烟尘烟气连续自动监测系统运行管理培训教材-第四章

第四章颗粒物CEMS

1本章主要内容4.1根本情况4.2烟尘颗粒物的特性4.3对穿法烟尘监测仪4.4散射法烟尘监测仪4.5其他烟尘监测仪

2本章难点与重点重点：颗粒物CEMS的光路构造和根本运用特点。难点：颗粒物CEMS分析原理。34.1根本情况颗粒物延续监测方法主要有对穿法、光散射法、动态光闪烁法、静电感应法。由于各种方法的原理不同、开展历史不同，各自都有不同的特点，其适用的条件也有不同。1、对穿法出现较早，技术及制造工艺也比较成熟，但其种类也较多。目前在现场运用的对穿法烟尘仪根本都属于双光程的对穿法烟尘监测仪。2、光散射法具有更高的分辨率，灵敏度更高，可以用于监测更低排放浓度的排放源。相对于对穿法，光散射方法出现的较晚。3、动态光闪烁法：利用一束光穿过被测颗粒群，由于进入光束中的颗粒数量变化，光束光强会有瞬时的“涨落〞，“涨落〞的强度与烟尘浓度之间满足一定的相关性，经过丈量光强涨落的强度可以反推烟尘颗粒的浓度。4、摩擦电荷法那么是独立于光学丈量法的另外一种方法。目前该方法较多运用于除尘设备运转形状的监视及报警

44.2烟尘颗粒物的特性4.2.1颗粒物的物理特性烟尘颗粒物普通呈现为多孔的不规那么外形，由于熄灭过程和除尘过程的影响，实践的烟尘排放或监测口烟尘颗粒的粒径分布是各有不同的，大多数排放口烟尘颗粒的粒径范围在0～20μm。无论自然形状的颗粒还是烟尘颗粒普通是荷电的，荷电的大小取决于温度、比外表积、含水量及与摩擦碰撞相关的速度等，且与颗粒的物理化学成分及构造相关。54.2.2颗粒物的光学概念以下是几个与光散射相关的概念:颗粒物的光散射：光经过不均匀的介质颗粒时，介质颗粒中的偶极子所激发的次波和入射光相互叠加，介质颗粒把入射光向四面八方散射的景象称为颗粒物的光散射;散射截面：一个颗粒在单位时间内散射的全部光能与入射光强之比;散射系数：散射截面与颗粒的迎光面积之比;吸收截面：一个颗粒在单位时间内吸收的全部光能与入射光强之比;吸收系数：吸收截面与颗粒的迎光面积之比;消光截面：一个颗粒在单位时间内移去的全部光能与入射光强之比。

