角散射低质量浓度烟尘在线测量系统设计

于天泽, 杨 斌, 王 婷, 蔡小舒

(上海理工大学 颗粒与两相流测量研究所, 上海 200093)

引 言

烟尘是燃煤电厂排放的主要大气污染物之一,同时也是我国煤电节能减排与环境保护的关键问题之一[1]。《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》规定新建燃煤发电机组烟尘排放不高于10 mg/m3[2]。参照目前燃煤电厂烟尘排放颗粒物测量执行标准《固定污染源烟气排放连续检测技术规范(试行)》(HJ/T75),当颗粒物排放质量浓度不大于50 mg/m3时,绝对误差不超过±15 mg/m3,该误差就明显高于超低排放限值[3]。而美国环境保护局要求烟尘测量误差小于排放限值的10%,即2.2 mg/m3[4],可见国内关于超低排放烟尘监测技术水平仍然存在较大差距。

采样称重法目前仍是国际上主要的固定污染源颗粒物检测方法[5]。对于超低排放,这类检测方法在精度和灵敏度方面显得不高。对此,主要依靠规范有效称量、在常规采样流量下延长采样时间或在常规采样时间内提高采样流量等方式来降低检测下限、提高测量精度和灵敏度。为了解决人为取样操作等各种因素的影响,振荡天平法与β射线法等自动连续累积测量方法可直接应用于现场在线测量。这两种方法采用了自动采样和检测,一体化设计使检测时间从数小时缩减到数十分钟,更方便地为环保监测提供数据,但对于实时控制来说仍显不足[6]。而角散射法是通过建立角散射光强与烟尘质量浓度关系实时得到烟尘质量浓度,具有更好的实时性与测量灵敏度,适合用于超低排放燃煤电厂低质量浓度烟尘在线监测[7]。

为了满足国家环保排放要求,实现电厂烟尘的超低质量浓度排放,大多数燃煤电厂采取了改造湿式除尘器的方法来降低烟囱入口烟尘排放的质量浓度,将其排放的质量浓度降低至5 mg/m3,甚至更低。研究发现湿式除尘器除尘后的颗粒粒径呈双峰分布,大小集中在0.1 μm与2～3 μm左右[8]。本文针对这一燃煤电厂排放烟尘粒径特征,通过对该粒径颗粒散射进行仿真计算,设计基于角散射原理的低质量浓度烟尘在线测量系统,并进行实验验证,为后续工业应用提供参考。

1 角散射烟尘质量浓度测量原理

Mie理论是对处于均匀介质中的各项均匀同性的单个介质球在单色平行光照射下的麦克斯韦方程边界的严格数学解。假设入射光为完全偏振光,观察点与散射颗粒的距离为r,入射光振动面与散射面之间夹角为φ,那么颗粒的总散射光强Is为

(1)

式中:I0为入射光强;λ为波长;i1(θ)和i2(θ)为强度函数;θ为散射角。对于球形颗粒,其散射光强与散射角θ、颗粒的相对折射率n及无因次参量α有关,与方位角φ无关。如果入射光为自然光,散射光强可表示为

(2)

假设颗粒群的归一化频数分布函数为nr(Di)(i=1,2,…,∞),则可以导出烟尘颗粒物的数目浓度为

(3)

式中:V为待测烟尘体积;ΔDi为粒径的微分。

颗粒群质量浓度为

(4)

式中ρ为被测气体的密度。在式(4)中,只有散射光强Is与颗粒物的质量浓度M未知,可以得出散射光强与颗粒物的质量浓度成正比,即存在Is=KM,K为某一常数,因此只需要测出散射光强Is,就可以计算出被测烟尘中颗粒物的质量浓度。

当烟尘质量浓度较低时,可以认为颗粒的散射光是非相干的,可以把总散射光强当成每个颗粒散射光强的叠加。因此,可通过Mie散射理论开展颗粒散射仿真计算,研究不同散射角度及不同波长入射光对散射光强的影响,从而可以得到角散射测量系统的关键参数。

煤粉经过燃烧后近似成三模态分布,颗粒粒径峰值集中在0.1 μm、3 μm和8 μm附近,但经过湿式除尘器后,烟尘颗粒粒径峰值主要集中在0.1 μm和3 μm左右。其中,0.1 μm的颗粒群分布近似成对数正态分布,而3 μm的颗粒群分布近似成R-R分布。选取波长为650 nm的激光对0.1 μm和3 μm颗粒群进行散射光强仿真,为了方便计算及对比,将入射光强值设置为1,测量距离r设为1 mm,散射光强仿真结果如图1和图2所示,图中反映的是颗粒在不同角度所对应的散射光强相对值,Is/I0表示颗粒在此角度的散射能力。

图1 0.1 μm颗粒散射光强Fig.1 0.1 μm scattering light intensity

图2 3 μm颗粒散射光强Fig.2 3 μm scattering light intensity

从图中可见,当一束光投射到烟尘中时,小颗粒的散射呈对称分布,通过前向或后向散射均可得到其散射信息。为了只提取小颗粒的信息,故选择后向进行测量,具体测量角度根据测量探针规格确定。而大颗粒的散射集中在前向,因此需通过前向散射才可得到大颗粒的散射信息,但由于汇光器实际体积的影响,故测量角度一般选择在10°左右。

