烟尘和粉尘排放浓度的直接和连续测量
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neering , Shanghai 200093) Abstract :Based on the light scattering technique , an optical method is presented , which is distinguished by real time , fast , non2contact , in2 situ and continuous measurement , and is able to give directly the mass concentration in mgΠm3 and particle size of the smoke and dust. Experi2 mental studies show that the basic principle of this method is correct and the measurements are accurate. The results of measurements made in the stack of an industrial boiler are also given. Keywords :environmental pollution ; laser technique ; smoke ; dust ; emission concentration ; on2line measurement
生光的散射. 这时 ,透射光强度受到减弱 ,与此同时 ,在非入射光方向也产生了散射光. 理论研
究指出[4 ,5] ,在不相关的单散射条件下 ,上述入射光强度的减弱以及散射光的强度均与颗粒的
大小和数量 (即浓度) 有关 ,这就为它们的确定提供了一个依据和尺度.
设烟道的宽 (或直径) 为 L ,烟尘的平均粒径为 D ,
单位容积中的颗粒数为 N ,则烟尘的体积浓度 (即单
位容积中颗粒相的体积 ,以百分数表示) 和质量浓度
(即单位容积中颗粒相的质量 ,以 gΠm3 或 mgΠm3 表示)
相应为
图 1 光散射法测量原理图 Fig. 1 Schematic diagram of light scattering method
第 21 卷第 6 期 2001 年 11 月
环 境 科 学 学 报 ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE
文章编号 :025322468 (2001)20620679205 中图分类wk.baidu.com :X83012 文献标识码 :A
Vol. 21 ,No. 6 Nov. ,2001
4 6110 9178 15140 19171
5 4186 10135 15157 19169
平均值 5132 9155 15151 19166
偏差 717 % 315 % 512 % 419 %
国家标准物质中心提供的标准颗粒为球性 ,且有着几乎完全相同大小的粒径 (称之为单分 散性颗粒) . 实际上 ,工业性 (烟尘和粉尘) 颗粒绝大多数为多分散性 ,其粒径有一定的分散范 围 ,且为非球形. 本方法对多分散 、非球形颗粒是否仍能给出准确可靠的测量也是需要验证的. 表 2 中给出了对上海杨树浦电厂采集的烟尘颗粒和市场上购买的滑石粉 2 种工业样品的各 5 次测量结果 ,并将测量结果与另一台目前在粉体工程中得到十分广泛应用的 FAM 激光测粒仪 的测量结果进行了对比 ,二者相差为 416 % 和 10 %. 表明了对多分散 、非球形颗粒的平均粒径 也能给出满意的测量结果 ,且同样有着很好的重复性.
Direct and continuous measuring the emission mass concentration of
smoke and dust
WANG Naining , YU Xianhuang , ZHU Xiaocheng (University of Shanghai for Science and Technology , College of Power Engi2
4 实验研究和测量结果
411 静态试验 静态试验的目的是对测量原理的正确性以及测量结果的准确性进行验证和评价. 采用的
方法是对国家标准物质研究中心认定的 、已知粒径大小的标准颗粒进行测量 ,并将测量结果与 认定值 (或名义直径) 进行对比 ,二者是否吻合一致. 试验时 ,将盛有标准颗粒试样悬浮液的玻 璃样品池置于所研制测量装置的测量区中 ,受到激光照射后 ,采集消光值 IΠIo 以及二个立体 角内的散射光能 F1 和 F2 ,按上述方法进行数据处理后求得试样的粒径.
