河北省科技项目结题报告

二〇一九年三月1.公司简介...................................................2.项目内容摘要.........................................................................................3.项目来源.................................................................................................4.项目背景...................................................5.项目意义...................................................6.粉尘监测技术的研究现状6.1滤膜称重法6.2光电检测法6.3声学法6.4光学法6.5压电震动法6.6射线吸收法7.仪器原理与标定设备7.1仪器原理7.2仪器标定设备公司获的专利、证书、地方标准及成果9.国内外现状及发展趋势10.研究目标及主要技术指标10.1研究目标10.2技术指标监测方法的检出限、精密度、准确度12.1方法检出限测试数据12.2方法精密度测试数据12.3方法准确度测试数据12.4方法验证结论13.BDY烟尘测定仪特点及适用范围13.1.1领先性13.1.2无动力等速技术13.1.3不存在响应时间13.1.4可测高湿度、高浓度13.1.5操作简便，提高工作效率13.1.6缩短现场测试时间和整体测试周期13.1.7减少人为误差13.2适用范围14总结1.公司简介霸州京博工程机械有限公司成立于2001年，位于霸州市经济技术开发区永宁道118号，注册资金1200万，占地面积20000平方米，生产车间宽敞明亮，办公环境优越。于2010年在北京丰台科技园区重点投资和筹建（耗资8000万元）北京地海云天环境科技有限公司：公司主要致力于环境科学、环境保护、产品研制、研发、检测、监测的综合型科技公司。历经6年的不断研发和创新，成功研制出β传感器快速烟尘测试仪。为国家的环保事业做出了突破性的贡献，填补了我国在该领域中的一项技术性的空白。从技术创新方面领先于国际先进水平占有国际前列的地位。先后取得国家计量器具型式批准证书（CPA）、制造计量器具许可证（CMC），及实用新型专利证书。2.项目内容摘要我公司以自主技术进行粉尘、油烟、大气颗粒物测定等系列产品的研发。目前主要产品包括β传感器式快速烟尘测试仪、快速油烟测试仪、PM2.5大气颗粒物测定仪等，其技术在国内粉尘、烟尘排放检测领域属于首创，处于国际领先地位，填补了我国在该领域的一项技术空白，并先后取得国家计量器具型式批准证书（CPA）、制造计量器具许可证（CMC），及实用新型专利证书，相关研发成果和知识产权归我公司（霸州京博）所有。主要针对钢铁、燃煤、电力、化工、造纸等行业工业窑炉和燃煤锅炉产生的烟尘进行检测。开展大气污染监测大数据收集，推动智慧环保。β传感器式快速烟尘测试仪使用简单，操作方便，测试范围广，检测周期短，实时出数据，不需要实验室进行分析计算，大幅度提高了对污染源的检测效率，可以迅速的锁定污染源排放企业.3.项目来源BDY型β传感器式快速烟尘测试仪，于19941996年对其进行评审、验收。1998年8月列入国家技术标准《HJ/T48-1999烟尘采样器技术条件》。4.项目背景现如今政府的检查力度，提高对排污企业的要求。传统型检测仪已设备（脱硫脱销）β数值。β感器式快速烟尘测试仪，于1994年在中华人民共和国环境保护部立项，1996年对其进行评审、验收。该技作效率，实现现场出数据，提高监测数据的可靠性，该技术简化了我国30年来烟尘排放的现场检测人工抽取样品然后进入实验室进行样品处理分析的复杂流程。5.项目意义国务院颁发的《大气污染防治行动计划》和部分地方性环保法规已要求重点污染源企业需要对烟尘排放进行定期测定并实时对公众公布。传统过滤称重法对企业自检的要求较高，需要配备专业人员、实验室，并且需要较长周期才能提供已经滞后的排放数据。我们的快速测试仪恰好解决这类问题，快速高效，便携简便，而且误差大大低于传统仪器自身误差和人为误差。该技术简化了我国30年来对烟尘排放现场检测，采用人工取样然后送实验室处理分析才能出结果的复杂程序。大大减少了人力物力的投入和消耗，降低了在检测中的资源浪费。我公司响应国家号召，发展技术创新。从真正意义上实现科学防污，做到有据可依，快速准确。6.粉尘监测技术的研究现状粉尘监测技术研究涉及多学科协作研发。