การตรวจวัดปริมาณมลพิษ (ฝุ่น) ที่ระบายออกจากปล่อง Based on U.S.EPA Method 5 (Isokinetic Sampling) นเรศ เชื้อสุวรรณ สาขาวิชาอนามัยสิ่งแวดล้อม สำนักวิชาแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี 11 กุมภาพันธ์ 2547

ปล่องระบายอากาศเสียโรงงาน

ระเบียบ & กฎหมายที่เกี่ยวข้อง กรมโรงงานอุตสาหกรรม เช่น ประกาศกท.อุตฯ ที่เกี่ยวกับค่าปริมาณของสารเจือปนในอากาศที่ระบายออกจากโรงงาน โรงไฟฟ้า กรมควบคุมมลพิษ เช่น ประกาศกท.วิทย์ฯ ลงวันที่ 17 มิย.40 เรื่อง กำหนดมาตรฐานการปล่อยทิ้งอากาศเสียจากเตาเผาขยะมูลฝอย ประกาศกท.วิทย์ฯ ลงวันที่ 20 ธค.39 เรื่อง กำหนดมาตรฐานควบคุมการปล่อยฝุ่นละอองจากโรงโม่ บด หรือย่อยหิน

Stack Config.

Stack Config.

อุปกรณ์เก็บตัวอย่างในปล่องระบายอากาศเสียโรงงาน

Sampling System Schematic

18. Spare AC outlet 19. Heater Control Knob 20 18. Spare AC outlet 19. Heater Control Knob 20. Amphenol Receptacle and Cover 21. Filter Box Thermocouple 22. Probe Heater Outlet 23. Cyclone Bypass 1.Door 2. Modular Sample Case 3. Probe Support 4. Probe 5. Probe Heater Cord 6. Monorail Handle Assembly 7. Monorail Attachment Unit 8. Ball Joint Clamp 9. Filter Assembly 10. Filter-Impinger 11. Impinger Interconnect “U” 12. Impinger Outlet Thermocouple 13. Umbilical Adapter 14. Impinger Case 15. Carrying Handle 16. Drain Cock 17. Impinger Case Slide

Method 5 Sampling Train

องค์ประกอบของวิธีการ Based on US.EPA source sampling methods Method 1: Determination of Sampling Points Method 2: Determination of Flow Velocity Method 3: Determination of MW of Dry Air Method 4: Determination of Moisture Content Method 5: Determination of PM (Isokinetic Sampling) Based on US.EPA source sampling methods

Method 1 Determination of sampling points Principal: เก็บตัวอย่างที่เป็นตัวแทนของฝุ่นที่ไหลผ่านพื้นที่หน้าตัดของ stack ให้มากที่สุด การเก็บตัวอย่างแบบนี้ไม่ใช้กับ cyclonic flow, ปล่องมีเส้น ศก.<0.3 ม., จุดวัด <2x เส้น ศก. ปลายทิศการไหล หรือ <0.5x จากต้นทางการไหลของตัวรบกวน

Method 1 (cont.’d) US.EPA กำหนดระยะห่าง 8 เท่าของเส้นศก. stack (หรือห่างตัวรบกวน flow เช่น ข้องอ ขยาย เปลวไฟ) อาจ 4-6 เท่าก็ได้หากหาไม่ได้จริง ๆ (ไทย) Stack ส่วนใหญ่ทรงกลม หากเป็นสี่เหลี่ยมให้ใช้สูตรหา equivalent dia.

