楊永青，遲 穎

（1.深圳市翠云谷科技有限公司，廣東 深圳 518000；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012）

污染源顆粒物排放，作為最重要的一種工業(yè)污染形式，越來越引起社會和政府的廣泛重視。對顆粒物排放連續(xù)測量的手段及方法作為排放控制的一個最基本的環(huán)節(jié)，正在得到快速發(fā)展。

目前市場上主流的自動連續(xù)排放監(jiān)測設(shè)備主要采用以下方法[1-3]：光衰減法、散射法、光閃爍法、電荷法、β射線法。其中光衰減法、散射法、光閃爍法都可以歸結(jié)為光學方法，光衰減法建立在顆粒物對光束的衰減測量技術(shù)上，其基本的理論基礎(chǔ)是朗伯-比爾定律；散射法建立在顆粒物對入射光的散射測量技術(shù)上，其基本的理論基礎(chǔ)為經(jīng)典的MIE對球形顆粒物的求解；光閃爍法雖然應(yīng)用的是光學測量技術(shù)，但其測量的物理量是顆粒物隨機進入測量區(qū)引起的光的衰減漲落的測量，其理論基礎(chǔ)是概率統(tǒng)計理論，一般采用的是排隊論模型。電荷法采用的是顆粒物摩擦 （感應(yīng)）使得探頭荷電的方法；β射線法雖然是連續(xù)的測量方法，但卻不適合現(xiàn)場長期連續(xù)地測量。

測量顆粒物質(zhì)量濃度，與其他物理量相比有很多不同的特點，其測量動態(tài)范圍大，且測量范圍與現(xiàn)場條件相關(guān)。量程是一個相對值，這個相對值只是保證儀器測量的一致性以及校準的參考值。如果要準確測量煙塵質(zhì)量濃度則必須進行參比試驗。在現(xiàn)場條件惡劣，如高溫、腐蝕等的環(huán)境下，目前固定污染源的顆粒物質(zhì)量濃度測量主要采用光散射法，各個工業(yè)現(xiàn)場的裝機裝置一般采用基于后向散射的顆粒物連續(xù)排放監(jiān)測方法。

1 新工藝下的顆粒物測量現(xiàn)狀和要求及對策

近年來，隨著節(jié)能減排工藝的逐漸更新?lián)Q代，顆粒物排放測量狀況發(fā)生了根本的改變，新工藝大量地使用了濕法脫硫脫硝、高效電除塵以及布袋除塵技術(shù)，這導致顆粒物排放出現(xiàn)了兩個新的特點。高效電除塵及布袋除塵器的使用導致排放顆粒物質(zhì)量濃度大幅度降低，從以往的50～200 mg/m3降低到1～50 mg/m3，大多數(shù)在20 mg/m3以下，這樣采用后向散射方法的煙塵測量儀器的靈敏度和分辨力就嚴重不足；新工藝導致排煙溫度降低到100℃以下，致使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，使得傳統(tǒng)的散射測量方法完全失效。在這種情況下，引入了大量的國外測量儀器，在這方面歐洲品牌的測量儀器技術(shù)較為成熟。圖1為歐洲產(chǎn)品的典型體系結(jié)構(gòu)，不同品牌之間的結(jié)構(gòu)基本相同，只是在細節(jié)上有些區(qū)別。如德國DURAG，SICK，F(xiàn)UDISCH；法國ESA，英國PCME等?；窘M成包括了測量單元、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)、稀釋單元。其中，測量單元是系統(tǒng)的核心單元。這一類品牌的測量單元一般可以是一個獨立的測量系統(tǒng)，可以單獨用于測量露點以上的“干”煙氣。圖2為典型測量單元構(gòu)造原理圖，儀器將激光引入到測量區(qū)，在測量區(qū)激光束和顆粒物作用產(chǎn)生散射光，其中前向散射光被引入到傳感器，因為設(shè)定在顆粒物折射率和粒徑分布基本不變的情況下，前向散射光和顆粒物質(zhì)量濃度成正比關(guān)系，這樣通過傳感器接收到的光信號強弱就可以得到顆粒物質(zhì)量濃度。國外品牌的這種體系構(gòu)造是作為一個系統(tǒng)的概念，其組成單元之間是分離的，儀器分成就地部分和主機部分，中間采用伴熱管線連接，而且要求傳輸管線的長度不能太長。這樣一個系統(tǒng)的整體質(zhì)量一般超過150 kg，系統(tǒng)連接復雜，無論系統(tǒng)本身的成本還是安裝維護成本都非常高。從體系化構(gòu)造的高度著眼，引入當代先進的傳感和處理技術(shù)，增加遠程的維護和診斷功能，將集成的系統(tǒng)一體化成一個專用的測量儀器，可以大幅度地降低制造成本，同時提高儀器測量的準確度和可靠性及可維護性，是市場需求的主導技術(shù)路線。

