超低排放颗粒物质量浓度测量装置研制及试验研究*

杨永青，迟 颖

（1.深圳市翠云谷科技有限公司，广东 深圳 518000；2.中国环境监测总站，北京 100012）

污染源颗粒物排放，作为最重要的一种工业污染形式，越来越引起社会和政府的广泛重视。对颗粒物排放连续测量的手段及方法作为排放控制的一个最基本的环节，正在得到快速发展。

目前市场上主流的自动连续排放监测设备主要采用以下方法[1-3]：光衰减法、散射法、光闪烁法、电荷法、β射线法。其中光衰减法、散射法、光闪烁法都可以归结为光学方法，光衰减法建立在颗粒物对光束的衰减测量技术上，其基本的理论基础是朗伯-比尔定律；散射法建立在颗粒物对入射光的散射测量技术上，其基本的理论基础为经典的MIE对球形颗粒物的求解；光闪烁法虽然应用的是光学测量技术，但其测量的物理量是颗粒物随机进入测量区引起的光的衰减涨落的测量，其理论基础是概率统计理论，一般采用的是排队论模型。电荷法采用的是颗粒物摩擦 （感应）使得探头荷电的方法；β射线法虽然是连续的测量方法，但却不适合现场长期连续地测量。

测量颗粒物质量浓度，与其他物理量相比有很多不同的特点，其测量动态范围大，且测量范围与现场条件相关。量程是一个相对值，这个相对值只是保证仪器测量的一致性以及校准的参考值。如果要准确测量烟尘质量浓度则必须进行参比试验。在现场条件恶劣，如高温、腐蚀等的环境下，目前固定污染源的颗粒物质量浓度测量主要采用光散射法，各个工业现场的装机装置一般采用基于后向散射的颗粒物连续排放监测方法。

1 新工艺下的颗粒物测量现状和要求及对策

近年来，随着节能减排工艺的逐渐更新换代，颗粒物排放测量状况发生了根本的改变，新工艺大量地使用了湿法脱硫脱硝、高效电除尘以及布袋除尘技术，这导致颗粒物排放出现了两个新的特点。高效电除尘及布袋除尘器的使用导致排放颗粒物质量浓度大幅度降低，从以往的50～200 mg/m3降低到1～50 mg/m3，大多数在20 mg/m3以下，这样采用后向散射方法的烟尘测量仪器的灵敏度和分辨力就严重不足；新工艺导致排烟温度降低到100℃以下，致使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，使得传统的散射测量方法完全失效。在这种情况下，引入了大量的国外测量仪器，在这方面欧洲品牌的测量仪器技术较为成熟。图1为欧洲产品的典型体系结构，不同品牌之间的结构基本相同，只是在细节上有些区别。如德国DURAG，SICK，FUDISCH；法国ESA，英国PCME等。基本组成包括了测量单元、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、稀释单元。其中，测量单元是系统的核心单元。这一类品牌的测量单元一般可以是一个独立的测量系统，可以单独用于测量露点以上的“干”烟气。图2为典型测量单元构造原理图，仪器将激光引入到测量区，在测量区激光束和颗粒物作用产生散射光，其中前向散射光被引入到传感器，因为设定在颗粒物折射率和粒径分布基本不变的情况下，前向散射光和颗粒物质量浓度成正比关系，这样通过传感器接收到的光信号强弱就可以得到颗粒物质量浓度。国外品牌的这种体系构造是作为一个系统的概念，其组成单元之间是分离的，仪器分成就地部分和主机部分，中间采用伴热管线连接，而且要求传输管线的长度不能太长。这样一个系统的整体质量一般超过150 kg，系统连接复杂，无论系统本身的成本还是安装维护成本都非常高。从体系化构造的高度着眼，引入当代先进的传感和处理技术，增加远程的维护和诊断功能，将集成的系统一体化成一个专用的测量仪器，可以大幅度地降低制造成本，同时提高仪器测量的准确度和可靠性及可维护性，是市场需求的主导技术路线。

图1 欧洲产品的典型体系结构示意图

图2 典型测量单元构造原理图

2 抽取加热回送及前向散射技术

项目组建立在一体化专用仪器的技术路线的基本思想上，吸收了最新的技术成果，采用自己独特的构造形式。首先，从体系结构上进行了根本性的改变，传统通行的仪器体积庞大，功能模块分散，沿用了测量系统的概念。其次，项目组强调了专用仪器的概念，仪器构成简洁紧凑，功能模块集成度很高，仪器整体质量仅有15 kg左右，比之欧洲品牌和其他国内的系统质量基本都在150 kg以上小了一个数量级，一个人就可以胜任安装调试工作，从仪器内部构造上摒弃了多模块分散式的构造，高集成度的一体化设计，强调智能性可维护性，仪器的诊断、维护也极为便捷、简单，图3为测量装置结构示意图。

图3 测量装置结构示意图

仪器主要由三部分组成，前向散射检测单元、采样加热及回送单元、等动跟踪单元、控制及输入输出单元。检测单元的原理采用前向散射法，关于光与颗粒物之间的作用原理来自于MIE理论，MIE通过对单个球形颗粒物的经典光散射机制和解算给出了一个理论解[4-5]，在工程上，对颗粒群的散射行为简化成单个颗粒散射的简单叠加，在超低排放范畴，可以忽略颗粒物之间的复散射。一般来讲，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。当颗粒物的尺度相对于入射光波长很小，前向和后向散射相当，随着颗粒物尺寸的变大，散射光越来越集中于前向小的立体角内。一般工业排放的颗粒物粒径范围，前向散射比之后向散射要强几倍到几十倍，采用前向散射可以大大提高检测的分辨能力；采用加热及回送单元完成两相流样品的采样及在测量腔体中高于120℃的恒温控制，通过压缩空气引流的方式将采样气体连续地回送到采样点。等动跟踪单元则是为保证颗粒物采样和采样点的质量浓度保持一致，通过对被测气流动压的测量得到待测两相流的流速，通过状态变换及解算得到采样气体的流量，通过对引入引流空气压力的闭环控制实现等动取样、控制及输入输出单元完成仪器的解算、传输、智能控制诊断。

3 超低排放颗粒物质量浓度测量试验研究及结论

项目组采用开发的仪器进行了两组试验，第一组试验采用两相流环形风洞作为试验平台，用膜式手工等动采样装置进行平行参比，包含对试验样机进行稳定性、相关性、重现性试验；第二组试验是在第一组试验基础上在高水雾烟尘排放口现场进行实测验证。图4为平行参比试验结果，试验过程共进行了18组试验，得到18个数据对，经过最小二乘法线性回归后，数据对的相关性达到了0.950 7，标准偏差为1.329，最大偏差3.17。图5为现场实际测量的输出结果。试验结果表明，采用锥透镜的光路布置形式是可行的，可以更严格地定义测量区大小，提高仪器长期工作的可靠性和一致性；参比试验表明，在颗粒物质量浓度小于100 mg/m3的条件下，装置和输出基本保持线性，同时参比试验的结果表明测量装置具有足够的测量准确度。

图4 平行参比试验结果

图5 现场实际测量的输出结果

理论和试验结果表明，采用抽取加热回送及前向散射技术路线来测量污染源超低排放颗粒物质量浓度，其分辨能力高，测量准确，同时抗水汽干扰。仪器整体构造紧凑，可以满足超低条件下的连续测量要求，将是超低条件下污染源排放连续测量非常具有前景的技术路线。