煙塵煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行管理培訓(xùn)教材-第四章

第四章顆粒物CEMS

1本章主要內(nèi)容4.1根本情況4.2煙塵顆粒物的特性4.3對穿法煙塵監(jiān)測儀4.4散射法煙塵監(jiān)測儀4.5其他煙塵監(jiān)測儀

2本章難點(diǎn)與重點(diǎn)重點(diǎn)：顆粒物CEMS的光路構(gòu)造和根本運(yùn)用特點(diǎn)。難點(diǎn)：顆粒物CEMS分析原理。34.1根本情況顆粒物延續(xù)監(jiān)測方法主要有對穿法、光散射法、動態(tài)光閃爍法、靜電感應(yīng)法。由于各種方法的原理不同、開展歷史不同，各自都有不同的特點(diǎn)，其適用的條件也有不同。1、對穿法出現(xiàn)較早，技術(shù)及制造工藝也比較成熟，但其種類也較多。目前在現(xiàn)場運(yùn)用的對穿法煙塵儀根本都屬于雙光程的對穿法煙塵監(jiān)測儀。2、光散射法具有更高的分辨率，靈敏度更高，可以用于監(jiān)測更低排放濃度的排放源。相對于對穿法，光散射方法出現(xiàn)的較晚。3、動態(tài)光閃爍法：利用一束光穿過被測顆粒群，由于進(jìn)入光束中的顆粒數(shù)量變化，光束光強(qiáng)會有瞬時的“漲落〞，“漲落〞的強(qiáng)度與煙塵濃度之間滿足一定的相關(guān)性，經(jīng)過丈量光強(qiáng)漲落的強(qiáng)度可以反推煙塵顆粒的濃度。4、摩擦電荷法那么是獨(dú)立于光學(xué)丈量法的另外一種方法。目前該方法較多運(yùn)用于除塵設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)形狀的監(jiān)視及報警

44.2煙塵顆粒物的特性4.2.1顆粒物的物理特性煙塵顆粒物普通呈現(xiàn)為多孔的不規(guī)那么外形，由于熄滅過程和除塵過程的影響，實(shí)踐的煙塵排放或監(jiān)測口煙塵顆粒的粒徑分布是各有不同的，大多數(shù)排放口煙塵顆粒的粒徑范圍在0～20μm。無論自然形狀的顆粒還是煙塵顆粒普通是荷電的，荷電的大小取決于溫度、比外表積、含水量及與摩擦碰撞相關(guān)的速度等，且與顆粒的物理化學(xué)成分及構(gòu)造相關(guān)。54.2.2顆粒物的光學(xué)概念以下是幾個與光散射相關(guān)的概念:顆粒物的光散射：光經(jīng)過不均勻的介質(zhì)顆粒時，介質(zhì)顆粒中的偶極子所激發(fā)的次波和入射光相互疊加，介質(zhì)顆粒把入射光向四面八方散射的景象稱為顆粒物的光散射;散射截面：一個顆粒在單位時間內(nèi)散射的全部光能與入射光強(qiáng)之比;散射系數(shù)：散射截面與顆粒的迎光面積之比;吸收截面：一個顆粒在單位時間內(nèi)吸收的全部光能與入射光強(qiáng)之比;吸收系數(shù)：吸收截面與顆粒的迎光面積之比;消光截面：一個顆粒在單位時間內(nèi)移去的全部光能與入射光強(qiáng)之比。

6顆粒物的光學(xué)概念消光系數(shù)：消光截面與顆粒的迎光面積之比;(顆粒群的)濁度：單位體積內(nèi)(顆粒群)的總消光截面;不相關(guān)散射：當(dāng)顆粒之間的間隔足夠大，一個顆粒的散射不因其他顆粒的存在而受影響。當(dāng)顆粒之間的間隔大于顆粒直徑的3倍以上時，可以以為顆粒群的散射為不相關(guān)散射。煙塵排放普通為不相關(guān)散射;單散射及復(fù)散射：顆粒散射的光全部來自于入射光稱為單散射，其他情況為復(fù)散射。顆粒群發(fā)生不相關(guān)單散射時，顆粒群的整體行為可用單個顆粒的散射行為替代。