圖1 歐洲產(chǎn)品的典型體系結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 典型測量單元構(gòu)造原理圖

2 抽取加熱回送及前向散射技術(shù)

項目組建立在一體化專用儀器的技術(shù)路線的基本思想上，吸收了最新的技術(shù)成果，采用自己獨特的構(gòu)造形式。首先，從體系結(jié)構(gòu)上進行了根本性的改變，傳統(tǒng)通行的儀器體積龐大，功能模塊分散，沿用了測量系統(tǒng)的概念。其次，項目組強調(diào)了專用儀器的概念，儀器構(gòu)成簡潔緊湊，功能模塊集成度很高，儀器整體質(zhì)量僅有15 kg左右，比之歐洲品牌和其他國內(nèi)的系統(tǒng)質(zhì)量基本都在150 kg以上小了一個數(shù)量級，一個人就可以勝任安裝調(diào)試工作，從儀器內(nèi)部構(gòu)造上摒棄了多模塊分散式的構(gòu)造，高集成度的一體化設(shè)計，強調(diào)智能性可維護性，儀器的診斷、維護也極為便捷、簡單，圖3為測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

儀器主要由三部分組成，前向散射檢測單元、采樣加熱及回送單元、等動跟蹤單元、控制及輸入輸出單元。檢測單元的原理采用前向散射法，關(guān)于光與顆粒物之間的作用原理來自于MIE理論，MIE通過對單個球形顆粒物的經(jīng)典光散射機制和解算給出了一個理論解[4-5]，在工程上，對顆粒群的散射行為簡化成單個顆粒散射的簡單疊加，在超低排放范疇，可以忽略顆粒物之間的復散射。一般來講，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。當顆粒物的尺度相對于入射光波長很小，前向和后向散射相當，隨著顆粒物尺寸的變大，散射光越來越集中于前向小的立體角內(nèi)。一般工業(yè)排放的顆粒物粒徑范圍，前向散射比之后向散射要強幾倍到幾十倍，采用前向散射可以大大提高檢測的分辨能力；采用加熱及回送單元完成兩相流樣品的采樣及在測量腔體中高于120℃的恒溫控制，通過壓縮空氣引流的方式將采樣氣體連續(xù)地回送到采樣點。等動跟蹤單元則是為保證顆粒物采樣和采樣點的質(zhì)量濃度保持一致，通過對被測氣流動壓的測量得到待測兩相流的流速，通過狀態(tài)變換及解算得到采樣氣體的流量，通過對引入引流空氣壓力的閉環(huán)控制實現(xiàn)等動取樣、控制及輸入輸出單元完成儀器的解算、傳輸、智能控制診斷。

3 超低排放顆粒物質(zhì)量濃度測量試驗研究及結(jié)論

項目組采用開發(fā)的儀器進行了兩組試驗，第一組試驗采用兩相流環(huán)形風洞作為試驗平臺，用膜式手工等動采樣裝置進行平行參比，包含對試驗樣機進行穩(wěn)定性、相關(guān)性、重現(xiàn)性試驗；第二組試驗是在第一組試驗基礎(chǔ)上在高水霧煙塵排放口現(xiàn)場進行實測驗證。圖4為平行參比試驗結(jié)果，試驗過程共進行了18組試驗，得到18個數(shù)據(jù)對，經(jīng)過最小二乘法線性回歸后，數(shù)據(jù)對的相關(guān)性達到了0.950 7，標準偏差為1.329，最大偏差3.17。圖5為現(xiàn)場實際測量的輸出結(jié)果。試驗結(jié)果表明，采用錐透鏡的光路布置形式是可行的，可以更嚴格地定義測量區(qū)大小，提高儀器長期工作的可靠性和一致性；參比試驗表明，在顆粒物質(zhì)量濃度小于100 mg/m3的條件下，裝置和輸出基本保持線性，同時參比試驗的結(jié)果表明測量裝置具有足夠的測量準確度。

圖4 平行參比試驗結(jié)果

圖5 現(xiàn)場實際測量的輸出結(jié)果

理論和試驗結(jié)果表明，采用抽取加熱回送及前向散射技術(shù)路線來測量污染源超低排放顆粒物質(zhì)量濃度，其分辨能力高，測量準確，同時抗水汽干擾。儀器整體構(gòu)造緊湊，可以滿足超低條件下的連續(xù)測量要求，將是超低條件下污染源排放連續(xù)測量非常具有前景的技術(shù)路線。