(4)
式 (3) 或式 (4) 中的平均粒径 D 可以通过对二个立体角θ1Πθ2 和 θ′1Πθ′2 内的散射光通量 F1 和
F2 的测量得到[6] :
∫ F1
=
πIo N 2
D2
θ 2
θ
J
2 1
(
X)
sinθ
dθ
(5)
1
∫ F2
=
πIo N 2
D2
θ′ 2
θ′
J
2 1
(
X)
sinθ
dθ
(6)
1
式中 J1 为一阶贝塞尔 (Bessel) 函数 ,无因次参量 X =πDsinθΠλ,二式相除化简后得
① 标准物质测量材料物性的计量标准 (国家技术监督局国家标准物质研究中心粒度组编) 11989
682
环 境 科 学 学 报
21 卷
No . 烟尘 滑石粉
1 16155 13122
表 2 多分散性颗粒的测量结果(μm) Table 2 Results of measurements for polydispersed particles(μm)
1 引言
我国是产煤大国 ,在总的能源构成中 ,煤炭约占 75 %左右 ,这一状况在今后相当长的时间 内不会有根本性的改变. 大量煤炭的直接燃烧决定了我国大气呈煤烟型污染 ,许多城市中的总 颗粒悬浮物 ( Total Suspended Particles , TSP) 长期居高不下 ,与世界卫生组织给出的空气质量标 准相去甚远. 北京 、上海 、广州 、沈阳等地被列为世界十大污染最严重城市之列 ,一定程度上制 约了我国国民经济的可持续发展. 近年来 ,虽经各级政府努力 ,但收效不甚明显 ,空气质量恶化 的趋势并未得到有效的控制. 不久前 ,我国政府颁布实施了“污染物排放总量控制”的重大战略 方针 ,力争在 2000 年以前 ,分别把工业粉尘和烟尘的排放量控制在 700 万 t 和 1400 万 t 以 内[1] ,还将逐步实行由“超标排放罚款”到“排污收费”的转变 ,这些政策的实施都要求能对每个 污染排放源的排放量进行可靠 、有效的测量. 目前 ,虽然已有几种测量方法 ,并在生产实践中得 到不同程度的应用 ,如林格曼黑度法 ,抽气取样称重法 ,浊度法等[2] ,但它们都存在这样或那样 的缺点和不足 ,难以满足上面提出的对环境检测的新要求. 本文提出的激光光散射法可以直接 给出以 mgΠm3 计的烟尘和粉尘的排放浓度和粒径大小 ,具有实时快速 、非接触 、在线 、无需取 样 ,连续测量等突出优点 , 并由计算机记录和贮存全部测量结果 ,为污染源排放总量的确定提 供了依据.
名义直径 4191 9188 16132 20162
1 4184 8136 15149 19180
表 1 4 种标准颗粒的测量结果(μm) Table 1 Results of measurements for 4 SRM(μm)
2 6102 9136 15154 19158
3 4179 9191 15154 19154
2 17178 12169
3 17108 12198
4 17153 12151
5 16190 12156
平均值 17116 12180
FAM 16136 11149
偏差 416 % 1010 %
412 动态试验
在静态试验验证了本方法测量原理的正确性 ,以及测量结果的准确性之后 ,又进行了动态
试验 ,动态试验的目的是检验所研制的测量装置的可用性 ,是否能对流动状态下的烟尘或粉尘
Cv = πD3 NΠ6
(1)
Cg = πD3 NρΠ6
(2)
式中 ρ为烟尘的密度. 当烟尘直径大于 2 —3μm 时 ,穿
过烟道后光束强度的减弱可以用入射光强度 Io 和透射光强度 I 的比值 (称消光值) IΠIo 表
示[6]
ln ( Io ) = 3 Cg L
(3)
I
Dρ
或
ln
(
Io I
)
=
3 Cv L D
681
形尺寸较小 ,呈细长杆状 ,便于携带 ,能插入烟道中直接对烟尘或粉尘排放浓度和平均粒径进 行实时 、在线和连续测量的装置. 装置的测量区长度为 210 mm ,增大或减小测量区的长度可以 适应不同排放浓度测量的要求. 浓度较稀时 ,应加大测量区的长度 ;反之 ,浓度较浓时 ,可减小 测量区的长度. 一微型半导体激光器直接安装在测量装置的前端 ,其波长为 016740μm , 额定 功率为 2 mW. 光束沿轴向穿过测量区时与横向流过的气流相交 ,在气流中颗粒群的作用下产 生了光散射 ,所有散射光的信号经采光透镜接收后 ,均由电缆线引出 ,使之在远离高温烟气的 正常温度下 ,由电子元器件和电子计算机接收和进行数据处理 ,并记录贮存全部测量结果. 为 保证测量装置插入高温烟道中能正常工作 ,需采用有效的冷却措施 ,以及防止烟尘或粉尘颗粒 对光学元器件表面的玷污.
