劉國(guó)慶

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

我國(guó)是能源消耗較多的國(guó)家，特別是煤炭資源，有接近一半用于火力發(fā)電。燃煤電廠鍋爐燃燒過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的灰渣、煙塵、SO2、NOx和痕量重金屬等多種有毒、有害的污染物，其中排放的PM2.5是環(huán)境污染的主要來(lái)源之一，嚴(yán)重影響著環(huán)境大氣質(zhì)量。國(guó)際上普遍重視對(duì)超低排放顆粒物的研究和防治工作，越來(lái)越多的國(guó)家制定了大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。隨著超低排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格化，對(duì)超低排放的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)顯得尤為重要[1]。目前燃煤電廠顆粒物濃度測(cè)試方法主要有取樣法和非采樣法。非取樣法不需要對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行采樣，而是通過(guò)顆粒物本身存在的某種特性間接實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物濃度的測(cè)量。光散射測(cè)量法為最常見(jiàn)的非取樣測(cè)量方法，在超低排放顆粒物連續(xù)監(jiān)測(cè)中占主導(dǎo)地位，更適合于低濃度顆粒物的測(cè)量。

光散射測(cè)量法是通過(guò)一定波長(zhǎng)的光束穿過(guò)粉塵顆粒物后的，測(cè)量散射光強(qiáng)的變化間接獲得顆粒物濃度的方法。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)散射光測(cè)量法做了研究，王清華等[2-6]先后研究得到了顆粒物質(zhì)量濃度、粒徑分布等信息，為超低排放顆粒物在線監(jiān)測(cè)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。劉丹丹等[7-10]也通過(guò)保護(hù)氣幕方法提高了測(cè)量精度及準(zhǔn)確度。但由于燃煤電廠排放的顆粒物的成分和性質(zhì)復(fù)雜，顆粒物粒徑小、粒度分布廣[11]，且煙氣中含有大量濕蒸汽和液滴[12-13]，吸附在測(cè)量鏡頭上，增加了測(cè)量結(jié)果噪聲，導(dǎo)致測(cè)量的失真。此外，光散射法顆粒物濃度測(cè)量裝置長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，存在光強(qiáng)漂移的現(xiàn)象，降低測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性。因此，隨著光散射法測(cè)量?jī)x在線運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)與標(biāo)定。

本文提出一種超低排放顆粒物濃度監(jiān)測(cè)在線校準(zhǔn)方法。基于光散射測(cè)塵原理，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)的分光光路、滿量程的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)光散射法顆粒物濃度計(jì)算方法進(jìn)行標(biāo)校修正，減少因檢測(cè)噪聲和光強(qiáng)漂移帶來(lái)檢測(cè)誤差。

1 測(cè)量校準(zhǔn)原理

1.1 測(cè)量原理

定光強(qiáng)光源是最常見(jiàn)的顆粒濃度測(cè)量光源方式[14]，其穩(wěn)定性高、易于控制。Mie散射理論是描述處于均勻介質(zhì)中的各項(xiàng)均勻同性的單個(gè)介質(zhì)球在單色平行光照射下的麥克斯韋方程邊界的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解。假設(shè)入射光為完全偏振光，觀察點(diǎn)與散射顆粒的距離為L(zhǎng)，對(duì)近似球形直徑為d的單個(gè)粉塵粒子，受到光強(qiáng)為I0的入射光照射，偏振角為φ，顆粒的總散射光強(qiáng)為Is。Is由垂直于散射面上所產(chǎn)生的散射光強(qiáng)Ir和平行于散射面方向所產(chǎn)生的散射光強(qiáng)It兩部分組成，即Is=Ir+It。Ir和It分別為：

（1）

（2）

式中，r為顆粒粒徑；θ為散射角；S1（θ）和S2（θ）為振幅函數(shù)，與折射率和無(wú)因次參量α有關(guān)，與入射光的偏振角φ無(wú)關(guān)；λ為入射光波長(zhǎng)；I0為透射光強(qiáng)。

