黃紅明，遲穎

顆粒物排放連續(xù)測量技術(shù)及發(fā)展趨勢＊

黃紅明1，遲穎2

（1.深圳市翠云谷科技有限公司，廣東 深圳 518100；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012）

隨著霧霾天氣增加，中國對工業(yè)粉塵顆粒物排放制定了嚴格的排放標準。這對粉塵顆粒物監(jiān)測技術(shù)也提出了更高的要求，特別對超低排放狀態(tài)下的監(jiān)測更具挑戰(zhàn)。分析討論了工業(yè)污染源顆粒物連續(xù)測量系統(tǒng)的技術(shù)原理、技術(shù)路線、體系構(gòu)造等，并對超低排放狀況下顆粒物未來儀器的發(fā)展方向進行了分析討論。

顆粒物；光散射；污染源排放測量；超低排放

1 概述

顆粒物，又稱塵，為大氣中的固體或液體顆粒狀物質(zhì)。顆粒物可分為一次顆粒物和二次顆粒物。二氧化硫、氮氧化物以及可吸入顆粒物這三項是霧霾的主要組成成分，前兩者為氣態(tài)污染物，最后一項顆粒物才是加重霧霾天氣污染的罪魁禍首，它們與霧氣結(jié)合在一起，讓天空瞬間變得灰蒙蒙。顆粒物的英文縮寫為PM（Particulate Matter），當前引起人類注意的顆粒物主要是PM2.5和PM10，前者表示空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的細顆粒物，這類顆粒物能夠直接進入人的肺泡和支氣管，造成極大身體危害；后者表示空氣動力學當量直徑小于等于10 μm的細顆粒物，對人類呼吸粘膜也能造成危害。目前測量煙氣顆粒物濃度的方法主要有稱量法、電容法、β射線法、壓電晶體震蕩法、過濾器內(nèi)壓差法、光透射法、光散射法等，每種方法都有不同的應(yīng)用條件及特點。

2 傳統(tǒng)的顆粒物測量方法及構(gòu)造

傳統(tǒng)的光學方法主要指光在通過顆粒物兩相流時，通過測定光束強度的衰減得到顆粒物濃度。這類儀器的基本理論基礎(chǔ)是朗伯比爾定律，即光束通過顆粒物兩相流被顆粒物吸收和散射后，光強度的衰減比值在顆粒物折射率和吸收率及粒徑分布不變的情況下和顆粒物的濃度呈負指數(shù)關(guān)系。早期的儀器為單光路系統(tǒng)，發(fā)射部分和接收部分分離于待測對象兩端，這種構(gòu)造存在一個缺陷，無法在線進行校準，可通過離線校準，但是一個關(guān)鍵的問題是離線校準后安裝時參數(shù)會產(chǎn)生很大的偏移，所以在這種構(gòu)造的基礎(chǔ)上發(fā)展為雙光路構(gòu)造，如圖1所示，現(xiàn)在對穿法的裝機應(yīng)用中基本都為雙光路構(gòu)造。即使雙光路構(gòu)造，也存在一個不可回避的問題，即校準問題，如圖1所示的構(gòu)造中校準器校準過程，角反射鏡及其污染造成的偏移無法被校準，所以校準過程不是完整的。在雙光路的基礎(chǔ)上，后期又發(fā)展出雙機構(gòu)造的儀器，通過旋轉(zhuǎn)校準器和雙機冗余構(gòu)造模式，自由地實現(xiàn)現(xiàn)場校準過程，但是這種構(gòu)造的安裝和應(yīng)用都較為復雜，限制了其應(yīng)用，因而這種構(gòu)造在工程實踐中基本沒有裝機應(yīng)用。雙機構(gòu)造如圖2所示。

圖1 雙光路構(gòu)造

圖2 雙機構(gòu)造

作為早期的一種主流方法，對穿法具有以下特點：現(xiàn)場裝機需要對中；現(xiàn)場待測氣體如果有大質(zhì)團的溫度變化會使光束因折射率而晃動，造成測量失效；光路貫穿整個測量區(qū)，測量的代表性強；測量結(jié)果可以轉(zhuǎn)化成質(zhì)量濃度，也可以采用消光比或濁度的形式，當采用濁度值時，不通過參比不同測量目標之間就具有可比性，可以大量方便地應(yīng)用于不要求質(zhì)量濃度的控制場合，但難以實現(xiàn)在線的全參數(shù)校準；對穿法的構(gòu)造要求在透射光的基底上測量被吸收光的份額，要提高儀器的分辨能力對光檢測器的要求很高，所以一般只應(yīng)用于30 mg/m3以上濃度相對較高的排放場合。

