固定污染源顆粒物在線監(jiān)測現(xiàn)狀
——以濟(jì)南市為例

耿曄，孫開爭，杜天君

(山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 濟(jì)南 250101)

近年來，津京冀及周邊地區(qū)霧霾天氣頻發(fā)，固定污染源排放的顆粒物作為環(huán)境空氣可吸收顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)的重要來源，越來越引起社會的關(guān)注[1]。為有效控制污染源的排放，加強(qiáng)源頭控制，自2017年原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《關(guān)于加快重點(diǎn)行業(yè)重點(diǎn)地區(qū)的重點(diǎn)排污單位自動監(jiān)控工作的通知》(環(huán)辦環(huán)監(jiān)〔2017〕61號)后，環(huán)境空氣顆粒物連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)開始安裝聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)原山東省環(huán)境保護(hù)廳印發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步做好全省重點(diǎn)污染源自動監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)工作的通知》(魯環(huán)辦函〔2016〕174號)和原濟(jì)南市環(huán)境保護(hù)局印發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步做好廢氣污染源顆粒物監(jiān)測工作的通知》(魯環(huán)明傳〔2016〕14號)，濟(jì)南市加快顆粒物污染源在線監(jiān)測設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)驗(yàn)收進(jìn)度，截至2019年6月底，濟(jì)南市污染源顆粒物自動監(jiān)控設(shè)備已聯(lián)網(wǎng)并完成驗(yàn)收共計(jì)305臺套。現(xiàn)對濟(jì)南市已安裝聯(lián)網(wǎng)的305臺套顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備的測量方法原理、參比方法比對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)規(guī)律，保證自動監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量，為打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備安裝現(xiàn)狀

濟(jì)南市現(xiàn)已安裝的305臺套顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備涵蓋火電、碳素、化工、建材、鋼鐵、垃圾焚燒等6大行業(yè)類別，包含：FWE 200(西克麥哈克儀器有限公司)、181 WS(英國PCME公司)、SBF 800(德國杜拉革公司)、LFS1000-MO(安榮信科技有限公司)、Model 2030(北京雪迪龍科技股份有限公司)、P-5C(廈門格瑞斯特環(huán)?？萍加邢薰?等6個(gè)品牌型號。55.6%的企業(yè)選擇安裝國產(chǎn)品牌安榮信的設(shè)備；2家垃圾焚燒企業(yè)分別安裝了雪迪龍和廈門格瑞斯特品牌的設(shè)備，占比分別為1.1%和4.5%。3家進(jìn)口品牌西克麥哈克、PCME和杜拉格分別有8.9%，8.9%，12.1%的企業(yè)選擇。

2 顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備測量原理

顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備從測量原理方面劃分，主要分為5類：不透明法光衰減顆粒物測定儀(濁度儀)、光散射法顆粒物測定儀、β射線吸收法顆粒物測試儀、光閃爍法顆粒物測定儀[1]和接觸起電法顆粒物測定儀(電荷法)[2]。

顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備從測量方式方面劃分，主要分為：直接監(jiān)測(適用于干煙氣)和抽取后監(jiān)測(適用于濕煙氣)[3]。顆粒物直接監(jiān)測的方法有：光學(xué)透射法、光學(xué)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和β射線法。

濟(jì)南市現(xiàn)已安裝的6個(gè)品牌的產(chǎn)品均屬于光散射法。其中采用激光前向散射測量方法的品牌有：西克麥哈克、安榮信、杜拉格、PCME；激光后向散射測量方法有：雪迪龍和格瑞斯特。其中SBF 800設(shè)備屬于稀釋加熱抽取前向散射法，F(xiàn)WE 200、LFS1000-MO和181 WS屬于直接抽取加熱前向散射法。

顆粒物光散射法的測量原理為：光源發(fā)出的光線定向地朝著顆粒物射去時(shí)，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(qiáng)度，散射光集聚接受轉(zhuǎn)換成電信號，計(jì)算出顆粒物濃度。散射光的強(qiáng)度與顆粒物的粒徑、折射率、形狀、入射光的波長等因素有關(guān)[4]。

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氣體進(jìn)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(jìn)行測量[5]。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(gè)稀釋氣加熱功能，在采樣的同時(shí)預(yù)先加熱稀釋氣，稀釋氣按一定比例與采樣氣體在插入煙道的采樣嘴處進(jìn)行混合，同時(shí)采樣探桿也全程高溫加熱，這樣可以有效迅速地將濕煙氣變?yōu)楦蔁煔?，最后用前向散射法的煙塵儀對顆粒物進(jìn)行測量。