煙塵排放延續(xù)監(jiān)測的條件下，普通以為當(dāng)不透光度大約大于0.4后復(fù)散射的影響就不能忽略了，這時儀器在單散射原理上建立的線性關(guān)系就存在不可忽略的高次非線性成分，需求進(jìn)展非線性修正。7顆粒物的光學(xué)概念透光度：一束先經(jīng)過介質(zhì)層耗散后，光束的強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比。不透光度：一束光經(jīng)過介質(zhì)層耗散后，被耗散的光強(qiáng)與入射光強(qiáng)度之比。光密度：透光度與不透光度與介質(zhì)顆粒濃度呈指數(shù)關(guān)系，對透光度取倒數(shù)后再取以10為底的對數(shù)構(gòu)成的新的評價量稱為光密度。因光密度與介質(zhì)顆粒的濃度呈線性關(guān)系。對于對穿法而言運(yùn)用光密度評價和描畫測量過程更加方便。84.2.3煙塵監(jiān)測的特點(diǎn)(1)丈量動態(tài)范圍大(2)丈量范圍與現(xiàn)場條件相關(guān)(3)現(xiàn)場條件惡劣，對儀器安裝工藝提出更高的要求(4)其他影響9煙塵監(jiān)測的特點(diǎn)丈量動態(tài)范圍大煙塵排放的動態(tài)范圍很大，一方面從熄滅的角度取決于燃料種類、熄滅方式，另一方面從處置治理的角度取決于除塵的方式和效率。普通而言，對于大型排放源，如燃煤熱電廠，其直接排放煙氣的煙塵質(zhì)量濃度可以到達(dá)20g/m，效率較高的除塵器(布袋除塵器、運(yùn)轉(zhuǎn)形狀較好的三電場的靜電除塵器)煙塵排放濃度可到達(dá)20～50mg/m。以下，因此煙塵監(jiān)測儀濃度丈量的動態(tài)范圍可到達(dá)三個數(shù)量級，所以在儀器設(shè)計(jì)過程中一方面要思索變量程問題，同時要思索量程之間的銜接及線性問題。10煙塵監(jiān)測的特點(diǎn)丈量范圍與現(xiàn)場條件相關(guān)煙塵排放監(jiān)測儀在出廠時難以給出準(zhǔn)確的丈量范圍，丈量范圍與有些煙塵顆粒的物性相關(guān)(包括密度、顆粒粒徑分布、光學(xué)特性、電學(xué)特性、流速等)，即使p射線法也存在丈量結(jié)果與現(xiàn)場條件的相關(guān)關(guān)系。此外，除現(xiàn)場條件外，煙塵監(jiān)測儀本身的構(gòu)造不同也會導(dǎo)致丈量結(jié)果的差別。因此假設(shè)妻準(zhǔn)確丈量煙塵濃度那么必需進(jìn)展參比實(shí)驗(yàn)，用規(guī)范方法校準(zhǔn)儀器安裝在現(xiàn)場的偏向。11煙塵監(jiān)測的特點(diǎn)現(xiàn)場條件惡劣對儀器安裝工藝提出更高的要求,煙塵儀運(yùn)用的現(xiàn)場條件非常惡劣的。儀器本身的元器件的選擇應(yīng)達(dá)確軍品甚至宇航級的規(guī)范。即使有些元器件無軍品供應(yīng)，也必需選擇-20～-70℃寬溫范圍的。否那么就無法滿足現(xiàn)場惡劣環(huán)境的長期穩(wěn)定的任務(wù)。同時煙塵儀還必需思索防潮防塵的功能。其他影響除了儀器本身的功能及質(zhì)量問題外，現(xiàn)場選點(diǎn)、儀器選型、調(diào)試、參比都會對儀器的長期可靠任務(wù)呵斥強(qiáng)力的影響，這正是煙塵監(jiān)測儀在現(xiàn)場運(yùn)用容易忽視又很難保證的條件，也正是運(yùn)用好煙塵儀必需求做好的任務(wù)。