粉尘监测（精选五篇）
粉尘监测 篇1
1 材料与方法
1.1 研究对象
选择某矿务集团甲乙两煤矿,按工种分类确定综放、煤巷、岩巷和高档等作业场所为研究对象。
1.2 粉尘采样
按照《作业场所空气中粉尘标准测定方法》进行布点、采样。
1.3 测定方法
运用滤膜质量法测定时间加权平均呼吸性粉尘和总粉尘浓度,焦磷酸质量法测定粉尘中游离二氧化硅的含量,原子吸收光谱法测定粉尘中金属和类金属元素含量[4]。
1.4 主要试剂
高氯酸、氯化锶、硝酸镍及各种标准液均为分析纯。绘制标准曲线,测定元素含量。
1.5 数据处理
使用SPSS 12.0软件对数据进行统计分析。运用方差分析(one-ANOVA way)对不同矿、不同工种各指标进行比较。运用SPSS 12.0软件进行统计分析。
2 结果
2.1 粉尘浓度
调节总粉尘采样器气流量为20L/min,采样时间15分钟;呼吸性粉尘采样器气流量为2L/min,时间250~543 min。甲矿8个作业点、乙矿10个作业点,粉尘浓度用算术均数表示(见表1、2)。
2.2 游离二氧化硅
平行采集降尘,测定游离二氧化硅含量平均为9.60 mg/m3,甲矿显著高于乙矿(P<0.05),岩巷作业场所(掘进、打眼、放炮、喷浆等)降尘中游离二氧化硅的含量显著高于其它各组(P<0.05),高达35.07%,而其它场所降尘中SiO2的含量大多小于10%(见表3)。
2.3 粉尘中金属与类金属元素含量
经酸消化处理后,粉尘绝大部分金属与类金属元素溶解在上清液中,用石墨炉原子吸收光谱法测定砷和镉元素含量,用火焰原子吸收光谱法测定其它分析元素。结果显示10种金属与类金属元素的含量占总粉尘的2.1%;不同工作面之间粉尘中各元素的含量不同,差异有显著性(P<0.05或P<0.01);两矿间Ni、Pb、 Mn、As、Cd、Fe、Zn及Cu元素含量有显著性差异(P<0.05或P<0.01),见表4、5。
3 讨论
我国职业接触限值规定煤尘中(游离二氧化硅含量<10%)总尘(PC-STEL)≤6 mg/m3,呼尘≤2.5 mg/m3[5]。此次调查显示,甲、乙两矿54.4%的样本中瞬时总粉尘浓度均超过国家标准,少数作业场所超标几十倍;23.0%的样本中呼吸性粉尘超标,个别作业点超标近22倍;表明两矿井下粉尘污染状况依然严重。本研究显示,不同煤矿、不同作业场所总尘中呼吸性粉尘所占的比例不尽相同,粉尘中游离二氧化硅含量亦不相同(与掘进相关的作业过程中粉尘的游离二氧化硅含量较高,一般大于10%,而煤尘中的含量基本小于10%),这可能与采矿工艺、机械化程度、地质条件及工种不同等因素有关。
此次调查结果显示,从数量组成上来讲,Ni、Pb、Mn、As、Cd、Fe、Ca、Mg、Zn、Cu 10种金属与类金属元素元素占粉尘总量的2.1%,且不同作业点粉尘中所含相关元素的比例不同。研究表明粉尘表面的还原性Fe、Cu等过渡金属离子在悬浮液中能产生自由基[6,7],从而参与粉尘对肺组织细胞的毒作用,其中镍元素催化这一反应过程,促进脂类过氧化并削弱细胞的抗氧化能力, 进而促使细胞癌变[8]。锰是人体内的必需元素,作为一些酶的组成部分而参与机体的生物化学过程。如果长期接触高浓度锰(如暴露于锰尘), 超过机体代偿能力,则会明显抑制总超氧化物歧化酶(SOD)活性[9],使机体脂质过氧化增加,造成机体损害。 流行病学研究证明砷可以增加粉尘致职业肿瘤的发病率[10]。本实验检测结果乙矿煤尘中砷含量很高,部分采样点极高,值得关注。铅、镉、铜都是可疑致癌物,研究表明铅、镉、锰、铜等元素对石英早期致肺纤维化过程有明显影响[11]。因此,对粉尘危害的评价时要充分考虑粉尘的各组分所占的比例。
目前国内外有关煤矿粉尘中元素含量检测的报道比较少,通过本研究可为进一步探讨粉尘致病机理提供了更为丰富的基础资料,为制定职业卫生标准提出新的思路。
