煙塵煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行管理高效培訓(xùn)教材-第四章

1、煙塵煙氣連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行管理高效培訓(xùn)教材-第四章 本章主要內(nèi)容 4.1 基本情況 4.2 煙塵顆粒物的特性 4.3 對穿法煙塵監(jiān)測儀 4.4 散射法煙塵監(jiān)測儀 4.5 其他煙塵監(jiān)測儀 2本章難點與重點重點： 顆粒物CEMS的光路結(jié)構(gòu)和基本使用特點。難點： 顆粒物CEMS分析原理。34.1 基本情況 顆粒物連續(xù)監(jiān)測方法主要有對穿法、光散射法、動態(tài)光閃爍法、靜電感應(yīng)法。 由于各種方法的原理不同、發(fā)展歷史不同，各自都有不同的特點，其適用的條件也有不同。 1、對穿法出現(xiàn)較早，技術(shù)及制造工藝也比較成熟，但其種類也較多。目前在現(xiàn)場使用的對穿 法煙塵儀基本都屬于雙光程的對穿法煙塵監(jiān)測儀。 2、光散射法具

2、有更高的分辨率，靈敏度更高，可以用于監(jiān)測更低排放濃度的排放源。相對于對穿法，光散射方法出現(xiàn)的較晚。 3、動態(tài)光閃爍法：利用一束光穿過被測顆粒群，由于進入光束中的顆粒數(shù)量變化，光束光強會有瞬時的“漲落”，“漲落”的強度與煙塵濃度之間滿足 一定的相關(guān)性，通過測量光強漲落的強度可以反推煙塵顆粒的濃度。 4、摩擦電荷法則是獨立于光學(xué)測量法的另外一種方法。目前該方法較多應(yīng)用于除塵設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)視及報警 44.2 煙塵顆粒物的特性 4.2.1 顆粒物的物理特性 煙塵顆粒物一般呈現(xiàn)為多孔的不規(guī)則形狀，由于燃燒過程和除塵過程的影響，實際的煙塵排放或監(jiān)測口煙塵顆粒的粒徑分布是各有不同的，大多數(shù)排放口煙塵顆粒的

3、粒徑范圍在020m。無論自然狀態(tài)的顆粒還是煙塵顆粒一般是荷電的，荷電的大小取決于溫度、比表面積、含水量及與摩擦碰撞相關(guān)的速度等，且與顆粒的物理化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)相關(guān)。 54.2.2 顆粒物的光學(xué)概念以下是幾個與光散射相關(guān)的概念:顆粒物的光散射：光通過不均勻的介質(zhì)顆粒時，介質(zhì)顆粒中的偶極子所激發(fā)的次波和入射光相互疊加，介質(zhì)顆粒把入射光向四面八方散射的現(xiàn)象稱為顆粒物的光散射;散射截面：一個顆粒在單位時間內(nèi)散射的全部光能與入射光強之比;散射系數(shù)：散射截面與顆粒的迎光面積之比;吸收截面：一個顆粒在單位時間內(nèi)吸收的全部光能與入射光強之比;吸收系數(shù)：吸收截面與顆粒的迎光面積之比;消光截面：一個顆粒在單位時間內(nèi)

4、移去的全部光能與入射光強之比。 6顆粒物的光學(xué)概念 消光系數(shù)：消光截面與顆粒的迎光面積之比; (顆粒群的)濁度：單位體積內(nèi)(顆粒群)的總消光截面; 不相關(guān)散射：當(dāng)顆粒之間的距離足夠大，一個顆粒的散射不因其他 顆粒的存在而受影響。當(dāng)顆粒之間的距離大于顆粒直徑的3倍以上 時，可以認(rèn)為顆粒群的散射為不相關(guān)散射。煙塵排放一般為不相關(guān) 散射; 單散射及復(fù)散射：顆粒散射的光全部來自于入射光稱為單散射，其他情況為復(fù)散射。顆粒群發(fā)生不相關(guān)單散射時，顆粒群的整體行為可用單個顆粒的散射行為代替。煙塵排放連續(xù)監(jiān)測的條件下，一般認(rèn)為當(dāng)不透光度大約大于0.4后復(fù)散射的影響就不能忽略了，這時儀器在單散射原理上建立的線性關(guān)

