基于差分光譜技術的超低煙氣檢測系統研究

樊 宏, 江 宇, 周海金

(1.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009; 2.中國科學院安徽光學精密機械研究所 環境光學與技術重點實驗室，安徽 合肥 230031)

基于差分光譜技術的超低煙氣檢測系統研究

樊 宏1, 江 宇2, 周海金2

(1.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009; 2.中國科學院安徽光學精密機械研究所 環境光學與技術重點實驗室，安徽 合肥 230031)

文章提出了基于紫外差分吸收光譜技術的超低煙氣監測方法。選用200～230 nm波段的吸收光譜,采用多次反射池技術,降低了SO2、NO的監測下限,同時在光譜擬合中加入了NH3、NO2、H2S的吸收結構,避免了這3種氣體對反演結果的影響。系統的零漂與量漂均小于±2%F.S./7 d,在燃煤電廠現場測試中,與參比儀器的相關系數為0.96,該系統對煙氣中的其他組分(如煙塵、水汽等)具有很好的背景干擾校正能力,為燃煤電廠SO2、NO氣體的超低排放提供了穩定連續、準確的監測手段,從而推進燃煤電廠超低排放的實施。

超低煙氣;紫外差分吸收;吸收截面;燃煤電廠;二氧化硫

當前我國的發電方式仍然以火力發電為主,是世界上最大的煤生產國和消耗國,煤在燃燒的過程中會產生大量的灰渣、粉塵、SO2、NOX氣體等廢棄物質[1],從而帶來了酸雨、臭氧和 PM2.5等環境污染問題。據《2013-2017 年中國大氣污染治理行業深度調研與投資戰略規劃分析報告》最新數據顯示,2011 年,電力行業排放的SO2占我國工業排放總量的 47.5%,而鋼鐵、水泥、有色冶金行業的SO2排放量分別為 10.6%、13.2%、6.0%。而且據《中國大氣污染治理行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》的最新數據,2000-2011年,中國工業廢氣排放量年均增速為19%。

針對日益嚴重的環境污染,文獻[2]規定SO2和NO 排放限值分別為35 mg/m3和50 mg/m3,現有的燃煤煙氣氣態污染物監測技術難以滿足新標準的要求[3]。燃煤電廠為實現新排放標準的要求正在進行超低排放改造,大量的現場測試數據表明,非分散紅外分析儀[4]由于受到煙氣中的水汽、多氣體組分干擾、儀表線性等多重因素影響,存在諸多問題,如零點和量程漂移大、環境適應性差、檢測限差等,難以滿足超低排放的檢測需求。

超低排放的SO2和NO氣體濃度低、水汽濕度大等特點,要求分析儀器設備應具有抗交叉干擾能力強、水汽影響小、環境適用性強等特點[5-7]。本文介紹了基于紫外差分吸收光譜技術的超低濃度煙氣SO2和NO分析儀,利用氣體分子的窄帶吸收特性來鑒別氣體成分,并根據窄帶吸收強度來推演出微量氣體的濃度,從而消除了氣體組分和水汽的交叉干擾,通過多次反射池技術,增加氣體吸收光程,降低了檢測下限,提高了儀器穩定性。

1 基本原理

光譜技術在物質成分分析中應用廣泛[8-9],紫外差分吸收光譜技術是利用氣體中的污染成分對紫外波段的吸收特征進行定量分析,符合朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[10],即

其中,I0為原始光強;I(λ)為氣體吸收后的光強;σ(λ)為氣體在該波長處的吸收截面;ρ(s)為氣體質量濃度。

在實際氣體吸收測量中,除了氣體分子的吸收之外,還有散射現象。主要的散射有氣體分子造成的Rayleigh和Raman散射,氣溶膠顆粒和云滴或冰粒造成的Mie散射等。(1)式演變為:

其中,σj(λ)為所測第j種氣體的分子吸收截面;ρj為第j種氣體的質量濃度;n為所測氣體的種類數;εR0、εM0分別為Rayleigh散射、Mie散射的消光系數。將已知氣體分子的吸收截面分成2個部分:

將(4)式中所有“慢變化”部分寫作I0′(λ),則有:

“快變化”部分σj′可以從實驗室測得的σj做數值濾波得到。根據(5)式最終可得到與氣體質量濃度成比例的差分光學密度D′為:

根據差分光學密度D′,通過多種氣體吸收結構的最小二乘擬合法可計算出待測氣體質量濃度ρj。

2 系統結構

紫外差分吸收超低煙氣分析儀主要由光源及驅動電源、多次反射池、光譜儀和控制主板等構成,具體結構如圖1所示。

圖1 紫外差分吸收超低煙氣分析儀結構

光源采用濱松光電子公司產的L4642 閃爍氙燈,具有使用壽命長,光強穩定等特點;采用懷特型多次反射池,增加了氣體吸收光程,進一步降低了系統探測下限;采用bwtek的questX緊湊型高性能CCD光譜儀,具有紫外光響應好,雜散光干擾小等優點。在系統中對光源和光譜儀均進行恒溫控制,避免外界環境溫度波動對光強和光譜儀響應帶來的影響。