摘要：目的:监测煤矿井下粉尘浓度,评价煤矿粉尘危害水平;分析煤尘的组成成份,为探讨粉尘性职业损害机制提供依据。方法:运用粉尘采样器采集煤尘,计算作业场所瞬时总粉尘浓度(PC-STEL)和时间加权平均呼吸性粉尘浓度(PC-TWA)。运用焦磷酸质量法测定煤矿粉尘中游离二氧化硅含量。原子吸收光谱法,测定粉尘中主要金属与类金属元素含量。结果:(1)甲、乙两矿PC-STEL分别为13.61±17.65mg/m3、39.35±148.10mg/m3,超过国家标准,样本超标率分别为52.9%、55.8%;PC-TWA分别为3.20±8.42mg/m3、2.15±2.07mg/m3,超标率分别17.5%和30.2%。(2)游离二氧化硅含量为9.60mg/m3,甲矿显著高于乙矿#(P<0.05),岩巷作业显著高于其它各组(P<0.05)。(3)粉尘中Ni、Pb、Mn、As、Cd、Fe、Ca、Mg、Zn、Cu等金属与类金属元素的含量分别为16.2±6.5μg/g、50.6±36.1μg/g、103.4±54.7μg/g、37.5±44.4μg/g、235.9±292.4ng/ml、6224.6±4295.5μg/g、12715.8±26930.8μg/g、919.7±915.4μg/g、656.7±774.5μg/g和28.2±12.8μg/g;不同煤矿粉尘中金属与类金属元素的含量显著不同,同一煤矿不同采样点(工种)间亦有显著差异。结论:煤矿作业场所粉尘污染仍比较严重,应进一步完善防、降尘体系;10种金属与类金属元素的含量占总粉尘的2.1%。
关键词：煤矿粉尘,瞬时粉尘浓度,呼吸性粉尘浓度,游离二氧化硅,金属与类金属元素
参考文献
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粉尘监测 篇2
1 采煤机高压外喷雾系统
1.1 工作原理[1,2]
采煤机高压外喷雾系统是在分析采煤机割煤过程中的产尘点及粉尘扩散部位的基础上, 有重点地安设喷嘴进行喷雾, 强制抑尘、防止粉尘扩散, 同时高压喷雾射流能对工作面进行全断面覆盖, 并对扩散和移架产尘进行有效地抑制, 从而达到全面灭除工作面粉尘的目的。高压喷雾具有雾粒细、速度快、有效作用区长、水量相对较小、覆盖面积大以及喷嘴不易堵塞等优点, 此外, 高压喷雾所形成的高速水雾流对风流的引射、扰动作用可驱散截割头附近的瓦斯, 防止瓦斯积聚。
1.2 现场安装
采煤机高压外喷雾降尘系统主要由高压水泵、自动控制水箱、过滤器、高压胶管、高压喷嘴和降尘器组成。
采煤机高压外喷雾系统的泵站安设在距工作面450 m的进风巷道内, 由2台泵组成, 1台备用1台运行。为减小沿程阻力损失, 水经加压后, 通过直径25 mm 的高压胶管送到工作面端头, 为方便采煤机在工作面割煤时往复行进, 需要在电缆槽内铺设1根直径19 mm的水管将水供应到采煤机上。然后通过直径13 mm的高压胶管接到2个喷雾器上。现场将泵站水压调节在9 MPa, 经过沿程减压到达采煤机喷雾的压力为8 MPa, 2个喷雾器喷雾流量合计50 L/min左右。根据现场情况, 调节喷嘴角度使喷出的水雾流对准产尘点, 将截割滚筒处产尘源进行全面覆盖, 强制抑尘并防止粉尘扩散。
2 粉尘在线监测监控系统
2.1 工作原理[3]
系统中的GCG500型粉尘浓度传感器是采用光散射原理直接测量总粉尘浓度, 测定数据就地显示, 同时输出频率信号供监测系统进行地面监测;通过在监测系统中设置粉尘浓度报警值和断电值, 当粉尘浓度超过设定值时, 系统通过分站向控制箱输入控制信号, 控制箱控制电磁阀的打开与关闭;如果有行人要进出巷道时, 通过红外传感器探头接收信号, 控制箱控制电磁阀停止喷雾或延时喷雾, 如此实现了粉尘浓度的在线监测监控和喷雾的智能化控制。
2.2 现场安装
粉尘在线监测监控系统由矿井安全监测系统、GCG500型粉尘浓度传感器、CGHSK1型红外传感器、控制箱、电磁阀、喷雾水幕等组成。
粉尘浓度传感器安装在回风巷距工作面20 m的位置, 吊挂在巷道一侧煤帮上, 距巷道底板1.5 m, 进气口迎向工作面风流来向, 输出信号连接到井下监控分站上, 以供监测系统进行地面监测、控制;在粉尘浓度传感器下风向10 m位置, 垂直于巷道方向安设1道喷雾水幕, 7个喷嘴沿巷道顶板均匀布置, 巷道静压水经过滤器和电磁阀接到喷雾水幕上, 水压为3 MPa, 流量为25 L/min左右, 红外传感探头安装在喷雾水幕前后5 m位置, 吊挂在巷道顶部中间, 现场调试将传感器的超限喷雾粉尘浓度上限值设置为50 mg/m3, 下限值设置为40 mg/m3, 水幕喷雾延时设置为60 s。
