紫外差分分析儀在煙氣超低排放監測中的應用

摘要：隨著節能減排政策的深入實施，關于煙氣排放的標準也越來越嚴格，在超低排放的工程改造中，需要加大對固定污染煙氣排放的實時監測，才能達到相應的規范和排放標準，因此紫外差分分析儀在煙氣超低排放監測中得到了推廣和應用，本文就煙氣監測采樣技術和分析方法進行分析，針對紫外差分分析儀的各項指標，通過實驗室檢測結果和最新國家標準之間的對比，對其超低排監測中的應用進行探討。

關鍵詞：紫外差分分析儀;煙氣監測;應用

中圖分類號：X851 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）02-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.060

Abstract：At present，with the in-depth implementation of energy saving and emission reduction policies， the emission standards of flue gas are increasingly strict.In the ultra-low emission engineering transformation，it is necessary to increase the real-time monitoring of the emission of fixed pollution flue gas，so that it can reach the corresponding standards and emission standards.Therefore ultraviolet differential analyzer in the flue gas ultra low emission monitoring promotion and application of monitoring sampling technique and analysis method in this paper， the flue gas is analyzed， according to the indicators of ultraviolet differential analyzer， through the contrast between the laboratory test results and the latest national standards， the application of the low line monitoring were discussed.

Key words：Ultraviolet differential analyzer;Smoke monitoring;Application

隨著工業生產的飛速發展，所造成的環境污染問題越來越突出，關于環保和節能減排的政策也在不斷頒布執行，其中包括了污染物的排放標準和相應的連續監測方法及技術要求，經過不斷的修訂，最新的監測規范和要求更為嚴格，同時也加入了相關的實驗室檢測，在煙氣超低排放的低量程在線監測技術有了更嚴格的要求。針對超低排放的高濕、低溫、強腐蝕性以及低濃度的特點，如何準確連續地對超低排放的污染進行監測成為了目前監測系統需要重點解決的問題。

1 采樣技術和分析方法

煙氣采樣方法在連續排放監測系統中，主要有直接測量法、稀釋抽取法以及完全抽取法三種。在實際應用中主要利用完全抽取法，通過固定污染源的連續排放監測系統對樣氣進行抽取，并通過過濾器進入分析儀表中進行樣品測量。

在完全抽取式處理方法中，主要采用熱濕法和冷干法兩種預處理方式。熱濕法利用高溫伴熱的處理方式，使煙氣抽出后保持溫度，使其不出現冷凝現象，直到檢測分析完成，同時要求測量儀表需要在高溫狀態下運行，對儀表耐高溫性能有較高的要求;目前較常用的冷干法是通過加設冷凝器，使煙氣在采樣過程中實現水分排除，但如應用在超低排放監測領域，煙氣中水分含量較高，而SO2的含量較低，冷凝器無法有效將水分予以排除，從而對測量效果的準確性造成影響，同時此方法還存在著易堵塞、易腐蝕和結構復雜等不足之處。對這兩種方法進行比較可以看出，前者具有壽命長、準確性高、結構簡單、可靠性高的優勢，適合在高濕度低濃度的超低排放監測中進行應用。兩種方法的具體對比如表1所示。

對氣體污染物進行分析，主要采用激發光譜技術和吸收光譜技術兩種方式。

其中激發光譜又包括了化學發光法和紫外熒光法，吸收光譜包括紫外光譜和紅外光譜兩類。在實際應用中，通常采用吸收光譜技術對煙氣進行氣態污染物含量的測量，因大量水汽吸收存在于紅外光波中，對煙氣中NO和SO2待測污染物的含量造成影響和干擾，不利于測量結果的穩定性和準確性。而紫外波段能夠完全不受水分的干擾，不存在上述問題，所以在超低排放監測領域中，紫外波段更適合應用。紫外光譜測量技術包括了紫外吸收技術和紫外差分吸收光譜技術兩種，分別簡稱為GFC，NDUV和DOAS，而后者具有測量準確度高、抗干擾能力強等應用優勢。各光譜技術的具體對比如表2所示。

