煙氣顆粒物濃度測量中的加熱除濕裝置研究

易 俊 劉 冬 王文和 蘇楊秀怡 潘虹鋼 焦 敏

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 江津 402260； 2.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院， 重慶 401331； 3.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

工業(yè)排放煙氣中的顆粒物是一種重要的大氣污染物。在各種檢測煙氣顆粒物濃度的方法中，光散射法在連續(xù)檢測中具有許多優(yōu)勢，比如檢測時間短、操作簡單、連續(xù)性較好等。但光散射法也存在檢測結(jié)果受環(huán)境濕度影響較大、光學(xué)測量窗口易受氣體污染等問題。根據(jù)有關(guān)研究，濕度小于60%時對檢測結(jié)果的影響較小[1-3]。有人比較分析了旋風(fēng)切割器、加熱帶、Nafion干燥管、硅膠干燥管等干燥裝置的除濕效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加熱帶可快速降低樣品空氣的相對濕度[4]。目前學(xué)界對加熱技術(shù)除濕的理論研究較多，但在相關(guān)裝置的設(shè)計與應(yīng)用方面研究較少。針對濕度對光散射法檢測結(jié)果的影響，我們研究設(shè)計了一套煙氣預(yù)處理裝置，采用加熱技術(shù)對待測氣體進行加熱，降低其濕度。

1 裝置的技術(shù)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 加熱除濕技術(shù)原理

加熱除濕技術(shù)是通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射3種傳熱方式，將熱能傳遞給待加熱氣體，使氣體中液態(tài)水汽化，從而降低氣體的相對濕度。影響光散射測塵儀測量結(jié)果的主要因素是待測氣體中的液態(tài)水和水氣含量較高，通過加熱技術(shù)汽化待測氣體里面的液態(tài)水，降低待測氣體中的相對濕度，就可以提高光散射測塵儀檢測結(jié)果的精度。

燃煤電廠的煙氣在排放前通常是采用濕式電除塵技術(shù)進行了一次降塵，而這種方法在除塵的同時會增加煙氣中的水分，使排放前的煙氣濕度接近飽和。對于濕度很高的煙氣環(huán)境，在保證除濕目標(濕度≤60%)的前提下要盡可能降低加熱溫度，防止加熱溫度過高引起熱惡化現(xiàn)象(在一定條件下，水或汽水混合物與管壁間被一層汽膜隔開，導(dǎo)致傳熱系數(shù)急劇下降，管壁溫度急劇升高，甚至出現(xiàn)過燒的現(xiàn)象)[5]。

1.2 預(yù)處理裝置的結(jié)構(gòu)

參考德國福德世煙氣粉塵濃度在線連續(xù)檢測裝置，結(jié)合燃煤電廠現(xiàn)場煙道的一般布置情況，設(shè)計的預(yù)處理除濕裝置(以下簡稱“樣機”)，包含加熱容器、加熱元件、進出氣通道等構(gòu)成部分(見圖1)。為了解決溫度過高的問題，將煙氣入口和出口都設(shè)計為垂直于加熱管道，與管壁相切。這樣，可使煙氣在加熱管道內(nèi)形成旋流狀態(tài)，從而延長加熱時間、降低加熱溫度，同時還可避免煙氣顆粒物在管道底部積累。加熱容器長380 mm、直徑為80 mm，進出口通道的直徑均為20 mm。加熱元件采用PTC陶瓷加熱片。將PTC陶瓷加熱片包裹在加熱容器外表面，使通過加熱容器的待測煙氣受熱充分。

圖1 樣機結(jié)構(gòu)示意

2 實驗測試的方法與結(jié)果

2.1 測試方法

為驗證樣機的效果，在中煤科工集團重慶研究院有限公司國家重點實驗室進行了相關(guān)測試實驗。實驗采用的主要設(shè)備有定量發(fā)塵器、手工采樣器、超聲波加濕器、微量分析天平、溫濕度傳感器、風(fēng)硐風(fēng)速控制電腦平臺、紅外烘箱、風(fēng)機、空氣過濾器等。

實驗方案如圖2所示。在實驗時，首先打開風(fēng)

硐風(fēng)速控制電腦平臺，設(shè)置一定流速，再利用定量發(fā)塵器在風(fēng)硐中營造指定濃度的粉塵氣氛，同時打開超聲波加濕器，增加風(fēng)硐中的環(huán)境濕度，以此模擬燃煤電廠的煙道。其次，在引射風(fēng)機前端加上空氣過濾器，形成干凈的引射氣流，對檢測室的傳感器進行吹掃，以確保檢測室內(nèi)的傳感器不會受到污染，同時引射氣流通過引射器為測量煙氣提供抽吸動力。待測煙氣從采樣探頭進入，經(jīng)過高溫旋風(fēng)加熱器(樣機)，加熱到某一溫度，消除濕氣，進入檢測室進行測量，然后通過引射器直接排放回?zé)煹馈?/p>

選擇手工采樣稱重法的檢測值作為參比值。測試操作流程：先在風(fēng)硐內(nèi)模擬煙道高濕度(濕度≥90%)、低濃度的環(huán)境，同時啟動加熱器對樣機進行預(yù)熱。預(yù)熱一段時間后，啟動手工采樣器，觀察經(jīng)樣機處理后的檢測數(shù)據(jù)。在一個手工采樣周期內(nèi)，以樣機對每個規(guī)定檢測點完成的5次檢測值作為一組數(shù)據(jù)，將每組數(shù)據(jù)的平均值作為最終檢測結(jié)果，與手工采樣稱重法的檢測結(jié)果對比，計算得出測量誤差。每個檢測點計錄3組數(shù)據(jù)?？紤]到不同地域、季節(jié)、電廠種類等因素的差異，結(jié)合超低排放標準對顆粒物濃度的限制和儀器量程、檢測周期等因素，選擇模擬煙道環(huán)境中的4個檢測點進行檢測分析。各檢測點的煙氣顆粒物濃度分別為0.5、2.0、5.0、8.0 mgm3，預(yù)處理后的煙氣濕度小于等于60%。

