（光学专业论文）激光在线测量技术在静电除尘系统中的应用.pdf

摘蓥 摘要 对秦皇岛煤码头翻车机房进行实地测量，设计制造了试验模拟装置。观察 翻卸作、比起尘与收尘的物理过程，描绘起尘量与收尘量之间的变化规律。检验了 高压静电除尘器的1 作性能。在此基础上提出了秦皇岛煤码头翻车机房粉尘综合 治理方案。 激光在线实时粉尘浓度监测系统，对于高压静电除尘系统的优化控制起着 至关重要的作用。本文结合静电除尘控制系统对激光在线实r l - 粉尘浓度ir t 、- , ；f i l l 。l 系统 的实现方法，工作性能技术指标进行了 r - ：7 i t i 的分析和探讨。并对整个系统的优化 控制，进一步提高高压静电除尘器的安企性、可靠性、等- i 哲标进行了全嘶的改进 设计。 关键词高压静电除尘；激光；在线测量；浓度；实时调控 a b s t r a c t i no r d e rt 。o b s e r v ep r o c e s sa n ds t u d yt h er u l eo fp r o d u c i n g a n dc o l l e c t i n gd u s t ， a n dt os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fh i g h - v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cd u s t c o l l e c t i n gs y s t e m ，a s e to fa n a l o gd e v i c ei sd e s i g n e db a s e do no n - s i t em e a s u r ef o rw o r k s h o p o fu n l o a d i n g c o a lo fq i n gh n a n g d a op o r t af e a s i b l ep r o g r a m i sp u tf o r w a r d t h i sn a p e ri n t r o d u c e s ap r o j e c to fs u p p l y i n go n l i n el a s e rm o n i t o r i n t o h i 血- v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cd u s t - c o l l e c t i n gs y s t e m r e a l t i m e m o n i t o rt h e u o n ”g s t a t u so rd u s t c o l l e c t i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gd e n s i t y 、p a r t i c l es i z e 、t e m p e r a t u 。、 h u m i d i t ya n ds oo n d e s i g n e da s e to fm o n i t o rs y s t e mt or e a l i z et h er e a l - t i m ec o n t r o l o fd u s t c o l l e c t i n gs y s t e m t h es e c u r i t yp e r f o r m a n c ea n d a u t o m a t i o no fh i g h - v o l t a g e e l e c t r o s t a t i cd u s t c o l l e c t i n gs y s t e ma r ei m p r o v e d k e yw o r d sh i g h - v o l t a g e e l e c l r o s t a t i cd u s t c o l l e c t i n g ；l a s e r ；o n l i n em o “i t 0 d e n s i t y ；r e a l t i m ec o n t r o l 1 i 刚茜 作为一种高效率的工业环保手段，高压静电除尘技术已广泛应用于含尘废气 治理、气固分离、粉状物料回收等各个领域( 如冶金、有色金属、电力、化工、建 材行业) 。电除尘技术经过近一个世纪的发展已经取得了很多成果，其基础理论 的研究已经比较成熟，但是具有针对性的应用技术开发还需要进一步的深入研究。 改进高压静电除尘器的安全性能、提升系统的自动化水平、提高除尘效率是同前 电除尘技术的发展主流。在设计完成了钏划秦皇岛港煤码头翻车机房的模拟试验 装置的基础上，进一步提出建立一套精确监控系统的的研究思路。 对于除尘系统来说，能否及时监测系统的工作状态( 包括箱体内工作对象的 浓度、粒径、温度、湿度等) 具有重要的意义，工作状态参数的及时获取是设备 安全运转的基本保证，也是实现除尘系统自动化的先决条件。其中粉尘浓度作为 除尘系统的重要参数，在保证系统安全运行、监测系统运行状态，检验除尘效率 方面有熏要的意义。