易 俊 劉 冬 王文和 蘇楊秀怡 潘虹鋼 焦 敏

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 江津 402260； 2.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院， 重慶 401331； 3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

工業(yè)排放煙氣中的顆粒物是一種重要的大氣污染物。在各種檢測(cè)煙氣顆粒物濃度的方法中，光散射法在連續(xù)檢測(cè)中具有許多優(yōu)勢(shì)，比如檢測(cè)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單、連續(xù)性較好等。但光散射法也存在檢測(cè)結(jié)果受環(huán)境濕度影響較大、光學(xué)測(cè)量窗口易受氣體污染等問(wèn)題。根據(jù)有關(guān)研究，濕度小于60%時(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較小[1-3]。有人比較分析了旋風(fēng)切割器、加熱帶、Nafion干燥管、硅膠干燥管等干燥裝置的除濕效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加熱帶可快速降低樣品空氣的相對(duì)濕度[4]。目前學(xué)界對(duì)加熱技術(shù)除濕的理論研究較多，但在相關(guān)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面研究較少。針對(duì)濕度對(duì)光散射法檢測(cè)結(jié)果的影響，我們研究設(shè)計(jì)了一套煙氣預(yù)處理裝置，采用加熱技術(shù)對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行加熱，降低其濕度。

1 裝置的技術(shù)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 加熱除濕技術(shù)原理

加熱除濕技術(shù)是通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射3種傳熱方式，將熱能傳遞給待加熱氣體，使氣體中液態(tài)水汽化，從而降低氣體的相對(duì)濕度。影響光散射測(cè)塵儀測(cè)量結(jié)果的主要因素是待測(cè)氣體中的液態(tài)水和水氣含量較高，通過(guò)加熱技術(shù)汽化待測(cè)氣體里面的液態(tài)水，降低待測(cè)氣體中的相對(duì)濕度，就可以提高光散射測(cè)塵儀檢測(cè)結(jié)果的精度。

燃煤電廠的煙氣在排放前通常是采用濕式電除塵技術(shù)進(jìn)行了一次降塵，而這種方法在除塵的同時(shí)會(huì)增加煙氣中的水分，使排放前的煙氣濕度接近飽和。對(duì)于濕度很高的煙氣環(huán)境，在保證除濕目標(biāo)(濕度≤60%)的前提下要盡可能降低加熱溫度，防止加熱溫度過(guò)高引起熱惡化現(xiàn)象(在一定條件下，水或汽水混合物與管壁間被一層汽膜隔開，導(dǎo)致傳熱系數(shù)急劇下降，管壁溫度急劇升高，甚至出現(xiàn)過(guò)燒的現(xiàn)象)[5]。

1.2 預(yù)處理裝置的結(jié)構(gòu)

參考德國(guó)福德世煙氣粉塵濃度在線連續(xù)檢測(cè)裝置，結(jié)合燃煤電廠現(xiàn)場(chǎng)煙道的一般布置情況，設(shè)計(jì)的預(yù)處理除濕裝置(以下簡(jiǎn)稱“樣機(jī)”)，包含加熱容器、加熱元件、進(jìn)出氣通道等構(gòu)成部分(見圖1)。為了解決溫度過(guò)高的問(wèn)題，將煙氣入口和出口都設(shè)計(jì)為垂直于加熱管道，與管壁相切。這樣，可使煙氣在加熱管道內(nèi)形成旋流狀態(tài)，從而延長(zhǎng)加熱時(shí)間、降低加熱溫度，同時(shí)還可避免煙氣顆粒物在管道底部積累。加熱容器長(zhǎng)380 mm、直徑為80 mm，進(jìn)出口通道的直徑均為20 mm。加熱元件采用PTC陶瓷加熱片。將PTC陶瓷加熱片包裹在加熱容器外表面，使通過(guò)加熱容器的待測(cè)煙氣受熱充分。

圖1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法與結(jié)果

2.1 測(cè)試方法

為驗(yàn)證樣機(jī)的效果，在中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的主要設(shè)備有定量發(fā)塵器、手工采樣器、超聲波加濕器、微量分析天平、溫濕度傳感器、風(fēng)硐風(fēng)速控制電腦平臺(tái)、紅外烘箱、風(fēng)機(jī)、空氣過(guò)濾器等。

