基于TDLAS技術在線監測煙氣排放一氧化碳的應用

劉立富，邱夢春，溫作樂，陳東，于志偉

（1.杭州因諾維新科技有限公司，杭州 310052；2.杭州澤天科技有限公司，杭州 310052）

1 引言

CO在通常情況下是無色、無味、有毒、可燃的氣體，空氣中CO氣體主要來源于工業不完全燃燒廢氣排放、機動車尾氣排放以及有機物、家用煤氣等不完全燃燒排放。當人吸入一定含量的CO后會產生不同程度的中毒現象。此外，在一定條件下CO在大氣環境中會發生光化學反應，這表明CO是一種間接性溫室氣體[1]。環境中CO給人們生產生活帶來諸多隱患，故對CO氣體排放在線監測是非常有必要的。目前，煙氣排放中傳統CO測量方法大多基于非分散紅外原理或電化學原理，測量易受背景氣體交叉干擾、漂移較大。近年，基于光學非接觸式原理的氣體在線監測技術發展非常快速，已經被歐洲環境保護署和美國環保署認可并且作為技術標準，光學和光譜學測量技術已發展成為在線監測的重要方向?；诳烧{諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術的在線監測具有測量準確性好、響應速度快和可靠性高等優點，成為當前氣體實時在線監測的代表技術之一。由于TDLAS技術的測量優勢，該技術已被日益廣泛地應用于測量氣體污染物的濃度、有毒氣體泄漏遙測和大氣質量監測等領域[2]。采用TDLAS技術是測量CO中非常好的一種方法，目前國內在使用2.3μm、1567nm附近譜線測量CO均有研究[3～4]。通過對比現場應用情況發現，采用TDLAS原理的激光氣體分析儀現場測量CO主要應用于工業過程領域，在環保煙氣排放領域對CO氣體含量監測與分析的研究和應用并不多。隨著氣體監測技術的成熟和TDLAS技術的逐步發展，CO氣體在線監測應用將會越來越廣泛。

本文介紹一種基于TDLAS技術應用于在線監測煙氣排放CO含量的激光氣體分析儀，該分析儀在集成度和小型化方面做出較大的改進。分析儀使用高穩定性的垂直腔面發射激光器作為激光光源，通過低頻三角波信號和高頻正弦波信號對工作在一定溫度下的激光器輸出波長進行掃描和調制。激光器輸出特定波長的激光經過被測環境后由光電檢測器接收并進行光電轉換，將輸出電信號通過鎖相放大器同步檢波得到二次諧波信號，通過二次諧波峰高等信息計算CO氣體濃度。測試驗證表明，基于TDLAS技術的激光氣體分析儀能夠滿足煙氣排放CO氣體在線監測的使用要求。

2 測量原理

TDLAS技術根據半導體激光器可調諧性，以獲取被測氣體特征吸收譜線的相關光譜信息。通過選擇合適的吸收譜線，避免背景氣體對CO測量造成交叉干擾。半導體激光器發出所需特定波長的窄帶激光束，根據經過被測氣體時，激光強度的衰減量與被測氣體濃度具有一定的函數關系，從而實現對被測氣體定量分析。在未飽和的弱吸收情況下，根據Beer-Lambert定律[5～6]：一束強度為I0的激光穿過體積分數為X，長度為L，壓力為P的氣體介質，被氣體吸收后，其強度變為Iv，強度的變化滿足：

式①中：線形函數g (ν-ν0)表示被測氣體吸收譜線形狀，與氣體壓力、溫度以及氣體含量等因素有關，S（T）為氣體吸收的譜線強度，與溫度有關。在近紅外光譜區域，氣體吸收強度較弱，一般會滿足式②條件。

當滿足式②條件要求時，被測氣體濃度結果會呈現較好的線性，從而利用泰勒級數展開式①可近似等于式③。

為了提升被測氣體探測下限水平，一般會選擇高靈敏度的波長調制光譜技術。利用波長調制光譜技術，使用正弦信號調制和鎖相放大器提取氣體吸收信號的二次諧波，這是抑制噪聲的重要手段[7]。這種方法成功屏蔽了在測量帶寬范圍外來自激光器、光電檢測器及氣體流動等方面引來的噪聲，具有靈敏度高、測量精度高和響應速度快等優點。TDLAS系統中采用波長調制光譜技術時，使用高頻正弦波信號對激光發射頻率調制，調制后的激光發射頻率為：

式④中：v（t）為未經過高頻正弦波信號調制的頻率；f為正弦波信號的調制頻率；a為經過正弦波電流信號調制引起激光頻率變化的幅值。波長調制光譜技術使用鎖相放大器檢測激光束穿過被測氣體后激光透過率信號的二次諧波分量，在弱吸收情況下，輸出二次諧波信號為[8]：

由公式⑤可得出，在特定吸收譜線和一定的溫度、壓力、光程及激光頻率調制幅度的條件下，能夠獲得被測氣體濃度與二次諧波之間的關系：

式⑥中：V2f為二次諧波分量；I0為光強直流分量信號；K為標定系數。通過分析這些參數，即可得到被測氣體濃度信息。根據二次諧波信號和氣體濃度之間的關系，波長調制光譜技術能夠用于多種環境下的氣體含量在線監測。