传统的采样浓度测试方法由于技术地限制，很难实现在线实 h , j - n 量。 本论文将激光在线浓度测量技术应用到除尘器监控系统中，实时采集除尘箱 体内粉尘浓度的变化信号。实现对除尘系统内的粉尘特性的动态跟踪，进而实现 对整个系统的j 一作状态的动态调整，确保系统的工作安全，提高工作效率。 河北大学理学硕+ 学位论史 第1 章翻车机房煤尘治理方案模拟试验 1 1 试验背景 秦皇岛是中国北方重要的港口城市，秦皇岛港是中国北方天然不冻良港，以能 源输出为主仅秦皇岛第二港务公司年煤炭输出量就达3 0 0 0 万吨以上煤碳装卸业 务产生可观经济效益的同时也带来了严重的环境污染，煤尘污染使大气的t s p ( 总 悬浮微粒) 严重超标，极大地影响了城市的空气质量，成为制约这一港口城市可持 续发展的重要因素 图卜l 所示为二公司范围内煤尘污染情况及河东范围内煤尘污染情况，如就 煤转运过程来讲，各个转运点均产生大量的粉尘，但翻车机房是煤尘形成的源头。 从中可以看到翻车机房煤尘污染对大气环境影响的严重性。从更广泛的角度看， 据实际测量，每年飘散到大气中的煤尘约为4 5 0 0 吨。这些煤尘在风速3 5 m s ， 湿度为5 0 ，大气稳定性为弱不稳定性( 温度梯度小于或等于零) 时，约有4 0 粒径人于5 0 微米的煤尘，沉降到距翻车机房约1 5 0 0 米以内，剩下的6 0 粒径 小于5 0 微米的煤尘扩散到更大的范围内，也就是说每年有约4 5 0 0 吨煤尘扩散到 市区内。这部分煤尘由于粒径小于5 0 微米，甚至小于l o 微米，可长期飘散在大 气中。 随着经济和社会的快速发展，特别是中国加入wto 以及2 0 0 8 年北京奥运会 足球分赛场在秦阜岛的设立，秦皇岛市委、市政府对环境保护与城市环境建设给予 了极大的关注，决定对秦皇岛港第二港务局煤码头翻车机房进行粉尘污染综合治 理秦皂岛第一港务公司委托河北火学承担该项目的总体规划设计仅单个翻车机 房工程投资预计将达1 0 0 0 多万元河北大学静电研究所牵头正式成立课题组立 项进行“翻车机房煤尘治理方案的叫行性研究”( 简称qfy ) 课题组测试人员进 入现场进行伞面调查，经过测试、观察、整理及分析，并多次召开项目讨论会反复 论证，提出“秦皇岛港第二港务公司翻车机房煤尘污染治理可行性方案研究报告”。 第1 章删午机房煤尘治理方案模拟试验 割车机房与卸车二队降尘分析图 二公司与河东大气尢气降尘丹析图 年竹 十翻车机房+ 卸车= 队 隼褂 + 二公司大气降尘圈线+ 河东大气降尘图线 图卜1 煤尘大气泻染分析图 1 2 模拟试验 为了验证可行性报告，课题小组按照秦阜岛港第二港务公司翻车机房的实际 工况，按l o ：l 的比例缩小制作了模拟试验装置，用煤码头实地采集的榆林混、山 末煤粉样品进行试验模拟。 1 2 1 模拟试验的目的 试验主要观察模拟翻卸作业起尘与收尘的物理过程，并描绘起尘量与收尘量 之间的变化规律即： ( 1 ) 、翻车机房作、l k 时煤尘总量与收尘量之间的关系； ( 2 ) 、 风量与收尘量的关系； ( 3 ) 、 吸风罩在不同点对收尘的影响； ( 4 ) 、 导流板的影响； ( 5 ) 、t s p 值分析。 ( 6 ) 、煤粉尘粒径质量分布 第一阶段主要是t s p 值分析、收尘量初步研究。主要为定性观察分析及数据 分析。吸风罩问题及风量与收尘量的关系验证为第二阶段工作。 1 2 2 模拟试验装置 模拟装置为4 部分组成： ( 1 ) 、 模拟翻车机装置。以实际设备的1 1 0 制作，由人工翻卸；( 包 括提升装置) 呻帅w帅加坤o 藿q、f y , l i l 大学理学碗。i 学位论文 ( 2 ) 、l l 叟尘装置由静电收尘模拟装置和夼袋模拟装置二种，以便比较。 ( 3 ) 、 吸尘输送系统； ( 4 ) 、模拟监视系统。 试验装置如图l2 ： 圈12 刹车机房模拟静电酴尘装置 1 、翻卸车，2 、上封闭车间模拟空间，3 、溜槽，4 、接煤小车 5 、管道，6 、布袋管道，7 、静电除尘器，8 、风机，9 检测口 10 、观察标记。m 为粉尘检测点，a 为粉尘浓度检测点。 12 3 模拟试验方法 ( 1 ) 、 模拟试验描述的变化规律及趋向是一种非线性量变，不能按l l y ，, j 放大参 数。在试验的试样及模拟装置的丁况下进行试验可以对实际煤炭及实际翻车机作 业进行各参数之间关系的描述，具有预见性，指导性； ( 2 ) 、模拟装置按1 l0 设计。煤试样选用山末、榆林混及纯煤尘。为说明可能 出现的最恶劣工况，对山术和榆林混进干筛选，较大体积的煤块不在试样。h 即 试样为实际煤炭中煤末。 ( 3 ) 、第一阶段主要采用秤量法，直接称量，用分度值为1 9 的电子秤为计量 工具，用01 电子秤计量t s p 值； 用标准筛分析粒径质量，在大气污染治理中关心的是t s p 值。用15 0 目 ( 0l m m ) 标准筛人工筛选。电由于关心总量的收集，采用1 6 目( 1 n l m ) 筛进行 人j i 筛选。 1 2 4 模拟试验的数据 1 、用榆林混煤粉样品进行翻车收尘试验。