CN108645767B - 耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境监测技术领域，并公开了一种耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法，中心工作站控制采样烟气先后流经光散射测量单元和β射线测量单元，在一个采样周期开始通过光散射方法对当前β射线方法采样时间进行优化，然后通过一个采样周期β射线方法对下一个采样周期光散射方法进行密度校正，依次循环；采样烟气进入光散射测量单元前进行加热处理防止烟气流动过程中水蒸气与硫等物质冷凝带来测量误差；该方法排除了烟气中水分对颗粒物质量浓度测量结果的影响，实现了光散射法和β射线法的交互校正，获得了含尘烟气高精度实时测量结果。

Description

耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，更具体地，涉及一种耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法。

背景技术

根据2014年9月国家发改委、环保部和能源局联合下发的《煤电节能减排升级与改造行动计划》，在2020年之前东都地区现役燃煤发电机组烟气中颗粒物排放限值为10mg/Nm³，甚至低于5mg/Nm³。

而根据中电联和美国环保协会发布的《燃煤电厂烟气排放连续监测系统现状分析》，目前燃煤电厂CEMS测量技术的误差限，特别是对低浓度颗粒物的误差限，难以支撑“特别排放限值”及“超低排放”下的烟尘排放监测及监督。《固定污染源烟气排放连续检测技术规范》(HJ 75-2017)准确度验收技术要求，对颗粒物质量浓度测量误差，根据排放浓度大小分级进行规范，当颗粒排放浓度≤10mg/m³时，绝度误差不超过±5mg/m³。

目前电厂颗粒物在线测量方法主要是光散射法(占比约79.3％)和浊度法(占比约19.4％)，其他的测量方法有β射线以及静电测量法等方法也有一定的应用。

光学方法中消光法是根据激光穿过粉尘颗粒后的能量损失来反映粉尘颗粒质量浓度，而对于10mg/Nm³的低浓度粉尘时，激光强度几乎不变，从而测量误差较大，不适合低浓度粉尘浓度测量。

光散射法是在一定立体角内采集的粉尘颗粒的散射光，散射光强度与粉尘颗粒体积浓度成正比，适应低浓度粉尘测量，而且作为光学方法，测量响应时间短，实时性好，得到广泛的应用，但是该方法受限于颗粒物自身物化性质，而且该方法只能获得颗粒物体积浓度，如果需要获得颗粒物质量浓度需要事先假定颗粒密度。然而实际上，燃煤电站粉尘颗粒的密度受煤种、燃烧工况、除尘效率等系列因素影响，差异较大；尤其是在低浓度粉尘测量时，这种密度变化的随机性就会体现的更为明显，因此对于燃煤烟气颗粒物低浓度粉尘测量，缺乏密度信息的光散射法测量结果可靠性较差。

β射线法是根据通过滤带捕集采样的粉尘，利用β射线穿过滤带上粉尘颗粒后能量衰减与颗粒质量成正比的原理，根据捕集的时间和采样流量，获得一个采样周期(采样时间)的粉尘质量浓度的平均值。β射线法测量物质质量时，β射线源通常产生一定能量的β射线，当所测物质使β射线强度减弱一半左右时所测物质的质量是更加准确的，滤膜收集颗粒物质量受颗粒物浓度和采样周期的控制，特定的采样周期难以保证测量结果的高度准确性；并且该方法只能反映一段时间内的平均值，实时性较差，不能满足颗粒高精度在线测量的要求。

因此，目前针对超净排放标准下的燃煤电厂颗粒物质量浓度在线监测，部分原始测量方法已经不再适，光散射法以及β射线法等虽然有一定发展，但是都存在自身的局限性，难以同时保证测量的实时性和准确性。为了解决这一矛盾，现有技术通过结合光散射测量法与β射线测量同时测量的方式来实现测量的实时性和准确性，例如专利CN104122180B、CN 105334147A，但是该技术仍有如下问题：

1)两项专利中默认β射线测量方法是准确的，两种方法的结合仅仅从逻辑上使用β射线法对光散射法进行校准，获得光散射法测量颗粒物质量浓度的一个补偿因子；但是β射线法测量过程中依然存在测量误差，不能主观认为是精确的。因此采用光散射法对β射线法进行反馈调整β射线法测量参数是非常必要的，对提高耦合测量装置的准确度意义重大。

2)在采样过程中随烟温降低，冷凝水会影响光散射和β射线的测量结果，需要在二者测量单元前加装烟气预热和保温装置。

3)光散射法测量颗粒物质量浓度只能获得颗粒物体积浓度，若要获得质量浓度信息，需要假定所测颗粒物密度参数。

综上所述，传统的方法和现有的技术都难以保证低粉尘浓度条件下，尤其是超净排放条件下燃煤电站粉尘质量浓度的准确实时测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法，将烟气预处理后依次通过光散射测量单元和β射线测量单元，利用光散射法测量颗粒物质量浓度对β射线法测量周期进行动态调整，同时利用β射线在测量周期T内的测量质量浓度平均值对光散射实时测量进行密度修正，实现低浓度细颗粒物质量浓度准确实时测量。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)燃煤烟气颗粒物依次进入光散射测量单元和β射线测量单元，其中，β射线测量单元采用滤膜收集燃煤烟气颗粒物，以获取收集的燃煤烟气颗粒物质量；

