环境在线分析：颗粒物监测技术

目前污染源排放颗粒物连续监测技术主要有光透射法、光散射法、光闪烁法、β射线衰减法和接触电荷转移法5种，按照取样方式的不同又可以分为原位（直接）测量式和抽取测量式两种，其中光透射法、光散射法、光闪烁法、接触电荷转移法采用原位测量，β射线法采用抽取测量，抽取测量主要是应用在高湿场合。

各种烟尘颗粒物质量浓度连续测量技术列于表3.1中。

表3.1　烟尘颗粒物质量浓度连续测量技术

表3.1所列的各种测量技术中，光学法测尘仪在烟尘质量浓度连续监测中占主导地位。在欧洲应用最为广泛和成功的是光散射法和β射线衰减法测尘仪，它们均能符合欧洲环保标准对低浓度颗粒物（＜20 mg/m3）监测的要求；在我国，目前主要使用的是光透射法和后向散射法测尘仪。

（1）光透射法

光透射法是基于朗伯-比尔定律测定烟气中颗粒物浓度，是一种普遍采用的颗粒物监测方法。根据朗伯-比尔定律，光穿过含尘气流时透过率与颗粒物浓度呈指数下降。与其他方法相比，光透射法的灵敏度要低一些，在颗粒物浓度较高的场所应用较多。透射法颗粒物监测仪是检测路径上颗粒物的平均浓度，当颗粒物在检测断面上分层比较严重时其测定结果比点式设备要好。该法主要的不足：

①容易受颗粒物粒径分布变化和折射系数变化的影响，可以通过选用红外光源解决。

②灵敏度不高，一般设计的系统在0～100%的不透明度范围内测量颗粒物浓度，低粉尘烟道中光透过率接近100%，透射光相对于入射光变化很小，仪器的灵敏度难以达到其检出限，因此适用于烟道直径大、粉尘浓度高（＞300 mg/m3）、粉尘粒径和组分变化不大、湿度低的场所，如水泥厂、电厂等行业颗粒物浓度的监测。

（2）光散射法

近年来，工业烟尘和粉尘在排放之前基本上都经过了净化除尘，排放出的烟尘浓度大大降低，排放的烟尘颗粒尺寸基本上达到了微米量级，而直径小于2.5μm的呼吸性颗粒物和小于10μm的可吸入性颗粒物则能直接影响人类的身体健康。对于当前这种烟尘排放情况，传统的光学透射式测尘仪因其灵敏度安装准直度方面的不足，很难满足监测要求。针对这种状况，散射法越来越多地被应用于烟气颗粒物浓度监测中来。

光散射法利用颗粒物对光的散射作用检测颗粒物浓度，灵敏度高，在低浓度场所应用较多。按照其检测散射光位置的不同可分为前向散射、后向散射和侧向散射3种类型。光散射法一般都是探头式，安装在烟道单侧即可，不需要准直等，安装方便；一般具备自动零点和量程校准功能；灵敏度高，最低量程可以做到0～5 mg/m3，适合在低浓度的小直径烟道上应用。

与光透射法相比，光散射法在减少对颗粒物粒径分布和颗粒物折射系数的依赖性方面有较大改善，但是水滴对测量影响较大。三种散射法相比较，在一定的颗粒物粒径范围内，前向散射对颗粒物的粒径和折射系数的变化敏感度最小，侧向散射最敏感。后向散射法的测量更具有代表性，因为烟气颗粒物与气体的性质不同，其流动性较小，因此在烟道中的分布是不均匀的，后向散射法的发射器和接收器呈一定的角度，夹角越大，测量截面越大，测量体积也越大，测量结果也更具有代表性。后向散射容易受烟道反射光的影响，实际应用时应尽量避免。

在高粉尘烟道中，散射光的衰减很厉害，测量的非线性增加，影响测量精度，因此该方法适合粉尘浓度低、粉尘粒径和组分变化不大，且湿度低的场所。

（3）光闪烁法(www.xing528.com)

