关于高水分烟气的烟尘在线监测系统改良的技术研究

关于高水分烟气的烟尘在线监测系统改良的技术研究

丁佳生

天能集团，浙江省湖州市313000

摘要：公司现有湿法脱硫烟气排气筒安装有烟尘在线监测装置，但因烟气中水分含量明显高于一般烟气，明显干扰了烟尘监测装置的监测结果，导致烟气颗粒物浓度、烟气压力、烟气流速等数据偏离实际。为解决现有烟尘监测装置存在的问题，本文对烟尘监测系统进行技术研究，设计了一种能够排除烟气中水分干扰，真实准确的检测出待测烟气的颗粒物浓度及烟气的压力、流速的新型烟尘监测系统。

关键词：高水分烟气、烟尘监测、流量监测、技术创新

引言

随着自动化信息技术的迅速发展，颗粒物监测逐渐由人工采样和实验室分析向自动化、网络化、智能化、实时化、连续化为主的在线监测方向发展，在线监测仪器也逐步向高寿命、低误差、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化的方向发展。

1.烟尘监测的概念

烟尘监测，对物质不完全燃烧所形成悬浮于排放气体中的固体颗粒进行的定量测定活动。烟尘通常由燃料燃烧和冶炼、锻造、烘干等生产过程产生，并通过烟道和排气筒排放，测定方法有过滤称重法、不透明度法、后向散射法和β射线吸收法等四种。目前市场上常用的烟尘在线监测设备主要为后向散射不透明度法，此类烟尘监测设备构造简单，维护方便，价格便宜，适用范围广。

2.烟尘监测技术的国内外发展情况

上世纪已年代有学者利用光的后向散射使探测激光与大气产生发生散射，获得大气气溶胶粒子的浓度和分布信息。近年来，很多学者和研究机构越来越多的重视利用光后向散射法来研究颗粒的计算及测量两个方面，以期待在烟尘浓度在线监测及环境污染治理方面有新的突破。1995年，Micheal I. Mishchenko对自由非球形颗粒的后向散射光进行了研究，通过理论分析表明：除了（此处需要确认，现有表述逻辑矛盾）复折射率和颗粒粒径外颗粒的形貌对其后向散射光的极化特性有很大的影响。

近年来，随着对后向散射理论的重视，研究人员做了大量相关研究工作，效果显著。2009年，吴振森、黄朝军等研究了电磁波的传输性质，该研究是以Monte Carlo方法为基础，从理论上给出了不同入射角度和烟尘厚度所对应的烟尘的透射率和反射率的关系，对烟尘浓度的测量提供了一定的理论基础。2011年，陈凯等人对燃煤锅炉所产生的烟尘以及二氧化硫等进行了研究，为环境监测和大气污染治理提供了一定的依据，拓展了对烟尘浓度监测的研究。2012年，李立清，黄贵杰等人对矿炉中产生的烟尘进行了数值模拟和分析，对烟尘的扩散规律进行了研究，并取得了不错的效果，推动了烟尘浓度监测的发展。

3.现有烟尘监测装置存在的问题

现有的烟尘检测装置主要是后散射式烟尘检测仪，其采用激光后向散射测试原理完成对被测烟道的烟尘浓度的测定。其内嵌的高稳定激光信号源穿越烟道，照射烟尘粒子，被照射的烟尘粒子将反射激光信号，反射的信号强度与烟尘浓度成正变化。但是这种装置反射的激光信号很微弱，尤其是当其监测的且由于烟气中含水率比较高时，检测出的颗粒物浓度数据不能真实准确的反映出待测烟气的颗粒物浓度，且该装置不能测量出来的烟气的压力及流速也会出现很大的偏差。

4.新型烟尘监测系统的原理

为解决现有烟尘监测装置存在的问题，提供能够排除烟气中水分干扰，真实准确的检测出待测烟气的颗粒物浓度及烟气的压力、流速的一种烟尘监测系统，本文设计了一种新型烟尘监测系统。

4.1监测系统的结构原理

新型烟尘监测系统的结构包括：烟尘测量装置及流量监测装置，烟尘测量装置包括集烟腔、激光器、凸透镜及光电检测器，集烟腔设有集烟腔进气口及集烟腔出气口，集烟腔内在靠近进气口处设有加热室，集烟腔为透明耐高温材料制成且激光器固定安装于集烟腔的端部，凸透镜固定安装于集烟腔外，激光器发射的激光束与颗粒物相遇后产生的前向散射光，由凸透镜接收后，通过信号光纤导入光电检测器，集烟腔进气口与待测烟气取样管相连通，集烟腔出气口与流量监测装置的进气口通过喷射泵连通，流量监测装置的出气口与烟气回收管道连通。

流量监测装置包括流量测量单元及流量控制单元，流量控制单元为等速采样箱，等速采样箱与喷射泵通过手动调节阀连接。等速采样箱包括依次连接的储气罐、过滤器及电动针阀，储气罐上安装有差压传感器、背压电磁阀及全压电磁阀，背压电磁阀安装在皮托管背压管路上，全压电磁阀安装在皮托管全压管路上，皮托管背压管路与温压流探头背压取压管连接，皮托管全压管路与温压流探头全压取压管连接。