为了更加接近实际情况,对0.1 μm和3 μm的颗粒群在相同的质量浓度下进行了仿真计算,仿真结果如图3所示。

从图中可以发现,两种颗粒群在相同质量浓度时,大颗粒群在前向的散射光强明显大于小颗粒群,而在后向散射区,两者的光强值相近,在后向30°左右大颗粒群散射光强出现了一个向下的峰值,明显低于小颗粒群的散射光强。湿式静电除尘器WESP出入口的颗粒物质量浓度分布图如图4所示,在图中可以看出湿式静电除尘器对小颗粒的祛除效率低,在出口处小颗粒群的质量浓度是大于大颗粒群的质量浓度的,所以为了更好地得到小颗粒群的散射信息,选取后向30°对小颗粒群进行测量是较为准确的。

图3 同质量浓度下颗粒群的散射光强Fig.3 Scattering intensity of particle group at the same mass concentration

图4 湿式静电除尘器出入口颗粒质量浓度对比Fig.4 Comparison of WESP inlet and outlet particle concentration

2 实验装置

根据前面所述的颗粒散射情况,研究小颗粒后向散射特性显得极其重要,若通过实验验证小颗粒散射符合上述理论,那么大颗粒散射也同样遵循此规律。因此,设计了一套研究小颗粒散射的实验方案,实验光路如图5所示。

图5 实验光路Fig.5 Optical path of the experiment

按照图5搭建了一个0.2 m3的透明玻璃罩,在玻璃罩内一侧点燃一盘无烟蚊香,为了使蚊香烟雾分布均匀,在玻璃罩内安装一个风扇用于搅拌,在另一侧安装一个激光器,并呈后向30°对散射光进行接收。同时为了加强散射光强,在接收光纤前段安装一个激光准直器,之后将光强信号通过光谱仪导出至计算机。搭建的实物装置如图6所示。

图6 实验装置图Fig.6 Diagram of the experimental setup

3 实验结果与分析

测量样品为某品牌无烟蚊香。实验开始时,先打开小风扇和激光器,后打开光谱仪并点燃蚊香。每间隔0.5 s测量散射光强,进行2 min的实验测量。测量结果如图7所示。

图7 实验结果图Fig.7 Experimental result chart

由图7可知,散射光强随蚊香燃烧时间的增长而增大,蚊香烟雾质量浓度不是均匀增长是因为燃烧不稳定所造成的,但在实际烟气测量中,排放量是恒定的,因此对测量不会产生很大影响。图中黑色的点为所测到的散射光强随时间变化的散点图,为了避免实际测量值与理论值产生的误差,本实验用拟合的方法来处理实验数据,拟合公式为

y=8.034 08x+141.913 21

(5)

拟合因子R2为0.972。

由图7中的拟合图线可以看出,散射光强随时间的增大而增大,即与时间呈正比关系。理论上,在未开始测量时,蚊香烟雾的散射光强为零,但实际上,由于在实验刚开始进行时,蚊香烟雾的产生量较少,此时,玻璃罩中几乎全为空气,空气中的颗粒物对光的散射作用占比很大,所以造成图中的拟合曲线没有经过原点,拟合公式中的常数141.913 21为空气中颗粒物的散射光强,在进行浓度反算时,应当将这一数值减去,即蚊香烟雾散射光强的拟合公式为

y=8.034 08x

(6)

张文华等利用气溶胶粒度测量仪对密闭空间内蚊香的烟雾进行过测量[9],在密闭室内点燃蚊香15 min后测得烟雾总质量浓度为1 412 mg/m3,如果蚊香燃烧稳定,那么蚊香烟雾每秒产生的烟雾质量是恒定的,我们就可估算出蚊香的产出量为16 μg/s,由此就可通过散射光强来估算烟雾质量浓度,如图8所示。

图8中,实线为拟合曲线。随蚊香烟雾质量浓度的增大,所对应的散射光强也增大,即二者近似呈正比关系。通过计算分析可以得到常数K=0.100 43,因此在实际测量中,只要用相关仪器测得某一时刻蚊香颗粒物的散射光强,就可以反算出对应的蚊香颗粒物的质量浓度。

4 结 论

本文通过对电厂低质量浓度烟尘进行光散射理论计算,得出了针对不同粒径颗粒的最佳测量角度,在实验室搭建了基于角散射原理的低质量浓度测量装置,测量出了小颗粒的散射光强,同时拟合得到了散射光光强与烟尘质量浓度成正比关系,其拟合因子R2为0.972。本文所设计的测量方法可应用于低质量浓度烟尘排放的在线测量。

[1] 赵磊,周洪光.超低排放燃煤火电机组湿式电除尘器细颗粒物脱除分析[J].中国电机工程学报,2016,36(2):468-473.

[2] 国家发展改革委,环境保护部,国家能源局.关于印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》的通知[R].北京:国家发展改革委,环境保护部,国家能源局,2014.

[3] 中华人民共和国环境保护部.HJ/T 75—2007固定污染源烟气排放连续监测技术规范(试行)[S].北京:中国环境科学出版社,2007.

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

[5] 冯健儿,韩鹏.基于滤膜称重法的大气颗粒物自动监测仪[J].计算机与现代化,2013(7):94-97,134.

[6] 李昆,钟磊,张洪泉.烟尘浓度测量方法综述[J].传感器与微系统,2013,32(2):8-11.

[7] 张敏.光散射法测量超细颗粒粒度的研究[D].天津:天津大学,2005.

[8] 于敦喜,温昶.燃煤PM2.5和Hg控制技术现状及发展趋势[J].热力发电,2016,45(12):1-8.

[9] 张文华,梁宝英.蚊香烟雾对室内环境气溶胶浓度和粒径分布的影响[J].环境与健康杂志,1992,9(5):212-213.