奚 健

（上海北分儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，上海 201202）

低濃度顆粒物在線監(jiān)測(cè)技術(shù)比較

奚 健

（上海北分儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，上海 201202）

簡(jiǎn)述了目前顆粒物在線監(jiān)測(cè)的主要方法和原理，比較了不同顆粒物在線測(cè)量原理及在除塵工藝上的應(yīng)用效果，尤其在國(guó)內(nèi)燃煤電廠超低排放改造后，針對(duì)濕煙氣中低濃度顆粒物的在線測(cè)量方法做了詳細(xì)介紹和對(duì)比。

低濃度顆粒物；濕煙氣；超低排放

1 前言

大氣固定污染源顆粒物的排放是造成霧霾天氣的主要原因，因此其允許排放限值越來(lái)越低。以火電廠顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)為例，2011年發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）要求火力發(fā)電鍋爐煙塵顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)限值30mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)火電廠煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)限值20mg/m3。2015年12月2日，總理李克強(qiáng)在國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議上明確了一項(xiàng)治理霧霾的“硬任務(wù)”：在2020年前，對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，對(duì)落后產(chǎn)能和不符合相關(guān)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)要求的，要堅(jiān)決淘汰關(guān)停。這一任務(wù)對(duì)燃煤電廠提出了更高的排放要求，火電廠全面進(jìn)入了超低排放改造階段，實(shí)施超低排放要求燃煤機(jī)組的大氣主要污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)低于現(xiàn)行的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011），接近或達(dá)到天然氣燃?xì)鈾C(jī)組的排放標(biāo)準(zhǔn)。這意味著顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)又進(jìn)一步提高，顆粒物排放不超過(guò)10mg/m3。隨著全國(guó)超低排放改造項(xiàng)目的實(shí)施，國(guó)內(nèi)的除塵器生產(chǎn)廠家、脫硫環(huán)保公司在環(huán)境污染治理技術(shù)上不斷進(jìn)步，已在超低排放改造工程的實(shí)施上能完全滿足和達(dá)到超低排放的工藝要求，同時(shí)也對(duì)顆粒物排放的在線監(jiān)測(cè)提出了更高要求。針對(duì)超低排放工藝中煙塵濃度低、煙氣濕度高的惡劣工況，如何保證在線準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)顆粒物排放濃度是需要解決的難題。

2 顆粒物在線監(jiān)測(cè)方法

顆粒物在線監(jiān)測(cè)技術(shù)根據(jù)工況煙氣的干、濕分為兩大類：顆粒物直接監(jiān)測(cè)（適用于干煙氣）和顆粒物抽取后監(jiān)測(cè)（適用于濕煙氣）。

顆粒物直接監(jiān)測(cè)方法有：光學(xué)透射法、光學(xué)散射法（前散射、后散射）、電荷法。顆粒物抽取后監(jiān)測(cè)的方法有：直接抽取前向散射法、稀釋加熱抽取前向散射法、β射線法。

2.1 光學(xué)透射法

測(cè)量的基本原理：在煙道的一端發(fā)出一束光束經(jīng)煙道另外一端反射，通常采用雙光路，光束在傳輸過(guò)程中由于粉塵顆粒物會(huì)減弱光強(qiáng)，再通過(guò)比較基準(zhǔn)光強(qiáng)來(lái)計(jì)算粉塵濃度。

透射光強(qiáng)度I與入射光強(qiáng)度I0之比稱為透射率T，也稱為透射比或透光度，以百分比表示，其定義式為：

被顆粒物遮擋（散射或吸收等）后損失的光強(qiáng)（I0-I）與入射光強(qiáng)I0之比，稱為不透明度OP也稱為不透光度或濁度O，也以百分比表示，其定義式為：

T和O相對(duì)于顆粒物濃度均為非線性參數(shù)，為了得到相對(duì)于顆粒物濃度的線性參數(shù)，在儀器設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)上引入了消光度的概念，消光度E其定義式為：

消光度E與透射率T、不透明度O之間的關(guān)系為：

在電除塵出口一般選用光學(xué)透射法的煙塵儀進(jìn)行煙塵測(cè)量。光學(xué)透射法光學(xué)原理如圖1。

圖1 光學(xué)透射法光學(xué)原理圖

2.2 光學(xué)散射法（前散射、后散射）

測(cè)量原理：光源發(fā)出的光線定向地朝著顆粒物射去時(shí)，顆粒物又散射光線，從而改變了入射光的方向，在一定角度范圍內(nèi)光敏器件接收散射光的強(qiáng)度，散射光集聚接受轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，計(jì)算出粉塵濃度。散射光的強(qiáng)度與顆粒物的粒徑、折射率、形狀、入射光的波長(zhǎng)以及散射角度等因素有關(guān)（如圖2）。