在入射光為完全偏振光的情況下，得到的總散射光強(qiáng)Is為[15-16]：

（3）

式中，i1（θ）和i2（θ）分別為球形顆粒的強(qiáng)度函數(shù)。

對(duì)體積為V、顆粒物濃度為c的含塵氣流散射系進(jìn)行激光照射，得到散射系顆粒物的散射光強(qiáng)度為：

（4）

1.2 校準(zhǔn)原理

標(biāo)校原理如圖1所示。發(fā)射波長(zhǎng)為655 nm、功率為10 mW的半導(dǎo)體激光管發(fā)光，經(jīng)分光鏡頭組分為顆粒物測(cè)量光路和自檢光路，在檢測(cè)區(qū)域形成直徑約2 mm的光斑，激光檢測(cè)鏡頭與檢測(cè)光束的夾角為30°。進(jìn)行顆粒物濃度測(cè)量時(shí)，測(cè)量光路進(jìn)入測(cè)量區(qū)域，穿過(guò)顆粒物的透射光束采用光陷阱進(jìn)行收集，激光檢測(cè)鏡頭檢測(cè)到散射光強(qiáng)度信號(hào)，散射光強(qiáng)信號(hào)反映了顆粒物濃度；系統(tǒng)自檢時(shí)，僅允許自檢光路在干凈空氣氣路環(huán)境下通過(guò)。自檢光路光束作為參考光路經(jīng)全反射鏡反射后進(jìn)入測(cè)量區(qū)域，參考光信號(hào)經(jīng)測(cè)量區(qū)域后進(jìn)入探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)原始光強(qiáng)的自檢與標(biāo)定。首先，在潔凈環(huán)境下測(cè)量不同顆粒物濃度下的散射光強(qiáng)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行激光器造成污染，利用分光光路測(cè)量激光檢測(cè)鏡頭的污染程度；同時(shí)，測(cè)量不同污染程度下的不同顆粒物散射光強(qiáng)，分析數(shù)據(jù)對(duì)不同污染程度的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)超低排放顆粒物濃度的準(zhǔn)確測(cè)量。

圖1 標(biāo)校原理Fig.1 Calibration schematic diagram

1.3 鏡頭污染環(huán)境下的顆粒物濃度計(jì)算

在不進(jìn)行顆粒物濃度測(cè)量時(shí)，假設(shè)干凈的激光檢測(cè)鏡頭檢測(cè)到的散射光強(qiáng)為I1，受污染后檢測(cè)到的光強(qiáng)為I2，受污染后測(cè)得顆粒物的散射光強(qiáng)為I′，則受污染后測(cè)量的顆粒物濃度計(jì)算值c′可修正為：

（5）

2 校準(zhǔn)方法

在超低排放煙氣中，測(cè)量通道除了腐蝕性氣體還存在液態(tài)水滴，光學(xué)鏡頭長(zhǎng)期暴露在惡劣的環(huán)境下，加快了光學(xué)鏡頭的污染速度，同時(shí)會(huì)腐蝕鏡頭表面，嚴(yán)重影響自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的可靠性。特別是當(dāng)設(shè)備突然斷電時(shí)，煙道中的煙氣在未經(jīng)加熱的情況下直接進(jìn)入檢測(cè)單元，將會(huì)在暗室中囤積大量的腐蝕性液體。

為解決上述問(wèn)題帶來(lái)的影響，設(shè)計(jì)用環(huán)氧樹(shù)脂包裹的自鎖伸縮電磁閥帶動(dòng)校準(zhǔn)鏡片作為滿量程校準(zhǔn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。滿量程校準(zhǔn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 滿量程校準(zhǔn)流程Fig.2 Full range calibration flow chart

圖2中，抽氣系統(tǒng)先抽取過(guò)濾后的潔凈空氣，自鎖伸縮電磁閥伸出，測(cè)量激光照射在校準(zhǔn)鏡片上，在光電傳感器上產(chǎn)生滿量程的校準(zhǔn)反射光，系統(tǒng)記錄此時(shí)的發(fā)射光強(qiáng)。測(cè)量顆粒物濃度時(shí)，安裝在自鎖伸縮電磁閥上的校準(zhǔn)鏡片退回，光學(xué)鏡頭測(cè)量由顆粒物產(chǎn)生的散射光以實(shí)現(xiàn)濃度測(cè)量。顆粒物濃度測(cè)量持續(xù)時(shí)間Q后，系統(tǒng)進(jìn)行滿量程校準(zhǔn)，抽氣氣路切換到過(guò)濾后的潔凈空氣，然后伸出校準(zhǔn)鏡片，測(cè)量此時(shí)的反射光強(qiáng)，判斷此時(shí)的反射光強(qiáng)與系統(tǒng)記錄的光強(qiáng)值之間的誤差是否超過(guò)設(shè)定閾值P，若超過(guò)P即進(jìn)行滿量程校準(zhǔn)糾正。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法與測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)際測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，光散射法測(cè)量顆粒物濃度屬于非稱重方式，需要用濾膜稱重法進(jìn)行誤差分析。不同燃煤電廠排放的顆粒物有差異，給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證帶來(lái)困難。為了進(jìn)行參比實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室搭建了基于粉塵風(fēng)硐的測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)粒子選用研磨后的煤粉，煤粉粒度分布見(jiàn)表1。