3 使用效果及分析
3.1 使用效果
1) 采煤机高压外喷雾系统安装调试完成后, 于2006年12月在开元公司15102工作面进行了试验, 并对工作面回风侧进行了粉尘浓度全天24 h实时监控。采煤机割煤时开启高压外喷雾系统, 泵站运转正常, 水箱水位低于25 cm时自动停泵, 水满后能关闭进水阀。工作面喷雾压力为8 MPa, 喷雾流量为50 L/min左右, 迎风射程为3 m, 逆风射程为2 m, 喷雾雾流能覆盖采煤机截割部, 同时对工作面全断面覆盖, 雾流分布能够达到采煤机后15 m以内范围。图1为未使用高压外喷雾系统割煤时粉尘浓度监测曲线图, 实际工作中采煤机处于间歇工作状态, 粉尘浓度监测曲线显示为条带状分布, 割煤时其粉尘浓度最大为342 mg/m3, 其余时段为生产准备和检修时段, 粉尘浓度较低, 在15 mg/m3左右。图2为12月11日使用高压外喷雾系统割煤时粉尘浓度监测曲线图, 割煤时其粉尘浓度最大为108 mg/m3, 其余时段粉尘浓度较低, 在10 mg/m3左右。生产时段环境状况的时段平均粉尘浓度对比数据分析见表1。
2) 粉尘浓度在线监测监控系统运行正常, 数据传送到监控主机, 能完成对回风巷道总粉尘浓度的连续监测, 可即时查看粉尘浓度实时和历史曲线并打印报表, 任意设置粉尘浓度报警值和上、下限控制值。在回风巷道粉尘浓度达到50 mg/m3及以上, 并保持60 s后, 能使主机控制电磁阀开启水幕喷雾, 并观察到显示数值大于50 mg/m3, 但不一定会开启喷雾的现象。当粉尘浓度下降到40 mg/m3时, 能停止水幕喷雾, 时间约为10 s。当水幕前后有行人通过时, 红外传感探头能感应到信号, 并传送到控制箱使喷雾水幕停喷60 s, 其后喷雾水幕自动开启, 在连续有人通过时, 喷雾水幕持续延时, 直到最后1人通过后60 s开启喷雾。水幕喷出的雾流能封闭巷道断面, 达到进一步降除回风巷道粉尘的目的。
3.2 效果分析[4]
1) 喷雾降尘的效果受喷雾压力、喷雾流量、雾粒粒度分布情况、雾粒速度、涡流强度、水分沿程分布均匀度等因素影响。从喷嘴中喷出的雾流分为2个区——有效作用区和衰减区, 高压喷雾从喷嘴中喷出的高速水流, 在很短的距离上就分散成雾粒, 雾流圆锥形部分的长度缩短, 雾流变成圆柱形, 伴随有强烈的涡流运动, 一部分空气被卷吸进雾流, 其有效作用区增长, 无低压喷雾的明显的雾流衰减区。高压喷雾则由于其水流一出喷嘴就变成雾粒, 而后在水压力和气流扰动力的共同作用下, 继续向前喷射, 在距喷嘴不同距离上的水分分布较均匀。
影响雾粒捕尘效果的主要因素是雾粒粒径, 其次是雾粒与尘粒的相对速度决定着粉尘与雾粒的接触效果。随喷雾压力的升高, 雾粒直径越来越小, 其速度越来越大。资料显示, 雾粒的粒度一般在20~50 μm, 相对速度在30~40 m/s时能达到最佳效果。
采煤机上喷嘴的布置原则是在分析采煤机产尘特点的基础上, 针对产尘点布置喷嘴, 要求喷嘴喷出的水雾能充分覆盖和湿润截割滚筒。按照此原则, 在开元15102工作面的采煤机上采取了在前后滚筒截割电动机位置安装2组喷雾器, 每组喷雾器设计3个喷嘴, 根据现场情况调节其角度, 1个喷嘴的作用是灭除机身内侧、煤帮的煤尘和滚筒产生的部分煤尘;另1个喷嘴正面覆盖滚筒中上部产生的煤尘;第3个喷嘴灭除滚筒下部及刮板输送机产生的煤尘。通过布置在采煤机上的6个喷嘴, 起到了灭除采煤机各产尘点及粉尘扩散部位粉尘的作用。同时这2个喷雾器喷出的水雾流能覆盖整个采煤断面, 可灭除移架时产生的粉尘。
根据影响降尘效果的各因素即喷雾流量、雾粒粒度分布情况、雾粒速度、涡流强度、水分沿程分布均匀度与压力的关系, 结合开元公司15102工作面的产尘情况, 将现场最佳喷雾压力确定为8 MPa, 泵站压力调为9 MPa, 调节采煤机上喷雾器的喷雾角度, 使喷雾降尘效果达到最佳。但因煤质原始水分大, 开采时产生的总粉尘浓度相对较低, 综采工作面粉尘浓度最大值为400 mg/m3左右, 采用喷雾降尘措施后, 现场降尘效率仅达到84.1%。