124.3對穿法煙塵監(jiān)測儀13對穿法煙塵監(jiān)測儀14對穿法煙塵監(jiān)測儀154.3.2開展歷史第一代對穿法煙塵儀的一個主要特征是單光程的光路構(gòu)造。第二代對穿法煙塵監(jiān)測儀主要是對第一代煙塵儀進(jìn)展了很多小范圍的改良或修補(bǔ)，也是單光程的光路構(gòu)造。第一代及第二代對穿法煙塵監(jiān)測儀的共同特點(diǎn)是采用單光程的光路構(gòu)造，這種構(gòu)造無論采用何種改良及改良措施，無法在現(xiàn)場進(jìn)展校準(zhǔn)，除非當(dāng)測點(diǎn)停機(jī)時；另一個特點(diǎn)就是現(xiàn)場安裝調(diào)試非常困難。儀器的運(yùn)用在很大程度上不取決于儀器本身而取決于精細(xì)的安裝調(diào)試。所以，可以說這類儀器50％以上的問題都是安裝調(diào)試呵斥的。164.3.2.2第三代對穿法產(chǎn)品第三代對穿法產(chǎn)品一個主要的特征是采用雙光程光路構(gòu)造(圖4-3)。除此之外光源那么必需進(jìn)展了機(jī)械或電子的調(diào)制、采用手動或自動的模擬零點(diǎn)及跨度點(diǎn)現(xiàn)場校準(zhǔn)手段，假設(shè)采用熱致光源那么必需有一套完善的準(zhǔn)直及對中機(jī)構(gòu)、雙光程的反射光采用角反射鏡的方式實(shí)現(xiàn)等。17對穿法產(chǎn)品圖4-4給出的是一款構(gòu)造功能比較完善的對穿法煙塵監(jiān)測儀的光路構(gòu)造圖，其主要特點(diǎn)調(diào)制、校準(zhǔn)、光源的參比采用特種LCD資料實(shí)現(xiàn)(經(jīng)過改動電壓改動LCD資料的通光特性)，整個系統(tǒng)無運(yùn)動部件，系統(tǒng)采用單傳感器單電路處置，性能目的從構(gòu)造上得到可靠的保證。18對穿法產(chǎn)品圖4-5是另一款對穿法煙塵儀的光路構(gòu)造圖。光源的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直后分光為兩部分，一部分直接進(jìn)入傳感器檢測光源的輸出，另一部分兩次經(jīng)過反光鏡進(jìn)人煙囪丈量區(qū)，再經(jīng)過角反射鏡后經(jīng)視場調(diào)整鏡頭組和接受透鏡組進(jìn)入傳感器。改構(gòu)造經(jīng)過光源參比擋板交替丈量信號及跟蹤光源的輸出變化。反光鏡及濾光鏡片實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)及跨度點(diǎn)的校準(zhǔn)。該光路構(gòu)造要求在現(xiàn)場安裝調(diào)試時要留意煙囪的大小和儀器要求必需匹配，否那么信號光無法準(zhǔn)確會聚于傳感器。194.3.3對穿法煙塵監(jiān)測儀的校準(zhǔn)雙光程對穿法的現(xiàn)場校準(zhǔn)普通是在光路中插入一個反射鏡作為儀器的零點(diǎn)。反射鏡模擬了光束經(jīng)過無煙塵的丈量區(qū)由角反射鏡前往時的光束強(qiáng)度。思索到儀器準(zhǔn)直特性的影響，儀器光束的擴(kuò)束及會聚必需到達(dá)儀器本身的要求時，校準(zhǔn)才是有效的和準(zhǔn)確的，也就是說，首先煙塵儀的選型必需順應(yīng)煙囪直徑的大小；其次儀器的對中及調(diào)焦也必需達(dá)薊儀器的要求。在反射鏡和傳感器之間插入知透過率的濾光片可進(jìn)展跨度的校準(zhǔn)?？缍赛c(diǎn)的選擇原那么上盡量接近實(shí)測的透過率，但在煙氣排放的條件下，只需丈量范圍的選擇是適當(dāng)?shù)?，跨度點(diǎn)的選擇對丈量結(jié)果影響不大.