表1 煤粉粒度分布Tab.1 Coal particle size distribution

使用馬爾文發(fā)塵器將研磨后的煤粉定量注入管徑40 cm、長(zhǎng)1 500 cm的風(fēng)硐，粉塵風(fēng)硐風(fēng)速調(diào)節(jié)范圍1～15 m/s，同時(shí)配有靜電除塵器以減少對(duì)環(huán)境的污染。在風(fēng)硐直管段的采樣口分別安裝光散射法超低排放監(jiān)測(cè)儀及粉塵采樣器，進(jìn)行平行采樣。使用萬(wàn)分之一天平對(duì)粉塵采樣器上的濾膜進(jìn)行稱重，稱重前濾膜均進(jìn)行干燥除濕處理，除以采樣體積獲得粉塵的濃度。同時(shí)，分別在光強(qiáng)不修正與修正、儀器校準(zhǔn)與不校準(zhǔn)模式下獲得光散射法濃度測(cè)量讀數(shù)，進(jìn)行比對(duì)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 粉塵實(shí)驗(yàn)風(fēng)硐Fig.3 Dust experimental tunnel

3.2 非修正模式下的顆粒濃度測(cè)量

在1～6 mg/m3的粉塵濃度環(huán)境下，連續(xù)運(yùn)行顆粒物監(jiān)測(cè)儀，對(duì)測(cè)量?jī)x器光強(qiáng)不進(jìn)行修正同時(shí)也不采取定期校準(zhǔn)，在不同時(shí)間點(diǎn)使用粉塵采樣器進(jìn)行采樣，通過(guò)濾膜稱重法獲得該時(shí)刻的粉塵濃度，并與顆粒監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)以采樣稱重結(jié)果作為真實(shí)值，計(jì)算監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量結(jié)果與稱重結(jié)果的誤差，如圖4所示。

圖4 非修正模式測(cè)量結(jié)果及誤差對(duì)比Fig.4 Comparison of measurement results and errors

從圖4可知，在30 d內(nèi)，隨著顆粒物監(jiān)測(cè)儀連續(xù)運(yùn)行的持續(xù)，光散射法測(cè)量的顆粒物濃度與濾膜稱重法相比較，誤差越來(lái)越大，出現(xiàn)明顯的負(fù)偏差。通過(guò)計(jì)算得到誤差為1.16%～37.98%。

3.3 光強(qiáng)修正模式下的顆粒濃度測(cè)量

使用式（5）對(duì)光散射法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，在1 d內(nèi)的不同濃度環(huán)境下對(duì)采用修正與不修正的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性擬合。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 修正與非修正計(jì)算模式下的測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of measurement results under modified and unmodified calculation mode

從圖5可知，當(dāng)顆粒物濃度濃度在1～8 mg/m3時(shí)，采用光強(qiáng)修正得到的測(cè)量濃度與采樣稱重結(jié)果一致性較好，擬合一次曲線斜率為0.963 39，殘差平方和為0.049 40，優(yōu)于非修正模式下的測(cè)量結(jié)果。

3.4 校準(zhǔn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

設(shè)定監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)周期為每24 h一次，連續(xù)運(yùn)行15 d，將校準(zhǔn)條件下測(cè)量的結(jié)果與不校準(zhǔn)條件下比對(duì)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 定期校準(zhǔn)與不校準(zhǔn)模式下的測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of measurement results between periodic calibration and non-calibration modes

由圖6可知，當(dāng)顆粒物濃度濃度在1～8 mg/m3時(shí)，定期校準(zhǔn)模式下的測(cè)量濃度與采樣稱重結(jié)果一致性較好，擬合一次曲線斜率為0.922 00，殘差平方和為0.038 84，明顯優(yōu)于不校準(zhǔn)模式下的擬合曲線斜率和殘差平方和。

因此，在光強(qiáng)修正模式下，定期對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，會(huì)明顯提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，滿足超低排放的測(cè)量要求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于光散射法的超低排放顆粒物濃度測(cè)量，其光學(xué)鏡頭容易受到顆粒物、水汽等污染，造成散射信號(hào)本底值和量程容易漂移，使得顆粒物測(cè)量濃度出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重影響測(cè)量?jī)x器的測(cè)量準(zhǔn)確度和精度。本文通過(guò)開(kāi)展對(duì)光散射超低排放顆粒物濃度監(jiān)測(cè)自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)的研究，提出了一種光散射法超低排放監(jiān)測(cè)儀器滿量程自動(dòng)校準(zhǔn)方法，搭建了參比驗(yàn)證系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)量結(jié)果與濾膜稱重法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，同時(shí)分析了測(cè)量誤差來(lái)源；采用分光法交替測(cè)量激光檢測(cè)鏡頭的污染程度，實(shí)現(xiàn)了基于光強(qiáng)修正的顆粒物濃度測(cè)量；采用伸縮校準(zhǔn)鏡頭，實(shí)現(xiàn)了顆粒測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)滿量程定期校準(zhǔn)。與濾膜采樣稱重結(jié)果對(duì)比表明，光強(qiáng)修正和定期校準(zhǔn)可明顯提高測(cè)量?jī)x器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；與稱重結(jié)果擬合一次曲線，采用光強(qiáng)修正方法的曲線斜率為0.963 39，24 h定期校準(zhǔn)方法的曲線斜率為0.922 00。