工業煙塵對光束傳播質量影響的模擬研究

劉建蘋，符繼征，林 勇

（安徽廣播影視職業技術學院 信息工程學院，安徽 合肥 230031）

隨著我國經濟的快速發展，工業企業數量不斷增加，大量工業有害物質通過煙道被直接排放進入大氣中，對自然環境造成了嚴重的污染.近年來，隨著我國對環保工作重視程度的不斷提高，如何有效監測有毒有害氣體及顆粒物排放，已經引起人們的廣泛關注.為準確測量工業現場污染物的排放量，如有毒有害氣體、顆粒物等，需要對工業煙道內污染物的排放速度和實時濃度進行同步監測，國內外科研工作者們在此方面也進行了廣泛而卓有成效的研究，開發了介入式和非介入式等多種測量技術.在非介入監測技術中，激光光譜技術能夠通過光譜強度描述有毒有害氣體的濃度［1-3］和煙氣流速［4］，還可以利用顆粒物后向散射光強監測煙氣中的顆粒物濃度，因此成為環境監測領域的一個重要研究方向，近年來獲得了長足的進步［5，6］.

利用光譜技術在工業現場進行實際測量時，探測光束必須經過煙氣流，其測量結果也會受到多種因素影響，例如測量儀器靈敏度和穩定性、待測氣體或顆粒物濃度、煙道內氣流特點等.光閃爍是指光通過測量介質后光強隨時間起伏變化，工業煙道內造成光閃爍的因素很多［7］.光束通過煙氣流時，高溫煙氣流引起的光學湍流會造成折射率的時空變化，使從其中穿過的光束產生閃爍效應［8］.當煙氣流中的顆粒物隨機移入或移出探測光束時，因為顆粒物對光強的作用，顆粒物濃度變化也會引起光強閃爍.如果煙道內顆粒物濃度非常高，甚至可能造成探測器無法探測到有效光強.因此，根據煙道內顆粒物濃度和粒徑分布情況，結合已有的光散射理論，初步估算探測光束經過煙道后的光強，不僅可以為探測儀器光源部件選型提供理論參考，也能夠節省儀器成本.

1 基本原理

根據朗伯-比爾定律:

其中I、I0分別為出射光光強和入射光光強，單位為mW/cm2，a為吸收因子，可表示為 a＝kc，它與吸收物質的化學特性和狀態、入射光波長有關；L為探測光束經過被測物質的光程長度，單位為m；c為質量濃度，單位為mg/m3；k為與質量濃度無關的比例系數，與中位粒徑之間的關系擬合成數學公式分別為:

實際測量獲得的粉塵消光系數與粉塵種類、中位粒徑、光密度和粉塵質量濃度的關系如表1所示［9］.

表1 消光系數計算結果

2 模擬分析

一般情況下，煙道內的煙塵粒子粒徑分布會滿足對數正態分布或高斯分布.為分析煙道內煙塵粒子的中位粒徑，我們利用實驗室的模擬煙道研究了煤粉燃燒后煙塵粒子粒徑的譜分布.其結果如圖1所示.從測量結果可以看出，模擬煙道內煙塵粒子的粒徑范圍為0～20 μm，分布滿足對數正態分布，其模式直徑在0.723～0.777 μm范圍內.根據江蘇某公司通過離線方式測得的煙塵濃度（8～30 mg/m3）和粒徑分布信息（0～150 μm），假設煙道內煙塵粒子的譜分布滿足正態分布，且與模擬煙道內煙塵的粒徑譜分布相符，則實際煙道內的煙塵粒子中位粒徑約為5.42～5.82 μm.如煙道內煙塵粒子的粒徑分布滿足高斯分布，則中位粒徑約為75 μm.

圖1 模擬煙道內煙塵粒子的粒徑譜分布

基于上述理論我們模擬了不同譜分布狀態下煙塵粒子的消光系數.當譜分布滿足正態分布時，煙塵粒子的中位粒徑取為5.4 μm，當譜分布滿足高斯分布時，煙塵粒子的中位粒徑取為75 μm.假設入射光強為1，光程長度為15 m，在質量濃度不變的前提下，經模擬計算可知，透射過不同類型煙塵粒子的煙道后，透射光強度分別如表2和表3所示，其中k為與質量濃度無關的比例系數，kc為與吸收物質的化學特性和狀態、入射光波長有關的系數，L為光束傳播距離，e-aL為最終透過率.根據表2和表3的計算結果可以看出，在質量濃度相同的情況下，粒子中位粒徑越小，煙塵的消光效果越明顯.這主要是因為煙塵粒子的中位粒徑越小，則煙道內的煙塵粒子數濃度越大，在粒子中位粒徑遠大于探測光束波長的情況下，煙塵粒子數量對于消光強度有決定性作用.為了確保入射光束能夠被順利探測，保證試驗系統的正常運行，模擬計算應以煙塵粒子的粒徑分布滿足對數正態分布的情況進行計算.

表2 中位粒徑按對數正態分布計算得到的消光系數

表3 中位粒徑按高斯分布計算得到的消光系數

考慮煙氣流速測量系統研制成本，常用探測器的有效探測功率密度一般在10～4 mW量級，常用DFB激光器在光纖出口處的功率為10 mW，芯徑為250 μm，即出射功率密度為 200 mW/mm2.假設經過準直系統后能量損失，并且到達探測器后被全部無損收集，光束經聚焦后的光斑直徑為1 mm，則光強約為10～100 mW/mm2量級，無法達到探測器響應極限.由此反推可知，為確保信號的信噪比，激光器在光纖出口處的功率須達到10 W.當煙塵粒子譜分布滿足高斯分布時（中位粒徑為75 μm），常用 DFB激光器可以滿足要求.

當煙塵粒子中位粒徑為5.4 μm，光束傳輸路徑分別為5 m和10 m時，消光系數的模擬計算結果如表4和表5所示.從模擬計算結果可以看出，當中位粒徑為5.4 μm、傳輸距離為10 m時，DFB激光器的光纖出口處激光功率應不小于1 W；中位粒徑為5.4 μm、傳輸距離為5 m時，激光器出口功率應不小于100 mW.

表4 中位粒徑5.4 μm傳輸距離5 m的消光系數計算結果

表5 中位粒徑5.4 μm傳輸距離10 m的消光系數計算結果

續表

3 結論

利用光學方法測量煙道內顆粒物濃度時，煙道內的煙塵粒子對探測光束具有明顯的衰減.從計算結果表明:當煙塵粒子譜分布滿足正態分布、中位粒徑為5.4 μm、光程長度為15 m時，激光器光纖出口功率須達到10 W，透射光束才能被有效探測；當光程長度不變，譜分布滿足高斯分布、中位粒徑取為75 μm時，激光器光纖出口功率達到200 mW 即可滿足使用需要.上述結果說明當煙塵粒子的譜分布滿足對數正態分布時，其對探測光束的衰減程度遠高于高斯分布狀態下的煙塵粒子.