基于微电荷法的烟气颗粒物浓度检测技术及其应用

罗超，黄齐顺，查智明，姚为方

(安徽省电力科学研究院，安徽合肥 230061)

0 引言

颗粒物污染控制是我国大气污染控制的重点之一，2012年冬天以来在我国多个大中城市集中爆发的“雾霾”天气将燃煤电厂的烟气排放问题推至舆论的风口浪尖，可以预见的是未来的国家标准将会对电厂的排放采取更为严格的限制措施，因此更为高效的固体颗粒物排放控制和治理措施势在必行［1］，而烟气中颗粒物浓度检测技术的提高则是相应的前提条件［2］。

目前就全球范围来说，烟气中固体颗粒物浓度检测手段的发展较为缓慢，常用的方法主要是重量法、β射线吸收法、透光度法和光散射法等［3］。重量法是传统的检测方法，这种方法不仅技术比较落后，精度及灵敏度也很难再提高，采样中人的参与和众多因素的影响使得随机误差极难控制，更不宜应用于自动在线监测。β射线吸收法不仅操作周期同样较长，且涉及到的仪器构造复杂，成本高昂，不适于大规模投资和应用。透光度法是运用光学原理对颗粒物进行检测的经典方法，其基本原理是基于恒定光通量的光通过粒子后产生衰减，通过测定衰减量得到粒子的浓度;光散射法主要是基于光与烟尘颗粒物相互作用产生散射，散射光的强度与总散射的面积成正比，通过测量散射光的强度即可得到烟尘颗粒物的浓度。目前国内固定式的连续颗粒物浓度监测系统主要就是基于这两种光学方法［4］，但透光度法灵敏度低，而光散射仪器的光学窗口污染后产生的剩余累计误差则大大影响测量结果的准确性，因此国家标准中仍将传统的手工采样法作为烟气颗粒物浓度检测的标准方法。

微电荷颗粒物感应技术最早出现在20世纪70年代，从最初简单的基于模拟电路的独立式除尘器泄漏检测仪，到基于复杂算法的集成式系统，此项技术随着对微电荷感应原理更深入的理解和微电子及数字技术的发展而逐步完善起来，并被应用到越来越多的工业领域当中。

1 基本原理

在夹带颗粒物的气流中，当颗粒与探头碰撞时，颗粒和探头间会发生电荷传递，即摩擦起电，这个信号被称为“撞击电流信号”(Strike Current Flow Signal，SCFS)。气流中的颗粒自身也带有一定净电荷，当微粒经过探头附近时，探头上也会产生感应电荷，即静电感应，这个信号则称为“感应电流信号”(Inductive Current Flow Signal，ICFS)。撞击电流信号、感应电流信号的产生过程见图1和图2。

图1 撞击电流信号的产生过程

图2 感应电流信号的产生过程

当一个颗粒与探头碰撞时，电荷转递量的多少取决于颗粒的物化性质和速度。一群颗粒物与探头碰撞的综合结果是在探头上产生的微小电流信号，信号的强度与一定时间内碰撞探头的颗粒数量成正比。在探头附近，颗粒通常不是均匀分布的，同时它们的流动速度也在平均速度上下浮动;所以SCFS的强度也是在某一均值附近浮动。当一个颗粒掠过探头时，感应电荷量的多少取决于探头的形状、探头和粒子之间的径向距离、颗粒所带的净电量以及粒子的轴向速度。当颗粒通过在探头所在的管道截面时，如果将其所带的电荷当作一个脉冲信号，而由感应电荷在探头上的生成的电流信号则是这个感应系统的脉冲响应。这样探头和它周围的空间形成了一个信号过滤器，即“空间过滤效应”。当随机分布的颗粒掠过探头时，得到的SCFS则是原始随机信号经过滤后的结果，其中包含关于颗粒流动和信号过滤器本身的重要信息。上述两个来源的电流信号经过监测、处理和分析，来得到颗粒物的流量和浓度，测量的系统如图3所示。

