基于激光前散射原理的抽取式粉尘仪在垃圾焚烧电厂中的应用

赵文川，史焕明，吴永新，徐学祥，王洪广

（1.光大环保能源（南京）有限公司，南京 211162；2.光大环保（中国）有限公司，广东 深圳 518000）

近年来，随着环境保护力度持续增加，环保监察单位对污染源排放点的监管更加严苛，粉尘作为污染源监测的重要组分之一，对其精细化监管刻不容缓。粉尘浓度的测量是粉尘治理不可或缺的一部分，但目前的电力行业粉尘浓度测量方法均存在各种不足之处，既要实现连续、准确的粉尘浓度测量，又要减少仪器维护工作，仍具有一定的难度，这也是粉尘浓度测量技术方面亟待解决的难题。

目前，垃圾焚烧电厂使用的粉尘仪主要采用摩擦静电法、光学透射法和光学散射光法，其中光学散射法分前散射和后散射两种。

静电摩擦测量方式优点是测量范围较广，费用较便宜，维护较方便，维护成本较低；缺点为低浓度测量精度很低，在垃圾电厂故障率较高，维护量较大，受外界干扰较严重。光学透射测量方式优点是测量范围较广，费用较便宜；缺点为测量精度较低，受外界干扰较严重（振动等因素）。光学散射测量方式优点是精度较高，检出限较低，不与烟气直接接触检测，部件使用寿命较高，维护标定方便，维护成本较低，性价比高；缺点为在低浓度段测量无法达到超低粉尘的测量要求，由于测量方式的限制，较细的颗粒无法准确检测到，并且光源损耗直接影响测量精准度。

综上所述，由于测量原理落后、量程大、精度低等问题，目前常用的粉尘仪均难以满足当前粉尘超低排放的测量要求，存在着极大的环保风险。当前各电厂单位均积极找寻新技术用以取代落后的粉尘测量装置。结合火电厂燃煤机组超低排放改造后抽取式粉尘仪的相关使用经验，同时为验证抽取式粉尘仪在垃圾焚烧电厂的稳定性、可靠性，特此在光大环保能源（南京）有限公司进行了激光前散射抽取式粉尘仪试用。

1 FWE200简介

FWE200是某公司最新一代激光前散射抽取式粉尘仪，用于连续测量烟气中极少浓度（0.1 mg/m3）到中等浓度（200 mg/m3）的粉尘测量装置。它的特点是从烟道中抽取一部分烟气，高温使其干燥，并使用可调电加热系统来使其过热和保证测量气温度恒定，从而排除了常规测量中小液滴可能造成的测量误差。

1.1 系统简介

FWE200采用旁路工作系统，使用射流泵将烟气从烟道中经探头等速抽出，并抽取到一个加热旋风筒中，将烟气加热至过热状态（保证烟气露点之上），然后烟气进入测量单元。测量单元使用前激光散射法，激光器发出的650 nm调试光束射向颗粒物,在测量单元内装有一个高度灵敏的探测器，用来检测粉尘颗粒散射光的强度，将光强度经过信号放大后传输至微处理器的测量单元进行测量，该单元为粉尘仪的控制及测量核心部件，经过测量单元分析从而得到粉尘浓度，并以4～20 mA信号输出至二次表等装置显示输出。此间种种措施消除了烟气中水分对粉尘信号的干扰，监测过后的尾气经采样探杆重新回流至到烟道中。抽取式粉尘仪结构如图1所示。

图1 FWE200结构原理

1.2 测量原理

FWE200的工作原理是散射光（向前散射）。该原理的灵敏度高，尤其适合测量低颗粒浓度场合。一个激光二极管使用可见光范围内的调制光照射测量气流中的粉尘颗粒。由粉尘颗粒散射的光波被一个极度敏感的检测器收集，经过电增强后，送至一个微处理器的测量通道中，该微处理器是测量、控制和评价电路板的中心部分。烟道中的测量体积由发射光束和接收孔之间的重叠来定义。其通过连续监测发射功率来采集发射光束的微小亮度变化。测量的反射光强度SL与粉尘浓度c成正比，但是散射光强度不仅与粉尘颗粒的数目和大小有关，还和它们的光学属性有关，所以该粉尘仪还加入重量法比对测量来对测量系统进行校正，从而实现粉尘浓度精确测量的功能。

