角散射低質量濃度煙塵在線測量系統設計

于天澤, 楊 斌, 王 婷, 蔡小舒

(上海理工大學 顆粒與兩相流測量研究所, 上海 200093)

引 言

煙塵是燃煤電廠排放的主要大氣污染物之一,同時也是我國煤電節能減排與環境保護的關鍵問題之一[1]?！睹弘姽澞軠p排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》規定新建燃煤發電機組煙塵排放不高于10 mg/m3[2]。參照目前燃煤電廠煙塵排放顆粒物測量執行標準《固定污染源煙氣排放連續檢測技術規范(試行)》(HJ/T75),當顆粒物排放質量濃度不大于50 mg/m3時,絕對誤差不超過±15 mg/m3,該誤差就明顯高于超低排放限值[3]。而美國環境保護局要求煙塵測量誤差小于排放限值的10%,即2.2 mg/m3[4],可見國內關于超低排放煙塵監測技術水平仍然存在較大差距。

采樣稱重法目前仍是國際上主要的固定污染源顆粒物檢測方法[5]。對于超低排放,這類檢測方法在精度和靈敏度方面顯得不高。對此,主要依靠規范有效稱量、在常規采樣流量下延長采樣時間或在常規采樣時間內提高采樣流量等方式來降低檢測下限、提高測量精度和靈敏度。為了解決人為取樣操作等各種因素的影響,振蕩天平法與β射線法等自動連續累積測量方法可直接應用于現場在線測量。這兩種方法采用了自動采樣和檢測,一體化設計使檢測時間從數小時縮減到數十分鐘,更方便地為環保監測提供數據,但對于實時控制來說仍顯不足[6]。而角散射法是通過建立角散射光強與煙塵質量濃度關系實時得到煙塵質量濃度,具有更好的實時性與測量靈敏度,適合用于超低排放燃煤電廠低質量濃度煙塵在線監測[7]。

為了滿足國家環保排放要求,實現電廠煙塵的超低質量濃度排放,大多數燃煤電廠采取了改造濕式除塵器的方法來降低煙囪入口煙塵排放的質量濃度,將其排放的質量濃度降低至5 mg/m3,甚至更低。研究發現濕式除塵器除塵后的顆粒粒徑呈雙峰分布,大小集中在0.1 μm與2～3 μm左右[8]。本文針對這一燃煤電廠排放煙塵粒徑特征,通過對該粒徑顆粒散射進行仿真計算,設計基于角散射原理的低質量濃度煙塵在線測量系統,并進行實驗驗證,為后續工業應用提供參考。

1 角散射煙塵質量濃度測量原理

Mie理論是對處于均勻介質中的各項均勻同性的單個介質球在單色平行光照射下的麥克斯韋方程邊界的嚴格數學解。假設入射光為完全偏振光,觀察點與散射顆粒的距離為r,入射光振動面與散射面之間夾角為φ,那么顆粒的總散射光強Is為

(1)

式中:I0為入射光強;λ為波長;i1(θ)和i2(θ)為強度函數;θ為散射角。對于球形顆粒,其散射光強與散射角θ、顆粒的相對折射率n及無因次參量α有關,與方位角φ無關。如果入射光為自然光,散射光強可表示為

(2)

假設顆粒群的歸一化頻數分布函數為nr(Di)(i=1,2,…,∞),則可以導出煙塵顆粒物的數目濃度為

(3)

式中:V為待測煙塵體積;ΔDi為粒徑的微分。

顆粒群質量濃度為

(4)

式中ρ為被測氣體的密度。在式(4)中,只有散射光強Is與顆粒物的質量濃度M未知,可以得出散射光強與顆粒物的質量濃度成正比,即存在Is=KM,K為某一常數,因此只需要測出散射光強Is,就可以計算出被測煙塵中顆粒物的質量濃度。

