一种PM2.5工业烟气的在线监测装置及其方法

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一种PM2.5工业烟气的在线监测装置及其方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种PM2.5工业烟气的在线监测装置及其方法，尤其涉及钢铁等行业冶金炉窑高温烟气的净化处理，属于PM2.5捕集技术领域。\n背景技术\n[0002] PM2.5是指大气中直径小于等于2.5μm的颗粒物，具有粒径小、比表面积大的特点，易吸附有毒害物质且具有很强的穿透力，可抵达细支气管壁，影响呼吸系统健康，直接危害人们身体健康。在我国，有些重要工业城市，来源于钢铁行业的PM2.5超过三成，引起了人们的高度关注。\n[0003] 在PM2.5清洁除尘过程中，烟道流场分布的均匀性如何，直接影响相应设备运行的效率。现在锅炉等的烟道流场分布常用的测量方法为：在烟道内根据测试要求搭设脚手架，各大风机投入运行，调整参数具备试验条件，测试人员进入烟道内，手持仪器进行数据采集。因脚手架和架板的搭设较多，对流场造成一定的影响。测试人员需要上下攀爬脚手架，逐点测试，工作量较大，现场测试环境恶劣，风速大，灰尘多，不但危害测试人员身体健康，还存在一定的安全隐患且检测数据不精确。在钢铁冶金领域，其产生的烧结烟气粉尘量大，影响面广，温度较高，且含有氯化氢（HCl）、硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、氟化氢（HF）等腐蚀性气体，烟气温度一般在120～180℃上下。在这种情形下，为了除尘和测量烟道流场，冶炼厂也不可能停工检修，传统的烟道流场检测和优化方法是不可行的，这导致冶金工厂的设备运行效率不高，其制造的含有大量PM2.5的工业烟尘无法得到有效地处理。\n[0004] 虽然随着民众健康和环保意识的增强对空气质量越发关注，PM2.5话题迅速升温，但国内外对于PM2.5的研究还处于初始阶段，除了对生活领域PM2.5的监测有一些专利出现，但结合冶金行业高腐蚀性、高温、高能、高速等特征，专门研究工业除尘的PM2.5监测、检测与流场分布优化的结果微乎其微。现有技术不仅存在对PM2.5的监测检测体系不完善，精度不准确等问题，还存在对工业烟气的处理不适用、设备失效、抗腐蚀性不强、无法实现智能化和自动化等众多复杂技术难题。\n[0005] 目前，测量烟气流场的方法有：（1）声波测速法，声波是机械波，在气体介质中传播时为纵波。声速是小扰动的传播速度，在流体中与介质自身的流速为线性叠加关系。（2）测速管测定法，便于观察和了解气流的运动轨迹和射流射程等，可以得出气流的速度场方向图谱和测定各处气流的速度值。（3）热线 / 热膜测速法，利用热平衡原理来测量气体的平均速度和脉动速度，具有惯性小，频率响应宽，灵敏度高，对流场干扰小的特点。（4）PIV粒子图像测速法，作为一种非接触式的测量方法，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。但上述各方法都有一定的弊端，要么不适用工业应用场合，要么精确度和分辨率不高，不能满足钢铁冶金烟气除尘和PM2.5过滤的需求。\n发明内容\n[0006] 为了解决上述问题，本发明旨在提供一种分布式检测、在线式监测、智能化控制的PM2.5工业烟气的在线监测装置及其方法，能够在线监测到工业烟气的检测数据，自动调节烟气管道的流场优化分布。