20實(shí)踐校準(zhǔn)過程分為兩步，首先讓儀器任務(wù)在一個規(guī)范源下，如插入反光板，儀器的煙塵濃度輸出應(yīng)為零；插入反光板及跨度板，儀器的輸出應(yīng)為儀器第一次校準(zhǔn)檢測時的輸出值。假設(shè)上述兩個過程僅器的輸出與段定值偏向超出儀器給定的準(zhǔn)確度程度，那么要進(jìn)展第二步，經(jīng)過儀器的調(diào)整機(jī)構(gòu)將偏向歸零。規(guī)范源(反光板和濾光片)插入的位置普通有兩種情況，一種情況在儀器擋塵鏡片和傳感器之間，另一種情況是擋塵鏡片在規(guī)范源和傳感器之間。后者的校準(zhǔn)過程可以消除掉鏡片污染呵斥的影響，而前者只需經(jīng)過定期的檢查擦拭擋塵鏡片到達(dá)準(zhǔn)確校準(zhǔn)的目的。對穿法煙塵監(jiān)測儀的校準(zhǔn)21對穿法煙塵監(jiān)測儀的校準(zhǔn)校準(zhǔn)的過程可以是自動或手動的。自動過程儀器根據(jù)設(shè)定的時間自動地進(jìn)展糾偏過程。有的自動校準(zhǔn)的煙塵儀普通還有一個功能，即監(jiān)視擋塵鏡片的污染程度，當(dāng)污染呵斥透過率偏向到達(dá)一定門限后自動報警，提示人工擦拭擋塵鏡片。手動校準(zhǔn)過程必需采用手工的方式完成校準(zhǔn)過程。一些儀器具有半自動校準(zhǔn)的功能，首先經(jīng)過儀器自動地進(jìn)展零點(diǎn)及跨度檢測，對結(jié)果的糾偏過程經(jīng)過后臺軟件實(shí)現(xiàn)。無論是自動還是手動校準(zhǔn)，必需定期檢查規(guī)范源的有效性，能否被污染、能否變形等。22對穿法煙塵監(jiān)測儀運(yùn)用特點(diǎn)1、由于雙光程對穿法煙塵監(jiān)測儀采用雙側(cè)安裝儀器，丈量點(diǎn)對面需安裝反射鎮(zhèn)。反射鏡普通采用角反射鏡(不能采用鏡面反射鏡)，只需入射光束對準(zhǔn)了反射鏡，光束就經(jīng)180o原路前往發(fā)射端。假設(shè)反射不采用角反射鏡，儀器的對中將成為一個難題，加之在運(yùn)用過程中的溫度或其他要素呵斥的機(jī)械變形，儀器無法長期堅(jiān)持準(zhǔn)確對中，呵斥儀器無法正常任務(wù)，因此運(yùn)用非角反射鏡的情況的對穿法煙塵儀也無法保證儀器長期的正?？煽康娜蝿?wù)。23對穿法煙塵監(jiān)測儀運(yùn)用特點(diǎn)2、對穿法煙塵監(jiān)測儀的丈量范圍，一些人想當(dāng)然以為只需有光透過就可以監(jiān)測煙塵的濃度，甚至有人以為對穿法煙塵監(jiān)測儀的最大丈量范圍就是透光度為零時對應(yīng)的濃度。其實(shí)由于儀器光源、構(gòu)造、高濃度修正機(jī)制不同，要準(zhǔn)確運(yùn)用，必需嚴(yán)厲按所選型號煙塵監(jiān)測儀的丈量范圍要求運(yùn)用。假設(shè)低排放濃度(如30mg/m以下)采用大丈量范圍的儀器，就有能夠達(dá)不到要求的丈量精度要求，甚至檢測不到足以分辨的有效信號。反之，假設(shè)采用較小丈量范圍的儀器丈量較高的排放濃度，有些儀器無法給出正常的數(shù)據(jù)，有些那么因缺乏必要的高濃度等修正補(bǔ)償措施，雖然可以得到數(shù)據(jù)但數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效性大打折扣。