试验结果见表1 1 、1 2 筇l 幸翻车机房煤尘浩弹方案模拟试验 表1 1榆林混翻卸收尘试验结果 序寸12345累汁 翻卸前( g )2 2 9 9 02 5 2 8 92 2 9 9 02 2 9 9 02 2 9 9 01 1 7 2 4 9 翻卸后( g ) 2 2 5 9 42 4 8 9 02 2 6 5 7 2 2 5 8 52 2 6 2 41 1 5 3 0 扬尘( g )3 9 63 9 9 3 3 34 0 53 6 61 8 9 9 收集煤尘( g ) 1 7 0 5 所收尘中粒径大丁 0 0 ，5 m m ( g ) 所收尘c p 粒径 2 5 0 o5 r a m 一0l m m ( 9 1 所啦尘中粒径小1 - 1 4 5 5 0 1 m m ( g ) 日； | j ：5 月1 9 日温度：2 4 相对湿度：4 1 翻车时间：1 0 s 一1 2 s 工作电压：56 万伏 表1 2榆林混翻卸收尘试验结果 序学12345累计 翻卸前( g ) 2 2 9 9 02 5 0 0 02 5 0 0 02 5 0 0 02 5 0 0 0 1 2 5 0 0 0 删卸后( g ) 2 2 6 5 42 4 6 2 72 4 5 9 l2 4 6 5 0 2 4 6 8 91 2 i 2 2 0 扬二i 二( g ) 3 3 63 7 34 0 93 5 03 0 21 7 7 0 收集煤尘( g ) 1 5 5 5 所收尘中粘径大丁 o 0 5 m m ( g ) 所收尘中粒径 2 4 9 05 m m 一0 1 r a m ( g ) 所收尘中粒径小1 j 1 3 0 6 0 i m m ( g ) 日期：5 月2 0 目温度：2 4 。c 相对湿度：6 0 翻车时间：1 0 s 1 2 s 工作电压：56 万伏 2 、用山末煤粉样品进行翻车收尘试验。试验结果见表1 3 、1 - - 4 表1 3 山末翻卸收尘试验结果 序号l234 5累汁 删卸前( g ) 2 5 0 0 02 5 0 0 02 5 0 0 02 5 0 0 02 5 0 0 01 2 5 0 0 0 翻卸后( g ) 2 4 5 0 42 4 5 0 52 4 5 7 12 4 5 5 62 4 4 8 81 2 2 6 2 8 扬尘( g ) 4 9 64 9 1 4 2 94 4 45 1 22 3 7 2 收集煤尘( g )1 6 9 6 所收尘中粒径大于 0 05 m m ( 9 1 所收尘中粒径 1 2 4 05 r a m - o1 r a m ( 卫) 所收屯中粒径小于 1 5 7 2 01r n m ( g ) 日删：5 川2 1 日温度：2 4 相对湿度：5 1 翻印时f 刚：1 0 s 】2 st 作电压：4 2 刀伏 表1 4 山末翻卸收尘试验结果 序号l2345累计 翻卸前( g ) 2 5 0 0 02 5 0 0 02 5 0 0 02 5 9 0 02 5 0 0 01 2 5 0 0 0 翻卸后( g ) 2 4 6 3 22 4 5 0 52 4 5 0 32 4 4 4 82 4 4 1 91 2 2 5 0 7 扬尘( g ) 3 6 84 9 54 9 75 5 25 8 l2 4 9 3 收集煤尘( g )2 3 】8 所收尘中粒径大于 o 05 r a m ( g ) 所收尘中粒径 1 4 5 o5 r a m - 01 m m ( g ) 1 1 l = 收尘中粒径小于 2 1 7 3 0 1 m m ( g ) 日期：5 月2 1n 温度：2 5 相对湿度：5 0 翻车叫间：i 【) s 1 2 sf 作电压：5 6 万伏 3 、延长翻卸时间，用山末煤粉样品进行翻车收尘试验。 试验结果见表1 5 、l 一6 第l 章翻车机房煤尘 f i 埋方案模拟试验 表1 5 山末翻卸收尘试验结果 序号12累计 翻卸前( g ) 2 5 0 0 02 5 0 0 05 0 0 0 0 翻卸后( 曲 2 4 3 1 72 4 2 3 44 8 8 5 1 扬尘( 曲 6 8 37 6 61 4 4 9 收集煤尘( g )1 3 0 2 所恒尘中粒径大于o5 m m ( 9 10 所收尘十粘径05 r a m 0l m m ( g )1 0 4 所收尘中粒径小于0 i m r a ( g ) 1 1 9 8 日期：5 月2 2 日温度：2 5 。c 相对湿度：3 1 翻j z h w i n ：2 0 s 一2 2 sj 二作电压：58 万伏 表1 6 山末翻卸收尘试验结果 序号12 累汁 翻n j 前( g 、 2 5 0 0 02 5 0 0 05 0 0 0 0 翻卸后( g ) 2 4 0 7 22 4 2 4 94 8 3 2 1 扬尘( g ) 9 2 87 5 l1 6 7 9 收集煤尘( g )1 5 8 8 所收尘叶l 粒径大于o5 m m ( g )o 所收尘中粒径0 5 m m 0l m m ( 曲1 3 0 所收尘中粒径小于0l m m ( 曲1 4 5 3 日期：5 月2 2 j 温度：2 5 相对湿度：3 1 翻车时问：3 0 s 3 2 s 工作电压：5 8 万伏 4 、各次试验中粉尘粒径的质量分布，见下表 表17 榆林混翻卸收尘试验煤粉粒径质量分布分析 