當煙塵質量濃度較低時,可以認為顆粒的散射光是非相干的,可以把總散射光強當成每個顆粒散射光強的疊加。因此,可通過Mie散射理論開展顆粒散射仿真計算,研究不同散射角度及不同波長入射光對散射光強的影響,從而可以得到角散射測量系統的關鍵參數。

煤粉經過燃燒后近似成三模態分布,顆粒粒徑峰值集中在0.1 μm、3 μm和8 μm附近,但經過濕式除塵器后,煙塵顆粒粒徑峰值主要集中在0.1 μm和3 μm左右。其中,0.1 μm的顆粒群分布近似成對數正態分布,而3 μm的顆粒群分布近似成R-R分布。選取波長為650 nm的激光對0.1 μm和3 μm顆粒群進行散射光強仿真,為了方便計算及對比,將入射光強值設置為1,測量距離r設為1 mm,散射光強仿真結果如圖1和圖2所示,圖中反映的是顆粒在不同角度所對應的散射光強相對值,Is/I0表示顆粒在此角度的散射能力。

圖1 0.1 μm顆粒散射光強Fig.1 0.1 μm scattering light intensity

圖2 3 μm顆粒散射光強Fig.2 3 μm scattering light intensity

從圖中可見,當一束光投射到煙塵中時,小顆粒的散射呈對稱分布,通過前向或后向散射均可得到其散射信息。為了只提取小顆粒的信息,故選擇后向進行測量,具體測量角度根據測量探針規格確定。而大顆粒的散射集中在前向,因此需通過前向散射才可得到大顆粒的散射信息,但由于匯光器實際體積的影響,故測量角度一般選擇在10°左右。

為了更加接近實際情況,對0.1 μm和3 μm的顆粒群在相同的質量濃度下進行了仿真計算,仿真結果如圖3所示。

從圖中可以發現,兩種顆粒群在相同質量濃度時,大顆粒群在前向的散射光強明顯大于小顆粒群,而在后向散射區,兩者的光強值相近,在后向30°左右大顆粒群散射光強出現了一個向下的峰值,明顯低于小顆粒群的散射光強。濕式靜電除塵器WESP出入口的顆粒物質量濃度分布圖如圖4所示,在圖中可以看出濕式靜電除塵器對小顆粒的祛除效率低,在出口處小顆粒群的質量濃度是大于大顆粒群的質量濃度的,所以為了更好地得到小顆粒群的散射信息,選取后向30°對小顆粒群進行測量是較為準確的。

圖3 同質量濃度下顆粒群的散射光強Fig.3 Scattering intensity of particle group at the same mass concentration

圖4 濕式靜電除塵器出入口顆粒質量濃度對比Fig.4 Comparison of WESP inlet and outlet particle concentration

2 實驗裝置

根據前面所述的顆粒散射情況,研究小顆粒后向散射特性顯得極其重要,若通過實驗驗證小顆粒散射符合上述理論,那么大顆粒散射也同樣遵循此規律。因此,設計了一套研究小顆粒散射的實驗方案,實驗光路如圖5所示。

圖5 實驗光路Fig.5 Optical path of the experiment

按照圖5搭建了一個0.2 m3的透明玻璃罩,在玻璃罩內一側點燃一盤無煙蚊香,為了使蚊香煙霧分布均勻,在玻璃罩內安裝一個風扇用于攪拌,在另一側安裝一個激光器,并呈后向30°對散射光進行接收。同時為了加強散射光強,在接收光纖前段安裝一個激光準直器,之后將光強信號通過光譜儀導出至計算機。搭建的實物裝置如圖6所示。