6颗粒物的光学概念消光系数：消光截面与颗粒的迎光面积之比;(颗粒群的)浊度：单位体积内(颗粒群)的总消光截面;不相关散射：当颗粒之间的间隔足够大，一个颗粒的散射不因其他颗粒的存在而受影响。当颗粒之间的间隔大于颗粒直径的3倍以上时，可以以为颗粒群的散射为不相关散射。烟尘排放普通为不相关散射;单散射及复散射：颗粒散射的光全部来自于入射光称为单散射，其他情况为复散射。颗粒群发生不相关单散射时，颗粒群的整体行为可用单个颗粒的散射行为替代。烟尘排放延续监测的条件下，普通以为当不透光度大约大于0.4后复散射的影响就不能忽略了，这时仪器在单散射原理上建立的线性关系就存在不可忽略的高次非线性成分，需求进展非线性修正。7颗粒物的光学概念透光度：一束先经过介质层耗散后，光束的强度与入射光强度之比。不透光度：一束光经过介质层耗散后，被耗散的光强与入射光强度之比。光密度：透光度与不透光度与介质颗粒浓度呈指数关系，对透光度取倒数后再取以10为底的对数构成的新的评价量称为光密度。因光密度与介质颗粒的浓度呈线性关系。对于对穿法而言运用光密度评价和描画测量过程更加方便。84.2.3烟尘监测的特点(1)丈量动态范围大(2)丈量范围与现场条件相关(3)现场条件恶劣，对仪器安装工艺提出更高的要求(4)其他影响9烟尘监测的特点丈量动态范围大烟尘排放的动态范围很大，一方面从熄灭的角度取决于燃料种类、熄灭方式，另一方面从处置治理的角度取决于除尘的方式和效率。普通而言，对于大型排放源，如燃煤热电厂，其直接排放烟气的烟尘质量浓度可以到达20g/m，效率较高的除尘器(布袋除尘器、运转形状较好的三电场的静电除尘器)烟尘排放浓度可到达20～50mg/m。以下，因此烟尘监测仪浓度丈量的动态范围可到达三个数量级，所以在仪器设计过程中一方面要思索变量程问题，同时要思索量程之间的衔接及线性问题。10烟尘监测的特点丈量范围与现场条件相关烟尘排放监测仪在出厂时难以给出准确的丈量范围，丈量范围与有些烟尘颗粒的物性相关(包括密度、颗粒粒径分布、光学特性、电学特性、流速等)，即使p射线法也存在丈量结果与现场条件的相关关系。此外，除现场条件外，烟尘监测仪本身的构造不同也会导致丈量结果的差别。因此假设妻准确丈量烟尘浓度那么必需进展参比实验，用规范方法校准仪器安装在现场的偏向。11烟尘监测的特点现场条件恶劣对仪器安装工艺提出更高的要求,烟尘仪运用的现场条件非常恶劣的。仪器本身的元器件的选择应达确军品甚至宇航级的规范。即使有些元器件无军品供应，也必需选择-20～-70℃宽温范围的。否那么就无法满足现场恶劣环境的长期稳定的任务。同时烟尘仪还必需思索防潮防尘的功能。其他影响除了仪器本身的功能及质量问题外，现场选点、仪器选型、调试、参比都会对仪器的长期可靠任务呵斥强力的影响，这正是烟尘监测仪在现场运用容易忽视又很难保证的条件，也正是运用好烟尘仪必需求做好的任务。124.3对穿法烟尘监测仪13对穿法烟尘监测仪14对穿法烟尘监测仪154.3.2开展历史第一代对穿法烟尘仪的一个主要特征是单光程的光路构造。第二代对穿法烟尘监测仪主要是对第一代烟尘仪进展了很多小范围的改良或修补，也是单光程的光路构造。第一代及第二代对穿法烟尘监测仪的共同特点是采用单光程的光路构造，这种构造无论采用何种改良及改良措施，无法在现场进展校准，除非当测点停机时；另一个特点就是现场安装调试非常困难。仪器的运用在很大程度上不取决于仪器本身而取决于精细的安装调试。所以，可以说这类仪器50％以上的问题都是安装调试呵斥的。164.3.2.2第三代对穿法产品第三代对穿法产品一个主要的特征是采用双光程光路构造(图4-3)。除此之外光源那么必需进展了机械或电子的调制、采用手动或自动的模拟零点及跨度点现场校准手段，假设采用热致光源那么必需有一套完善的准直及对中机构、双光程的反射光采用角反射镜的方式实现等。17对穿法产品图4-4给出的是一款构造功能比较完善的对穿法烟尘监测仪的光路构造图，其主要特点调制、校准、光源的参比采用特种LCD资料实现(经过改动电压改动LCD资料的通光特性)，整个系统无运动部件，系统采用单传感器单电路处置，性能目的从构造上得到可靠的保证。18对穿法产品图4-5是另一款对穿法烟尘仪的光路构造图。光源的光经过准直透镜组准直后分光为两部分，一部分直接进入传感器检测光源的输出，另一部分两次经过反光镜进人烟囱丈量区，再经过角反射镜后经视场调整镜头组和接受透镜组进入传感器。改构造经过光源参比挡板交替丈量信号及跟踪光源的输出变化。反光镜及滤光镜片实现零点及跨度点的校准。该光路构造要求在现场安装调试时要留意烟囱的大小和仪器要求必需匹配，否那么信号光无法准确会聚于传感器。194.3.3对穿法烟尘监测仪的校准双光程对穿法的现场校准普通是在光路中插入一个反射镜作为仪器的零点。反射镜模拟了光束经过无烟尘的丈量区由角反射镜前往时的光束强度。思索到仪器准直特性的影响，仪器光束的扩束及会聚必需到达仪器本身的要求时，校准才是有效的和准确的，也就是说，首先烟尘仪的选型必需顺应烟囱直径的大小；其次仪器的对中及调焦也必需达蓟仪器的要求。在反射镜和传感器之间插入知透过率的滤光片可进展跨度的校准。跨度点的选择原那么上尽量接近实测的透过率，但在烟气排放的条件下，只需丈量范围的选择是适当的，跨度点的选择对丈量结果影响不大.