實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先打開風(fēng)

硐風(fēng)速控制電腦平臺(tái)，設(shè)置一定流速，再利用定量發(fā)塵器在風(fēng)硐中營(yíng)造指定濃度的粉塵氣氛，同時(shí)打開超聲波加濕器，增加風(fēng)硐中的環(huán)境濕度，以此模擬燃煤電廠的煙道。其次，在引射風(fēng)機(jī)前端加上空氣過(guò)濾器，形成干凈的引射氣流，對(duì)檢測(cè)室的傳感器進(jìn)行吹掃，以確保檢測(cè)室內(nèi)的傳感器不會(huì)受到污染，同時(shí)引射氣流通過(guò)引射器為測(cè)量煙氣提供抽吸動(dòng)力。待測(cè)煙氣從采樣探頭進(jìn)入，經(jīng)過(guò)高溫旋風(fēng)加熱器(樣機(jī))，加熱到某一溫度，消除濕氣，進(jìn)入檢測(cè)室進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)引射器直接排放回?zé)煹馈?/p>

選擇手工采樣稱重法的檢測(cè)值作為參比值。測(cè)試操作流程：先在風(fēng)硐內(nèi)模擬煙道高濕度(濕度≥90%)、低濃度的環(huán)境，同時(shí)啟動(dòng)加熱器對(duì)樣機(jī)進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱一段時(shí)間后，啟動(dòng)手工采樣器，觀察經(jīng)樣機(jī)處理后的檢測(cè)數(shù)據(jù)。在一個(gè)手工采樣周期內(nèi)，以樣機(jī)對(duì)每個(gè)規(guī)定檢測(cè)點(diǎn)完成的5次檢測(cè)值作為一組數(shù)據(jù)，將每組數(shù)據(jù)的平均值作為最終檢測(cè)結(jié)果，與手工采樣稱重法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，計(jì)算得出測(cè)量誤差。每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)計(jì)錄3組數(shù)據(jù)?？紤]到不同地域、季節(jié)、電廠種類等因素的差異，結(jié)合超低排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)顆粒物濃度的限制和儀器量程、檢測(cè)周期等因素，選擇模擬煙道環(huán)境中的4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)分析。各檢測(cè)點(diǎn)的煙氣顆粒物濃度分別為0.5、2.0、5.0、8.0 mgm3，預(yù)處理后的煙氣濕度小于等于60%。

圖2 顆粒物濃度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案

2.2 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過(guò)樣機(jī)加熱除濕處理后，按光散射法檢測(cè)出的煙氣顆粒物濃度，與基于手工采樣稱重法檢測(cè)獲得的結(jié)果相比，各檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)量誤差最大值均在6%以內(nèi)，滿足國(guó)標(biāo)《粒度分析 動(dòng)態(tài)光散射法(DLS)》(GBT29022-2012)中關(guān)于動(dòng)態(tài)光散射法檢測(cè)精度的要求。當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)濃度為0.5 mgm3時(shí)，測(cè)量誤差值較大，平均誤差約為4.8%；隨著檢測(cè)點(diǎn)濃度的增加，到8.0 mgm3時(shí)，平均誤差則有明顯降低。這說(shuō)明隨著待測(cè)煙氣顆粒物濃度的增加，經(jīng)過(guò)樣機(jī)加熱除濕處理后，光散射法的檢測(cè)精度也在逐漸提升。對(duì)于不同類型和不同地域的電廠環(huán)境，經(jīng)過(guò)該樣機(jī)處理后的煙氣顆粒物檢測(cè)的最低濃度可以達(dá)到0.5 mgm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家對(duì)燃煤電廠煙氣的超低排放中規(guī)定的5 mgm3，說(shuō)明該樣機(jī)可以有效降低待測(cè)煙氣的濕度，確保光散射檢測(cè)法對(duì)于低溫、高濕、低濃度煙氣的測(cè)量精度。

表1 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

3 裝置的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性檢驗(yàn)

