颗粒特性对激光散射法测量质量浓度的影响研究

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近年来,我国大气污染问题日益严重,而燃煤电站排放的粉尘是引起大气污染的重要原因,为此国家制定了更为严格的燃煤电站粉尘排放标准,在超净排放的标准下要求燃煤电站粉尘排放量不能超过10mg/Nm~3。传统的测量方法很难在如此低的浓度下对粉尘浓度进行精确的监测,在新的排放标准下如何对电站排放的粉尘进行精确的测量显得尤为重要。近些年来随着光学的发展,应用光学方法进行粉尘浓度测量成为研究的热点,但复杂的颗粒特性还是会对测量精度产生影响。本文采用激光全散射法,首先对全散射法中的消光系数等进行了推导和分析,并自主搭建了全散射法浓度测量平台,而后重点研究了颗粒粒径与球形度对全散射法测量粉尘浓度的影响。本文首先利用MATLAB仿真,对全散射法的特点进行分析,并确定下系统台架中光路、电路、气路等测量单元的关键参数。而后搭建了浓度测量平台,并用两种不同粒径的聚苯乙烯标准颗粒对实验台架进行了标定,基本实现了粉尘浓度的精确测量。为了探究粒径对全散射法浓度测量的影响,本文选用了四种不同粒径分布的球形二氧化硅颗粒进行浓度测量实验。实验表明,样品的粒径越大,测量精度越差,随着无量纲尺寸因子α的增大,散射光的强度越来越大,且散射信号有前向集中的趋势。当前向散射光尤其是趋向于零度附近的散射光强度太大时,必然会对透射光的收集产生影响。当颗粒中?>30的粒子占颗粒系的比例增大时,这部分颗粒运用平均算法来进行浓度求解时必然会产生误差,导致测量精度也越差。为了探究球形度对浓度测量造成的影响,本文选用三种不同形状的二氧化硅样品进行实验。结果表明,非球形颗粒的散射特性是各向异性的,颗粒的形状越偏离球形,在不同角度的散射截面、消光截面与球形颗粒的差别越大,产生的误差也会越大。随着入射光波长的增大散射函数的分布趋于平缓,由形状引起的散射偏移逐渐减小,散射光在空间分布更接近于球形颗粒,由粒子形状对散射造成的影响将逐渐缩小。
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