圖2 光學(xué)散射原理示意圖

前散射與后散射的區(qū)別：前散射是光敏傳感器接受光源光束照射到顆粒物后向前散射的光；后散射是光敏傳感器接受光源光束照射到顆粒物后向后散射的光。

光學(xué)散射法的靈敏度較高，可用于低濃度顆粒物的測(cè)量，一般測(cè)量下限為10mg/m3。

2.3 電荷法

當(dāng)顆粒物撞擊金屬探桿表面，甚至僅與金屬探桿表面以摩擦的方式接觸時(shí)，都可能發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移。利用顆粒物電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)來(lái)檢測(cè)流動(dòng)煙氣中的煙塵含量，測(cè)量的準(zhǔn)確性不高，測(cè)量時(shí)煙氣流速要求不低于5m/s，一般應(yīng)用于布袋除塵工藝。電荷法測(cè)量原理見(jiàn)示意圖3。

圖3 電荷法測(cè)量原理示意圖

2.4 直接抽取前向散射法

直接抽取前向散射法是將煙道中煙氣抽取后，在后端通過(guò)加熱腔對(duì)抽取的樣氣進(jìn)行高溫加熱，最終使用前向散射原理的煙塵儀對(duì)煙氣顆粒物進(jìn)行測(cè)量。適用于煙氣濕度不大的工況，因?yàn)榧訜崆恢暗牟蓸庸苈芳安考遣患訜岬模迦霟煹赖牟蓸硬糠种苯訉⑺蜌庖煌槿肴勇窂街?，含粉塵的樣氣進(jìn)入加熱腔加熱后到測(cè)量池進(jìn)行測(cè)量。如果應(yīng)用于濕度較高的工況，測(cè)量穩(wěn)定性不高。

直接加熱抽取前向散射法原理見(jiàn)示意圖4 。

圖4 直接加熱抽取前向散射法原理示意圖

2.5 稀釋加熱抽取前向散射法

稀釋加熱抽取前向散射法相比直接抽取前向散射法，多了一個(gè)稀釋氣加熱功能，在采樣的同時(shí)預(yù)先加熱稀釋氣，稀釋氣按一定比例與樣氣在插入煙道的采樣嘴處進(jìn)行混合，同時(shí)采樣探桿也全程高溫加熱，這樣可以有效而迅速地將濕煙氣變?yōu)楦蔁煔?，最后用前向散射法的煙塵儀對(duì)顆粒物進(jìn)行測(cè)量。稀釋加熱抽取前向散射法原理示意見(jiàn)圖5，該法適用于高濕度的工況。

圖5 稀釋加熱抽取前向散射法原理示意圖

2.6 β射線法

通過(guò)采樣探頭將煙氣抽取出來(lái)，煙塵沉積在過(guò)濾帶上形成斑點(diǎn)，過(guò)濾帶纏繞在一個(gè)按時(shí)間順序轉(zhuǎn)動(dòng)的滾輪上，過(guò)濾帶停留一段時(shí)間用于收集顆粒物，然后在滾輪帶動(dòng)下向前移動(dòng)一段距離，如此循環(huán)運(yùn)行，周期采樣。過(guò)濾帶收集顆粒物后移動(dòng)進(jìn)入輻射源照射區(qū)，輻射源發(fā)出的β射線穿過(guò)濾帶時(shí)被顆粒物吸收，衰減后的β射線強(qiáng)度由探測(cè)器檢測(cè)并與之前β射線穿過(guò)干凈濾帶的強(qiáng)度進(jìn)行比較，測(cè)量出顆粒物含量，β射線的衰減程度與顆粒物數(shù)量有關(guān)。測(cè)量精度高，但不能連續(xù)測(cè)量，是間隙測(cè)量，有輻射源。β射線法原理見(jiàn)示意圖6。