\n[0007] 一种PM2.5工业烟气的在线监测装置及其方法，包括探测头、集成传感器、分层隔离室、PM2.5检测单元、中央处理器、导轨履带、GPRS通信模块和外部显示操作屏，将烟气检测模块和在线监测模块进行一体化集成，由导轨履带进行支撑并在烟气管道和除尘箱体内部行走，GPRS通信模块能够通过定位测量其所处的坐标点，探测头以不同高度外露于烟气通道进行取样，由集成传感器检测探测头最初探测的烟气温度、湿度、流向、流速、气压和化学组分，分层隔离室通过PM2.5切割器分成第一分层隔离室和第二分层隔离室，由PM2.5检测单元检测进入第二分层隔离室的PM2.5的各项物理和化学表征，由中央处理器对集成传感器与PM2.5检测单元的检测数值进行记录、分析、处理、储存或绘制图像，再传输给外部显示操作屏，以进行连续性监测和全系统即时操作。\n[0008] 更进一步地，一种PM2.5工业烟气的在线监测装置还包括激光发射极、散射光收集器和PIV拍摄仪，由激光发射极发出激光照到烟气中，烟气粒子会散射光线，这些烟气粒子散射的光强度由散射光收集器捕获后，可以转换为颗粒脉冲信号，通过颗粒脉冲信号可以测量出烟气中含尘粒子的浓淡程度，这与集成传感器一样也具有相应的检测功能，只是检测方法和原理有不同。这些烟气粒子散射光场景也可以被PIV拍摄仪捕捉到，由此对烟气管道和除尘箱体内部的烟气状况进行图像摄制，可以记录整个流场的瞬息变化和整体情况。\n[0009] 更进一步地，一种PM2.5工业烟气的在线监测装置的分层隔离室通过PM2.5切割器分成第一分层隔离室和第二分层隔离室，外部烟气中≤20μm的粉尘粒子通过探测头的表层滤膜进入第一分层隔离室，≤2.5μm的粉尘粒子通过PM2.5切割器进入第二分层隔离室，第二分层隔离室的PM2.5检测单元能将PM2.5的各项物理和化学表征检测出来，集成传感器与PM2.5检测单元的检测数值能通过中央处理器计算出结果或绘制成图像。\n[0010] 更进一步地，一种PM2.5工业烟气的在线监测装置的PM2.5检测单元为β射线检测盒，通过PM2.5切割器的粉尘粒子进入第二分层隔离室，粉尘粒子进入β射线检测盒的一侧为发射端，另一侧为接收端，β射线穿过检测盒体内的检测空间被颗粒物散射而衰减，由此可计算得出PM2.5的重量。\n[0011] 更进一步地，一种PM2.5工业烟气的在线监测装置的导轨履带设置在线监测装置的底部，能够支撑整个在线监测装置，并可以在烟气管道和除尘箱体内的各部位运动；所述的GPRS通信模块能够通过定位测量在线监测装置运动的距离及其所处的坐标点，通过颗粒脉冲信号和PIV拍摄仪的图像可以获知相应坐标点的流场分布状况。\n[0012] 更进一步地，一种PM2.5工业烟气的在线监测装置除了可以通过外部显示操作屏进行人工操作外，也可以连接自控调节装置进行自动调节，由中央处理器将烟气管道和除尘箱体内部的流场分布状况指标处理后，再向自控调节装置发出控制信号，从而通过自控调节装置的多通道实时同步控制系统控制烟气管道和除尘箱体内部的导流板和风压泵的启闭、转向和转速，实现多点、多通道控制。\n[0013] 一种PM2.5工业烟气的在线监测装置的运行方法，其特征在于进行连续性在线监测和智能化自动调节，步骤如下：\n[0014] （1）在线监测装置可以分布式设置于烟气管道和除尘箱体内部各段或通过履带导轨在烟气管道和除尘箱体内部行走；\n[0015] （2）通过GPRS通信模块定位测量其所处的坐标点，通过探测头的取样，经集成传感器检测，获得最初探测烟气的温度、湿度、流向、流速、气压和化学组分；通过散射光收集器捕获光强度转化的颗粒脉冲信号和PIV拍摄仪摄制的流场瞬息图像，获得相应坐标点的流场分布状状况和烟气中含尘粒子的浓淡程度；\n[0016] （3）集成传感器与PM2.5检测单元的检测数值、散射光收集器捕获光强度转化的颗粒脉冲信号、PIV拍摄仪摄制的流场瞬息图像传输给中央处理器，由中央处理器记录、分析、处理、储存或绘制图像；\n[0017] （4）由中央处理器分析处理的结果和生成的图像再传输给外部显示操作屏，以进行连续性监测和全系统即时操作。