基于微電荷法的煙氣顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

羅超，黃齊順，查智明，姚為方

(安徽省電力科學(xué)研究院，安徽合肥 230061)

0 引言

顆粒物污染控制是我國(guó)大氣污染控制的重點(diǎn)之一，2012年冬天以來(lái)在我國(guó)多個(gè)大中城市集中爆發(fā)的“霧霾”天氣將燃煤電廠(chǎng)的煙氣排放問(wèn)題推至輿論的風(fēng)口浪尖，可以預(yù)見(jiàn)的是未來(lái)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)對(duì)電廠(chǎng)的排放采取更為嚴(yán)格的限制措施，因此更為高效的固體顆粒物排放控制和治理措施勢(shì)在必行［1］，而煙氣中顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)的提高則是相應(yīng)的前提條件［2］。

目前就全球范圍來(lái)說(shuō)，煙氣中固體顆粒物濃度檢測(cè)手段的發(fā)展較為緩慢，常用的方法主要是重量法、β射線(xiàn)吸收法、透光度法和光散射法等［3］。重量法是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，這種方法不僅技術(shù)比較落后，精度及靈敏度也很難再提高，采樣中人的參與和眾多因素的影響使得隨機(jī)誤差極難控制，更不宜應(yīng)用于自動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。β射線(xiàn)吸收法不僅操作周期同樣較長(zhǎng)，且涉及到的儀器構(gòu)造復(fù)雜，成本高昂，不適于大規(guī)模投資和應(yīng)用。透光度法是運(yùn)用光學(xué)原理對(duì)顆粒物進(jìn)行檢測(cè)的經(jīng)典方法，其基本原理是基于恒定光通量的光通過(guò)粒子后產(chǎn)生衰減，通過(guò)測(cè)定衰減量得到粒子的濃度;光散射法主要是基于光與煙塵顆粒物相互作用產(chǎn)生散射，散射光的強(qiáng)度與總散射的面積成正比，通過(guò)測(cè)量散射光的強(qiáng)度即可得到煙塵顆粒物的濃度。目前國(guó)內(nèi)固定式的連續(xù)顆粒物濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要就是基于這兩種光學(xué)方法［4］，但透光度法靈敏度低，而光散射儀器的光學(xué)窗口污染后產(chǎn)生的剩余累計(jì)誤差則大大影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中仍將傳統(tǒng)的手工采樣法作為煙氣顆粒物濃度檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法。

微電荷顆粒物感應(yīng)技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，從最初簡(jiǎn)單的基于模擬電路的獨(dú)立式除塵器泄漏檢測(cè)儀，到基于復(fù)雜算法的集成式系統(tǒng)，此項(xiàng)技術(shù)隨著對(duì)微電荷感應(yīng)原理更深入的理解和微電子及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展而逐步完善起來(lái)，并被應(yīng)用到越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中。

1 基本原理

在夾帶顆粒物的氣流中，當(dāng)顆粒與探頭碰撞時(shí)，顆粒和探頭間會(huì)發(fā)生電荷傳遞，即摩擦起電，這個(gè)信號(hào)被稱(chēng)為“撞擊電流信號(hào)”(Strike Current Flow Signal，SCFS)。氣流中的顆粒自身也帶有一定凈電荷，當(dāng)微粒經(jīng)過(guò)探頭附近時(shí)，探頭上也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，即靜電感應(yīng)，這個(gè)信號(hào)則稱(chēng)為“感應(yīng)電流信號(hào)”(Inductive Current Flow Signal，ICFS)。撞擊電流信號(hào)、感應(yīng)電流信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 撞擊電流信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程

