燃煤電廠超低排放顆粒物濃度監測在線校準方法

劉國慶

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039）

我國是能源消耗較多的國家，特別是煤炭資源，有接近一半用于火力發電。燃煤電廠鍋爐燃燒過程中，會產生大量的灰渣、煙塵、SO2、NOx和痕量重金屬等多種有毒、有害的污染物，其中排放的PM2.5是環境污染的主要來源之一，嚴重影響著環境大氣質量。國際上普遍重視對超低排放顆粒物的研究和防治工作，越來越多的國家制定了大氣環境質量標準。隨著超低排放標準的不斷嚴格化，對超低排放的準確監測顯得尤為重要[1]。目前燃煤電廠顆粒物濃度測試方法主要有取樣法和非采樣法。非取樣法不需要對測量區域進行采樣，而是通過顆粒物本身存在的某種特性間接實現對顆粒物濃度的測量。光散射測量法為最常見的非取樣測量方法，在超低排放顆粒物連續監測中占主導地位，更適合于低濃度顆粒物的測量。

光散射測量法是通過一定波長的光束穿過粉塵顆粒物后的，測量散射光強的變化間接獲得顆粒物濃度的方法。國內外很多學者對散射光測量法做了研究，王清華等[2-6]先后研究得到了顆粒物質量濃度、粒徑分布等信息，為超低排放顆粒物在線監測技術奠定了基礎。劉丹丹等[7-10]也通過保護氣幕方法提高了測量精度及準確度。但由于燃煤電廠排放的顆粒物的成分和性質復雜，顆粒物粒徑小、粒度分布廣[11]，且煙氣中含有大量濕蒸汽和液滴[12-13]，吸附在測量鏡頭上，增加了測量結果噪聲，導致測量的失真。此外，光散射法顆粒物濃度測量裝置長期運行過程中，存在光強漂移的現象，降低測量結果準確性和可靠性。因此，隨著光散射法測量儀在線運行時間的加長，需要對系統進行校準與標定。

本文提出一種超低排放顆粒物濃度監測在線校準方法。基于光散射測塵原理，同時結合設計的分光光路、滿量程的自動校準系統，對光散射法顆粒物濃度計算方法進行標校修正，減少因檢測噪聲和光強漂移帶來檢測誤差。

1 測量校準原理

1.1 測量原理

定光強光源是最常見的顆粒濃度測量光源方式[14]，其穩定性高、易于控制。Mie散射理論是描述處于均勻介質中的各項均勻同性的單個介質球在單色平行光照射下的麥克斯韋方程邊界的嚴格數學解。假設入射光為完全偏振光，觀察點與散射顆粒的距離為L，對近似球形直徑為d的單個粉塵粒子，受到光強為I0的入射光照射，偏振角為φ，顆粒的總散射光強為Is。Is由垂直于散射面上所產生的散射光強Ir和平行于散射面方向所產生的散射光強It兩部分組成，即Is=Ir+It。Ir和It分別為：

（1）

（2）

式中，r為顆粒粒徑；θ為散射角；S1（θ）和S2（θ）為振幅函數，與折射率和無因次參量α有關，與入射光的偏振角φ無關；λ為入射光波長；I0為透射光強。

在入射光為完全偏振光的情況下，得到的總散射光強Is為[15-16]：

（3）

式中，i1（θ）和i2（θ）分別為球形顆粒的強度函數。

對體積為V、顆粒物濃度為c的含塵氣流散射系進行激光照射，得到散射系顆粒物的散射光強度為：

（4）

1.2 校準原理

標校原理如圖1所示。發射波長為655 nm、功率為10 mW的半導體激光管發光，經分光鏡頭組分為顆粒物測量光路和自檢光路，在檢測區域形成直徑約2 mm的光斑，激光檢測鏡頭與檢測光束的夾角為30°。進行顆粒物濃度測量時，測量光路進入測量區域，穿過顆粒物的透射光束采用光陷阱進行收集，激光檢測鏡頭檢測到散射光強度信號，散射光強信號反映了顆粒物濃度；系統自檢時，僅允許自檢光路在干凈空氣氣路環境下通過。自檢光路光束作為參考光路經全反射鏡反射后進入測量區域，參考光信號經測量區域后進入探測器，實現原始光強的自檢與標定。首先，在潔凈環境下測量不同顆粒物濃度下的散射光強，經長時間連續運行激光器造成污染，利用分光光路測量激光檢測鏡頭的污染程度；同時，測量不同污染程度下的不同顆粒物散射光強，分析數據對不同污染程度的檢測信號進行修正，以實現超低排放顆粒物濃度的準確測量。

圖1 標校原理Fig.1 Calibration schematic diagram

1.3 鏡頭污染環境下的顆粒物濃度計算

在不進行顆粒物濃度測量時，假設干凈的激光檢測鏡頭檢測到的散射光強為I1，受污染后檢測到的光強為I2，受污染后測得顆粒物的散射光強為I′，則受污染后測量的顆粒物濃度計算值c′可修正為：

（5）

2 校準方法

在超低排放煙氣中，測量通道除了腐蝕性氣體還存在液態水滴，光學鏡頭長期暴露在惡劣的環境下，加快了光學鏡頭的污染速度，同時會腐蝕鏡頭表面，嚴重影響自動校準機構的可靠性。特別是當設備突然斷電時，煙道中的煙氣在未經加熱的情況下直接進入檢測單元，將會在暗室中囤積大量的腐蝕性液體。

