低濃度顆粒物在線監(jiān)測技術(shù)比較

奚 健

（上海北分儀器技術(shù)開發(fā)有限責任公司，上海 201202）

低濃度顆粒物在線監(jiān)測技術(shù)比較

奚 健

（上海北分儀器技術(shù)開發(fā)有限責任公司，上海 201202）

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

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越低。以火電廠顆粒物排放標準為例，2011年發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）要求火力發(fā)電鍋爐煙塵顆粒物排放標準限值30mg/m3，重點地區(qū)火電廠煙塵排放標準限值20mg/m3。2015年12月2日，總理李克強在國務(wù)院常務(wù)會議上明確了一項治理霧霾的“硬任務(wù)”：在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放和節(jié)能改造，對落后產(chǎn)能和不符合相關(guān)強制性標準要求的，要堅決淘汰關(guān)停。這一任務(wù)對燃煤電廠提出了更高的排放要求，火電廠全面進入了超低排放改造階段，實施超低排放要求燃煤機組的大氣主要污染物排放限值標準低于現(xiàn)行的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011），接近或達到天然氣燃氣機組的排放標準。這意味著顆粒物排放標準又進一步提高，顆粒物排放不超過10mg/m3。隨著全國超低排放改造項目的實施，國內(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)上不斷進步，已在超低排放改造工程的實施上能完全滿足和達到超低排放的工藝要求，同時也對顆粒物排放的在線監(jiān)測提出了更高要求。針對超低排放工藝中煙塵濃度低、煙氣濕度高的惡劣工況，如何保證在線準確監(jiān)測顆粒物排放濃度是需要解決的難題。

2 顆粒物在線監(jiān)測方法

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

顆粒物直接監(jiān)測方法有：光學透射法、光學散射法（前散射、后散射）、電荷法。顆粒物抽取后監(jiān)測的方法有：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 光學透射法

測量的基本原理：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，光束在傳輸過程中由于粉塵顆粒物會減弱光強，再通過比較基準光強來計算粉塵濃度。

透射光強度I與入射光強度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（I0-I）與入射光強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相對于顆粒物濃度均為非線性參數(shù)，為了得到相對于顆粒物濃度的線性參數(shù)，在儀器設(shè)計和參數(shù)設(shè)計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透射法的煙塵儀進行煙塵測量。光學透射法光學原理如圖1。

圖1 光學透射法光學原理圖

2.2 光學散射法（前散射、后散射）

測量原理：光源發(fā)出的光線定向地朝著顆粒物射去時，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度，散射光集聚接受轉(zhuǎn)換成電信號，計算出粉塵濃度。散射光的強度與顆粒物的粒徑、折射率、形狀、入射光的波長以及散射角度等因素有關(guān)（如圖2）。

圖2 光學散射原理示意圖

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。

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

2.3 電荷法

當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，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)來檢測流動煙氣中的煙塵含量，測量的準確性不高，測量時煙氣流速要求不低于5m/s，一般應(yīng)用于布袋除塵工藝。電荷法測量原理見示意圖3。

圖3 電荷法測量原理示意圖

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，在后端通過加熱腔對抽取的樣氣進行高溫加熱，最終使用前向散射原理的煙塵儀對煙氣顆粒物進行測量。適用于煙氣濕度不大的工況，因為加熱腔之前的采樣管路及部件是不加熱的，插入煙道的采樣部分直接將水和氣一同抽入取樣路徑中，含粉塵的樣氣進入加熱腔加熱后到測量池進行測量。如果應(yīng)用于濕度較高的工況，測量穩(wěn)定性不高。

直接加熱抽取前向散射法原理見示意圖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，多了一個稀釋氣加熱功能，在采樣的同時預(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行混合，同時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)楦蔁煔猓詈笥们跋蛏⑸浞ǖ臒焿m儀對顆粒物進行測量。稀釋加熱抽取前向散射法原理示意見圖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

