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(guó)）有限公司，廣東 深圳 518000）

近年來(lái)，隨著環(huán)境保護(hù)力度持續(xù)增加，環(huán)保監(jiān)察單位對(duì)污染源排放點(diǎn)的監(jiān)管更加嚴(yán)苛，粉塵作為污染源監(jiān)測(cè)的重要組分之一，對(duì)其精細(xì)化監(jiān)管刻不容緩。粉塵濃度的測(cè)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(cè)量方法均存在各種不足之處，既要實(shí)現(xiàn)連續(xù)、準(zhǔn)確的粉塵濃度測(cè)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(cè)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(cè)量方式優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍較廣，費(fèi)用較便宜，維護(hù)較方便，維護(hù)成本較低；缺點(diǎn)為低濃度測(cè)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(cè)量方式優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍較廣，費(fèi)用較便宜；缺點(diǎn)為測(cè)量精度較低，受外界干擾較嚴(yán)重（振動(dòng)等因素）。光學(xué)散射測(cè)量方式優(yōu)點(diǎn)是精度較高，檢出限較低，不與煙氣直接接觸檢測(cè)，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(jià)比高；缺點(diǎn)為在低濃度段測(cè)量無(wú)法達(dá)到超低粉塵的測(cè)量要求，由于測(cè)量方式的限制，較細(xì)的顆粒無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)到，并且光源損耗直接影響測(cè)量精準(zhǔn)度。

綜上所述，由于測(cè)量原理落后、量程大、精度低等問(wèn)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(cè)量要求，存在著極大的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。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(cè)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(yàn)，同時(shí)為驗(yàn)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(jiǎn)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(cè)量煙氣中極少濃度（0.1 mg/m3）到中等濃度（200 mg/m3）的粉塵測(cè)量裝置。它的特點(diǎn)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(lái)使其過(guò)熱和保證測(cè)量氣溫度恒定，從而排除了常規(guī)測(cè)量中小液滴可能造成的測(cè)量誤差。

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)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(gè)加熱旋風(fēng)筒中，將煙氣加熱至過(guò)熱狀態(tài)（保證煙氣露點(diǎn)之上），然后煙氣進(jìn)入測(cè)量單元。測(cè)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(cè)量單元內(nèi)裝有一個(gè)高度靈敏的探測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)粉塵顆粒散射光的強(qiáng)度，將光強(qiáng)度經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后傳輸至微處理器的測(cè)量單元進(jìn)行測(cè)量，該單元為粉塵儀的控制及測(cè)量核心部件，經(jīng)過(guò)測(cè)量單元分析從而得到粉塵濃度，并以4～20 mA信號(hào)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(duì)粉塵信號(hào)的干擾，監(jiān)測(cè)過(guò)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(cè)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(cè)量低顆粒濃度場(chǎng)合。一個(gè)激光二極管使用可見(jiàn)光范圍內(nèi)的調(diào)制光照射測(cè)量氣流中的粉塵顆粒。由粉塵顆粒散射的光波被一個(gè)極度敏感的檢測(cè)器收集，經(jīng)過(guò)電增強(qiáng)后，送至一個(gè)微處理器的測(cè)量通道中，該微處理器是測(cè)量、控制和評(píng)價(jià)電路板的中心部分。煙道中的測(cè)量體積由發(fā)射光束和接收孔之間的重疊來(lái)定義。其通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)射功率來(lái)采集發(fā)射光束的微小亮度變化。測(cè)量的反射光強(qiáng)度SL與粉塵濃度c成正比，但是散射光強(qiáng)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(duì)測(cè)量來(lái)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校正，從而實(shí)現(xiàn)粉塵濃度精確測(cè)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(xiàng)）和cc2（二次項(xiàng)）可以直接輸入測(cè)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(xiàng)。

FWE200的測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 FWE200測(cè)量示意圖

2 可靠性驗(yàn)證

為探究FWE200粉塵儀的測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性與真實(shí)性，試用初期階段聯(lián)合具有相關(guān)資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，采用常規(guī)煙氣粉塵采樣并使用稱重測(cè)量法，對(duì)粉塵儀進(jìn)行了一次平行采樣比較試驗(yàn)。人工手動(dòng)采樣和在線自動(dòng)測(cè)量同步進(jìn)行，通過(guò)數(shù)據(jù)分析比對(duì)，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(duì)比試驗(yàn)開始，第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用常規(guī)便攜式顆粒物檢測(cè)儀器，對(duì)1#焚燒爐煙氣進(jìn)行手動(dòng)粉塵采樣，每個(gè)標(biāo)樣采集時(shí)長(zhǎng)約為30 min，共進(jìn)行6次平行采樣。專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)6個(gè)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(jì)算可得，粉塵含量的總均值為 1.28 mg/m3。

在進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)之前，F(xiàn)WE200抽取式粉塵儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)已接入DCS，在第三方檢測(cè)人員手動(dòng)取樣時(shí)，記錄采樣開始和結(jié)束時(shí)間，并從DCS中每分鐘導(dǎo)出一個(gè)歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行累加取平均值，得到對(duì)應(yīng)手動(dòng)采樣時(shí)的FWE200抽取式粉塵儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。計(jì)算可得，自動(dòng)測(cè)量結(jié)果的最終均值為1.39 mg/m3。

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

表1 手動(dòng)采樣化驗(yàn)結(jié)果

表2 自動(dòng)測(cè)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(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》（HJ 76-2017）指出，顆粒物≤10 mg/m3， 儀器與參比方法測(cè)量結(jié)果平均值的絕對(duì)誤差不超過(guò)±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(dòng)比對(duì)柱狀圖

3 與后激光散射法粉塵儀對(duì)比

此次可靠性驗(yàn)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(shí)時(shí)粉塵測(cè)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(duì)。

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

3.1 測(cè)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(shì)，02曲線為FWE200的同時(shí)段粉塵折算值歷史趨勢(shì)，F(xiàn)WE200粉塵儀小時(shí)均值為 1.8 mg/Nm3，后激光散射粉塵儀小時(shí)均值為3.5 mg/Nm3， 明顯高于FWE200粉塵儀的測(cè)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(cè)量精度低，誤差范圍大，容易增加環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 測(cè)量結(jié)果對(duì)比1

3.2 對(duì)工況敏感度高

通過(guò)對(duì)歷史趨勢(shì)的分析，筆者發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)WE200粉塵儀對(duì)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(yùn)行中投入自動(dòng)吹灰模式，吹灰條件為每間隔一個(gè)小時(shí)或者布袋壓差＞1 300 Pa，當(dāng)布袋除塵器進(jìn)行吹灰操作時(shí)，如圖5所示，每個(gè)02曲線的波峰即為吹灰時(shí)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(cè)量值上精準(zhǔn)快速反應(yīng)，時(shí)間上和吹灰設(shè)定完全吻合，而后激光散射粉塵儀對(duì)吹灰操作無(wú)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(qiáng)

對(duì)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(dòng)，曲線震蕩嚴(yán)重，無(wú)法達(dá)到相對(duì)穩(wěn)態(tài)，而FWE200曲線相對(duì)平緩，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng)，如圖6所示。

圖5 測(cè)量結(jié)果對(duì)比2

圖6 測(cè)量結(jié)果對(duì)3

4 結(jié)論

近一個(gè)月的試用和對(duì)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(shí)表現(xiàn)搶眼，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng)，敏感度高，測(cè)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(diǎn)也較為突出，對(duì)大規(guī)模推廣使用勢(shì)必帶來(lái)一定的制約。