基于激光探測(cè)的抽取式超低煙氣排放系統(tǒng)研究?

王 明

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司 南京 211102）

基于激光探測(cè)的抽取式超低煙氣排放系統(tǒng)研究?

王 明

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司 南京 211102）

基于提升煙氣排放檢測(cè)精確性的目的，該研究從煙道設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過(guò)在鍋爐煙道的激光探測(cè)器中加裝棱鏡和固定螺母調(diào)節(jié)的方式，避免了激光光束的遮擋問(wèn)題，并且在激光探測(cè)器探頭部分加裝多層濾網(wǎng)減少塵埃對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，同時(shí)在煙道內(nèi)側(cè)添加耐高溫納米陶瓷涂層以減少光吸收現(xiàn)象的發(fā)生。針對(duì)煙氣排放的特性，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)檢測(cè)的超低煙氣排放檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明：與便攜式手持煙氣分析儀相比，總體偏差度平均值可有效地控制在±5%以內(nèi)。

激光探測(cè)；抽取式探頭；煙氣排放；排放系統(tǒng)

1 引言

隨著傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域越來(lái)越多的加入電子設(shè)備的輔助，現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程不斷加速［1］。大氣環(huán)保作為新時(shí)代的重要問(wèn)題，在研究領(lǐng)域具有舉足輕重的地位［2］。針對(duì)鍋爐煙道超低煙氣排放的處理方法主要集中在雙塔串聯(lián)［3］、雙塔雙循環(huán)［4］、雙塔并聯(lián)［5］等不同超低排放技術(shù)，而檢測(cè)方式則以簡(jiǎn)單的手持式便攜式煙氣分析儀進(jìn)行操作［6］。由于工況實(shí)際的環(huán)境條件約束，單一的便攜式煙氣分析儀并不能實(shí)時(shí)地對(duì)煙氣進(jìn)行監(jiān)控，因此，基于電子設(shè)備的煙氣檢測(cè)裝置由然而生。本研究針對(duì)超低煙氣排放檢測(cè)需要，在傳統(tǒng)的激光探測(cè)器與工況實(shí)際進(jìn)行配合改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套基于煙氣抽取式設(shè)計(jì)的激光探測(cè)超低煙氣排放檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可減少工人對(duì)檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度并且可提升遠(yuǎn)程終端煙氣檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 激光探測(cè)

鍋爐的煙道在煙氣排放階段，激光探測(cè)器因材質(zhì)原因在高溫高壓的環(huán)境下容易發(fā)生形變，同時(shí)高濕度的煙氣在煙道內(nèi)部以高速排放［7］。因此，在光束的放射與收集過(guò)程中難以令激光探測(cè)器件保持原光路的探測(cè)，即探測(cè)結(jié)果失準(zhǔn)。為了解決激光探測(cè)器的發(fā)射光束不被環(huán)境干擾，盡量避免煙氣中水蒸氣的影響，本研究采用棱鏡折射原理對(duì)原光束進(jìn)行轉(zhuǎn)移［8］，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射裝置與接收裝置之間的平衡度與間距即可完成激光探測(cè)過(guò)程。其中，在發(fā)射裝置中加裝固定螺母實(shí)現(xiàn)棱鏡反射角度調(diào)節(jié)，而在接收裝置中加裝疝氣燈座加強(qiáng)光束的穿透能力。具體改裝后的激光探頭設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 改裝后的激光探頭

由圖1可見，在實(shí)際的鍋爐煙道探測(cè)過(guò)程中無(wú)需加裝煙霧傳感器，僅通過(guò)右側(cè)的固定螺母調(diào)節(jié)激光探測(cè)器的發(fā)射裝置與接收裝置的光束狀態(tài)。同時(shí)，為了便于實(shí)際的操作且提高激光探頭的使用壽命，本研究將發(fā)射裝置與接收裝置放置在同側(cè)的位置，僅利用棱鏡作為光束的中轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，這樣做不僅改進(jìn)了雙向端口操作到單向端口的過(guò)度，并且可實(shí)現(xiàn)光束的線性調(diào)節(jié)。

2.2 抽取式檢測(cè)

為了避免煙氣在排放階段帶有的塵埃與水蒸氣影響激光探測(cè)器檢測(cè)的結(jié)果［9］，本研究采用間接式的抽取法對(duì)煙氣進(jìn)行提取。首先在煙道壁的內(nèi)側(cè)設(shè)置等距離的采樣孔且與此相連加熱管道，這樣做是為了避免水蒸氣遇冷后的凝結(jié)現(xiàn)象堵塞采樣孔。其次，采樣煙氣在進(jìn)入檢測(cè)室之前設(shè)置小型冷卻器，在極短的時(shí)間內(nèi)清除樣本氣體的水蒸氣。最后，在惰性氣體的推動(dòng)下將樣本氣體送至檢測(cè)室。采用的間接式的抽取樣本氣體的方式，具體改進(jìn)后的抽取式探頭如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的抽取式探頭