圖2 感應(yīng)電流信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程

當(dāng)一個(gè)顆粒與探頭碰撞時(shí)，電荷轉(zhuǎn)遞量的多少取決于顆粒的物化性質(zhì)和速度。一群顆粒物與探頭碰撞的綜合結(jié)果是在探頭上產(chǎn)生的微小電流信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度與一定時(shí)間內(nèi)碰撞探頭的顆粒數(shù)量成正比。在探頭附近，顆粒通常不是均勻分布的，同時(shí)它們的流動(dòng)速度也在平均速度上下浮動(dòng);所以SCFS的強(qiáng)度也是在某一均值附近浮動(dòng)。當(dāng)一個(gè)顆粒掠過(guò)探頭時(shí)，感應(yīng)電荷量的多少取決于探頭的形狀、探頭和粒子之間的徑向距離、顆粒所帶的凈電量以及粒子的軸向速度。當(dāng)顆粒通過(guò)在探頭所在的管道截面時(shí)，如果將其所帶的電荷當(dāng)作一個(gè)脈沖信號(hào)，而由感應(yīng)電荷在探頭上的生成的電流信號(hào)則是這個(gè)感應(yīng)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。這樣探頭和它周?chē)目臻g形成了一個(gè)信號(hào)過(guò)濾器，即“空間過(guò)濾效應(yīng)”。當(dāng)隨機(jī)分布的顆粒掠過(guò)探頭時(shí)，得到的SCFS則是原始隨機(jī)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾后的結(jié)果，其中包含關(guān)于顆粒流動(dòng)和信號(hào)過(guò)濾器本身的重要信息。上述兩個(gè)來(lái)源的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)、處理和分析，來(lái)得到顆粒物的流量和濃度，測(cè)量的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 微電荷法煙氣顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)示意

2 技術(shù)難點(diǎn)

如前所述，SCFS的統(tǒng)計(jì)平均值，即直流部分，與顆粒物質(zhì)量流量成正比，而信號(hào)與其均值之間的偏離，即信號(hào)的交流部分，亦與顆粒物質(zhì)量流量成正比。ICFS的統(tǒng)計(jì)平均值是零，感應(yīng)信號(hào)和零之間的偏離，即交流部分，與顆粒物質(zhì)量流量成正比。但是因?yàn)椤翱臻g過(guò)濾效應(yīng)”，感應(yīng)系統(tǒng)起到一個(gè)帶通濾波器的作用，低頻和高頻信號(hào)都被大大衰減了。

流體中的紊流會(huì)使粉塵的空間和速度分布更復(fù)雜，可以同時(shí)影響到撞擊電流和感應(yīng)電流。由于ICFS和紊流引起的信號(hào)的直流部分均為零，測(cè)量到的信號(hào)的直流部分即為一段時(shí)間內(nèi)SCFS的平均值。而測(cè)量值的交流部分是SCFS的波動(dòng)、ICFS和紊流引起的信號(hào)的集合，影響每個(gè)信號(hào)的因素都很復(fù)雜又不盡相同，例如流速和紊流狀況。交流信號(hào)的低頻部分主要是由SCFS的波動(dòng)和紊流引起的信號(hào)組成;中頻部分主要由SCFS的波動(dòng)和ICFS組成;高頻部分主要是SCFS的波動(dòng)。信號(hào)的直流部分的物理原理清晰、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，基本與流動(dòng)狀況的波動(dòng)無(wú)關(guān);而交流部分的物理原理復(fù)雜、不穩(wěn)定，易受紊流的影響。

基于“直流”和“交流”信號(hào)的物理原理，理想的微電荷感應(yīng)儀器應(yīng)該既有良好的直流性能又要有良好的交流性能。然而設(shè)計(jì)制造現(xiàn)實(shí)中的微電荷感應(yīng)儀器需要解決一系列的技術(shù)難點(diǎn):微電荷感應(yīng)信號(hào)非常弱，要檢測(cè)到如此小的電流信號(hào)，需要將其放大極高倍率。所有的模擬電子元件都有偏移、漂移和熱噪;電路板上也有微小的電流泄漏，不同材料的接合處還有熱電偶效應(yīng)。所有這些干擾都會(huì)和信號(hào)本身一起被放大，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，雜波就可能大到把真正的信號(hào)掩蓋的程度，并使電路飽和;同時(shí)在使用傳統(tǒng)的電子元件的電路中，巨幅增益又會(huì)限制電路的帶寬，使其只能探測(cè)到直流信號(hào)和幾十赫茲的低頻交流信號(hào)。

