NDIR法便攜煙氣SO2分析儀技術性能及現場應用比較

王 強，鐘 琪，周 剛，張 楊，楊 凱

中國環境監測總站 國家環境保護監測質量控制重點實驗室，北京100012

“十二五”以來，隨著節能減排工作的不斷深入，固定污染源煙氣排放主要污染物二氧化硫(SO2)的排放濃度逐步下降［1-2］，從幾十 mg/m3到十幾mg/m3不等。便攜煙氣SO2分析儀作為目前各級環境監測部門在污染源廢氣排放監督性監測、比對監測以及驗收監測過程中廣泛使用的現場監測儀器，這種低濃度SO2的排放現狀對其儀器靈敏度、檢測限、準確度等指標提出了更高要求。因此，原有的定電位電解法污染源便攜煙氣SO2監測儀器在現場監測的準確度、檢測下限、抗干擾能力以及現場操作和維護等方面已經不能完全滿足當前復雜煙氣環境下SO2排放監測的需求［3-4］，非分散紅外吸收法(NDIR)便攜煙氣 SO2分析儀以其靈敏度高、檢出限低、抗干擾能力強和與煙氣排放連續監測系統(CEMS)原理一致或接近等特點在固定污染源監督性監測和CEMS比對監測中越來越發揮出優勢［5］。近年來，隨著國內環境監測儀器生產企業儀器研發能力的不斷加強，具有自主知識產權的國產NDIR法便攜煙氣SO2分析儀不斷涌現，其在固定污染源煙氣排放SO2監測過程中的應用也不斷增多［6］，儀器的技術水平和功能配置逐步走向成熟，產品性能質量趨于穩定。然而，盡管此類儀器和技術發展很快，但其能否完全滿足“十二五”總量減排監測和管理工作的需求，能否達到國外同類成熟產品的性能質量和技術水平，目前還沒有相關的報道和相關產品檢測或認證的信息;對固定污染源NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的技術性能和現場應用情況進行相關測試比對、比較是非常必要的。

1 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的基本原理和儀器結構

1.1 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的基本原理

NDIR方法測量煙氣中的SO2是基于SO2分子在特定區域內對紅外光的吸收原理［7-8］，利用該方法的分析儀器不掃描分散光源發出的光，而是簡單地采用濾光元件等其他構件在比較狹窄的波長范圍內或光譜帶內測量SO2氣體對光的吸收。在此基礎上，為進一步提高檢測的靈敏度和抗干擾能力，衍生出一些較復雜的非分散紅外吸收技術，例如:充氣檢測器NDIR、光聲檢測器NDIR、氣體過濾相關紅外(GFC)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)等［9］，以這些技術為原理的煙氣 SO2分析儀在連續自動監測系統和便攜分析儀器均比較常見且應用廣泛。

1.2 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的儀器結構

NDIR法便攜煙氣SO2分析儀常見結構主要包括4個部分:樣品采集和預處理部分、樣品分析測試部分、輔助測試部分、數據采集處理傳輸部分，系統結構簡圖見圖1。

圖1 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀常見結構簡圖

樣品采集和預處理部分:一般包括加熱采樣探頭、樣品高溫伴熱傳輸管線、樣品預處理(過濾、除濕)單元(FTIR一般沒有除濕部分)、采樣泵等;樣品分析測試部分:樣品測試分析儀;輔助測試部分:分析儀和全系統校準單元、尾氣排放單元、冷凝水排放單元(FTIR一般沒有);數據采集處理傳輸部分:采樣和測試數據及系統狀態參數的采集、存儲、記錄、計算處理、數據上傳等。

2 實驗部分

2.1 參與測試的便攜煙氣SO2分析儀基本情況

參與固定污染源便攜煙氣SO2分析儀技術性能和現場應用測試的國產和進口儀器設備共3種型號，儀器設備基本情況見表1。

表1 3種參與測試的便攜煙氣SO2分析儀基本情況

2.2 測試使用的儀器設備和標準物質

測試使用的儀器設備和標準氣體情況見表2。

2.3 測試地點和環境條件

測試包括實驗室儀器性能指標測試、現場應用比對測試兩部分，檢測地點及環境條件見表3。

2.4 測試項目及參考技術指標

測試便攜煙氣SO2分析儀技術性能的檢測項目及參考技術指標［10-11］見表4。

表2 檢測使用的儀器設備和標準氣體

表3 檢測地點和環境條件

表4 測試項目及參考技術指標

2.5 技術指標測試方法

2.5.1 示值誤差

儀器校準穩定后，分別通入濃度為滿量程10% ～30%、50% ～60%、80% ～100%3種濃度SO2標準氣體，待示值穩定后記錄儀器示值，每種濃度連續重復測定3次，取平均值，計算其與標氣標稱值之差相對于滿量程的百分比。

2.5.2 重復性

儀器校準穩定后調零，通入濃度為滿量程50% ～60%的SO2標準氣體，待讀數穩定后記錄儀器數值，然后回零，重復上述步驟6次，計算6次測試結果的相對標準偏差。

2.5.3 響應時間

響應時間包括上升時間、下降時間。上升時間:儀器穩定后調零，通入量程校準氣體，同時用秒表測定從通入標準氣體開始至指示值達到標準氣體標準示值90%的時間，連續重復測定3次，取平均值作為上升時間。回復時間:儀器穩定后調零，通入量程校準氣體，當示值達到穩定后，停止進樣，立即通入零點校準氣，同時用秒表測定從通入零點校準氣開始至指示值下降到標準氣體標準示值10%的時間，連續重復測定3次，取平均值作為回復時間。