兩相流顆粒物及其質(zhì)團的分布狀態(tài)滿足統(tǒng)計規(guī)律，信號處理方面對穿法利用了其統(tǒng)計平均特征。如果強調(diào)瞬時波動的強度，可以通過瞬時一定頻譜范圍的信號波動強度建立起顆粒物濃度與信號波動的關(guān)系，利用這種方法對顆粒物濃度進行測量。具有和對穿法類似的儀器構(gòu)造，這種儀器一般稱為光閃爍法，這種方法相對而言對窗口的污染不敏感，但影響測量結(jié)果的干擾因素較多，同樣無法實現(xiàn)全參數(shù)的現(xiàn)場校準，干擾模型及現(xiàn)場試驗還不是很充分，可以期望在過程控制時得到合適的應(yīng)用。

后向散射法是近些年在國內(nèi)發(fā)展最快、應(yīng)用最多的方法，已經(jīng)大量取代現(xiàn)場的對穿法裝機結(jié)構(gòu)。后散射法基于經(jīng)典光散射原理，將顆粒群的散射行為簡化成單個顆粒散射的簡單疊加。一般通俗地講，顆粒物的散射光方向與入射光方向夾角小于90°稱為前向散射，大于90°稱為后向散射。后向散射法的光檢測器所檢測的光信號比較干凈，相對于對穿法，后散射法可以更容易達到更高的靈敏度和分辨力。目前裝機的污染源顆粒物連續(xù)測量儀器對穿法已經(jīng)被后向散射法大量代替。

從光路方面劃分，后向散射法有異軸光路和同軸光路兩種布置形式，異軸光路如圖3所示，同軸光路如圖4所示。

圖3 異軸光路

圖4 同軸光路

后向散射法具有以下特點：相對于對穿法，后向散射法更容易達到更高的分辨力和靈敏度；單端安裝，不需要對中，安裝維護大為簡化；相對于對穿法，測量取樣區(qū)較?。粌x器校準通過參比試驗傳遞到儀器的內(nèi)部校準器上。

β射線法和震蕩天平方法為非光學方法的實例。β射線法將顆粒物兩相流的顆粒物沉積在濾帶上，通過顆粒物對β射線的吸收衰減解算顆粒物的濃度。震蕩天平法則是通過沉積在晶振上的顆粒物改變了晶振的震動特性，通過測量其震動或者諧振特性的變化，解算顆粒物的濃度值。這兩種方法的優(yōu)點如下：一次檢測信號與顆粒物的質(zhì)量濃度相關(guān)，測量結(jié)果可以直接給出質(zhì)量濃度。其技術(shù)路線來源于空氣中顆粒物的檢測技術(shù)，在構(gòu)造上存在抽氣計量及平衡、連續(xù)運轉(zhuǎn)的部件，在污染源排放的現(xiàn)場條件下受極大的制約，因而在污染源排放的應(yīng)用實例不多。

2.1 超低排放條件下顆粒物儀器及構(gòu)造

近幾年隨著節(jié)能減排政策和工藝的落地及推廣，排放源的顆粒物排放測量狀況發(fā)生了根本改變，新工藝大量使用了濕法脫硫脫硝、高效電除塵以及布袋除塵技術(shù)。高效電除塵及布袋除塵器的使用導致顆粒物排放濃度大幅度降低；新工藝導致排煙溫度降低到100 ℃以下，大量煙氣中的水分凝結(jié)成細霧顆粒，這種水細霧顆粒具有極強的散射特征，使傳統(tǒng)的散射測量方法完全失效。國內(nèi)大量引入歐美抽取式前向散射煙塵測量儀，將待測氣體抽取加熱到100 ℃以上，解決水霧干擾的問題，采用前向散射方法達到更高的分辨力和靈敏度。歐洲品牌技術(shù)較為成熟，國內(nèi)最早裝機的產(chǎn)品就來自于歐洲，典型體系結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中上部為系統(tǒng)構(gòu)成，下部為檢測器結(jié)構(gòu)。不同品牌之間原理基本相同，只是細節(jié)方面有些區(qū)別。代表性的產(chǎn)品有德國DURAG、德國SICK、法國ESA、德國FUDISCH、英國PCME等。基本結(jié)構(gòu)包括測量單元、高溫測量腔體、噴射引流系統(tǒng)、流量測量及控制系統(tǒng)、采樣探頭、校準系統(tǒng)等。