5、系就存在不可忽略的高次非線性成分，需要進行非線性修正。7顆粒物的光學(xué)概念透光度：一束先通過介質(zhì)層耗散后，光束的強度與入射光強度之比。不透光度：一束光通過介質(zhì)層耗散后，被耗散的光強與入射光強度之比。光密度：透光度與不透光度與介質(zhì)顆粒濃度呈指數(shù)關(guān)系，對透光度取倒數(shù)后再取以10為底的對數(shù)形成的新的評價量稱為光密度。因光密度與介質(zhì)顆粒的濃度呈線性關(guān)系。對于對穿法而言使用光密度評價和描述測量過程更加方便。 84.2.3 煙塵監(jiān)測的特點 (1) 測量動態(tài)范圍大 (2) 測量范圍與現(xiàn)場條件相關(guān) (3) 現(xiàn)場條件惡劣，對儀器安裝工藝提出更高的要求 (4) 其他影響9煙塵監(jiān)測的特點 測量動態(tài)范圍大 煙塵排放的動

6、態(tài)范圍很大，一方面從燃燒的角度取決于燃料品種、燃燒方式，另一方面從處理治理的角度取決于除塵的形式和效率。一般而言，對于大型排放源，如燃煤熱電廠，其直接排放煙氣的煙塵質(zhì)量濃度可以達(dá)到20g/m，效率較高的除塵器(布袋除塵器、運行狀態(tài)較好的三電場的靜電除塵器)煙塵排放濃度可達(dá)到2050mg/m。以下，因此煙塵監(jiān)測儀濃度測量的動態(tài)范圍可達(dá)到三個數(shù)量級，所以在儀器設(shè)計過程中一方面要考慮變量程問題，同時要考慮量程之間的銜接及線性問題。10煙塵監(jiān)測的特點 測量范圍與現(xiàn)場條件相關(guān) 煙塵排放監(jiān)測儀在出廠時難以給出精確的測量范圍，測量范圍與有些煙塵顆粒的物性相關(guān)(包括密度、顆粒粒徑分布、光學(xué)特性、電學(xué)特性、流速

7、等)，即使p射線法也存在測量結(jié)果與現(xiàn)場條件的相關(guān)關(guān)系。此外，除現(xiàn)場條件外，煙塵監(jiān)測儀本身的結(jié)構(gòu)不同也會導(dǎo)致測量結(jié)果的差異。因此如果妻準(zhǔn)確測量煙塵濃度則必須進行參比試驗，用標(biāo)準(zhǔn)方法校準(zhǔn)儀器安裝在現(xiàn)場的偏差。11煙塵監(jiān)測的特點 現(xiàn)場條件惡劣 對儀器安裝工藝提出更高的要求,煙塵儀使用的現(xiàn)場條件非常惡劣的。儀器本身的元器件的選擇應(yīng)達(dá)確軍品甚至宇航級的標(biāo)準(zhǔn)。即使有些元器件無軍品供應(yīng)，也必須選擇-20-70寬溫范圍的。否則就無法滿足現(xiàn)場惡劣環(huán)境的長期穩(wěn)定的工作。同時煙塵儀還必須考慮防潮防塵的功能。 其他影響 除了儀器本身的功能及質(zhì)量問題外，現(xiàn)場選點、儀器選型、調(diào)試、參比都會對儀器的長期可靠工作造成強力的影

8、響，這正是煙塵監(jiān)測儀在現(xiàn)場使用容易忽視又很難保證的條件，也正是使用好煙塵儀必須要做好的工作。124.3 對穿法煙塵監(jiān)測儀13對穿法煙塵監(jiān)測儀14對穿法煙塵監(jiān)測儀154.3.2 發(fā)展歷史 第一代對穿法煙塵儀的一個主要特征是單光程的光路結(jié)構(gòu)。 第二代對穿法煙塵監(jiān)測儀主要是對第一代煙塵儀進行了很多小范圍的改進或修補，也是單光程的光路結(jié)構(gòu)。 第一代及第二代對穿法煙塵監(jiān)測儀的共同特點是采用單光程的光路結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)無論采用何種改良及改進措施，無法在現(xiàn)場進行校準(zhǔn)，除非當(dāng)測點停機時；另一個特點就是現(xiàn)場安裝調(diào)試非常困難。儀器的使用在很大程度上不取決于儀器本身而取決于精細(xì)的安裝調(diào)試。所以，可以說這類儀器50以上

