基于β射線和光學(xué)融合的煙塵濃度檢測(cè)技術(shù)

隋金君

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

目前市面上的煙塵濃度檢測(cè)儀器種類繁多，比如：光學(xué)散射法、β射線法等。但是單獨(dú)檢測(cè)方法均存在一定的問(wèn)題，β射線法雖然測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，但測(cè)試周期過(guò)長(zhǎng)(一般測(cè)試周期均在30 min以上)；而光學(xué)散射法測(cè)試結(jié)果是實(shí)時(shí)在線的，但光學(xué)器件容易被含塵氣流污染，測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤差和偏移。因此，本文提出一種新的融合技術(shù)，將β射線法和光學(xué)散射法融合在一起，β射線測(cè)試系統(tǒng)周期性自動(dòng)標(biāo)定光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，使得光學(xué)實(shí)時(shí)在線測(cè)試值準(zhǔn)確度更高，可靠性更好[1-5]。

下面分別從β射線法測(cè)試原理與單元、光學(xué)散射法測(cè)試原理與單元進(jìn)行分析研究，最后進(jìn)行2種方法的融合，得出煙塵的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)在線測(cè)試值。

1 總體方案

整個(gè)融合技術(shù)由2部分組成，分為光學(xué)散射法測(cè)試單元與β射線法測(cè)試單元，采用β射線法和光學(xué)散射法相融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)β射線法對(duì)光學(xué)散射法測(cè)試排放顆粒物濃度進(jìn)行周期性標(biāo)定，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，排放樣氣以等速跟蹤的方式分別進(jìn)入光學(xué)散射測(cè)試單元和β射線測(cè)試單元，光學(xué)散射測(cè)試單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙道內(nèi)顆粒物濃度，β射線測(cè)試單元根據(jù)需要設(shè)定，周期監(jiān)測(cè)煙道內(nèi)的顆粒物濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光散射測(cè)試單元自動(dòng)標(biāo)定[6-7]。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 β射線測(cè)試單元

2.1 技術(shù)路線

β射線單元煙塵濃度技術(shù)路線圖如圖2所示，其采用的原理和步驟如下[8-10]：

(1)含塵煙氣通過(guò)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)進(jìn)入采樣管道后，由于煙氣中的溫濕度較高，需要對(duì)煙氣進(jìn)行加熱處理。其處理方法為通過(guò)溫度傳感器1采集采樣管道中的溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)MCU控制其溫度始終在露點(diǎn)溫度以上，并且在采樣管道外壁包裹保溫材料，盡量減少熱量的損失；

圖2 β射線測(cè)試單元技術(shù)路線圖

(2)煙氣通過(guò)采樣管道后進(jìn)入β射線強(qiáng)度檢測(cè)機(jī)構(gòu)，通過(guò)PLC控制壓緊裝置使采樣管路閉合，在濾紙采樣工位將煙塵中的顆粒物截留在濾紙之上；

(3)為保證檢測(cè)精度，抽塵之前以及抽塵之后需要將紙帶通過(guò)平移滑臺(tái)移動(dòng)至紙帶烘干工位對(duì)濾紙進(jìn)行烘干，以避免濾紙中的水分對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，其烘干過(guò)程通過(guò)溫度傳感器2反饋的信號(hào)由MCU進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，平移過(guò)程通過(guò)PLC對(duì)平移滑臺(tái)進(jìn)行控制；

(4)β射線計(jì)算粉塵濃度的原理需要分別檢測(cè)采樣前后穿透濾紙的β射線放射強(qiáng)度I1及I2，因此，在濾膜采樣前后需要通過(guò)PLC控制平移裝置將濾膜位移至β射線強(qiáng)度檢測(cè)工位，分別將對(duì)穿透濾膜的β射線放射強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)；

