湿度对煤尘浓度测量精度的影响实验及其补偿措施

湿度对煤尘浓度测量精度的影响实验及其补偿措施谢双;易俊;王杰;王文和【摘要】为了探索环境湿度对煤尘浓度测量精度的影响，在分析激光散射法、B射线法和电荷感应法这3种主要测尘方法原理的基础上，在不同湿度条件下开展了煤尘浓度测量及其误差的实验分析,并指出了各自的补偿方法.煤尘浓度测量实验结果表明:当相对湿度为50%时,3种测尘方法的误差均小于7%;当相对湿度为60%~70%时，激光散射法的误差大于20%,p射线法和电荷感应法的最大误差都约为15%;当相对湿度大于70%时,3种测尘方法的误差都较大.通过对激光散射法和电荷感应法增加湿度检测系统，激光散射法根据湿度调整质量浓度转换系数，电荷感应法根据湿度调整算法的系数出射线法则采用动态加热的补偿方法，以消除湿度的影响.【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷)，期】2018(045)005【总页数】5页(P69-73)【关键词】煤尘浓度;激光散射法;B射线法;电荷感应法;相对湿度;测量误差;补偿修正【作者】谢双;易俊;王杰;王文和【作者单位】重庆科技学院安全工程学院，重庆401331;重庆科技学院安全工程学院重庆401331;重庆工程职业技术学院，重庆402260;中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037;重庆科技学院安全工程学院，重庆401331【正文语种】中文【中图分类】TD714+.3我国矿山职业危害形势严峻，煤矿粉尘危害尤为突出。截至2014年底，全国尘肺病患者累计达77.71万例，其中煤矿工人尘肺病患者数量占50%以上。2014年新增尘肺病患者26873例，其中煤矿工人尘肺病患者数量占51.5%［1］。矿山尘肺病高发的主要原因是我国矿山开采强度大、产尘量大，尤其是综采综掘工作面粉尘浓度高。现有防尘技术对呼吸性粉尘（简称呼吸尘）的降尘率只有80%，呼吸尘瞬时质量浓度仍高达50mg/m3，超过国家标准规定限值的数十倍，严重威胁和损害作业人员身体健康。同时，煤尘还具有爆炸危险性，是煤矿生产中的重大安全隐患［2］。国家环保部和煤矿安全监察局对作业场所煤尘排放浓度制定了相关标准，严格控制煤尘排放浓度［3］。而煤尘浓度监测是掌握现场煤尘浓度的重要手段，是粉尘危害防治和科学管理的主要依据［4］。直读式测尘仪越来越多地应用于现场测尘，与国家标准推荐的质量滤膜测尘相比，直读式测尘仪未包含烘干作用的设备单元，湿度会直接影响测尘仪的测量精度。粉尘浓度检测方法主要有滤膜称重法、电荷感应法、压电晶体感应法、激光散射法、B射线法和微量振荡天平法等［5］，而其中用于煤尘浓度检测的方法有电荷感应法、激光散射法和B射线法。开展环境湿度对基于这3种方法原理的测尘仪测量精度的影响实验及其各自补偿方法探讨，可为煤矿企业有效控制煤尘危害提供技术支撑。1煤尘浓度检测方法1.1激光散射法激光散射法测尘基于Mie散射理论，该理论是麦克斯韦方程对均匀介质中的均匀颗粒在平面单波长波照射下的数学解［6］。将单个粉尘的几何特征近似直径为dG的球形颗粒并用入射光强I0照射，则散射光强I为：(1)式中：I0F(e®=|s(eM)|,为幅值函数；k为波数；r为粉尘颗粒距离；。为光轴的散射角；中为散射方位角。根据独立散射粒子系的可加性［7］(煤粉可认为是独立散射系［8］),当体积为V、质量浓度为c的散射系粉尘受光照时，其散射光强为［9］:(2)根据光强变化可得粉尘质量浓度为：⑶1.2P射线法P射线法测尘主要通过P放射源放射出的射线穿过被测定介质的衰减程度来测定粉尘浓度，其衰减程度由介质层质量厚度决定［10］。该方法的核心之一是p衰变过程:⑷P射线法测尘时会在抽气前后分别对GM管中穿透测尘滤膜的p射线各接收一次，并采用电脉冲记录计数率，用n0和n表示前后计数率。前后计数率的变化和滤膜上的粉尘质量有关［11-12］:⑸(6)式中：K为质量吸收系数；pm为质量密度；m为采样质量；A为采样面积。当采样吸入气体体积为Q时，测得粉尘质量浓度为：⑺结合式(6)~(7),整理得：(8)1.3电荷感应法静电感应法是导体内自由电荷在电场力作用下重新分布，导体中的正负电荷发生分离，异种电荷被吸弓I到带电体附近，同种电荷被排斥到远离带电体的另一端，从而形成感应电流，基于这一原理检测带电粉尘浓度。在粉尘浓度检测的气固两相流动中，无论粉尘颗粒直径的大小，通过被测管道的电流与固体质量流量之比和被测管道入口处单位质量固体所带电荷量之间呈线性关系[13],与粉尘在管道中的分布无关。