翻车时间：10 s1 2 s 样品中r s p扬尘收尘所收尘中1 i s 【】所收尘中粒径大于0 1 r a m 禽每( g ) l t 7 0 1 8 9 9 1 7 0 5 1 4 5 52 5 0 于所取试样的 l5 l1 6 2i4 5l _ 2 40 2 l 比率( ) t s p 收集率= = 收集的t s p 试样中的7 r s p = 1 4 5 5 1 7 7 0 = 8 2 2 0 河j 匕人学理学坝十学位论文 表1 8 榆林混翻卸收尘试验煤粉粒径质量分布分析 翻车时间：1 0 s 一12 s 样品中t s p扬尘 收尘所收尘中t s p所收尘c p 粒径大于0l m m 宙量( g ) i 8 5 71 7 7 01 5 5 5 1 3 0 62 4 9 于所取试样的 1 5 l1 4 41 2 6i 0 60 2 0 比率( ) t s p 收集率= = 收集的t g p 试样中的t s p = 1 3 0 6 1 8 5 7 = 7 0 3 表1 9 山末翻卸收尘试验煤粉粒径质量分布分析 翻车日j 问：1 0 s 1 2 s 样品中f s p扬尘收尘所收尘中t s p所收尘中粒径大于0l m m 含量( g ) 6 7 0 02 3 7 21 6 9 61 5 7 21 2 4 于所取试样的 5 3 61 9 01 3 6l _ 2 60 1 0 比率( ) f s p 收集率= = 收集的t s p 试样中的t s p = 1 5 7 2 6 7 0 0 - 2 3 4 6 表1 10 山末翻卸收尘试验煤粉粒径质量分布分析 翻j 车时间：1 ( 】s 1 2 s 样品中t s p扬尘收尘所收尘中t s p 所收尘中粒径大于0 1 m 含量( g ) 6 7 0 02 4 9 32 3 1 82 1 7 31 4 5 于所取试样的 53 61 9 91 8 51 7 40 1 2 比牢( ) t s p 收集率= = 收集的t s p 试样中的t s p = 2 1 7 3 6 7 0 0 = 3 2 4 3 表1 11 山末翻卸收尘试验煤粉粒径质量分布分析 翻车时间：2 0 s 一2 2 s 样品中l s p扬尘收尘所收尘中t s p所收尘中粒径大于0n m i l 含量( g ) 2 6 8 0 1 4 4 91 3 0 2 1 1 9 81 0 4 于所取试样的 53 629 026 02 4 00 2 l 比率( ) t s p 收集率= = 收集的t s p 试样中的t s p = 1 1 9 8 2 6 8 0 - 4 4 7 0 第l 章翻乍机房煤尘治型方案模拟试验 表1 12山末翻卸收尘试验煤粉粒径质量分布分析 翻车时衄j ：3 0 s 一3 3 s 所收尘中粒径大 样品中t s p扬尘收尘所收尘中7 i s p 于di m m 音量( g ) 2 6 8 0 6 7 91 5 8 81 4 5 31 3 0 于所取试样的 5 3 63 3 63 1 829 l02 6 l 七牢( ) t s p 收集率= = 收集的t s p 试样中的t s p - 1 4 5 3 2 6 8 0 - 5 4 2 2 1 2 5 模拟试验的初步结论 ( 1 ) 、翻车作业起尘的物理过程与现场实际工况吻合。 现场观察到翻车后1 0 1 5 秒起尘，模拟试验观察到2 秒左右，千始起尘，丌始漫 散到空f 刘，窄唰透明度变低，煤尘降落时问约3 6 0 秒。 ( 2 ) 、当起动收尘系统后，观察到翻车后2 秒左右开始有少量飘尘i 二扬，空间 透明度较大，而且煤! 卜降落时间约1 0 秒。 ( 3 ) 、在监视器中或站在翻车机平台一卜可以清晰观察到起尘将很快沿一弧形轨 迹向 、运动且起尘高度不超过翻车机的高度，这是导流扳对气流影响，当导流板 撤去后，起二卜高度较高。 ( 4 ) 、观察到收尘器内收集到十分细微的颗粒，在静电收尘器前后观察到本体 内浓度相差很大，入u 处浓度很大，山口处浓度很小，近乎透明。 ( 5 ) 、对试样进行筛分： 榆林7 t ir l i 大1 ：1 l l q l t l 的比例为7 45 4 ；l m m 01 m m 比例为2 3 8 2 ，小于o1 m m ( h i jt s p 值) 为1 5 l 。山术中大于1 m m 的比例为7 1 9 2 ；0 1 1 1 1 1 1 1 1 m m 的比例 为2 2 6 6 ，小j 二0 1 m l n 的为5 2 6 。 l j j 术t 1 1 含有害粉尘最大，装卸时对环境影响最严重。 需要说明的是试样与现场实际有较大差别，a 、试样经1d , u , j2 0 分钟在1 0 5 烘烤，水分小j 二0 1 ，与实际情况含水量大于6 有较大区别。b 、试样是该煤 样中粉术，实际上该煤种体积大的固状物占相对大的比例。 ( 6 ) 、按平均值统计 山未： 收集到的煤尘占总量1 8 2 收集剑大于0 1 m m 煤尘占总量1 2 收集到小于0 1 m m 的煤尘( 即t s p ) 为占总量1 7 。 