另外，因?yàn)閭鞲衅鳟a(chǎn)生的電流信號(hào)極小，就要求傳導(dǎo)信號(hào)的電纜要經(jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì)并能始終保持良好的性能;空間存在的電磁干擾以及傳感器所在位置其他設(shè)備產(chǎn)生的靜電感應(yīng)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響則要求采取有效手段屏蔽掉這些外界因素，因此隔離材料在嚴(yán)酷工作條件下的絕緣性能是另一個(gè)難點(diǎn)。

3 發(fā)展現(xiàn)狀

在微電荷法早期，為了解決上述技術(shù)難點(diǎn)，通常只測(cè)量信號(hào)的交流部分，而把偏差、電流泄漏和漂移從信號(hào)處理的電子元件中隔離開(kāi)來(lái)，然而這同時(shí)也舍去了包含重要信息的直流部分。信號(hào)的分離可用物理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如在探頭上鍍上一層絕緣材料;或者用電子方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如在電路上使用交流偶合。多數(shù)交流設(shè)備只測(cè)量信號(hào)在幾十赫茲內(nèi)的低頻范圍，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，感應(yīng)電流信號(hào)被“空間過(guò)濾效應(yīng)”極大地衰減了，檢測(cè)到的信號(hào)主要是撞擊信號(hào)的波動(dòng)值和紊流產(chǎn)生的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)夾雜更多噪音且更不穩(wěn)定。這種方法是以犧牲性能的代價(jià)來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低制造成本，同時(shí)也大大降低了測(cè)量的準(zhǔn)確性。并且鍍有絕緣體套層的探頭不應(yīng)使用在易燃易爆的場(chǎng)合，因?yàn)榻^緣體套層上會(huì)積累大量靜電荷，潛在的高壓放電是重大的安全隱患。

近年來(lái)模擬和數(shù)字電子技術(shù)都有了顯著的發(fā)展，對(duì)顆粒物流動(dòng)和電荷相互作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)也在不斷進(jìn)步。隨著數(shù)字信號(hào)處理算法的發(fā)展，通過(guò)精巧的電路設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的制造程序，在解決偏差和漂移問(wèn)題的同時(shí)，不會(huì)損失最寶貴的顆粒物流動(dòng)信息－信號(hào)的直流部分。測(cè)量出的直流信號(hào)是撞擊信號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均值，它更真實(shí)地反映了顆粒物流量。

隨著微處理器的發(fā)展，傳感器采樣頻率得以持續(xù)的提高，當(dāng)采樣頻率達(dá)到10kHz以上時(shí)，感應(yīng)出的電流信號(hào)已經(jīng)超過(guò)了“空間過(guò)濾效應(yīng)”的范圍，同時(shí)保持直流信號(hào)的準(zhǔn)確性，這使處理更完整的顆粒物流動(dòng)信息成為可能。通過(guò)在一個(gè)樣本中上千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，數(shù)字信號(hào)處理器可對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種濾波處理和多種統(tǒng)計(jì)及頻譜分析?；谥绷餍盘?hào)并利用精密算法以低頻交流信號(hào)作為補(bǔ)充，可以提供較交流方法更為精確的測(cè)量結(jié)果。處理器計(jì)算能力的提高，為各種復(fù)雜算法提供了可能，通過(guò)設(shè)計(jì)濾波算法，可以不需要對(duì)傳感器進(jìn)行物理屏蔽就能消除空間存在的電磁干擾，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變的更簡(jiǎn)單了。

另外，材料科學(xué)的發(fā)展促使了陶瓷絕緣體探頭、鍍膜套層、高碳精等特殊材料的感應(yīng)探頭出現(xiàn)，微電荷法檢測(cè)技術(shù)得以在高溫、潮濕、腐蝕甚至爆炸的環(huán)境條件中進(jìn)行應(yīng)用。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 燃料供給控制

