低浓度颗粒物在线监测技术比较

奚 健

（上海北分仪器技术开发有限责任公司，上海 201202）

低浓度颗粒物在线监测技术比较

奚 健

（上海北分仪器技术开发有限责任公司，上海 201202）

简述了目前颗粒物在线监测的主要方法和原理，比较了不同颗粒物在线测量原理及在除尘工艺上的应用效果，尤其在国内燃煤电厂超低排放改造后，针对湿烟气中低浓度颗粒物的在线测量方法做了详细介绍和对比。

低浓度颗粒物；湿烟气；超低排放

1 前言

大气固定污染源颗粒物的排放是造成雾霾天气的主要原因，因此其允许排放限值越来越低。以火电厂颗粒物排放标准为例，2011年发布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）要求火力发电锅炉烟尘颗粒物排放标准限值30mg/m3，重点地区火电厂烟尘排放标准限值20mg/m3。2015年12月2日，总理李克强在国务院常务会议上明确了一项治理雾霾的“硬任务”：在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，对落后产能和不符合相关强制性标准要求的，要坚决淘汰关停。这一任务对燃煤电厂提出了更高的排放要求，火电厂全面进入了超低排放改造阶段，实施超低排放要求燃煤机组的大气主要污染物排放限值标准低于现行的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011），接近或达到天然气燃气机组的排放标准。这意味着颗粒物排放标准又进一步提高，颗粒物排放不超过10mg/m3。随着全国超低排放改造项目的实施，国内的除尘器生产厂家、脱硫环保公司在环境污染治理技术上不断进步，已在超低排放改造工程的实施上能完全满足和达到超低排放的工艺要求，同时也对颗粒物排放的在线监测提出了更高要求。针对超低排放工艺中烟尘浓度低、烟气湿度高的恶劣工况，如何保证在线准确监测颗粒物排放浓度是需要解决的难题。

2 颗粒物在线监测方法

颗粒物在线监测技术根据工况烟气的干、湿分为两大类：颗粒物直接监测（适用于干烟气）和颗粒物抽取后监测（适用于湿烟气）。

颗粒物直接监测方法有：光学透射法、光学散射法（前散射、后散射）、电荷法。颗粒物抽取后监测的方法有：直接抽取前向散射法、稀释加热抽取前向散射法、β射线法。

2.1 光学透射法

测量的基本原理：在烟道的一端发出一束光束经烟道另外一端反射，通常采用双光路，光束在传输过程中由于粉尘颗粒物会减弱光强，再通过比较基准光强来计算粉尘浓度。

透射光强度I与入射光强度I0之比称为透射率T，也称为透射比或透光度，以百分比表示，其定义式为：

被颗粒物遮挡（散射或吸收等）后损失的光强（I0-I）与入射光强I0之比，称为不透明度OP也称为不透光度或浊度O，也以百分比表示，其定义式为：

T和O相对于颗粒物浓度均为非线性参数，为了得到相对于颗粒物浓度的线性参数，在仪器设计和参数设计上引入了消光度的概念，消光度E其定义式为：

消光度E与透射率T、不透明度O之间的关系为：

在电除尘出口一般选用光学透射法的烟尘仪进行烟尘测量。光学透射法光学原理如图1。

图1 光学透射法光学原理图

2.2 光学散射法（前散射、后散射）

测量原理：光源发出的光线定向地朝着颗粒物射去时，颗粒物又散射光线，从而改变了入射光的方向，在一定角度范围内光敏器件接收散射光的强度，散射光集聚接受转换成电信号，计算出粉尘浓度。散射光的强度与颗粒物的粒径、折射率、形状、入射光的波长以及散射角度等因素有关（如图2）。

图2 光学散射原理示意图

前散射与后散射的区别：前散射是光敏传感器接受光源光束照射到颗粒物后向前散射的光；后散射是光敏传感器接受光源光束照射到颗粒物后向后散射的光。

光学散射法的灵敏度较高，可用于低浓度颗粒物的测量，一般测量下限为10mg/m3。

2.3 电荷法

当颗粒物撞击金属探杆表面，甚至仅与金属探杆表面以摩擦的方式接触时，都可能发生电荷的转移。利用颗粒物电荷转移效应来检测流动烟气中的烟尘含量，测量的准确性不高，测量时烟气流速要求不低于5m/s，一般应用于布袋除尘工艺。电荷法测量原理见示意图3。

图3 电荷法测量原理示意图

2.4 直接抽取前向散射法

直接抽取前向散射法是将烟道中烟气抽取后，在后端通过加热腔对抽取的样气进行高温加热，最终使用前向散射原理的烟尘仪对烟气颗粒物进行测量。适用于烟气湿度不大的工况，因为加热腔之前的采样管路及部件是不加热的，插入烟道的采样部分直接将水和气一同抽入取样路径中，含粉尘的样气进入加热腔加热后到测量池进行测量。如果应用于湿度较高的工况，测量稳定性不高。

直接加热抽取前向散射法原理见示意图4 。

图4 直接加热抽取前向散射法原理示意图

2.5 稀释加热抽取前向散射法

稀释加热抽取前向散射法相比直接抽取前向散射法，多了一个稀释气加热功能，在采样的同时预先加热稀释气，稀释气按一定比例与样气在插入烟道的采样嘴处进行混合，同时采样探杆也全程高温加热，这样可以有效而迅速地将湿烟气变为干烟气，最后用前向散射法的烟尘仪对颗粒物进行测量。稀释加热抽取前向散射法原理示意见图5，该法适用于高湿度的工况。