圖6 實驗裝置圖Fig.6 Diagram of the experimental setup

3 實驗結果與分析

測量樣品為某品牌無煙蚊香。實驗開始時,先打開小風扇和激光器,后打開光譜儀并點燃蚊香。每間隔0.5 s測量散射光強,進行2 min的實驗測量。測量結果如圖7所示。

圖7 實驗結果圖Fig.7 Experimental result chart

由圖7可知,散射光強隨蚊香燃燒時間的增長而增大,蚊香煙霧質量濃度不是均勻增長是因為燃燒不穩定所造成的,但在實際煙氣測量中,排放量是恒定的,因此對測量不會產生很大影響。圖中黑色的點為所測到的散射光強隨時間變化的散點圖,為了避免實際測量值與理論值產生的誤差,本實驗用擬合的方法來處理實驗數據,擬合公式為

y=8.034 08x+141.913 21

(5)

擬合因子R2為0.972。

由圖7中的擬合圖線可以看出,散射光強隨時間的增大而增大,即與時間呈正比關系。理論上,在未開始測量時,蚊香煙霧的散射光強為零,但實際上,由于在實驗剛開始進行時,蚊香煙霧的產生量較少,此時,玻璃罩中幾乎全為空氣,空氣中的顆粒物對光的散射作用占比很大,所以造成圖中的擬合曲線沒有經過原點,擬合公式中的常數141.913 21為空氣中顆粒物的散射光強,在進行濃度反算時,應當將這一數值減去,即蚊香煙霧散射光強的擬合公式為

y=8.034 08x

(6)

張文華等利用氣溶膠粒度測量儀對密閉空間內蚊香的煙霧進行過測量[9],在密閉室內點燃蚊香15 min后測得煙霧總質量濃度為1 412 mg/m3,如果蚊香燃燒穩定,那么蚊香煙霧每秒產生的煙霧質量是恒定的,我們就可估算出蚊香的產出量為16 μg/s,由此就可通過散射光強來估算煙霧質量濃度,如圖8所示。

圖8中,實線為擬合曲線。隨蚊香煙霧質量濃度的增大,所對應的散射光強也增大,即二者近似呈正比關系。通過計算分析可以得到常數K=0.100 43,因此在實際測量中,只要用相關儀器測得某一時刻蚊香顆粒物的散射光強,就可以反算出對應的蚊香顆粒物的質量濃度。

4 結 論

本文通過對電廠低質量濃度煙塵進行光散射理論計算,得出了針對不同粒徑顆粒的最佳測量角度,在實驗室搭建了基于角散射原理的低質量濃度測量裝置,測量出了小顆粒的散射光強,同時擬合得到了散射光光強與煙塵質量濃度成正比關系,其擬合因子R2為0.972。本文所設計的測量方法可應用于低質量濃度煙塵排放的在線測量。

[1] 趙磊,周洪光.超低排放燃煤火電機組濕式電除塵器細顆粒物脫除分析[J].中國電機工程學報,2016,36(2):468-473.

[2] 國家發展改革委,環境保護部,國家能源局.關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知[R].北京:國家發展改革委,環境保護部,國家能源局,2014.

[3] 中華人民共和國環境保護部.HJ/T 75—2007固定污染源煙氣排放連續監測技術規范(試行)[S].北京:中國環境科學出版社,2007.

[4] British Standards Institution.BS EN 14181—2004 Stationary source emissions- Quality assurance of automated measuring systems[S].British Standards Institution,2004.

[5] 馮健兒,韓鵬.基于濾膜稱重法的大氣顆粒物自動監測儀[J].計算機與現代化,2013(7):94-97,134.

[6] 李昆,鐘磊,張洪泉.煙塵濃度測量方法綜述[J].傳感器與微系統,2013,32(2):8-11.

[7] 張敏.光散射法測量超細顆粒粒度的研究[D].天津:天津大學,2005.

[8] 于敦喜,溫昶.燃煤PM2.5和Hg控制技術現狀及發展趨勢[J].熱力發電,2016,45(12):1-8.

[9] 張文華,梁寶英.蚊香煙霧對室內環境氣溶膠濃度和粒徑分布的影響[J].環境與健康雜志,1992,9(5):212-213.