利用既往粉尘测量理论研究成果，国内外的学者不断研究创新，发展了多种粉尘测量方法。工作场所空间内粉尘与空气共存，属于气-固两相流范畴。粉尘作为固体颗粒，粒径非常小（nm~μm量级），监测及检测标准日益严格。为提高粉尘浓度的检测水平[1]，需要获得整个受限空间的粉尘浓度数据，并分析整个空间内的粉尘浓度分布趋势，监测结果用于指导粉尘的治理与控制、提高工业生产效率。目前国内外目前常见的粉尘测量方法有以下几种]：6.1滤膜称重法称重法是目前应用最普遍，最广泛，最经典的方法。称重法的基本原理是采用抽气泵抽取工作场所空气，将粉尘颗粒浓集在滤膜上，称量采样前后滤膜质量差值而推算出工作场所的粉尘浓度水平。采样依据的标准为《工作场所空气中粉尘的测定第1部分：总粉尘浓度》GBZ/T192.1-2007和《工作场所空气中粉尘的测定第2部分：呼吸性粉尘浓度》GBZ/T192.2-2007。称重法的优点在于，它可以测量粉尘的质量浓度，而且粉尘的化学成分、分散程度、粉尘粒的形状等对于测量读数均没有影响。累积测量方式适用于作业场所浓度较高的粉尘，技术简单易行。缺点是测量过程长而繁杂，采样和测定过程容易受干扰，且无法进行长期、实时连续测量。6.2光电检测法光电检测法分为光吸收测量法和光散射测量法，光吸收测量法基于光吸收现象与朗伯-比尔原理，光散射测量法是基于光散射现象与散射理论，这类方法也称为不透明度法。不透明度法利用了颗粒物的遮光性质，其原理可简述为：激光器产生的入射光照射到分光器，分光器将入射的光分为强度相等的两束光，一束作为信号光束照射测量区，然后进入光电探测器，另一束作为参考光束，直接进入光电探测器，由于颗粒物的吸收和散射作用，前者光强变弱。光散射法由固态光源发射经脉冲调制器调制的近红外线或激光平行光束，向测定气体照射，颗粒物对光在所有方向散射，散射的光被聚焦到检测器检测，由放大器放大输出电压或电流信号，在一定范围内信号与颗粒物浓度成比例。根据接收器与光源所成角度的大小可分为前散射、边散射和后散射。利用该方法的测尘仪一般具有较高的灵敏度。由不透明度法和光散射法的原理可以看出，两者虽然可以实现在线连续测量，但测定准确度都受颗粒物的直径大小、分布状况、颗粒物浓度以及水分、测定气体的颜色等因素影响，获得结果的可靠性不高。6.3声学法声学法的测量原理是指在粉尘待测区域内放置检测声源和接收器，当检测声源震动穿透待测粉尘区域时受到固体颗粒的阻碍而造成声能值的损失，此时声源声能损失值与粉尘颗粒浓度含量有对应的函数关系。声学法是利用声音的的声能损失值来测量粉尘浓度，在测量过程中测量通道的气流速度与压强、通道湿度和温度的变化以及粉尘分散度差异等都会影响测量结果的准确性，因此精确度相对较低。6.4光学法光学法测量原理是利用光学原理中光的透射性对粉尘浓度待测区域进行测量，通过光电信号之间转换后连接到信号处理系统，测量出粉尘颗粒浓度值。该测量方法可以实现远距离的实时在线测量，应用范围广泛，操作简单。目前，各行业使用最多的工业粉尘测量仪器都是依据光学法原理开发研制的。光学法具有测量精度高、结果可靠的优点，透射式粉尘浓度测量仪测量精度好于散射式光学粉尘测量仪器。一般情况下，光学法仪器仅适用低浓度粉尘测量（环境级水平测量），粉尘浓度变化大、成份复杂及中高浓度粉尘环境中，易受到粉尘颗粒物理化学性质的影响，测量结果误差较大，因而，不适用于生产性粉尘的监测场所。6.5压电震动法压电震动法是采用两块相同的压电晶体(石英晶体谐振器)，一块晶体用于参考对比，另一块作为测量装置被安置采样室内。压电震动法的测量原理是在位于待测区域的采样室内放置滤带，滤带的作用就是当被测粉尘通过滤带时会被吸附在滤带上从而引起其本身质量的变化，当滤带质量改变时会引起采样室内压电晶体振动频率的改变，测得压电晶体振动频率的改变量就可测得取样粉尘颗粒的质量，从而可测量粉尘颗粒的质量浓度。压电震动法测量时需要对压电晶体在测量过程沉积粉尘颗粒进行清除，操作复杂且自动化程度低，因此不适合实时在线的长时间的粉尘浓度的检测。6.6射线吸收法当射线穿过测试区域时，与粉尘颗粒发生吸收和散射等相互作用，射线束强度的衰减变化程度与粉尘颗粒浓度具有线性关系。射线吸收法的测量动态范围很广，在大多数的光谱范围内都可以测量，并且具有测量精确度高和灵敏度高等优点，通常使用β放射性同位素。射线吸收法能够实现自动连续地监测工作场所空气中的总粉尘质量浓度或呼吸性粉尘浓度，直接获得粉尘质量浓度测量结果而不受粉尘种类、粒度，分散度、形状、颜色、光泽等因素影响；测量结果可与经典的标准方法—称重法等效，减少样品的处理时间和受污染的机会；不会带来人为误差且无误差积累，不需要经常校准和调零；能实现自动连续监测等是射线吸收法的主要优点。