由圖2所示，在右側(cè)收取式部分搭配帶有多層濾網(wǎng)的探頭，包裹濾網(wǎng)可以濾除塵埃。其中，煙氣中的塵埃部分被清除后可提升SO2的探測(cè)范圍且更適用于實(shí)際煙道中煙氣排放濃度波動(dòng)較大的環(huán)境。

2.3 煙道設(shè)計(jì)

在實(shí)際的鍋爐煙道排煙過(guò)程中，塵埃粒子會(huì)在高溫高壓環(huán)境下使得激光光束發(fā)生能量耗散現(xiàn)象，光束同樣也會(huì)因?yàn)闊煹纼?nèi)側(cè)不平整影響發(fā)生不斷的折射以至于被阻礙在煙道內(nèi)則嚴(yán)重影響激光探測(cè)器的接收。為了盡可能地避免激光光束的能量耗散，本研究通過(guò)使用GN-313耐高溫納米陶瓷涂層對(duì)煙道內(nèi)側(cè)進(jìn)行改進(jìn)［10］，該納米陶瓷不但可以應(yīng)對(duì)超高溫環(huán)境，并且還可以減少材料的光吸收現(xiàn)象的發(fā)生。

3 超低煙氣排放

3.1 煙氣污染成分

為了更準(zhǔn)確地探測(cè)到煙氣的主要污染成份，本研究主要從懸浮顆粒污染物和燃燒原材料兩個(gè)角度分析煙氣的污染成分。

懸浮顆粒污染物根據(jù)粒子直徑大小可分為兩種［11］：1）直接污染物，粒子直徑在大于1μm的情況下可因煙道內(nèi)的高壓環(huán)境直接排放到大氣中；2）間接污染物，粒子直徑在0.01μm～1μm的范圍內(nèi)，微小粒子伴隨著煙氣管道的高壓環(huán)境發(fā)生光化學(xué)污染。

鍋爐主要以煤炭和燃?xì)鉃樵牧?，在燃燒的過(guò)程中伴隨著各種化學(xué)反應(yīng)，最終鍋爐將SO2、NOx和COx排放到大氣中［12］。

3.2 排放系統(tǒng)

本研究設(shè)計(jì)的超低煙氣排放系統(tǒng)主要從檢測(cè)有害氣體到檢測(cè)塵埃顆粒并反饋終端。其中，超低煙氣排放系統(tǒng)主要分為兩個(gè)模塊及細(xì)化后的10個(gè)功能：1）數(shù)據(jù)采集模塊主要管理鍋爐的工況和數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、記錄及其傳輸功能；2）數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊主要對(duì)煙氣中的污染物檢測(cè)，如溫度、壓強(qiáng)和濕度［13］。具體的超低煙氣排放系統(tǒng)功能設(shè)置如圖3所示。

圖3 超低煙氣排放系統(tǒng)功能設(shè)置

由圖3所示，超低煙氣排放系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用RS232總線連接將串口通信［14］和A/D數(shù)據(jù)采集端口［15］，信號(hào)傳輸?shù)浇K端數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行分析并處理。超低煙氣排放系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊將采集到的檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸后計(jì)算分析，實(shí)時(shí)的在終端中顯示出煙道內(nèi)部的煙氣排放狀態(tài)并將結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行記錄。

3.3 操作流程

在搭建出超低煙氣排放系統(tǒng)功能設(shè)置后還需要根據(jù)不同的工況使用和當(dāng)?shù)丨h(huán)保監(jiān)管部門聯(lián)網(wǎng)使用，因此采集到的煙氣排放數(shù)據(jù)信息需要獨(dú)立的操作，具體的操作流程如下。

Step1：操作系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并對(duì)信息進(jìn)行整合；

Step2：通過(guò)激光探測(cè)器與無(wú)線WIFI連接，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)保監(jiān)管部門服務(wù)器中；

Step3：環(huán)保監(jiān)管部門通過(guò)串口通信將超標(biāo)排放的煙氣數(shù)據(jù)信息反饋到鍋爐檢測(cè)操作系統(tǒng)。

為了給操作用戶提供一個(gè)便于人機(jī)交互的操作流程，本研究采用Avision FB1000構(gòu)建應(yīng)用軟件，具體的工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程

4 實(shí)驗(yàn)分析

本研究所用的鍋爐在燃燒后排放的煙氣首先經(jīng)過(guò)除塵設(shè)備進(jìn)行大顆粒物質(zhì)的沉淀，然后通過(guò)U型管在鼓風(fēng)機(jī)的抽氣作用下進(jìn)入脫硫塔中，最后進(jìn)入本研究的主要部分即抽取式煙氣排放階段。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)裝置主要由激光探測(cè)器搭配對(duì)煙氣抽取形式完成，因此選擇鍋爐壓力和溫度較為穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行操作，這也可以起到對(duì)精密儀器的保護(hù)作用。