(5)在β射線強(qiáng)度檢測(cè)完成之后，通過(guò)PLC控制卷紙電機(jī)對(duì)紙帶進(jìn)行回收，其中卷紙距離通過(guò)安裝在紙帶壓緊軸上的編碼器反饋信號(hào)控制；

(6)為保證采樣過(guò)程中流量的穩(wěn)定性，在采樣泵之前安裝了孔板采樣流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)，壓差和壓力傳感器采集的信號(hào)通過(guò)MCU控制采樣泵的轉(zhuǎn)速；

(7)由于煙氣中含有腐蝕性氣體，因此在采樣泵之前安裝了冷凝器和干燥劑以保護(hù)采樣泵；

(8)在測(cè)得采樣前后β射線放射強(qiáng)度I1、I2、流速、采樣時(shí)間、溫濕度等關(guān)鍵參數(shù)后，最終通過(guò)MCU計(jì)算出煙氣中的顆粒物濃度。

2.2 塵樣采集、檢測(cè)

塵樣收集部分主要由抽塵管路、濾紙帶、濾紙壓緊及松開(kāi)裝置、濾紙傳送裝置、檢測(cè)裝置等組成。

(1)抽塵管路：抽塵管路內(nèi)徑大小直接影響濾紙上塵源的大小，β源檢測(cè)口直徑為10 mm，根據(jù)β源檢測(cè)口的大小，為了保證射線有效通過(guò)顆粒物沉積面，抽塵管內(nèi)徑取12 mm，壁厚取1 mm。

(2)濾紙選型及性能校核：根據(jù)過(guò)濾和結(jié)構(gòu)要求選用濾紙，外徑為140 mm，內(nèi)徑為28 mm，寬度為40 mm，長(zhǎng)度為40 m。放帶輪空轉(zhuǎn)所需拉力根據(jù)計(jì)算為0.125 N。旋轉(zhuǎn)編碼器軸系轉(zhuǎn)動(dòng)所需力小于1 N。選擇的紙帶縱向抗拉力為32 N。大幅超過(guò)收帶時(shí)的系統(tǒng)牽引阻力，因此，濾紙強(qiáng)度完全滿足牽動(dòng)輪系運(yùn)動(dòng)要求。為防止編碼器軸打滑，紙帶壓緊力產(chǎn)生的摩擦力需大于旋轉(zhuǎn)編碼器軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力(1 N)，并小于紙帶的牽引力減系統(tǒng)阻力即可。通過(guò)計(jì)算，紙帶壓緊范圍為1～30 N，為了穩(wěn)定起見(jiàn)，壓緊力取15 N。

(3)紙帶的壓緊、松開(kāi)裝置：濾紙的壓緊、松開(kāi)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺紋套前后運(yùn)動(dòng)來(lái)?yè)軇?dòng)抽塵管上的軸套，在彈簧力的作用下從而帶動(dòng)抽塵管達(dá)到上下運(yùn)動(dòng)，從而滿足紙帶的壓緊、松開(kāi)要求。

圖3 紙帶壓緊、松開(kāi)結(jié)構(gòu)圖

濾紙的密封將直接影響抽塵的效果，濾紙的密封主要取決于彈簧的壓緊力。根據(jù)墊片所需最小壓緊力的計(jì)算公式：F=πDby，y=1.5p，可得出1個(gè)抽塵口濾紙所需的最小壓緊力F=5 N，3組同時(shí)抽塵可需壓緊力為15 N，取1倍安全系數(shù)，壓緊力為30 N。按壓縮5 mm產(chǎn)生30 N計(jì)算，克服彈簧壓力取40 N(壓縮5 mm,剛度為8 N/mm)，抽氣管質(zhì)量為30 N，螺紋套需要產(chǎn)生的向上推力為100 N。根據(jù)計(jì)算螺紋需要的軸向推力為200 N，需要的扭矩為T(mén)=0.2Fd，d取10 mm，通過(guò)計(jì)算需要的扭矩為1 kN·mm，步進(jìn)電機(jī)額定扭矩為1.2 kN·mm。

