空气中颗粒物浓度低，气流混合均匀性良好，细颗粒在采样器内的损失小，表明稀释采样器可靠性高，适合于对固定源排放PM_2.5的采集.