趙文川,史煥明,吳永新,徐學(xué)祥,王洪廣
(1.光大環(huán)保能源(南京)有限公司,南京 211162;2.光大環(huán)保(中國(guó))有限公司,廣東 深圳 518000)
近年來(lái),隨著環(huán)境保護(hù)力度持續(xù)增加,環(huán)保監(jiān)察單位對(duì)污染源排放點(diǎn)的監(jiān)管更加嚴(yán)苛,粉塵作為污染源監(jiān)測(cè)的重要組分之一,對(duì)其精細(xì)化監(jiān)管刻不容緩。粉塵濃度的測(cè)量是粉塵治理不可或缺的一部分,但目前的電力行業(yè)粉塵濃度測(cè)量方法均存在各種不足之處,既要實(shí)現(xiàn)連續(xù)、準(zhǔn)確的粉塵濃度測(cè)量,又要減少儀器維護(hù)工作,仍具有一定的難度,這也是粉塵濃度測(cè)量技術(shù)方面亟待解決的難題。
目前,垃圾焚燒電廠使用的粉塵儀主要采用摩擦靜電法、光學(xué)透射法和光學(xué)散射光法,其中光學(xué)散射法分前散射和后散射兩種。
靜電摩擦測(cè)量方式優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍較廣,費(fèi)用較便宜,維護(hù)較方便,維護(hù)成本較低;缺點(diǎn)為低濃度測(cè)量精度很低,在垃圾電廠故障率較高,維護(hù)量較大,受外界干擾較嚴(yán)重。光學(xué)透射測(cè)量方式優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍較廣,費(fèi)用較便宜;缺點(diǎn)為測(cè)量精度較低,受外界干擾較嚴(yán)重(振動(dòng)等因素)。光學(xué)散射測(cè)量方式優(yōu)點(diǎn)是精度較高,檢出限較低,不與煙氣直接接觸檢測(cè),部件使用壽命較高,維護(hù)標(biāo)定方便,維護(hù)成本較低,性價(jià)比高;缺點(diǎn)為在低濃度段測(cè)量無(wú)法達(dá)到超低粉塵的測(cè)量要求,由于測(cè)量方式的限制,較細(xì)的顆粒無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)到,并且光源損耗直接影響測(cè)量精準(zhǔn)度。
綜上所述,由于測(cè)量原理落后、量程大、精度低等問(wèn)題,目前常用的粉塵儀均難以滿足當(dāng)前粉塵超低排放的測(cè)量要求,存在著極大的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前各電廠單位均積極找尋新技術(shù)用以取代落后的粉塵測(cè)量裝置。結(jié)合火電廠燃煤機(jī)組超低排放改造后抽取式粉塵儀的相關(guān)使用經(jīng)驗(yàn),同時(shí)為驗(yàn)證抽取式粉塵儀在垃圾焚燒電廠的穩(wěn)定性、可靠性,特此在光大環(huán)保能源(南京)有限公司進(jìn)行了激光前散射抽取式粉塵儀試用。
FWE200是某公司最新一代激光前散射抽取式粉塵儀,用于連續(xù)測(cè)量煙氣中極少濃度(0.1 mg/m3)到中等濃度(200 mg/m3)的粉塵測(cè)量裝置。它的特點(diǎn)是從煙道中抽取一部分煙氣,高溫使其干燥,并使用可調(diào)電加熱系統(tǒng)來(lái)使其過(guò)熱和保證測(cè)量氣溫度恒定,從而排除了常規(guī)測(cè)量中小液滴可能造成的測(cè)量誤差。
FWE200采用旁路工作系統(tǒng),使用射流泵將煙氣從煙道中經(jīng)探頭等速抽出,并抽取到一個(gè)加熱旋風(fēng)筒中,將煙氣加熱至過(guò)熱狀態(tài)(保證煙氣露點(diǎn)之上),然后煙氣進(jìn)入測(cè)量單元。測(cè)量單元使用前激光散射法,激光器發(fā)出的650 nm調(diào)試光束射向顆粒物,在測(cè)量單元內(nèi)裝有一個(gè)高度靈敏的探測(cè)器,用來(lái)檢測(cè)粉塵顆粒散射光的強(qiáng)度,將光強(qiáng)度經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后傳輸至微處理器的測(cè)量單元進(jìn)行測(cè)量,該單元為粉塵儀的控制及測(cè)量核心部件,經(jīng)過(guò)測(cè)量單元分析從而得到粉塵濃度,并以4~20 mA信號(hào)輸出至二次表等裝置顯示輸出。此間種種措施消除了煙氣中水分對(duì)粉塵信號(hào)的干擾,監(jiān)測(cè)過(guò)后的尾氣經(jīng)采樣探桿重新回流至到煙道中。抽取式粉塵儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 FWE200結(jié)構(gòu)原理
