基于激光前散射原理的抽取式粉塵儀在垃圾焚燒電廠中的應(yīng)用

趙文川，史煥明，吳永新，徐學(xué)祥，王洪廣

（1.光大環(huán)保能源（南京）有限公司，南京 211162；2.光大環(huán)保（中國）有限公司，廣東 深圳 518000）

近年來，隨著環(huán)境保護(hù)力度持續(xù)增加，環(huán)保監(jiān)察單位對污染源排放點的監(jiān)管更加嚴(yán)苛，粉塵作為污染源監(jiān)測的重要組分之一，對其精細(xì)化監(jiān)管刻不容緩。粉塵濃度的測量是粉塵治理不可或缺的一部分，但目前的電力行業(yè)粉塵濃度測量方法均存在各種不足之處，既要實現(xiàn)連續(xù)、準(zhǔn)確的粉塵濃度測量，又要減少儀器維護(hù)工作，仍具有一定的難度，這也是粉塵濃度測量技術(shù)方面亟待解決的難題。

目前，垃圾焚燒電廠使用的粉塵儀主要采用摩擦靜電法、光學(xué)透射法和光學(xué)散射光法，其中光學(xué)散射法分前散射和后散射兩種。

靜電摩擦測量方式優(yōu)點是測量范圍較廣，費用較便宜，維護(hù)較方便，維護(hù)成本較低；缺點為低濃度測量精度很低，在垃圾電廠故障率較高，維護(hù)量較大，受外界干擾較嚴(yán)重。光學(xué)透射測量方式優(yōu)點是測量范圍較廣，費用較便宜；缺點為測量精度較低，受外界干擾較嚴(yán)重（振動等因素）。光學(xué)散射測量方式優(yōu)點是精度較高，檢出限較低，不與煙氣直接接觸檢測，部件使用壽命較高，維護(hù)標(biāo)定方便，維護(hù)成本較低，性價比高；缺點為在低濃度段測量無法達(dá)到超低粉塵的測量要求，由于測量方式的限制，較細(xì)的顆粒無法準(zhǔn)確檢測到，并且光源損耗直接影響測量精準(zhǔn)度。

綜上所述，由于測量原理落后、量程大、精度低等問題，目前常用的粉塵儀均難以滿足當(dāng)前粉塵超低排放的測量要求，存在著極大的環(huán)保風(fēng)險。當(dāng)前各電廠單位均積極找尋新技術(shù)用以取代落后的粉塵測量裝置。結(jié)合火電廠燃煤機(jī)組超低排放改造后抽取式粉塵儀的相關(guān)使用經(jīng)驗，同時為驗證抽取式粉塵儀在垃圾焚燒電廠的穩(wěn)定性、可靠性，特此在光大環(huán)保能源（南京）有限公司進(jìn)行了激光前散射抽取式粉塵儀試用。

1 FWE200簡介

FWE200是某公司最新一代激光前散射抽取式粉塵儀，用于連續(xù)測量煙氣中極少濃度（0.1 mg/m3）到中等濃度（200 mg/m3）的粉塵測量裝置。它的特點是從煙道中抽取一部分煙氣，高溫使其干燥，并使用可調(diào)電加熱系統(tǒng)來使其過熱和保證測量氣溫度恒定，從而排除了常規(guī)測量中小液滴可能造成的測量誤差。

1.1 系統(tǒng)簡介

FWE200采用旁路工作系統(tǒng)，使用射流泵將煙氣從煙道中經(jīng)探頭等速抽出，并抽取到一個加熱旋風(fēng)筒中，將煙氣加熱至過熱狀態(tài)（保證煙氣露點之上），然后煙氣進(jìn)入測量單元。測量單元使用前激光散射法，激光器發(fā)出的650 nm調(diào)試光束射向顆粒物,在測量單元內(nèi)裝有一個高度靈敏的探測器，用來檢測粉塵顆粒散射光的強度，將光強度經(jīng)過信號放大后傳輸至微處理器的測量單元進(jìn)行測量，該單元為粉塵儀的控制及測量核心部件，經(jīng)過測量單元分析從而得到粉塵濃度，并以4～20 mA信號輸出至二次表等裝置顯示輸出。此間種種措施消除了煙氣中水分對粉塵信號的干擾，監(jiān)測過后的尾氣經(jīng)采樣探桿重新回流至到煙道中。抽取式粉塵儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FWE200結(jié)構(gòu)原理

1.2 測量原理

FWE200的工作原理是散射光（向前散射）。該原理的靈敏度高，尤其適合測量低顆粒濃度場合。一個激光二極管使用可見光范圍內(nèi)的調(diào)制光照射測量氣流中的粉塵顆粒。由粉塵顆粒散射的光波被一個極度敏感的檢測器收集，經(jīng)過電增強后，送至一個微處理器的測量通道中，該微處理器是測量、控制和評價電路板的中心部分。煙道中的測量體積由發(fā)射光束和接收孔之間的重疊來定義。其通過連續(xù)監(jiān)測發(fā)射功率來采集發(fā)射光束的微小亮度變化。測量的反射光強度SL與粉塵濃度c成正比，但是散射光強度不僅與粉塵顆粒的數(shù)目和大小有關(guān)，還和它們的光學(xué)屬性有關(guān)，所以該粉塵儀還加入重量法比對測量來對測量系統(tǒng)進(jìn)行校正，從而實現(xiàn)粉塵濃度精確測量的功能。