2.5.4 進樣流量變化的影響

儀器穩定后調零，在正常設定流速的情況下通入濃度為滿量程80% ～100%的 SO2標準氣體，待讀數穩定后記錄儀器數值;分別調節儀器流速為高于原設定流速值(+5%)和低于原設定流速值(－5%)，通入同一濃度的SO2標準氣體，分別在穩定后記錄儀器讀數，計算流速變化后儀器讀數變化值相對滿量程的百分比。

2.5.5 負載誤差

按阻力調節裝置、真空壓力表、儀器的順序連接，確保氣路連接不漏氣。儀器開機穩定后，在不施加阻力和調節阻力調節裝置至負壓10 kPa條件下，分別通入濃度為滿量程50% ～60%的SO2標準氣體，待讀數穩定分別記錄數值;連續重復測試3次，取平均值，計算增加阻力前后測量結果的相對偏差。

2.5.6 污染源現場比對測試

將3臺便攜煙氣SO2分析儀與煙氣CEMS用同一標準氣體校準后進行現場比對測試，取同時間段(5 min)內4臺(套)儀器測量污染源煙氣SO2排放濃度數據均值為一組數據對進行比較，共測試10組數據對，比較數據之間的變化趨勢和偏差情況。

3 結果與討論

3.1 儀器基本性能指標測試結果

表4中1～5項 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀性能指標測試結果見圖2～圖6。可以看出，3種類型的分析儀5項測試指標均優于表4中參考技術指標要求。其中，國產NDIR法便攜煙氣SO2分析儀除“示值誤差”指標與進口同類儀器相比略有差距外，其他指標均基本達到同一水平，而在“響應時間”上甚至快于進口同類儀器(不考慮進樣流量的影響);這說明經過近幾年的借鑒、引進和吸收，國產NDIR法便攜煙氣 SO2分析儀的基本性能指標已經基本達到了國際水平，但儀器設備的性能穩定性還有待提高。

圖2 示值誤差指標測試結果

圖3 重復性指標測試結果

圖4 響應時間指標測試結果

圖5 進樣流量變化指標測試結果

圖6 負載誤差指標測試結果

3.2 污染源現場煙氣CEMS比對監測測試結果

3種型號的NDIR法便攜煙氣SO2分析儀與美國賽默飛世爾MODEL600型煙氣 CEMS在污染源排放現場進行比對監測的測試結果見表5。比對監測煙氣便攜SO2分析儀采樣點位與煙氣CEMS采樣點位在污染源煙氣排放煙道的同一斷面，共測試數據對10組，每組比對時間為5 min。現場安裝的 MODEL600型煙氣 CEMS監測原理為直接抽取－非分散紅外吸收法。

表5 污染源現場便攜SO2分析儀與煙氣CEMS比對監測測試結果

3種便攜煙氣SO2分析儀與煙氣CEMS比對監測結果見圖7、圖8。可以看出，3種便攜煙氣SO2分析儀與煙氣CEMS監測數據變化趨勢具有較好的一致性，說明這類NDIR法便攜煙氣SO2分析儀與煙氣CEMS在污染源比對監測中具備良好的可比性;其次，從監測數據的準確性上比較，3種便攜監測儀器與煙氣CEMS監測數據對均值的相對誤差均小于±10%，說明NDIR法便攜煙氣SO2分析儀能夠準確可靠地反映污染源的真實排放情況，同時對安裝運行在污染源現場的煙氣CEMS的運行狀況進行比對、考核。

圖7 10組比對監測測試結果變化趨勢比較

圖8 比對監測中便攜儀器與CEMS數據的相對誤差

4 結論和建議

4.1 結果與討論

1)國內外3種NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的技術性能指標和現場應用測試結果:國產NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的基本性能指標和污染源現場應用測試能力已經逐步接近國外同類儀器設備的技術水平，個別技術和功能通過不斷改進和創新已經達到國際一流水平。

2)國產NDIR法便攜煙氣SO2分析儀與同類進口儀器設備相比的差異、優勢與不足:①儀器設備的功能。國產儀器與進口同類產品結構基本一致，某些方面擴展了一些新功能，如增加了一體化的冷凝除水單元和蠕動泵排水單元，延長了便攜儀器在現場監測中的使用測量時間和整體儀器的使用壽命，更適應中國國情;另外，國產NDIR便攜煙氣SO2分析儀一般除了配置SO2分析測試單元外，還配備了煙氣流速測量設備，在測量排放濃度的同時可通過煙氣流速和流量計算，提供煙氣SO2等污染物排放速率、排放量的計算結果。②儀器設備的性能質量。國產儀器在產品質量、性能穩定性等方面還需要進一步完善，尤其在產品的外觀、系統結構的合理性、使用的便捷舒適性方面還略顯不足;另外，國產儀器的某些核心部件(包括檢測室等)尚不能完全自主生產，往往還需要進口;這些也是未來儀器設備國產化發展中亟需完善和解決的問題。

4.2 建議

1)由于NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的分析測試原理與污染源現場煙氣CEMS的監測分析原理基本一致，兩者的測量方法和抗干擾能力也比較接近;因此，NDIR法便攜煙氣SO2分析儀在污染源CEMS比對監測和監督性檢測中具有較好的可比性和適用性，可以大大提高比對監測的工作效率和準確程度，應該廣泛推廣使用。

2)隨著便攜煙氣SO2分析儀技術水平的逐步提高，有關儀器現場CEMS比對測試和污染源監督性監測的質控措施和要求亟需進一步制定和完善;有關儀器設備的相關技術標準、技術規范等法規應盡快出臺，為“十二五”主要污染物SO2總量減排監測和污染源CEMS數據有效性審核提供技術支撐。

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［10］HJ/T 46—1999 定電位電解法二氧化硫測定儀技術條件［S］.

［11］US Environmental Protection Agency.40CFR，Chapter 1，Part 75，Continuous Emission Monitoring［S］.