榆林混： 河北大学理学顾j 学位论文 收集到的煤尘点总景的1 4 5 l 发集的煤尘火于0 1 m m 煤尘r 吁总量的2 收集的煤尘小于0 1 1 i t i ( 即t s p ) 为总量的1 2 4 综合上面结论可以认为： ( 1 ) 模拟试验的起伞收伞的物理过程与实际现场吻合 ( 2 ) 模拟试验的初步结论与“可行性方案”中论证基本一致。剥治理翻车机房 煤尘污染项目具有指导性和预见性。 第2 章翻车机房除尘系统设计 在进行了大量的模拟试验后，掌握了翻1 j 机房煤粉尘污染发生的规律。刈。i 同两项流的流动规律，对导流板j ：n 吸风罩的设计角度、发放化置等有了进一步的 、以。找m 了适合煤粉收集i l j 高j n 乜_ 除尘器r 作参考r 作系数。提出了针列秦旱 岛港笫二港务公司酬车机房的高压静电除尘器设计。 2 1 翻车机房粉尘治理方案 治理方案总体思路：( 见图21 ) 图2 l 删1 二机房煤7 k 治理方案不意图 1 、排放1 52 、风机3 、川风管道4 、排风管道 5 、输尘引风管道 6 、t 幕机7 、煤粉输送带8 、送风管道 第z 章硎年机房陈尘系统设计 1 、将翻车机房封闭，使煤尘集中在有限空间内，防止煤尘大量外逸，便于收 集。 2 、将封闭翻车机房的货车及人员的进出口用气幕帘隔阻，防止煤尘从进出口 外逸。 3 、加设导流装茕和集二皂罩收捕作业时扬起的煤尘，为厂提高收捕效果，川以 采用吹吸互动方式。 4 、输尘管道布置在合理的位置，不能影响作业，不能影响现有殴备的运行维 修。 5 、采用高压静电收尘装置，高效率的收集煤尘。 6 、收集的煤尘不再回输到皮带输送线上，可以有效地减少下几个工作面煤尘 总量排放，同时将收集到的煤尘经加工处理成为便于存放、运输、巧i 产生新的污 染、高附加值的煤制品，变废为宝。 图2 - 2翻车机房剖面图 * u ， 匕大学理学硼l “学位沦文 2 2 静电除尘器的设计 上一 引 l u l j 8 vl wvvv v 0 。! 图2 3 静电除_ ! 器尺、j 图 图2 4静电除尘器外形图 对翻车机房实测和计算，电收尘器设计时我们作以h l 点考虑： l 、机房f ：层、中层和底层总处理风量在1 2 0 0 0 0 1 4 0 0 0 0 m 3 h ，两条作业线i 司时 作业的次数较少，可以考虑在翻车机房两侧殴两套电收尘，每套处理风量在 6 0 0 0 07 0 0 0 0 m3 h ，两侧捕尘管道进入各侧的电收尘器，减少管道系统压力 损失，降低运行能耗。且利于运行和维修。 茎：兰塑：型! 生堕当至丝堡：! ： 2 、收尘本体由旋风收尘和静电收尘组合， 【| _ j 煤尘先经旋风收尘器， 颗粒较大的 煤尘先经处理，颗粒较小的再进入电收尘区，可以有效的控制进入电场的浓 度低于g o i n g i t l 3 。图24 给出电除尘器外形示意图。 3 、 电收尘器采用卧式结构，可降低殴备高度，利于抗风及处理火风量殴计。收 尘器的设训一方面应采用不易产生火花放电的电极结构，爿方面要使收尘 器内不会产生煤粉的集聚，为此许多构件的设计应不同于其它类型的电收尘 器，例如：灰斗的溜角应大于7 0 ，斗的侧壁交接处，1 i 应有棱角，灰斗应设振 动器，排扶采用浅斗酗回转下料器等等，此外，收尘器应按一定规范装设泄压 门。考虑l _ l g e j 2 1 ( 采用4 个不同极距的电场结构，胁两级电场主要用_ 丁粉尘 荷电后两级电场供电电压较高，以收集比电阻较高的煤尘和粒径较小的微 细煤尘。 4 、目前多采用按下式计算所需收尘极面积： ：二壁生! ! ：旦2 k 式中：a 一所需收尘极板面积( m 2 ) 0 一被处理烟气量( m 3 s ) n _ l 恢尘器要求的除尘效率 。一粉尘驱进速度( m s ) k 一储备系数，取1 1 1 3 参考国内成熟的高压静电收尘器，电场内主要参数按如卜选取： 1 ) 电场风速：o 5 l _ m s 2 ) 极板间距：3 0 0 4 0 0 r a r a 3 ) 线极距：用4 8 0 m m ”c ”型板与r s 管状芒刺线。 5 、为避免电收尘器工作时产生火花放电，我们采用具有无火花臼动跟踪的高压电 源，收尘器电压能自动保持在火花电压之下若干千伏条件下 ：作，这样既可 获得高的运行电压，又可避免煤粉的燃烧和爆炸。每一电场由一套电源供电， 每一电源足以带动两个电场，使每两套电源互为备用，这样既利于检修又可形 成不问断工作状态。所有电气、风机、机械运行检测均i d ；i - 算机集中控制。 6 、在收尘器f 内出口处装设套一氧化碳监测装置，则当收尘器内部任意处发生煤 粉燃烧时，其烟气中的氧化碳含量必然高于正常值， 一般认为，当出口测得 的一氧化碳含量商于正常值7 0 0 一1 0 0 0 p p m 时，必须采取必要的措施，以消除收 尘器内部的燃烧事战。装设一套二氧化碳灭火装置及时消除收? 睦器内燃烧事 故，亦可装置温度探测器l _ i 控制柜消防系统连锁。 河北火学理学硕卜学位论文 7 、在电收尘器入口和排放出e l 处分别设一套粉尘浓度监测仪，用以实时j 监测除尘 系统内的煤粉尘浓度。 整个系统的技术参数及指标如表2 1 表2 1 除尘系统技术参数 序号名称数据 备注 1 处理煤尘总风量 6 0 0 0 07 0 0 0 0 m 3 h 单侧 2 收尘板总面积 1 3 0 0 1 7 0 0 m 3 3电场风速0708 m s 4 同极问足| = | 3 0 04 0 ( j m m 5 f b 场数4 个 6 进r l 台寸! 