3 顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備技術(shù)考核

3.1 考核對象及頻次

濟(jì)南市工業(yè)結(jié)構(gòu)以重工業(yè)為主，火電、建材、鋼鐵和碳素行業(yè)占比較重。根據(jù)濟(jì)南市工業(yè)行業(yè)占比和顆粒物監(jiān)測儀的市場安裝率的分布，選擇重點(diǎn)行業(yè)中安裝率較高的幾個(gè)品牌作為評價(jià)對象。以手工比對的方式對監(jiān)測儀器進(jìn)行考核，顆粒物監(jiān)測濃度準(zhǔn)確度考核頻次為12次，零點(diǎn)漂移和量程漂移的考核頻次為3次。

3.2 考核判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 75—2017)要求，對顆粒物監(jiān)測設(shè)備的顆粒物監(jiān)測濃度的準(zhǔn)確度、零點(diǎn)漂移和量程漂移進(jìn)行考核[6]，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 顆粒物考核技術(shù)指標(biāo)①

3.3 考核方法

使用青島嶗應(yīng)3012H-D大流量低濃度煙氣/氣測試儀，按照《固定污染源廢氣低濃度顆粒物的測定重量法》(HJ 836—2017)，同步監(jiān)測的顆粒物排放濃度作為手工參比方法值[7]，與同時(shí)段顆粒物自動監(jiān)測值進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，并利用Excel軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.4 考核結(jié)果

3.4.1 鋼鐵行業(yè)

監(jiān)測點(diǎn)位為濟(jì)南市某鋼鐵廠2號出鐵場排口。該監(jiān)測點(diǎn)安裝英國PCME煙塵儀181WS型激光前向散射顆粒物監(jiān)測設(shè)備，考核結(jié)果見圖1。顆粒物監(jiān)測儀器零點(diǎn)漂移和量程漂移最大值分別為最大量程(200 mg/m3)的0.05%和0.1%，顆粒物濃度采用顆粒物排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)法和手工參比方法絕對誤差在-2.72～-2.04 mg/m3，符合《HJ 75—2017》中對零點(diǎn)漂移、量程漂移和顆粒物濃度值的要求。

圖1 濟(jì)南市某鋼鐵廠考核結(jié)果

3.4.2 建材行業(yè)

監(jiān)測點(diǎn)位為濟(jì)南市某水泥廠2號窯尾排口。該監(jiān)測點(diǎn)安裝安榮信LFS1000-MO型激光前向散射顆粒物監(jiān)測設(shè)備，考核結(jié)果見圖2。顆粒物監(jiān)測儀器零點(diǎn)漂移和量程漂移最大值分別為最大量程(100 mg/m3)的0.09 %和0.1 %，顆粒物濃度準(zhǔn)確度絕對誤差在-2.09～-0.21 mg/m3，符合《HJ 75—2017》中對零點(diǎn)漂移、量程漂移和顆粒物濃度值的要求。

圖2 濟(jì)南市某水泥廠考核結(jié)果

3.4.3 碳素行業(yè)

監(jiān)測點(diǎn)位為濟(jì)南市某碳素廠2號焙燒爐排口。該監(jiān)測點(diǎn)安裝安榮信LFS1000-MO型激光前向散射顆粒物監(jiān)測設(shè)備，考核結(jié)果見圖3。顆粒物監(jiān)測儀器零點(diǎn)漂移和量程漂移最大值分別為該儀器最大量程(100 mg/m3)的0.09%和0.1%，顆粒物濃度準(zhǔn)確度絕對誤差在-0.05～1.85 mg/m3，符合《HJ 75—2017》中對零點(diǎn)漂移和量程漂移和顆粒物濃度值的要求。

圖3 濟(jì)南市某碳素廠焙燒爐考核結(jié)果

3.4.4 火電行業(yè)

火電行業(yè)選擇2個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行考核，第1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位為濟(jì)南市某燃煤電廠3#機(jī)組排口。該監(jiān)測點(diǎn)安裝雪迪龍Model2030型后向散射顆粒物監(jiān)測設(shè)備，考核結(jié)果見圖4。顆粒物監(jiān)測儀器零點(diǎn)漂移和量程漂移最大值分別為該儀器最大量程(200 mg/m3)的1.65%和0.6%，顆粒物濃度準(zhǔn)確度絕對誤差在-2.2～7.0 mg/m3，除量程漂移外，零點(diǎn)漂移和濃度絕對誤差均不符合《HJ 75—2017》中對零點(diǎn)漂移和顆粒物濃度值的要求。