烟尘和粉尘排放浓度的直接和连续测量
王乃宁 ,虞先煌 ,竺晓程 (上海理工大学动力工程学院 ,上海 200093)
摘要 :以激光为光源 、由计算机操纵和控制的光散射法具有实时快速 、非接触 、在线 、无需取样和连续测量的优点 ,能直接给 出烟尘和粉尘的排放浓度和粒径大小. 在一台工业锅炉高温烟气中对烟尘排放浓度和粒径大小的现场热态实测结果表明 , 测量结果是准确和可靠的. 关键词 :环境污染 ;激光测量 ;烟尘 ;粉尘 ;排放浓度 ;在线测量
收稿日期 :2000208228 ;修订日期 :2001205224 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (批准号 :59778017) 作者简介 :王乃宁 (1931 —) ,男 ,教授 (博士生导师)
680
环 境 科 学 学 报
21 卷
2 基本原理和方法
图 1 为测量原理图[3] . 来自激光器的光束穿过烟道 ,与烟道中的烟尘或粉尘颗粒相遇 ,产
颗粒的浓度和粒径进行测量 ,以及测量结果的准确性如何. 试验是在实验室内的气2固两相流
试验台架上进行的[8] ,试验中选用的试样即为上
海杨树浦电厂烟道中采集到的烟尘 ,它的平均粒 径在试验之前已由激光测粒仪测定为 16136μm
(参见表 2) .
试验时 ,启动风机 ,达到稳定后 ,再把事先准
备好的 、已知体积或质量的烟尘试样由加料口均
目前 ,国家标准物质研究中心只能提供二级商用性标准颗粒 ,其粒径的认定值 (或名义直 径) 有 ±8 %的差异 ,精度更高的一级标准颗粒尚不能生产 ①. 表 1 中给出了对 4 种名义直径分 别为 4191μm , 9188μm ,16132μm 和 20162μm 标准颗粒的各 5 次测量结果. 由表可知 ,测量值与 名义直径的偏差均不超过国家标准物质研究中心认定的 ±8 %范围 ,测量结果是准确的 ,且有 着很好的测量重复性.
以按式 (7) 确定颗粒的平均粒径 D ,代入式 (3) 或式 (4) 后 ,可进一步按消光测量值 IΠIo 求得颗
粒的体积浓度 Cv或质量浓度 Cg .
3 测量装置研制
在以上理论分析的基础上 , 研制了一台以半导体激光器为光源 ,由计算机操纵和控制 ,外
6期
王乃宁等 :烟尘和粉尘排放浓度的直接和连续测量
匀加入 ,这样 ,即在管道中得到一已知体积浓度
或质量浓度和平均粒径的烟尘气流 ,供测量检验
R=
F2 F1
∫θ′ 2 θ′
J
2 1
(
X)
sinθ
dθ
∫ =
1
θ 2
θ
J
2 1
(
X)
sinθ
dθ
(7)
1
上式右边的积分项当二个立体角θ1Πθ2 和θ′1Πθ′2 的数值给定 ,以及波长 λ已知的条件下 ,仅为
颗粒平均粒径 D 的函数[7 ,8] . 综上可知 ,根据二个立体角内散射光通量 F1 和 F2 的测量值 ,可
生光的散射. 这时 ,透射光强度受到减弱 ,与此同时 ,在非入射光方向也产生了散射光. 理论研
究指出[4 ,5] ,在不相关的单散射条件下 ,上述入射光强度的减弱以及散射光的强度均与颗粒的
大小和数量 (即浓度) 有关 ,这就为它们的确定提供了一个依据和尺度.
设烟道的宽 (或直径) 为 L ,烟尘的平均粒径为 D ,
单位容积中的颗粒数为 N ,则烟尘的体积浓度 (即单
位容积中颗粒相的体积 ,以百分数表示) 和质量浓度
(即单位容积中颗粒相的质量 ,以 gΠm3 或 mgΠm3 表示)
相应为
图 1 光散射法测量原理图 Fig. 1 Schematic diagram of light scattering method
第 21 卷第 6 期 2001 年 11 月
环 境 科 学 学 报 ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE
文章编号 :025322468 (2001)20620679205 中图分类wk.baidu.com :X83012 文献标识码 :A
Vol. 21 ,No. 6 Nov. ,2001
4 6110 9178 15140 19171
5 4186 10135 15157 19169
平均值 5132 9155 15151 19166
偏差 717 % 315 % 512 % 419 %
国家标准物质中心提供的标准颗粒为球性 ,且有着几乎完全相同大小的粒径 (称之为单分 散性颗粒) . 实际上 ,工业性 (烟尘和粉尘) 颗粒绝大多数为多分散性 ,其粒径有一定的分散范 围 ,且为非球形. 本方法对多分散 、非球形颗粒是否仍能给出准确可靠的测量也是需要验证的. 表 2 中给出了对上海杨树浦电厂采集的烟尘颗粒和市场上购买的滑石粉 2 种工业样品的各 5 次测量结果 ,并将测量结果与另一台目前在粉体工程中得到十分广泛应用的 FAM 激光测粒仪 的测量结果进行了对比 ,二者相差为 416 % 和 10 %. 表明了对多分散 、非球形颗粒的平均粒径 也能给出满意的测量结果 ,且同样有着很好的重复性.