在我國(guó)北方某電廠，對(duì)樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性進(jìn)行了檢驗(yàn)。該電廠建有2臺(tái)350 MW超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組。在實(shí)驗(yàn)前，測(cè)量了電廠排放煙氣的溫度、濕度、流速及顆粒物濃度：煙氣顆粒物濃度為0.6 mgm3；煙氣排放溫度為57 ℃，濕度為99%；煙氣流速為13.8 ms；環(huán)境溫度在23 ℃左右。

為有效去除待測(cè)煙氣中的液態(tài)水，降低煙氣的相對(duì)濕度，將加熱器溫度由低向高逐步調(diào)整，從 50 ℃上升到140 ℃。采樣速度要求與煙氣排放速度相同，溫度每上升5 ℃，記錄一次樣機(jī)的檢測(cè)輸出電壓值。同時(shí)，在測(cè)量期間每隔5 min進(jìn)行一次手工采樣，并記錄通過(guò)稱重法測(cè)量的顆粒物濃度值，最后取平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見表2)?，F(xiàn)場(chǎng)5次手工采樣的煙氣顆粒物濃度分別為0.58、0.60、0.59、0.61、0.62 mgm3。

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)電廠煙氣排放周圍的空氣進(jìn)行過(guò)濾處理后，采用光散射檢測(cè)儀測(cè)出的電壓(V1)一直為93～94 mV。在電廠煙氣檢測(cè)過(guò)程中，樣機(jī)中加熱器設(shè)置的初始溫度為50 ℃。利用光散射檢測(cè)儀記錄煙氣通過(guò)樣機(jī)的電壓值，共記錄8組數(shù)據(jù)，并取平均值。溫度每增加5 ℃為一節(jié)點(diǎn)，待數(shù)值穩(wěn)定后進(jìn)行記錄。溫度從50 ℃上升到140 ℃，煙氣通過(guò)樣機(jī)處理后，光散射檢測(cè)儀測(cè)量的電壓(V2)平均值(V2均)從491.88 mV降低到136.63 mV。除去潔凈氣體的檢測(cè)值(V1)，得到電壓增量V0。按電壓值換算得到的濃度，隨著溫度的升高而降低。溫度上升到140 ℃時(shí)，檢測(cè)得到的煙氣顆粒物濃度為0.57 mgm3。在溫度上升的過(guò)程中，檢測(cè)電壓變化1 mV，對(duì)應(yīng)的顆粒物濃度變化量約為0.013 3 mgm3?，F(xiàn)場(chǎng)手工采樣檢測(cè)結(jié)果，煙氣的顆粒物濃度為0.58～0.62 mgm3，經(jīng)過(guò)樣機(jī)處理后得到的檢測(cè)值(溫度為130～140 ℃時(shí))與其幾乎相同，這說(shuō)明樣機(jī)對(duì)于電廠現(xiàn)場(chǎng)的煙氣具有很好的除濕效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

在檢測(cè)煙氣顆粒物濃度時(shí)，煙氣濕度是一個(gè)需要考慮的因素。煙氣濕度會(huì)影響光散射，如果濕度過(guò)高，光散射法檢測(cè)得到的顆粒物濃度值會(huì)偏高。對(duì)待測(cè)氣體先進(jìn)行加熱除濕處理，有助于提高光散射法檢測(cè)結(jié)果的精確性。設(shè)計(jì)的煙氣預(yù)處理裝置，可以有效降低煙氣濕度，提高光散射檢測(cè)精確度。在實(shí)驗(yàn)室模擬燃煤電廠的煙道環(huán)境，測(cè)試了預(yù)處理裝置的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)該裝置處理后，光散射法檢測(cè)得到的煙氣顆粒物濃度，與基于手工采樣稱重法的檢測(cè)結(jié)果相比，測(cè)量誤差最大值在6%以內(nèi)。在電廠現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)處理裝置將待測(cè)煙氣加熱到130～140 ℃時(shí)，檢測(cè)出的煙氣顆粒物濃度與現(xiàn)場(chǎng)手工采樣的煙氣顆粒物濃度基本一致。