测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置及方法与流程

本发明属于环境监测技术领域，更具体地，涉及测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置及方法。

背景技术：

近年来燃煤电厂污染物的排放是环境监测的重点和热点，特别是电厂排放烟尘的质量浓度更是监测的重中之重，所以其测定方法的研究得到了更加充分的重视。基于各种原理的测定的方法很多，按照实时性可以主要分为两种：取样法和非取样法。

取样法又称过滤称重法，即利用采样嘴采集烟尘颗粒过滤称重后，根据采样点处的烟气流量计算浓度。取样法主要包括：预测流速法、静压平衡测速法、动压平衡测速法、皮托管平行测速法等。

取样法原理简单，技术规范成熟。但取样法的测量结果反映的是污染物瞬时的排放状态，为了实现排放总量的测量必须采用能够实现长期、连续的实时监测的非取样法。

非取样法是利用烟尘颗粒物与射线、光等作用后所产生的衰减、散射等现象来间接测量烟尘浓度的方法。非取样法主要有以下几种：

(1)林格曼黑度法

此方法是利用视觉方法对烟气黑度进行评价，分为几个不同等级，不同等级代表着烟气浓度的高低值，通过将观察所得黑度与林格曼黑度浓度图比较，得出烟尘浓度。这种方法人为误差大、测量精度低导致其无法提供可靠准确的监测数据。尤其是对粒径小、浓度低的颗粒物来说，黑度法的测量误差很大。

(2)β射线法

射线法利用滤纸对烟尘进行连续采样，β射线穿过滤纸上的烟尘颗粒时，其强度会衰减，通过测量射线前后衰减的强度可以计算出烟尘的质量。但这种方法需要滤纸上有一定颗粒的积累，不能做到实时显示。

(3)压电振动法

压电振动法是利用压电材料由于附上烟尘颗粒后质量改变引起压电振动频率改变的原理来测量烟尘浓度。该方法测量结果较为可靠。但需要先对烟尘进行过滤，测量结构较为复杂，也不适应现场恶劣的监测环境。

(4)全散射法

将激光发射器和激光接收器安装在烟道两侧，经严格对中后，激光经过烟尘后由于颗粒对光的散射和吸收，使得透射光强衰减。根据Lambert-Beer定律，透射光强与颗粒大小和浓度相关，从而可以根据透射光衰减程度确定烟尘的质量浓度。消光法原理简单、技术相对成熟，已经广泛用于工业烟囱监测，缺点是针对多分散系粉尘气溶胶，其浓度测量需要预知被测对象的平均粒径或者粒径分布，这对于实际电厂变化的工况，预知其烟尘颗粒粒径分布并不容易；烟尘浓度过低时，消光作用不明显，测量效果较差；

(5)角散射法

光散射法是根据一定波长的光照射到烟尘中时，烟尘颗粒对光的散射强度与烟尘颗粒浓度成正相关，通过测定某一立体角内的散射光强度，可以计算出烟道内颗粒物浓度。但光散射法的监测结果受被测对象的粒径分布影响较大，且重复性较差。

随着电厂污染物排放标准越来越严格，近年来我国提出了超净排放的标准，在此标准下要求电厂排放烟尘的浓度要低于10mg/Nm³，且排放的烟尘粒径几乎都在PM₁₀以下，粒径小于PM_2.5的颗粒更是占了绝大部分，故上述方法如黑度法在如此低的浓度下测量误差很大，取样法、β射线法等能满足精度的要求但不能实时监测，压力平衡法和压电法则是适应不了现场的恶劣的监测环境，如何对现场低浓度小粒径的颗粒进行实时精确的监测，是现在环保监测的重点和难点。

随着光学技术和仪器的发展，光学方法用于对粉尘浓度进行监测的运用也越来越多，目前利用光学进行浓度监测的方法主要有光角散射法，光全散射法，其中光全散射法因其原理简单，测量方便，对仪器设备的要求较低，测量范围较宽，测量结果重复性好等优点得到了广泛应用。