SO2、NO、NH3、NO2和H2S氣體在紫外200～230nm波段具有強烈的吸收特性,其吸收結構如圖2所示。

圖2 SO2 、H2S、H2S 和NO、NO2吸收截面

從圖2中可看到,SO2、NO氣體與NO2、H2S和NH3的吸收截面存在交叉重疊現象,在測量SO2和NO氣體質量濃度時,煙氣中存在的NH3、NO2和H2S均會對測量結果產生影響。因此在氣體質量濃度反演中加入了NH3、NO2和H2S的吸收截面,避免了對測量結果的干擾。

3 實驗數據分析

(1) 干擾測試。系統中采用SO2和NO的氣體吸收光譜,分別通入20.4×10-6的NH3、NO2、H2S樣氣,測量干擾氣體對系統的影響。數據見表1所列。

表1 分析儀干擾氣體測試(一) mg/m3

通過測試結果可以看出,干擾氣體對SO2和NO均引起了不同程度的干擾。NH3因其強吸收結構和重疊區域多,造成較大的干擾,NO2主要對NO形成干擾,H2S氣體的吸收線性主要為寬帶吸收,因而對氣體干擾小。在儀器系統中引入該3種干擾氣體的光譜結構,再次進行測試,數據見表2所列。

表2 分析儀干擾氣體測試(二) mg/m3

引入干擾氣體的吸收結構后,有效地提高了系統的抗干擾能力,避免了煙氣中微量的NH3、NO2和H2S對系統的影響。

(2) 系統參數測試。對該系統進行了7d的零點漂移和跨度漂移測試,分析儀器的滿量程為100mg/m3,測試數據見表3、表4所列。

從表3、表4中得到,SO2氣體的零點漂移和量程漂移分別為0.3 、0.7mg/m3。NO氣體的零點漂移和量程漂移分別為-0.5 、1mg/m3。

表3分析儀SO2氣體的零點漂移與量程漂移mg/m3

日期零點漂移Z0ZiZi-Z0量程漂移S0SiSi-S003?210．50．3-0．279．880．10．303?220．30．2-0．180．179．7-0．403?230．20．1-0．179．479．5-0．103?240．10．20．179．579．60．103?250．20．50．379．279．70．503?260．50．3-0．279．580．20．703?270．30．2-0．179．779．5-0．2

表4分析儀NO氣體的零點漂移與量程漂移mg/m3

日期零點漂移Z0ZiZi-Z0量程漂移S0SiSi-S003?210．20．2078．879．8103?220．20．30．179．879．90．103?230．30．1-0．279．979．4-0．503?240．10．20．179．479．4003?250．20．50．379．479．70．303?260．50．60．179．779．5-0．203?270．60．1-0．579．579．8-0．3

(3) 外場實驗。在某燃煤電廠與超低質量濃度煙氣監測設備進行了對比測量實驗,實驗數據如圖3～圖6所示。

從如圖3、圖4的SO2數據來看,超低煙氣的質量濃度測量范圍為0～80mg/m3,排出的氣體質量濃度短時間內超過了最新標準的排放限值,兩設備的測量數據一致性好,相關性系數達到了0.96。

圖3 現場SO2測量比對數據

圖4 SO2數據相關性分析

圖5 NO質量濃度測量數據

圖6 NO測量數據相關性分析

從圖5、圖6的NO測量數據來看,煙氣排放質量濃度主要在0～60mg/m3之間,部分時間段氣體質量濃度超出最新標準的排放限值。與參比設備的相關系數為0.96,一致性好。

4 結 論

本文針對最新的超低排放標準,為滿足標準要求,研究了基于差分吸收光譜技術的超低煙氣SO2、NO氣體的檢測方法,通過在光譜擬合中加入了NH3、H2S和NO2的光譜吸收截面,有效扣除了其他多組分氣體和水汽的干擾,零點漂移和跨度漂移均小于±2%F.S./7d。在現場與參比設備的測量數據一致性好,為超低排放煙氣監測提供了技術支持。

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Studyofultra-lowemissiondetectionsystembasedondifferentialspectroscopy

FAN Hong1, JIANG Yu2, ZHOU Haijin2

(1.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

The ultra-low flue gas monitoring method based on UV differential absorption spectroscopy is proposed. The detection limit of SO2and NO is reduced by using the absorption spectrum of 200-230 nm and multi-pass cell technique. The absorption structure of NH3, NO2and H2S is added in the spectral fitting to avoid the effect of these gas. The zero drift and span drift of this system are less than ±2%F.S./7 d. In the field test of coal-fired power plant, the correlation coefficient between the analyzer and reference instrument is 0.96. The system has a good background interference correction capability for other components in flue gas such as soot, water vapor, etc. The stable and continuous monitoring for the ultra-low emission of SO2and NO is achieved by using the system in the coal-fired power plant, thus promoting the implementation of ultra-low emission of coal-fired power plants.

ultra-low flue gas; UV differential absorption; absorption cross section; coal-fired power plant; SO2

2017-05-27；

2017-09-11

國家自然科學基金資助項目(41605017)

樊 宏(1980-),女,江蘇常州人,合肥工業大學講師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.12.021

X831

A

1003-5060(2017)12-1691-04

(責任編輯張 镅)