浓度 2 0 9 l n i l l 3 7 i i il j 禽尘浓度 9 9 3 l l本体设备重量8 0 吨 1 2吸风掣3 9 个 1 3管道直径1 0 4 0 u i l n 1 4 管道总长度4 0 0 m 15 总功率 2 l o k w 第3 章激光粉尘浓度监测系统 3 1 概述 建立了具有实际意义的可操作的具有对比关系的模拟试验装置后，我们对高 压静电除尘器的t 作运转有了更直观的认识。试验中发现，粉尘的物理特性如浓 度、粒径等是除尘系统非常重要状态参数，对除尘器的设汁、工作状态调整以及 工作效果的评估具有重要的意义： 第3 章激光粉尘浓度船测系统 1 、保证系统的安全 当煤粉和空气的混合物进入除尘箱体，如果煤粉的浓度达剑一定程度，在高压 电火花的作用p 存在发生燃爆的危险。监测并控制煤粉浓度在安全范围| = | 是必要 的。 当除尘系统出现故障时，最直接的表现就是除尘排放 i 处粉尘浓度的变化。 i l r l 忽然出现的粉尘浓度大幅度的增加有町能是除尘器本体的工作故障或者翻卸 运输线的机械战障。通过对粉尘浓度的监测可以及时掌控除尘系统的总体运行状 态。 2 、实现对除尘器的动态调控 在正常运转的状态下，现有高压静电除尘设备的工作状态比如：工作、电流， 管道风鼍、j x u i 等都是保持固定不变的。而秦阜岛港第二港务公司翻车机房内粉 尘浓度j r 不是同定的而是时常由f 各种原因造成波动。在运输线正常运转的情况 下，每r 甘车箱翻卸作业的刷期为2 5 秒，翻卸两节车厢的时间f 叫隔为9 0 秒。为了 保持除尘系统的除尘效率，除尘系统不得不将t 作参数直保持在最大值，造成 能源得浪费增加了运行成本， 司时也影响了除尘体元器件的工作寿命。 建立能够根据粉尘的物理特性变化r r r f f , 动态地调节工作参数的自适应系统足 必要的。实现系统动念调节的前提是有一套在线实时 盏拧系统能准确及时的采集 粉尘的浓度参数。 3 、监测排放情况 及i i 寸取得粉尘排放的数据，评估除尘系统的： 作效率，监测检查现行排放标 准的执行情况。 同体排放物( 粉尘) 的监测技术过去发展的不够，现有的粉尘监测技术也相对 比较简单而f i 劳动强度大、效率低、使用不够方便，测量精度也不够高，能够对 ：业排股进行在线连续监测的更少，很难随时掌握整个被测区域内粉尘的排放情 况及其变化规律受此限制，传统的高压电除尘器不可能实现动态作业。 激光浓度测量系统利用光电技术, 7 h7 1 算机技术可实现实时存线测除尘系统t _ 煤粉颗粒的浓度和粒度分布，l 刊时在线记录颗粒浓度的变化趋势。此技术具有_ i 二r 扰流场、响应速度快、易于实现在线测量等优点，为伞面及时调控、监测除尘 系统的运行状态提供可靠的科学的依据。 鉴于此，拟将激光在线粉尘浓度检测技术应用与煤粉高爪静电除尘系统中， 在煤粉! 睦颗粒物理特性动态变化的情况下实现效率优化配比。全面提高系统的自 动化水i f q ，约人力、财力，提高经济效益效黼。 埘北人学理学顺十学位论文 3 2 固体排放物( 粉尘) 浓度监测技术国外的发展状况 国外在剧体排放物( 粉尘) 监测技术方面的研究工作起步较早，目前已有f ： 多荆，不同的监测法和监测仪。 固体排放物( 粉尘) 测量方从原理上分主要有两大类：取样法利非取样法。 图3 1 列出厂这些方法。 粉尘测量方法 取样法 鑫l 錾 l 霪il 囊霪i l 塞 非取样法 黑 度 法 光 衰 法 图3 - 1 粉尘排放测量方法的分类 光 散 射 法 红 外 消 光 法 取样法( 又称过滤称重法) 即从主气流中抽出部分具有代表性的含尘气样并 送入随后的分析测量系统来测量粉尘的浓度与粒径的方法。 其基本： 作原理是，从含尘气体管道采集定体积的含尘气体试样，过滤或 分离其中所含尘粒，根据集尘质量和采气体积计算出气体的含尘浓度。同时对过 滤下米的尘样利用各类粒度测量及其他分析测试起进行测量分析，便可进一步 获得尘粒的卜均粒径、粒径分布及其物理特性、化学组成等。 取样法在原理上将无疑是最基本和最简单的，这种方法的关键在于所耿尘样 是否具有代表性。在使用良好的情况下，可以得到比较可靠的结果，在一些国家 它至今仍被作为标准方法。它的缺点是需要手工进行操作，f l 操作复杂、费时费 力，测量精度不够高，自动化程度低，因而只能定期进行监测，很难用于在线监 测。为厂弥补这个缺陷，国外发展r 自动等速取样装置，并已有商品化仪器面市。 粉尘取样后，传统的做法是对所取尘样进行过滤( 分离) 厉再称重，并用现 有的各类粒度分析仪器对所过滤( 或分离) 的尘样进行粒度分析，咀获得尘粒的 粒径大小与分布。 为j 降低劳动强度，减少测量时间，提高测量过程的自动化程度，近年来国 笫3 帝激光粉：扛浓度脏测系统 外研究人员 发了多种利用各种不同原理的非称重的方法，使之能实时显示测量 结果，这些方法中目前应用得较多的有0 射线法、压电振动法和超声衰减法等， 下而给予简单介绍。 