為解決上述問題帶來的影響，設計用環氧樹脂包裹的自鎖伸縮電磁閥帶動校準鏡片作為滿量程校準的執行機構。滿量程校準過程如圖2所示。

圖2 滿量程校準流程Fig.2 Full range calibration flow chart

圖2中，抽氣系統先抽取過濾后的潔凈空氣，自鎖伸縮電磁閥伸出，測量激光照射在校準鏡片上，在光電傳感器上產生滿量程的校準反射光，系統記錄此時的發射光強。測量顆粒物濃度時，安裝在自鎖伸縮電磁閥上的校準鏡片退回，光學鏡頭測量由顆粒物產生的散射光以實現濃度測量。顆粒物濃度測量持續時間Q后，系統進行滿量程校準，抽氣氣路切換到過濾后的潔凈空氣，然后伸出校準鏡片，測量此時的反射光強，判斷此時的反射光強與系統記錄的光強值之間的誤差是否超過設定閾值P，若超過P即進行滿量程校準糾正。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗方法與測試系統

根據國際測量標準，光散射法測量顆粒物濃度屬于非稱重方式，需要用濾膜稱重法進行誤差分析。不同燃煤電廠排放的顆粒物有差異，給現場測試驗證帶來困難。為了進行參比實驗，在實驗室搭建了基于粉塵風硐的測試系統。實驗粒子選用研磨后的煤粉，煤粉粒度分布見表1。

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

使用馬爾文發塵器將研磨后的煤粉定量注入管徑40 cm、長1 500 cm的風硐，粉塵風硐風速調節范圍1～15 m/s，同時配有靜電除塵器以減少對環境的污染。在風硐直管段的采樣口分別安裝光散射法超低排放監測儀及粉塵采樣器，進行平行采樣。使用萬分之一天平對粉塵采樣器上的濾膜進行稱重，稱重前濾膜均進行干燥除濕處理，除以采樣體積獲得粉塵的濃度。同時，分別在光強不修正與修正、儀器校準與不校準模式下獲得光散射法濃度測量讀數，進行比對測試。測試系統如圖3所示。

圖3 粉塵實驗風硐Fig.3 Dust experimental tunnel

3.2 非修正模式下的顆粒濃度測量

在1～6 mg/m3的粉塵濃度環境下，連續運行顆粒物監測儀，對測量儀器光強不進行修正同時也不采取定期校準，在不同時間點使用粉塵采樣器進行采樣，通過濾膜稱重法獲得該時刻的粉塵濃度，并與顆粒監測儀的測量結果進行對比。同時以采樣稱重結果作為真實值，計算監測儀器測量結果與稱重結果的誤差，如圖4所示。

圖4 非修正模式測量結果及誤差對比Fig.4 Comparison of measurement results and errors

從圖4可知，在30 d內，隨著顆粒物監測儀連續運行的持續，光散射法測量的顆粒物濃度與濾膜稱重法相比較，誤差越來越大，出現明顯的負偏差。通過計算得到誤差為1.16%～37.98%。

3.3 光強修正模式下的顆粒濃度測量

使用式（5）對光散射法測量結果進行修正，在1 d內的不同濃度環境下對采用修正與不修正的結果進行比對測試，同時對測量結果進行線性擬合。測試結果如圖5所示。

圖5 修正與非修正計算模式下的測量結果對比Fig.5 Comparison of measurement results under modified and unmodified calculation mode

從圖5可知，當顆粒物濃度濃度在1～8 mg/m3時，采用光強修正得到的測量濃度與采樣稱重結果一致性較好，擬合一次曲線斜率為0.963 39，殘差平方和為0.049 40，優于非修正模式下的測量結果。

3.4 校準對測量結果的影響

設定監測儀校準周期為每24 h一次，連續運行15 d，將校準條件下測量的結果與不校準條件下比對，結果如圖6所示。

圖6 定期校準與不校準模式下的測量結果對比Fig.6 Comparison of measurement results between periodic calibration and non-calibration modes

由圖6可知，當顆粒物濃度濃度在1～8 mg/m3時，定期校準模式下的測量濃度與采樣稱重結果一致性較好，擬合一次曲線斜率為0.922 00，殘差平方和為0.038 84，明顯優于不校準模式下的擬合曲線斜率和殘差平方和。

因此，在光強修正模式下，定期對測量儀器進行自動校準，會明顯提高測量結果的準確性，滿足超低排放的測量要求。

4 結語

基于光散射法的超低排放顆粒物濃度測量，其光學鏡頭容易受到顆粒物、水汽等污染，造成散射信號本底值和量程容易漂移，使得顆粒物測量濃度出現偏差，嚴重影響測量儀器的測量準確度和精度。本文通過開展對光散射超低排放顆粒物濃度監測自動校準技術的研究，提出了一種光散射法超低排放監測儀器滿量程自動校準方法，搭建了參比驗證系統，將實驗樣機測量結果與濾膜稱重法測量結果進行比較，同時分析了測量誤差來源；采用分光法交替測量激光檢測鏡頭的污染程度，實現了基于光強修正的顆粒物濃度測量；采用伸縮校準鏡頭，實現了顆粒測量結果的自動滿量程定期校準。與濾膜采樣稱重結果對比表明，光強修正和定期校準可明顯提高測量儀器測量結果的準確性；與稱重結果擬合一次曲線，采用光強修正方法的曲線斜率為0.963 39，24 h定期校準方法的曲線斜率為0.922 00。