基于激光探测的抽取式超低烟气排放系统研究∗

王 明

（江苏方天电力技术有限公司 南京 211102）

基于激光探测的抽取式超低烟气排放系统研究∗

王 明

（江苏方天电力技术有限公司 南京 211102）

基于提升烟气排放检测精确性的目的，该研究从烟道设计角度出发，通过在锅炉烟道的激光探测器中加装棱镜和固定螺母调节的方式，避免了激光光束的遮挡问题，并且在激光探测器探头部分加装多层滤网减少尘埃对检测结果的影响，同时在烟道内侧添加耐高温纳米陶瓷涂层以减少光吸收现象的发生。针对烟气排放的特性，设计了数据采集与数据检测的超低烟气排放检测系统。实验分析结果表明：与便携式手持烟气分析仪相比，总体偏差度平均值可有效地控制在±5%以内。

激光探测；抽取式探头；烟气排放；排放系统

1 引言

随着传统工业领域越来越多的加入电子设备的辅助，现代化工业进程不断加速［1］。大气环保作为新时代的重要问题，在研究领域具有举足轻重的地位［2］。针对锅炉烟道超低烟气排放的处理方法主要集中在双塔串联［3］、双塔双循环［4］、双塔并联［5］等不同超低排放技术，而检测方式则以简单的手持式便携式烟气分析仪进行操作［6］。由于工况实际的环境条件约束，单一的便携式烟气分析仪并不能实时地对烟气进行监控，因此，基于电子设备的烟气检测装置由然而生。本研究针对超低烟气排放检测需要，在传统的激光探测器与工况实际进行配合改进，设计了一套基于烟气抽取式设计的激光探测超低烟气排放检测系统，该系统可减少工人对检测的劳动强度并且可提升远程终端烟气检测系统的实时监控。

2 相关技术

2.1 激光探测

锅炉的烟道在烟气排放阶段，激光探测器因材质原因在高温高压的环境下容易发生形变，同时高湿度的烟气在烟道内部以高速排放［7］。因此，在光束的放射与收集过程中难以令激光探测器件保持原光路的探测，即探测结果失准。为了解决激光探测器的发射光束不被环境干扰，尽量避免烟气中水蒸气的影响，本研究采用棱镜折射原理对原光束进行转移［8］，通过调节发射装置与接收装置之间的平衡度与间距即可完成激光探测过程。其中，在发射装置中加装固定螺母实现棱镜反射角度调节，而在接收装置中加装疝气灯座加强光束的穿透能力。具体改装后的激光探头设计如图1所示。

图1 改装后的激光探头

由图1可见，在实际的锅炉烟道探测过程中无需加装烟雾传感器，仅通过右侧的固定螺母调节激光探测器的发射装置与接收装置的光束状态。同时，为了便于实际的操作且提高激光探头的使用寿命，本研究将发射装置与接收装置放置在同侧的位置，仅利用棱镜作为光束的中转调节，这样做不仅改进了双向端口操作到单向端口的过度，并且可实现光束的线性调节。

2.2 抽取式检测

为了避免烟气在排放阶段带有的尘埃与水蒸气影响激光探测器检测的结果［9］，本研究采用间接式的抽取法对烟气进行提取。首先在烟道壁的内侧设置等距离的采样孔且与此相连加热管道，这样做是为了避免水蒸气遇冷后的凝结现象堵塞采样孔。其次，采样烟气在进入检测室之前设置小型冷却器，在极短的时间内清除样本气体的水蒸气。最后，在惰性气体的推动下将样本气体送至检测室。采用的间接式的抽取样本气体的方式，具体改进后的抽取式探头如图2所示。

图2 改进后的抽取式探头

由图2所示，在右侧收取式部分搭配带有多层滤网的探头，包裹滤网可以滤除尘埃。其中，烟气中的尘埃部分被清除后可提升SO2的探测范围且更适用于实际烟道中烟气排放浓度波动较大的环境。

2.3 烟道设计

在实际的锅炉烟道排烟过程中，尘埃粒子会在高温高压环境下使得激光光束发生能量耗散现象，光束同样也会因为烟道内侧不平整影响发生不断的折射以至于被阻碍在烟道内则严重影响激光探测器的接收。为了尽可能地避免激光光束的能量耗散，本研究通过使用GN-313耐高温纳米陶瓷涂层对烟道内侧进行改进［10］，该纳米陶瓷不但可以应对超高温环境，并且还可以减少材料的光吸收现象的发生。

3 超低烟气排放

3.1 烟气污染成分

为了更准确地探测到烟气的主要污染成份，本研究主要从悬浮颗粒污染物和燃烧原材料两个角度分析烟气的污染成分。

悬浮颗粒污染物根据粒子直径大小可分为两种［11］：1）直接污染物，粒子直径在大于1μm的情况下可因烟道内的高压环境直接排放到大气中；2）间接污染物，粒子直径在0.01μm～1μm的范围内，微小粒子伴随着烟气管道的高压环境发生光化学污染。

锅炉主要以煤炭和燃气为原材料，在燃烧的过程中伴随着各种化学反应，最终锅炉将SO2、NOx和COx排放到大气中［12］。

3.2 排放系统

本研究设计的超低烟气排放系统主要从检测有害气体到检测尘埃颗粒并反馈终端。其中，超低烟气排放系统主要分为两个模块及细化后的10个功能：1）数据采集模块主要管理锅炉的工况和数据的采集、存储、记录及其传输功能；2）数据检测模块主要对烟气中的污染物检测，如温度、压强和湿度［13］。具体的超低烟气排放系统功能设置如图3所示。

