超低排放顆粒物質(zhì)量濃度測(cè)量裝置研制及試驗(yàn)研究*

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(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(huì)和政府的廣泛重視。對(duì)顆粒物排放連續(xù)測(cè)量的手段及方法作為排放控制的一個(gè)最基本的環(huán)節(jié)，正在得到快速發(fā)展。

目前市場(chǎng)上主流的自動(dòng)連續(xù)排放監(jiān)測(cè)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(xué)方法，光衰減法建立在顆粒物對(duì)光束的衰減測(cè)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(duì)入射光的散射測(cè)量技術(shù)上，其基本的理論基礎(chǔ)為經(jīng)典的MIE對(duì)球形顆粒物的求解；光閃爍法雖然應(yīng)用的是光學(xué)測(cè)量技術(shù)，但其測(cè)量的物理量是顆粒物隨機(jī)進(jìn)入測(cè)量區(qū)引起的光的衰減漲落的測(cè)量，其理論基礎(chǔ)是概率統(tǒng)計(jì)理論，一般采用的是排隊(duì)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(cè)量方法，但卻不適合現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期連續(xù)地測(cè)量。

測(cè)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(diǎn)，其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，且測(cè)量范圍與現(xiàn)場(chǎng)條件相關(guān)。量程是一個(gè)相對(duì)值，這個(gè)相對(duì)值只是保證儀器測(cè)量的一致性以及校準(zhǔn)的參考值。如果要準(zhǔn)確測(cè)量煙塵質(zhì)量濃度則必須進(jìn)行參比試驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量主要采用光散射法，各個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的裝機(jī)裝置一般采用基于后向散射的顆粒物連續(xù)排放監(jiān)測(cè)方法。

1 新工藝下的顆粒物測(cè)量現(xiàn)狀和要求及對(duì)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(cè)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(dǎo)致顆粒物排放出現(xiàn)了兩個(gè)新的特點(diǎn)。高效電除塵及布袋除塵器的使用導(dǎo)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(cè)量?jī)x器的靈敏度和分辨力就嚴(yán)重不足；新工藝導(dǎo)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(xì)霧顆粒，這種水細(xì)霧顆粒具有極強(qiáng)的散射特征，使得傳統(tǒng)的散射測(cè)量方法完全失效。在這種情況下，引入了大量的國(guó)外測(cè)量?jī)x器，在這方面歐洲品牌的測(cè)量?jī)x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(xì)節(jié)上有些區(qū)別。如德國(guó)DURAG，SICK，F(xiàn)UDISCH；法國(guó)ESA，英國(guó)PCME等。基本組成包括了測(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)、稀釋單元。其中，測(cè)量單元是系統(tǒng)的核心單元。這一類品牌的測(cè)量單元一般可以是一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量系統(tǒng)，可以單獨(dú)用于測(cè)量露點(diǎn)以上的“干”煙氣。圖2為典型測(cè)量單元構(gòu)造原理圖，儀器將激光引入到測(cè)量區(qū)，在測(cè)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?yàn)樵O(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(hào)強(qiáng)弱就可以得到顆粒物質(zhì)量濃度。國(guó)外品牌的這種體系構(gòu)造是作為一個(gè)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(jī)部分，中間采用伴熱管線連接，而且要求傳輸管線的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。這樣一個(gè)系統(tǒng)的整體質(zhì)量一般超過150 kg，系統(tǒng)連接復(fù)雜，無(wú)論系統(tǒng)本身的成本還是安裝維護(hù)成本都非常高。從體系化構(gòu)造的高度著眼，引入當(dāng)代先進(jìn)的傳感和處理技術(shù)，增加遠(yuǎn)程的維護(hù)和診斷功能，將集成的系統(tǒng)一體化成一個(gè)專用的測(cè)量?jī)x器，可以大幅度地降低制造成本，同時(shí)提高儀器測(cè)量的準(zhǔn)確度和可靠性及可維護(hù)性，是市場(chǎng)需求的主導(dǎo)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(cè)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(xiàng)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(dú)特的構(gòu)造形式。首先，從體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)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(cè)量系統(tǒng)的概念。其次，項(xiàng)目組強(qiáng)調(diào)了專用儀器的概念，儀器構(gòu)成簡(jiǎn)潔緊湊，功能模塊集成度很高，儀器整體質(zhì)量?jī)H有15 kg左右，比之歐洲品牌和其他國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)質(zhì)量基本都在150 kg以上小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，一個(gè)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(jì)，強(qiáng)調(diào)智能性可維護(hù)性，儀器的診斷、維護(hù)也極為便捷、簡(jiǎn)單，圖3為測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 測(cè)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(cè)單元、采樣加熱及回送單元、等動(dòng)跟蹤單元、控制及輸入輸出單元。檢測(cè)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(duì)單個(gè)球形顆粒物的經(jīng)典光散射機(jī)制和解算給出了一個(gè)理論解[4-5]，在工程上，對(duì)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，在超低排放范疇，可以忽略顆粒物之間的復(fù)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(dāng)顆粒物的尺度相對(duì)于入射光波長(zhǎng)很小，前向和后向散射相當(dāng)，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(qiáng)幾倍到幾十倍，采用前向散射可以大大提高檢測(cè)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(cè)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(diǎn)。等動(dòng)跟蹤單元?jiǎng)t是為保證顆粒物采樣和采樣點(diǎn)的質(zhì)量濃度保持一致，通過對(duì)被測(cè)氣流動(dòng)壓的測(cè)量得到待測(cè)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(duì)引入引流空氣壓力的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)等動(dòng)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(cè)量試驗(yàn)研究及結(jié)論

項(xiàng)目組采用開發(fā)的儀器進(jìn)行了兩組試驗(yàn)，第一組試驗(yàn)采用兩相流環(huán)形風(fēng)洞作為試驗(yàn)平臺(tái)，用膜式手工等動(dòng)采樣裝置進(jìn)行平行參比，包含對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定性、相關(guān)性、重現(xiàn)性試驗(yàn)；第二組試驗(yàn)是在第一組試驗(yàn)基礎(chǔ)上在高水霧煙塵排放口現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。圖4為平行參比試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)過程共進(jìn)行了18組試驗(yàn)，得到18個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，經(jīng)過最小二乘法線性回歸后，數(shù)據(jù)對(duì)的相關(guān)性達(dá)到了0.950 7，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.329，最大偏差3.17。圖5為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的輸出結(jié)果。試驗(yàn)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(yán)格地定義測(cè)量區(qū)大小，提高儀器長(zhǎng)期工作的可靠性和一致性；參比試驗(yàn)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(shí)參比試驗(yàn)的結(jié)果表明測(cè)量裝置具有足夠的測(cè)量準(zhǔn)確度。

圖4 平行參比試驗(yàn)結(jié)果

圖5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的輸出結(jié)果

理論和試驗(yàn)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(cè)量污染源超低排放顆粒物質(zhì)量濃度，其分辨能力高，測(cè)量準(zhǔn)確，同時(shí)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(cè)量要求，將是超低條件下污染源排放連續(xù)測(cè)量非常具有前景的技術(shù)路線。