但在当今超净排放的背景下，光全散射法的应用也受到了极大的限制，现有的基于光全散射法测量装置都具有各自不可避免的缺点。主要是因为：一，电厂排放烟尘浓度较低时，根据全散射法的原理必须有足够的消光光程才能保证具有明显的消光值来保证测量的精度，如专利CN103018145A，一种新型的PM_2.5质量浓度实时监测装置与监测方法中，当粉尘浓度较低时，由于光程较短消光不足会导致结果精确度不够；二，电厂排放烟尘都是多分散系气溶胶，而要得到颗粒的质量浓度必须预先知道排放烟尘的粒径分布，这对于现场监测是不现实的，如专利CN103728229A，测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置及测量方法中，采用平均粒径代替未知粒径分布的方法对浓度进行计算，但由于消光时必然会存在误差，且此专利只采用三个波长来确定颗粒的平均粒径，只要有一个光信号在监测是出现较大误差势必导致难以正确的确定颗粒的平均粒径，而在颗粒浓度较低时平均颗粒的微小误差即会导致浓度监测失真，出现较大的误差，且仅给出颗粒的平均粒径也不足以描述这些颗粒系的特性，也不能满足实际需要。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置及方法，通过采用多光程反射样品池来增大消光光程，同时采用大范围光谱监测采用反演算法得到颗粒实时的粒径分布，大幅度减少了粒径替换时产生的误差，且本发明通过大范围连续多波长光信号对颗粒进行监测，也减弱了因个别光信号出现误差而导致整个监测结果出现失真的可能，而后积分得到粉尘的质量浓度，从而大幅度提高了测量精度，使之适用于当前超净排放下的粉尘浓度监测。

为实现上述目的，按照本发明，提供了测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的装置，其特征在于，包括光路单元、气路单元和电路控制单元，其中，

所述光路单元包括多波长连续白光激光器、激光准直仪、半反半透镜、第一可变光阑、第二可变光阑、第一光信号探头、第二光信号探头和光谱仪，所述气路单元包括气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，并且，

所述多波长连续白光激光器发出的激光经所述激光准直仪准直后射到所述半反半透镜，所述半反半透镜用于反射和透射准直后的激光，其中，反射的激光依次穿过所述第一可变光阑和聚焦透镜后被第一光信号探头接收，透射的激光穿过所述第二可变光阑后从所述长光程样品池的进口进入所述长光程样品池的内部，并在所述长光程样品池的内部经过多次反射后从所述长光程样品池的出口出来，然后再被所述第二光信号探头接收，所述第一光信号探头和第二光信号探头分别与所述光谱仪电连接；

所述气流干燥器依次连接所述气流干燥器、旋风分离器、进气缓冲腔、长光程样品池和真空泵，其中，所述气流干燥器用于干燥含尘气流，所述旋风分离器用于在含尘气流中选出设定粒径的粉尘进入所述长光程样品池，以便对各种不同粒径分布的粉尘进行监测；所述进气缓冲腔用于使经过旋风分离器的气流流动稳定，所述真空泵用于保持含尘气流的流动；

所述电路控制系统包括光电转换模块、数据编程换算模块和实时显示模块，其中，

所述光电转换模块用于将半反半透镜反射的激光信号转换为第一电信号，以作为激光器发出光强的基准值，以及将半反半透镜透射并且通过长光程样品池经过多次消光反射后的激光信号转换为第二电信号；

所述数据编程转换模块通过获得的光强信息分别对不同的波长进行差减得到各波长的消光信息，而后通过数据反演得出粉尘的粒径分布，在得到粒径分布后，积分计算得到粉尘的质量浓度；

所述实时显示模块用于将粉尘的粒径分布和质量浓度信息通过数表和图像的方式实时显示。

优选地，所述进气缓冲腔的入口布置有纱网，以便使含尘气流中的粉尘在气流中的分布更加均匀，从而提高测量的精度。

优选地，所述多光程样品池具有主镜和多块辅镜，以用于对激光进行多次反射，所述多光程样品池在对应于主镜和辅镜的位置布置有多个气幕，以用于向所述主镜和辅镜吹气。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种采用所述装置测量超低浓度烟尘的粒径分布和质量浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在长光程样品池内，单位体积内直径为D_i的颗粒数有N_i个并且这些颗粒作为一类颗粒，则入射光强I₀与出射光强I的关系为：

I₀为入射光强度，I为出射光强度，L为颗粒介质的厚度，ρ为单位体积内直径为D_i的颗粒物的密度，k_ext为消光系数，W_i为颗粒物的重量频率，λ_j表示入射光波长，m为折射率，k表示按照颗粒按直径分类后的分类数；

2)将式(1)写成矩阵形式：

E＝TW (2)

其中j＝1,2,3...n,i＝1,2,3...k,W＝(W₁,W₂,...W_k)^T，n对应不同波长入射光的数目，矩阵E中各元素均可通过测量获得，E_j为矩阵E的元素，为得到W矩阵的值，采用最优化方法，即建立如下的目标函数：