2)中心工作站根据燃煤烟气颗粒物在光散射测量单元中前T₀秒的平均质量浓度得到β射线测量单元中的β射线法采样周期 其中，

C_i为光散射测量单元测得的燃煤烟气颗粒物第i秒的质量浓度，i＝1,2,3...T₀，T₀为正整数；

M₀为β射线测量单元中使β射线强度减弱一半时滤膜上收集的燃煤烟气颗粒物的质量；

V₁为采样周期T₁的前T₀时间段内燃煤烟气颗粒物的平均体积流速；

3)获得T₁时间内燃煤烟气颗粒物在光散射测量单元内的平均质量浓度以及T₁时间段内燃煤烟气颗粒物在β射线测量单元中的平均质量浓度其中V₂表示采样周期T₁时间段内燃煤烟气颗粒物的平均体积流速，从而获得校正系数其中j＝1,2,3...T₁；

4)在下一个β射线法采样周期T₂内，光散射测量单元中燃煤烟气颗粒物第k秒的实时校正质量浓度其中V₃表示采样周期T₂的前T₀时间段内的平均体积流速，为光散射测量单元中的燃煤烟气颗粒物在采样周期T₂的前T₀秒的平均质量浓度，并且为光散射测量单元测得的燃煤烟气颗粒物第k秒的质量浓度，k＝T₁+1,T₁+2,T₁+3...T₁+T₂。

优选地，在燃煤烟气颗粒物进入光散射测量单元前，先使用烟气预热与保温装置对燃煤烟气颗粒物进行预热，以防止燃煤烟气颗粒物中水与硫的冷凝对燃煤烟气颗粒物质量浓度测量产生影响。

优选地，在燃煤烟气颗粒物进入烟气预热与保温装置前，先使用旋风分离装置进行颗粒粒径的筛选。

优选地，β射线测量单元的燃煤烟气颗粒物出口处设置有真空泵，安装在光散射测量单元的燃煤烟气颗粒物进口处的烟道内安装有采样单元，采样单元对燃煤烟气颗粒进行动力学等速采样；

中心工作站通过采样单元上的压力传感器计算烟道内燃煤烟气颗粒的实时气流速度，用以调节真空泵抽力，从而保证光散射测量单元和β射线测量单元的采样流速与烟道内燃煤烟气颗粒的流速一致。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)根据光散射法测量实时浓度对β射线法测量周期进行调整，提高了β射线法的测量结果的精确度；

2)在光散射测量尾部结合β射线测量，保证两者测量区域颗粒浓度一致的前提下，保留了光散射测量实时性好的特点，并进行密度修正，弥补了光学方法测量颗粒质量浓度缺乏密度参量的弱点；

3)β射线法耦合光散射法相互校准，提高耦合测量系统测量结果的准确性；

4)本系统采用采样烟气预热，减小了烟气中水分冷凝对颗粒物质量浓度测量的影响。

附图说明

图1为光散射法耦合β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示的光散射耦合β射线燃煤烟气颗粒物质量浓度测量系统，包括烟道内的取样装置101，取样口截面积与真空泵的抽力决定采样流量，用以同时保证等速取样和后续测量装置测量的敏感程度；

旋风分离器102可以根据测量对象进行选装，目的方便测量不同粒径段的粉尘对象(如总尘、PM₁₀、PM_2..5等)，旋风分离器筛选完目标待测粉尘后，待测粉尘随气流进入烟气预热装置103；需要注意的是，旋风分离器设置在烟道外，方便定期清理残留的飞灰，同时采样及分离器均保温130℃，防止取样过程中烟气中水与硫的冷凝；

当烟尘进入测量系统104和β射线测量单元105前，烟气中含有大量水蒸气，需要通过烟气预热装置103将烟温提高至130℃，以保证烟温在120℃以上，防止测量过程中水蒸气的冷凝。

光散射测量单元104和β射线测量单元105串联运行，保证所测粉尘浓度一致，同时使得系统结构紧凑，方便烟气保温；烟气进入光散射测量单元104后，光散射测量单元104将散射光信号输送至中心工作站200，中心工作站200根据体积流速、旋风分离器类型和光散射信号得到光散射单元的实时浓度C_j(j＝1,2,3…，T₁，T₁是需要确定的值)，根据前T₀(T₀<<T₁)秒内颗粒物平均浓度(i＝1,2,3...T₀，T₀为正整数)，确定β射线法采样周期T₁(采样周期时间T₁的确定：根据β射线吸收原理，所测物质质量使β射线强度减弱一半时测量结果最为精确；因此根据β射线强度衰减一半所对应质量M₀、前T₀秒颗粒物平均测量浓度和采样周期T₁的前T₀时间段内燃煤烟气颗粒物的平均体积流速V₁，计算滤膜收集颗粒物质量为M₀时所需采样时间T₁，即为β射线测量单元采样周期，)，并传送至β射线测量单元105。