9、的問題都是安裝調(diào)試造成的。 164.3.2.2 第三代對穿法產(chǎn)品 第三代對穿法產(chǎn)品一個主要的特征是采用雙光程光路結(jié)構(gòu)(圖4-3)。除此之外光源則必須進行了機械或電子的調(diào)制、采用手動或自動的模擬零點及跨度點現(xiàn)場校準(zhǔn)手段，如果采用熱致光源則必須有一套完善的準(zhǔn)直及對中機構(gòu)、雙光程的反射光采用角反射鏡的方式實現(xiàn)等。17對穿法產(chǎn)品 圖4-4給出的是一款結(jié)構(gòu)功能比較完善的對穿法煙塵監(jiān)測儀的光路結(jié)構(gòu)圖，其主要特點調(diào)制、校準(zhǔn)、光源的參比采用特種LCD材料實現(xiàn)(通過改變電壓改變LCD材料的通光特性)，整個系統(tǒng)無運動部件，系統(tǒng)采用單傳感器單電路處理，性能指標(biāo)從結(jié)構(gòu)上得到可靠的保證。18對穿法產(chǎn)品 圖4-5是另一款

10、對穿法煙塵儀的光路結(jié)構(gòu)圖。光源的光通過準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直后分光為兩部分，一部分直接進入傳感器檢測光源的輸出，另一部分兩次通過反光鏡進人煙囪測量區(qū)，再經(jīng)過角反射鏡后經(jīng)視場調(diào)整鏡頭組和接受透鏡組進入傳感器。改結(jié)構(gòu)通過光源參比擋板交替測量信號及跟蹤光源的輸出變化。反光鏡及濾光鏡片實現(xiàn)零點及跨度點的校準(zhǔn)。該光路結(jié)構(gòu)要求在現(xiàn)場安裝調(diào)試時要注意煙囪的大小和儀器要求必須匹配，否則信號光無法準(zhǔn)確匯聚于傳感器。194.3.3 對穿法煙塵監(jiān)測儀的校準(zhǔn) 雙光程對穿法的現(xiàn)場校準(zhǔn)一般是在光路中插入一個反射鏡作為儀器 的零點。反射鏡模擬了光束通過無煙塵的測量區(qū)由角反射鏡返回時的光束強度?？紤]到儀器準(zhǔn)直特性的影響，儀器光束的擴

11、束及會聚必須達(dá)到儀器本身的要求時，校準(zhǔn)才是有效的和準(zhǔn)確的，也就是說，首先煙塵儀的選型必須適應(yīng)煙囪直徑的大?。黄浯蝺x器的對中及調(diào)焦也必須達(dá)薊儀器的要求。在反射鏡和傳感器之間插入已知透過率的濾光片可進行跨度的校準(zhǔn)。 跨度點的選擇原則上盡量接近實測的透過率，但在煙氣排放的條件下，只要測量范圍的選擇是適當(dāng)?shù)模缍赛c的選擇對測量結(jié)果影響不大 . 20 實際校準(zhǔn)過程分為兩步，首先讓儀器工作在一個標(biāo)準(zhǔn)源下，如插入反光板，儀器的煙塵濃度輸出應(yīng)為零；插入反光板及跨度板，儀器的輸出應(yīng)為儀器第一次校準(zhǔn)檢測時的輸出值。如果上述兩個過程僅器的輸出與段定值偏差超出儀器給定的準(zhǔn)確度水平，則要進行第二步，通過儀器的調(diào)整機構(gòu)將

12、偏差歸零。標(biāo)準(zhǔn)源(反光板和濾光片)插入的位置一般有兩種情況，一種情況在儀器擋塵鏡片和傳感器之間，另一種情況是擋塵鏡片在標(biāo)準(zhǔn)源和傳感器之間。后者的校準(zhǔn)過程可以消除掉鏡片污染造成的影響，而前者只有通過定期的檢查擦拭擋塵鏡片達(dá)到準(zhǔn)確校準(zhǔn)的目的。 對穿法煙塵監(jiān)測儀的校準(zhǔn)21對穿法煙塵監(jiān)測儀的校準(zhǔn) 校準(zhǔn)的過程可以是自動或手動的。 自動過程儀器根據(jù)設(shè)定的時間自動地進行糾偏過程。有的自動校準(zhǔn)的煙塵儀一般還有一個功能，即監(jiān)視擋塵鏡片的污染程度，當(dāng)污染造成透過率偏差達(dá)到一定門限后自動報警，提示人工擦拭擋塵鏡片。 手動校準(zhǔn)過程必須采用手工的方式完成校準(zhǔn)過程。一些儀器具有半自動校準(zhǔn)的功能，首先通過儀器自動地進行零點