2) GCG500型粉尘浓度传感器采用光散射原理直接测量总粉尘浓度, 测定数据就地显示;同时输出频率信号到矿井安全监测系统, 供监测系统进行地面监测, 此传感器与人工滤膜采样相比, 减少了中间环节, 避免了过程损失和人为误差, 满足数据的准确性要求。通过在监测系统中设置粉尘浓度报警值和断电值, 系统能通过分站向控制箱输入控制信号, 控制电磁阀的打开与关闭, 实现粉尘超限巷道喷雾;并且在行人通过时能停止喷雾, 实现了控制的可靠性。
在回风巷道粉尘浓度显示值大于50 mg/m3时不一定喷雾, 只有粉尘浓度显示值达到50 mg/m3及以上, 并保持60 s后才能开启喷雾, 在保证设定的粉尘超限值的有效性的同时, 能减少电磁阀的开启次数, 增加其使用时间。同时由于监控总站对各分站进行顺序巡检, 根据现场分站数量和各分站上所挂接的传感器数量, 从传感器接收信号到指令发回和机构动作存在滞后时间, 一般在10 s左右, 所以从粉尘浓度达到40 mg/m3到电磁阀关闭水幕喷雾, 反应时间约10 s。
4 结论
1) 采煤机使用高压外喷雾系统后, 能有效地抑制工作面采煤机作业所产生的粉尘, 大大降低粉尘浓度, 而且产生的高压雾流覆盖整个巷道断面, 同时对移架、放顶煤产生的粉尘有除尘效果。开元公司15102工作面在使用采煤机高压外喷雾系统后除尘效率达到84.1%, 降尘效果明显。
2) 粉尘在线监测系统能及时记录工作面回风侧的粉尘浓度, 并将数据传送到地面监控机房, 进行实时监控和数据记录、处理, 粉尘超过设定值时能控制巷道水幕喷雾的开启, 并能实现行人通过时则停止喷雾功能, 满足数据的准确性和控制的可靠性要求。
3) 系统中还存在某些问题, 例如自动控制水箱的满水关闭功能是机械式结构, 在水箱放置不水平时, 机械式机构有时会出现卡阻现象, 不能关闭进水口, 其可靠性有待进一步改进。
参考文献
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粉尘监测 篇3
高炉煤气余压能量回收透平发电装置 (简称TRT) , 它是利用高炉炉顶的余压, 将高炉煤气导入透平膨胀机做功, 驱动发电机发电的一种能量回收装置。它是现代国际、国内钢铁煤炭企业公认的节能环保装置, 近年TRT技术获得了迅速的发展。
TRT利用的介质是高炉煤气, 而高炉煤气含尘量很高, 必须经过除尘处理才能使用。高炉煤气含尘量的大小对TRT机组叶片的安全运行有着极为重要的影响。通常TRT系统要求煤气的含尘量<5mg/m3, 含尘量过大将对TRT的叶片造成严重的磨损, 不仅影响TRT系统的安全运行, 也造成巨大的经济损失。而高炉煤气除尘器由于长时间高温工作, 可能出现布袋破损和除尘效果降低的现象, 这样进入机组的高炉煤气含尘量超标, 导致TRT机组不安全工况的发生。为了保证TRT机组的安全, 必须及时了解高炉煤气含尘量的大小及高炉煤气除尘器的工作状态, 了解TRT机组的运行环境, 及时判断TRT机组的工作状态, 故在TRT系统中设置粉尘浓度在线监测系统, 对高炉煤气进行实时监控是非常必要的。本文以八钢2500m3高炉TRT煤气入口粉尘含量在线监测仪为例, 介绍电荷法粉尘在线检测技术的原理、技术特点、实际应用分析。
1 目前粉尘在线检测技术的几种方法
粉尘质量含量测量属气固两相流范畴, 由于多相流固有的复杂性、使得其成为困难的测量领域, 目前工程技术上的测量技术有:光学技术、摩擦电技术、电荷感应技术。光学技术产品由于光学镜头易受污染, 因此需要频繁的清洁维护, 维护工作量大。测量结果也受粉尘颜色、温度变化等因素影响, 并且不能测量低含量粉尘。摩擦电传感技术, 利用粉尘和传感器探头等的摩擦产生出静电, 来进行粉尘含量测量, 是一种接触式测量方式。由于诸多因素, 如: (1) 粉尘在探头表面的豁附、凝集、结露、水分、干燥。 (2) 腐蚀、高温、金属/非金属性。 (3) 粉尘流速、尺寸、分布等变化。它们均影响摩擦效果, 导致对测量结果产生影响, 因而无法定量精确测量。并且安装调试、标定、维护都很困难, 零点漂移严重。因此目前国际上通常只用来进行定性粗略测量 (而且必须工作在无以上因素影响的“理想”环境下) 或简单地检测是否有粉尘出现, 更无稳定、直接以mg/m3为单位的数据输出。由于传感原理所限即使是美国、德国等发达国家的摩擦电产品, 也无法彻底克服以上问题。电荷感应技术, 它采用专有的电荷感应技术进行粉尘质量含量测量, 彻底解决了以往采用“光学”或“摩擦电”技术产品无法克服的困难及测量误差, 是目前较为推广的粉尘含量检测技术并在世界各地市场迅速淘汰以上技术产品。