Method 1 (cont.’d) กำหนดจำนวนจุดเก็บตัวอย่าง (อัตราการไหลในปล่องไม่เท่ากันในพื้นที่หน้าตัดเดียวกัน) หากระยะ>8x หรือเส้นผ่านศก.>0.61 ม. จุดเก็บไม่น้อยกว่า 12 จุด stack ทรงกลมหากเส้นผ่านศก. 0.3-0.61 ม. จุดเก็บไม่ น้อยกว่า 8 จุด stack สี่เหลี่ยมหาก eq.dia. 0.3-0.61 ม. จุดเก็บไม่น้อยกว่า 9 จุด

Method 1 (cont.’d) ตำแหน่งของจุดเก็บตัวอย่าง จุดเก็บ <8x ให้ใช้รูป 1 หากเป็นสี่เหลี่ยมใช้ตาราง 1 ตำแหน่งของจุดเก็บตัวอย่าง stack ทรงกลมให้ลากเส้นศก.ตั้งฉาก 2 เส้น จน. ตำแหน่งดูตาราง 2

Method 1 (cont.’d) stack ทรงกลมที่เส้นศก.>0.61 ม. จุดเก็บตย.ห่าง ผนังอย่างน้อย 2.5 ซม. (อาจต้องเลื่อนจุดแรกและท้าย) stack ทรงกลมที่เส้นศก.<=0.61 ม. จุดเก็บตย.ห่าง ผนังอย่างน้อย 1.3 ซม. (อาจต้องเลื่อนจุดแรกและท้าย) stack สี่เหลี่ยมให้แบ่งพท.หน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมเล็ก เท่ากัน และกำหนดตำแหน่งที่จุดกลางสี่เหลี่ยมเล็ก แต่ละอัน

Method 1 (cont.’d)

Method 2 Determination of flow velocity --avg. Principal: ความเร็วเฉลี่ยของก๊าซใน stack วัดได้จากความแตกต่างของความดัน และ gas density 1. Pitot tube ใช้สำหรับวัด P S type มีใช้กันเป็นส่วนใหญ่ Std. type เป็นมาตรฐานแต่อุดตันง่าย หากฝุ่นมาก

Instrument

Pitot Tubes

Method 2 (cont.’d) 2. Differential pressure gauge (inclined manometer) 10”น้ำ อ่านค่าต่ำสุดที่ 0.05”น้ำ อาจใช้ Magnehelic gauge แทนได้ (แต่ต้องผ่านการตรวจ/สอบเทียบค่า) 3. Thermocouple อยู่ใกล้กับ pitot tube แต่ต้องไม่ขวางทาง

Inclined Manometer Handheld Manometer

Method 2 (cont.’d) 4. Static Pressure in Stack 5. Atm. Pressure Gauge อ่านค่ากับ inclined manometer โดยดึงขาด้านหันหน้ารับกระแสลมออก SP=AP+deltaPที่อ่านได้ 5. Atm. Pressure Gauge อาจใช้ barometer หรือ Aneroid ได้ 6. Gas density measurement ดู Method 4 + 5 for moisture determination

Altimeter & Barometer Barometer

Method 2 (cont.’d) Procedure for Method 2 connected equipment (probe, S-type pitot tube, inclined manometer) leak checking: (ก) เป่าลมที่ด้าน positive ของ pitot tube ให้ delta P >3” ก่อนปิดปลายเปิดที่เป่าลมให้แน่น รอ 15 นาที หาก delta P คงที่แสดงว่าไม่มีการรั่ว, (ข) ดูดลมด้าน negative ให้ delta P >3” ปิดปลาย รอ 15 นาที หาก delta P คงที่แสดงว่าไม่มีการรั่วของระบบ

Method 2 (cont.’d) ปรับศูนย์ของ manometer (ต้องคอยตรวจเพราะการสั่นสะเทือนมีผลให้ค่าเปลี่ยนได้) สอด pitot tube เข้าใน stack ตามตำแหน่งที่กำหนดไว้ บันทึกค่า deltaP และT ทุกจุดเก็บ Leak checking อีกครั้งเมื่อวัดเสร็จ วัดค่า static P อ่านค่า atm.P หาค่า dry molecule of air ตาม Method 3 (ค่า 29.0 อาจใช้แทนได้ใกล้เคียงกับ ambient stack)

