劉建蘋，符繼征，林 勇

（安徽廣播影視職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230031）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)數(shù)量不斷增加，大量工業(yè)有害物質(zhì)通過煙道被直接排放進(jìn)入大氣中，對(duì)自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染.近年來，隨著我國對(duì)環(huán)保工作重視程度的不斷提高，如何有效監(jiān)測(cè)有毒有害氣體及顆粒物排放，已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注.為準(zhǔn)確測(cè)量工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)污染物的排放量，如有毒有害氣體、顆粒物等，需要對(duì)工業(yè)煙道內(nèi)污染物的排放速度和實(shí)時(shí)濃度進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，國內(nèi)外科研工作者們?cè)诖朔矫嬉策M(jìn)行了廣泛而卓有成效的研究，開發(fā)了介入式和非介入式等多種測(cè)量技術(shù).在非介入監(jiān)測(cè)技術(shù)中，激光光譜技術(shù)能夠通過光譜強(qiáng)度描述有毒有害氣體的濃度［1-3］和煙氣流速［4］，還可以利用顆粒物后向散射光強(qiáng)監(jiān)測(cè)煙氣中的顆粒物濃度，因此成為環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，近年來獲得了長足的進(jìn)步［5，6］.

利用光譜技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，探測(cè)光束必須經(jīng)過煙氣流，其測(cè)量結(jié)果也會(huì)受到多種因素影響，例如測(cè)量儀器靈敏度和穩(wěn)定性、待測(cè)氣體或顆粒物濃度、煙道內(nèi)氣流特點(diǎn)等.光閃爍是指光通過測(cè)量介質(zhì)后光強(qiáng)隨時(shí)間起伏變化，工業(yè)煙道內(nèi)造成光閃爍的因素很多［7］.光束通過煙氣流時(shí)，高溫?zé)煔饬饕鸬墓鈱W(xué)湍流會(huì)造成折射率的時(shí)空變化，使從其中穿過的光束產(chǎn)生閃爍效應(yīng)［8］.當(dāng)煙氣流中的顆粒物隨機(jī)移入或移出探測(cè)光束時(shí)，因?yàn)轭w粒物對(duì)光強(qiáng)的作用，顆粒物濃度變化也會(huì)引起光強(qiáng)閃爍.如果煙道內(nèi)顆粒物濃度非常高，甚至可能造成探測(cè)器無法探測(cè)到有效光強(qiáng).因此，根據(jù)煙道內(nèi)顆粒物濃度和粒徑分布情況，結(jié)合已有的光散射理論，初步估算探測(cè)光束經(jīng)過煙道后的光強(qiáng)，不僅可以為探測(cè)儀器光源部件選型提供理論參考，也能夠節(jié)省儀器成本.

1 基本原理

根據(jù)朗伯-比爾定律:

其中I、I0分別為出射光光強(qiáng)和入射光光強(qiáng)，單位為mW/cm2，a為吸收因子，可表示為 a＝kc，它與吸收物質(zhì)的化學(xué)特性和狀態(tài)、入射光波長有關(guān)；L為探測(cè)光束經(jīng)過被測(cè)物質(zhì)的光程長度，單位為m；c為質(zhì)量濃度，單位為mg/m3；k為與質(zhì)量濃度無關(guān)的比例系數(shù)，與中位粒徑之間的關(guān)系擬合成數(shù)學(xué)公式分別為:

實(shí)際測(cè)量獲得的粉塵消光系數(shù)與粉塵種類、中位粒徑、光密度和粉塵質(zhì)量濃度的關(guān)系如表1所示［9］.

表1 消光系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2 模擬分析

一般情況下，煙道內(nèi)的煙塵粒子粒徑分布會(huì)滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布或高斯分布.為分析煙道內(nèi)煙塵粒子的中位粒徑，我們利用實(shí)驗(yàn)室的模擬煙道研究了煤粉燃燒后煙塵粒子粒徑的譜分布.其結(jié)果如圖1所示.從測(cè)量結(jié)果可以看出，模擬煙道內(nèi)煙塵粒子的粒徑范圍為0～20 μm，分布滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其模式直徑在0.723～0.777 μm范圍內(nèi).根據(jù)江蘇某公司通過離線方式測(cè)得的煙塵濃度（8～30 mg/m3）和粒徑分布信息（0～150 μm），假設(shè)煙道內(nèi)煙塵粒子的譜分布滿足正態(tài)分布，且與模擬煙道內(nèi)煙塵的粒徑譜分布相符，則實(shí)際煙道內(nèi)的煙塵粒子中位粒徑約為5.42～5.82 μm.如煙道內(nèi)煙塵粒子的粒徑分布滿足高斯分布，則中位粒徑約為75 μm.

