基于β射线和光学融合的烟尘浓度检测技术

隋金君

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引言

目前市面上的烟尘浓度检测仪器种类繁多，比如：光学散射法、β射线法等。但是单独检测方法均存在一定的问题，β射线法虽然测试结果准确，但测试周期过长(一般测试周期均在30 min以上)；而光学散射法测试结果是实时在线的，但光学器件容易被含尘气流污染，测试结果会产生误差和偏移。因此，本文提出一种新的融合技术，将β射线法和光学散射法融合在一起，β射线测试系统周期性自动标定光学测试系统，使得光学实时在线测试值准确度更高，可靠性更好[1-5]。

下面分别从β射线法测试原理与单元、光学散射法测试原理与单元进行分析研究，最后进行2种方法的融合，得出烟尘的准确实时在线测试值。

1 总体方案

整个融合技术由2部分组成，分为光学散射法测试单元与β射线法测试单元，采用β射线法和光学散射法相融合技术，实现β射线法对光学散射法测试排放颗粒物浓度进行周期性标定，系统整体结构框图如图1所示，排放样气以等速跟踪的方式分别进入光学散射测试单元和β射线测试单元，光学散射测试单元实时监测烟道内颗粒物浓度，β射线测试单元根据需要设定，周期监测烟道内的颗粒物浓度，实现对光散射测试单元自动标定[6-7]。

图1 系统整体结构框图

2 β射线测试单元

2.1 技术路线

β射线单元烟尘浓度技术路线图如图2所示，其采用的原理和步骤如下[8-10]：

(1)含尘烟气通过进气机构进入采样管道后，由于烟气中的温湿度较高，需要对烟气进行加热处理。其处理方法为通过温度传感器1采集采样管道中的温度数据，并通过MCU控制其温度始终在露点温度以上，并且在采样管道外壁包裹保温材料，尽量减少热量的损失；

图2 β射线测试单元技术路线图

(2)烟气通过采样管道后进入β射线强度检测机构，通过PLC控制压紧装置使采样管路闭合，在滤纸采样工位将烟尘中的颗粒物截留在滤纸之上；

(3)为保证检测精度，抽尘之前以及抽尘之后需要将纸带通过平移滑台移动至纸带烘干工位对滤纸进行烘干，以避免滤纸中的水分对检测结果的影响，其烘干过程通过温度传感器2反馈的信号由MCU进行动态控制，平移过程通过PLC对平移滑台进行控制；

(4)β射线计算粉尘浓度的原理需要分别检测采样前后穿透滤纸的β射线放射强度I1及I2，因此，在滤膜采样前后需要通过PLC控制平移装置将滤膜位移至β射线强度检测工位，分别将对穿透滤膜的β射线放射强度进行检测；

(5)在β射线强度检测完成之后，通过PLC控制卷纸电机对纸带进行回收，其中卷纸距离通过安装在纸带压紧轴上的编码器反馈信号控制；

(6)为保证采样过程中流量的稳定性，在采样泵之前安装了孔板采样流量检测机构，压差和压力传感器采集的信号通过MCU控制采样泵的转速；

(7)由于烟气中含有腐蚀性气体，因此在采样泵之前安装了冷凝器和干燥剂以保护采样泵；

(8)在测得采样前后β射线放射强度I1、I2、流速、采样时间、温湿度等关键参数后，最终通过MCU计算出烟气中的颗粒物浓度。

2.2 尘样采集、检测

尘样收集部分主要由抽尘管路、滤纸带、滤纸压紧及松开装置、滤纸传送装置、检测装置等组成。

(1)抽尘管路：抽尘管路内径大小直接影响滤纸上尘源的大小，β源检测口直径为10 mm，根据β源检测口的大小，为了保证射线有效通过颗粒物沉积面，抽尘管内径取12 mm，壁厚取1 mm。

(2)滤纸选型及性能校核：根据过滤和结构要求选用滤纸，外径为140 mm，内径为28 mm，宽度为40 mm，长度为40 m。放带轮空转所需拉力根据计算为0.125 N。旋转编码器轴系转动所需力小于1 N。选择的纸带纵向抗拉力为32 N。大幅超过收带时的系统牵引阻力，因此，滤纸强度完全满足牵动轮系运动要求。为防止编码器轴打滑，纸带压紧力产生的摩擦力需大于旋转编码器轴的转动力(1 N)，并小于纸带的牵引力减系统阻力即可。通过计算，纸带压紧范围为1～30 N，为了稳定起见，压紧力取15 N。

(3)纸带的压紧、松开装置：滤纸的压紧、松开装置结构如图3所示，通过步进电机带动螺纹套前后运动来拨动抽尘管上的轴套，在弹簧力的作用下从而带动抽尘管达到上下运动，从而满足纸带的压紧、松开要求。

图3 纸带压紧、松开结构图

滤纸的密封将直接影响抽尘的效果，滤纸的密封主要取决于弹簧的压紧力。根据垫片所需最小压紧力的计算公式：F=πDby，y=1.5p，可得出1个抽尘口滤纸所需的最小压紧力F=5 N，3组同时抽尘可需压紧力为15 N，取1倍安全系数，压紧力为30 N。按压缩5 mm产生30 N计算，克服弹簧压力取40 N(压缩5 mm,刚度为8 N/mm)，抽气管质量为30 N，螺纹套需要产生的向上推力为100 N。根据计算螺纹需要的轴向推力为200 N，需要的扭矩为T=0.2Fd，d取10 mm，通过计算需要的扭矩为1 kN·mm，步进电机额定扭矩为1.2 kN·mm。

