燃煤电厂超低排放颗粒物浓度监测在线校准方法

刘国庆

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039）

我国是能源消耗较多的国家，特别是煤炭资源，有接近一半用于火力发电。燃煤电厂锅炉燃烧过程中，会产生大量的灰渣、烟尘、SO2、NOx和痕量重金属等多种有毒、有害的污染物，其中排放的PM2.5是环境污染的主要来源之一，严重影响着环境大气质量。国际上普遍重视对超低排放颗粒物的研究和防治工作，越来越多的国家制定了大气环境质量标准。随着超低排放标准的不断严格化，对超低排放的准确监测显得尤为重要[1]。目前燃煤电厂颗粒物浓度测试方法主要有取样法和非采样法。非取样法不需要对测量区域进行采样，而是通过颗粒物本身存在的某种特性间接实现对颗粒物浓度的测量。光散射测量法为最常见的非取样测量方法，在超低排放颗粒物连续监测中占主导地位，更适合于低浓度颗粒物的测量。

光散射测量法是通过一定波长的光束穿过粉尘颗粒物后的，测量散射光强的变化间接获得颗粒物浓度的方法。国内外很多学者对散射光测量法做了研究，王清华等[2-6]先后研究得到了颗粒物质量浓度、粒径分布等信息，为超低排放颗粒物在线监测技术奠定了基础。刘丹丹等[7-10]也通过保护气幕方法提高了测量精度及准确度。但由于燃煤电厂排放的颗粒物的成分和性质复杂，颗粒物粒径小、粒度分布广[11]，且烟气中含有大量湿蒸汽和液滴[12-13]，吸附在测量镜头上，增加了测量结果噪声，导致测量的失真。此外，光散射法颗粒物浓度测量装置长期运行过程中，存在光强漂移的现象，降低测量结果准确性和可靠性。因此，随着光散射法测量仪在线运行时间的加长，需要对系统进行校准与标定。

本文提出一种超低排放颗粒物浓度监测在线校准方法。基于光散射测尘原理，同时结合设计的分光光路、满量程的自动校准系统，对光散射法颗粒物浓度计算方法进行标校修正，减少因检测噪声和光强漂移带来检测误差。

1 测量校准原理

1.1 测量原理

定光强光源是最常见的颗粒浓度测量光源方式[14]，其稳定性高、易于控制。Mie散射理论是描述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L，对近似球形直径为d的单个粉尘粒子，受到光强为I0的入射光照射，偏振角为φ，颗粒的总散射光强为Is。Is由垂直于散射面上所产生的散射光强Ir和平行于散射面方向所产生的散射光强It两部分组成，即Is=Ir+It。Ir和It分别为：

（1）

（2）

式中，r为颗粒粒径；θ为散射角；S1（θ）和S2（θ）为振幅函数，与折射率和无因次参量α有关，与入射光的偏振角φ无关；λ为入射光波长；I0为透射光强。

在入射光为完全偏振光的情况下，得到的总散射光强Is为[15-16]：

（3）

式中，i1（θ）和i2（θ）分别为球形颗粒的强度函数。

对体积为V、颗粒物浓度为c的含尘气流散射系进行激光照射，得到散射系颗粒物的散射光强度为：

（4）

1.2 校准原理

标校原理如图1所示。发射波长为655 nm、功率为10 mW的半导体激光管发光，经分光镜头组分为颗粒物测量光路和自检光路，在检测区域形成直径约2 mm的光斑，激光检测镜头与检测光束的夹角为30°。进行颗粒物浓度测量时，测量光路进入测量区域，穿过颗粒物的透射光束采用光陷阱进行收集，激光检测镜头检测到散射光强度信号，散射光强信号反映了颗粒物浓度；系统自检时，仅允许自检光路在干净空气气路环境下通过。自检光路光束作为参考光路经全反射镜反射后进入测量区域，参考光信号经测量区域后进入探测器，实现原始光强的自检与标定。首先，在洁净环境下测量不同颗粒物浓度下的散射光强，经长时间连续运行激光器造成污染，利用分光光路测量激光检测镜头的污染程度；同时，测量不同污染程度下的不同颗粒物散射光强，分析数据对不同污染程度的检测信号进行修正，以实现超低排放颗粒物浓度的准确测量。

图1 标校原理Fig.1 Calibration schematic diagram

1.3 镜头污染环境下的颗粒物浓度计算

在不进行颗粒物浓度测量时，假设干净的激光检测镜头检测到的散射光强为I1，受污染后检测到的光强为I2，受污染后测得颗粒物的散射光强为I′，则受污染后测量的颗粒物浓度计算值c′可修正为：

（5）

2 校准方法

在超低排放烟气中，测量通道除了腐蚀性气体还存在液态水滴，光学镜头长期暴露在恶劣的环境下，加快了光学镜头的污染速度，同时会腐蚀镜头表面，严重影响自动校准机构的可靠性。特别是当设备突然断电时，烟道中的烟气在未经加热的情况下直接进入检测单元，将会在暗室中囤积大量的腐蚀性液体。