根據(jù)重量法求出的校正系數(shù)cc0（常數(shù)）、cc1（一次項）和cc2（二次項）可以直接輸入測量系統(tǒng)使用的公式中：

式中，SL為消光度；cc為修正系數(shù)；cc2為二次系數(shù)；cc1為線性系數(shù)；cc0為常數(shù)項。

FWE200的測量原理如圖2所示。

圖2 FWE200測量示意圖

2 可靠性驗證

為探究FWE200粉塵儀的測量數(shù)據(jù)可靠性與真實性，試用初期階段聯(lián)合具有相關(guān)資質(zhì)的第三方檢測機(jī)構(gòu)，采用常規(guī)煙氣粉塵采樣并使用稱重測量法，對粉塵儀進(jìn)行了一次平行采樣比較試驗。人工手動采樣和在線自動測量同步進(jìn)行，通過數(shù)據(jù)分析比對，探究FWE200粉塵儀系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

2018年7月17日對比試驗開始，第三方檢測機(jī)構(gòu)采用常規(guī)便攜式顆粒物檢測儀器，對1#焚燒爐煙氣進(jìn)行手動粉塵采樣，每個標(biāo)樣采集時長約為30 min，共進(jìn)行6次平行采樣。專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)對6個標(biāo)樣進(jìn)行常規(guī)稱重法分析，具體獲得粉塵濃度結(jié)果如表1所示。計算可得，粉塵含量的總均值為 1.28 mg/m3。

在進(jìn)行比對試驗之前，F(xiàn)WE200抽取式粉塵儀實時數(shù)據(jù)已接入DCS，在第三方檢測人員手動取樣時，記錄采樣開始和結(jié)束時間，并從DCS中每分鐘導(dǎo)出一個歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行累加取平均值，得到對應(yīng)手動采樣時的FWE200抽取式粉塵儀的測量數(shù)據(jù)，自動測量數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。計算可得，自動測量結(jié)果的最終均值為1.39 mg/m3。

如圖3所示，比較平行測量結(jié)果可知，手動取樣化驗的結(jié)果和FWE200自動粉塵儀對煙塵的測定結(jié)果差異不大，平均值絕對誤差為0.05 mg/m3，相對誤差為8.5%。

表1 手動采樣化驗結(jié)果

表2 自動測量結(jié)果

目前，最新版的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法》（HJ 76-2017）指出，顆粒物≤10 mg/m3， 儀器與參比方法測量結(jié)果平均值的絕對誤差不超過±5 mg/m3視為合格，F(xiàn)WE200粉塵儀完全滿足該技術(shù)要求。

圖3 手自動比對柱狀圖

3 與后激光散射法粉塵儀對比

此次可靠性驗證結(jié)合了一款傳統(tǒng)的后激光散射法粉塵儀，其量程范圍0～200 mg/Nm3。其實時粉塵測量數(shù)值也同步接入了DCS中，便于更為方便直觀地進(jìn)行結(jié)果比對。

通過試用期間對FWE200粉塵儀和后激光散射法粉塵儀歷史趨勢的分析可發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)WE200粉塵儀具有測量數(shù)據(jù)低、對工況變化敏感度高、測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強等特點。

3.1 測量數(shù)據(jù)低

如圖4所示，01曲線為后激光散射粉塵儀連續(xù)8 h的折算值歷史趨勢，02曲線為FWE200的同時段粉塵折算值歷史趨勢，F(xiàn)WE200粉塵儀小時均值為 1.8 mg/Nm3，后激光散射粉塵儀小時均值為3.5 mg/Nm3， 明顯高于FWE200粉塵儀的測量結(jié)果。這一結(jié)果也從側(cè)面證明了傳統(tǒng)后激光散射粉塵儀的測量精度低，誤差范圍大，容易增加環(huán)保風(fēng)險。

圖4 測量結(jié)果對比1

3.2 對工況敏感度高

通過對歷史趨勢的分析，筆者發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)WE200粉塵儀對工況變化敏感度很高，光大環(huán)保能源（南京）有限公司布袋除塵器在正常運行中投入自動吹灰模式，吹灰條件為每間隔一個小時或者布袋壓差＞1 300 Pa，當(dāng)布袋除塵器進(jìn)行吹灰操作時，如圖5所示，每個02曲線的波峰即為吹灰時間，抽取式粉塵儀FWE200能夠快速響應(yīng)布袋除塵器的工況變化，并且從粉塵測量值上精準(zhǔn)快速反應(yīng)，時間上和吹灰設(shè)定完全吻合，而后激光散射粉塵儀對吹灰操作無明顯數(shù)據(jù)變化（01曲線），如圖5所示。

3.3 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強

對比后激光散射粉塵儀和抽取式粉塵儀FWE200可以很明顯發(fā)現(xiàn)，前者的數(shù)據(jù)總是在頻繁上下波動，曲線震蕩嚴(yán)重，無法達(dá)到相對穩(wěn)態(tài)，而FWE200曲線相對平緩，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強，如圖6所示。

圖5 測量結(jié)果對比2

圖6 測量結(jié)果對3

4 結(jié)論

近一個月的試用和對兩款粉塵儀數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，F(xiàn)WE200抽取式粉塵儀確實表現(xiàn)搶眼，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強，敏感度高，測量精準(zhǔn)，更能有效地反映排口的粉塵排放情況。但較普通粉塵儀，F(xiàn)WE200設(shè)備組件眾多，安裝要求高，后期維護(hù)量大，前期投入成本高，缺點也較為突出，對大規(guī)模推廣使用勢必帶來一定的制約。