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        基于激光前散射原理的抽取式粉塵儀在垃圾焚燒電廠中的應(yīng)用

        2019-07-08 07:45:58趙文川史煥明吳永新徐學(xué)祥王洪廣
        中國資源綜合利用 2019年6期
        關(guān)鍵詞:吹灰粉塵煙氣

        趙文川,史煥明,吳永新,徐學(xué)祥,王洪廣

        (1.光大環(huán)保能源(南京)有限公司,南京 211162;2.光大環(huán)保(中國)有限公司,廣東 深圳 518000)

        近年來,隨著環(huán)境保護力度持續(xù)增加,環(huán)保監(jiān)察單位對污染源排放點的監(jiān)管更加嚴(yán)苛,粉塵作為污染源監(jiān)測的重要組分之一,對其精細(xì)化監(jiān)管刻不容緩。粉塵濃度的測量是粉塵治理不可或缺的一部分,但目前的電力行業(yè)粉塵濃度測量方法均存在各種不足之處,既要實現(xiàn)連續(xù)、準(zhǔn)確的粉塵濃度測量,又要減少儀器維護工作,仍具有一定的難度,這也是粉塵濃度測量技術(shù)方面亟待解決的難題。

        目前,垃圾焚燒電廠使用的粉塵儀主要采用摩擦靜電法、光學(xué)透射法和光學(xué)散射光法,其中光學(xué)散射法分前散射和后散射兩種。

        靜電摩擦測量方式優(yōu)點是測量范圍較廣,費用較便宜,維護較方便,維護成本較低;缺點為低濃度測量精度很低,在垃圾電廠故障率較高,維護量較大,受外界干擾較嚴(yán)重。光學(xué)透射測量方式優(yōu)點是測量范圍較廣,費用較便宜;缺點為測量精度較低,受外界干擾較嚴(yán)重(振動等因素)。光學(xué)散射測量方式優(yōu)點是精度較高,檢出限較低,不與煙氣直接接觸檢測,部件使用壽命較高,維護標(biāo)定方便,維護成本較低,性價比高;缺點為在低濃度段測量無法達到超低粉塵的測量要求,由于測量方式的限制,較細(xì)的顆粒無法準(zhǔn)確檢測到,并且光源損耗直接影響測量精準(zhǔn)度。

        綜上所述,由于測量原理落后、量程大、精度低等問題,目前常用的粉塵儀均難以滿足當(dāng)前粉塵超低排放的測量要求,存在著極大的環(huán)保風(fēng)險。當(dāng)前各電廠單位均積極找尋新技術(shù)用以取代落后的粉塵測量裝置。結(jié)合火電廠燃煤機組超低排放改造后抽取式粉塵儀的相關(guān)使用經(jīng)驗,同時為驗證抽取式粉塵儀在垃圾焚燒電廠的穩(wěn)定性、可靠性,特此在光大環(huán)保能源(南京)有限公司進行了激光前散射抽取式粉塵儀試用。

        1 FWE200簡介

        FWE200是某公司最新一代激光前散射抽取式粉塵儀,用于連續(xù)測量煙氣中極少濃度(0.1 mg/m3)到中等濃度(200 mg/m3)的粉塵測量裝置。它的特點是從煙道中抽取一部分煙氣,高溫使其干燥,并使用可調(diào)電加熱系統(tǒng)來使其過熱和保證測量氣溫度恒定,從而排除了常規(guī)測量中小液滴可能造成的測量誤差。

        1.1 系統(tǒng)簡介

        FWE200采用旁路工作系統(tǒng),使用射流泵將煙氣從煙道中經(jīng)探頭等速抽出,并抽取到一個加熱旋風(fēng)筒中,將煙氣加熱至過熱狀態(tài)(保證煙氣露點之上),然后煙氣進入測量單元。測量單元使用前激光散射法,激光器發(fā)出的650 nm調(diào)試光束射向顆粒物,在測量單元內(nèi)裝有一個高度靈敏的探測器,用來檢測粉塵顆粒散射光的強度,將光強度經(jīng)過信號放大后傳輸至微處理器的測量單元進行測量,該單元為粉塵儀的控制及測量核心部件,經(jīng)過測量單元分析從而得到粉塵濃度,并以4~20 mA信號輸出至二次表等裝置顯示輸出。此間種種措施消除了煙氣中水分對粉塵信號的干擾,監(jiān)測過后的尾氣經(jīng)采樣探桿重新回流至到煙道中。抽取式粉塵儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 FWE200結(jié)構(gòu)原理

        1.2 測量原理

        FWE200的工作原理是散射光(向前散射)。該原理的靈敏度高,尤其適合測量低顆粒濃度場合。一個激光二極管使用可見光范圍內(nèi)的調(diào)制光照射測量氣流中的粉塵顆粒。由粉塵顆粒散射的光波被一個極度敏感的檢測器收集,經(jīng)過電增強后,送至一個微處理器的測量通道中,該微處理器是測量、控制和評價電路板的中心部分。煙道中的測量體積由發(fā)射光束和接收孔之間的重疊來定義。其通過連續(xù)監(jiān)測發(fā)射功率來采集發(fā)射光束的微小亮度變化。測量的反射光強度SL與粉塵濃度c成正比,但是散射光強度不僅與粉塵顆粒的數(shù)目和大小有關(guān),還和它們的光學(xué)屬性有關(guān),所以該粉塵儀還加入重量法比對測量來對測量系統(tǒng)進行校正,從而實現(xiàn)粉塵濃度精確測量的功能。