反吹装置包括手动电磁阀及反吹电磁阀，手动电磁阀及反吹电磁阀通过三通与待测烟气取样管连通及储气罐连接。

4.2监测系统的具体实施方式

如图一烟尘测量装置主视结构示意图所示，烟尘测量装置包括集烟腔1、激光器5、凸透镜7及光电检测器8，集烟腔设有集烟腔进气口3及集烟腔出气口10，集烟腔内在靠近进气口处设有加热室2，加热室可以采用电加热器进行加热，或采用其他加热方式，集烟腔为透明耐高温材料制成且激光器固定安装于集烟腔的端部，凸透镜固定安装于集烟腔外，激光器发射的激光束4与颗粒物相遇后产生的前向散射光6，由凸透镜接收后，通过信号光纤9导入光电检测器8，经过超高灵敏度光电信号转换后，散射光信号转变成与颗粒物浓度成正比的电信号，输出颗粒物的浓度值，检测结果真实准确，误差比较小，集烟腔进气口与待测烟气取样管相连通，集烟腔出气口与流量监测装置的进气口通过喷射泵连通，可以检测颗粒物浓度的同时检测烟气的压力流速及流量，流量监测装置的出气口与烟气回收管道连通，可以将待检测烟气进行回收，防止外排对环境造成影响。

图 1 烟尘测量装置主视结构示意图

图1中数字对应的部分名称：1 集烟腔，2 加热室，3 集烟腔进气口，4 激光束 ，5 激光器 ，6 前向散射光，7 凸透镜，8 光电检测器 ，9 信号光纤 ，10 集烟腔出气口。

流量监测装置包括流量测量单元及流量控制单元，流量控制单元为等速采样箱，等速采样箱与喷射泵通过手动调节阀连接，通过等速取样箱的设置，可以控制喷射泵压力和流量，使喷射泵的喷射压力及流量与烟气的在线状态一致，防止进入流量监测装置的被测烟气的压力及流量不稳定对检测结果造成影响，进一步保证检测精度。

图 2 流量及控制原理结构示意图

等速采样箱包括依次连接的储气罐、过滤器及电动针阀，储气罐上安装有差压传感器、背压电磁阀及全压电磁阀，背压电磁阀安装在皮托管背压管路上，全压电磁阀安装在皮托管全压管路上，皮托管背压管路与温压流探头背压取压管连接，皮托管全压管路与温压流探头全压取压管连接，烟气由射流泵产生抽吸力将烟气回送到取样点；采样量通过电动针阀调节压缩空气的气量实现；通过皮托管将动压转换成流速信号，通过取压管将变径管的压差送到流量测量单元转换成采样流量信号和采样流速，根据皮托管所测流速与采样流速的差控制压缩气的流量，实现对采样流速的控制，达到采样流速跟踪烟气流速的目的。

反吹装置包括手动电磁阀及反吹电磁阀，手动电磁阀及反吹电磁阀通过三通与待测烟气取样管连通及储气罐连接，通过设置反吹装置，与取样管道实现交替接通，当管道需要清洗时，关闭取样管道上的阀门，将反吹电磁阀打开，储气罐中的气体打入到取样管道内进行反吹。

烟尘监测系统进行检测时，烟气从集烟腔进气口进入到集烟腔内，激光器发出的高稳定性激光经过准直后射入集烟腔，激光束与颗粒物相遇后产生前向散射光，散射光由透镜接收后，通过信号光纤导入光电检测器，经过超高灵敏度光电信号转换后，散射光信号转变成与颗粒物浓度成正比的电信号，输出颗粒物的浓度值，检测结果真实准确，误差比较小，并且烟气从集烟腔进气口进入到集烟腔内，先经过加热室加热，将烟气中的水分蒸发掉，保证烟气进入集烟腔时为气体状态，避免湿法脱硫后的烟气含水率高，影响监测结果的问题，进一步保证颗粒物监测数据的准确性。并且集烟腔出气口与流量监测装置的进气口通过喷射泵连通，流量监测装置的出气口与烟气回收管道连通，从而使烟尘监测系统不仅能够检测出待测烟气的颗粒物浓度，而且可以检测出烟气的压力、流速。

5.新型烟尘监测系统的优点

新型烟尘监测系统中的激光器发出的高稳定性激光经过准直后射入集烟腔，激光束与颗粒物相遇后产生前向散射光，散射光由凸透镜接收后，通过信号光纤导入光电检测器，经过超高灵敏度光电信号转换后，散射光信号转变成与颗粒物浓度成正比的电信号，输出颗粒物的浓度值，检测结果真实准确，误差比较小，并且烟气从集烟腔进气口进入到集烟腔内，先经过加热室加热，将烟气中的水分蒸发掉，保证烟气进入集烟腔时为气体状态，避免湿法脱硫后的烟气含水率高，影响监测结果的问题，进一步保证颗粒物监测数据的准确性。并且集烟腔出气口与流量监测装置的进气口通过喷射泵连通，流量监测装置的出气口与烟气回收管道连通，从而使烟尘监测系统不仅能够检测出待测烟气的颗粒物浓度，而且可以检测出烟气的压力、流速。

6.结语

综上所述，本文对烟尘监测系统进行了研究，提出改进方案并具体实现，能够排除烟气中水分干扰，真实准确的检测出高水分含量的待测烟气的颗粒物浓度及烟气的压力、流速，最大程度地保证了烟尘监测系统安全、稳定地运行，为行业的发展提供了横向参考。

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