如何使工業(yè)鍋爐和窯爐在最佳效率的條件附近運(yùn)行是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，其中需要監(jiān)控的參數(shù)非常多。例如在以煤粉為燃料的生產(chǎn)過(guò)程中，準(zhǔn)確監(jiān)控給煤速率和均勻度一直是一個(gè)技術(shù)難題。傳統(tǒng)儀器無(wú)法準(zhǔn)確、穩(wěn)定而又經(jīng)濟(jì)地實(shí)時(shí)監(jiān)控氣－固兩相流。在燃料供給不能精確監(jiān)控的情況下，很難對(duì)鍋爐和窯爐的性能的進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。例如在火電廠(chǎng)、水泥廠(chǎng)和鋼廠(chǎng)等行業(yè)，能源來(lái)自鍋爐、窯爐中燃燒的煤粉，過(guò)量的燃料供給會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)，而過(guò)量的空氣供給會(huì)消耗燃料產(chǎn)生的珍貴熱量，而以上兩者都會(huì)使廢氣排放量增加。如果能找到合適的控制技術(shù)，則可以節(jié)省能源并降低污染。同樣的道理，在化工、食品加工和制藥行業(yè)，準(zhǔn)確監(jiān)控物料的流量可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。微電荷法在氣固兩相流測(cè)量中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其在燃料供給控制上成為最可靠、最經(jīng)濟(jì)的使用方法之一。

4.2 袋式收塵檢漏

布袋除塵器使用過(guò)程中由于濾料老化、局部疲勞、粉塵沖擊與磨損以及煙氣腐蝕等原因，其濾袋局部就會(huì)出現(xiàn)穿孔或撕裂，引起粉塵跑漏，即濾袋穿漏。單個(gè)濾袋穿漏若不及時(shí)檢出并更換新袋就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)箱體內(nèi)其他布袋的損壞，進(jìn)而破壞整個(gè)袋式收塵系統(tǒng)，對(duì)大氣環(huán)境造成額外的污染和減少有用粉塵的回收。因此，濾袋穿漏檢測(cè)報(bào)警技術(shù)研究，具有重要的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)意義［5］。傳統(tǒng)的檢漏方法有壓力法、分室關(guān)閉檢查法、熒光粉檢測(cè)法、激光潛入法等。壓力檢漏就是在每條濾袋安裝壓力傳感器通過(guò)電腦顯示壓力變化，投資大，維護(hù)不方便，此方法很少應(yīng)用;分室關(guān)閉檢查法是對(duì)除塵設(shè)備逐一關(guān)閉過(guò)濾室進(jìn)行檢查漏袋，耗費(fèi)巨大的人力且只能針對(duì)分室除塵器，對(duì)于大型設(shè)備布袋數(shù)量眾多的情況根本無(wú)法操作;熒光粉檢測(cè)對(duì)熒光粉的粒徑要求極為嚴(yán)格，往往造成對(duì)布袋的破損狀況的錯(cuò)誤判斷;激光潛入法存在投資大和定位不精確的缺點(diǎn)。

微電荷檢測(cè)技術(shù)因?yàn)榫哂休^高的靈敏度和準(zhǔn)確性，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控袋式除塵設(shè)備每個(gè)箱體的排放情況，通過(guò)優(yōu)化安裝位置，可以根據(jù)清袋的時(shí)序和清袋時(shí)粉塵排放信號(hào)波峰的位置及幅度來(lái)確定泄漏的排數(shù)。事實(shí)上，美國(guó)環(huán)保署已經(jīng)將微電荷法袋式除塵器泄露檢測(cè)裝置作為美國(guó)的官方標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 靜電除塵節(jié)能