13、及跨度檢測，對結(jié)果的糾偏過程通過后臺軟件實現(xiàn)。 無論是自動還是手動校準(zhǔn)，必須定期檢查標(biāo)準(zhǔn)源的有效性，是否被污染、是否變形等。22對穿法煙塵監(jiān)測儀使用特點 1、由于雙光程對穿法煙塵監(jiān)測儀采用雙側(cè)安裝儀器，測量點對面需安裝反射鎮(zhèn)。反射鏡一般采用角反射鏡(不能采用鏡面反射鏡)，只要入射光束對準(zhǔn)了反射鏡，光束就經(jīng)180原路返回發(fā)射端。如果反射不采用角反射鏡，儀器的對中將成為一個難題，加之在使用過程中的溫度或其他因素造成的機械變形，儀器無法長期保持準(zhǔn)確對中，造成儀器無法正常工作，因此使用非角反射鏡的情況的對穿法煙塵儀也無法保證儀器長期的正?？煽康墓ぷ?。 23對穿法煙塵監(jiān)測儀使用特點 2、對穿法煙塵監(jiān)測儀

14、的測量范圍，一些人想當(dāng)然認(rèn)為只要有光透過就可以監(jiān)測煙塵的濃度，甚至有人認(rèn)為對穿法煙塵監(jiān)測儀的最大測量范圍就是透光度為零時對應(yīng)的濃度。其實由于儀器光源、結(jié)構(gòu)、高濃度修正機制不同，要準(zhǔn)確使用，必須嚴(yán)格按所選型號煙塵監(jiān)測儀的測量范圍要求使用。如果低排放濃度(如30mg/m以下)采用大測量范圍的儀器，就有可能達(dá)不到要求的測量精度要求，甚至檢測不到足以分辨的有效信號。反之，如果采用較小測量范圍的儀器測量較高的排放濃度，有些儀器無法給出正常的數(shù)據(jù)，有些則因缺乏必要的高濃度等修正補償措施，雖然能夠得到數(shù)據(jù)但數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效性大打折扣。一般的對穿法煙塵監(jiān)測儀都采用光密度來衡量測量范圍，在選型儀器時必須評估所選儀

15、器的光密度測量范圍是否與排放點的濃度及煙囪的直徑對應(yīng)。 24對穿法煙塵監(jiān)測儀使用特點 3、雙光程對穿法的測量區(qū)為兩倍的光束穿越煙塵顆粒群的距離。一般在選型時煙塵監(jiān)測儀指明了煙塵儀能用于多大的煙道或煙囪，煙塵儀所指明的煙道或煙囪適用直徑指的是從兩端法蘭端面之間的距離，包括煙道或煙囪的內(nèi)凈尺寸、兩倍的煙道或煙囪的壁厚及兩倍的固定法蘭的探出長度。由于儀器準(zhǔn)直系統(tǒng)的容限，必須考慮該尺寸與煙塵儀的要求對應(yīng)，否則安裝后不能正確對焦。 25對穿法煙塵監(jiān)測儀使用特點 4、法蘭焊接的方向也很重要，這是一個經(jīng)常被忽視的問題。對穿法煙塵監(jiān)測儀的兩端安裝后須在同一軸線上。煙塵儀法蘭本身一般具有一個三點碟形墊片和螺母組

16、成的方向調(diào)整裝置，可以調(diào)整安裝角度在大約5。立體角的范圍。這要求焊接或預(yù)埋法蘭的軸向角度偏差不能大于5。，否則就無法進行對中調(diào)整。這種三點碟形墊片和螺母組成的方向調(diào)整裝置是與焊接(預(yù)埋)在煙囪上的固定法蘭對接，煙塵儀主體在維護需要拆下時，角度調(diào)整機構(gòu)保留在固定法蘭上不動，保證煙塵儀經(jīng)過維護維修后與煙囪的定位關(guān)系不變。有一些煙塵儀沒有三點碟形墊片和螺母組成的方向調(diào)整裝置，采用附加墊片的形式調(diào)整角度，這種情況下現(xiàn)場調(diào)整非常困難，較難保證安裝要求。如果采用這種方式，必須要求在煙塵儀附加一個機構(gòu)以使得在維護維修后重新安裝時與煙囪的定位關(guān)系不變，否則調(diào)試過程包括參比試驗所得到的全部參數(shù)都會失效。 264

17、.4 散射法煙塵監(jiān)測儀 4.4.1 基本原理及發(fā)展歷史 隨著環(huán)保意識的加強及法規(guī)更加嚴(yán)格，排放煙塵的濃度越來越底，電廠的煙塵排放一般在50mg/m3。以下，這時對穿法從原理上的局限性就越來越突出，我們考察對穿法直接測量的值是消光后的光強，而演算結(jié)果要求的是對數(shù)差1n(I。)ln(I)，也就意味著光電傳感器要在很強的光強條件下測量光強的變化率，在較低煙塵濃度情況下這對傳感器提出了很苛刻的要求，限制了對穿法在低濃度范圍下的應(yīng)用，也就是說分辨率不夠。而散射法則無此限制，不僅分辨率大幅度提高，采用后向散射法可以單端安裝，使得安裝條件大大改善而且安裝調(diào)試勞動強度大大降低。 274.4.1 基本原理及發(fā)展

