隋金君

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

目前市面上的煙塵濃度檢測儀器種類繁多，比如：光學散射法、β射線法等。但是單獨檢測方法均存在一定的問題，β射線法雖然測試結果準確，但測試周期過長(一般測試周期均在30 min以上)；而光學散射法測試結果是實時在線的，但光學器件容易被含塵氣流污染，測試結果會產生誤差和偏移。因此，本文提出一種新的融合技術，將β射線法和光學散射法融合在一起，β射線測試系統(tǒng)周期性自動標定光學測試系統(tǒng)，使得光學實時在線測試值準確度更高，可靠性更好[1-5]。

下面分別從β射線法測試原理與單元、光學散射法測試原理與單元進行分析研究，最后進行2種方法的融合，得出煙塵的準確實時在線測試值。

1 總體方案

整個融合技術由2部分組成，分為光學散射法測試單元與β射線法測試單元，采用β射線法和光學散射法相融合技術，實現(xiàn)β射線法對光學散射法測試排放顆粒物濃度進行周期性標定，系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示，排放樣氣以等速跟蹤的方式分別進入光學散射測試單元和β射線測試單元，光學散射測試單元實時監(jiān)測煙道內顆粒物濃度，β射線測試單元根據(jù)需要設定，周期監(jiān)測煙道內的顆粒物濃度，實現(xiàn)對光散射測試單元自動標定[6-7]。

圖1 系統(tǒng)整體結構框圖

2 β射線測試單元

2.1 技術路線

β射線單元煙塵濃度技術路線圖如圖2所示，其采用的原理和步驟如下[8-10]：

(1)含塵煙氣通過進氣機構進入采樣管道后，由于煙氣中的溫濕度較高，需要對煙氣進行加熱處理。其處理方法為通過溫度傳感器1采集采樣管道中的溫度數(shù)據(jù)，并通過MCU控制其溫度始終在露點溫度以上，并且在采樣管道外壁包裹保溫材料，盡量減少熱量的損失；

圖2 β射線測試單元技術路線圖

(2)煙氣通過采樣管道后進入β射線強度檢測機構，通過PLC控制壓緊裝置使采樣管路閉合，在濾紙采樣工位將煙塵中的顆粒物截留在濾紙之上；

(3)為保證檢測精度，抽塵之前以及抽塵之后需要將紙帶通過平移滑臺移動至紙帶烘干工位對濾紙進行烘干，以避免濾紙中的水分對檢測結果的影響，其烘干過程通過溫度傳感器2反饋的信號由MCU進行動態(tài)控制，平移過程通過PLC對平移滑臺進行控制；

(4)β射線計算粉塵濃度的原理需要分別檢測采樣前后穿透濾紙的β射線放射強度I1及I2，因此，在濾膜采樣前后需要通過PLC控制平移裝置將濾膜位移至β射線強度檢測工位，分別將對穿透濾膜的β射線放射強度進行檢測；

(5)在β射線強度檢測完成之后，通過PLC控制卷紙電機對紙帶進行回收，其中卷紙距離通過安裝在紙帶壓緊軸上的編碼器反饋信號控制；

(6)為保證采樣過程中流量的穩(wěn)定性，在采樣泵之前安裝了孔板采樣流量檢測機構，壓差和壓力傳感器采集的信號通過MCU控制采樣泵的轉速；

(7)由于煙氣中含有腐蝕性氣體，因此在采樣泵之前安裝了冷凝器和干燥劑以保護采樣泵；

(8)在測得采樣前后β射線放射強度I1、I2、流速、采樣時間、溫濕度等關鍵參數(shù)后，最終通過MCU計算出煙氣中的顆粒物濃度。

2.2 塵樣采集、檢測

塵樣收集部分主要由抽塵管路、濾紙帶、濾紙壓緊及松開裝置、濾紙傳送裝置、檢測裝置等組成。

(1)抽塵管路：抽塵管路內徑大小直接影響濾紙上塵源的大小，β源檢測口直徑為10 mm，根據(jù)β源檢測口的大小，為了保證射線有效通過顆粒物沉積面，抽塵管內徑取12 mm，壁厚取1 mm。

