紫外煙氣連續監測系統在超低排放中的應用

李峰,張亮，李杰

(淄博市環境監控中心，山東 淄博 255000)

0 引言

為了控制燃煤火電污染，提高大氣環境質量，國內針對燃煤電廠污染排放提出了《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》，規定煙塵、SO2，NOx排放限值分別為10,35,50 mg/m3。這對現有的煙氣排放監測技術提出了更高的要求。燃煤污染物超低排放改造的主流技術路線包括：脫硫、脫銷和除塵工藝，超低排放現場煙氣特點為低溫、高濕、低濃度并且具有強腐蝕性。因此，隨著超低排放改造的逐步深入，如何準確監測超低排放污染物成為一個關鍵問題。原有一些僅能測量高濃度污染物和測量過程容易造成污染物有較大損失的監測系統將被逐步淘汰。

本文介紹目前超低排放監測各種主流的采樣技術和分析方法，并對其優劣進行對比，提出超低排放污染物監測的優異的技術路線；接著介紹一款基于DOAS技術紫外煙氣分析儀的技術原理及其技術指標；最后，將該煙氣分析儀應用于超低排放現場進行測試，與采用非分散紅外原理儀器的測試結果進行比對。

1 主流采樣技術與分析方法

在煙氣連續排放監測系統(簡稱CEMS)中，煙氣的采樣方法有完全抽取法、稀釋抽取法和直接測量法[1]。目前，國內實際安裝應用的固定污染源CEMS氣態污染物監控系統主要采用完全抽取式的方法，將樣氣從煙囪經過過濾器抽取至分析小屋中的儀表進行測量。

完全抽取式的預處理方法又分為冷干法以及熱濕法。其中，冷干法指的是分析儀表工作在煙氣露點以下，為避免煙氣濕度對儀表測量的干擾以及腐蝕，在煙氣采樣過程中增加冷凝器，將煙氣中水分去除。目前，國內常規CEMS系統主要采用冷干法儀器，但是在超低排放領域，由于煙氣中含有極低的SO2以及較高的水分，采用冷凝器去除水分容易造成SO2的損失，對測量結果產生較大影響。另外，冷干法還存在結構復雜、易腐蝕、易堵塞的缺點。熱濕法是指煙氣從煙囪抽出后，通過高溫伴熱處理，使傳輸管道內樣氣溫度保存在露點以上，直至分析完成，均沒有冷凝水的產生。熱濕法要求測量儀表氣體室運行在高溫狀態，對儀表高溫性能提出較大要求。與冷干法相比較，熱濕法具有結構簡單、準確度高、壽命長、可靠性高的優點，非常適用于低濃度高濕度的超低排放現場監測。冷干法與熱濕法優缺點對比如表1所示。

表1 冷干法與熱濕法優缺點對比

在氣體污染物分析方法上，可以分為吸收光譜技術和激發光譜技術兩類。吸收光譜技術有紅外光譜和紫外光譜，激發光譜技術有紫外熒光法和化學發光法[1]。煙氣中氣態污染物含量為PPM量級，大部分采用吸收光譜技術進行測量。其中，在紅外波段，主要有非分散紅外(NDIR)技術與傅里葉紅外(FTIR)[2]技術。紅外光波存在大量的水汽吸收，水汽吸收對待測SO2，NO有較大的干擾，對測量結果的準確性和穩定性產生較大影響。而水在紫外波段不存在吸收，因此，在存在大量水汽的超低排放領域，采用紫外波段進行測量，可以完全避免煙氣中水分的干擾。紫外光譜測量技術又分為紫外差分吸收光譜技術(DOAS)[3-4]以及基于氣體過濾相關的紫外吸收技術(GFC，NDUV)[5]。其中，紫外差分吸收光譜技術可以有效扣除煙塵中的米氏散射和瑞利散射帶來的干擾，抗干擾能力強，測量結果準確度高。

表2對吸收光譜法的各種技術路線進行對比，從中可以看出NDIR與NDUV技術基于冷干法的測量原理，在高濕、低濃度的超低排放現場容易造成SO2的丟失。而同樣基于熱濕法的FTIR由于造價昂貴，并不適用于超低排放的燃煤電廠領域。對比結果表明，紫外DOAS技術是超低排放氣態污染物監測中較優的技術路線與解決方案。

表2 吸收光譜法技術路線對比

2 紫外DOAS超低煙氣分析儀

2.1 測量原理

紫外差分吸收光譜技術(DOAS)是利用分子的窄帶吸收光譜來分辨氣體的成分，通過其吸收光譜中窄帶吸收光譜強度來推導被測氣體的濃度[6]。其基本原理是基于氣體吸收的Lambert-Beer定律。