圖1 模擬煙道內(nèi)煙塵粒子的粒徑譜分布

基于上述理論我們模擬了不同譜分布狀態(tài)下煙塵粒子的消光系數(shù).當(dāng)譜分布滿足正態(tài)分布時(shí)，煙塵粒子的中位粒徑取為5.4 μm，當(dāng)譜分布滿足高斯分布時(shí)，煙塵粒子的中位粒徑取為75 μm.假設(shè)入射光強(qiáng)為1，光程長度為15 m，在質(zhì)量濃度不變的前提下，經(jīng)模擬計(jì)算可知，透射過不同類型煙塵粒子的煙道后，透射光強(qiáng)度分別如表2和表3所示，其中k為與質(zhì)量濃度無關(guān)的比例系數(shù)，kc為與吸收物質(zhì)的化學(xué)特性和狀態(tài)、入射光波長有關(guān)的系數(shù)，L為光束傳播距離，e-aL為最終透過率.根據(jù)表2和表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，在質(zhì)量濃度相同的情況下，粒子中位粒徑越小，煙塵的消光效果越明顯.這主要是因?yàn)闊焿m粒子的中位粒徑越小，則煙道內(nèi)的煙塵粒子數(shù)濃度越大，在粒子中位粒徑遠(yuǎn)大于探測(cè)光束波長的情況下，煙塵粒子數(shù)量對(duì)于消光強(qiáng)度有決定性作用.為了確保入射光束能夠被順利探測(cè)，保證試驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，模擬計(jì)算應(yīng)以煙塵粒子的粒徑分布滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的情況進(jìn)行計(jì)算.

表2 中位粒徑按對(duì)數(shù)正態(tài)分布計(jì)算得到的消光系數(shù)

表3 中位粒徑按高斯分布計(jì)算得到的消光系數(shù)

考慮煙氣流速測(cè)量系統(tǒng)研制成本，常用探測(cè)器的有效探測(cè)功率密度一般在10～4 mW量級(jí)，常用DFB激光器在光纖出口處的功率為10 mW，芯徑為250 μm，即出射功率密度為 200 mW/mm2.假設(shè)經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)后能量損失，并且到達(dá)探測(cè)器后被全部無損收集，光束經(jīng)聚焦后的光斑直徑為1 mm，則光強(qiáng)約為10～100 mW/mm2量級(jí)，無法達(dá)到探測(cè)器響應(yīng)極限.由此反推可知，為確保信號(hào)的信噪比，激光器在光纖出口處的功率須達(dá)到10 W.當(dāng)煙塵粒子譜分布滿足高斯分布時(shí)（中位粒徑為75 μm），常用 DFB激光器可以滿足要求.

當(dāng)煙塵粒子中位粒徑為5.4 μm，光束傳輸路徑分別為5 m和10 m時(shí)，消光系數(shù)的模擬計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示.從模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)中位粒徑為5.4 μm、傳輸距離為10 m時(shí)，DFB激光器的光纖出口處激光功率應(yīng)不小于1 W；中位粒徑為5.4 μm、傳輸距離為5 m時(shí)，激光器出口功率應(yīng)不小于100 mW.

表4 中位粒徑5.4 μm傳輸距離5 m的消光系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5 中位粒徑5.4 μm傳輸距離10 m的消光系數(shù)計(jì)算結(jié)果

續(xù)表

3 結(jié)論

利用光學(xué)方法測(cè)量煙道內(nèi)顆粒物濃度時(shí)，煙道內(nèi)的煙塵粒子對(duì)探測(cè)光束具有明顯的衰減.從計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)煙塵粒子譜分布滿足正態(tài)分布、中位粒徑為5.4 μm、光程長度為15 m時(shí)，激光器光纖出口功率須達(dá)到10 W，透射光束才能被有效探測(cè)；當(dāng)光程長度不變，譜分布滿足高斯分布、中位粒徑取為75 μm時(shí)，激光器光纖出口功率達(dá)到200 mW 即可滿足使用需要.上述結(jié)果說明當(dāng)煙塵粒子的譜分布滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，其對(duì)探測(cè)光束的衰減程度遠(yuǎn)高于高斯分布狀態(tài)下的煙塵粒子.