但因射线吸收方法的固有特性，选用适宜的放射源，合理设置其辐射场分布，选择适宜的探测系统和需要考虑放射源的辐射防护要求是这一方法的难点和重点。从技术角度出发，采用较高活度和较高射线能量的源项对有效提高监测结果准确性和可靠性具有决定意义，但同时也为测量系统能够满足相关辐射防护标准要求提出了苛刻的实现条件，如何平衡两者关系，兼顾测量结果的可靠性和辐射防护要求，受到现场实际应用条件的限制。7.仪器原理与标定设备7.1仪器原理7.1.1利用β射线通过物质时电离吸收产生的衰减与物质的质量成比例这一原理，并结合电离室结构研制成具有无动力随机等速采样功能的传感器探头。当一定能量的β射线通过物质时，与该物质原子或原子核相互作用，由于能量损失，强度会减弱，即在物质中被吸收。其规律为：I=I0

e-μmmI——经过物质时的强度,eV；I0

——起始辐射强度,eV；μm——质量衰减系数；m——质量,g7.1.2传感器探头示意图7.1.3吸收过程7.1.4等速原理7.2仪器标定设备7.2.1循环风洞:用于模拟烟道环境，环境内通过变频风机调节气体流速。7.2.2BDF-Ⅰ高精度发尘器用于调节循环风洞内颗粒物的浓度。7.2.3循环风洞原理a.设置成循环密闭结构，避免粉尘泄露，易于保持稳定的浓度场。b.内部采用整流结构，使内部气流方向尽量平流模式，保持流速场均衡稳定。c.通过变频风机调节，能够模拟多种流速环境。8.公司获的专利、证书、地方标准及成果8.12013年获得实用新型专利证书。8.22015年取得国家计量器具型式批准证书（CPA）证书，2016年获得制造计量器具许可证（CMC）证书，同年获得河北省科学技术成果证书。CPA国家计量器具型式批准证书CMC造计量器具许可证科学技术成果证书（国内领先）8.32015年，我公司参与起草省环保厅提出的省标（DB13/2209-2015）《燃煤电厂大气污染物排放标准。8.42016年，应河北省环保厅的要求，参与制定相应的省级检测方法标准（DB13/T2376-2016）《固定污染源废气颗粒物的测定β射线法》，由河北省环境监测中心站和我公司共同成立起草编制小组，经过严格的对比试验与论证，并网上公示征求意见稿后，于2016年6月正式发布并实施。9.国内外现状及发展趋势随着全球工业化进程的加速发展，全球环境的日益恶化引起了世界各国的高度重视，各国政府对环境保护方面的科学研究、治理工程和环境监测的投入逐年增加，未来10年我国环保产业的投资将增加15%左右（2013年底是GDP的1.6%），这意味着环保未来发展广阔。颗粒物浓度的测量一直以来都是一项极具挑战性的课题，随着人们对这一课题研究的不断深入以及其得益于他相关领域技术的进步，新的测量方法不断涌出。到目前为止，人们已经发展了许多基于各种不同原理的测量方法和测量系统，为烟尘排放测试提供了强有力的手段。这些测量方法大致可以分为两大类：扰动法和非扰动法。扰动法指测量时对被测流场有扰动，不可避免地会破坏原流场的测试方法。主要有采样法（筛分法、显微镜法）、静电法等方法。其中采样法原理简单，但其关键首先在于能否从烟道中抽出具有代表性的烟尘气流，以保证测量结果的可靠性。为了保证得到等速取样以及多点测量，操作过程繁琐，测试周期长，劳动强度大，测量结果也不够可靠，另一个不足之处是不能进行连续测量。静电感应法的主要问题是如何将产生电荷信号的大小和待测固体颗粒浓度联系起来，固体颗粒物的浓度和速度也是影响电荷信号大小的因素，实际颗粒物性质和流动条件随时间不可预知变化时会存在误差，另外电荷法除了扰动流场外，它的有效测量区域一般只能准确测出金属电荷附近几十毫米的颗粒物。无扰动法是指测量时对被测流场没有扰动，不会破坏原流场的测量方法，主要有格林曼、材质、环境背景的影响，不直接与浓度成正比，低浓度灵敏度小等缺点。10.研究目标及主要技术指标10.1研究目标滤膜采样的直接称重法是测尘的基本方法。但该法满足不了自动、连续无人操作以及数据的自动记录和传输的需要。为此，我们要研制以β射线为工作原理的粉尘自动测定仪,使它能自动连续地监测工作场所中的总尘质量浓度和工作岗位上的总粉尘质量浓度或呼吸性粉尘浓度，其测量误差小，精密度高，并使其结果可动态显示、可传输打印可进行远程监控、可进行故障检测报警等。10.2技术指标10.2.1检测浓度精度达到0.1-10mg/m³，烟气温度0-300℃，浓度示值误差±10%。近一年多以来，我们不段优化传感器的结构以及材料，结构上我们采用通道式，便于被测气体在腔体内的均匀扩散后随即排出避免传感器内部产生湍流使传感器内部积尘，影响传感器测量精度。