圖2 顆粒物濃度測量的實驗方案

2.2 測試結(jié)果

實驗檢測獲得的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1的實驗數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過樣機加熱除濕處理后，按光散射法檢測出的煙氣顆粒物濃度，與基于手工采樣稱重法檢測獲得的結(jié)果相比，各檢測點的測量誤差最大值均在6%以內(nèi)，滿足國標《粒度分析 動態(tài)光散射法(DLS)》(GBT29022-2012)中關(guān)于動態(tài)光散射法檢測精度的要求。當(dāng)檢測點濃度為0.5 mgm3時，測量誤差值較大，平均誤差約為4.8%；隨著檢測點濃度的增加，到8.0 mgm3時，平均誤差則有明顯降低。這說明隨著待測煙氣顆粒物濃度的增加，經(jīng)過樣機加熱除濕處理后，光散射法的檢測精度也在逐漸提升。對于不同類型和不同地域的電廠環(huán)境，經(jīng)過該樣機處理后的煙氣顆粒物檢測的最低濃度可以達到0.5 mgm3，遠遠低于國家對燃煤電廠煙氣的超低排放中規(guī)定的5 mgm3，說明該樣機可以有效降低待測煙氣的濕度，確保光散射檢測法對于低溫、高濕、低濃度煙氣的測量精度。

表1 實驗檢測數(shù)據(jù)

3 裝置的現(xiàn)場適應(yīng)性檢驗

在我國北方某電廠，對樣機的現(xiàn)場適應(yīng)性進行了檢驗。該電廠建有2臺350 MW超臨界汽輪發(fā)電機組。在實驗前，測量了電廠排放煙氣的溫度、濕度、流速及顆粒物濃度：煙氣顆粒物濃度為0.6 mgm3；煙氣排放溫度為57 ℃，濕度為99%；煙氣流速為13.8 ms；環(huán)境溫度在23 ℃左右。

為有效去除待測煙氣中的液態(tài)水，降低煙氣的相對濕度，將加熱器溫度由低向高逐步調(diào)整，從 50 ℃上升到140 ℃。采樣速度要求與煙氣排放速度相同，溫度每上升5 ℃，記錄一次樣機的檢測輸出電壓值。同時，在測量期間每隔5 min進行一次手工采樣，并記錄通過稱重法測量的顆粒物濃度值，最后取平均值作為標準值，與實驗測量數(shù)據(jù)進行對比(見表2)?，F(xiàn)場5次手工采樣的煙氣顆粒物濃度分別為0.58、0.60、0.59、0.61、0.62 mgm3。

表2 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

對電廠煙氣排放周圍的空氣進行過濾處理后，采用光散射檢測儀測出的電壓(V1)一直為93～94 mV。在電廠煙氣檢測過程中，樣機中加熱器設(shè)置的初始溫度為50 ℃。利用光散射檢測儀記錄煙氣通過樣機的電壓值，共記錄8組數(shù)據(jù)，并取平均值。溫度每增加5 ℃為一節(jié)點，待數(shù)值穩(wěn)定后進行記錄。溫度從50 ℃上升到140 ℃，煙氣通過樣機處理后，光散射檢測儀測量的電壓(V2)平均值(V2均)從491.88 mV降低到136.63 mV。除去潔凈氣體的檢測值(V1)，得到電壓增量V0。按電壓值換算得到的濃度，隨著溫度的升高而降低。溫度上升到140 ℃時，檢測得到的煙氣顆粒物濃度為0.57 mgm3。在溫度上升的過程中，檢測電壓變化1 mV，對應(yīng)的顆粒物濃度變化量約為0.013 3 mgm3?，F(xiàn)場手工采樣檢測結(jié)果，煙氣的顆粒物濃度為0.58～0.62 mgm3，經(jīng)過樣機處理后得到的檢測值(溫度為130～140 ℃時)與其幾乎相同，這說明樣機對于電廠現(xiàn)場的煙氣具有很好的除濕效果。

4 結(jié) 語

在檢測煙氣顆粒物濃度時，煙氣濕度是一個需要考慮的因素。煙氣濕度會影響光散射，如果濕度過高，光散射法檢測得到的顆粒物濃度值會偏高。對待測氣體先進行加熱除濕處理，有助于提高光散射法檢測結(jié)果的精確性。設(shè)計的煙氣預(yù)處理裝置，可以有效降低煙氣濕度，提高光散射檢測精確度。在實驗室模擬燃煤電廠的煙道環(huán)境，測試了預(yù)處理裝置的作用。實驗結(jié)果表明，通過該裝置處理后，光散射法檢測得到的煙氣顆粒物濃度，與基于手工采樣稱重法的檢測結(jié)果相比，測量誤差最大值在6%以內(nèi)。在電廠現(xiàn)場的測試結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)處理裝置將待測煙氣加熱到130～140 ℃時，檢測出的煙氣顆粒物濃度與現(xiàn)場手工采樣的煙氣顆粒物濃度基本一致。