顆粒物排放連續(xù)測(cè)量技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)＊

黃紅明，遲穎

顆粒物排放連續(xù)測(cè)量技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)＊

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(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012）

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

顆粒物；光散射；污染源排放測(cè)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(xiàng)是霧霾的主要組成成分，前兩者為氣態(tài)污染物，最后一項(xiàng)顆粒物才是加重霧霾天氣污染的罪魁禍?zhǔn)祝鼈兣c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(xiě)為PM（Particulate Matter），當(dāng)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(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的細(xì)顆粒物，這類顆粒物能夠直接進(jìn)入人的肺泡和支氣管，造成極大身體危害；后者表示空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10 μm的細(xì)顆粒物，對(duì)人類呼吸粘膜也能造成危害。目前測(cè)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(guò)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(diǎn)。

2 傳統(tǒng)的顆粒物測(cè)量方法及構(gòu)造

傳統(tǒng)的光學(xué)方法主要指光在通過(guò)顆粒物兩相流時(shí)，通過(guò)測(cè)定光束強(qiáng)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(guò)顆粒物兩相流被顆粒物吸收和散射后，光強(qiáng)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(fù)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(cè)對(duì)象兩端，這種構(gòu)造存在一個(gè)缺陷，無(wú)法在線進(jìn)行校準(zhǔn)，可通過(guò)離線校準(zhǔn)，但是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是離線校準(zhǔn)后安裝時(shí)參數(shù)會(huì)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(duì)穿法的裝機(jī)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(gè)不可回避的問(wèn)題，即校準(zhǔn)問(wèn)題，如圖1所示的構(gòu)造中校準(zhǔn)器校準(zhǔn)過(guò)程，角反射鏡及其污染造成的偏移無(wú)法被校準(zhǔn)，所以校準(zhǔn)過(guò)程不是完整的。在雙光路的基礎(chǔ)上，后期又發(fā)展出雙機(jī)構(gòu)造的儀器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)器和雙機(jī)冗余構(gòu)造模式，自由地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過(guò)程，但是這種構(gòu)造的安裝和應(yīng)用都較為復(fù)雜，限制了其應(yīng)用，因而這種構(gòu)造在工程實(shí)踐中基本沒(méi)有裝機(jī)應(yīng)用。雙機(jī)構(gòu)造如圖2所示。

圖1 雙光路構(gòu)造

圖2 雙機(jī)構(gòu)造

作為早期的一種主流方法，對(duì)穿法具有以下特點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)裝機(jī)需要對(duì)中；現(xiàn)場(chǎng)待測(cè)氣體如果有大質(zhì)團(tuán)的溫度變化會(huì)使光束因折射率而晃動(dòng)，造成測(cè)量失效；光路貫穿整個(gè)測(cè)量區(qū)，測(cè)量的代表性強(qiáng)；測(cè)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(dāng)采用濁度值時(shí)，不通過(guò)參比不同測(cè)量目標(biāo)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(chǎng)合，但難以實(shí)現(xiàn)在線的全參數(shù)校準(zhǔn)；對(duì)穿法的構(gòu)造要求在透射光的基底上測(cè)量被吸收光的份額，要提高儀器的分辨能力對(duì)光檢測(cè)器的要求很高，所以一般只應(yīng)用于30 mg/m3以上濃度相對(duì)較高的排放場(chǎng)合。

兩相流顆粒物及其質(zhì)團(tuán)的分布狀態(tài)滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律，信號(hào)處理方面對(duì)穿法利用了其統(tǒng)計(jì)平均特征。如果強(qiáng)調(diào)瞬時(shí)波動(dòng)的強(qiáng)度，可以通過(guò)瞬時(shí)一定頻譜范圍的信號(hào)波動(dòng)強(qiáng)度建立起顆粒物濃度與信號(hào)波動(dòng)的關(guān)系，利用這種方法對(duì)顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)量。具有和對(duì)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(duì)而言對(duì)窗口的污染不敏感，但影響測(cè)量結(jié)果的干擾因素較多，同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)全參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，干擾模型及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還不是很充分，可以期望在過(guò)程控制時(shí)得到合適的應(yīng)用。

后向散射法是近些年在國(guó)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(chǎng)的對(duì)穿法裝機(jī)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(jiǎn)化成單個(gè)顆粒散射的簡(jiǎn)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(cè)器所檢測(cè)的光信號(hào)比較干凈，相對(duì)于對(duì)穿法，后散射法可以更容易達(dá)到更高的靈敏度和分辨力。目前裝機(jī)的污染源顆粒物連續(xù)測(cè)量?jī)x器對(duì)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(diǎn)：相對(duì)于對(duì)穿法，后向散射法更容易達(dá)到更高的分辨力和靈敏度；單端安裝，不需要對(duì)中，安裝維護(hù)大為簡(jiǎn)化；相對(duì)于對(duì)穿法，測(cè)量取樣區(qū)較小；儀器校準(zhǔn)通過(guò)參比試驗(yàn)傳遞到儀器的內(nèi)部校準(zhǔn)器上。