改变传感器的腔体材料选用耐高温、、绝缘强度好、抗腐蚀、机械强度好的材料，由以前聚四氟乙烯（耐温240℃）改为氧化铝（耐温500℃）材质，收集极、负高压采用高纯不锈钢在经过抛光镜面处理，使传感器内部表面光滑避免积尘影响零点的测试的精度，从而保证了浓度示值误差≤10%。烟尘测定仪的程序也进行了优化升级，使用起来更简单快捷方便。10.2.2实时监测环境中的粉尘浓度、温度、湿度及大气压。10.2.3采用先进的β射线吸收原理直接测量粉尘浓度，全天候实时提供准确的粉尘浓度。10.2.4可切换不同规格（PM2.5、PM10等）的切割器，测量出对应的粉尘浓度。10.2.5仪器内部具备温度压力监测装置，实时自动计算出标态采样体积以及标态浓度。10.2.6仪器可自动存储历史数据，可现场打印并支持USB数据导出。10.2.7可选配定制多种通讯模块（485、LAN、WiFi、GSM）进行联网数据传输。10.2.8可选配定制噪声、CO、O2等其它传感器。11.技术难点和创新点在线监测工作场所空气中的粉尘需要对现场空气进行有动力采集，对传感器内部气流和吸收衰减曲线的影响是技术攻关难点。对于工作场所及无组织排放的粉尘测定，需要对传感器结构和参数进行调整并进行实验分析，以适应相关环境。使用β源传感器作为测量粉尘浓度的关键部件，并且实现在线监测粉尘浓度，能更好地掌握粉尘浓度状况，对确保人身安全和提高环境质量发挥着极其重要的作用，也填补了职业卫生领域在线监测的空白。12.监测方法的检出限、精密度、准确度按照HJ168-2010的有关规定，通过研究和实验验证，我公司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。12.1方法检出限测试数据按照HJ168-2010的有关规定，选取零气进行测试，计算方法检出限：在循环风洞，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，每次测试3min，以3倍标准偏差计算检出限。最终的方法检出限以各验证实验室所得数据的最高值。表1方法检出限统计表实验室号平行号μg/m3N平均值/（mg/Nm3）标准偏差（mg/Nm3）检出限3（mg/Nm3）12345677实验室160040070050070060070070.60.120.35实验室250050060060050070050070.60.080.24实验室320030030020020040020070.30.080.24实验室440030050040050030030070.40.090.27实验室520020010010030030010070.20.090.27实验室610030030020020040010070.20.110.33结论：该方法检出限为0.24~0.35mg/Nm3，因此本标准将β射线法测定颗粒物的检出限定为0.4mg/Nm3。12.2方法精密度测试数据按照HJ168-2010的有关规定，对测试样品进行实验室内和实验室间的方法精密度测定。每个测试单位按照要求，在循环风洞进行测定。分别选取3个浓度水平的气流开展方法精密度实验：1号风洞（≥100mg/m3）、2号风洞（30-80mg/m3）、3号风洞（20-50mg/m3）。各验证实验室对测试样品同步进行分析测试，按全程序每个测点平行测定7次，分别计算不同样品的平均值、标准偏差、相对标准偏差等各项参数。标准编制组对各验证实验室的数据进行汇总统计分析，计算实验室间相对标准偏差、重复性限r和再现性限R。实验室号平行号N标准偏差S（mg/Nm3）平均值（mg/Nm3）相对标准偏差RSD%12345677实验室114414214514614514714571.61451.1实验室214213713713513813913772.21381.6实验室313913913913913913913870.41390.3实验室414013914114314514514873.21432.2实验室514314414514614614714771.51451.0实验室615115115115015015015070.51500.4表21号风洞（≥100mg/m3）精密度测定结果结论：实验室内相对标准偏差：0.3%~2.2%；实验室间相对标准偏差：3.08%。重复性限为：4.4mg/Nm3；再现性限为：12.4mg/Nm3。