(4)紙帶傳送部分：紙帶傳送部分主要由濾膜收帶裝置、濾膜放帶裝置、濾膜移動(dòng)長(zhǎng)度控制單元、抽塵管道、檢查部件等部分組成。抽塵管道和檢測(cè)裝置固定在箱體上不動(dòng)，前面板上的紙帶收放系統(tǒng)，過(guò)渡輪系及前面板等連接在滑臺(tái)上，可以進(jìn)行左右移動(dòng)。移動(dòng)部件除轉(zhuǎn)軸及標(biāo)件外盡量采用鋁合金材料。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 紙帶傳送結(jié)構(gòu)圖

(5)塵樣檢測(cè)部分：塵樣檢測(cè)部分主要由β源、計(jì)數(shù)器以及電路等組成。

β源采用性能穩(wěn)定，采用低密度、低活度(<90μCi)、半衰期長(zhǎng)(5 700年)的14C源，封裝在特定金屬結(jié)構(gòu)中，測(cè)量穩(wěn)定且無(wú)需特別防護(hù)，不會(huì)造成放射性污染；根據(jù)測(cè)試原理，β源與探測(cè)器之間的距離一般在3～5 mm；該距離根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。探測(cè)器主要包括蓋格管和光電倍增管2種，經(jīng)過(guò)對(duì)比光電倍增管的性能比蓋格管好很多，尤其表現(xiàn)在低濃度時(shí)分辨率高，因此考慮采用CH320光電倍增管探測(cè)器?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)采用通用的校準(zhǔn)膜校準(zhǔn)。

圖5 光學(xué)散射測(cè)試單元技術(shù)路線圖

3 光學(xué)散射測(cè)試單元

3.1 技術(shù)路線

光散射檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，其主要工作原理如下所述[11-16]：

(1)在檢測(cè)口將DN20抽氣管道插入排放煙道中，抽氣動(dòng)力由風(fēng)機(jī)配合引射器提供，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以相應(yīng)的速度8、16、22 m/s，恒速抽吸排放煙道中的氣體；

(2)將抽吸的待測(cè)氣流經(jīng)過(guò)高溫旋流伴熱系統(tǒng)，通過(guò)溫度傳感器和控制器將經(jīng)過(guò)高溫伴熱的氣流溫度控制在(110±10)℃，使水滴和氣霧蒸發(fā)，作為測(cè)量氣流進(jìn)入散射池中；

(3)控制器利用高溫伴熱出口到散射池入口的壓差信號(hào)(1～5 mbar)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)引射流量，達(dá)到控制抽吸口流量的目的；

(4)激光驅(qū)動(dòng)電路控制激光器的發(fā)射功率為5 mW，將激光射入散射池，當(dāng)測(cè)量氣流中含有顆粒物時(shí)，散射光檢測(cè)器將顆粒物的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)顆粒物濃度檢測(cè)；

(5)在風(fēng)機(jī)的入口處連接空氣過(guò)濾器，保證風(fēng)機(jī)的引射氣流和反吹氣流的純凈，反吹氣流對(duì)激光器發(fā)射鏡頭和散射光檢測(cè)器探頭持續(xù)吹掃，并在散射池中包裹測(cè)量氣流，防止測(cè)量氣流中的顆粒物對(duì)激光器發(fā)射鏡頭和散射光檢測(cè)器探頭的污染。

3.2 光學(xué)測(cè)試技術(shù)