FWE200的工作原理是散射光(向前散射)。該原理的靈敏度高,尤其適合測(cè)量低顆粒濃度場(chǎng)合。一個(gè)激光二極管使用可見(jiàn)光范圍內(nèi)的調(diào)制光照射測(cè)量氣流中的粉塵顆粒。由粉塵顆粒散射的光波被一個(gè)極度敏感的檢測(cè)器收集,經(jīng)過(guò)電增強(qiáng)后,送至一個(gè)微處理器的測(cè)量通道中,該微處理器是測(cè)量、控制和評(píng)價(jià)電路板的中心部分。煙道中的測(cè)量體積由發(fā)射光束和接收孔之間的重疊來(lái)定義。其通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)射功率來(lái)采集發(fā)射光束的微小亮度變化。測(cè)量的反射光強(qiáng)度SL與粉塵濃度c成正比,但是散射光強(qiáng)度不僅與粉塵顆粒的數(shù)目和大小有關(guān),還和它們的光學(xué)屬性有關(guān),所以該粉塵儀還加入重量法比對(duì)測(cè)量來(lái)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校正,從而實(shí)現(xiàn)粉塵濃度精確測(cè)量的功能。
根據(jù)重量法求出的校正系數(shù)cc0(常數(shù))、cc1(一次項(xiàng))和cc2(二次項(xiàng))可以直接輸入測(cè)量系統(tǒng)使用的公式中:
式中,SL為消光度;cc為修正系數(shù);cc2為二次系數(shù);cc1為線性系數(shù);cc0為常數(shù)項(xiàng)。
FWE200的測(cè)量原理如圖2所示。
圖2 FWE200測(cè)量示意圖
為探究FWE200粉塵儀的測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性與真實(shí)性,試用初期階段聯(lián)合具有相關(guān)資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu),采用常規(guī)煙氣粉塵采樣并使用稱重測(cè)量法,對(duì)粉塵儀進(jìn)行了一次平行采樣比較試驗(yàn)。人工手動(dòng)采樣和在線自動(dòng)測(cè)量同步進(jìn)行,通過(guò)數(shù)據(jù)分析比對(duì),探究FWE200粉塵儀系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。
2018年7月17日對(duì)比試驗(yàn)開始,第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用常規(guī)便攜式顆粒物檢測(cè)儀器,對(duì)1#焚燒爐煙氣進(jìn)行手動(dòng)粉塵采樣,每個(gè)標(biāo)樣采集時(shí)長(zhǎng)約為30 min,共進(jìn)行6次平行采樣。專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)6個(gè)標(biāo)樣進(jìn)行常規(guī)稱重法分析,具體獲得粉塵濃度結(jié)果如表1所示。計(jì)算可得,粉塵含量的總均值為 1.28 mg/m3。
在進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)之前,F(xiàn)WE200抽取式粉塵儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)已接入DCS,在第三方檢測(cè)人員手動(dòng)取樣時(shí),記錄采樣開始和結(jié)束時(shí)間,并從DCS中每分鐘導(dǎo)出一個(gè)歷史數(shù)據(jù),進(jìn)行累加取平均值,得到對(duì)應(yīng)手動(dòng)采樣時(shí)的FWE200抽取式粉塵儀的測(cè)量數(shù)據(jù),自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。計(jì)算可得,自動(dòng)測(cè)量結(jié)果的最終均值為1.39 mg/m3。