\n[0018] （5）中央处理器也可以直接连接自控调节装置，由中央处理器将烟气管道和除尘箱体内部的流场分布状况指标处理后，直接向自控调节装置发出控制信号，从而通过自控调节装置的多通道实时同步控制系统控制烟气管道和除尘箱体内部的导流板和风压泵的启闭、转向和转速，实现多点、多通道控制。\n[0019] 更进一步地，所述的一种PM2.5工业烟气的在线监测装置探测烟气时，外部烟气中≤20μm的粉尘粒子通过探测头的表层滤膜进入烟气检测装置的第一分层隔离室，经PM2.5切割器过滤，≤2.5μm的粉尘粒子进入第二分层隔离室，PM2.5检测单元将PM2.5的各项物理和化学表征检测出来。\n[0020] 更进一步地，所述的PM2.5检测单元为β射线检测盒，通过PM2.5切割器的粉尘粒子进入烟气检测装置的第二分层隔离室，粉尘粒子进入β射线检测盒的一侧为发射端，另一侧为接收端，β射线穿过检测盒体内的检测空间被颗粒物散射而衰减，由此测算出PM2.5的重量。\n[0021] 更进一步地，所述的自控调节装置可以自动调节导流板和风压泵，其上的可伸缩调节的支撑杆能由多通道实时同步控制系统控制其开合和转向的角度。风压泵可以根据烟气管道和除尘箱体各处的流场分布情况，由多通道实时同步控制系统控制其开启、闭合、压强和转速。所述的多通道实时同步控制系统与在线监测装置的中央处理器相连，根据中央处理器的指令进行多点、多通道控制。\n[0022] 一种PM2.5工业烟气的在线监测装置及其方法，能实现了以下技术效果：（1）能提供分布式检测，可以在烟气管道和除尘箱体的各个部位进行便捷、即时的检测；（2）能在同一时刻记录下整个流场的有关信息，具备单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像；（3）能实现在线式监测，根据检测指标分析烟气管道和除尘箱体内部的流场分布状况，进行瞬时和连续性的监测；（4）能实现智能化控制，通过中央处理器和多通道实时同步控制系统能自动、即时控制烟气管道和除尘箱体内部的导流板和风压泵的启闭、转向。\n附图说明\n[0023] 图1为本发明一种PM2.5工业烟气的在线监测装置的结构示意图。\n[0024] 其中，1探测头；2集成传感器；3中央处理器；4第一分层隔离室；5第二分层隔离室；\n6导轨履带；7激光发射极；8 PM2.5切割器；9 β射线检测盒；10 PM2.5检测单元；11 GPRS通信模块；12散射光收集器；13 PIV拍摄仪。\n具体实施方式\n[0025] 以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。