通過各吸收光譜技術的對比可以看出，基于冷干法測量原理的光譜吸收技術在低濃度高濕的超低排放監測中容易造成SO2的損失，而傅里葉紅外技術則價格過高，同樣不適用。只有DOAS紫外差分吸收光譜技術能夠很好地滿足超低排放的監測要求，另外其還具有在線實時自動測量、不受粉塵等因素干擾、靈敏度高等優勢，目前也普遍應用于大氣、煙氣檢測中。

2 紫外差分煙氣分析儀概述

2.1 測量應用原理

DOAS吸收光譜技術針對氣體成分，通過分子的窄帶吸收光譜進行分辯，利用吸收光譜的強度對測量對象的濃度進行推斷，在氣體吸收的定律基礎上，形成其測量原理[1]。

公式中代入了光源的入射和出射光強、光波波長、光程以及第i種氣體的氣體濃度、氣體標準吸收截面。另外對不同氣體分子因顆粒物和吸收差異所造成的不同散射影響進行充分考慮，出射光強設定為：

公式中包括了兩種散射的消光系統。根據相關的研究發現，隨著波長的變化，散射干擾也會隨之發現變化，波長的快速變化會對氣體分子的吸收造成影響，所以將緩慢變化的干擾因素從總吸收光譜中排除，利用氣體分子濃度的快速變化對其進行計算，使氣體濃度信息的準確性得到保證。利用數字濾波，紫外差分技術算法根據氣體吸收截面可分為慢速變化和快速變化兩種。

吸收光譜通過濾波手段提取快速變化部分時，可通過以下公式得到：

對應氣體濃度可以通過最小二乘法，利用線性擬合的方式進行反演推算。

2.2 技術指標

紫外差分分析儀采用高溫全程拌熱的方式，對樣氣進行抽取并送入分析，伴熱溫度需要全程保持在180℃，全程都要防止水分出現冷凝的情況[2]。由氣體室、紫外光源、光譜儀等組成煙氣分析儀核心部分，在保持在高溫狀態下的氣體室中，對樣氣通過光譜儀進行測量，讀取樣氣光譜并利用紫外差分算法對其進行處理，以及氣體濃度的反演推算。

3 新國標下的實驗室測量

目前，不少企業開始響應國家減排政策的號召，積極進行超低排放的改造工作，而以往的監測系統檢驗方法和技術要求已不適應現階段的煙氣監測需求[3]。最近新標準的分布實施，對現場在線比對提出了更高的要求，同時還對實驗室檢測環節予以重視和強調，在實驗室檢測環節中，主要包括了在線監測儀表的十二項測試項目：如儀表響應時間、線性誤差、一周零點、重復性、一周量程漂移、進樣流量變化影響、24H零點和量程漂移、環境溫度變化影響、干擾影響、二氧化氮轉換效率、振動影響、供電電壓變化影響，以及平行性等。

通過實驗室的監測項目，詳細測試分析儀表的性能以及現場適用性，并對其進行應用認證，因此在進行實驗室檢測時，對應用于超低排放監測的儀表要求較高的同時，對實驗室檢測和操作方法也有更高的要求，需要按照最新的國家標準，對設備的關鍵性能指標進行檢測。

3.1 環境溫度

進行環境溫度變化檢測時，利用高低溫交變箱進行檢測，將分析儀放置在內并接通氣路，高低溫箱的溫度按照每分鐘調高或降低一度的方式和速度變化，之后應將測試溫度保持穩定30min，再接入標氣和零氣，流速設定為1L/min，同時對分析的測量數據進行詳細記錄。通過計算可以看出分析儀在環境影響中所產生的誤差遠低于更為嚴格的國際標準，因此其具有較好的適應性[4]。環境溫度變化影響的相關公式如下：

3.2 量程漂移和零點漂移

通過對分析儀進行零點和量程漂移測試，在七天內對分析儀不采用量程校準、自動或手動零點操作，將濃度為50mg/m3的氣體以1L/min的流速接入分析儀，對其相應的量程數據值和零點值進行記錄。最終數據如圖1所示。從上述圖表數據可以看出，在穩性和漂移量上，分析儀所呈現的數據遠低于新國標的規定和要求，一周零點和量程漂移數據也達到相關的指標要求。

