激光后散射原理的粉尘仪受阳光直射影响的解决方案探讨

激光后散射原理的粉尘仪受阳光直射影响的解决方案探讨

马硕

南京金凌石化工程设计有限公司广州分公司，广州 510725

摘要：本文简要介绍了设置烟气排放连续监测系统（CEMS）的依据，对比分析了不同分析原理粉尘仪的优缺点，重点分析了激光后散射原理的粉尘仪受阳光直射影响的原因。结合自身的工作经验，提出了5种供参考的改造方案及注意事项。

关键词：烟气排放连续监测系统，CEMS，激光后散射粉尘仪，阳光直射影响

近年来，随着国家对环境保护的逐渐重视，对大气污染物排放监测日趋严格，HJ 75《固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）排放连续监测技术规范》已要求相关企业设置烟气排放连续监测系统（CEMS），监测数据直接上传至环保局环境监测平台。

粉尘（颗粒物）作为CEMS的监测因子之一，检测原理一般可分为激光后散射法、激光前散射法、浊度法、电荷法、β射线法、重量法等，不同原理的粉尘仪各有优缺点，应根据不同工况选用合适原理的粉尘仪。其中激光后散射法的原理是半导体激光器发出的激光束射入烟道，与粉尘颗粒物作用产生散射光，其中的后向散射光经透镜汇聚进入光敏检测器，分析信号处理电路将光信号转化成与烟尘浓度成比例的标准信号输出，从而得到污染源粉尘（颗粒物）的排放浓度值。激光后散射原理的粉尘仪具有结构简单、安装方便、成本较低、使用效果好、后期维护量小等特点，应用较为广泛。

通过激光后散射粉尘仪的原理可以得知，烟气中的水滴也会对激光形成散射（光敏检测器分不清粉尘和水滴的散射光），当烟气湿度较大时，直接会影响测量结果；该原理的粉尘仪除了对烟气湿度敏感外，光照对其影响也很大。如果阳光直射到光敏传感器上，测量结果很可能爆表；如果阳光照射到光敏传感器附近或激光束附近，会使测量区域外颗粒物产生的散射光进入到光敏检测器，导致测量数据偏高。

此前一些年，由于环保方面对粉尘监测的要求较低，很多地方未要求上传粉尘监测数据，故监测数据异常也未引起企业和供应商的重视。笔者近二年考察了华南地区几大石化企业，安装在竖直烟囱上的粉尘仪大部分采用的激光后散射原理，夏季正午前后个别监测点会有时出现粉尘监测数据异常超标的情况。经过数次讨论分析，认为可能是夏季阳光通过烟囱口直射到粉尘仪光敏检测器上产生的影响，因为夜晚无光照时数据恢复正常。

一般情况下，烟气排放连续监测系统（CEMS）在建设时，应将安装位置处的情况告知CEMS厂家，由CEMS厂家评估该处的光线是否对其供应的粉尘仪产生影响，以便配置合适的粉尘仪。安装后一旦发现监测数据异常，不得不进行整改，耗费大量的人力、物力，还有可能影响生产。笔者结合实际工作中的经验，对上述情况提出几项整改方案，每种方案各有优缺点，仅供参考：

（1）更换合适类型的粉尘仪

由烟气排放连续监测系统（CEMS）厂家评估光线（包括阳光直射及散射、反射光等）对粉尘仪的影响情况，考虑更换抽取式（前散射原理）的粉尘仪或者其它合适原理的粉尘仪。

（2）增加不锈钢烟囱帽

1）烟囱排出的通常都是高温烟气（直排时甚至可达300℃以上），还有一定的腐蚀作用，而碳钢烟囱帽耐腐蚀性较差，使用寿命低于10年，不到2个大修周期就要拆除或更换，会影响到装置正常运行。故烟囱帽及支撑等附件材质建议采用不锈钢材质，既能抗腐蚀，延长使用寿命、增加安全系数。

2）极端情况下，若烟囱帽出现局部塌陷，会导致烟气流通面积不足；若烟囱帽出现坠落，会对烟囱底部的设备及巡检人员造成严重伤害；烟囱帽局部塌陷及坠落均会造成装置停工。

为避免此情况发生，需加强定期巡检，考虑在烟囱顶部向下约4m处需增加环形巡检平台，定期巡视烟囱帽及支架是否存在隐患。

3）考虑到烟囱帽自身重量、风载影响、腐蚀性烟气影响以及使用经验，建议烟囱帽直径比烟囱外径稍大即可，并且烟囱帽仅作遮阳用，不专门考虑防雨。增加烟囱帽后，必须确保烟囱的正常排烟，确保阳光不直射到粉尘仪探头上。