靜電除塵器已成為多數(shù)燃煤電廠(chǎng)的主力除塵設(shè)備，其性能受粉塵性質(zhì)、設(shè)備構(gòu)造、煙氣流速、煙氣溫度、濕度等多個(gè)因素的影響。粉塵的比電阻是評(píng)價(jià)導(dǎo)電性的指標(biāo)，它對(duì)除塵效率有著直接的影響。比電阻過(guò)低，塵粒難以保持在集塵電極上，致使其重返氣流。比電阻過(guò)高，到達(dá)集塵電極的塵粒電荷不易放出，在塵層之間形成電壓梯度會(huì)產(chǎn)生局部擊穿和放電現(xiàn)象。這些情況都會(huì)造成除塵效率的下降。靜電除塵器的電源由控制箱、升壓變壓器和整流器組成。電源輸出的電壓高低對(duì)除塵效率也有很大影響。因此，靜電除塵器運(yùn)行電壓需保持40～75kV乃至100kV以上，如果能向高頻電源的控制系統(tǒng)提供反應(yīng)粉塵濃度變化的信號(hào)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)提供的信號(hào)調(diào)整輸出的電壓高低，就可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。這也是靜電除塵器回路控制的基本思路。但目前普遍應(yīng)用的粉塵濃度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(主要是光學(xué)法)無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確且長(zhǎng)期有效的反應(yīng)煙道中粉塵濃度的變化，電源控制系統(tǒng)基本形同虛設(shè)。新型微電荷法顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)對(duì)煙氣中顆粒濃度的變化反應(yīng)靈敏，可以為靜電除塵的電源控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確信號(hào)，從而調(diào)節(jié)電源的放電頻率和電壓，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4.4 濕法脫硫煙氣的監(jiān)測(cè)

濕法煙氣脫硫技術(shù)(WFGD)是煙氣脫硫的主流技術(shù)［7］，占實(shí)際運(yùn)行的電廠(chǎng)煙氣脫硫裝置的85%。由于濕式洗滌塔可同時(shí)脫除多種污染物，因此得到了廣泛關(guān)注。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)WFGD系統(tǒng)對(duì)煙塵的脫除作用展開(kāi)了一些研究［6，8］。但目前的研究多是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)采集的樣本進(jìn)行分析，對(duì)于濕法脫硫煙氣中顆粒物濃度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)仍倚賴(lài)于傳統(tǒng)的手工采樣方法。對(duì)于濕法脫硫后端即最終排放的煙氣中顆粒物濃度，由于煙氣中含有大量水汽，在使用采樣槍進(jìn)行煙塵收集時(shí)，常導(dǎo)致采樣濾膜濕潤(rùn)后堵塞，使采樣無(wú)法繼續(xù)，檢測(cè)精度更無(wú)從談起。事實(shí)上，目前尚無(wú)一種方法或者儀器能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)定濕法脫硫塔后端的煙氣顆粒物濃度。在新的《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中，規(guī)定將濕法脫硫前端煙氣中顆粒物濃度的1/2作為排放的參考值。

微電荷法為濕法脫硫煙氣中顆粒物濃度的監(jiān)測(cè)提供了新的思路，方法本身可以規(guī)避水汽甚至凝露對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，只需選擇合適的探頭以適應(yīng)高濕的工作環(huán)境，就可以快速準(zhǔn)確的測(cè)定脫硫塔進(jìn)、出口位置的煙氣顆粒物濃度，對(duì)掌握除塵器工作效率以及電廠(chǎng)最終排放情況有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

在線(xiàn)測(cè)量排放煙道和風(fēng)動(dòng)輸送管道中固體顆粒物的質(zhì)量流量，減少顆粒物排放和提高生產(chǎn)過(guò)程效率起到關(guān)鍵性的作用。微電荷法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為高度自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、具有極高靈敏度和準(zhǔn)確性的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法，應(yīng)用在各類(lèi)工業(yè)場(chǎng)合中以監(jiān)測(cè)污染源煙塵、工業(yè)粉塵排放濃度和總量、工業(yè)爐窯的物料供給平衡控制及其他相關(guān)參數(shù)。隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和數(shù)字化時(shí)代的來(lái)臨，微電荷法煙氣顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代電子科技結(jié)合的愈發(fā)緊密，大規(guī)模商業(yè)化將得以實(shí)現(xiàn)。

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