β射线测量单元105将获得的T₁作为采样周期，采样结束后，并将β射线强度衰减一半的信号输送至中心工作站200，中心工作站200根据体积流速和β射线信号变化，得到β射线测量单元105在T₁时间段内的粉尘平均质量浓度其中V₂表示采样周期T₁时间段内燃煤烟气颗粒物的平均体积流速，再根据T₁时间内光散射测量的平均值()，得到校正系数K其中j＝1,2,3...T₁；再算出在下一个β射线法采样周期T₂内，光散射测量单元中燃煤烟气颗粒物第k秒的实时校正质量浓度其中V₃表示采样周期T₂的前T₀时间段内的平均体积流速，为光散射测量单元中的燃煤烟气颗粒物在采样周期T₂的前T₀秒的平均质量浓度，并且C_k为光散射测量单元测得的燃煤烟气颗粒物第k秒的质量浓度，k＝T₁+1,T₁+2,T₁+3...T₁+T₂。

本发明根据前T₀秒测量平均浓度确定本采样周期T₁，提高β射线测量结果的可靠性，以光散射测量浓度对当前β射线测量周期时间T₁进行校正，以β射线当前采样周期结果对光散射下一个测量周期的光散射测得的颗粒物质量浓度进行校正，得到最终的实时测量结果，在中心工作站200进行存储和显示。以此方式，不断地重复上述步骤，则可以利用前一个β射线法采样周期获得的校正系数对后一个β射线法采样周期内光散射获得的质量浓度进行实时校正。

真空泵106根据中心工作站200在取样位置101的压力探头(图中已省略)所测流速指示后自动调节抽力，随时保证取样枪气流速度与烟道内气流速度一致。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法，该方法包括步骤1)燃煤烟气颗粒物依次进入光散射测量单元和β射线测量单元，其中，β射线测量单元采用滤膜收集燃煤烟气颗粒物，以获取收集的燃煤烟气颗粒物质量；

其特征在于，该方法还包括以下步骤：

2)中心工作站根据燃煤烟气颗粒物在光散射测量单元中前T₀秒的平均质量浓度得到β射线测量单元中的β射线法采样周期 其中，

C_i为光散射测量单元测得的燃煤烟气颗粒物第i秒的质量浓度，i＝1,2,3...T₀，T₀为正整数；

M₀为β射线测量单元中使β射线强度减弱一半时滤膜上收集的燃煤烟气颗粒物的质量；

V₁为采样周期T₁的前T₀时间段内燃煤烟气颗粒物的平均体积流速；

3)获得T₁时间内燃煤烟气颗粒物在光散射测量单元内的平均质量浓度以及T₁时间段内燃煤烟气颗粒物在β射线测量单元中的平均质量浓度其中V₂表示采样周期T₁时间段内燃煤烟气颗粒物的平均体积流速，从而获得校正系数其中j＝1,2,3...T₁；

4)在下一个β射线法采样周期T₂内，光散射测量单元中燃煤烟气颗粒物第k秒的实时校正质量浓度其中V₃表示采样周期T₂的前T₀时间段内的平均体积流速，为光散射测量单元中的燃煤烟气颗粒物在采样周期T₂的前T₀秒的平均质量浓度，并且C_k为光散射测量单元测得的燃煤烟气颗粒物第k秒的质量浓度，k＝T₁+1,T₁+2,T₁+3...T₁+T₂。

2.根据权利要求1所述的耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法，其特征在于，在燃煤烟气颗粒物进入光散射测量单元前，先使用烟气预热与保温装置对燃煤烟气颗粒物进行预热，以防止燃煤烟气颗粒物中水与硫的冷凝对燃煤烟气颗粒物质量浓度测量产生影响。

3.根据权利要求2所述的耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法，其特征在于，在燃煤烟气颗粒物进入烟气预热与保温装置前，先使用旋风分离装置进行颗粒粒径的筛选。

4.根据权利要求3所述的耦合光散射和β射线测量燃煤烟气颗粒物质量浓度的方法，其特征在于，β射线测量单元的燃煤烟气颗粒物出口处设置有真空泵，安装在光散射测量单元的燃煤烟气颗粒物进口处的烟道内安装有采样单元，采样单元对燃煤烟气颗粒进行动力学等速采样；

中心工作站通过采样单元上的压力传感器计算烟道内燃煤烟气颗粒的实时气流速度，用以调节真空泵抽力，从而保证光散射测量单元和β射线测量单元的采样流速与烟道内燃煤烟气颗粒的流速一致。