虽然烟囱顶部加帽是成熟的做法，很多烟囱在建设时就有烟囱帽，但烟囱通常较高，烟囱顶部加帽工作属于高空作业，危险系数高、施工难度大、施工费用大；日后检修和更换烟囱帽时均需搭设脚手架，维护费用高。

（3）更改粉尘仪探头安装位置

如果烟囱上实在没有条件安装粉尘仪，可以考虑更改分析仪的安装位置，将粉尘仪安装在烟气排放路径上的其他位置。比如：

1）烟囱入口的水平烟道。如果烟囱入口存在一定长度的水平直烟道，可考虑将粉尘仪安装在该水平直烟道上，该位置比烟囱上的安装位置低很多，可以减少维护难度。

2）余热回收系统的冷烟气管道。如果存在余热回收系统，可考虑将粉尘仪安装在余热回收系统的冷烟气管道上。

3）余热回收系统的热烟气管道。如果存在余热回收系统，也可考虑将粉尘仪安装在余热回收系统的热烟气管道上，但该烟道内温度较高，需提前核实粉尘仪探头的耐受性。

无论粉尘仪最终安装在上述1）~3）点中的哪个位置，均需要注意以下3点：

1）总排口：首先要核实粉尘仪安装的位置是否在总排口上，否则存在偷排的嫌疑。比如：余热回收系统故障时，烟气可能会不经余热回收系统而通过烟囱直排，此时余热回收系统的冷烟气管道和热烟气管道上均没有烟气流过，从而监测不到粉尘排放的真实数据。所以，如果粉尘仪的安装位置不是烟气排放的总排口，需向环保部门说明情况，并征得环保部门同意。

当取得环保部门许可后，通常做法还要在烟囱主烟道挡板安装回讯开关，检测挡板的关到位情况，关到位信号和分析数据一起上传至环保局环境监测平台，确保粉尘仪的安装位置是唯一的烟气排放路径。

2）流速：为了便于粉尘（颗粒物）参比方法的校验和比对监测，粉尘仪不宜安装在烟道内烟气流速＜5m/s的位置。

3）直管段：对于圆形烟道，粉尘仪应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向≥4倍烟道直径，以及距上述部件上游方向≥2倍烟道直径处。对于矩形烟道，应以当量直径计，其当量直径按下式计算：

 D=2AB/(A+B)。式中：D为当量直径；A、B为边长。

（4）改变粉尘仪探头安装方位

如果当地的太阳高度角没有达到90°，即烟囱内有部分位置一直存在阴影，也可以考虑通过改变粉尘仪探头在烟囱上安装方位的方式来避免阳光直射。但在改变粉尘仪探头安装方位之前，应核实当地的太阳高度角和太阳方位角，并结合粉尘仪探头距离烟囱顶部的高度来计算改变方位是否能达到避免阳光直射的目的。

（5）粉尘仪探头上方增加遮光罩

在粉尘仪探头上方一定距离处增加遮光罩，避免阳光照射到光敏传感器和激光束附近。该方案是最简单、改动量最小的方案，但探头上方新增加的遮光罩不能影响到烟气的正常流通，否则会造成测量数据不准确。遮光罩的材质选择应能耐高温、耐腐蚀、重量轻，并且安装应牢靠，以免脱落影响到其他监测仪表的使用。

据了解，暂时还没有CEMS厂家在粉尘仪出厂时会配套有遮光罩，都是在现场使用发现问题时才临时增加的措施。所以，这种做法是否符合环保部门的要求还存在一定争议，因目前还没有相关规定，也是没办法中的办法。

结束语

烟气排放连续监测系统（CEMS）应在建设前期做好相关工作，在设计阶段就应核实好烟气的具体工况、监测仪器安装位置、仪器检测原理等数据。如存在安装位置满足不了规范要求的情况时，应在与当地环保部门进行友好沟通情况下实施，尽量避免出现监测系统安装后再整改的被动局面。

参考文献

[1]环境保护部，HJ 75-2017 固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）排放连续监测技术规范，[S]，2017。

[2]环境保护部，HJ 76-2017 固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法，[S]，2017。

[3]王森，在线分析仪器手册[M]，北京：化学工业出版社，2008.9。