图5 稀释加热抽取前向散射法原理示意图

2.6 β射线法

通过采样探头将烟气抽取出来，烟尘沉积在过滤带上形成斑点，过滤带缠绕在一个按时间顺序转动的滚轮上，过滤带停留一段时间用于收集颗粒物，然后在滚轮带动下向前移动一段距离，如此循环运行，周期采样。过滤带收集颗粒物后移动进入辐射源照射区，辐射源发出的β射线穿过滤带时被颗粒物吸收，衰减后的β射线强度由探测器检测并与之前β射线穿过干净滤带的强度进行比较，测量出颗粒物含量，β射线的衰减程度与颗粒物数量有关。测量精度高，但不能连续测量，是间隙测量，有辐射源。β射线法原理见示意图6。

图6 β射线法原理示意图

3 技术对比

目前，国内的超低排放改造工程，大多采用图7中的工艺，在湿法脱硫后加装湿式静电除尘器或除雾器来降低烟尘排放，烟气经过湿式除尘器后能有效降低烟尘含量，达到颗粒物超低排放标准。但经过湿式除尘器或除雾器后的烟气湿度较高，给颗粒物在线监测带来了很大困难，用传统的烟尘在线测量方式根本无法进行准确监测。

图7 火电厂锅炉废气处理超低排放工艺

其实，早在“十一五”规划期间，我国火电厂就上了脱硫工艺，湿法脱硫是主流的脱硫改造工艺，经过湿法脱硫后的烟气也是高湿的烟气，但由于当时的监测技术、采购成本等原因，配套商还是采用了传统的干烟气监测方法对湿烟气进行颗粒物浓度监测，由于测量数据的准确性差，环保部门要求通过监测脱硫入口的烟尘来对湿法脱硫后的颗粒物排放浓度进行折算，经折算后的数据也不能准确反映实际颗粒物的排放情况。随着颗粒物监测技术的不断更新以及排放标准的提高，现有技术能对湿烟气中的颗粒物进行很好地监测。根据火电厂除尘工艺的实际工况环境，可将颗粒物浓度在线监测分为：干烟气工况中颗粒物浓度在线监测、湿烟气工况中颗粒物浓度在线监测，并对不同的在线颗粒物浓度监测方法进行了比较，技术对比见下表。

4 颗粒物抽取监测方法的等速采样

等速采样就是在颗粒物采样过程中，保持采样流速和烟道工况烟气流速相等的采样方法，国家环境监测站根据《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GBT16157-1996）的要求，明确颗粒物测量采用抽取方式的必须采用等速采样。采用抽取方式的烟尘仪需要将工况流速接入粉尘监测设备，粉尘仪通过工况流速控制采样流速，两者保持一致粉尘监测数据才准确。烟道烟气流速与抽取监测设备采样流速对颗粒物收集的影响见图8。

颗粒物浓度在线监测方法比较表

图8 烟气流速与采样流速对颗粒物收集的影响

由图8可见，只有当采样流速V等于烟道内烟气流速W时，采样气体颗粒物浓度才具有代表性；当采样流速V大于烟气流速W时，样气浓度会小于实际浓度；当采样流速V小于烟气流速W时，采样浓度会大于实际烟气浓度。

环保部门之所以要求抽取式烟尘仪必须具有等速采样，是为了保证颗粒物浓度在线监测数据的准确性。

5 结语

随着我国超低排放改造工作的全面开展，低浓度颗粒物在线监测的准确性可直接反应出超低排放改造的效果。根据不同类型的超低排放改造工艺，对比了不同颗粒物在线监测方法的优缺点，结合不同方法的性价比，光学散射法是低浓度烟尘监测的不错选择。在干烟气工况中选用光学散射法更适合用于低浓度颗粒监测；在湿烟气工况的低浓度颗粒物浓度监测中，考虑现场维护和连续测量的问题，选用稀释加热抽取前向散射法更有优势，能适用于更高湿度的工况。

[1] 王森．在线分析仪器手册[M]．北京：化学工业出版社，2008：351-370．

[2] 梁云平．固定源低浓度颗粒物监测技术现状与思考． 空气和废气监测分析方法[M]．北京:中国环境科学出版社，2007：353-364．

[3] GB 13223-2011，火电厂大气污染物排放标准[S]．北京：国家环境保护部，2011．

[4] 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[S]．北京：国家环境保护局，1996．

[5] DB31/963-2016，上海燃煤电厂污染物排放标准[S]．上海：上海市环境保护局，2016．

Technical Comparison of Low Concentration Dust Monitoring on Line

XI Jian
(Shanghai BAIF Analytical Instrument Co., Ltd, Shanghai 201202, China)

The article narrates briefy the main methods and principles of dust monitoring on line at present, compares the different dust measure principle on line and the application effect in dust removal technology, particularly, after the ultra-low emission reform in coal-fred power plant of the country. The article makes the detail introduction and contrasts upon the low concentration dust measure methods on line aimed at wet fue gas.

low concentration dust; wet fue gas; ultra-low

X701

A

1006-5377（2017）01-0035-04