(2)濾紙選型及性能校核：根據(jù)過濾和結構要求選用濾紙，外徑為140 mm，內徑為28 mm，寬度為40 mm，長度為40 m。放帶輪空轉所需拉力根據(jù)計算為0.125 N。旋轉編碼器軸系轉動所需力小于1 N。選擇的紙帶縱向抗拉力為32 N。大幅超過收帶時的系統(tǒng)牽引阻力，因此，濾紙強度完全滿足牽動輪系運動要求。為防止編碼器軸打滑，紙帶壓緊力產生的摩擦力需大于旋轉編碼器軸的轉動力(1 N)，并小于紙帶的牽引力減系統(tǒng)阻力即可。通過計算，紙帶壓緊范圍為1～30 N，為了穩(wěn)定起見，壓緊力取15 N。

(3)紙帶的壓緊、松開裝置：濾紙的壓緊、松開裝置結構如圖3所示，通過步進電機帶動螺紋套前后運動來撥動抽塵管上的軸套，在彈簧力的作用下從而帶動抽塵管達到上下運動，從而滿足紙帶的壓緊、松開要求。

圖3 紙帶壓緊、松開結構圖

濾紙的密封將直接影響抽塵的效果，濾紙的密封主要取決于彈簧的壓緊力。根據(jù)墊片所需最小壓緊力的計算公式：F=πDby，y=1.5p，可得出1個抽塵口濾紙所需的最小壓緊力F=5 N，3組同時抽塵可需壓緊力為15 N，取1倍安全系數(shù)，壓緊力為30 N。按壓縮5 mm產生30 N計算，克服彈簧壓力取40 N(壓縮5 mm,剛度為8 N/mm)，抽氣管質量為30 N，螺紋套需要產生的向上推力為100 N。根據(jù)計算螺紋需要的軸向推力為200 N，需要的扭矩為T=0.2Fd，d取10 mm，通過計算需要的扭矩為1 kN·mm，步進電機額定扭矩為1.2 kN·mm。

(4)紙帶傳送部分：紙帶傳送部分主要由濾膜收帶裝置、濾膜放帶裝置、濾膜移動長度控制單元、抽塵管道、檢查部件等部分組成。抽塵管道和檢測裝置固定在箱體上不動，前面板上的紙帶收放系統(tǒng)，過渡輪系及前面板等連接在滑臺上，可以進行左右移動。移動部件除轉軸及標件外盡量采用鋁合金材料。其結構如圖4所示。

圖4 紙帶傳送結構圖

(5)塵樣檢測部分：塵樣檢測部分主要由β源、計數(shù)器以及電路等組成。

β源采用性能穩(wěn)定，采用低密度、低活度(<90μCi)、半衰期長(5 700年)的14C源，封裝在特定金屬結構中，測量穩(wěn)定且無需特別防護，不會造成放射性污染；根據(jù)測試原理，β源與探測器之間的距離一般在3～5 mm；該距離根據(jù)試驗結果進行調整。探測器主要包括蓋格管和光電倍增管2種，經過對比光電倍增管的性能比蓋格管好很多，尤其表現(xiàn)在低濃度時分辨率高，因此考慮采用CH320光電倍增管探測器。現(xiàn)場校準采用通用的校準膜校準。

圖5 光學散射測試單元技術路線圖

3 光學散射測試單元

3.1 技術路線

光散射檢測單元結構框圖如圖5所示，其主要工作原理如下所述[11-16]：

(1)在檢測口將DN20抽氣管道插入排放煙道中，抽氣動力由風機配合引射器提供，根據(jù)現(xiàn)場調查以相應的速度8、16、22 m/s，恒速抽吸排放煙道中的氣體；

(2)將抽吸的待測氣流經過高溫旋流伴熱系統(tǒng)，通過溫度傳感器和控制器將經過高溫伴熱的氣流溫度控制在(110±10)℃，使水滴和氣霧蒸發(fā)，作為測量氣流進入散射池中；

(3)控制器利用高溫伴熱出口到散射池入口的壓差信號(1～5 mbar)，通過變頻器調節(jié)風機引射流量，達到控制抽吸口流量的目的；

(4)激光驅動電路控制激光器的發(fā)射功率為5 mW，將激光射入散射池，當測量氣流中含有顆粒物時，散射光檢測器將顆粒物的散射光信號轉換成電壓信號，實現(xiàn)顆粒物濃度檢測；

