颗粒物排放连续测量技术及发展趋势＊

黄红明，迟颖

颗粒物排放连续测量技术及发展趋势＊

黄红明1，迟颖2

（1.深圳市翠云谷科技有限公司，广东 深圳 518100；2.中国环境监测总站，北京 100012）

随着雾霾天气增加，中国对工业粉尘颗粒物排放制定了严格的排放标准。这对粉尘颗粒物监测技术也提出了更高的要求，特别对超低排放状态下的监测更具挑战。分析讨论了工业污染源颗粒物连续测量系统的技术原理、技术路线、体系构造等，并对超低排放状况下颗粒物未来仪器的发展方向进行了分析讨论。

颗粒物；光散射；污染源排放测量；超低排放

1 概述

颗粒物，又称尘，为大气中的固体或液体颗粒状物质。颗粒物可分为一次颗粒物和二次颗粒物。二氧化硫、氮氧化物以及可吸入颗粒物这三项是雾霾的主要组成成分，前两者为气态污染物，最后一项颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首，它们与雾气结合在一起，让天空瞬间变得灰蒙蒙。颗粒物的英文缩写为PM（Particulate Matter），当前引起人类注意的颗粒物主要是PM2.5和PM10，前者表示空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的细颗粒物，这类颗粒物能够直接进入人的肺泡和支气管，造成极大身体危害；后者表示空气动力学当量直径小于等于10 μm的细颗粒物，对人类呼吸粘膜也能造成危害。目前测量烟气颗粒物浓度的方法主要有称量法、电容法、β射线法、压电晶体震荡法、过滤器内压差法、光透射法、光散射法等，每种方法都有不同的应用条件及特点。

2 传统的颗粒物测量方法及构造

传统的光学方法主要指光在通过颗粒物两相流时，通过测定光束强度的衰减得到颗粒物浓度。这类仪器的基本理论基础是朗伯比尔定律，即光束通过颗粒物两相流被颗粒物吸收和散射后，光强度的衰减比值在颗粒物折射率和吸收率及粒径分布不变的情况下和颗粒物的浓度呈负指数关系。早期的仪器为单光路系统，发射部分和接收部分分离于待测对象两端，这种构造存在一个缺陷，无法在线进行校准，可通过离线校准，但是一个关键的问题是离线校准后安装时参数会产生很大的偏移，所以在这种构造的基础上发展为双光路构造，如图1所示，现在对穿法的装机应用中基本都为双光路构造。即使双光路构造，也存在一个不可回避的问题，即校准问题，如图1所示的构造中校准器校准过程，角反射镜及其污染造成的偏移无法被校准，所以校准过程不是完整的。在双光路的基础上，后期又发展出双机构造的仪器，通过旋转校准器和双机冗余构造模式，自由地实现现场校准过程，但是这种构造的安装和应用都较为复杂，限制了其应用，因而这种构造在工程实践中基本没有装机应用。双机构造如图2所示。

图1 双光路构造

图2 双机构造

作为早期的一种主流方法，对穿法具有以下特点：现场装机需要对中；现场待测气体如果有大质团的温度变化会使光束因折射率而晃动，造成测量失效；光路贯穿整个测量区，测量的代表性强；测量结果可以转化成质量浓度，也可以采用消光比或浊度的形式，当采用浊度值时，不通过参比不同测量目标之间就具有可比性，可以大量方便地应用于不要求质量浓度的控制场合，但难以实现在线的全参数校准；对穿法的构造要求在透射光的基底上测量被吸收光的份额，要提高仪器的分辨能力对光检测器的要求很高，所以一般只应用于30 mg/m3以上浓度相对较高的排放场合。

两相流颗粒物及其质团的分布状态满足统计规律，信号处理方面对穿法利用了其统计平均特征。如果强调瞬时波动的强度，可以通过瞬时一定频谱范围的信号波动强度建立起颗粒物浓度与信号波动的关系，利用这种方法对颗粒物浓度进行测量。具有和对穿法类似的仪器构造，这种仪器一般称为光闪烁法，这种方法相对而言对窗口的污染不敏感，但影响测量结果的干扰因素较多，同样无法实现全参数的现场校准，干扰模型及现场试验还不是很充分，可以期望在过程控制时得到合适的应用。

后向散射法是近些年在国内发展最快、应用最多的方法，已经大量取代现场的对穿法装机结构。后散射法基于经典光散射原理，将颗粒群的散射行为简化成单个颗粒散射的简单叠加。一般通俗地讲，颗粒物的散射光方向与入射光方向夹角小于90°称为前向散射，大于90°称为后向散射。后向散射法的光检测器所检测的光信号比较干净，相对于对穿法，后散射法可以更容易达到更高的灵敏度和分辨力。目前装机的污染源颗粒物连续测量仪器对穿法已经被后向散射法大量代替。

从光路方面划分，后向散射法有异轴光路和同轴光路两种布置形式，异轴光路如图3所示，同轴光路如图4所示。

图3 异轴光路

图4 同轴光路

后向散射法具有以下特点：相对于对穿法，后向散射法更容易达到更高的分辨力和灵敏度；单端安装，不需要对中，安装维护大为简化；相对于对穿法，测量取样区较小；仪器校准通过参比试验传递到仪器的内部校准器上。