因此，感应电流Im和粉尘流速wp的关系如下[14]:⑼(10)(11)式中：分别为x=0和x=8时单位质量的粉尘粒子所带电量；n(Ax)为管道中Ax长度内单个粉尘粒子与管壁的碰撞次数；n0为调和碰撞次数；£0为空气介电常数；Vc为接触势能差；Dp为粉尘直径；z0为接触物间距；D为被测管道内径；为气体的平均速度；P为空气密度；pp为颗粒密度；m为气固混合物质的质量流量;为粉尘速度平均轴向分量；S为接触面积；t为张弛时间；At为接触时间。假设n(Ax)=n0,则由式(9)~(11)计算得：(12)由文献［15］可知:(13)(14)式中：aE、bE为常数；d为碰撞损伤区深度；mp为颗粒物质量，e为回复系数;p为稳定流量压力；vr0为粉尘颗粒碰撞前速度的径向分量。结合式(12)~(14)近似得：(15)式中：a、b为常数且与测尘管道的位置和被测粉尘类型有关；c为粉尘质量浓度。从以上电荷感应法的检测原理可以看出，电荷感应法受外界因素的影响更小。2实验装置及方法2.1实验装置在国家级专业中心实验室进行实验，该实验室配有Scirocco2000M定量发尘器、静电除尘设备、微质量测量天平、烘箱、超声波加湿器、粉尘采样器及风硐风速控制电脑平台等，实验系统如图1所示。实验设备有光散法GCG500(A)粉尘浓度传感器、B射线法CCGZ-1000型直读式测尘仪和电荷感应法感应式粉尘浓度传感器。图1煤尘浓度检测实验系统示意图2.2实验方法实验前先将制备好的煤粉连同滤膜放入烘箱中，按标准程序烘干8h。通过定量发尘器向风硐中定量发送煤尘，在进风加湿口用超声波加湿器来控制风硐内的湿度，与此同时在抽出式风机的作用下将含尘气流吸入风硐；在风硐中形成稳定的气固两相流，同时在风硐的同一位置用称重法、电荷感应法、激光散射法和B射线法检测煤尘浓度，每种湿度条件下共进行10次检测。2.3实验结果与分析采用P射线法、激光散射法和称重法同时进行实验，其中称重法的实验数据用称重法1表示；与电荷感应法同时进行实验的称重法的数据用称重法2表示。不同湿度条件下测得的煤尘质量浓度见表1~4。表1相对湿度为50%条件下的煤尘质量浓度检测数据测尘方法各次测量的煤尘质量浓度/(mg-m-3)12345678910称重法110.9628.9035.7043.2050.1060.2068.9079.8081.2092.10p射线法9.6228.1036.8043.8051.9058.2069.4079.1077.3095.10激光散射法13.6826.2132.3844.0551.2362.8577.4081.9088.0996.63称重法22.8113.9521.5135.1440.5556.2161.9877.0891.1898.62电荷感应法2.5512.3523.4632.8942.4252.7161.1572.6183.7691.65表2相对湿度为60%条件下的煤尘质量浓度检测数据测尘方法各次测量的煤尘质量浓度/(mg-m-3)12345678910称重法15.609.6210.5420.5530.2142.8961.3068.9075.17110.94p射线法5.5014.7010.6026.9033.2045.5069.1071.8074.70110.20激光散射法5.2513.6814.4524.3334.1163.2773.7374.5977.8592.90称重法22.6412.5522.2533.7646.2954.1370.5584.4892.16105.70电荷感应法0.6210.8322.8635.7544.3856.6664.0379.4796.88106.59表3相对湿度为70%条件下的煤尘质量浓度检测数据测尘方法各次测量的煤尘质量浓度/(mg-m-3)12345678910称重法114.0615.2021.8033.2634.0846.7458.9070.6098.10104.26p射线法15.2015.1021.6040.2049.1058.8664.8078.80112.50126.10激光散射法18.3220.6031.0651.3755.8477.5682.9399.44126.10138.48称重法23.8812.4422.0633.2942.3253.4965.6674.7084.8583.85电荷感应法4.6915.0326.3837.3449.1159.8771.5782.0394.5299.11表4相对湿度为90%条件下的煤尘质量浓度检测数据测尘方法各次测量的煤尘质量浓度/(mg-m-3)12345678910称重法111.3026.4728.6439.5341.7652.7053.7966.7481.2590.38p射线法21.30172.50202.30223.60174