18、歷史 將一激光束投射人煙道/煙囪，激光束與煙塵顆粒相互作用產(chǎn)生散射，散射光的強弱與煙塵的散射截面成正比，當(dāng)煙塵濃度升高時，煙塵的散射截面成比例增大，散射光增強，通過測量散射光的強弱，可以得到煙塵中煙塵顆粒物的濃度。通過測量散射光能的大小可以得煙塵的質(zhì)量濃度，這就是散射法的基本原理，其原理(圖4-6) 284.4.1 基本原理及發(fā)展歷史 書上公式（4-15）右半部分中對于具體排放源而言，除了Es外全為與顆粒分布、顆粒物性、儀器結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，表示上簡單起見令其等于常數(shù)K，則整個原理簡化成一個沒有常數(shù)項的線性變換： C=K*E 可見，通過測量散射光能的大小可以得煙塵的質(zhì)量濃度，這就是散射法的基本原

19、理。294.4.2 幾種散射法煙塵儀的結(jié)構(gòu)特點 散射式煙塵監(jiān)測儀在光路布置上有同軸及異軸兩種形式，發(fā)射光束與接收系統(tǒng)在同一軸線上成為同軸系統(tǒng)，不在同一軸線上稱為異軸系統(tǒng)。 同軸光路如圖4-7所示，測量取關(guān)區(qū)由接收透鏡的口徑、接收光闌、焦距及探測器的有效接收面元的大小決定。一般在訂購煙塵儀時須告之儀器供應(yīng)商煙囟的大小及煙囟的壁厚，供應(yīng)商在儀器出廠時將測量區(qū)的位置、大小調(diào)整好。出廠后一般不允許調(diào)整。30幾種散射法煙塵儀的結(jié)構(gòu)特點 采用異軸布置的結(jié)構(gòu)形式如圖4-8所示，激光束與接收透鏡軸以一個小的角度投射到煙塵中。 異軸布置測量區(qū)的位置更容易調(diào)整，只要改變光束的傾角即可方便地改變測量取樣區(qū)的位置。有

20、些品牌的儀器允許用戶在現(xiàn)場進行一次調(diào)整。 314.4.3 散射法煙塵儀的校準(zhǔn) 散射法煙塵儀的校準(zhǔn)一般采用在光路上放置一個散射光擋板和標(biāo)準(zhǔn)散射板及濾光片實現(xiàn)。零點的產(chǎn)生是采用擋板將散射光擋住使之不能進入傳感器，這時儀器的輸出信號為零點輸出信號。標(biāo)準(zhǔn)散射板的散射能力是固定的，一般可以用這一點代表儀器的最大測量范圍，在散射板及傳感器之間插入濾光片可以模擬跨度點。 散射法煙塵監(jiān)測儀的校準(zhǔn)同樣可以是自動的或手動方式的。自動方式是將以上手工過程自動化并附加一些判斷約束。一般在煙塵排放濃度范圍內(nèi)，現(xiàn)場自動或手動只需兩點就可以滿足排放監(jiān)測要求，一般這兩點為零點和一個跨度點。 324.4.4 散射法煙塵監(jiān)測儀的

21、使用特點 散射法的采樣測量區(qū)必須慎重考慮。散射法的采樣測量區(qū)一般位于煙塵儀探頭前05000mm的范圍內(nèi)，測量區(qū)對于信號大小的貢獻(xiàn)而言是一個不等權(quán)的區(qū)域。實際應(yīng)用中對于測量目標(biāo)1m左右的一個取樣測量區(qū)已經(jīng)足夠了，對高濃度排放源設(shè)置一個大的取樣測量區(qū)會導(dǎo)致更高的非線性。一般散射法的采樣測量區(qū)都在1m以內(nèi)。 測量區(qū)的位置設(shè)定尤其重要，一般要考慮兩個因素。一個因素是煙囪壁厚因素(還應(yīng)加上焊接法蘭的探出煙囪外壁的長度)和煙囪壁效應(yīng)的影響，測量區(qū)應(yīng)距煙囪內(nèi)壁200mm以上，測量區(qū)的大小可以設(shè)定在2001000mm左右。另一個因素是光束投射到對面煙囪壁上的反射信號應(yīng)處于儀器的有效接收孔徑之外。 33散射法煙塵監(jiān)測儀的使用特點 使用散射法煙塵儀經(jīng)常遇到的一個問題是煙道壁反射問題。散射法煙塵