β射线法和震荡天平方法为非光学方法的实例。β射线法将颗粒物两相流的颗粒物沉积在滤带上，通过颗粒物对β射线的吸收衰减解算颗粒物的浓度。震荡天平法则是通过沉积在晶振上的颗粒物改变了晶振的震动特性，通过测量其震动或者谐振特性的变化，解算颗粒物的浓度值。这两种方法的优点如下：一次检测信号与颗粒物的质量浓度相关，测量结果可以直接给出质量浓度。其技术路线来源于空气中颗粒物的检测技术，在构造上存在抽气计量及平衡、连续运转的部件，在污染源排放的现场条件下受极大的制约，因而在污染源排放的应用实例不多。

2.1 超低排放条件下颗粒物仪器及构造

近几年随着节能减排政策和工艺的落地及推广，排放源的颗粒物排放测量状况发生了根本改变，新工艺大量使用了湿法脱硫脱硝、高效电除尘以及布袋除尘技术。高效电除尘及布袋除尘器的使用导致颗粒物排放浓度大幅度降低；新工艺导致排烟温度降低到100 ℃以下，大量烟气中的水分凝结成细雾颗粒，这种水细雾颗粒具有极强的散射特征，使传统的散射测量方法完全失效。国内大量引入欧美抽取式前向散射烟尘测量仪，将待测气体抽取加热到100 ℃以上，解决水雾干扰的问题，采用前向散射方法达到更高的分辨力和灵敏度。欧洲品牌技术较为成熟，国内最早装机的产品就来自于欧洲，典型体系结构如图5所示，其中上部为系统构成，下部为检测器结构。不同品牌之间原理基本相同，只是细节方面有些区别。代表性的产品有德国DURAG、德国SICK、法国ESA、德国FUDISCH、英国PCME等。基本结构包括测量单元、高温测量腔体、喷射引流系统、流量测量及控制系统、采样探头、校准系统等。

目前抽取式烟尘仪一般采用前向散射方法，可以应用于超低、高湿度的现场条件下，这种方法的缺点是仪器系统比较复杂，成本及维护费用都比较高。其他方法都把被测目标作为测量腔体，造成不同的现场环境条件下仪器的测量结果分散度很高，而抽取测量的方式测量腔体是可控的，不同的现场条件下仪器测量结果分散度很低。

2.2 颗粒物两相流测量的问题及仪器发展讨论

颗粒物浓度监测仪工作建立在颗粒吸收及散射特性基础之上，而颗粒物的大小形状、聚集状态、折射率对颗粒物的吸收散射特征有着极大的影响，颗粒物两相流测量过程中出现的很多问题都与此相关。其中仪器校准的溯源性就是一个比较棘手的问题。原始仪器测量的数值，在相对角度才有意义，仪器在任意一个不同的排放源使用，都要确定平行参比。平行参比引入偏差的分散度要高于仪器本身，极大地限制了仪器的使用范围。仪器给出的测量范围也是一个相对值，要把测量范围变成一个绝对量就必须梳理一个标准物质，这个标准物质具有相同的粒径及分布、相同的折射率吸收率、相同的形状、密度及凝聚状态，而且把这种标准物质弥散成均匀稳定的两相流，用这种标准物质统一溯源，对仪器进行量程检验，但是无法做成这种标准物质。一种补偿方法是采用计量统一的颗粒物，通过风洞将颗粒物弥散于两相流中，然后通过参比的方法认定仪器的量程、准确度指标，这也是现行的计量方法。而仪器内部设置一个散射源，通过计量参比将参比的量程传递到这个散射源上，仪器内部的散射源是为了对仪器进行校准而设立的。在仪器使用一段时间后，由于各方面的原因造成性能的偏移。散射源对应标准物质浓度，这个偏移可以通过仪器内部的散射源进行修正校准。由于现场的颗粒物与标准颗粒物不同，使用现场仪器时还需进行参比修正。

3 结语

随着节能减排工艺的推广及排放控制日趋严格，传统的对穿法和后散射法越来越不适应现场的要求，用抽取加热回送和后散射法逐渐取代传统测量技术，并推广于各种类型的排放源，是未来污染源排放连续测量的趋势。现存的抽取式烟尘检测装置的体系结构仍然沿用系统的结构，体积庞大、子模块分散、维护复杂，所以一体构造的抽取式烟尘测量仪则是今后发展的方向。目前抽取式烟尘测量仪的现场校准采用现场等动平行参比，工作量大、周期长，很多现场仪器并没有进行平行参比，影响了仪器的使用效果，开发一种快速参比工具是未来努力方向。β射线方法和震荡天平方法虽然不太适用于长期连续的现场条件，但是因为这两种方法都可以直接给出质量浓度，可以作为一种现场快速校准及认定的手段，还需建立现场校准的标准及准确度传递过程规范。

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.028

2095－6835（2020）09－0075－03

深圳市技术创新计划创业资助项目（编号：201760398）

黄红明（1980—），深圳市翠云谷科技有限公司技术总监，主要研究方向为环境分析仪研发制造。

迟颖（1971—），女，高级工程师，主要研究方向为环境监测仪器质检。

〔编辑：严丽琴〕