Method 2 (cont.’d) หาค่า moisture content of air in stack ตาม Method 4 หรือ Method 5 คำนวณหาพท.หน้าตัดปล่อง คำนวณหาความเร็วอากาศใน stack Vs = m/s, Cp=coeff. of pitot tube ที่ใช้, Kp = 34.97 m/s…, Ts =oK, Ps = abs.P =Pg+Pbar, Ms = MW air (Mth.3)

Method 2 (cont.’d) คำนวณหาอัตราการไหลอากาศแห้งใน stack ใช้ภาวะมาตรฐาน 25oC, 760mmHg Bws = สัดส่วนปริมาตรไอน้ำในอากาศ (จากMth.5), Vs = m/s, A=Area in m2, Tstd = K, Ps = abs. P = Pbar +/- Pg

Method 3 การหานน.โมเลกุลแห้งของอากาศใน stack เพื่อหา [CO2], [O2], molecular wt. dry air ทำได้หลายแบบ ใช้ Orsat analyzer วิเคราะห์ตย. each point ใช้ค่า CO2, O2 คำนวณหา molecular wt. dry air ใช้ molecular wt. dry air in stack = 30.0 ถ้าเป็นการเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติ, ถ่านหิน, น้ำมัน ใช้ Fuel Gas Analyzer อ่านค่า CO2, O2, N2 นำไปคำนวณหา molecular wt. dry air in stack

Portable Flue Gas Analyzer

Method 3 (cont.’d) การหานน.โมเลกุลแห้งของอากาศใน stack Md=0.44(%CO2)+ 0.32(%O2)+ 0.28(%N2+%CO) where 0.44 = mol.wt.CO2 หาร 100 0.32 = mol.wt.O2 หาร 100 where 0.28 = mol.wt.CO, N2 หาร 100 หรือใช้สมการที่เกี่ยวข้องกับการวัดความชื้นตาม Method 4

Method 3 (cont.’d) Ms=Md(1-Bws)+ 1.8Bws where Ms = mol.wt. of gas, g/gmol Md = mol.wt. of dry gas, g/gmol Bws = ratio of humidity of air in stack หาจาก Method 4 18.0 = MW water

Method 4 การหาปริมาณความชื้นอากาศใน stack อาจเป็น ก) วิธีมาตรฐานหรือ ข) วิธีประมาณการ (approximation method) วิธีนี้ต้องทำก่อนเก็บตย. ส่วน ก) ทำควบคู่กับเก็บตัวอย่าง

Method 4 (cont.’d) ก) วิธีมาตรฐาน ใช้อุปกรณ์ของ Method 5 probe (heatable) made of SS or glass condenser consists of connected 4 impingers (modified Greenburg-Smith) 2 อัน แรกมีน้ำกลั่น, ว่าง, silica gel (6-16 mesh size) with thermometer cooling system (ice box) barometer balance and cylinder

Impingers Set

Balances, Clamps, Silica gel

Method 4 (cont.’d) การวัด ตำแหน่งเก็บตย.เดียวกับ Mth.1 เติม fix vol. of water in #1&2, ชั่งนน. Silica gel 200 g in #4 record the wt. heated probe 120oC ป้องกันการควบแน่น ใส่ impingers ลงใน ice box leak check the system --plug the probe and run the pump to P 350 mmHg, dry gas meter should run <0.00057 m3 maintain steady flow +/-10%

Method 4 (cont.’d) maintain exit gas from #4 impingers <20oC ลงใน ice box start sampling from 1st traverse point leak check the system --plug the probe and run the pump to the highest P during sampling, dry gas meter should run <0.00057 m3 measure liquid in all 3 impingers, weight 4th impinger

Method 4 (cont.’d) Calculation: ปริมาตรไอน้ำที่ควบแน่นที่ STP Vwc-std =0.001356(Vf-Vi) where Vwc-std = ปริมาตรไอน้ำในตย.ที่ควบแน่นที่ STP Vf = ปริมาตรของเหลวใน impinger หลัง Vi = ปริมาตรของเหลวใน impinger ก่อน ปริมาณไอน้ำใน silica gel ที่ STP Vwsg-std =0.001356(Wf-Wi) where Vwsg-std = ปริมาตรไอน้ำใน silica gelที่ STP