目前抽取式煙塵儀一般采用前向散射方法，可以應(yīng)用于超低、高濕度的現(xiàn)場條件下，這種方法的缺點是儀器系統(tǒng)比較復雜，成本及維護費用都比較高。其他方法都把被測目標作為測量腔體，造成不同的現(xiàn)場環(huán)境條件下儀器的測量結(jié)果分散度很高，而抽取測量的方式測量腔體是可控的，不同的現(xiàn)場條件下儀器測量結(jié)果分散度很低。

2.2 顆粒物兩相流測量的問題及儀器發(fā)展討論

顆粒物濃度監(jiān)測儀工作建立在顆粒吸收及散射特性基礎(chǔ)之上，而顆粒物的大小形狀、聚集狀態(tài)、折射率對顆粒物的吸收散射特征有著極大的影響，顆粒物兩相流測量過程中出現(xiàn)的很多問題都與此相關(guān)。其中儀器校準的溯源性就是一個比較棘手的問題。原始儀器測量的數(shù)值，在相對角度才有意義，儀器在任意一個不同的排放源使用，都要確定平行參比。平行參比引入偏差的分散度要高于儀器本身，極大地限制了儀器的使用范圍。儀器給出的測量范圍也是一個相對值，要把測量范圍變成一個絕對量就必須梳理一個標準物質(zhì)，這個標準物質(zhì)具有相同的粒徑及分布、相同的折射率吸收率、相同的形狀、密度及凝聚狀態(tài)，而且把這種標準物質(zhì)彌散成均勻穩(wěn)定的兩相流，用這種標準物質(zhì)統(tǒng)一溯源，對儀器進行量程檢驗，但是無法做成這種標準物質(zhì)。一種補償方法是采用計量統(tǒng)一的顆粒物，通過風洞將顆粒物彌散于兩相流中，然后通過參比的方法認定儀器的量程、準確度指標，這也是現(xiàn)行的計量方法。而儀器內(nèi)部設(shè)置一個散射源，通過計量參比將參比的量程傳遞到這個散射源上，儀器內(nèi)部的散射源是為了對儀器進行校準而設(shè)立的。在儀器使用一段時間后，由于各方面的原因造成性能的偏移。散射源對應(yīng)標準物質(zhì)濃度，這個偏移可以通過儀器內(nèi)部的散射源進行修正校準。由于現(xiàn)場的顆粒物與標準顆粒物不同，使用現(xiàn)場儀器時還需進行參比修正。

3 結(jié)語

隨著節(jié)能減排工藝的推廣及排放控制日趨嚴格，傳統(tǒng)的對穿法和后散射法越來越不適應(yīng)現(xiàn)場的要求，用抽取加熱回送和后散射法逐漸取代傳統(tǒng)測量技術(shù)，并推廣于各種類型的排放源，是未來污染源排放連續(xù)測量的趨勢?，F(xiàn)存的抽取式煙塵檢測裝置的體系結(jié)構(gòu)仍然沿用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，體積龐大、子模塊分散、維護復雜，所以一體構(gòu)造的抽取式煙塵測量儀則是今后發(fā)展的方向。目前抽取式煙塵測量儀的現(xiàn)場校準采用現(xiàn)場等動平行參比，工作量大、周期長，很多現(xiàn)場儀器并沒有進行平行參比，影響了儀器的使用效果，開發(fā)一種快速參比工具是未來努力方向。β射線方法和震蕩天平方法雖然不太適用于長期連續(xù)的現(xiàn)場條件，但是因為這兩種方法都可以直接給出質(zhì)量濃度，可以作為一種現(xiàn)場快速校準及認定的手段，還需建立現(xiàn)場校準的標準及準確度傳遞過程規(guī)范。

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X83

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.028

2095－6835（2020）09－0075－03

深圳市技術(shù)創(chuàng)新計劃創(chuàng)業(yè)資助項目（編號：201760398）

黃紅明（1980—），深圳市翠云谷科技有限公司技術(shù)總監(jiān)，主要研究方向為環(huán)境分析儀研發(fā)制造。

遲穎（1971—），女，高級工程師，主要研究方向為環(huán)境監(jiān)測儀器質(zhì)檢。

〔編輯：嚴麗琴〕