Direct and continuous measuring the emission mass concentration of
smoke and dust
WANG Naining , YU Xianhuang , ZHU Xiaocheng (University of Shanghai for Science and Technology , College of Power Engi2
4 实验研究和测量结果
411 静态试验 静态试验的目的是对测量原理的正确性以及测量结果的准确性进行验证和评价. 采用的
方法是对国家标准物质研究中心认定的 、已知粒径大小的标准颗粒进行测量 ,并将测量结果与 认定值 (或名义直径) 进行对比 ,二者是否吻合一致. 试验时 ,将盛有标准颗粒试样悬浮液的玻 璃样品池置于所研制测量装置的测量区中 ,受到激光照射后 ,采集消光值 IΠIo 以及二个立体 角内的散射光能 F1 和 F2 ,按上述方法进行数据处理后求得试样的粒径.
(4)
式 (3) 或式 (4) 中的平均粒径 D 可以通过对二个立体角θ1Πθ2 和 θ′1Πθ′2 内的散射光通量 F1 和
F2 的测量得到[6] :
∫ F1
=
πIo N 2
D2
θ 2
θ
J
2 1
(
X)
sinθ
dθ
(5)
1
∫ F2
=
πIo N 2
D2
θ′ 2
θ′
J
2 1
(
X)
sinθ
dθ
(6)
1
式中 J1 为一阶贝塞尔 (Bessel) 函数 ,无因次参量 X =πDsinθΠλ,二式相除化简后得
① 标准物质测量材料物性的计量标准 (国家技术监督局国家标准物质研究中心粒度组编) 11989
682
环 境 科 学 学 报
21 卷
No . 烟尘 滑石粉
1 16155 13122
表 2 多分散性颗粒的测量结果(μm) Table 2 Results of measurements for polydispersed particles(μm)
1 引言
我国是产煤大国 ,在总的能源构成中 ,煤炭约占 75 %左右 ,这一状况在今后相当长的时间 内不会有根本性的改变. 大量煤炭的直接燃烧决定了我国大气呈煤烟型污染 ,许多城市中的总 颗粒悬浮物 ( Total Suspended Particles , TSP) 长期居高不下 ,与世界卫生组织给出的空气质量标 准相去甚远. 北京 、上海 、广州 、沈阳等地被列为世界十大污染最严重城市之列 ,一定程度上制 约了我国国民经济的可持续发展. 近年来 ,虽经各级政府努力 ,但收效不甚明显 ,空气质量恶化 的趋势并未得到有效的控制. 不久前 ,我国政府颁布实施了“污染物排放总量控制”的重大战略 方针 ,力争在 2000 年以前 ,分别把工业粉尘和烟尘的排放量控制在 700 万 t 和 1400 万 t 以 内[1] ,还将逐步实行由“超标排放罚款”到“排污收费”的转变 ,这些政策的实施都要求能对每个 污染排放源的排放量进行可靠 、有效的测量. 目前 ,虽然已有几种测量方法 ,并在生产实践中得 到不同程度的应用 ,如林格曼黑度法 ,抽气取样称重法 ,浊度法等[2] ,但它们都存在这样或那样 的缺点和不足 ,难以满足上面提出的对环境检测的新要求. 本文提出的激光光散射法可以直接 给出以 mgΠm3 计的烟尘和粉尘的排放浓度和粒径大小 ,具有实时快速 、非接触 、在线 、无需取 样 ,连续测量等突出优点 , 并由计算机记录和贮存全部测量结果 ,为污染源排放总量的确定提 供了依据.
