颗粒物浓度与粒度谱在线监测仪器光学散射系统研究

发布时间：2020-07-12 15:53

【摘要】：固定污染源排放烟气中的颗粒物是大气污染物的重要组成部分,对大气环境、人体健康和人类的生活造成了不利的影响,如何对固定污染源排放的颗粒物进行连续在线监测引发了广泛的关注。本文基于Mie散射理论,设计实现了一种探测颗粒物粒径分布和浓度的光学系统。本文首先根据Mie散射理论,提出了一种利用单波长测量颗粒物浓度的方法,并根据这种方法完成了设备结构的设计和分析。通过分析,发现该方法在颗粒物粒径发生变化时对浓度的测量并不准确。固定污染源排放烟气中颗粒物的折射系数通常不会发生明显变化,根据Mie散射理论,散射光信号与颗粒物粒径分布、浓度和入射光波长有关。其中,粒径分布近似符合正态对数分布,可用中值粒径和标准差表达,此时需要求解中值粒径、标准差和颗粒物浓度三个参数,理论上需要三路不同波长的散射光信号来完成计算。于是本文又提出了一种三波长的探测方法,在利用探测器对三路散射光信号的响应实现对颗粒物粒径分布的探测后,根据其中一路的光强响应值探测颗粒物浓度。本文根据三波长的测量原理,通过对单波长设备的改进,设计了三波长测量粒径分布和浓度的设备,并对设备的气路进行了仿真分析。使用三波长结构的设备,不仅能获得颗粒物更多的信息,而且能够使浓度测量更加准确。本文尝试将该设备应用于对火电厂排放烟气中颗粒物的连续监测中,在完成对探测设备的设计之后,利用实验室的现有资源,设计了相关实验平台,使用已有的粒径测量设备和浓度测量设备作为参照,对本设备的测量准确性和稳定性做出了实验验证。该系统的实现最终促使资助课题通过了国家重点研发计划中期检查。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X831;O43
【图文】：

粒径分布,总流程,颗粒物,烟气

本课题来源于 2016 年国家重点研发项目“重点行业固定污染源大气排放高精度监测技术研发及应用示范”课题一“细/超细颗粒物高精度在线监测技术研发及示范”。子任务（子课题）：光学散射/衍射颗粒物在线测量技术及其示范应用示，：2016YFC0201101-1 。作为“细/超细颗粒物高精度在线监测技术研发及应用示范”课题下的子任务，的目标是配合射线法浓度仪，实现对固定污染源排放烟气中 PM10，PM2.5和 P度进行监测。具体而言，射线法浓度仪的测量精度高，结果不受颗粒物粒径响，但不适用于在线监测，因此用来对本设备校准；本设备可连续监测颗粒物布和浓度，当探测到粒径分布发生明显变化时，需要启动射线法浓度仪对本准，二者相互配合能更准确地测量颗粒物浓度。工作的流程如图 1-1 所示，使备对颗粒物的粒径分布和浓度进行连续监测，当探测到粒径分布发生变化时，号启动射线法浓度仪对本设备进行标定，然后继续对浓度进行监测；图中利A 测量 PM0.5由中科院安徽光机所进行研制，这里不再详述。

粒径分布,消光法,测量原理

图 1-2 消光法测量原理射线吸收法射线吸收法的原理是：射线在通过颗粒物时会被吸收，当发射的射线能量，被吸收的能量与颗粒物的质量成正比[12]。测量时，首先使用切割器对烟气样，然后用滤膜吸附颗粒物。通过测量射线的透过滤膜时光强的衰减系数算出空气中颗粒物浓度。射线吸收法的特点是：测量结果仅与颗粒物质量与颗粒物的种类、粒径分布、折射系数等其他因素无关[11,13]，适用于湿度大物粒径和成分变化大的场合。但由于需要等速测量，因此不适合流速变化大。同时，使用该方法的仪器成本较高，测量时间较长[14]，在精度要求较高性比较差，因此不适合用来在线监测。使用该方法的产品有法国 ESA 的 B 型粉尘仪，在环境监测站有较多的应用。

粒径分布,射线法,粉尘,颗粒物

图 1-2 消光法测量原理射线吸收法射线吸收法的原理是：射线在通过颗粒物时会被吸收，当发射的射线被吸收的能量与颗粒物的质量成正比[12]。测量时，首先使用切割器对，然后用滤膜吸附颗粒物。通过测量射线的透过滤膜时光强的衰减系出空气中颗粒物浓度。射线吸收法的特点是：测量结果仅与颗粒物颗粒物的种类、粒径分布、折射系数等其他因素无关[11,13]，适用于湿粒径和成分变化大的场合。但由于需要等速测量，因此不适合流速变同时，使用该方法的仪器成本较高，测量时间较长[14]，在精度要求较比较差，因此不适合用来在线监测。使用该方法的产品有法国 ESA 的粉尘仪，在环境监测站有较多的应用。

【参考文献】