20实践校准过程分为两步，首先让仪器任务在一个规范源下，如插入反光板，仪器的烟尘浓度输出应为零；插入反光板及跨度板，仪器的输出应为仪器第一次校准检测时的输出值。假设上述两个过程仅器的输出与段定值偏向超出仪器给定的准确度程度，那么要进展第二步，经过仪器的调整机构将偏向归零。规范源(反光板和滤光片)插入的位置普通有两种情况，一种情况在仪器挡尘镜片和传感器之间，另一种情况是挡尘镜片在规范源和传感器之间。后者的校准过程可以消除掉镜片污染呵斥的影响，而前者只需经过定期的检查擦拭挡尘镜片到达准确校准的目的。对穿法烟尘监测仪的校准21对穿法烟尘监测仪的校准校准的过程可以是自动或手动的。自动过程仪器根据设定的时间自动地进展纠偏过程。有的自动校准的烟尘仪普通还有一个功能，即监视挡尘镜片的污染程度，当污染呵斥透过率偏向到达一定门限后自动报警，提示人工擦拭挡尘镜片。手动校准过程必需采用手工的方式完成校准过程。一些仪器具有半自动校准的功能，首先经过仪器自动地进展零点及跨度检测，对结果的纠偏过程经过后台软件实现。无论是自动还是手动校准，必需定期检查规范源的有效性，能否被污染、能否变形等。22对穿法烟尘监测仪运用特点1、由于双光程对穿法烟尘监测仪采用双侧安装仪器，丈量点对面需安装反射镇。反射镜普通采用角反射镜(不能采用镜面反射镜)，只需入射光束对准了反射镜，光束就经180º原路前往发射端。假设反射不采用角反射镜，仪器的对中将成为一个难题，加之在运用过程中的温度或其他要素呵斥的机械变形，仪器无法长期坚持准确对中，呵斥仪器无法正常任务，因此运用非角反射镜的情况的对穿法烟尘仪也无法保证仪器长期的正常可靠的任务。23对穿法烟尘监测仪运用特点2、对穿法烟尘监测仪的丈量范围，一些人想当然以为只需有光透过就可以监测烟尘的浓度，甚至有人以为对穿法烟尘监测仪的最大丈量范围就是透光度为零时对应的浓度。其实由于仪器光源、构造、高浓度修正机制不同，要准确运用，必需严厉按所选型号烟尘监测仪的丈量范围要求运用。假设低排放浓度(如30mg/m以下)采用大丈量范围的仪器，就有能够达不到要求的丈量精度要求，甚至检测不到足以分辨的有效信号。反之，假设采用较小丈量范围的仪器丈量较高的排放浓度，有些仪器无法给出正常的数据，有些那么因缺乏必要的高浓度等修正补偿措施，虽然可以得到数据但数据的准确有效性大打折扣。普通的对穿法烟尘监测仪都采用光密度来衡量丈量范围，在选型仪器时必需评价所选仪器的光密度丈量范围能否与排放点的浓度及烟囱的直径对应。24对穿法烟尘监测仪运用特点3、双光程对穿法的丈量区为两倍的光束穿越烟尘颗粒群的间隔。普通在选型时烟尘监测仪指明了烟尘仪能用于多大的烟道或烟囱，烟尘仪所指明的烟道或烟囱适用直径指的是从两端法兰端面之间的间隔，包括烟道或烟囱的内净尺寸、两倍的烟道或烟囱的壁厚及两倍的固定法兰的探出长度。由于仪器准直系统的容限，必需思索该尺寸与烟尘仪的要求对应，否那么安装后不能正确对焦。25对穿法烟尘监测仪运用特点4、法兰焊接的方向也很重要，这是一个经常被忽视的问题。对穿法烟尘监测仪的两端安装后须在同一轴线上。烟尘仪法兰本身普通具有一个三点碟形垫片和螺母组成的方向调整安装，可以调整安装角度在大约5º。立体角的范围。这要求焊接或预埋法兰的轴向角度偏向不能大于5。，否那么就无法进展对中调整。这种三点碟形垫片和螺母组成的方向调整安装是与焊接(预埋)在烟囱上的固定法兰对接，烟尘仪主体在维护需求拆下时，角度调整机构保管在固定法兰上不动，保证烟尘仪经过维护维修后与烟囱的定位关系不变。有一些烟尘仪没有三点碟形垫片和螺母组成的方向调整安装，采用附加垫片的方式调整角度，这种情况下现场调整非常困难，较难保证安装要求。假设采用这种方式，必需求求在烟尘仪附加一个机构以使得在维护维修后重新安装时与烟囱的定位关系不变，否那么调试过程包括参比实验所得到的全部参数都会失效。