其中E_j^c是计算出的理论消光值，而E_j是实测值，用偏差F来衡量矩阵W的合理性，则目标函数F的最小值对应的一组W即为所求粉尘颗粒的粒径分布；

3)通过矩阵W拟合得到粉尘颗粒系的粒径分布N(D)后，由MIE散射理论模拟出各波长下的消光值E_j^c和K_ext，则可得到颗粒系的颗粒数目浓度：

以及体积浓度

其中，a和b分别表示颗粒粒径的上下界；

得到体积浓度后，则通过颗粒系密度ρ可得到被测粉尘颗粒系的质量浓度M_v＝ρC_v。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明采用大范围多波长激光器作为光源，通过反演算法得到颗粒系的粒径分布，大幅度的减少了现有平均粒径测量方法中由于用索太尔平均直径代替粒径分布带来的系统误差，同时也减少了平均粒径测量方法中由于消光偏差使确定下来的索太尔平均直径产生不可预测的偏差而造成的结果失真。

2)本发明的测量方法不仅提供了颗粒系的浓度信息，同时提供了颗粒系的粒径分布信息，更全面的描述了排放粉尘的特性，也更加满足实际测量时的需求

3)本发明采用长光程样品池作为监测腔，大幅度增加了消光光程，提高了测量设备的精度，减小了实验误差。

4)本发明采用光信号探头实时反馈激光器发出的光信号，可以避免激光器因温度等原因产生的光信号偏差，提高了测量的精度。

附图说明

图1为本发明同时测量烟尘中颗粒的粒径分布和质量浓度的装置的结构示意图；

图2为本发明多光程样品池光多次反射原理示意图；

图3为本发明所用二氧化硅颗粒消光系数随粒径变化的模拟值；

图4为本发明数据反演出的二氧化硅颗粒的粒径分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图4，如图1所示，一种同时监测气流中含尘颗粒的粒径分布及质量浓度的测量装置包括光路发射单元、光路调节单元、长光程样品池、光电转换单元及数据反演实时显示单元；

白光激光器1是一种能发出连续可见光范围波长的激光器，激光器发出的连续波在经过光源准直器2后通过半反半透镜3，透射光部分通过多光程样品池7的入光孔进入多光程样品池，反射部分光则依次通过可变光阑4、聚焦透镜5后被光信号探头6接收进入光谱仪9，以便对激光器的信号进行实时监测，以免因温度等因素造成的信号偏差而导致最后测量结果失真。

多光程样品池7的入气口前连接有气流干燥器11、旋风分离器12和气流缓冲腔13，本发明以二氧化硅的含尘气流进行说明，经气溶胶发生器发生出来的二氧化硅气流在经过干燥器11除去气流含水及其它杂质后进入旋风分离器12得到所需粒径分布的粉尘气流后，进入入口覆盖纱网的气流缓冲腔13减小气流扰动，使粉尘在气流中均匀分布，而后含尘气流从样品池7的入气孔进入样品池，在样品池7的出气孔后连接有真空泵14，真空泵14将通过样品池的气流由经出气孔抽出，在样品池7的两端镜片处设置气幕15、16，以便气流中的粉尘尽可能的通过样品池后从出气口排出而不落在两端镜片上，使镜片保持清洁；

透射部分的光信号在经由入光孔进入样品池7后在主镜和辅镜之间来回反射，其反射原理图如图2所示，光信号在反射过程中通过含尘气流，光强由于颗粒的吸收、散射等原因被不停衰减，最后被衰减的光信号由出光孔输出。

经样品池7出光孔输出的透射光在通过光信号探头8收集后与光信号探头6收集的反射光一同进入光谱仪9进行数据转换，通过数据反演得到二氧化硅颗粒系的粒径分布，再由MIE散射理模拟计算出二氧化硅颗粒不同粒径的消光系数，消光系数的模拟值如图3所示，再通过编程计算得到气流中二氧化硅颗粒的质量浓度，而后实时的粒径分布和质量浓度由实时显示模块10以数表和图像的形式表现出来。

本发明粉尘粒径分布及质量浓度的测量原理：

当一束平行光通过含有粉尘颗粒的介质时，由于颗粒的吸收、散射作用，通过介质的出射光强会产生一定程度的衰减，其衰减的程度与粉尘颗粒的质量浓度、粒径有关，衰减的程度可以用Lambert-Beer定律进行描述，出射光强I与入射光强I₀的关系为：

式中I/I₀称为消光值，k_ext为消光系数(Extinction Coefficient)，是入射光波长λ、被测颗粒直径D，颗粒相对周围介质的相对折射率m的函数，L为颗粒介质的厚度。N为颗粒系的颗粒数浓度。