1 、f 3 射线吸收法 应用p 射线l 蚁收原理，用一低能量的b 射线源( 如p m t 4 7 , c 1 4 ) ，苒先照射到一清洁 的滤纸带上，刚盖革一米乐( g e i g e i m u l e r ) 计数器洲量透过滤纸带的0 射线强度， 采用加法计数器记下照射时间t 。内的脉冲数为空白值，停止照射，将滤纸带移至 粉尘样品取样处取! 兮样，取样结束后，将吸有尘粒的滤纸带移至0 射线源处再进 行照射，采刷减法计数器从空白值的脉冲数逐渐减去直到指示为零，由于灰尘剥 劓线的吸收，显然透过滤纸带的p 射线脉冲数将比空白值减少，减至零所需的时 f 刚t z 将比空白所需时削i ：1t 1 要长，两者的差值t 与样品灰尘浓度成正比，将时间信 号标定为浓度值，即可测出灰尘浓度。 此法山于采用弱射线源，能量变化很小，仪器的短期零点、跨度漂移可以忽 略不计，氏期漂移可用标准膜片校正，仪器结构简单，不需清洗，适于长期运行。 仪器的测量范围广( 决定于采样时间) ，如p h i l i p sp w 7 9 0 最小量程为7 0 t x g m 3 ， 最大量程为1 0 8 0 m g m 3 ) 2 、压电振动法 这种方法是利用压电材料由于刚上尘样介质后质量改变引起压电振动频率改 变的原理来测量粉尘浓度，德国柏林工业人学发明的利用这种方法测量粉尘浓度 的测量装置的测量结构与d 射线法有些相似，当被测烟气通过过滤带时，尘粒被 过滤在带子上，使整条带子的质量发生变化，从i m 会引起压电晶体振动频率的改 变，那么只要测量出压电晶体的频率即可确定被滤尘样的质量，进而求得被测粉 尘的质量浓度，与口刺线法一样，雎电振动法也需经过取样过程，因此，也可以 对所取尘样进行粒度分析。 0 劓线法和压电振动法能测量粉尘的绝对质量浓度，而且测量结果也较为可 靠。但它们需先对粉尘进行过滤，然后再进行检测，因而结构较为复杂。类似的 方法还有超声波，它利用超声波作波源，通过测量超声波透过被测介质后的衰减 程度米分析粉尘微粒的浓度，此处不再作详细介绍。 综j 可知，取样法的特点是： 1 取样法的最大优点是测量原理简单，在使用良好的情况下可以取得比较可 靠的结果，因此，在许多国家还被广泛使用，并被作为标准方法。 2 取样法除能测量粉尘的绝对农度和粒径大小外，由r 取得了尘粒的样品， 州北大学理学硕士学位论文 还能进一步分析粉尘的物理特性和化学成分，这点剥于环境保护，保障人民身体 健康是十分重要的。 3 取样法的缺点足：a ) 对采样操作要求高，如果不能做到等速采样就会给测 量结果带来误差，即使满足了等速采样的条件，含尘气体在输送过程中也可能会 发生损失，使测量结果不准确；b ) n 量费时费力，自动化程度低，很难用于在线监 测；c 1 由丁取样法为点测量，每次只能采集管路内某一点处的气样，凶此为了获得 整个管路内粉尘的平均浓度值，就需要采用在多点处进行测量并加以平均f | 勺做法， 这样无疑会大大增加测量工作量；d ) 由于管道中气体具有一定的流速和压力，甚至 具有较高的温度利湿度，使这种测定方法的采样和计算要复杂得多。 4 为了充分发挥取样法测量原理简单可靠的优点，弥补它测量时间长、自动 化程度低，难以用于在线监测等缺点。目| ；i 人们开发了自动取样装置，用以提高 取样的自动化程度，同时还把0 射线、压电振动及超声衰减等新测试技术应用到 取样后级测量系统中，提高了取样法测量的实时性，拓宽了它在工业上应的前景。 非取样法就是不用取样，而是利用粉尘的物理、光学等特性直测量粉尘排放 浓度及粒径大小的方法，主要有： 1 黑度法 此方法是十九廿纪末林格曼提出来的，因此又叫林格曼黑度法。它是视觉观 察烟尘，并将其黑度与林格曼黑度表相比较来确定粉尘浓度。该表一般在纵1 4 e r a ， 横2 0 c m 的白纸卜描成宽度分别为1 0 、2 3 、3 7 、5 5 、1 0 0 c m 的方格黑度图，就 是使粉尘浓度划分成六个等级，矩形的白纸内黑部分所占的面积大致为0 、2 0 、4 0 、 6 0 、8 ( ) 、】0 0 ，自上而下称为0 、】、2 、3 、4 、5 度。这种方法使用简单、方便， 操作人员很容易掌握使用，但显然它的测量结果容易受诸如测量人员视力、判断 力等人为因素及天气、周围环境等客观条件的影口向较大，因此它的准确性有争议， 而且很难用于自动在线监测。目前，国内已有人研制出烟度自动监测仪，为这种 方法在工业上的推“应用提供了新的可能性。但总的来说，这种方法还是比较粗 糙，精度比较低，它无法得知粉尘的绝对浓度与粒径大小。 2 光散射法 它是通过测量颗粒受光照射后所发出的散射光信号大小米测量被测颗粒的重 量浓度，几木s i b a t a 公司生产的p 5 型便携式数字粉尘仪是利用了这种测量原理。 这种仪器的优点是使用方便，操作简单，不足之处在于它无法测量粉尘的绝对浓 度和粒径人小，要想求得粉尘的绝对质量浓度，必须经过标定，针剥某一种物理 特性的粉尘，求得其标定曲线，当测量对象尘粒的物理特性刁i 同时，需重新进行 标定，给实际使用带来了很大的不便。 第3 章矬光特生浓度蠕冽系境 3 m e s a 法 近年来，德国k a r l s r u h e 核研究中心研制成的m e s a ( m a s sc o n c e n t r a t i o n e x t i n c t i o ns i z ea n a l y z e r ) 删量系统可在线测量粉尘浓度及平均粒径在这方面取 得了突破。 