\n[0026] 实施例一\n[0027] 一种PM2.5工业烟气的在线监测装置及其方法，包括探测头（1）、集成传感器（2）、分层隔离室、PM2.5检测单元（10）、中央处理器（3）、导轨履带（6）、GPRS通信模块（11）和外部显示操作屏，将烟气检测模块和在线监测模块进行一体化集成，由导轨履带（6）进行支撑并在烟气管道和除尘箱体内部行走，GPRS通信模块（11）能够通过定位测量其所处的坐标点，探测头（1）以不同高度外露于烟气通道进行取样，由集成传感器（2）检测探测头最初探测的烟气温度、湿度、流向、流速、气压和化学组分，分层隔离室通过PM2.5切割器（8）分成第一分层隔离室（4）和第二分层隔离室（5），由PM2.5检测单元检测进入第二分层隔离室（5）的PM2.5的各项物理和化学表征，由中央处理器（3）对集成传感器（2）与PM2.5检测单元（10）的检测数值进行记录、分析、处理、储存或绘制图像，再传输给外部显示操作屏，以进行连续性监测和全系统即时操作。\n[0028] 一种PM2.5工业烟气的在线监测装置还包括激光发射极（7）、散射光收集器（12）和PIV拍摄仪（13），由激光发射极发出激光照到烟气中，烟气粒子会散射光线，这些烟气粒子散射的光强度由散射光收集器（12）捕获后，可以转换为颗粒脉冲信号，通过颗粒脉冲信号可以测量出烟气中含尘粒子的浓淡程度，这与集成传感器（2）一样也具有相应的检测功能，只是检测方法和原理有不同。这些烟气粒子散射光场景也可以被PIV拍摄仪（13）捕捉到，由此对烟气管道和除尘箱体内部的烟气状况进行图像摄制，可以记录整个流场的瞬息变化和整体情况。\n[0029] 上述的分层隔离室通过PM2.5切割器（8）分成第一分层隔离室（4）和第二分层隔离室（5），外部烟气中≤20μm的粉尘粒子通过探测头（1）的表层滤膜进入第一分层隔离室（4），≤2.5μm的粉尘粒子通过PM2.5切割器（8）进入第二分层隔离室（5），第二分层隔离室（5）的PM2.5检测单元（10）能将PM2.5的各项物理和化学表征检测出来，集成传感器（2）与PM2.5检测单元（10）的检测数值能通过中央处理器（3）计算出结果或绘制成图像。\n[0030] 上述的PM2.5检测单元为β射线检测盒（9），通过PM2.5切割器（8）的粉尘粒子进入第二分层隔离室（5），粉尘粒子进入β射线检测盒的一侧为发射端，另一侧为接收端，β射线穿过检测盒体内的检测空间被颗粒物散射而衰减，由此可计算得出PM2.5的重量。\n[0031] 上述的在线监测装置的导轨履带（6）设置在线监测装置的底部，能够支撑整个在线监测装置，并可以在烟气管道和除尘箱体内的各部位运动；上述的GPRS通信模块（11）能够通过定位测量在线监测装置运动的距离及其所处的坐标点，通过颗粒脉冲信号和PIV拍摄仪（13）的图像可以获知相应坐标点的流场分布状况。\n[0032] 更进一步地，一种PM2.5工业烟气的在线监测装置除了可以通过外部显示操作屏进行人工操作外，也可以连接自控调节装置进行自动调节，由中央处理器（3）将烟气管道和除尘箱体内部的流场分布状况指标处理后，再向自控调节装置发出控制信号，从而通过自控调节装置的多通道实时同步控制系统控制烟气管道和除尘箱体内部的导流板和风压泵的启闭、转向和转速，实现多点、多通道控制。\n[0033] 实施例二\n[0034] 一种PM2.5工业烟气的在线监测装置的运行方法，其特征在于进行连续性在线监测和智能化自动调节，步骤如下：\n[0035] （1）在线监测装置可以分布式设置于烟气管道和除尘箱体内部各段或通过履带导轨（6）在烟气管道和除尘箱体内部行走；\n[0036] （2）通过GPRS通信模块（11）定位测量其所处的坐标点，通过探测头（1）的取样，经集成传感器（2）检测，获得最初探测烟气的温度、湿度、流向、流速、气压和化学组分；通过散射光收集器（12）捕获光强度转化的颗粒脉冲信号和PIV拍摄仪（13）摄制的流场瞬息图像，获得相应坐标点的流场分布状状况和烟气中含尘粒子的浓淡程度；\n[0037] （3）集成传感器（2）与PM2.5检测单元（10）的检测数值、散射光收集器（12）捕获光强度转化的颗粒脉冲信号、PIV拍摄仪（13）摄制的流场瞬息图像传输给中央处理器（3），由中央处理器（3）记录、分析、处理、储存或绘制图像；\n[0038] （4）由中央处理器（3）分析处理的结果和生成的图像再传输给外部显示操作屏，以进行连续性监测和全系统即时操作。