2 电荷法监测设备技术原理
电荷感应:当微粒流过插入到管道或烟道的探头附近时, 基于微粒内部电子 (即电荷) , 小电信号在探头中被感应出来。数字信号处理器转换此感应信号, 成为一个线性比例于微粒质量含量的绝对输出值。
其基于量子物理原理, 即任何物质 (如:粉尘) 内部 (微观上) 均带有电荷! (非常少, 通常为皮安级) 。当粉尘通过传感器探头附近时粉尘在线监测仪的“电荷感应”传感器探头, 能根据通过其附近的 (并不依赖粉尘和探头的接触) 粉尘内部电荷大小和粉尘的分布情况, 在传感器探头中感应出电信号, 此电信号和粉尘质量含量存在直接的数学关系Iac∝质量含量。通过对此电信号进一步放大、运算处理, 从而精确测量出粉尘含量 (mg/m3) 。八钢TRT现场采用安装了美国费尔升公司的EM70DGX型粉尘在线监测仪, 采用非接触式“电荷感应”测量方式, 如图1所示。
3 电荷法粉尘在线监测装置的特点
1) 电荷感应技术与所测介质成分没有关系, 只跟管径有关, 决定了其适应范围广的特点;
2) 电荷感应技术测量结果不受探头表面粘附、凝集、结露、水分、干燥、粉尘流速、尺寸、分布等变化影响, 并且无需维护。
3) 运行可靠。
4) 该技术是目前粉尘在线监测技术最先进的一种, 在国外广泛应用于各个领域, 如空气的粉尘含量等环保尖端领域。
5) 该产品在经过其自己的信号变送处理, 能直接输出标准的4~20m A信号进入TRT机组控制系统进行显示、报警和分析。
6) 该产品由于其技术先进, 适应性强, 决定了它安装简单, 调试方便, 不需要进行在线标定, 出厂标定即可。
7) 该产品的分辨率高, 能测到1mg/m3以下的粉尘含量。
4 电荷法粉尘在线检测技术的应用
粉尘监测 篇4
我国的国家环保局公布了最前沿的《火电厂大气污染物排放标准》,有很多地方的燃煤电厂污染物的排放量要严格少于20 mg/m3,2014年7月1日起执行。与此同时,为了再一次加强改进能源消耗以及生产效率,再一次增加煤电快速卫生进步水平,我国的“三部委”在2014年时同时发布了《煤电高效减污优化和改进措施方针》,加强更优质高效环境保护要求,分别指出在不一样的时间点要求不一样地域燃煤发电机组空气污染物消耗浓度最少上升到燃气轮机组排放最高值(即烟尘排放浓度小于10 mg/m3)。南方的一些地域还有京津冀一些火电厂则有更加苛刻的排放标准,烟尘排放要低于5 mg/m3。
针对基本达到燃气轮机组排放限值的要求,采用在脱硫尾部新增湿式电除尘器的技术,能有效除去超细粉尘,实现超低排放,已被越来越多火电厂所认同。然而对于湿烟气超低浓度烟尘的测量,一直是个难点。笔者主要针对湿法脱硫后湿烟气环境下的粉尘监测,分析了目前国内外几种常用的在线烟尘仪的原理及特点,对今后选取超低粉尘在线监测提供了参考和借鉴。
1 烟气成分分析
湿式电除尘器安装于脱硫吸收塔出口,采用高压静电除尘原理,使烟气中的粉尘、液滴、石膏等颗粒物荷电,收集到阳极板/阳极布上,通过液滴自身重力或喷洒碱性液体进行回收处理,实现对排放尾气中大颗粒物体的限制。
与脱硫吸收塔出口相比,湿式除尘出口烟气成份基本不发生变化,烟气温度通常情况下都是45°~60°左右,烟气的含量里大颗粒物体以及石膏和烟气里液态水混合构成了石膏液体,通过液态状呈现在烟气里面,而且烟气的含量里面也有一些其他的气体状态以及大颗粒物体。
2 传统测量方法
国内外在线测量粉尘浓度的测量方法主要有光吸收法(又称浊度法)、光散射法、称重法、β射线法等。称重法通常用于手动测量,β射线法因辐射等原因应用于在线测量的较少,浊度法及光散射法较多的应于火电厂粉尘在线测量。
2.1 浊度法