圖4 濟(jì)南市某燃煤電廠3#機(jī)組考核結(jié)果

第2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位為濟(jì)南市某熱電廠1#、2#排口。該監(jiān)測點(diǎn)安裝杜拉格SBF-800型激光前向散射顆粒物監(jiān)測設(shè)備，考核結(jié)果見圖5。顆粒物監(jiān)測儀器零點(diǎn)漂移和量程漂移最大值分別為該儀器最大量程(100 mg/m3)的0.00%和0.19%，顆粒物濃度準(zhǔn)確度絕對誤差在-3.55～-1.38 mg/m3，符合《HJ 75—2017》中對零點(diǎn)漂移、量程漂移和顆粒物濃度值的要求。

圖5 濟(jì)南市某熱電廠1#、2#排口考核結(jié)果

4 討論

由考核結(jié)果可見，4種激光前向散射法顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備與手工監(jiān)測比對結(jié)果符合性較好，比對結(jié)果均符合相關(guān)規(guī)范要求。通過帶有加熱功能的采樣頭和管路將氣體噴射入分析單元光室內(nèi)，較好地降低了煙道中水滴對測量結(jié)果的影響，同時(shí)上述監(jiān)測設(shè)備均具備定時(shí)反吹功能，實(shí)現(xiàn)對測量光室的零點(diǎn)和滿量程的自動校準(zhǔn)，設(shè)備穩(wěn)定性較好，數(shù)據(jù)波動較小。而激光后向散射法顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備與手工監(jiān)測比對結(jié)果符合性較差，零點(diǎn)漂移達(dá)到了3.3%，12組濃度絕對誤差比對數(shù)據(jù)中有8組數(shù)據(jù)超過考核標(biāo)準(zhǔn)，主要因其測量光束為后向散射，光束易受煙道中煙氣溫度分布不均或煙道震動影響，使其折射率發(fā)生變化，造成測量結(jié)果誤差較大。

研究選取的火電、鋼鐵、建材和碳素幾個(gè)重點(diǎn)行業(yè)的生產(chǎn)燃料主要為煤炭，其配套建設(shè)的環(huán)保凈化設(shè)施均已完成超低排放改造，主要凈化工藝為濕法脫硫+選擇性非催化還原(SNCR)脫硝+濕電除塵。這種凈化工藝的特點(diǎn)是污染物凈化效率較高，但外排煙氣溫度低于60℃，煙氣濕度較大，煙道中容易形成水霧狀滴液，自動監(jiān)測設(shè)備采樣頭和采樣管路若沒有全程加熱設(shè)備會造成冷凝水聚集的現(xiàn)象[8]。根據(jù)《區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 37/2376—2019)，完成超低排放改造的企業(yè)顆粒物執(zhí)行5或10 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)，這就對顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性提出了較高的要求。激光前向散射法顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備因適用于高濕度低量程環(huán)境，測量精度高，在濟(jì)南市的適用性更好。目前國內(nèi)碳素行業(yè)安裝顆粒物在線監(jiān)測設(shè)備的企業(yè)較少，前向散射法顆粒物在線設(shè)備在碳素行業(yè)能否長期保持穩(wěn)定性待進(jìn)一步考證。

5 建議

(1)目前濟(jì)南市已安裝的顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備在校準(zhǔn)時(shí)所用零氣多為環(huán)境空氣，受測量環(huán)境影響較大，建議改為高純氮?dú)庑Ａ恪?/p>

(2)技術(shù)考核僅對顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備量程區(qū)間中的低濃度區(qū)間進(jìn)行手工比對，未對中、高濃度區(qū)間進(jìn)行比對，下一步可將中濃度和高濃度區(qū)間作為研究重點(diǎn)[7]。

(3)碳素行業(yè)焙燒爐、煅燒爐排放的特征污染物中含有瀝青煙和苯并(α)芘等易結(jié)晶成分，采樣探頭應(yīng)及時(shí)清理，否則易對顆粒物分析結(jié)果造成影響。

(4)根據(jù)顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備的測量原理，大部分顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備可以通過修改斜率和截距的數(shù)值對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，且很多儀器可以遠(yuǎn)程修改斜率和截距參數(shù)值。建議加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膭討B(tài)管控[9]，增加二級甚至三級加密門禁，確保自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性。