(4)纸带传送部分：纸带传送部分主要由滤膜收带装置、滤膜放带装置、滤膜移动长度控制单元、抽尘管道、检查部件等部分组成。抽尘管道和检测装置固定在箱体上不动，前面板上的纸带收放系统，过渡轮系及前面板等连接在滑台上，可以进行左右移动。移动部件除转轴及标件外尽量采用铝合金材料。其结构如图4所示。

图4 纸带传送结构图

(5)尘样检测部分：尘样检测部分主要由β源、计数器以及电路等组成。

β源采用性能稳定，采用低密度、低活度(<90μCi)、半衰期长(5 700年)的14C源，封装在特定金属结构中，测量稳定且无需特别防护，不会造成放射性污染；根据测试原理，β源与探测器之间的距离一般在3～5 mm；该距离根据试验结果进行调整。探测器主要包括盖格管和光电倍增管2种，经过对比光电倍增管的性能比盖格管好很多，尤其表现在低浓度时分辨率高，因此考虑采用CH320光电倍增管探测器。现场校准采用通用的校准膜校准。

图5 光学散射测试单元技术路线图

3 光学散射测试单元

3.1 技术路线

光散射检测单元结构框图如图5所示，其主要工作原理如下所述[11-16]：

(1)在检测口将DN20抽气管道插入排放烟道中，抽气动力由风机配合引射器提供，根据现场调查以相应的速度8、16、22 m/s，恒速抽吸排放烟道中的气体；

(2)将抽吸的待测气流经过高温旋流伴热系统，通过温度传感器和控制器将经过高温伴热的气流温度控制在(110±10)℃，使水滴和气雾蒸发，作为测量气流进入散射池中；

(3)控制器利用高温伴热出口到散射池入口的压差信号(1～5 mbar)，通过变频器调节风机引射流量，达到控制抽吸口流量的目的；

(4)激光驱动电路控制激光器的发射功率为5 mW，将激光射入散射池，当测量气流中含有颗粒物时，散射光检测器将颗粒物的散射光信号转换成电压信号，实现颗粒物浓度检测；

(5)在风机的入口处连接空气过滤器，保证风机的引射气流和反吹气流的纯净，反吹气流对激光器发射镜头和散射光检测器探头持续吹扫，并在散射池中包裹测量气流，防止测量气流中的颗粒物对激光器发射镜头和散射光检测器探头的污染。

3.2 光学测试技术

光学测试技术由样气加热预处理、光学测试机构及器件2部分组成。

(1)加热预处理：空气加热按照加热方式的不同，可分为热管交换式加热，卵石床蓄热式加热、电弧加热、激波管式加热、燃烧型加热及组合加热等。热管交换加热的热源由电阻蓄热或者燃烧提供，其加热效率较低；卵石床蓄热式加热无污染，但产生较多的固体颗粒且反应慢；电弧加热可控性好，但费用昂贵，且可能引起空气离解，形成氮的氧化物；激波管加热气流的气温高，但不适于长时间使用；燃烧加热方式会使样气流产生污染。在燃煤电厂颗粒物排放监测系统中，需要长时间工作，且样气处理不能改变样气中颗粒物的浓度，同时需要长时间工作，本文选择采用类似热管加热方式对样气进行加热处理。

(2)光学测试机构：采用前向小角光散射原理检测颗粒物浓度，整个检测单元示意图如图5所示，主要由有以下几个部分构成：激光器、散射光探测系统、散射池、光陷阱。

光学部件主要包含激光器，光学透镜和散射光探测器3个部分。

激光器采用LP650光纤激光器，激光器的典型波长为650 nm，最大输出功率为20 mW。光学透镜采用的是三透镜组成的光学透镜组。(TC12FC光学透镜组)，透镜输出光斑形状为圆形光斑，在2 m处光斑大小为2.5 mm，发散角为0.021°。PS33-6型PIN探测器有效面积为33 mm2，能够实现对烟尘的散射光进行有效探测。

4 烟尘浓度检测试验

基于β射线法和光学散射法的烟尘浓度检测技术设计完成了一种适用于现场的烟尘浓度在线监测仪。使用该监测仪样机在某燃煤电厂和烟尘采样器称重方式进行对比实验，其实验系统如图6所示。烟尘经过脱硫脱硝之后进入烟道进行排放，采样器经过采样之后使用百万分之一的天平称重采样器滤膜的增重，来计算实时的烟尘浓度值。

图6 监测仪样机的烟尘实验系统

在排放烟道内烟尘比较均匀地分布在风硐中。采样器等速抽气采样，称重得到烟尘浓度实时值。同时基于β射线法和光学散射法融合的监测仪的测试数值现场快速获取，最后通过采样器称重烟尘浓度值和现场烟尘浓度监测仪的测试值进行对比实验，得到烟尘浓度传感器的对比与称重法的误差值。经过1个月的长时间实验，得到其误差均小于±10%，截取的众多实验数据中的一段如表1所示。

5 结论

本文基于β射线法和光学散射法融合技术的研究，通过原理剖析、β射线法测试技术和光学散射法测试技术研究以及实验对比等，完成了烟尘浓度的在线监测技术的研究，解决了如下的问题：

表1 样机与称重方式烟尘浓度试验数据表

注：重复性是对每个测试点进行了15次测试的结果。

(1)基于β射线法和光学散射法的研究，提出了适用于排放现场的一种快速获取浓度数据的在线监测技术；

(2)通过实验验证了该种烟尘浓度在线监测技术能够很好地适用于排放现场，其误差均小于±10%。