半导体激光器发射激光通过烟道中的烟气,激光通过含有粉尘颗粒物的烟气时被粉尘吸收、反射和散射,然后被烟道另一端安装的反射镜反射回信号光探测器监测。这样的方式就是把发光源以及探测仪器分别装设到烟道的旁边,光源一旦碰到大颗粒烟尘之后因为吸附、散射这样的方式让光的强度逐渐弱化,探测器收到的是颗粒的透射光。依照郎伯-比尔这个定理可以看出透射光强和颗粒的形状以及稀疏浓度有关联,这就给烟尘颗粒物浓度检测基于了标准,以至于经过验算介质的浓度,可以算出烟尘的质量浓度。原理如图1所示。
2.2 光散射法(后散射图)
光散射法是在光散射原理的条件下,如果光束入射到颗粒上的时候,会向周围的空间中散射,所以光的每一个散射参数和烟尘颗粒的浓度有非常密切的关联。
3 传统烟尘仪测量湿烟气的局限性
通过上述介绍可知,不管是基于浊度法还是光散射法进行烟尘测量,均是通过光学的物理特性进行信号采集,目前较多的应用于干烟气的测量,或烟尘浓度较大的场合,烟尘测量仪能够很好地满足测量要求。湿烟气成份中含有液滴,在光的透射过程中,饱和湿烟气水分会造成光的折射、吸收,影响测量结果。有研究表明,当烟气温度在100℃以上时,烟气中水份是气态的,不会影响烟尘的监测结果;当烟气温度低于100℃时,水是散布在烟气中的液态的小水滴,这个时候需要做参比试验,测算出水份对烟尘监测的影响值,再对监测数据加工处理,可以大致消除液滴影响。当水分含量发生变化,易对测量结果产生较大影响。
4 湿烟气低浓度粉尘测量方法
为了消除湿烟气中液滴对光在测量过程中的影响,我们可以将湿烟气进行加热后,再进行测量。目前针对湿烟气的在线测量,采取先进行抽取,然后稀释加热处理,最后进行光散射原理测量。基本原理如下:它从排放的烟气中连续抽取含尘湿烟气,由高精度温度控制的高功率加热器,对湿烟气进行空气稀释以及恒定温度加热后,在测量池内通过光学原理(光散射)测量粉尘浓度。发射光源穿过测量池,被照射的烟尘粒子将反射光信号,反射光的信号强度与烟尘浓度成正比,因此可以计算出烟道中的粉尘浓度。
湿烟气低浓度烟尘仪采取抽取+加热的方式对湿烟气进行干燥处理,能够消除烟气中水分对测量结果的影响,提高了测量的准确性。目前国内外湿烟气低浓度烟尘仪具有代表性的如PCME181WS(英国)、D-R820F(德国)、SICK-FWE200(德国)、PFM06ED(德国)。
4.1 主要技术参数
湿烟气低浓度烟尘仪主要技术参数见表1。
4.2 技术特点
①采样管线加热,通常加热至120℃,避免烟气冷凝及探头粘灰,大大提高测量精度。②能够实现等流速取样,最大限度避免测量误差,满足取样规范标准GB/T16157-1996[6]。③精度高,最低检测限达0.1 mg/m3。④实时连续测量,反应快,分析时间小于2 s。⑤能自动进行零点满度校验,具有反吹清洁功能,最大限度地减少维护工作。
5 结语
1)传统烟尘仪受湿烟气中液滴影响较大,且探头容易粘灰,满足不了湿烟气超低排放的在线监测的实际要求。
2)浊度法还会因烟道温度变化引起钢烟道变形,导致测量探头对光误差大,严重时无法测量。
3)湿烟气低浓度烟尘仪能够消除湿烟气中的液滴对测量,但在采样过程中应做到“等速采样”。
4)目前对于在线粉尘检测仪器比对验收采用的是滤筒称重法,执行的是我国国家环保部颁发的《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》(HJ/T75-2007),在线仪器的测量误差允许值15 mg/m3。按照上述要求,虽然现有在线烟尘仪基本都能通过验收,但随着国家对超低排放的执行越来越严,加上环保电价的执行,相信在不久的将来,新的测量标准及检测方法就会出台,将会对超低粉尘在线监测仪表提出更高的要求。
摘要：由于我国对火电厂尾气的排放量的要求越来越严格,所以相应的技术措施也被利用起来。目前许多火电厂都开始使用湿式电除尘来达到排放量的最低标准,然而受湿烟气中液滴影响及超低粉尘测量精度要求,传统烟尘仪难以满足实际测量要求,通过结合湿烟气的烟气成份,对比分析传统烟尘仪与湿烟气低浓度烟尘仪的原理及技术特点,对于湿烟气超低粉尘在线监测烟尘仪的选型提供参考和借鉴。
关键词：湿烟气,湿式电除尘,超低排放,烟尘仪,光散射
参考文献
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[3]李昆,钟磊,张洪泉.烟尘浓度测量方法综述[J].传感器与微系统,2013,32(2):8-11.