Method 4 (cont.’d) ปริมาตรอากาศแห้งที่ดูดที่ STP Wf = นน.#4 impinger +silica gel หลัง Wi = นน.#4 impinger +silica gel ก่อน ปริมาตรอากาศแห้งที่ดูดที่ STP Vm-std =0.3921Y[(VmPm)/Tm] where Vm-std = ปริมาตรอากาศแห้งที่ดูดที่ STP Vm = ปริมาตรตย.อากาศแห้งที่ดูดทั้งหมด Pm = ความดันสถิตย์สัมบูรณ์ตย.อากาศแห้ง = ความดัน atm ณ จุดวัด Tm = อุณหภูมิสัมบูรณ์ตย.อากาศเฉลี่ย (K) Y = สปส.การตรวจเทียบเครื่องวัดปริมาตรอากาศแห้ง

Method 4 (cont.’d) สัดส่วนปริมาณความชื้นอากาศในปล่อง where Bws = สัดส่วนปริมาณความชื้นในปล่อง Vwc(std) = ปริมาณไอน้ำควบแน่นที่ STP Vwsg(std) = ปริมาณไอน้ำที่ถูกจับด้วย silica gel Vm(std) = ปริมาตรตย.อากาศแห้งที่ดูดเข้ามา ที่ STD

Method 4 (cont.’d) ตรวจสอบความคงที่ของอัตราการดูดอากาศในปล่อง ในแต่ละจุดเก็บตย. หากแตกต่างเกิน 10% ให้เก็บตย.ซ้ำอีกครั้ง (ทำได้ยาก วิธีที่เหมาะคือพยายามให้เป็น isokinetic ให้มากที่สุด)

Method 4 (cont.’d) ข) วิธีประมาณการ ใช้อุปกรณ์น้อยกว่า Mth. 5 probe (heatable) made of SS or glass 2 impingers (30 มล.) dry tube with silica gel cooling system (ice box) barometer balance and cylinder 25 มล. Rotameter (0-3 ml/m) Note: ดูรูปประกอบ P.m4-11 (ไม่แนะนำเพราะยุ่ง)

Method 5 หลักการ: ดูดตย.เท่ากับความเร็วกระแสอากาศในปล่อง มวลที่เกิดขึ้น/ควบแน่นที่ 120 +/-14oC นำไปชั่งหลังกำจัดความชื้นแล้ว %Isokinetic sampling = [Vn/Vs]*100 where Vn = ความเร็วอากาศที่เข้า nozzle Vs = ความเร็วอากาศเสียในปล่อง ถ้า Vn ไม่เท่า Vs หมายถึง anisokinetic condition ทำให้ความเข้มข้นฝุ่นตย.คลาดเคลื่อน

Method 5 (cont.’d) อุปกรณ์: nozzle: SS or glass or quartz ปลายฝนทำมุมน้อยกว่าหรือเท่ากับ 30o ภายในมีศก.คงที่ไม่มีรอย ต่อ รูปร่างคล้ายตะขอโค้ง มีหลายขนาด probe liner: SS, borosilicate (480oC), quartz (up to 900oC) มีอุปกรณ์ ให้ความร้อนรักษาอุณหภูมิ 120 +/-14oC pitot tube: S-type or equivalent ติดคู่กับ nozzle ในระนาบเดียวกัน