β射線法和震蕩天平方法為非光學(xué)方法的實(shí)例。β射線法將顆粒物兩相流的顆粒物沉積在濾帶上，通過(guò)顆粒物對(duì)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(guò)沉積在晶振上的顆粒物改變了晶振的震動(dòng)特性，通過(guò)測(cè)量其震動(dòng)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(diǎn)如下：一次檢測(cè)信號(hào)與顆粒物的質(zhì)量濃度相關(guān)，測(cè)量結(jié)果可以直接給出質(zhì)量濃度。其技術(shù)路線來(lái)源于空氣中顆粒物的檢測(cè)技術(shù)，在構(gòu)造上存在抽氣計(jì)量及平衡、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，在污染源排放的現(xiàn)場(chǎng)條件下受極大的制約，因而在污染源排放的應(yīng)用實(shí)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(cè)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(dǎo)致顆粒物排放濃度大幅度降低；新工藝導(dǎo)致排煙溫度降低到100 ℃以下，大量煙氣中的水分凝結(jié)成細(xì)霧顆粒，這種水細(xì)霧顆粒具有極強(qiáng)的散射特征，使傳統(tǒng)的散射測(cè)量方法完全失效。國(guó)內(nèi)大量引入歐美抽取式前向散射煙塵測(cè)量?jī)x，將待測(cè)氣體抽取加熱到100 ℃以上，解決水霧干擾的問(wèn)題，采用前向散射方法達(dá)到更高的分辨力和靈敏度。歐洲品牌技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)最早裝機(jī)的產(chǎn)品就來(lái)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(cè)器結(jié)構(gòu)。不同品牌之間原理基本相同，只是細(xì)節(jié)方面有些區(qū)別。代表性的產(chǎn)品有德國(guó)DURAG、德國(guó)SICK、法國(guó)ESA、德國(guó)FUDISCH、英國(guó)PCME等。基本結(jié)構(gòu)包括測(cè)量單元、高溫測(cè)量腔體、噴射引流系統(tǒng)、流量測(cè)量及控制系統(tǒng)、采樣探頭、校準(zhǔn)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(chǎng)條件下，這種方法的缺點(diǎn)是儀器系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本及維護(hù)費(fèi)用都比較高。其他方法都把被測(cè)目標(biāo)作為測(cè)量腔體，造成不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下儀器的測(cè)量結(jié)果分散度很高，而抽取測(cè)量的方式測(cè)量腔體是可控的，不同的現(xiàn)場(chǎng)條件下儀器測(cè)量結(jié)果分散度很低。

2.2 顆粒物兩相流測(cè)量的問(wèn)題及儀器發(fā)展討論

顆粒物濃度監(jiān)測(cè)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(duì)顆粒物的吸收散射特征有著極大的影響，顆粒物兩相流測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的很多問(wèn)題都與此相關(guān)。其中儀器校準(zhǔn)的溯源性就是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。原始儀器測(cè)量的數(shù)值，在相對(duì)角度才有意義，儀器在任意一個(gè)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(cè)量范圍也是一個(gè)相對(duì)值，要把測(cè)量范圍變成一個(gè)絕對(duì)量就必須梳理一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)彌散成均勻穩(wěn)定的兩相流，用這種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)統(tǒng)一溯源，對(duì)儀器進(jìn)行量程檢驗(yàn)，但是無(wú)法做成這種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。一種補(bǔ)償方法是采用計(jì)量統(tǒng)一的顆粒物，通過(guò)風(fēng)洞將顆粒物彌散于兩相流中，然后通過(guò)參比的方法認(rèn)定儀器的量程、準(zhǔn)確度指標(biāo)，這也是現(xiàn)行的計(jì)量方法。而儀器內(nèi)部設(shè)置一個(gè)散射源，通過(guò)計(jì)量參比將參比的量程傳遞到這個(gè)散射源上，儀器內(nèi)部的散射源是為了對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)而設(shè)立的。在儀器使用一段時(shí)間后，由于各方面的原因造成性能的偏移。散射源對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)濃度，這個(gè)偏移可以通過(guò)儀器內(nèi)部的散射源進(jìn)行修正校準(zhǔn)。由于現(xiàn)場(chǎng)的顆粒物與標(biāo)準(zhǔn)顆粒物不同，使用現(xiàn)場(chǎng)儀器時(shí)還需進(jìn)行參比修正。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著節(jié)能減排工藝的推廣及排放控制日趨嚴(yán)格，傳統(tǒng)的對(duì)穿法和后散射法越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的要求，用抽取加熱回送和后散射法逐漸取代傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，并推廣于各種類型的排放源，是未來(lái)污染源排放連續(xù)測(cè)量的趨勢(shì)。現(xiàn)存的抽取式煙塵檢測(cè)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(hù)復(fù)雜，所以一體構(gòu)造的抽取式煙塵測(cè)量?jī)x則是今后發(fā)展的方向。目前抽取式煙塵測(cè)量?jī)x的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)采用現(xiàn)場(chǎng)等動(dòng)平行參比，工作量大、周期長(zhǎng)，很多現(xiàn)場(chǎng)儀器并沒(méi)有進(jìn)行平行參比，影響了儀器的使用效果，開(kāi)發(fā)一種快速參比工具是未來(lái)努力方向。β射線方法和震蕩天平方法雖然不太適用于長(zhǎng)期連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)條件，但是因?yàn)檫@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(chǎng)快速校準(zhǔn)及認(rèn)定的手段，還需建立現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)及準(zhǔn)確度傳遞過(guò)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(jì)劃創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目（編號(hào)：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?yàn)榄h(huán)境分析儀研發(fā)制造。

遲穎（1971—），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)儀器質(zhì)檢。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