3.3 干擾成分

對分析儀還需要進行抗干擾能力的檢測，通過多種特定濃度干擾氣體的導入，檢測分析儀讀數出現的負干擾和正干擾情況，并需要保證不能超出滿量程的±5%，并對檢測數據進行詳細記錄。

由于測量區域內無其他干擾氣體的吸收峰，光譜吸收較為簡單，因此測量數據不會受到干擾氣體的影響;在200～220nm的測量區間，吸收較強的NH3可以通過標定光譜進行吸收氣體的比例系數計算，并利用主元高斯消去法去除氣體產生的交叉干擾影響。與其他的光譜分析儀相比，不需要添加其他的濾光片，去干擾的方式簡單高效。通過實驗表明，通過上述措施可以使干擾氣體所產生的影響遠低于國標的相應標準和要求。

4 超低煙氣連續現場監測應用

在某燃煤電廠的排放標準監測中，通過紫外差分煙氣連續監測系統的應用，對其污染物排放進行監測，其主要采用的超低排放工藝為脫硝、石灰石脫硫、布袋除塵以及濕電除塵。

采用高濕伴熱進行煙氣采樣，需要全程保持在180℃，防止測量過程中出現水分冷凝的情況，使測量穩定性得以保證。分析儀表對煙氣進行在線監測，采用全流程配氣的方式，使測量準確性得以保證。另外儀表響應時間、線性誤差、零點和量程漂移等進行檢測，確保達到國標的相關標準和要求。檢測結果表明，線性三個濃度的線性誤差都達到標準要求，響應時間小于110s，零點和量程漂移也符合標準和要求。與其化紅外煙氣分析儀相對比，采用同樣的熱處理裝置和同樣的煙氣樣本，分別導入不同的分析儀中通過連續九天的零點漂移測量，針對紫外差分分析儀，無自動或手動校準操作，紅外儀表則每隔兩天校準一次，同時兩臺設備采用同樣的零點漂移指票和相同的量程，經過測驗發現，紫外差分分析儀的指標達到相關指標要求，而紅外儀表超過零漂移數值[5]。另外通過抗干擾測試等，紫外差分分析儀能夠滿足相關的監測方法和技術要求。通過長期實踐應用證明，對于超低排放現場在線監測的需求，紫外煙氣分析儀能夠予以滿足和適應。

5 結束語

通過對采樣方式和手段的對比，能夠清晰了解紫外差分分析儀的優勢和特點，能夠有效避免水分、煙塵等所造成的影響，防止造成SO2的損失，從而對監測數據的準確性造成影響。紫外差分分析儀通過全程高濕伴熱的方式，可以實現NO、SO2的超低濃度無損測量。按照國家最新標準和規定，對分析儀進行了針對各項性能指標的實驗室測試，測試表明其性能指標都符合且達到相關的監測標準及要求，并具有抗干擾性強、檢測限低、響應時間快等優勢，能夠充分滿足高濕低濃度的超低排放現場在線監測的需求，為響應國家節能減排政策提供有效的解決措施和技術手段。

參考文獻

[1]王忠渠，仝聲，王強.紫外煙氣分析儀在燃煤電廠超低排放氣態污染物監測中的應用[J].電力科技與環保，2016，32（2）：39-41.

[2]李峰，張亮，李杰.紫外煙氣連續監測系統在超低排放中的應用[J].計測技術，2018，38（1）：28-31.

[3]趙金寶，閻杰，程鵬.長光程吸收池在紫外差分分析儀中的應用[J].儀器儀表用戶，2018，25（5）：52-55.

[4]王洋.差分吸收光譜反演方法在環境監測系統中的應用[J].中國高新技術企業，2015（8）：88-89.

[5]成林虎.差分吸收光譜技術在大氣監測領域中的應用[J].科技信息，2012（23）：76-78.

收稿日期：2019-12-26

作者簡介：張波（1988-），男，漢族，本科學歷，高級工程師，研究方向為環境監測、環境工程、環境保護。