為了檢驗(yàn)本研究所設(shè)計(jì)的抽取式超低煙氣激光探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)選用手持國(guó)產(chǎn)的MIC-800-NOX便攜式煙氣分析儀作為對(duì)比，其檢測(cè)原理利用電化學(xué)氮氧化物傳感器，該款對(duì)比儀器的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

由于超低煙氣排放屬于長(zhǎng)期的復(fù)雜系統(tǒng)，本研究?jī)H針對(duì)SO2進(jìn)行檢測(cè)。選取鍋爐煙道排煙使用年限與脫硫方法的不同規(guī)定煙氣排放檢驗(yàn)指標(biāo)，其中脫硫方法采取傳統(tǒng)的石灰消除法和氨水煅燒法。通過(guò)對(duì)比觀察每隔1h共計(jì)4h的鍋爐煙氣排放在不同脫硫方法的數(shù)據(jù)指標(biāo)，同時(shí)將本研究提出的抽取式激光探測(cè)檢驗(yàn)和便攜式手持煙氣分析儀進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2和表3所示。

表1 對(duì)比儀器技術(shù)指標(biāo)

表2 石灰消除法檢測(cè)對(duì)比

表3 氨水煅燒法檢測(cè)對(duì)比

通過(guò)觀察對(duì)比針對(duì)SO2的不同脫硫方法前后的檢測(cè)結(jié)果表明：

1）從脫硫消除前分析，超低煙氣排放系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果在脫硫消除前偏差度較小且檢測(cè)值偏大。其中，采用石灰消除法消除前與便攜式煙氣分析儀偏差度平均值為0.215%，采用氨水煅燒法偏差度平均值2.7875%。這是由于煙氣排放經(jīng)過(guò)氨水煅燒脫硫攜帶水蒸氣，影響了激光探測(cè)光束的數(shù)據(jù)信息采集。

2）從脫硫消除后分析，超低煙氣排放系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果在脫硫消除后偏差度較大且檢測(cè)值偏小。其中，采用石灰消除法消除前與便攜式煙氣分析儀偏差度平均值為-4.955%，采用氨水煅燒法偏差度平均值-11.77%。這是由于本研究所設(shè)計(jì)的超低煙氣排放檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)氨水中含有NOx更加敏感。隨著脫硫工序的不斷進(jìn)行，鼓風(fēng)機(jī)將煙氣吸收，減小了檢驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究根據(jù)鍋爐的煙道在煙氣排放階段的實(shí)際工況，從煙道角度設(shè)計(jì)了一套基于激光探測(cè)的抽取式超低煙氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)激光探頭加設(shè)棱鏡進(jìn)行了探頭改進(jìn)，固定螺母調(diào)節(jié)激光探測(cè)器的發(fā)射裝置與接收裝置的光束狀態(tài)，并且在抽取式探頭上加裝多層濾網(wǎng)以減少塵埃對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，在煙道內(nèi)側(cè)添加耐高溫納米陶瓷涂層對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。最后針對(duì)煙氣污染成份設(shè)計(jì)了超低煙氣排放系統(tǒng)功能。通過(guò)將本研究所提出的超低煙氣排放系統(tǒng)與便攜式手持煙氣分析儀對(duì)比，實(shí)驗(yàn)分析表明：采用石灰消除法對(duì)SO2的脫硫方式明顯優(yōu)于氨水煅燒法，同時(shí)，脫硫消除前超低煙氣排放系統(tǒng)偏差度較小，而脫硫消除后超低煙氣排放系統(tǒng)偏差度較大，但總體偏差度平均值可有效的控制在±5%以內(nèi)。

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System of Ultra-Low Flue Gas Emission Based on Laser Detection

WANG Ming
（Jiangsu Fangtian Power Technology Co.，Ltd，Nanjing 211102）

Based on the purpose of improving the accuracy of flue gas emission detection，from the perspective of flue design，the problem of occlusion of laser beam is avoided by installing a prism and a fixed nut in the laser detector of boiler flue，and Laser probe part of the installation of multi-layer filter to reduce dust on the test results，while the inside of the flue to add high-tempera?ture nano-ceramic coating to reduce the phenomenon of light absorption.Aiming at the characteristics of flue gas emission，an ul?tra-low flue gas emission detection system for data collection and data detection is designed.The experimental results show that the average deviation can be effectively controlled within±5%compared with the portable handheld flue gas analyzer.

laser detection，extraction probe，flue gas，system of emissions

Class Number TN242

TN242

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.018

2017年6月10日，

2017年7月20日

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：51277052）資助。

王明，男，助理工程師，研究方向：電廠環(huán)保產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用。