根据重量法求出的校正系数cc0（常数）、cc1（一次项）和cc2（二次项）可以直接输入测量系统使用的公式中：

式中，SL为消光度；cc为修正系数；cc2为二次系数；cc1为线性系数；cc0为常数项。

FWE200的测量原理如图2所示。

图2 FWE200测量示意图

2 可靠性验证

为探究FWE200粉尘仪的测量数据可靠性与真实性，试用初期阶段联合具有相关资质的第三方检测机构，采用常规烟气粉尘采样并使用称重测量法，对粉尘仪进行了一次平行采样比较试验。人工手动采样和在线自动测量同步进行，通过数据分析比对，探究FWE200粉尘仪系统的准确性与可靠性。

2018年7月17日对比试验开始，第三方检测机构采用常规便携式颗粒物检测仪器，对1#焚烧炉烟气进行手动粉尘采样，每个标样采集时长约为30 min，共进行6次平行采样。专业检测机构对6个标样进行常规称重法分析，具体获得粉尘浓度结果如表1所示。计算可得，粉尘含量的总均值为 1.28 mg/m3。

在进行比对试验之前，FWE200抽取式粉尘仪实时数据已接入DCS，在第三方检测人员手动取样时，记录采样开始和结束时间，并从DCS中每分钟导出一个历史数据，进行累加取平均值，得到对应手动采样时的FWE200抽取式粉尘仪的测量数据，自动测量数据结果如表2所示。计算可得，自动测量结果的最终均值为1.39 mg/m3。

如图3所示，比较平行测量结果可知，手动取样化验的结果和FWE200自动粉尘仪对烟尘的测定结果差异不大，平均值绝对误差为0.05 mg/m3，相对误差为8.5%。

表1 手动采样化验结果

表2 自动测量结果

目前，最新版的烟气排放标准《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法》（HJ 76-2017）指出，颗粒物≤10 mg/m3， 仪器与参比方法测量结果平均值的绝对误差不超过±5 mg/m3视为合格，FWE200粉尘仪完全满足该技术要求。

图3 手自动比对柱状图

3 与后激光散射法粉尘仪对比

此次可靠性验证结合了一款传统的后激光散射法粉尘仪，其量程范围0～200 mg/Nm3。其实时粉尘测量数值也同步接入了DCS中，便于更为方便直观地进行结果比对。

通过试用期间对FWE200粉尘仪和后激光散射法粉尘仪历史趋势的分析可发现，FWE200粉尘仪具有测量数据低、对工况变化敏感度高、测量数据稳定性强等特点。

3.1 测量数据低

如图4所示，01曲线为后激光散射粉尘仪连续8 h的折算值历史趋势，02曲线为FWE200的同时段粉尘折算值历史趋势，FWE200粉尘仪小时均值为 1.8 mg/Nm3，后激光散射粉尘仪小时均值为3.5 mg/Nm3， 明显高于FWE200粉尘仪的测量结果。这一结果也从侧面证明了传统后激光散射粉尘仪的测量精度低，误差范围大，容易增加环保风险。

图4 测量结果对比1

3.2 对工况敏感度高

通过对历史趋势的分析，笔者发现，FWE200粉尘仪对工况变化敏感度很高，光大环保能源（南京）有限公司布袋除尘器在正常运行中投入自动吹灰模式，吹灰条件为每间隔一个小时或者布袋压差＞1 300 Pa，当布袋除尘器进行吹灰操作时，如图5所示，每个02曲线的波峰即为吹灰时间，抽取式粉尘仪FWE200能够快速响应布袋除尘器的工况变化，并且从粉尘测量值上精准快速反应，时间上和吹灰设定完全吻合，而后激光散射粉尘仪对吹灰操作无明显数据变化（01曲线），如图5所示。

3.3 数据稳定性强

对比后激光散射粉尘仪和抽取式粉尘仪FWE200可以很明显发现，前者的数据总是在频繁上下波动，曲线震荡严重，无法达到相对稳态，而FWE200曲线相对平缓，数据稳定性强，如图6所示。

图5 测量结果对比2

图6 测量结果对3

4 结论

近一个月的试用和对两款粉尘仪数据的分析结果表明，FWE200抽取式粉尘仪确实表现抢眼，数据稳定性强，敏感度高，测量精准，更能有效地反映排口的粉尘排放情况。但较普通粉尘仪，FWE200设备组件众多，安装要求高，后期维护量大，前期投入成本高，缺点也较为突出，对大规模推广使用势必带来一定的制约。