图3 微电荷法烟气颗粒物监测技术的系统示意

2 技术难点

如前所述，SCFS的统计平均值，即直流部分，与颗粒物质量流量成正比，而信号与其均值之间的偏离，即信号的交流部分，亦与颗粒物质量流量成正比。ICFS的统计平均值是零，感应信号和零之间的偏离，即交流部分，与颗粒物质量流量成正比。但是因为“空间过滤效应”，感应系统起到一个带通滤波器的作用，低频和高频信号都被大大衰减了。

流体中的紊流会使粉尘的空间和速度分布更复杂，可以同时影响到撞击电流和感应电流。由于ICFS和紊流引起的信号的直流部分均为零，测量到的信号的直流部分即为一段时间内SCFS的平均值。而测量值的交流部分是SCFS的波动、ICFS和紊流引起的信号的集合，影响每个信号的因素都很复杂又不尽相同，例如流速和紊流状况。交流信号的低频部分主要是由SCFS的波动和紊流引起的信号组成;中频部分主要由SCFS的波动和ICFS组成;高频部分主要是SCFS的波动。信号的直流部分的物理原理清晰、准确、稳定，基本与流动状况的波动无关;而交流部分的物理原理复杂、不稳定，易受紊流的影响。

基于“直流”和“交流”信号的物理原理，理想的微电荷感应仪器应该既有良好的直流性能又要有良好的交流性能。然而设计制造现实中的微电荷感应仪器需要解决一系列的技术难点:微电荷感应信号非常弱，要检测到如此小的电流信号，需要将其放大极高倍率。所有的模拟电子元件都有偏移、漂移和热噪;电路板上也有微小的电流泄漏，不同材料的接合处还有热电偶效应。所有这些干扰都会和信号本身一起被放大，如果没有适当的补偿，杂波就可能大到把真正的信号掩盖的程度，并使电路饱和;同时在使用传统的电子元件的电路中，巨幅增益又会限制电路的带宽，使其只能探测到直流信号和几十赫兹的低频交流信号。

另外，因为传感器产生的电流信号极小，就要求传导信号的电缆要经过特殊的设计并能始终保持良好的性能;空间存在的电磁干扰以及传感器所在位置其他设备产生的静电感应对检测信号的影响则要求采取有效手段屏蔽掉这些外界因素，因此隔离材料在严酷工作条件下的绝缘性能是另一个难点。

3 发展现状

在微电荷法早期，为了解决上述技术难点，通常只测量信号的交流部分，而把偏差、电流泄漏和漂移从信号处理的电子元件中隔离开来，然而这同时也舍去了包含重要信息的直流部分。信号的分离可用物理方法来实现，如在探头上镀上一层绝缘材料;或者用电子方法来实现，如在电路上使用交流偶合。多数交流设备只测量信号在几十赫兹内的低频范围，在这个频率范围内，感应电流信号被“空间过滤效应”极大地衰减了，检测到的信号主要是撞击信号的波动值和紊流产生的信号，这个信号夹杂更多噪音且更不稳定。这种方法是以牺牲性能的代价来简化设计和降低制造成本，同时也大大降低了测量的准确性。并且镀有绝缘体套层的探头不应使用在易燃易爆的场合，因为绝缘体套层上会积累大量静电荷，潜在的高压放电是重大的安全隐患。

近年来模拟和数字电子技术都有了显著的发展，对颗粒物流动和电荷相互作用机制的认识也在不断进步。随着数字信号处理算法的发展，通过精巧的电路设计和严格的制造程序，在解决偏差和漂移问题的同时，不会损失最宝贵的颗粒物流动信息－信号的直流部分。测量出的直流信号是撞击信号的统计平均值，它更真实地反映了颗粒物流量。