名义直径 4191 9188 16132 20162
1 4184 8136 15149 19180
表 1 4 种标准颗粒的测量结果(μm) Table 1 Results of measurements for 4 SRM(μm)
2 6102 9136 15154 19158
3 4179 9191 15154 19154
2 17178 12169
3 17108 12198
4 17153 12151
5 16190 12156
平均值 17116 12180
FAM 16136 11149
偏差 416 % 1010 %
412 动态试验
在静态试验验证了本方法测量原理的正确性 ,以及测量结果的准确性之后 ,又进行了动态
试验 ,动态试验的目的是检验所研制的测量装置的可用性 ,是否能对流动状态下的烟尘或粉尘
Cv = πD3 NΠ6
(1)
Cg = πD3 NρΠ6
(2)
式中 ρ为烟尘的密度. 当烟尘直径大于 2 —3μm 时 ,穿
过烟道后光束强度的减弱可以用入射光强度 Io 和透射光强度 I 的比值 (称消光值) IΠIo 表
示[6]
ln ( Io ) = 3 Cg L
(3)
I
Dρ
或
ln
(
Io I
)
=
3 Cv L D
681
形尺寸较小 ,呈细长杆状 ,便于携带 ,能插入烟道中直接对烟尘或粉尘排放浓度和平均粒径进 行实时 、在线和连续测量的装置. 装置的测量区长度为 210 mm ,增大或减小测量区的长度可以 适应不同排放浓度测量的要求. 浓度较稀时 ,应加大测量区的长度 ;反之 ,浓度较浓时 ,可减小 测量区的长度. 一微型半导体激光器直接安装在测量装置的前端 ,其波长为 016740μm , 额定 功率为 2 mW. 光束沿轴向穿过测量区时与横向流过的气流相交 ,在气流中颗粒群的作用下产 生了光散射 ,所有散射光的信号经采光透镜接收后 ,均由电缆线引出 ,使之在远离高温烟气的 正常温度下 ,由电子元器件和电子计算机接收和进行数据处理 ,并记录贮存全部测量结果. 为 保证测量装置插入高温烟道中能正常工作 ,需采用有效的冷却措施 ,以及防止烟尘或粉尘颗粒 对光学元器件表面的玷污.
烟尘和粉尘排放浓度的直接和连续测量
王乃宁 ,虞先煌 ,竺晓程 (上海理工大学动力工程学院 ,上海 200093)
摘要 :以激光为光源 、由计算机操纵和控制的光散射法具有实时快速 、非接触 、在线 、无需取样和连续测量的优点 ,能直接给 出烟尘和粉尘的排放浓度和粒径大小. 在一台工业锅炉高温烟气中对烟尘排放浓度和粒径大小的现场热态实测结果表明 , 测量结果是准确和可靠的. 关键词 :环境污染 ;激光测量 ;烟尘 ;粉尘 ;排放浓度 ;在线测量
收稿日期 :2000208228 ;修订日期 :2001205224 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (批准号 :59778017) 作者简介 :王乃宁 (1931 —) ,男 ,教授 (博士生导师)
680
环 境 科 学 学 报
21 卷
2 基本原理和方法
图 1 为测量原理图[3] . 来自激光器的光束穿过烟道 ,与烟道中的烟尘或粉尘颗粒相遇 ,产
颗粒的浓度和粒径进行测量 ,以及测量结果的准确性如何. 试验是在实验室内的气2固两相流
试验台架上进行的[8] ,试验中选用的试样即为上
海杨树浦电厂烟道中采集到的烟尘 ,它的平均粒 径在试验之前已由激光测粒仪测定为 16136μm
(参见表 2) .
试验时 ,启动风机 ,达到稳定后 ,再把事先准
备好的 、已知体积或质量的烟尘试样由加料口均
目前 ,国家标准物质研究中心只能提供二级商用性标准颗粒 ,其粒径的认定值 (或名义直 径) 有 ±8 %的差异 ,精度更高的一级标准颗粒尚不能生产 ①. 表 1 中给出了对 4 种名义直径分 别为 4191μm , 9188μm ,16132μm 和 20162μm 标准颗粒的各 5 次测量结果. 由表可知 ,测量值与 名义直径的偏差均不超过国家标准物质研究中心认定的 ±8 %范围 ,测量结果是准确的 ,且有 着很好的测量重复性.
以按式 (7) 确定颗粒的平均粒径 D ,代入式 (3) 或式 (4) 后 ,可进一步按消光测量值 IΠIo 求得颗
粒的体积浓度 Cv或质量浓度 Cg .
3 测量装置研制
在以上理论分析的基础上 , 研制了一台以半导体激光器为光源 ,由计算机操纵和控制 ,外
6期
王乃宁等 :烟尘和粉尘排放浓度的直接和连续测量
匀加入 ,这样 ,即在管道中得到一已知体积浓度
或质量浓度和平均粒径的烟尘气流 ,供测量检验
R=
F2 F1
∫θ′ 2 θ′
J
2 1
(
X)
sinθ
dθ
∫ =
1
θ 2
θ
J
2 1
(
X)
sinθ
dθ
(7)
1
上式右边的积分项当二个立体角θ1Πθ2 和θ′1Πθ′2 的数值给定 ,以及波长 λ已知的条件下 ,仅为
颗粒平均粒径 D 的函数[7 ,8] . 综上可知 ,根据二个立体角内散射光通量 F1 和 F2 的测量值 ,可