式中:I0(λ)為光源入射光強；I(λ)為出射光強；λ為光波波長；σi(λ)為第i種氣體的標準吸收截面；Ci為第i種氣體濃度；L為光程。考慮到不同氣體分子間的吸收以及顆粒物帶來的瑞利散射和米氏散射等影響，出射光強I(λ)變為

式中:εR(λ)和εM(λ)分別為瑞利散射與米氏散射的消光系數。研究表明：瑞利散射與米氏散射等干擾隨波長是緩慢變化的，而氣體分子的吸收則是隨著波長快速變化的。因此，可以從總的吸收光譜中剔除緩慢變化的干擾部分，只使用與氣體分子濃度相關的快變部分進行計算，即可以得到準確的氣體濃度信息。DOAS算法通過數字濾波的方法，將氣體吸收截面分為快變化部分與慢變化部分。

另外，再通過濾波手段提取吸收光譜中的快變部分D′。可以得到

最后，利用最小二乘法進行線性擬合，可以反演得到對應氣體的濃度Ci。

2.2 儀表技術指標

本文采用聚光科技自主研發的基于紫外DOAS技術的煙氣連續監測系統(CEMS-2000L型)。該系統預處理部分采用高溫全程伴熱的手段，將樣氣從煙囪中抽取入分析小屋，全程保持180 ℃伴熱，避免采樣過程中的水分冷凝現象。核心氣體污染物煙氣分析儀部分由紫外光源、氣體室、光譜儀等部件組成。光源與光譜儀運轉在常溫狀態，而氣體室則運轉在180 ℃高溫狀態。樣氣進入氣體室保持高溫狀態進行測量。通過光譜儀讀取氣體吸收光譜，采用DOAS算法進行光譜處理，反演出氣體濃度。

CEMS-2000L型煙氣連續監測系統的主要技術指標如表3所示。

表3 聚光科技CEMS-2000L型煙氣分析儀主要技術指標

3 紫外超低煙氣連續監測系統現場應用

將上述高溫抽取式紫外煙氣連續監測系統安裝在超低排放現場進行監測。該燃煤電廠工程采用脫硝-布袋除塵-石灰石脫硫-濕電除塵的超低排放工藝，污染物排放已達超低排放標準。

煙氣采樣采用全程高溫伴熱采樣方法，伴熱溫度全程為180 ℃，煙氣到達分析小屋分析儀表中進行測量，分析儀測量池保持180 ℃進行測量，保證測量的穩定性。所有測試均采用全流程配氣的手段，保證測量的準確性。現場對儀表的零點、量程、響應時間、線性度進行了測試。其中，零點、量程漂移測試進行了5天，測試期間儀表不進行任何手動或自動的調零校準操作。其零點漂移、量程漂移、響應時間如圖1所示，測試結果表明，其零點漂移、量程漂移達到≤±2%FS(24 h)。

線性誤差測量結果如表4所示，高、中、低三個濃度線性誤差均滿足≤±1%FS的要求。對其響應時間進行測試，測試結果如圖2所示，結果表明：系統響應時間快，小于110 s。

圖1 CEMS-2000L的零點漂移和量程漂移

圖2 CEMS-2000L響應時間

表4 CEMS-2000L線性誤差測試

現場采用Horiba便攜式PG-350型煙氣分析儀進行比對測試，其預處理采用Nafion管進行除水，現場比對測試時間為1 h。比對測試結果如圖3所示。由圖3可以看出，兩臺儀器測試結果保持非常好的一致性，曲線基本吻合，SO2絕對誤差<3 mg/m3(1 mg/L)，NO絕對誤差<3 mg/m3(2 mg/L)，誤差非常小，符合HJ/T 76-2007《固定污染源煙氣排放連續監測系統技術要求及監測方法》[7]的要求。設備在現場進行長期運行，運行結果如圖4所示。比對以及長期運行結果表明：紫外煙氣分析儀可以滿足超低排放現場在線監測的需求。

圖3 CEMS-2000L與PG-350比對測試結果

圖4 CEMS-2000L某電廠長期運行曲線圖

4 結論

采用高溫抽取式采樣手段可以有效的避免煙氣水分較大帶來的損失，全熱法的測量手段，可以達到對超低濃度SO2,NO的無損測量，而紫外DOAS測量技術可以完全扣除煙氣中顆粒物和水汽的測量干擾，使得測量結果更為精確。超低排放現場運行結果表明：基于高溫抽取式紫外煙氣連續分析系統具有響應時間快、檢測限低、抗干擾性強等優點。與PG-350的比對測試表明，基于高溫抽取式的紫外DOAS技術的CEMS-2000L測量準確度高，完全可以滿足低濃度、高濕的超低排放現場的準確監測的需求，是超低排放監測的良好解決方案。