264.4散射法烟尘监测仪4.4.1根本原理及开展历史随着环保认识的加强及法规更加严厉，排放烟尘的浓度越来越底，电厂的烟尘排放普通在50mg/m3。以下，这时对穿法从原理上的局限性就越来越突出，我们调查对穿法直接丈量的值是消光后的光强，而演算结果要求的是对数差[1n(I。)－ln(I)]，也就意味着光电传感器要在很强的光强条件下丈量光强的变化率，在较低烟尘浓度情况下这对传感器提出了很苛刻的要求，限制了对穿法在低浓度范围下的运用，也就是说分辨率不够。而散射法那么无此限制，不仅分辨率大幅度提高，采用后向散射法可以单端安装，使得安装条件大大改善而且安装调试劳动强度大大降低。274.4.1根本原理及开展历史将一激光束投射人烟道/烟囱，激光束与烟尘颗粒相互作用产生散射，散射光的强弱与烟尘的散射截面成正比，当烟尘浓度升高时，烟尘的散射截面成比例增大，散射光加强，经过丈量散射光的强弱，可以得到烟尘中烟尘颗粒物的浓度。经过丈量散射光能的大小可以得烟尘的质量浓度，这就是散射法的根本原理，其原理(图4-6)284.4.1根本原理及开展历史书上公式〔4-15〕右半部分中对于详细排放源而言，除了Es外全为与颗粒分布、颗粒物性、仪器构造相关的常数，表示上简单起见令其等于常数K，那么整个原理简化成一个没有常数项的线性变换：C=K*E可见，经过丈量散射光能的大小可以得烟尘的质量浓度，这就是散射法的根本原理。294.4.2几种散射法烟尘仪的构造特点散射式烟尘监测仪在光路布置上有同轴及异轴两种方式，发射光束与接纳系统在同一轴线上成为同轴系统，不在同一轴线上称为异轴系统。同轴光路如图4-7所示，丈量取关区由接纳透镜的口径、接纳光阑、焦距及探测器的有效接纳面元的大小决议。普通在订购烟尘仪时须告之仪器供应商烟囟的大小及烟囟的壁厚，供应商在仪器出厂时将丈量区的位置、大小调整好。出厂后普通不允许调整。30几种散射法烟尘仪的构造特点采用异轴布置的构造方式如图4-8所示，激光束与接纳透镜轴以一个小的角度投射到烟尘中。异轴布置丈量区的位置更容易调整，只需改动光束的倾角即可方便地改动丈量取样区的位置。有些品牌的仪器允许用户在现场进展一次调整。314.4.3散射法烟尘仪的校准散射法烟尘仪的校准普通采用在光路上放置一个散射光挡板和规范散射板及滤光片实现。零点的产生是采用挡板将散射光挡住使之不能进入传感器，这时仪器的输出信号为零点输出信号。规范散射板的散射才干是固定的，普通可以用这一点代表仪器的最大丈量范围，在散射板及传感器之间插入滤光片可以模拟跨度点。散射法烟尘监测仪的校准同样可以是自动的或手动方式的。自动方式是将以上手工过程自动化并附加一些判别约束。普通在烟尘排放浓度范围内，现场自动或手动只需两点就可以满足排放监测要求，普通这两点为零点和一个跨度点。

324.4.4散射法烟尘监测仪的运用特点散射法的采样丈量区必需慎重思索。散射法的采样丈量区普通位于烟尘仪探头前0～5000mm的范围内，丈量区对于信号大小的奉献而言是一个不等权的区域。实践运用中对于丈量目的1m左右的一个取样丈量区曾经足够了，对高浓度排放源设置一个大的取样丈量区会导致更高的非线性。普通散射法的采样丈量区都在1m以内。丈量区的位置设定尤其重要，普通要思索两个要素。一个要素是烟囱壁厚要素(还应加上焊接法兰的探出烟囱外壁的长度)和烟囱壁效应的影响，丈量区应距烟囱内壁200mm以上，丈量区的大小可以设定在200～1000mm左右。另一个要素是光束投射到对面烟囱壁上的反射信号应处于仪器的有效接纳孔径之外。

33散射法烟尘监测仪的运用特点运