通過采樣探頭將煙氣抽取出來，煙塵沉積在過濾帶上形成斑點，過濾帶纏繞在一個按時間順序轉(zhuǎn)動的滾輪上，過濾帶停留一段時間用于收集顆粒物，然后在滾輪帶動下向前移動一段距離，如此循環(huán)運行，周期采樣。過濾帶收集顆粒物后移動進入輻射源照射區(qū)，輻射源發(fā)出的β射線穿過濾帶時被顆粒物吸收，衰減后的β射線強度由探測器檢測并與之前β射線穿過干凈濾帶的強度進行比較，測量出顆粒物含量，β射線的衰減程度與顆粒物數(shù)量有關(guān)。測量精度高，但不能連續(xù)測量，是間隙測量，有輻射源。β射線法原理見示意圖6。

圖6 β射線法原理示意圖

3 技術(shù)對比

目前，國內(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降低煙塵排放，煙氣經(jīng)過濕式除塵器后能有效降低煙塵含量，達到顆粒物超低排放標準。但經(jīng)過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)測帶來了很大困難，用傳統(tǒng)的煙塵在線測量方式根本無法進行準確監(jiān)測。

圖7 火電廠鍋爐廢氣處理超低排放工藝

其實，早在“十一五”規(guī)劃期間，我國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)過濕法脫硫后的煙氣也是高濕的煙氣，但由于當時的監(jiān)測技術(shù)、采購成本等原因，配套商還是采用了傳統(tǒng)的干煙氣監(jiān)測方法對濕煙氣進行顆粒物濃度監(jiān)測，由于測量數(shù)據(jù)的準確性差，環(huán)保部門要求通過監(jiān)測脫硫入口的煙塵來對濕法脫硫后的顆粒物排放濃度進行折算，經(jīng)折算后的數(shù)據(jù)也不能準確反映實際顆粒物的排放情況。隨著顆粒物監(jiān)測技術(shù)的不斷更新以及排放標準的提高，現(xiàn)有技術(shù)能對濕煙氣中的顆粒物進行很好地監(jiān)測。根據(jù)火電廠除塵工藝的實際工況環(huán)境，可將顆粒物濃度在線監(jiān)測分為：干煙氣工況中顆粒物濃度在線監(jiān)測、濕煙氣工況中顆粒物濃度在線監(jiān)測，并對不同的在線顆粒物濃度監(jiān)測方法進行了比較，技術(shù)對比見下表。

4 顆粒物抽取監(jiān)測方法的等速采樣

等速采樣就是在顆粒物采樣過程中，保持采樣流速和煙道工況煙氣流速相等的采樣方法，國家環(huán)境監(jiān)測站根據(jù)《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GBT16157-1996）的要求，明確顆粒物測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)測設(shè)備，粉塵儀通過工況流速控制采樣流速，兩者保持一致粉塵監(jiān)測數(shù)據(jù)才準確。煙道煙氣流速與抽取監(jiān)測設(shè)備采樣流速對顆粒物收集的影響見圖8。

顆粒物濃度在線監(jiān)測方法比較表

圖8 煙氣流速與采樣流速對顆粒物收集的影響

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

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)測數(shù)據(jù)的準確性。

5 結(jié)語

隨著我國超低排放改造工作的全面開展，低濃度顆粒物在線監(jiān)測的準確性可直接反應(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，對比了不同顆粒物在線監(jiān)測方法的優(yōu)缺點，結(jié)合不同方法的性價比，光學散射法是低濃度煙塵監(jiān)測的不錯選擇。在干煙氣工況中選用光學散射法更適合用于低濃度顆粒監(jiān)測；在濕煙氣工況的低濃度顆粒物濃度監(jiān)測中，考慮現(xiàn)場維護和連續(xù)測量的問題，選用稀釋加熱抽取前向散射法更有優(yōu)勢，能適用于更高濕度的工況。

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

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

[3] GB 13223-2011，火電廠大氣污染物排放標準[S]．北京：國家環(huán)境保護部，2011．

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

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