普通的對穿法煙塵監(jiān)測儀都采用光密度來衡量丈量范圍，在選型儀器時必需評價所選儀器的光密度丈量范圍能否與排放點(diǎn)的濃度及煙囪的直徑對應(yīng)。24對穿法煙塵監(jiān)測儀運(yùn)用特點(diǎn)3、雙光程對穿法的丈量區(qū)為兩倍的光束穿越煙塵顆粒群的間隔。普通在選型時煙塵監(jiān)測儀指明了煙塵儀能用于多大的煙道或煙囪，煙塵儀所指明的煙道或煙囪適用直徑指的是從兩端法蘭端面之間的間隔，包括煙道或煙囪的內(nèi)凈尺寸、兩倍的煙道或煙囪的壁厚及兩倍的固定法蘭的探出長度。由于儀器準(zhǔn)直系統(tǒng)的容限，必需思索該尺寸與煙塵儀的要求對應(yīng)，否那么安裝后不能正確對焦。25對穿法煙塵監(jiān)測儀運(yùn)用特點(diǎn)4、法蘭焊接的方向也很重要，這是一個經(jīng)常被忽視的問題。對穿法煙塵監(jiān)測儀的兩端安裝后須在同一軸線上。煙塵儀法蘭本身普通具有一個三點(diǎn)碟形墊片和螺母組成的方向調(diào)整安裝，可以調(diào)整安裝角度在大約5o。立體角的范圍。這要求焊接或預(yù)埋法蘭的軸向角度偏向不能大于5。，否那么就無法進(jìn)展對中調(diào)整。這種三點(diǎn)碟形墊片和螺母組成的方向調(diào)整安裝是與焊接(預(yù)埋)在煙囪上的固定法蘭對接，煙塵儀主體在維護(hù)需求拆下時，角度調(diào)整機(jī)構(gòu)保管在固定法蘭上不動，保證煙塵儀經(jīng)過維護(hù)維修后與煙囪的定位關(guān)系不變。有一些煙塵儀沒有三點(diǎn)碟形墊片和螺母組成的方向調(diào)整安裝，采用附加墊片的方式調(diào)整角度，這種情況下現(xiàn)場調(diào)整非常困難，較難保證安裝要求。假設(shè)采用這種方式，必需求求在煙塵儀附加一個機(jī)構(gòu)以使得在維護(hù)維修后重新安裝時與煙囪的定位關(guān)系不變，否那么調(diào)試過程包括參比實(shí)驗(yàn)所得到的全部參數(shù)都會失效。

264.4散射法煙塵監(jiān)測儀4.4.1根本原理及開展歷史隨著環(huán)保認(rèn)識的加強(qiáng)及法規(guī)更加嚴(yán)厲，排放煙塵的濃度越來越底，電廠的煙塵排放普通在50mg/m3。以下，這時對穿法從原理上的局限性就越來越突出，我們調(diào)查對穿法直接丈量的值是消光后的光強(qiáng)，而演算結(jié)果要求的是對數(shù)差[1n(I。)－ln(I)]，也就意味著光電傳感器要在很強(qiáng)的光強(qiáng)條件下丈量光強(qiáng)的變化率，在較低煙塵濃度情況下這對傳感器提出了很苛刻的要求，限制了對穿法在低濃度范圍下的運(yùn)用，也就是說分辨率不夠。而散射法那么無此限制，不僅分辨率大幅度提高，采用后向散射法可以單端安裝，使得安裝條件大大改善而且安裝調(diào)試勞動強(qiáng)度大大降低。274.4.1根本原理及開展歷史將一激光束投射人煙道/煙囪，激光束與煙塵顆粒相互作用產(chǎn)生散射，散射光的強(qiáng)弱與煙塵的散射截面成正比，當(dāng)煙塵濃度升高時，煙塵的散射截面成比例增大，散射光加強(qiáng)，經(jīng)過丈量散射光的強(qiáng)弱，可以得到煙塵中煙塵顆粒物的濃度。