\n[0039] 更进一步地，所述的一种PM2.5工业烟气的在线监测装置探测烟气时，外部烟气中≤20μm的粉尘粒子通过探测头（1）的表层滤膜进入烟气检测装置的第一分层隔离室（4），经PM2.5切割器（8）过滤，≤2.5μm的粉尘粒子进入第二分层隔离室（5），PM2.5检测单元将PM2.5的各项物理和化学表征检测出来。\n[0040] 更进一步地，所述的PM2.5检测单元为β射线检测盒（9），通过PM2.5切割器（8）的粉尘粒子进入烟气检测装置的第二分层隔离室（5），粉尘粒子进入β射线检测盒的一侧为发射端，另一侧为接收端，β射线穿过检测盒体内的检测空间被颗粒物散射而衰减，由此测算出PM2.5的重量。\n[0041] 实施例三\n[0042] 一种PM2.5工业烟气的在线监测装置的运行方法，其特征在于进行连续性在线监测和智能化自动调节，步骤如下：\n[0043] （1）在线监测装置可以分布式设置于烟气管道和除尘箱体内部各段或通过履带导轨（6）在烟气管道和除尘箱体内部行走；\n[0044] （2）通过GPRS通信模块（11）定位测量其所处的坐标点，通过探测头（1）的取样，经集成传感器（2）检测，获得最初探测烟气的温度、湿度、流向、流速、气压和化学组分；通过散射光收集器（12）捕获光强度转化的颗粒脉冲信号和PIV拍摄仪（13）摄制的流场瞬息图像，获得相应坐标点的流场分布状状况和烟气中含尘粒子的浓淡程度；\n[0045] （3）集成传感器（2）与PM2.5检测单元（10）的检测数值、散射光收集器（12）捕获光强度转化的颗粒脉冲信号、PIV拍摄仪（13）摄制的流场瞬息图像传输给中央处理器（3），由中央处理器（3）记录、分析、处理、储存或绘制图像；\n[0046] （4）中央处理器（3）也可以直接连接自控调节装置，由中央处理器（3）将烟气管道和除尘箱体内部的流场分布状况指标处理后，直接向自控调节装置发出控制信号，从而通过自控调节装置的多通道实时同步控制系统控制烟气管道和除尘箱体内部的导流板和风压泵的启闭、转向和转速，实现多点、多通道控制。\n[0047] 更进一步地，所述的一种PM2.5工业烟气的在线监测装置探测烟气时，外部烟气中≤20μm的粉尘粒子通过探测头（1）的表层滤膜进入烟气检测装置的第一分层隔离室（4），经PM2.5切割器（8）过滤，≤2.5μm的粉尘粒子进入第二分层隔离室（5），PM2.5检测单元将PM2.5的各项物理和化学表征检测出来。\n[0048] 更进一步地，所述的PM2.5检测单元为β射线检测盒（9），通过PM2.5切割器（8）的粉尘粒子进入烟气检测装置的第二分层隔离室（5），粉尘粒子进入β射线检测盒的一侧为发射端，另一侧为接收端，β射线穿过检测盒体内的检测空间被颗粒物散射而衰减，由此测算出PM2.5的重量。\n[0049] 更进一步地，所述的自控调节装置可以自动调节导流板和风压泵，其上的可伸缩调节的支撑杆能由多通道实时同步控制系统控制其开合和转向的角度。风压泵可以根据烟气管道和除尘箱体各处的流场分布情况，由多通道实时同步控制系统控制其开启、闭合、压强和转速。所述的多通道实时同步控制系统与在线监测装置的中央处理器（3）相连，根据中央处理器（3）的指令进行多点、多通道控制。