图3 超低烟气排放系统功能设置

由图3所示，超低烟气排放系统的数据采集模块采用RS232总线连接将串口通信［14］和A/D数据采集端口［15］，信号传输到终端数据检测系统中进行分析并处理。超低烟气排放系统的数据检测模块将采集到的检测数据传输后计算分析，实时的在终端中显示出烟道内部的烟气排放状态并将结果存储在数据库中进行记录。

3.3 操作流程

在搭建出超低烟气排放系统功能设置后还需要根据不同的工况使用和当地环保监管部门联网使用，因此采集到的烟气排放数据信息需要独立的操作，具体的操作流程如下。

Step1：操作系统存储数据监测模块发送的实时监控数据并对信息进行整合；

Step2：通过激光探测器与无线WIFI连接，将监测到的数据传输到环保监管部门服务器中；

Step3：环保监管部门通过串口通信将超标排放的烟气数据信息反馈到锅炉检测操作系统。

为了给操作用户提供一个便于人机交互的操作流程，本研究采用Avision FB1000构建应用软件，具体的工作流程如图4所示。

图4 工作流程

4 实验分析

本研究所用的锅炉在燃烧后排放的烟气首先经过除尘设备进行大颗粒物质的沉淀，然后通过U型管在鼓风机的抽气作用下进入脱硫塔中，最后进入本研究的主要部分即抽取式烟气排放阶段。对于本实验的检测装置主要由激光探测器搭配对烟气抽取形式完成，因此选择锅炉压力和温度较为稳定的环境下进行操作，这也可以起到对精密仪器的保护作用。

为了检验本研究所设计的抽取式超低烟气激光探测系统，通过选用手持国产的MIC-800-NOX便携式烟气分析仪作为对比，其检测原理利用电化学氮氧化物传感器，该款对比仪器的技术指标如表1所示。

由于超低烟气排放属于长期的复杂系统，本研究仅针对SO2进行检测。选取锅炉烟道排烟使用年限与脱硫方法的不同规定烟气排放检验指标，其中脱硫方法采取传统的石灰消除法和氨水煅烧法。通过对比观察每隔1h共计4h的锅炉烟气排放在不同脱硫方法的数据指标，同时将本研究提出的抽取式激光探测检验和便携式手持烟气分析仪进行对比，结果如表2和表3所示。

表1 对比仪器技术指标

表2 石灰消除法检测对比

表3 氨水煅烧法检测对比

通过观察对比针对SO2的不同脱硫方法前后的检测结果表明：

1）从脱硫消除前分析，超低烟气排放系统检测结果在脱硫消除前偏差度较小且检测值偏大。其中，采用石灰消除法消除前与便携式烟气分析仪偏差度平均值为0.215%，采用氨水煅烧法偏差度平均值2.7875%。这是由于烟气排放经过氨水煅烧脱硫携带水蒸气，影响了激光探测光束的数据信息采集。

2）从脱硫消除后分析，超低烟气排放系统检测结果在脱硫消除后偏差度较大且检测值偏小。其中，采用石灰消除法消除前与便携式烟气分析仪偏差度平均值为-4.955%，采用氨水煅烧法偏差度平均值-11.77%。这是由于本研究所设计的超低烟气排放检测系统对氨水中含有NOx更加敏感。随着脱硫工序的不断进行，鼓风机将烟气吸收，减小了检验结果的数值。

5 结语

本研究根据锅炉的烟道在烟气排放阶段的实际工况，从烟道角度设计了一套基于激光探测的抽取式超低烟气系统。该系统对激光探头加设棱镜进行了探头改进，固定螺母调节激光探测器的发射装置与接收装置的光束状态，并且在抽取式探头上加装多层滤网以减少尘埃对检测结果的影响，在烟道内侧添加耐高温纳米陶瓷涂层对其进行改进。最后针对烟气污染成份设计了超低烟气排放系统功能。通过将本研究所提出的超低烟气排放系统与便携式手持烟气分析仪对比，实验分析表明：采用石灰消除法对SO2的脱硫方式明显优于氨水煅烧法，同时，脱硫消除前超低烟气排放系统偏差度较小，而脱硫消除后超低烟气排放系统偏差度较大，但总体偏差度平均值可有效的控制在±5%以内。

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System of Ultra-Low Flue Gas Emission Based on Laser Detection

WANG Ming
（Jiangsu Fangtian Power Technology Co.，Ltd，Nanjing 211102）

Based on the purpose of improving the accuracy of flue gas emission detection，from the perspective of flue design，the problem of occlusion of laser beam is avoided by installing a prism and a fixed nut in the laser detector of boiler flue，and Laser probe part of the installation of multi-layer filter to reduce dust on the test results，while the inside of the flue to add high-tempera⁃ture nano-ceramic coating to reduce the phenomenon of light absorption.Aiming at the characteristics of flue gas emission，an ul⁃tra-low flue gas emission detection system for data collection and data detection is designed.The experimental results show that the average deviation can be effectively controlled within±5%compared with the portable handheld flue gas analyzer.

laser detection，extraction probe，flue gas，system of emissions

Class Number TN242

TN242

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.018

2017年6月10日，

2017年7月20日

国家自然科学基金项目（编号：51277052）资助。

王明，男，助理工程师，研究方向：电厂环保产品研发与应用。