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1、第四章 颗粒物CEMS,2,本章主要内容,4.1 基本情况 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,3,本章难点与重点,重点：颗粒物CEMS的光路结构和基本使用特点。难点：颗粒物CEMS分析原理。,4,4.1 基本情况,颗粒物连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、发展历史不同，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。目前在现场使用的对穿 法烟尘仪基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，
2、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，通过测量光强涨落的强度可以反推烟尘颗粒的浓度。4、摩擦电荷法则是独立于光学测量法的另外一种方法。目前该方法较多应用于除尘设备运行状态的监视及报警,5,4.2 烟尘颗粒物的特性,4.2.1 颗粒物的物理特性 烟尘颗粒物一般呈现为多孔的不规则形状，由于燃烧过程和除尘过程的影响，实际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020m。无论自然状
3、态的颗粒还是烟尘颗粒一般是荷电的，荷电的大小取决于温度、比表面积、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结构相关。,6,4.2.2 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：光通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现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
4、比。,7,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：当颗粒之间的距离足够大，一个颗粒的散射不因其他 颗粒的存在而受影响。当颗粒之间的距离大于颗粒直径的3倍以上 时，可以认为颗粒群的散射为不相关散射。烟尘排放一般为不相关 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代替。烟尘排放连续监测的条件下，一般认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
5、分，需要进行非线性修正。,8,颗粒物的光学概念,透光度：一束先通过介质层耗散后，光束的强度与入射光强度之比。不透光度：一束光通过介质层耗散后，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为底的对数形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。对于对穿法而言使用光密度评价和描述测量过程更加方便。,9,4.2.3 烟尘监测的特点,(1)测量动态范围大(2)测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,10,烟尘监测的特点,测量动态范围大 烟尘排放的动态范围很大，一方面从燃烧的角度
6、取决于燃料品种、燃烧方式，另一方面从处理治理的角度取决于除尘的形式和效率。一般而言，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达到20g/m，效率较高的除尘器(布袋除尘器、运行状态较好的三电场的静电除尘器)烟尘排放浓度可达到2050mg/m。以下，因此烟尘监测仪浓度测量的动态范围可达到三个数量级，所以在仪器设计过程中一方面要考虑变量程问题，同时要考虑量程之间的衔接及线性问题。,11,烟尘监测的特点,测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精确的测量范围，测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射线法也存在测
7、量结果与现场条件的相关关系。此外，除现场条件外，烟尘监测仪本身的结构不同也会导致测量结果的差异。因此如果妻准确测量烟尘浓度则必须进行参比试验，用标准方法校准仪器安装在现场的偏差。,12,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,烟尘仪使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标准。即使有些元器件无军品供应，也必须选择-20-70宽温范围的。否则就无法满足现场恶劣环境的长期稳定的工作。同时烟尘仪还必须考虑防潮防尘的功能。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工作造成强力的影响，这正是烟尘监测仪在现
8、场使用容易忽视又很难保证的条件，也正是使用好烟尘仪必须要做好的工作。,13,4.3 对穿法烟尘监测仪,14,对穿法烟尘监测仪,15,对穿法烟尘监测仪,16,4.3.2 发展历史,第一代对穿法烟尘仪的一个主要特征是单光程的光路结构。第二代对穿法烟尘监测仪主要是对第一代烟尘仪进行了很多小范围的改进或修补，也是单光程的光路结构。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结构，这种结构无论采用何种改良及改进措施，无法在现场进行校准，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。仪器的使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