为解决上述问题带来的影响，设计用环氧树脂包裹的自锁伸缩电磁阀带动校准镜片作为满量程校准的执行机构。满量程校准过程如图2所示。

图2 满量程校准流程Fig.2 Full range calibration flow chart

图2中，抽气系统先抽取过滤后的洁净空气，自锁伸缩电磁阀伸出，测量激光照射在校准镜片上，在光电传感器上产生满量程的校准反射光，系统记录此时的发射光强。测量颗粒物浓度时，安装在自锁伸缩电磁阀上的校准镜片退回，光学镜头测量由颗粒物产生的散射光以实现浓度测量。颗粒物浓度测量持续时间Q后，系统进行满量程校准，抽气气路切换到过滤后的洁净空气，然后伸出校准镜片，测量此时的反射光强，判断此时的反射光强与系统记录的光强值之间的误差是否超过设定阈值P，若超过P即进行满量程校准纠正。

3 实验结果与分析

3.1 实验方法与测试系统

根据国际测量标准，光散射法测量颗粒物浓度属于非称重方式，需要用滤膜称重法进行误差分析。不同燃煤电厂排放的颗粒物有差异，给现场测试验证带来困难。为了进行参比实验，在实验室搭建了基于粉尘风硐的测试系统。实验粒子选用研磨后的煤粉，煤粉粒度分布见表1。

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

使用马尔文发尘器将研磨后的煤粉定量注入管径40 cm、长1 500 cm的风硐，粉尘风硐风速调节范围1～15 m/s，同时配有静电除尘器以减少对环境的污染。在风硐直管段的采样口分别安装光散射法超低排放监测仪及粉尘采样器，进行平行采样。使用万分之一天平对粉尘采样器上的滤膜进行称重，称重前滤膜均进行干燥除湿处理，除以采样体积获得粉尘的浓度。同时，分别在光强不修正与修正、仪器校准与不校准模式下获得光散射法浓度测量读数，进行比对测试。测试系统如图3所示。

图3 粉尘实验风硐Fig.3 Dust experimental tunnel

3.2 非修正模式下的颗粒浓度测量

在1～6 mg/m3的粉尘浓度环境下，连续运行颗粒物监测仪，对测量仪器光强不进行修正同时也不采取定期校准，在不同时间点使用粉尘采样器进行采样，通过滤膜称重法获得该时刻的粉尘浓度，并与颗粒监测仪的测量结果进行对比。同时以采样称重结果作为真实值，计算监测仪器测量结果与称重结果的误差，如图4所示。

图4 非修正模式测量结果及误差对比Fig.4 Comparison of measurement results and errors

从图4可知，在30 d内，随着颗粒物监测仪连续运行的持续，光散射法测量的颗粒物浓度与滤膜称重法相比较，误差越来越大，出现明显的负偏差。通过计算得到误差为1.16%～37.98%。

3.3 光强修正模式下的颗粒浓度测量

使用式（5）对光散射法测量结果进行修正，在1 d内的不同浓度环境下对采用修正与不修正的结果进行比对测试，同时对测量结果进行线性拟合。测试结果如图5所示。

图5 修正与非修正计算模式下的测量结果对比Fig.5 Comparison of measurement results under modified and unmodified calculation mode

从图5可知，当颗粒物浓度浓度在1～8 mg/m3时，采用光强修正得到的测量浓度与采样称重结果一致性较好，拟合一次曲线斜率为0.963 39，残差平方和为0.049 40，优于非修正模式下的测量结果。

3.4 校准对测量结果的影响

设定监测仪校准周期为每24 h一次，连续运行15 d，将校准条件下测量的结果与不校准条件下比对，结果如图6所示。

图6 定期校准与不校准模式下的测量结果对比Fig.6 Comparison of measurement results between periodic calibration and non-calibration modes

由图6可知，当颗粒物浓度浓度在1～8 mg/m3时，定期校准模式下的测量浓度与采样称重结果一致性较好，拟合一次曲线斜率为0.922 00，残差平方和为0.038 84，明显优于不校准模式下的拟合曲线斜率和残差平方和。

因此，在光强修正模式下，定期对测量仪器进行自动校准，会明显提高测量结果的准确性，满足超低排放的测量要求。

4 结语

基于光散射法的超低排放颗粒物浓度测量，其光学镜头容易受到颗粒物、水汽等污染，造成散射信号本底值和量程容易漂移，使得颗粒物测量浓度出现偏差，严重影响测量仪器的测量准确度和精度。本文通过开展对光散射超低排放颗粒物浓度监测自动校准技术的研究，提出了一种光散射法超低排放监测仪器满量程自动校准方法，搭建了参比验证系统，将实验样机测量结果与滤膜称重法测量结果进行比较，同时分析了测量误差来源；采用分光法交替测量激光检测镜头的污染程度，实现了基于光强修正的颗粒物浓度测量；采用伸缩校准镜头，实现了颗粒测量结果的自动满量程定期校准。与滤膜采样称重结果对比表明，光强修正和定期校准可明显提高测量仪器测量结果的准确性；与称重结果拟合一次曲线，采用光强修正方法的曲线斜率为0.963 39，24 h定期校准方法的曲线斜率为0.922 00。