光闪烁法兼具光透射法和散射法的优点，获得高灵敏度的同时又能保证测量的颗粒物浓度是线平均浓度，克服了烟道粉尘分层时散射法的局部测量不具有代表性的不足。由于技术的可靠性和可监测高温烟气等特点，光闪烁粉尘监测仪在各领域都有着广泛的应用。

粉尘分析仪的传感系统由位于烟道两侧的发射探头和接收探头组成。发射探头中安装有高功率发光二极管，二极管发射出固定波长、固定频率的光脉冲，穿过烟道气体到达接收探头。烟道气体中的粉尘经过发射探头与接收探头之间的光路时会引起光的闪烁（即光强度的增大和减小），光的闪烁幅度（即光强度的变化幅度）与穿过光路的粉尘浓度成正比，因此通过测量光的闪烁幅度即可得到烟道气体中的粉尘浓度测量值。

光闪烁法比光透射法的灵敏度要高。光透射法在颗粒物浓度较低时，由于参比光的强度高，很难通过测量低强度光的变化准确检测颗粒物的浓度；而光闪烁法利用了含尘气流通过光束时对光强造成的高频波动（＞1 Hz），具有较高的灵敏度。

光闪烁法的测量结果是跨烟道的线浓度，当监测断面存在颗粒物分层时测定结果的代表性要比光散射法好。同时该方法不受镜面污染、光强衰减和检测器漂移的影响，但是粉尘粒径变化、组分变化、水滴对测量有影响，因此该方法适合粉尘粒径和组分变化不大、湿度低的场合。

（4）β射线衰减法

β射线衰减法是基于抽取式的颗粒物监测技术，一般采用稀释抽取法，可用于高湿度场所；另外，其避免了前面介绍的光学法受颗粒物粒径分布等特性的影响。

β射线吸收颗粒物测量系统通常由采样单元和分析单元组成，采样单元由采样探头、稀释模块、流量控制模块和抽气泵等组成，其作用是将粉尘从烟道中抽取出来，并稀释降低到露点以下后通入分析模块。分析模块包括运动模块和检测模块，粉尘被截留在纸带上，通过测量纸带沉积颗粒物前后探测器的计数值得到颗粒物浓度。稀释气为经过净化的压缩空气，过量的稀释气最终又排回到烟道中。

β射线检测技术已经在空气质量监测领域有非常成熟的应用，与其他颗粒物测量技术相比，其测量结果不受颗粒物特性（粒径分布、折射系数等）影响，因此粉尘粒径变化、组分变化、水滴对测量无影响；直接测量探头所在断面采样点的质量浓度，属于点测量，受颗粒物浓度分层影响。该方法需要等速采样，不适合烟气流速变化较大场所。该方法适合湿度大，粉尘粒径和组分变化大，流速变化不大的场所，与稀释采样方法结合能够用于高湿度粉尘监测场所。

（5）接触电荷转移法

接触电荷转移法利用电绝缘传感探针将颗粒物撞击产生的电荷传输到电学放大器，连续撞击产生的电流正比于颗粒物的动量原理来测量气流中颗粒物浓度。接触电荷转移法在测量布袋除尘器是否泄漏中应用较多，主要还是作为一种定性测量方法进行使用。采用接触电荷转移法粉尘粒径变化、组分变化、水滴对测量有较大影响，在使用前需要对这些因素进行校正，颗粒物带电对测量有影响，不能用于静电除尘后；流速变化对测量有较大影响，需要同时测量流速，不适合流速变化较大的场所。此法用于定性检测，测量准确度差，不能用于湿度较高场所，适合湿度小，粉尘粒径和组分变化小，流速变化不大，颗粒物不带电的场所，主要用于布袋除尘的泄露监测和报警。

颗粒物CEMS不同测量技术之间的比较见表3.2（仅供参考）。

表3.2　颗粒物CEMS不同测量技术之间的比较