随着微处理器的发展，传感器采样频率得以持续的提高，当采样频率达到10kHz以上时，感应出的电流信号已经超过了“空间过滤效应”的范围，同时保持直流信号的准确性，这使处理更完整的颗粒物流动信息成为可能。通过在一个样本中上千个数据点进行处理，数字信号处理器可对信号进行各种滤波处理和多种统计及频谱分析。基于直流信号并利用精密算法以低频交流信号作为补充，可以提供较交流方法更为精确的测量结果。处理器计算能力的提高，为各种复杂算法提供了可能，通过设计滤波算法，可以不需要对传感器进行物理屏蔽就能消除空间存在的电磁干扰，系统的设计变的更简单了。

另外，材料科学的发展促使了陶瓷绝缘体探头、镀膜套层、高碳精等特殊材料的感应探头出现，微电荷法检测技术得以在高温、潮湿、腐蚀甚至爆炸的环境条件中进行应用。

4 应用领域

4.1 燃料供给控制

如何使工业锅炉和窑炉在最佳效率的条件附近运行是一个十分复杂的问题，其中需要监控的参数非常多。例如在以煤粉为燃料的生产过程中，准确监控给煤速率和均匀度一直是一个技术难题。传统仪器无法准确、稳定而又经济地实时监控气－固两相流。在燃料供给不能精确监控的情况下，很难对锅炉和窑炉的性能的进行进一步的优化。例如在火电厂、水泥厂和钢厂等行业，能源来自锅炉、窑炉中燃烧的煤粉，过量的燃料供给会导致浪费，而过量的空气供给会消耗燃料产生的珍贵热量，而以上两者都会使废气排放量增加。如果能找到合适的控制技术，则可以节省能源并降低污染。同样的道理，在化工、食品加工和制药行业，准确监控物料的流量可以大大提高产品的质量和稳定性。微电荷法在气固两相流测量中的独特优势使其在燃料供给控制上成为最可靠、最经济的使用方法之一。

4.2 袋式收尘检漏

布袋除尘器使用过程中由于滤料老化、局部疲劳、粉尘冲击与磨损以及烟气腐蚀等原因，其滤袋局部就会出现穿孔或撕裂，引起粉尘跑漏，即滤袋穿漏。单个滤袋穿漏若不及时检出并更换新袋就会导致整个箱体内其他布袋的损坏，进而破坏整个袋式收尘系统，对大气环境造成额外的污染和减少有用粉尘的回收。因此，滤袋穿漏检测报警技术研究，具有重要的环境、经济意义［5］。传统的检漏方法有压力法、分室关闭检查法、荧光粉检测法、激光潜入法等。压力检漏就是在每条滤袋安装压力传感器通过电脑显示压力变化，投资大，维护不方便，此方法很少应用;分室关闭检查法是对除尘设备逐一关闭过滤室进行检查漏袋，耗费巨大的人力且只能针对分室除尘器，对于大型设备布袋数量众多的情况根本无法操作;荧光粉检测对荧光粉的粒径要求极为严格，往往造成对布袋的破损状况的错误判断;激光潜入法存在投资大和定位不精确的缺点。

微电荷检测技术因为具有较高的灵敏度和准确性，可以实时监控袋式除尘设备每个箱体的排放情况，通过优化安装位置，可以根据清袋的时序和清袋时粉尘排放信号波峰的位置及幅度来确定泄漏的排数。事实上，美国环保署已经将微电荷法袋式除尘器泄露检测装置作为美国的官方标准。

4.3 静电除尘节能

静电除尘器已成为多数燃煤电厂的主力除尘设备，其性能受粉尘性质、设备构造、烟气流速、烟气温度、湿度等多个因素的影响。粉尘的比电阻是评价导电性的指标，它对除尘效率有着直接的影响。比电阻过低，尘粒难以保持在集尘电极上，致使其重返气流。比电阻过高，到达集尘电极的尘粒电荷不易放出，在尘层之间形成电压梯度会产生局部击穿和放电现象。这些情况都会造成除尘效率的下降。静电除尘器的电源由控制箱、升压变压器和整流器组成。电源输出的电压高低对除尘效率也有很大影响。因此，静电除尘器运行电压需保持40～75kV乃至100kV以上，如果能向高频电源的控制系统提供反应粉尘浓度变化的信号，控制系统可以根据提供的信号调整输出的电压高低，就可以达到节能降耗的目的。这也是静电除尘器回路控制的基本思路。但目前普遍应用的粉尘浓度在线监测系统(主要是光学法)无法实时准确且长期有效的反应烟道中粉尘浓度的变化，电源控制系统基本形同虚设。新型微电荷法颗粒物浓度检测技术对烟气中颗粒浓度的变化反应灵敏，可以为静电除尘的电源控制系统提供实时的准确信号，从而调节电源的放电频率和电压，达到节能降耗的目的。