9、装调试造成的。,17,4.3.2.2 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结构(图4-3)。除此之外光源则必须进行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，如果采用热致光源则必须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。,18,对穿法产品,图4-4给出的是一款结构功能比较完善的对穿法烟尘监测仪的光路结构图，其主要特点调制、校准、光源的参比采用特种LCD材料实现(通过改变电压改变LCD材料的通光特性)，整个系统无运动部件，系统采用单传感器单电路处理，性能指标从结构上得到可靠的保证。,19,对穿法产品,图4-5是另一款对
10、穿法烟尘仪的光路结构图。光源的光通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，另一部分两次通过反光镜进人烟囱测量区，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。改结构通过光源参比挡板交替测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。该光路结构要求在现场安装调试时要注意烟囱的大小和仪器要求必须匹配，否则信号光无法准确汇聚于传感器。,20,4.3.3 对穿法烟尘监测仪的校准,双光程对穿法的现场校准一般是在光路中插入一个反射镜作为仪器 的零点。反射镜模拟了光束通过无烟尘的测量区由角反射镜返回时的光束强度。考虑到仪器准直特性的影响，仪器光束的
11、扩束及会聚必须达到仪器本身的要求时，校准才是有效的和准确的，也就是说，首先烟尘仪的选型必须适应烟囱直径的大小；其次仪器的对中及调焦也必须达蓟仪器的要求。在反射镜和传感器之间插入已知透过率的滤光片可进行跨度的校准。跨度点的选择原则上尽量接近实测的透过率，但在烟气排放的条件下，只要测量范围的选择是适当的，跨度点的选择对测量结果影响不大.,21,实际校准过程分为两步，首先让仪器工作在一个标准源下，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。如果上述两个过程仅器的输出与段定值偏差超出仪器给定的准确度水平，则要进行第二步，通过仪器的调整机构将偏
12、差归零。标准源(反光板和滤光片)插入的位置一般有两种情况，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标准源和传感器之间。后者的校准过程可以消除掉镜片污染造成的影响，而前者只有通过定期的检查擦拭挡尘镜片达到准确校准的目的。,对穿法烟尘监测仪的校准,22,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行纠偏过程。有的自动校准的烟尘仪一般还有一个功能，即监视挡尘镜片的污染程度，当污染造成透过率偏差达到一定门限后自动报警，提示人工擦拭挡尘镜片。手动校准过程必须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，首先通过仪器自动地进行零点及
13、跨度检测，对结果的纠偏过程通过后台软件实现。无论是自动还是手动校准，必须定期检查标准源的有效性，是否被污染、是否变形等。,23,对穿法烟尘监测仪使用特点,1、由于双光程对穿法烟尘监测仪采用双侧安装仪器，测量点对面需安装反射镇。反射镜一般采用角反射镜(不能采用镜面反射镜)，只要入射光束对准了反射镜，光束就经180原路返回发射端。如果反射不采用角反射镜，仪器的对中将成为一个难题，加之在使用过程中的温度或其他因素造成的机械变形，仪器无法长期保持准确对中，造成仪器无法正常工作，因此使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工作。,24,对穿法烟尘监测仪使用特点,2、对穿法烟尘监测
14、仪的测量范围，一些人想当然认为只要有光透过就可以监测烟尘的浓度，甚至有人认为对穿法烟尘监测仪的最大测量范围就是透光度为零时对应的浓度。其实由于仪器光源、结构、高浓度修正机制不同，要准确使用，必须严格按所选型号烟尘监测仪的测量范围要求使用。如果低排放浓度(如30mg/m以下)采用大测量范围的仪器，就有可能达不到要求的测量精度要求，甚至检测不到足以分辨的有效信号。反之，如果采用较小测量范围的仪器测量较高的排放浓度，有些仪器无法给出正常的数据，有些则因缺乏必要的高浓度等修正补偿措施，虽然能够得到数据但数据的准确有效性大打折扣。一般的对穿法烟尘监测仪都采用光密度来衡量测量范围，在选型仪器时必须评估所选
15、仪器的光密度测量范围是否与排放点的浓度及烟囱的直径对应。,25,对穿法烟尘监测仪使用特点,3、双光程对穿法的测量区为两倍的光束穿越烟尘颗粒群的距离。一般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距离，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，必须考虑该尺寸与烟尘仪的要求对应，否则安装后不能正确对焦。,26,对穿法烟尘监测仪使用特点,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。烟尘仪法兰本身一般具有一个三点碟形垫片和