在实际情况下，被测量的颗粒大多都是具有一定尺寸分布范围的多分散颗粒系，式(1)等式左边为测量值，现已有全散射法浓度测量装置多是用平均粒径来代替颗粒系的粒径分布，用索太尔平均直径D₃₂代入计算，这样理论上只需用三波长法测出颗粒系D₃₂直径即可，但是用D₃₂来代替粒径分布必然会带来系统误差，且当颗粒系中有大颗粒存在时误差会急剧增大，而且在消光的过程中也势必会产生误差，故三波长确定下来的D₃₂直径必然会产生不可预测的偏差，这都会导致质量浓度的监测结果出现失真的情况，为了提高测量的精度，本发明通过反演测出颗粒系的粒径分布代入计算，当颗粒系为多分散系时，式(1)的表达式为：

要得到粉尘颗粒的粒径分布则必须对式(2)进行求解，但这类方程目前还无法进行理论求解，本专利采用数值求解方式，即预先假定粉尘颗粒的粒径分布符合正态分布、双R分布等，然后计算该颗粒系在给定的多个波长下的消光值，理论上得到的消光值越多越好，这样反演出的粒径分布精度会更高，故本发明采用可见光内大范围连续多波长光信号，并将计算值和测量值比较，最后用最优化算法寻得使计算值和测量值的比值或者平方差最小的粒径分布函数。

其测量原理和方法如下：

设单位体积内直径为D_i的颗粒数有N_i个，则式(2)变为：

波长、m折射率，λ是波长；

用颗粒的重量频率W_i来表示N_i，则：

N_i＝6W_i/(πρD_i³) (4)

ρ是单位体积内直径为D_i的颗粒的密度，

代入式(3)则得到：

式(5)是在单一波长入射的过程中得到的，当使用多波长入射时，则可以得到一个方程组：

λ_j表示入射光中的波长,k表示按照直径将将颗粒进行分类的数量；

为表述方便，将式(6)写成矩阵形式：

E＝TW (7)

式中j＝1 23···n,i＝1 2 3···k,W＝(W₁,W₂,...W_k)^T。矩阵E中各元素均可测量，E_j为矩阵E的列向量，为得到W矩阵的值，采用最优化的方法，即建立如下的目标函数：

其中E_j^c是计算出的理论消光值，而E_j是实测值，用F来衡量矩阵W的合理性，则目标函数F的最小值对应的一组W即为所求粉尘颗粒的粒径分布。

通过矩阵W拟合得到粉尘颗粒系的粒径分布N(D)后，由MIE散射理论模拟出各波长下的消光值E_j^c和K_ext，则由式(2)即可得到颗粒系的颗粒数浓度：

以及体积浓度：

a和b表示颗粒粒径的上下界。

得到体积浓度后，则在已知颗粒系密度ρ时，即可得到被测粉尘颗粒系的质量浓度M_v＝ρC_v。

现以双R分布为例来二氧化硅颗粒系的粒径分布和质量浓度的计算步骤：

双R分布的具体表达式为：

式(11)中的两个参数为待定的两个参数，一旦确定了这两个值，那么颗粒系的粒径分布就已确定，为尺寸参数，其从总体上反映了颗粒系的尺寸大小，K则反映了颗粒系的反射程度，其值越大，颗粒系的单分散性越好，极限情况下当其值趋于无穷大时，颗粒系则为单分散系，由式(4)和(11)即可以得到任意尺寸[D_i,D_i+1]上的尺寸分布：

代入式(6)即可从理论上求出一组ln(I₀/I)，然后不断的调整即不断的来调整W_i的值，这样使式(8)中目标函数F值最小的那一组就是所求的最佳参数，再将最佳的这组参数代入式(11)后得到的就是颗粒系的粒径分布函数，反演计算出的二氧化硅颗粒系的粒径分布如图4所示，从图4中可以看出反演出的颗粒粒径分布与实际分布相比，在小粒径区域稍有差异，在大粒径区域拟合的则较好。

整体来说，相比现有测量装置来说，本发明通过反演计算得到的粒径分布基本接近实际分布，误差比较小，同时也避免了粒径平均算法测量装置中由于用索太尔平均直径代替粒径分布带来的系统误差，并且也减少了平均粒径测量方法中由于消光偏差使确定下来的索太尔平均直径产生不可预测的偏差而造成的结果失真，由此得到的颗粒系的浓度误差也较小，即本发明的测量装置监测值比起现已存在的测量装置精确度更高。

在得到颗粒系粒径的分布函数后，根据图3所示的根据MIE散射理论模拟出的二氧化硅颗粒的消光系数，通过编程积分计算后就可以通过式(9)、(10)得到颗粒的数目浓度和体积浓度，在得知颗粒的密度后就可以得到含尘气流中二氧化硅的质量浓度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。