【摘要】：固定污染源排放煙氣中的顆粒物是大氣污染物的重要組成部分,對大氣環(huán)境、人體健康和人類的生活造成了不利的影響,如何對固定污染源排放的顆粒物進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測引發(fā)了廣泛的關(guān)注。本文基于Mie散射理論,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種探測顆粒物粒徑分布和濃度的光學(xué)系統(tǒng)。本文首先根據(jù)Mie散射理論,提出了一種利用單波長測量顆粒物濃度的方法,并根據(jù)這種方法完成了設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析。通過分析,發(fā)現(xiàn)該方法在顆粒物粒徑發(fā)生變化時(shí)對濃度的測量并不準(zhǔn)確。固定污染源排放煙氣中顆粒物的折射系數(shù)通常不會發(fā)生明顯變化,根據(jù)Mie散射理論,散射光信號與顆粒物粒徑分布、濃度和入射光波長有關(guān)。其中,粒徑分布近似符合正態(tài)對數(shù)分布,可用中值粒徑和標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá),此時(shí)需要求解中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差和顆粒物濃度三個(gè)參數(shù),理論上需要三路不同波長的散射光信號來完成計(jì)算。于是本文又提出了一種三波長的探測方法,在利用探測器對三路散射光信號的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對顆粒物粒徑分布的探測后,根據(jù)其中一路的光強(qiáng)響應(yīng)值探測顆粒物濃度。本文根據(jù)三波長的測量原理,通過對單波長設(shè)備的改進(jìn),設(shè)計(jì)了三波長測量粒徑分布和濃度的設(shè)備,并對設(shè)備的氣路進(jìn)行了仿真分析。使用三波長結(jié)構(gòu)的設(shè)備,不僅能獲得顆粒物更多的信息,而且能夠使?jié)舛葴y量更加準(zhǔn)確。本文嘗試將該設(shè)備應(yīng)用于對火電廠排放煙氣中顆粒物的連續(xù)監(jiān)測中,在完成對探測設(shè)備的設(shè)計(jì)之后,利用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有資源,設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺,使用已有的粒徑測量設(shè)備和濃度測量設(shè)備作為參照,對本設(shè)備的測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性做出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)最終促使資助課題通過了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中期檢查。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X831;O43
【圖文】：

本課題來源于 2016 年國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“重點(diǎn)行業(yè)固定污染源大氣排放高精度監(jiān)測技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用示范”課題一“細(xì)/超細(xì)顆粒物高精度在線監(jiān)測技術(shù)研發(fā)及示范”。子任務(wù)（子課題）：光學(xué)散射/衍射顆粒物在線測量技術(shù)及其示范應(yīng)用示，：2016YFC0201101-1 。作為“細(xì)/超細(xì)顆粒物高精度在線監(jiān)測技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用示范”課題下的子任務(wù)，的目標(biāo)是配合 射線法濃度儀，實(shí)現(xiàn)對固定污染源排放煙氣中 PM10，PM2.5和 P度進(jìn)行監(jiān)測。具體而言， 射線法濃度儀的測量精度高，結(jié)果不受顆粒物粒徑響，但不適用于在線監(jiān)測，因此用來對本設(shè)備校準(zhǔn)；本設(shè)備可連續(xù)監(jiān)測顆粒物布和濃度，當(dāng)探測到粒徑分布發(fā)生明顯變化時(shí)，需要啟動 射線法濃度儀對本準(zhǔn)，二者相互配合能更準(zhǔn)確地測量顆粒物濃度。工作的流程如圖 1-1 所示，使備對顆粒物的粒徑分布和濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，當(dāng)探測到粒徑分布發(fā)生變化時(shí)，號啟動 射線法濃度儀對本設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，然后繼續(xù)對濃度進(jìn)行監(jiān)測；圖中利A 測量 PM0.5由中科院安徽光機(jī)所進(jìn)行研制，這里不再詳述。

圖 1-2 消光法測量原理 射線吸收法 射線吸收法的原理是： 射線在通過顆粒物時(shí)會被吸收，當(dāng)發(fā)射的射線能量，被吸收的能量與顆粒物的質(zhì)量成正比[12]。測量時(shí)，首先使用切割器對煙氣樣，然后用濾膜吸附顆粒物。通過測量 射線的透過濾膜時(shí)光強(qiáng)的衰減系數(shù)算出空氣中顆粒物濃度。 射線吸收法的特點(diǎn)是：測量結(jié)果僅與顆粒物質(zhì)量與顆粒物的種類、粒徑分布、折射系數(shù)等其他因素?zé)o關(guān)[11,13]，適用于濕度大物粒徑和成分變化大的場合。但由于需要等速測量，因此不適合流速變化大。同時(shí)，使用該方法的儀器成本較高，測量時(shí)間較長[14]，在精度要求較高性比較差，因此不適合用來在線監(jiān)測。使用該方法的產(chǎn)品有法國 ESA 的 B 型粉塵儀，在環(huán)境監(jiān)測站有較多的應(yīng)用。

圖 1-2 消光法測量原理射線吸收法射線吸收法的原理是： 射線在通過顆粒物時(shí)會被吸收，當(dāng)發(fā)射的射線被吸收的能量與顆粒物的質(zhì)量成正比[12]。測量時(shí)，首先使用切割器對，然后用濾膜吸附顆粒物。通過測量 射線的透過濾膜時(shí)光強(qiáng)的衰減系出空氣中顆粒物濃度。 射線吸收法的特點(diǎn)是：測量結(jié)果僅與顆粒物顆粒物的種類、粒徑分布、折射系數(shù)等其他因素?zé)o關(guān)[11,13]，適用于濕粒徑和成分變化大的場合。但由于需要等速測量，因此不適合流速變同時(shí)，使用該方法的儀器成本較高，測量時(shí)間較長[14]，在精度要求較比較差，因此不適合用來在線監(jiān)測。使用該方法的產(chǎn)品有法國 ESA 的粉塵儀，在環(huán)境監(jiān)測站有較多的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2752179