表32号风洞（30-80mg/m3）精密度测定结果实验室号平行号N标准偏差S（mg/Nm3）平均值（mg/Nm3）相对标准偏差RSD%12345677实验室15655545756565670.95561.7实验室25960595855565771.80583.1实验室36363646363636470.49630.8实验室45957575858585770.76581.3实验室55756555556555570.79561.4实验室65456585659566072.08573.7结论：实验室内相对标准偏差：0.8%~3.7%；实验室间相对标准偏差：4.50%。重复性限为：3.2mg/Nm3；再现性限为：7.3mg/Nm3。表43号风洞（20-50mg/m3）精密度测定结果实验室号平行号N标准偏差S（mg/Nm3）平均值（mg/Nm3）相对标准偏差RSD%12345677实验室12322222222222270.38221.7实验室22323242323242370.49232.1实验室32624222622232671.86247.7实验室42424242324242470.38241.6实验室52625242424242570.38221.7实验室62421242124232671.80237.7结论：实验室内相对标准偏差：1.6%~7.7%；实验室间相对标准偏差：3.89%。重复性限为：2.5mg/Nm3；再现性限为：2.5mg/Nm3。12.3方法准确度测试数据在循环风洞内进行准确度的验证实验。每个验证实验室按全程序用本方法和GB/T16157-1996方法对1号风洞（≥100mg/m3）、2号风洞（30-80mg/m3）、3号风洞（20-50mg/m3）三种浓度水平的气流进行测定，β射线法测定时间为3min，采样7次，取平均值，GB/T16157-1996测定时间为15min，采样3次，取平均值，计算本方法与传统方法之间的相对误差。根据HJ168-2010的有关统计方法，标准编制组对6家验证实验室的数据进行汇总统计分析，得出最终的方法准确度。表51号风洞（≥100mg/m3）准确度测定结果实验室号平行号N平均值（mg/Nm3）GB/T16157方法测定浓度（mg/Nm3）相对误差RE%12345677实验室114214214514614514714571451385.07实验室214213713713513813913771380.00实验室313913913913913913913871390.72实验室414013914114314514514871433.62实验室514314414514614614714771455.07实验室615115115115015015015071508.70结论：相对误差为0.00%~8.70%，相对误差最终值：3.86%±3.20%。表62号风洞（30-80mg/m3）准确度测定结果实验室号平行号N平均值（mg/Nm3）GB/T16157方法测定浓度（mg/Nm3）相对误差RE%12345677实验室156555457565656756527.69实验室25960595855565775811.54实验室36363646363636476321.15实验室45957575858585775811.54实验室5575655555655557567.69实验室6545658565956607579.62结论：相对误差为7.69%~21.15%，相对误差最终值：11.54%±5.01%。表73号风洞（20-50mg/m3）准确度测定结果实验室号平行号N平均值（mg/Nm3）GB/T16157方法测定浓度（mg/Nm3）相对误差RE%12345677实验室1232222222222227222010.00实验室22323242323242372315.00实验室32624222622232672420.00实验室42424242324242472420.00实验室52625242424242572210.00实验室62421242124232672315.00结论：相对误差为10%~20%，相对误差最终值：15.00%±4.47%。12.4方法验证结论通过本次验证试验，得出如下结论：12.4.1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，选取零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，因此本标准将β射线法测定颗粒物的检出限定为0.4mg/Nm3。12.4.2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。12.4.3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（30-80m