        根據(jù)重量法求出的校正系數(shù)cc0(常數(shù))、cc1(一次項)和cc2(二次項)可以直接輸入測量系統(tǒng)使用的公式中:

        式中,SL為消光度;cc為修正系數(shù);cc2為二次系數(shù);cc1為線性系數(shù);cc0為常數(shù)項。

        FWE200的測量原理如圖2所示。

        圖2 FWE200測量示意圖

        2 可靠性驗證

        為探究FWE200粉塵儀的測量數(shù)據(jù)可靠性與真實性,試用初期階段聯(lián)合具有相關(guān)資質(zhì)的第三方檢測機構(gòu),采用常規(guī)煙氣粉塵采樣并使用稱重測量法,對粉塵儀進行了一次平行采樣比較試驗。人工手動采樣和在線自動測量同步進行,通過數(shù)據(jù)分析比對,探究FWE200粉塵儀系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

        2018年7月17日對比試驗開始,第三方檢測機構(gòu)采用常規(guī)便攜式顆粒物檢測儀器,對1#焚燒爐煙氣進行手動粉塵采樣,每個標(biāo)樣采集時長約為30 min,共進行6次平行采樣。專業(yè)檢測機構(gòu)對6個標(biāo)樣進行常規(guī)稱重法分析,具體獲得粉塵濃度結(jié)果如表1所示。計算可得,粉塵含量的總均值為 1.28 mg/m3。

        在進行比對試驗之前,F(xiàn)WE200抽取式粉塵儀實時數(shù)據(jù)已接入DCS,在第三方檢測人員手動取樣時,記錄采樣開始和結(jié)束時間,并從DCS中每分鐘導(dǎo)出一個歷史數(shù)據(jù),進行累加取平均值,得到對應(yīng)手動采樣時的FWE200抽取式粉塵儀的測量數(shù)據(jù),自動測量數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。計算可得,自動測量結(jié)果的最終均值為1.39 mg/m3。

        如圖3所示,比較平行測量結(jié)果可知,手動取樣化驗的結(jié)果和FWE200自動粉塵儀對煙塵的測定結(jié)果差異不大,平均值絕對誤差為0.05 mg/m3,相對誤差為8.5%。

        表1 手動采樣化驗結(jié)果

        表2 自動測量結(jié)果

        目前,最新版的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》(HJ 76-2017)指出,顆粒物≤10 mg/m3, 儀器與參比方法測量結(jié)果平均值的絕對誤差不超過±5 mg/m3視為合格,F(xiàn)WE200粉塵儀完全滿足該技術(shù)要求。

        圖3 手自動比對柱狀圖

        3 與后激光散射法粉塵儀對比

        此次可靠性驗證結(jié)合了一款傳統(tǒng)的后激光散射法粉塵儀,其量程范圍0~200 mg/Nm3。其實時粉塵測量數(shù)值也同步接入了DCS中,便于更為方便直觀地進行結(jié)果比對。

        通過試用期間對FWE200粉塵儀和后激光散射法粉塵儀歷史趨勢的分析可發(fā)現(xiàn),F(xiàn)WE200粉塵儀具有測量數(shù)據(jù)低、對工況變化敏感度高、測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強等特點。

        3.1 測量數(shù)據(jù)低

        如圖4所示,01曲線為后激光散射粉塵儀連續(xù)8 h的折算值歷史趨勢,02曲線為FWE200的同時段粉塵折算值歷史趨勢,F(xiàn)WE200粉塵儀小時均值為 1.8 mg/Nm3,后激光散射粉塵儀小時均值為3.5 mg/Nm3, 明顯高于FWE200粉塵儀的測量結(jié)果。這一結(jié)果也從側(cè)面證明了傳統(tǒng)后激光散射粉塵儀的測量精度低,誤差范圍大,容易增加環(huán)保風(fēng)險。

        圖4 測量結(jié)果對比1

        3.2 對工況敏感度高

        通過對歷史趨勢的分析,筆者發(fā)現(xiàn),F(xiàn)WE200粉塵儀對工況變化敏感度很高,光大環(huán)保能源(南京)有限公司布袋除塵器在正常運行中投入自動吹灰模式,吹灰條件為每間隔一個小時或者布袋壓差>1 300 Pa,當(dāng)布袋除塵器進行吹灰操作時,如圖5所示,每個02曲線的波峰即為吹灰時間,抽取式粉塵儀FWE200能夠快速響應(yīng)布袋除塵器的工況變化,并且從粉塵測量值上精準(zhǔn)快速反應(yīng),時間上和吹灰設(shè)定完全吻合,而后激光散射粉塵儀對吹灰操作無明顯數(shù)據(jù)變化(01曲線),如圖5所示。

        3.3 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強

        對比后激光散射粉塵儀和抽取式粉塵儀FWE200可以很明顯發(fā)現(xiàn),前者的數(shù)據(jù)總是在頻繁上下波動,曲線震蕩嚴(yán)重,無法達到相對穩(wěn)態(tài),而FWE200曲線相對平緩,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強,如圖6所示。

        圖5 測量結(jié)果對比2

        圖6 測量結(jié)果對3

        4 結(jié)論

        近一個月的試用和對兩款粉塵儀數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明,F(xiàn)WE200抽取式粉塵儀確實表現(xiàn)搶眼,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強,敏感度高,測量精準(zhǔn),更能有效地反映排口的粉塵排放情況。但較普通粉塵儀,F(xiàn)WE200設(shè)備組件眾多,安裝要求高,后期維護量大,前期投入成本高,缺點也較為突出,對大規(guī)模推廣使用勢必帶來一定的制約。

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