.00225.00136.30182.50167.20164.80激光散射法28.5980.3096.6451.4671.8675.1884.37163.60182.34181.23称重法25.2612.6723.0636.2545.1552.5363.7876.3584.5793.51电荷感应法7.4218.7628.8744.6854.8864.4878.9091.19103.72111.85由表1~4可知，当相对湿度为50%时，激光散射法、电荷感应法和P射线法测得煤尘浓度的结果与各自称重法的结果非常接近，此湿度条件下基于3种原理的测尘仪测得的结果能够真实反映现场煤尘浓度并具有较好的准确度，此时不需要考虑环境湿度对测尘结果的影响。当相对湿度为60%时，激光散射法测得的结果与称重法1出现了较大偏差，湿度对其影响开始突显；电荷感应法和P射线法的结果与称重法的结果较为接近，湿度的影响较小。当相对湿度为70%时，激光散射法受湿度影响最大，测得的数据已完全〃失真”，P射线法和电荷感应法同样受到—定的影响；随着粉尘浓度的增加各种测尘方法受到的影响程度越大，因此，在此湿度条件下，基于3种原理的测尘仪的测尘结果与称重法相比均出现了很大的偏差，此时必须要考虑湿度的影响。而当相对湿度增大到90%时，B射线法和激光散射法的测尘结果远高于实际的粉尘浓度值，相比之下电荷感应法受到的影响较小，但其结果偏差仍然极大。不同湿度条件下3种原理的测尘仪的测量误差如图2所示。图2不同湿度条件下3种原理的测尘仪的测量误差对比由图2可见，随着湿度的增大，3种测尘仪所测结果的误差都随之增大。当湿度在50%~70%时，激光散射法的误差大于p射线法和电荷感应法，而P射线法和电荷感应法的误差比较接近。当湿度为50%时，3种测尘仪的误差均小于7%，无需考虑湿度的影响。当湿度大于60%时，激光散射法的误差大于20%，已超出仪器允许的误差范围。当湿度为70%时，p射线法和电荷感应法的误差约为15%，在检测仪器允许的误差范围内。当湿度大于70%时，3种测尘仪受湿度的影响极大，其测量结果严重偏离真实值，已不能反映实际煤尘的浓度。3消除湿度影响的措施为了消除湿度对煤尘浓度测量结果的影响，根据不同的检测原理应采用不同的补偿方法。激光散射法的补偿方法为：在有防爆要求的场所，在原检测系统的基础上引入湿度传感器，实时获取环境中的湿度，根据已知的湿度调整质量浓度转换系数(K值)来获取更加准确的结果，比如美国热电PDR-1500粉尘仪和美国SensidyneNephelometer实时粉尘测试仪。在没有防爆要求的场所，则采用全程高温伴热、气化的补偿方法，比如德国SICK|MAIHAK公司的FWE200系列粉尘仪。P射线法的补偿方法为：由于P射线法测尘需要计算前后的粉尘质量，湿度很大的情况下测得的结果明显不准确，所以需要采用动态加热系统加热采样入口的含尘气流，以消除湿度的影响，比如BAM-1020型p射线法粉尘仪、JY-6H(A)型p射线法在线扬尘监测仪等。由于电荷感应法受湿度的影响比较小，其补偿方法为：通过对传感器增设湿度检测系统，在不同湿度下调整测量结果的算法系数来消除湿度的影响。4结论随着环境湿度的增加，采用激光散射法、B射线法和电荷感应法等3种方法的煤尘浓度检测结果受湿度的影响逐渐增大。当湿度为50%时，3种方法的误差均小于7%；当湿度大于60%时，激光散射法的误差大于20%；当湿度为60%~70%时邛射线法和电荷感应法的最大误差约为15%，同一湿度条件下P射线法和电荷感应法的测量结果比激光散射法更为准确。当湿度大于70%时，3种方法的误差都比较大。激光散射法采用已知湿度调整质量浓度转换系数的补偿方法消除湿度的影响；B射线法采用动态加热的补偿方法消除湿度的影响；电荷感应法采用已知湿度调整算法的系数消除湿度的影响。参考文献：【相关文献】东东.2014年全国职业性尘肺病占近九成[J].劳动保障世界,2015(34):46.田勇,张安明.新型煤化工煤粉环境着火爆炸危险分析及防治方法探讨[J].矿业安全与环保，2016,43(6):92-94.唐娟.粉尘浓度在线监测技术的现状及发展趋势[J].矿业安全与环保,2009,36(5):69-74.王自亮.粉尘浓度传感器的研制和应用[J].工业安全与环保，2006(4):24-27.邓芙蓉，王欣，吴少伟，等.三种空气颗粒物监测仪监测结果比较研究[J].环境与健康杂志,2009,26(6):504-506.李建立.基于光散射的微粒检测[D].烟台：烟台大学,2009.陈建阁.交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术研究[D].北京：煤炭科学研究