經(jīng)過丈量散射光能的大小可以得煙塵的質(zhì)量濃度，這就是散射法的根本原理，其原理(圖4-6)284.4.1根本原理及開展歷史書上公式〔4-15〕右半部分中對于詳細(xì)排放源而言，除了Es外全為與顆粒分布、顆粒物性、儀器構(gòu)造相關(guān)的常數(shù)，表示上簡單起見令其等于常數(shù)K，那么整個原理簡化成一個沒有常數(shù)項(xiàng)的線性變換：C=K*E可見，經(jīng)過丈量散射光能的大小可以得煙塵的質(zhì)量濃度，這就是散射法的根本原理。294.4.2幾種散射法煙塵儀的構(gòu)造特點(diǎn)散射式煙塵監(jiān)測儀在光路布置上有同軸及異軸兩種方式，發(fā)射光束與接納系統(tǒng)在同一軸線上成為同軸系統(tǒng)，不在同一軸線上稱為異軸系統(tǒng)。同軸光路如圖4-7所示，丈量取關(guān)區(qū)由接納透鏡的口徑、接納光闌、焦距及探測器的有效接納面元的大小決議。普通在訂購煙塵儀時須告之儀器供應(yīng)商煙囟的大小及煙囟的壁厚，供應(yīng)商在儀器出廠時將丈量區(qū)的位置、大小調(diào)整好。出廠后普通不允許調(diào)整。30幾種散射法煙塵儀的構(gòu)造特點(diǎn)采用異軸布置的構(gòu)造方式如圖4-8所示，激光束與接納透鏡軸以一個小的角度投射到煙塵中。異軸布置丈量區(qū)的位置更容易調(diào)整，只需改動光束的傾角即可方便地改動丈量取樣區(qū)的位置。有些品牌的儀器允許用戶在現(xiàn)場進(jìn)展一次調(diào)整。314.4.3散射法煙塵儀的校準(zhǔn)散射法煙塵儀的校準(zhǔn)普通采用在光路上放置一個散射光擋板和規(guī)范散射板及濾光片實(shí)現(xiàn)。零點(diǎn)的產(chǎn)生是采用擋板將散射光擋住使之不能進(jìn)入傳感器，這時儀器的輸出信號為零點(diǎn)輸出信號。規(guī)范散射板的散射才干是固定的，普通可以用這一點(diǎn)代表儀器的最大丈量范圍，在散射板及傳感器之間插入濾光片可以模擬跨度點(diǎn)。散射法煙塵監(jiān)測儀的校準(zhǔn)同樣可以是自動的或手動方式的。自動方式是將以上手工過程自動化并附加一些判別約束。普通在煙塵排放濃度范圍內(nèi)，現(xiàn)場自動或手動只需兩點(diǎn)就可以滿足排放監(jiān)測要求，普通這兩點(diǎn)為零點(diǎn)和一個跨度點(diǎn)。

324.4.4散射法煙塵監(jiān)測儀的運(yùn)用特點(diǎn)散射法的采樣丈量區(qū)必需慎重思索。散射法的采樣丈量區(qū)普通位于煙塵儀探頭前0～5000mm的范圍內(nèi)，丈量區(qū)對于信號大小的奉獻(xiàn)而言是一個不等權(quán)的區(qū)域。實(shí)踐運(yùn)用中對于丈量目的1m左右的一個取樣丈量區(qū)曾經(jīng)足夠了，對高濃度排放源設(shè)置一個大的取樣丈量區(qū)會導(dǎo)致更高的非線性。普通散射法的采樣丈量區(qū)都在1m以內(nèi)。丈量區(qū)的位置設(shè)定尤其重要，普通要思索兩個要素。一個要素是煙囪壁厚要素(還應(yīng)加上焊接法蘭的探出煙囪外壁的長度)和煙囪壁效應(yīng)的影響，丈量區(qū)應(yīng)距煙囪內(nèi)壁200mm以上，丈量區(qū)的大小可以設(shè)定在200～1000mm左右。另一個要素是光束投射到對面煙囪壁上的反射信號應(yīng)處于儀器的有效接納孔徑之外。

33散射法煙塵監(jiān)測儀的運(yùn)用特點(diǎn)運(yùn)