m e s a 溅量系统结合了浊度法和压电振动法两种方法( 如图1 3 所示) 。其中 测量粉叫! 浓度方面它借用了上述德圄柏林工业大学的专利技术，利用压电振动法 测量粉尘的质量浓度后，然后根据光散射理论 n ( 钌 3 l c 。丘 r 。1 、 4 r u i7 p 其中c m 即为利用压电振动法测得的粉尘撤度口为粉尘的密度，r m e s a 为利用 m e s a 测量装置洲得的颗粒平均粒径。 当颗粒粒径比较大时( 一般太于1 0un n _ 咀上) ，可以近似地认为k 州兰2 ，则 ：婴 ( 3 刊 4 d 这样即可求得粉尘的平均粒释，从现有的文献资料柬看m e s a 测量系统首次 实现了同时在线删量糟尘农度与平均粒径，在这方而取得了很大的进展。m e s a 的不足之处在于采用，两套洲量装置，因而结构复杂，使用不够方便，i _ 且精度 也不高( 测量误差可能选到3 0 ) 。 图3 2m e s a 删量系统结构框图 4 浊度法，又称光透法或光衰法 它是利用光线通过 | ； 尘介质时由于微粒对光线的敞射干i l 吸收，使光强发生衰减 的原理来测量粉尘浓度。该原理也是本文所采用方法的基本原理，故在此不做具 体介绍。 综上可知，非取样法的主要优点是：能在线测量粉尘排放浓度，其中一些可以 河北大学理学硕二l 学位论文 自动、在线监测粉尘排放，一些并能同时给出粉尘的浓度与粒径。近年来，因外 在非取样法方面已做了大量的工作，并研制出相应的商品化测量仪器。但总的来 说，它们各自都尚存在着一些不足之处： 1 黑度法虽然使用简单，但它的测量结果可信性刁i 高，受各种主客观因素影 响较大。 2 光散射法山于受到测量原理上的限制，无法测得粉尘的绝刈浓度和粒径， 且仪器一般结构复杂，售价较昂贵，对测量部件的维护要求也较高，还无法分析 粉尘的物理特性和化学成份。 3m e s a 测量装置由于结合了浊度法与压电振动法，故能同时测量粉尘的绝 刑浓度和平均粒径，但测量装置的结构复杂( 基本上由两套测量装置组合而成) 。 另外，山于测量原理上的局限，其测量误差最大可能达到3 0 。 3 3 国内的目前水平 国内粉尘排放浓度监测丰要采用采样法，并把它作为监测粉尘排放量的国家标 准。除此之外，黑度法也得到广1 泛应用，粉尘浓度除了有个绝对数值外，通常 还有林格曼黑度级来附加表示，这种表示法在许多技术标准和文件r 卜都能见到。 如果对粉尘绝对排放浓度要求不是十分严格的话，黑度法还小失为一种值得推荐 的方法，毕竟它的测量过程十分简单方便。 国内些生产厂家和研究单位也在进行其它非取样方法f | 勺研究，并已研制出相 应的监测仪器，主要有：北京地质仪器厂生产的测量仪( 利用d 射线法) ，无锡化 工仪表j 生产的快速粉尘测量仪( 利用压电振动法) ，煤炭部镇汀煤矿专用设备厂 生产的a c h 系列呼吸性粉尘浓度测定仪( 利用红外光源消光原理) ，辽宁省辽阳 市综合仪器厂生产的粉尘浓度测定仪( 利用光散剁原理) ，内蒙占解放军7 3 2 5 厂 研制的光电透射式测尘仪，北京解放军总参防化研究院的粉尘测量仪( 利用浊度 法) 等。 这些监测仪器在地质、化工、煤炭、劳保、军工等不同领域得到了一定的应用， 但它们基本上都是处在仿制国外同类仪器的水平上，无沦存原理上还是结构上都 比较简单，与国外相比尚有一定的差距。 目前国内也有个别厂家生产利用浊度法原理的光电透射式测尘仪。图3 - - 3 显 示了我国生产的光电透式测尘仪的结构示意图，它由光电探测器、稳压电源、控 制器和显示仪表四部分绍成。作为仪器的一次信号发生器的光电探测器部分，是 由发剥光源、保护镜头、调零装置及光电转换元件等构成。光电转换元件采用硅 光电池，置于一可调恒温炉内，以克服环境温度的影响。稳压电源为光源提供稳 定的直流电流，以保证光源输出的稳定性。控制器包括恒温炉温度控制和电信号 第3 章激光粉二h 浓度【临测系统 调节部分，显示仪表为电位差计。 _ j 熊誉l 图3 3 光电透射式测尘仪结构示意矧 从上述国内的情况来看，我国日前现有的各类监测仪器和手段中，除了取样 法应川的较为普及，并被列入我国粉尘排放测试方国家标准外，共余各种尚未得 到国家环保部门的认可，这魄明我国目前在这方面还停留在比较落后的水平上， 难以满足同益增长的环境保护的要求，从另一个侧面也反出这方而研究丁作的迫 切性和重要性。 国外在固体排放物( 粉尘) 监测方面起步较早，发展也较快，目前已有一系 列监测手段利仪器得到应用，但如何简便而可靠地连续、在线、同时监测粉尘排 放浓度与粒径大小方面尚未很好的解决。 本研究工作的目的是为了探索种能自动、连续、在线监测粉尘排放浓度的 粉尘测试方法，为高压静电除尘系统提供实日习的工作j i 控，进而调整系统工作参 数，达到高效、节能的目的。为提高现有除尘器的自动化水平提供可靠的依据， 满足口益增长的环境保护要求。 3 4 粉尘的产生及其物理性质 3 4 1 粉尘概述 人气污染物的种类很多，根掘其存在的特征可分为气溶廊状态污染物和气体状 态污染物两大类。