อุปกรณ์: Nozzles

อุปกรณ์: Sampling Probe

อุปกรณ์: Sampling Probe

อุปกรณ์: Probe & Heating Box

อุปกรณ์: Filter Holder

Filter Umbilical Cord

Rigid Sampling Probe & Sampling Set

Cross section of Sampling Probe in Stack

อุปกรณ์: Impringer & Filter Holder

อุปกรณ์: Ice/Impinger Box

อุปกรณ์: Monorail

Method 5 (cont.’d) Diff. pressure guage: use inclined manometer or equivalent 2 sets (measures flow rate in stack and sampling flow rate) filter holder: borosilicate with glass frit (with silicone to prevent leak) นอกจากแก้วอาจเป็นเหล็ก หรือ teflon ก็ได้ filter heating system: control 120 +/-14oC condenser: for determination of humidity of air in stack

Method 5 (cont.’d) accessories: Metering system: vacumm gauge, pump, thermometer, dry gas meter barometer: Patm measurement condenser: for determination of humidity of air in stack accessories: filter holder (petri dish) distilled water bottle and acetone

Method 5 (cont.’d) Cylinder balance beaker 250 ml hygrometer themometer silica gel (stopcock) grease glass fiber filter (0.3 um) etc.,

Sampling Train (Schematic)

Sampling Set

อุปกรณ์: Control Boxes

Method 5 (cont.’d) Preparation: weight silica gel 200-300 g. in several bottles (sealed) desiccate filter 20+/-5.6oC at least 24 hrs, weight until mass changed less than 0.5 mg, can heat 105oC 2-3 hrs, then desiccate 2 hrs before weight the filter

Method 5 (cont.’d) Preliminary determination: locate sampling point and number of point followed Mth.1 determine Ps, Ts, stack velocities followed Mth.2 determine dry molecular weight of air in stack followed Mth.3 determine humidity in stack followed Mth.4 select corrected size nozzle

Method 5 (cont.’d) Prepare sampling train Sampling time: each point no less than 2 min. and total sampling volume >0.85 m3 each point requires equal sampling time select appropriate sampling probe: may need to sampling both sides (difficult in many places) Prepare sampling train add 100 ml distilled water in 1st and 2nd impinger, 3rd left blank, 4th 200-300 g silica gel (record weight)

Method 5 (cont.’d) PM Sampling measuring and marking sampling probe add ice leak check (สำคัญมาก) by pluging the nozzle and run the vacuum pump (380 mmHg), volume should read <0.00057 m3/min by the meter (if not, find the leak and fix it) PM Sampling sampling rate for isokinetic should +/-10% filter holder should be 120 +/-14oC

Method 5 (cont.’d) Heat the probe to required temp. Insert the probe to the 1st point and turn against the flow, cover the inlet to prevent the air getting in. Turn on the pump and start sampling at isokinetic rate (or pressure --- deltaH) If pressure drop and it is difficult to sampling isokinetically, change the filter. Monitor flow, temp., pressure, and notice changes.

Method 5 (cont.’d) Sampling recovery Clean and plug the nozzle, disassemble the probe (caution -- HOT!). Unplug the umbilical cord from the last & 1st impinger, plug impinger. Disassemble filter holder (caution -- HOT!) Rinse the nozzle & filter holder with acetone, but separate all acetone in different containers (record the volume of acetone used).

Method 5 (cont.’d) Analysis Weight silica gel in 4th impinger in the field (if the balance is available). Measure H2O volume left in the rest of impingers (1-3). Analysis equilibrate filter in weighting room at least 24 hrs. and weight the filter every 6-hr until weight differences are less than +/-0.5 mg (alternatively, heat at 105oC for 2-3 hrs. and cool down in desiccator before weighing)

Method 5 (cont.’d) Evapolate acetone before weight PM left in beaker. Add those weight together for PM mass.

Accessories

Accessories

Accessories

US.EPA Method 17 Sampling Train

อุปกรณ์: Sampling Probe

In-stack Filter Holder

In-stack Filter Holder

เอกสารอ้างอิง Code of Federal Regulations, Method 5 - Determination of particulate emissions from stationary sources, Title 40 Part 60, App.A, 1995, US. Wight, G.D., Fundamentals of air sampling, 1994, Lewis Publishers, NY, US.