16、螺母组成的方向调整装置，可以调整安装角度在大约5。立体角的范围。这要求焊接或预埋法兰的轴向角度偏差不能大于5。，否则就无法进行对中调整。这种三点碟形垫片和螺母组成的方向调整装置是与焊接(预埋)在烟囱上的固定法兰对接，烟尘仪主体在维护需要拆下时，角度调整机构保留在固定法兰上不动，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装置，采用附加垫片的形式调整角度，这种情况下现场调整非常困难，较难保证安装要求。如果采用这种方式，必须要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，否则调试过程包括参比试验所得到的全部参数都会失效。,
17、27,4.4 散射法烟尘监测仪,4.4.1 基本原理及发展历史 随着环保意识的加强及法规更加严格，排放烟尘的浓度越来越底，电厂的烟尘排放一般在50mg/m3。以下，这时对穿法从原理上的局限性就越来越突出，我们考察对穿法直接测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测量光强的变化率，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应用，也就是说分辨率不够。而散射法则无此限制，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。,28,4.4.1 基本
18、原理及发展历史,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，散射光增强，通过测量散射光的强弱，可以得到烟尘中烟尘颗粒物的浓度。通过测量散射光能的大小可以得烟尘的质量浓度，这就是散射法的基本原理，其原理(图4-6),29,4.4.1 基本原理及发展历史,书上公式（4-15）右半部分中对于具体排放源而言，除了Es外全为与颗粒分布、颗粒物性、仪器结构相关的常数，表示上简单起见令其等于常数K，则整个原理简化成一个没有常数项的线性变换：C=K*E 可见，通过测量散射光能的大小可以得烟尘的质量浓度，这就是散射
19、法的基本原理。,30,4.4.2 几种散射法烟尘仪的结构特点,散射式烟尘监测仪在光路布置上有同轴及异轴两种形式，发射光束与接收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，测量取关区由接收透镜的口径、接收光阑、焦距及探测器的有效接收面元的大小决定。一般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测量区的位置、大小调整好。出厂后一般不允许调整。,31,几种散射法烟尘仪的结构特点,采用异轴布置的结构形式如图4-8所示，激光束与接收透镜轴以一个小的角度投射到烟尘中。异轴布置测量区的位置更容易调整，只要改变光束的倾角即可方便地改变测量取
20、样区的位置。有些品牌的仪器允许用户在现场进行一次调整。,32,4.4.3 散射法烟尘仪的校准,散射法烟尘仪的校准一般采用在光路上放置一个散射光挡板和标准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。标准散射板的散射能力是固定的，一般可以用这一点代表仪器的最大测量范围，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断约束。一般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，一般这两点为零点和一个跨度点。,33,4.4.4 散
21、射法烟尘监测仪的使用特点,散射法的采样测量区必须慎重考虑。散射法的采样测量区一般位于烟尘仪探头前05000mm的范围内，测量区对于信号大小的贡献而言是一个不等权的区域。实际应用中对于测量目标1m左右的一个取样测量区已经足够了，对高浓度排放源设置一个大的取样测量区会导致更高的非线性。一般散射法的采样测量区都在1m以内。测量区的位置设定尤其重要，一般要考虑两个因素。一个因素是烟囱壁厚因素(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，测量区应距烟囱内壁200mm以上，测量区的大小可以设定在2001000mm左右。另一个因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收孔径之外。
22、,34,散射法烟尘监测仪的使用特点,使用散射法烟尘仪经常遇到的一个问题是烟道壁反射问题。散射法烟尘监测仪如果调整不当，光源的光束与对面烟囱壁相交时的反射信号进入探测器会严重影响仪器的工作。对于小直径烟囱尤其要注意这个问题。有些品牌的烟尘监测仪在使用到小直径烟囱上必须在烟囱对面安装一个“光陷”的装置，目的是吸收掉入射的光不发生散射或反射。对于异轴布置的光路而言，很容易调整测量区的位置，一般不需要“光陷”装置。,35,4.5 其他烟尘监测仪,除对穿法和散射法外，还有一些原理上不同的测量方法。如：动态光闪烁法、静电感应法、射线法。动态光闪烁法从仪器组成结构上类似与对穿法，同样需要在排放源的两端安装两
23、个分离的单元。随技术的发展单个颗粒造成的探测器输出的瞬时变化可以清晰地分辨出来，理论及试验表明，在颗粒物粒径分布禾变、颗粒物折射率不变、光源光强不变的条件下，确定频段的探测器输出强度与颗粒物浓度成正比。与对穿法比较，从原理上而言，动态光闪烁法具有更高的分辨能力，同时对仪器镜头污染的抵抗能力增强，可以用于测量更低排放浓度的颗粒物。结构上动态光闪烁法与对穿法相似，其选型、安装、调试与对穿法基本相同。,36,其他烟尘监测仪,静电感应法也称静电摩擦法，由于探竿上的电荷可以通过颗粒物的摩擦产生，同时也可以感应产生。因此，如果颗粒物的介电特性、湿度、速度等不变情况下，探竿上的荷电量与颗粒物的浓度具有相关性。若采用双探竿结构可以测量两个探竿之间的动态电荷差异，和动态光闪烁法类似，就建立了动态摩擦电荷法的烟尘监测仪。动态摩擦电荷法的烟尘监测仪具有双探竿结构，同单探竿结构比较具有更高的抗干扰能力、更小的漂移。采用双探竿结构可以利用相关技术原理同时测量两相流的流速。目前摩擦电荷法主要用于除尘设备的监控报警。,