圖6 β射線法原理示意圖

3 技術(shù)對(duì)比

目前，國(guó)內(nèi)的超低排放改造工程，大多采用圖7中的工藝，在濕法脫硫后加裝濕式靜電除塵器或除霧器來(lái)降低煙塵排放，煙氣經(jīng)過(guò)濕式除塵器后能有效降低煙塵含量，達(dá)到顆粒物超低排放標(biāo)準(zhǔn)。但經(jīng)過(guò)濕式除塵器或除霧器后的煙氣濕度較高，給顆粒物在線監(jiān)測(cè)帶來(lái)了很大困難，用傳統(tǒng)的煙塵在線測(cè)量方式根本無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

圖7 火電廠鍋爐廢氣處理超低排放工藝

其實(shí)，早在“十一五”規(guī)劃期間，我國(guó)火電廠就上了脫硫工藝，濕法脫硫是主流的脫硫改造工藝，經(jīng)過(guò)濕法脫硫后的煙氣也是高濕的煙氣，但由于當(dāng)時(shí)的監(jiān)測(cè)技術(shù)、采購(gòu)成本等原因，配套商還是采用了傳統(tǒng)的干煙氣監(jiān)測(cè)方法對(duì)濕煙氣進(jìn)行顆粒物濃度監(jiān)測(cè)，由于測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性差，環(huán)保部門要求通過(guò)監(jiān)測(cè)脫硫入口的煙塵來(lái)對(duì)濕法脫硫后的顆粒物排放濃度進(jìn)行折算，經(jīng)折算后的數(shù)據(jù)也不能準(zhǔn)確反映實(shí)際顆粒物的排放情況。隨著顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷更新以及排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，現(xiàn)有技術(shù)能對(duì)濕煙氣中的顆粒物進(jìn)行很好地監(jiān)測(cè)。根據(jù)火電廠除塵工藝的實(shí)際工況環(huán)境，可將顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)分為：干煙氣工況中顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)、濕煙氣工況中顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)不同的在線顆粒物濃度監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了比較，技術(shù)對(duì)比見(jiàn)下表。

4 顆粒物抽取監(jiān)測(cè)方法的等速采樣

等速采樣就是在顆粒物采樣過(guò)程中，保持采樣流速和煙道工況煙氣流速相等的采樣方法，國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)站根據(jù)《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GBT16157-1996）的要求，明確顆粒物測(cè)量采用抽取方式的必須采用等速采樣。采用抽取方式的煙塵儀需要將工況流速接入粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備，粉塵儀通過(guò)工況流速控制采樣流速，兩者保持一致粉塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)才準(zhǔn)確。煙道煙氣流速與抽取監(jiān)測(cè)設(shè)備采樣流速對(duì)顆粒物收集的影響見(jiàn)圖8。

顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)方法比較表

圖8 煙氣流速與采樣流速對(duì)顆粒物收集的影響

由圖8可見(jiàn)，只有當(dāng)采樣流速V等于煙道內(nèi)煙氣流速W時(shí)，采樣氣體顆粒物濃度才具有代表性；當(dāng)采樣流速V大于煙氣流速W時(shí)，樣氣濃度會(huì)小于實(shí)際濃度；當(dāng)采樣流速V小于煙氣流速W時(shí)，采樣濃度會(huì)大于實(shí)際煙氣濃度。

環(huán)保部門之所以要求抽取式煙塵儀必須具有等速采樣，是為了保證顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)超低排放改造工作的全面開(kāi)展，低濃度顆粒物在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性可直接反應(yīng)出超低排放改造的效果。根據(jù)不同類型的超低排放改造工藝，對(duì)比了不同顆粒物在線監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合不同方法的性價(jià)比，光學(xué)散射法是低濃度煙塵監(jiān)測(cè)的不錯(cuò)選擇。在干煙氣工況中選用光學(xué)散射法更適合用于低濃度顆粒監(jiān)測(cè)；在濕煙氣工況的低濃度顆粒物濃度監(jiān)測(cè)中，考慮現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和連續(xù)測(cè)量的問(wèn)題，選用稀釋加熱抽取前向散射法更有優(yōu)勢(shì)，能適用于更高濕度的工況。

[1] 王森．在線分析儀器手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：351-370．

[2] 梁云平．固定源低濃度顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與思考． 空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法[M]．北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007：353-364．

[3] GB 13223-2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：國(guó)家環(huán)境保護(hù)部，2011．

[4] GB/T16157-1996，固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法[S]．北京：國(guó)家環(huán)境保護(hù)局，1996．

[5] DB31/963-2016，上海燃煤電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S]．上海：上海市環(huán)境保護(hù)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