动态光散射在烟气颗粒粒径分析中的应用

　　1 引 言

　　研究指出，人体通过毛孔和气管的保护能够滤去5 μm 以上的尘埃，通过呼吸作用可以将极小的颗粒排出体外，但是对 0.2～2 μm 的颗粒则会残留在肺部，引起各种疾病，危害着人体的健康。所以测量超细烟气颗粒的粒径，对于控制环境污染，保障人体健康有着十分重要的意义。在众多颗粒粒径测量方法中，动态光散射测量技术具有不干扰、不接触流场，测量粒子的尺寸范围宽，分辨率高等优点，使其成为测量颗粒粒径最为有效的方法。由于传统的动态光散射技术均是对溶液中的颗粒进行测量，但是有些烟气颗粒会溶于水或其它液体，所以如何在气体中直接测量烟气颗粒是动态光散射技术需要解决的问题。

　　2 动态光散射测量的基本原理

　　激光通过细小颗粒时会发生光散射现象，如果散射颗粒以一定的速度在运动，根据多普勒效应，散射光频率会发生多普勒频移，频移的多少与散射粒子的速度有关。在探测含有两个角频率ω1和ω2的散射光时，t 时刻的两个散射光电场可用下式描述：

　　在传统的动态光散射测量中，测量往往是对溶液中的颗粒进行的。利用溶液中颗粒的布朗运动改变散射光的频率，进而获得溶液中粒子的信息。布朗运动是热运动的一种，通过布朗运动的扩散系数推导过程，即Stock-Einstein 公式，可知其同样适用于气体中的悬浮颗粒。所以，在假设颗粒为球状体，其半径远大于气体中的分子或其他微小粒子，并且悬浮颗粒的运动速度不是很大，以至气体仍能够保留层流的结构的情况下，利用一般流体力学的Stock 定理可得：

其中：kB为波尔兹曼常数，T 为绝对温度，η 为动力学粘滞系数，Rh 为待测颗粒的流体力学半径。由此，可以求出颗粒的粒径大小。

　　3 烟气颗粒粒径测量实验方案

　　3.1 测量装置

　　图1 是整体测量装置的示意图，主要由激光器、样品池、光电倍增管 PMT 和 BI-9000 数字相关器组成，光电倍增管与激光器呈 90°放置。激光器发出一束激光至样品池的待测烟气颗粒上，颗粒的散射光通过孔阑后进入光电倍增管。光电倍增管将探测到的光信号转换为电脉冲信号至数字相关器中做自相关运算，而后对该自相关曲线做处理，得到待测颗粒的粒径。测量装置采用的光源为功率2 mW、波长532 nm 的激光器，相关器为 Brookhaven 司生产的 BI-9000 数字相关器，探测器是滨松公司的光电倍增管。为了消除杂散光的影响，在光电倍增管和样品池之间安装了一个光筒。放置孔阑的目的是为了减小探测区域的大小。当探测区域过大时，大量悬浮颗粒的散射光会进入通光筒。由于颗粒的运动是随机的，所以散射光光强大小和频率的改变没有规律，各散射光相互作用，散射光变化不明显，从而计算出错误结果，甚至会计算不出粒径。烟气颗粒采样装置如图 2 所示，烟气在大气采样机的作用下通过一个干燥管进入样品池。样品池的两端装有阀门，当一定量的烟气进入样品池后关闭阀门，从而完成了烟气颗粒的采样工作。