如圖3所示,比較平行測(cè)量結(jié)果可知,手動(dòng)取樣化驗(yàn)的結(jié)果和FWE200自動(dòng)粉塵儀對(duì)煙塵的測(cè)定結(jié)果差異不大,平均值絕對(duì)誤差為0.05 mg/m3,相對(duì)誤差為8.5%。
表1 手動(dòng)采樣化驗(yàn)結(jié)果
表2 自動(dòng)測(cè)量結(jié)果
目前,最新版的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》(HJ 76-2017)指出,顆粒物≤10 mg/m3, 儀器與參比方法測(cè)量結(jié)果平均值的絕對(duì)誤差不超過(guò)±5 mg/m3視為合格,F(xiàn)WE200粉塵儀完全滿足該技術(shù)要求。
圖3 手自動(dòng)比對(duì)柱狀圖
此次可靠性驗(yàn)證結(jié)合了一款傳統(tǒng)的后激光散射法粉塵儀,其量程范圍0~200 mg/Nm3。其實(shí)時(shí)粉塵測(cè)量數(shù)值也同步接入了DCS中,便于更為方便直觀地進(jìn)行結(jié)果比對(duì)。
通過(guò)試用期間對(duì)FWE200粉塵儀和后激光散射法粉塵儀歷史趨勢(shì)的分析可發(fā)現(xiàn),F(xiàn)WE200粉塵儀具有測(cè)量數(shù)據(jù)低、對(duì)工況變化敏感度高、測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。
如圖4所示,01曲線為后激光散射粉塵儀連續(xù)8 h的折算值歷史趨勢(shì),02曲線為FWE200的同時(shí)段粉塵折算值歷史趨勢(shì),F(xiàn)WE200粉塵儀小時(shí)均值為 1.8 mg/Nm3,后激光散射粉塵儀小時(shí)均值為3.5 mg/Nm3, 明顯高于FWE200粉塵儀的測(cè)量結(jié)果。這一結(jié)果也從側(cè)面證明了傳統(tǒng)后激光散射粉塵儀的測(cè)量精度低,誤差范圍大,容易增加環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。
圖4 測(cè)量結(jié)果對(duì)比1
通過(guò)對(duì)歷史趨勢(shì)的分析,筆者發(fā)現(xiàn),F(xiàn)WE200粉塵儀對(duì)工況變化敏感度很高,光大環(huán)保能源(南京)有限公司布袋除塵器在正常運(yùn)行中投入自動(dòng)吹灰模式,吹灰條件為每間隔一個(gè)小時(shí)或者布袋壓差>1 300 Pa,當(dāng)布袋除塵器進(jìn)行吹灰操作時(shí),如圖5所示,每個(gè)02曲線的波峰即為吹灰時(shí)間,抽取式粉塵儀FWE200能夠快速響應(yīng)布袋除塵器的工況變化,并且從粉塵測(cè)量值上精準(zhǔn)快速反應(yīng),時(shí)間上和吹灰設(shè)定完全吻合,而后激光散射粉塵儀對(duì)吹灰操作無(wú)明顯數(shù)據(jù)變化(01曲線),如圖5所示。
對(duì)比后激光散射粉塵儀和抽取式粉塵儀FWE200可以很明顯發(fā)現(xiàn),前者的數(shù)據(jù)總是在頻繁上下波動(dòng),曲線震蕩嚴(yán)重,無(wú)法達(dá)到相對(duì)穩(wěn)態(tài),而FWE200曲線相對(duì)平緩,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng),如圖6所示。
圖5 測(cè)量結(jié)果對(duì)比2
圖6 測(cè)量結(jié)果對(duì)3
近一個(gè)月的試用和對(duì)兩款粉塵儀數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明,F(xiàn)WE200抽取式粉塵儀確實(shí)表現(xiàn)搶眼,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng),敏感度高,測(cè)量精準(zhǔn),更能有效地反映排口的粉塵排放情況。但較普通粉塵儀,F(xiàn)WE200設(shè)備組件眾多,安裝要求高,后期維護(hù)量大,前期投入成本高,缺點(diǎn)也較為突出,對(duì)大規(guī)模推廣使用勢(shì)必帶來(lái)一定的制約。