光學(xué)測(cè)試技術(shù)由樣氣加熱預(yù)處理、光學(xué)測(cè)試機(jī)構(gòu)及器件2部分組成。

(1)加熱預(yù)處理：空氣加熱按照加熱方式的不同，可分為熱管交換式加熱，卵石床蓄熱式加熱、電弧加熱、激波管式加熱、燃燒型加熱及組合加熱等。熱管交換加熱的熱源由電阻蓄熱或者燃燒提供，其加熱效率較低；卵石床蓄熱式加熱無(wú)污染，但產(chǎn)生較多的固體顆粒且反應(yīng)慢；電弧加熱可控性好，但費(fèi)用昂貴，且可能引起空氣離解，形成氮的氧化物；激波管加熱氣流的氣溫高，但不適于長(zhǎng)時(shí)間使用；燃燒加熱方式會(huì)使樣氣流產(chǎn)生污染。在燃煤電廠顆粒物排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要長(zhǎng)時(shí)間工作，且樣氣處理不能改變樣氣中顆粒物的濃度，同時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間工作，本文選擇采用類似熱管加熱方式對(duì)樣氣進(jìn)行加熱處理。

(2)光學(xué)測(cè)試機(jī)構(gòu)：采用前向小角光散射原理檢測(cè)顆粒物濃度，整個(gè)檢測(cè)單元示意圖如圖5所示，主要由有以下幾個(gè)部分構(gòu)成：激光器、散射光探測(cè)系統(tǒng)、散射池、光陷阱。

光學(xué)部件主要包含激光器，光學(xué)透鏡和散射光探測(cè)器3個(gè)部分。

激光器采用LP650光纖激光器，激光器的典型波長(zhǎng)為650 nm，最大輸出功率為20 mW。光學(xué)透鏡采用的是三透鏡組成的光學(xué)透鏡組。(TC12FC光學(xué)透鏡組)，透鏡輸出光斑形狀為圓形光斑，在2 m處光斑大小為2.5 mm，發(fā)散角為0.021°。PS33-6型PIN探測(cè)器有效面積為33 mm2，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煙塵的散射光進(jìn)行有效探測(cè)。

4 煙塵濃度檢測(cè)試驗(yàn)

基于β射線法和光學(xué)散射法的煙塵濃度檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)完成了一種適用于現(xiàn)場(chǎng)的煙塵濃度在線監(jiān)測(cè)儀。使用該監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)在某燃煤電廠和煙塵采樣器稱重方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。煙塵經(jīng)過(guò)脫硫脫硝之后進(jìn)入煙道進(jìn)行排放，采樣器經(jīng)過(guò)采樣之后使用百萬(wàn)分之一的天平稱重采樣器濾膜的增重，來(lái)計(jì)算實(shí)時(shí)的煙塵濃度值。

圖6 監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)的煙塵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在排放煙道內(nèi)煙塵比較均勻地分布在風(fēng)硐中。采樣器等速抽氣采樣，稱重得到煙塵濃度實(shí)時(shí)值。同時(shí)基于β射線法和光學(xué)散射法融合的監(jiān)測(cè)儀的測(cè)試數(shù)值現(xiàn)場(chǎng)快速獲取，最后通過(guò)采樣器稱重?zé)焿m濃度值和現(xiàn)場(chǎng)煙塵濃度監(jiān)測(cè)儀的測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到煙塵濃度傳感器的對(duì)比與稱重法的誤差值。經(jīng)過(guò)1個(gè)月的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，得到其誤差均小于±10%，截取的眾多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的一段如表1所示。

5 結(jié)論

本文基于β射線法和光學(xué)散射法融合技術(shù)的研究，通過(guò)原理剖析、β射線法測(cè)試技術(shù)和光學(xué)散射法測(cè)試技術(shù)研究以及實(shí)驗(yàn)對(duì)比等，完成了煙塵濃度的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，解決了如下的問(wèn)題：

表1 樣機(jī)與稱重方式煙塵濃度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

注：重復(fù)性是對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了15次測(cè)試的結(jié)果。

(1)基于β射線法和光學(xué)散射法的研究，提出了適用于排放現(xiàn)場(chǎng)的一種快速獲取濃度數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)；

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該種煙塵濃度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠很好地適用于排放現(xiàn)場(chǎng)，其誤差均小于±10%。