3 系統介紹

基于TDLAS技術工作原理，杭州因諾維新科技有限公司研究開發的LGT-510激光氣體分析儀，是一款獨立式的、適用于系統集成的氣體檢測產品，圖1為LGT-510激光氣體分析儀內部框圖。LGT-510主要功能模塊包含發射-接收單元、多次反射吸收池和信號處理單元等。發射單元和接收單元集成在同一端，采用光收發一體式多次回返光路設計。發射單元主要實現激光器掃描和驅動，使激光器發射出特定波長的激光，這些窄帶激光經過含有被測氣體的吸收池多次反射后，由接收單元進行光電轉換并傳輸給信號處理單元進行光譜數據分析，獲得測量結果，測量結果可通過RS485或4～20mA的輸出信號傳輸。

圖1 LGT-510激光氣體分析儀組成框圖

LGT-510激光產品在設計中采用模塊化設計理念，具有體積小、重量輕、方便攜帶和系統集成的特點。產品不含任何運動部件，結構設計緊湊，在現場使用可靠性高。TDLAS技術和多次反射技術相結合使產品具有測量精度高和檢測下限低的技術特點。此外，TDLAS技術與非分散紅外原理和電化學原理測量CO氣體指標進行比較，具有以下特點，如表1所示。由表1可知，TDLAS技術相比非分散紅外原理和電化學原理在測量CO指標上具有一定的技術優勢。

表1 CO測量技術對比

4 測量實驗

4.1 實驗裝置

基于TDLAS技術原理測量CO平臺利用波長可調諧性選擇合適的激光器調制參數和掃描參數。半導體激光器使用德國Vertilas品牌的SE-A4型號，激光器窗口含有抗反射涂層端帽抑制光學噪聲以提高分析儀檢測下限能力。光電檢測器使用日本HAMAMATSU公司生產的In-GaAs材質G12180-020A型號，感應光譜波長范圍在900nm至1700nm，用于實現光電信號轉換。激光器驅動電路的三角波信號掃描頻率采用10Hz，掃描幅度為1.35V，激光器直流偏置調節到6.01mA，工作溫度控制在28.6℃，實現激光器輸出中心波長調節在1565nm附近。疊加在三角波上的高頻正弦波信號采用40kHz調制頻率，幅度為189.6mV，激光器輸出光能量約為1.8mW。多次反射吸收池腔長為0.2m，經過48次光路來回反射，總光程達到9.6m。吸收池在整個系統中起到非常重要的作用，在設計中需要綜合考慮光學、機械、氣路等多方面因素。單束激光通過多次反射吸收池后，經會聚透鏡后由光電檢測器接收。光電檢測器將光信號轉換為電信號，再經過鎖相電路獲取二次諧波信號處理。本實驗裝置的工作原理如圖2所示。

4.2 實驗數據

圖2 實驗裝置示意圖

試驗中使用2000mg/m3的CO標氣（背景氣體為N2），通過經由第三方機構檢定合格的高精度Red-y smart型號質量流量控制器對2000mg/m3的CO和N2（純度≥99.99%）進行不同濃度配比，以驗證激光氣體分析儀線性度，線性測試驗證點選擇0%、20%F.S、50%F.S、80%F.S和100%F.S五個點。測試數據表明不同CO濃度下，二次諧波與濃度測量具有非常好的信號響應，該分析儀的線性誤差可以滿足≤±1%F.S的指標。測試得到的線性數據如表2所示，不同濃度諧波信號和線性曲線如圖3所示，測量濃度與理論濃度之間的線性相關系數達到0.99998。

表2 線性數據

圖3 不同濃度的二次諧波與線性曲線

為驗證產品重復性指標，在同一環境條件下，試驗中使用1000mg/m3的CO標氣連續測量6次，測試數據如表3所示，得到的重復性結果為0.18%。該測量結果優于《可調諧激光氣體分析儀》（GB/T 25476—2010）中重復性指標要求，可見該激光氣體分析儀具有較好的重復性結果。

表3 重復性數據

5 現場應用

LGT-510激光氣體分析儀于2017年7月在垃圾焚燒廠廢氣排放口處安裝，依據《固定污染源煙氣排放連續監測技術規范（試行）》（HJ/T 75—2007）標準與第三方檢測機構測量數據比對，比對數據如表4所示。依據上述環保標準要求相對準確度需要滿足≤15%，實際比對結果的相對準確度為5.3%，滿足比對要求。

表4 比對數據參比方法數據

LGT-510激光氣體分析儀在現場應用時需要使用配套的預處理系統，包括取樣、過濾、伴熱或冷凝等。經過處理后的干凈樣氣進入氣體測量吸收池后進行分析計算。通過實驗室測試和現場測試表明：基于TDLAS技術的激光氣體分析儀能夠滿足煙氣中CO含量在線監測應用。

6 結論

基于TDLAS技術的LGT-510激光氣體分析儀將激光光譜吸收技術和長光程技術相結合，測量精度高，不受背景氣體交叉干擾。采用模塊化設計理念，產品體積小、重量輕、方便攜帶和易于系統集成，不含任何運動部件，運行可靠性高。通過實驗室測試和現場使用表明儀器線性誤差不大于±1%F.S，在環保比對驗收中具有較好的準確性?；赥TDLAS技術的激光氣體分析儀能夠有效地對煙氣排放的CO含量進行在線測量，滿足煙氣排放中CO含量在線監測應用。