燃煤煙氣氮氧化物在線監測技術研究進展

竺森林 崔依冬 王啟昌 沈德魁

摘? 要：隨著我國的快速發展，能源需求不斷增加。燃煤發電在我國仍是能源的主要獲取方式。煤炭的燃燒帶來的NOx氣體污染問題時刻威脅著人類的生存環境。對NOx氣體排放的快速和準確的在線監測能夠及時的提醒運行人員，便于他們實時控制脫硫和脫硝設備，使NOx的排放濃度降到最低。本文分別對近年來國內外燃煤煙氣NOx在線監測化學技術和光學技術兩類進行了總結和展望。提出了適合于我國能源格局的燃煤煙氣氮氧化物在線監測技術新方向。

關鍵詞：燃煤煙氣? 氮氧化物? 在線監測? 化學技術? 光學技術

隨著我國能源工業和經濟的快速發展，能源與環境問題已經成為人們密切關注的熱點問題，不斷惡化的大氣環境和不斷被污染的生態環境時刻威脅著人類的生存環境，也阻礙了社會的進步和發展。隨著我國對環境標準的日趨嚴格以及對燃煤電廠煙氣污染排放控制力度的不斷增加。同時為了改善環境質量，防治環境污染，綜合利用能源。我國正在制定新的環保法，對NOx實行嚴格總量控制。因此，對NOx氣體排放的實時和在線監測就就顯得尤為關鍵。目前NOx氣體監測的技術主要可以分為化學方法和光學方法。本文分別對近年來國內外燃煤煙氣NOx在線監測化學技術和光學技術兩類進行了總結和展望。

1? 燃煤煙氣NOx在線監測技術發展概況

1.1 NOx氣體監測的化學方法

現代的化學測量技術主要包括色譜分析、化學發光、質譜分析等方法，現在化學測量技術有很高的靈敏度，其靈敏度甚至超過了光學方法，但是這些靈敏度很高的化學技術不能用于連續監測，另外色譜和質譜儀都特別昂貴，也不適合大量安裝測量污染氣體，一般基于這些原理的測量儀器都是作為實驗室分析儀器來應用，另外這些分析方法分析污染氣體的速度都很慢，也達不到實時探測氣體的要求。化學發光可以用來探測氮氧化物，但是因為這種監測只能在非常好的環境下進行。

1.1.1 電化學法

電化學方法可以快速的對NOx氣體的濃度進行測定，其原理是利用物質的電化學性質測定NOx氣體的濃度，雖然這種方法可以快速的實現對NOx氣體濃度的測定，但是電化學方法一般只用于監測高濃度NOx氣體，在監測低濃度NOx上效果并不好，并且在長時間監測NOx上效果也很不理想[1]。

1.1.2 氣相色譜法

近十幾年我國在氣相色譜分析上的發展勢頭迅猛，氣相色譜分析是采用氣體作為流動相的一種分析方法，是層析法中一個很重要的分支。在利用氣相色譜法監測NOx污染氣體時，由于物質在氣相中的傳遞速度快，同時可作為與氣態樣品中各組分相互接觸的固態樣品的種類較多。因此，當混合氣體利用氣相色譜分析時，可以得到很好的分離。再通過相關的裝置進行分析和鑒定，就可以快速的得到定性定量的結果，因此氣相色譜法具有諸多優點，例如高選擇性、高靈敏性和應用范圍廣等優點。

1.1.3 化學發光法

化學發光法是由于化學反應產生的光能的發射。化學發光（ChemiLuminescence，簡稱為CL）法是分子發光光譜分析法中的一類，是利用物質之間化學反應產生的光能的發射，上世紀60年代末發現NO和O3反應產生約500-3000 nm的紅外輻射。反應如下：

首先利用轉化爐將將NO2還原成NO，然后利用濾光片選擇約600-900nm范圍內的光。觀察并記錄此窄帶范圍內化學發光輻射的總強度以此來確定NO氣體的濃度。然后NO（由NO2轉換）加樣品中原來的NO與O3反應得到總NO+NO2（NOx）濃度[2]。

2.2 NOx氣體監測的光學方法

2.2.1 非分散紅外光譜技術

非分散紅外技術（NDIR）是目前環境監測儀器中應用最廣泛的在線監測技術，其應用總量甚至超過其他監測技術的總和。NDIR的技術原理主要是通過將調制到恒定波長的紅外光束穿越待測氣體，待測氣體將對紅外光束進行特征吸收從而造成光束的光強衰減，根據光束強度的衰減即可反演計算待測氣體的濃度。但目前國內自主開發的NDIR分析儀相對落后，核心傳感器件仍然依賴于進口。

2.2.2 可調諧半導體激光吸收光譜技術

可調諧半導體激光吸收光譜技術（TDLAS）通過可調諧半導體激光器，通過單一窄帶的激光頻率掃描一條獨立的氣體吸收線，進而通過Lambert-Bell定律比對透射光和發射光從而計算出待測氣體濃度。由于TDLAS只通過單根譜線對待測氣體進行檢測，這造就了TDLAS技術極高的選擇性和抗干擾性。并且所有在紅外有吸收的活躍分子都能夠通過TDLAS技術檢測，能夠發展成為同時對多種氣體進行監測的分析儀，同時TDLAS極快的響應速度和較高的靈敏度，使其成為最具研究前景的激光監測技術之一。

但是在近紅外區的存在氣體特征吸收的氣體種類較少，而涉及到中紅外的可調諧半導體激光器成本太高，并且現階段的TDLAS技術還只能對單一氣體進行檢測，同時檢測多種氣體需要配備多個可調諧半導體激光器，這就導致在應用到燃煤煙氣監測領域時，成本太高，性價比較低，因此在燃煤鍋爐中應用相對較少。

2.2.3 紫外差分吸收光譜技術

由于煙氣中的NOx、SO2等氣體在紫外波段存在窄帶吸收特性，通過數學方法對紫外光譜進行差分處理后，再進一步通過最小二乘法或傅立葉轉換等數學方法反演計算出待測氣體濃度。并且，如果不同氣體在紫外的特征吸收波段不存在重合的情況，那么理論上紫外差分光譜技術能夠做到對幾種氣體進行同時檢測。

3? 總結與展望

NOx的大量排放不僅會對人體造成嚴重的傷害，同時NOx在大氣中形成的酸雨、光化學煙霧等也會嚴重的污染環境。目前，燃煤鍋爐的NOx排放量占我國總排放量的70%以上。因此若想從源頭上控制NOx的排放，進一步開發NOx在線監測技術，提高監測技術的準確性，降低監測技術的時滯性，對于從排放源頭減少NOx的排放量并保障電站鍋爐的安全運行至關重要。

參考文獻

[1] T.L.Xia，H.M.Bi，K.Y.Shi.Electrochemical investigation of NO at single-wall carbon nanotubes modified electrodes. J.Chem.Sci，2010，122（3）：401408

[2] D.M.Marta，G.F.Enrique，B.R.Jonathan.Study of the uncertainty in NO2 chemiluminescence measurements due to the NO-O3reaction in sampling lines.Environ.Sci. Pollut.R，2011，18（3）：436445