粉尘监测 篇5
1 系统整体设计
如图1所示, 本系统由空调散热片粉尘检测模块和中心接收处理模块两部分组成, 均以低功耗STM32微处理器为主控。基于光电转换原理[3], 检测模块利用HOA1405-002反射式红外光电传感器阵列对空调散热片上的粉尘进行精确检测, 并将获取的微弱电流信号通过精密电阻转换成电压信号后, 再经微弱信号调理电路处理后传送给低噪声低功耗模/数转换器AD7195。
中心接收处理模块通过触摸液晶屏输入设置阈值并显示实时测量结果, 当检测的电压值 (对应于粉尘的量级) 小于空调需要清洗的阈值时, 控制继电器开关一直闭合, 空调系统处于工作状态。
一旦粉尘较多, 电压值将变大, 超过阈值后, 蜂鸣警和二极管声光报警。若在一定时间内, 检测的电压值持续高于设置的空调需要清洗的闸值, 则控制继电器切断供电, 空调停止工作, 达到强制用户对空调散热上的粉尘进行清洗的功能。
根据以上功能, 用户可实时监测空调散热片的污染状况, 及时清洗, 最大程度上避免由于散热片污染造成的健康危害, 同时可通过串口与上位机通信做到对空调散热片的智能化管理。
2 系统硬件设计
2.1 主控芯片简介
考虑到具体目标功能的实现, 主控芯片选用意法半导体的高性能、低功耗、低成本的STM32F103微处理器[4,5]。STM32F103基于ARM的Cortex-M3内核, 它具有很强悍的处理功能, 最高频率可以达到72 MHz, 带4个片选的静态存储器控制和并行的LCD接口。多达112个快速I/O端口, 所有的外部端口都可以映射到16个外部中断;几乎所有端口均可容忍5 V, 多达13个通信端口, 内置高速存储器, 4个通用的16位定时器和2个PWM定时器。STM32F103可以工作于-40~105℃的温度范围, 供电电压为2.0~3.6 V。选用这款微处理器, 不仅可以满足在较宽的温度范围内驱动芯片、数据处理的要求, 还可使微处理器进入一系列的低功耗省电模式, 有效地减少系统功耗, 节约电能, 增加使用时间。
2.2 阵列式光电传感器模块
由于传感芯片安装于空调内部, 工作环境较差, 且要求长达3~5年以上的工作时间, 故需要选择稳定和功耗很低的传感芯片。本系统选用反射式红外光电传感器[6]HOA1405-002。由于HOA1405-002的响应时间为12μs, 相对于散热片工作的速率很快, 所以它能精确测出散热片动态时候的粉尘厚度。如图2所示, 本系统信号采集实际上采用3个HOA1405-002光电传感器阵列式测量方式。
利用阵列式测量方式的原因或优点主要包括:
(1) 当散热片处于静态时, 考虑到散热片的形状, 单个的光电传感器可能处于散热片的空隙中, 从而不能测出散热片上的粉尘, 本系统采用3个HOA1405-002光电传感器排列成以圆心相互成120°的阵列, 能保证至少一个以上的光电传感器测到散热片上的粉尘;
(2) 即使有一个光电传感器出现故障, 系统仍然能够正常工作, 因此阵列式的测量方式能长期地实时监测静态或者动态时散热片上的粉尘;
(3) 对阵列式测量数据做平均可以减小随机误差, 提高了粉尘的测量精度。
图3是本系统阵列式光电传感模块中单个光电传感器驱动电路图, HOA1405-002自带一个红外发射二极管和一个光接收复合管。本监测仪通过PE.1利用STM32微处理器发出脉冲电压来驱动发射管间隔发光, 经过空调散热片上面的灰尘反射后被复合管接收转换为电流信号, 再经过精密电阻R17转换成电压信号通过微弱信号调理电路处理送与AD7195进行模/数转换。值得注意的是, 脉冲驱动可以消除暗电流的影响, 提高了测量精度。
2.3 微弱信号调理电路模块
如图4所示是本系统的微弱信号调理电路, 它包括前置放大端、双运放带通滤波器、中间级放大电路、二阶低通滤波器和隔离放大电路。
由OPA1及电阻电容组成前置放大电路, 该电路是典型的差分放大电路, 同时, C1和R3, C2与R4组成低通滤波器;由OPA2与OPA3组成双运放带通滤波器, 本设计的带通滤波器Q值和中心频率可调, 调节R6可以调节电路的谐振频率, 调节R5可以调节电路的Q值;由OPA4构成的同相比例运算放大器, OPA4主要起到中间级放大的作用;由OPA5与电阻R14, R15, 电容C9和C10构成有源低通滤波电路与隔离电阻R14, R15和电容C9, C10构成二阶低通滤波器, OPA5为电压跟随器, 电压跟随器有阻抗匹配, 还有隔离功能, 所以利用一个运放兼顾有源滤波和隔离功能, 其中OPA1到OPA5都是采用的OPA277的运算放大器。本系统采用三个相同微弱信号调理电路与上述的阵列传感器三个光电转换电路输出相连, 将调理的模拟电压信号同时输给后续的ADC模数转换电路进行处理。
2.4 模/数转换模块
如图5所示是本系统的模/数转换电路, HOA1405-002光电传感器采集的信号经微弱电路调理电路后通过ADI公司生产的AD7195转换后与STM32单片机相连, 然后将发光前后的转换的数值均送给单片机做差分处理, 可以消除环境背景光的影响。值得注意的是, 24位Σ-Δ型模/数转换器AD7195的均方根噪声为8.5 n V, 功耗电流仅400μA, 特别适合要求低功耗和高精度测量的应用[7]。同时AD7195内置交流激励, 通过如图6中外加的4个CMOS管组成的电路, CMOS的输出分别与AD7195的ACX1/ACX1和ACX2/ACX2相连接, 可以进一步消除信号的误差, 使所测得的数据更加精确。