(5)在風機的入口處連接空氣過濾器，保證風機的引射氣流和反吹氣流的純凈，反吹氣流對激光器發(fā)射鏡頭和散射光檢測器探頭持續(xù)吹掃，并在散射池中包裹測量氣流，防止測量氣流中的顆粒物對激光器發(fā)射鏡頭和散射光檢測器探頭的污染。

3.2 光學測試技術

光學測試技術由樣氣加熱預處理、光學測試機構及器件2部分組成。

(1)加熱預處理：空氣加熱按照加熱方式的不同，可分為熱管交換式加熱，卵石床蓄熱式加熱、電弧加熱、激波管式加熱、燃燒型加熱及組合加熱等。熱管交換加熱的熱源由電阻蓄熱或者燃燒提供，其加熱效率較低；卵石床蓄熱式加熱無污染，但產生較多的固體顆粒且反應慢；電弧加熱可控性好，但費用昂貴，且可能引起空氣離解，形成氮的氧化物；激波管加熱氣流的氣溫高，但不適于長時間使用；燃燒加熱方式會使樣氣流產生污染。在燃煤電廠顆粒物排放監(jiān)測系統(tǒng)中，需要長時間工作，且樣氣處理不能改變樣氣中顆粒物的濃度，同時需要長時間工作，本文選擇采用類似熱管加熱方式對樣氣進行加熱處理。

(2)光學測試機構：采用前向小角光散射原理檢測顆粒物濃度，整個檢測單元示意圖如圖5所示，主要由有以下幾個部分構成：激光器、散射光探測系統(tǒng)、散射池、光陷阱。

光學部件主要包含激光器，光學透鏡和散射光探測器3個部分。

激光器采用LP650光纖激光器，激光器的典型波長為650 nm，最大輸出功率為20 mW。光學透鏡采用的是三透鏡組成的光學透鏡組。(TC12FC光學透鏡組)，透鏡輸出光斑形狀為圓形光斑，在2 m處光斑大小為2.5 mm，發(fā)散角為0.021°。PS33-6型PIN探測器有效面積為33 mm2，能夠實現(xiàn)對煙塵的散射光進行有效探測。

4 煙塵濃度檢測試驗

基于β射線法和光學散射法的煙塵濃度檢測技術設計完成了一種適用于現(xiàn)場的煙塵濃度在線監(jiān)測儀。使用該監(jiān)測儀樣機在某燃煤電廠和煙塵采樣器稱重方式進行對比實驗，其實驗系統(tǒng)如圖6所示。煙塵經過脫硫脫硝之后進入煙道進行排放，采樣器經過采樣之后使用百萬分之一的天平稱重采樣器濾膜的增重，來計算實時的煙塵濃度值。

圖6 監(jiān)測儀樣機的煙塵實驗系統(tǒng)

在排放煙道內煙塵比較均勻地分布在風硐中。采樣器等速抽氣采樣，稱重得到煙塵濃度實時值。同時基于β射線法和光學散射法融合的監(jiān)測儀的測試數(shù)值現(xiàn)場快速獲取，最后通過采樣器稱重煙塵濃度值和現(xiàn)場煙塵濃度監(jiān)測儀的測試值進行對比實驗，得到煙塵濃度傳感器的對比與稱重法的誤差值。經過1個月的長時間實驗，得到其誤差均小于±10%，截取的眾多實驗數(shù)據(jù)中的一段如表1所示。

5 結論

本文基于β射線法和光學散射法融合技術的研究，通過原理剖析、β射線法測試技術和光學散射法測試技術研究以及實驗對比等，完成了煙塵濃度的在線監(jiān)測技術的研究，解決了如下的問題：

表1 樣機與稱重方式煙塵濃度試驗數(shù)據(jù)表

注：重復性是對每個測試點進行了15次測試的結果。

(1)基于β射線法和光學散射法的研究，提出了適用于排放現(xiàn)場的一種快速獲取濃度數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測技術；

(2)通過實驗驗證了該種煙塵濃度在線監(jiān)測技術能夠很好地適用于排放現(xiàn)場，其誤差均小于±10%。