4.4 湿法脱硫烟气的监测

湿法烟气脱硫技术(WFGD)是烟气脱硫的主流技术［7］，占实际运行的电厂烟气脱硫装置的85%。由于湿式洗涤塔可同时脱除多种污染物，因此得到了广泛关注。近年来国内外对WFGD系统对烟尘的脱除作用展开了一些研究［6，8］。但目前的研究多是在实验室条件下对采集的样本进行分析，对于湿法脱硫烟气中颗粒物浓度的在线监测仍倚赖于传统的手工采样方法。对于湿法脱硫后端即最终排放的烟气中颗粒物浓度，由于烟气中含有大量水汽，在使用采样枪进行烟尘收集时，常导致采样滤膜湿润后堵塞，使采样无法继续，检测精度更无从谈起。事实上，目前尚无一种方法或者仪器能实时准确的测定湿法脱硫塔后端的烟气颗粒物浓度。在新的《火电厂大气污染物排放标准》中，规定将湿法脱硫前端烟气中颗粒物浓度的1/2作为排放的参考值。

微电荷法为湿法脱硫烟气中颗粒物浓度的监测提供了新的思路，方法本身可以规避水汽甚至凝露对检测结果的影响，只需选择合适的探头以适应高湿的工作环境，就可以快速准确的测定脱硫塔进、出口位置的烟气颗粒物浓度，对掌握除尘器工作效率以及电厂最终排放情况有重要意义。

5 结语

在线测量排放烟道和风动输送管道中固体颗粒物的质量流量，减少颗粒物排放和提高生产过程效率起到关键性的作用。微电荷法经过几十年的发展，已经发展成为高度自动化、智能化、网络化、具有极高灵敏度和准确性的在线监测方法，应用在各类工业场合中以监测污染源烟尘、工业粉尘排放浓度和总量、工业炉窑的物料供给平衡控制及其他相关参数。随着相关学科的发展和数字化时代的来临，微电荷法烟气颗粒物浓度检测技术与现代电子科技结合的愈发紧密，大规模商业化将得以实现。

［1］郑进朗，潘雪琴，马果骏.燃煤电厂的可吸入颗粒物排放［J］.电力环境保护，2009，25(1):53 －55.

［2］易红宏，郝吉明，段 雷.电厂除尘设施对PM10排放特性的影响［J］.环境科学，2006，27(10):1921 －1927.

［3］杨书申，邵龙义，龚铁强，等.大气颗粒物检测技术及其发展［J］.北京工业职业技术学院学报，2005，4(1):36－39.

［4］王志轩，我国火电厂烟气排放连续监测系统装设及应用的若干问题［J］.中国电力，2002，35(11):74 －78.

［5］余新明，吴学军，秦 工，等.布袋收尘穿漏报警系统实验研究［J］.环境科学与技术，2005，28(5):12 －13.

［6］王 珲，宋 蔷，姚 强，等.电厂湿法脱硫系统对烟气中细颗粒物脱除作用的实验研究［J］.中国电机工程学报，2008，28(5):1 －7.

［7］姚增权.湿法脱硫烟气直接排放的环境问题探讨［J］.电力环境保护，2003，19(2):5 －9.

［8］颜金培，杨林军，鲍静静.湿法脱硫烟气中细颗粒物的变化特征［J］.东南大学学报，2011，41(2):387－392.