2.5 中心接收处理模块
触摸屏液晶输入和显示模块:本设计采用带触摸屏的串行接口中文图形点阵TFT液晶显示模块RT-SI056B03。在实时显示测量的电压值和表征粉尘量级参数的同时, 利用该LCD触摸屏, 用户可以自行设置空调需要清洗时的阈值。
声光报警模块:本系统报警采用蜂鸣器鸣叫和二极管发光实现。如果粉尘的量级超过了之前规定的阈值。蜂鸣器发出警报, 同时通过单片机驱动发光二极管发光报警, 让人们及时清理灰尘。
开关控制模块:图7是本系统采用的继电器控制开关电路[8], 电源通过继电器常开一端接入空调系统, 正常情况下, 电源供电, 空调工作。当声光报警发生, 而且STM32微处理器检测的A/D电压值持续高于闸值10 min后, 微处理器给继电器送入低电平, 使继电器跳转, 常开一端断开, 电源断开连接, 停止给空调系统供电, 空调不工作。
时钟模块:使用时钟模块记录时间, 以方便用户能较为准确地把握清理粉尘的频率。本设计采用DS1302时钟芯片, 可以选择对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时。RS 232串口模块:采用电平转换芯片MAX232实现TTL逻辑电平和RS 232电平之间的相互转换。电平转换之后, 串行信号TXD, RXD与串口连接在一起, 实现STM32微处理器与PC机之间的通信。
3 系统软件设计
3.1 软件流程
本文设计的空调散热片粉尘监测系统的主流程图如图8所示, 当空调开机后, 单片机被唤醒, 散热片粉尘监测系统初始化, 此时用户可通过实际情况利用触摸屏设置报警阈值。然后AD7195每隔一定时间对HOA1405-002光电传感器阵列测量的散热片粉尘数据采样一次。经过微弱调理电路放大滤波处理后送入AD7195进行数/模转换再输入到STM32进行处理, 液晶屏显示粉尘量级, 并判断采集数据是否超过设阈值, 若超过, 驱动蜂鸣警和二极管进行声光报警。计数定时, 等待10 min, 用户如果没有采取措施, 则控制继电器跳转, 切断电源, 强制关闭空调。
3.2 智能化低功耗设计
由于粉尘的积累需要一定的时间, 因此没有必要时刻对空调散热片进行粉尘测试, 本系统程序按照低功耗方式设计。为了节约电能, 除了必要的设备初始化以外, 其余程序 (触摸屏触发、定时器、A/D转换) 均在中断中完成。当空调开机时, STM32微处理器被唤醒启动监测系统进行粉尘检测, 其余大部分时间处于低功耗模式中, 只有中断被触发时才被唤醒, 这一设计方案大大降低了系统功耗[9,10]。当空调关闭后, STM32进入待机状态, 关闭液晶背光, 进一步降低了系统的功耗。
4 实际系统测试与分析
根据上述设计制作了空调散热片粉尘监测系统, 经过软硬件调试成功之后, 采用不同污染程度的空调散热片测试样品做试验, 如图9所示, 本文选取了两种不同厂家的空调散热片作为测试对象。测试时光电传感器阵列探头与测试样品的距离均为1 cm, 具体的测试数据如表1所示。
从表1的实验结果可以看出, 对于不同的测试样品, 反射光信号经光电转换后的电压值也不同, 所以可将空调散热片上的粉尘的浓度和电压值建立起对应的分段关系, 并加以定级, 提示用户需不需要清洗散热片。结合图9不难发现粉尘浓度越大, 测得的电压差分值越大。当附着的粉尘浓度很大时, 可将它们对应的电压值设置为阈值。一旦测量的电压值达到阈值, 声光报警10 min后, 如果用户不做处理, 自动关闭空调, 强制用户对散热片进行清洗。
5 结论
本设计通过阵列式光电传感器以及微弱信号调理电路, 能实时精确地监测空调散热片上粉尘强度, 可实现分级别通过液晶显示和声光报警及时提示用户清洗散热片, 并且为用户的健康着想带有强制断电功能。该智能化空调散热片粉尘监测仪采用的各类模块均为微型化模块, 可用普通5 V锂电池供电, 具有低功耗、微型化、便携式、低成本的特点, 稳定性高, 同时具有数据实时显示、语音提示、与上位机通信等功能, 适应于各种类型空调内部散热片粉尘测量监测, 有很强的扩展性和推广价值。
摘要：为了对空调散热片上的粉尘进行准确检测, 设计并实现了一种超低功耗高精度粉尘自动监测仪。该系统由ARM处理器、阵列式光电传感器模块、微弱信号调理电路、模/数转换电路、触摸屏液晶显示及输入模块、声光报警系统、继电器开关控制电路、时钟模块以及串口通信模块构成。以STM32微处理器为主控, 通过脉冲驱动阵列式光电传感器对空调散热片粉尘进行差分检测, 并利用交流激励低噪声AD7195模数转换器将经过放大滤波处理后的电压信号转换成数字量。微处理器接受数字量后进行分析与处理, 可实现分级别通过液晶显示和声光报警及时提醒用户清洗空调散热片, 并且带有强制断电功能。经实际应用, 该智能化空调散热片粉尘自动监测仪能有效精确实现实时显示、光电报警、上位机通信等功能, 对各类空调内部散热片都能很好的监测, 具有很强的实用价值。
关键词：STM32微处理器,HOA1405-002,AD7195,粉尘检测,空调散热片
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