非分散紅外法測定煙氣中二氧化硫常見問題的探討

凌慧嬌 陶勝康 林雨倩 慕江容 尹平艷 段紹恒

摘 ? 要：非分散紅外法是我國環保標準推薦的測定煙氣中SO2的方法之一，具有靈敏度高、穩定性好、抗背景氣體干擾能力強等特點。但在實際工作中發現，煙氣的含濕量以及CH4氣體會干擾SO2的測定。對干擾存在的原因進行逐一分析討論，歸納總結解決問題的辦法，最后對使用該方法測定煙氣中的SO2提出了建議，為環境監測工作提供參考。

關鍵詞：SO2;非分散紅外法;含濕量;CH4

SO2主要來源于煤、石油等含硫燃料的燃燒、含H2S油氣井作業中H2S的燃燒排放、含硫礦石的冶煉以及化工、煉油和硫酸廠等的生產過程，具有腐蝕性，會對人的呼吸道、眼睛等器官造成一定的刺激，嚴重時會導致死亡。隨著工業化進程的加快，SO2已成為我國減排和總量控制的重要指標之一，準確、有效地監測固定污染源SO2排放質量濃度，是計算SO2排放總量的基礎，也是我國環境執法以及環境管理工作有效開展的技術保障。

非分散紅外法是我國環保行業標準推薦的測定固定污染源廢氣中SO2的方法之一。與其他標準方法相比，該方法一方面具有儀器設備便攜、操作簡單、在現場監測中能更快速地出具數據且測定范圍更廣的特點，對比傳統碘量法具有明顯的優勢;另一方面，該方法利用待測特征污染對特征波長紅外光具有選擇性吸收的原理，可以在SO2測定過程中消除NH4、H2S、HCl、HF、NO2等大部分背景氣體的干擾[1]，彌補了定電位電解法的不足。另外，目前國內污染源煙氣自動監控系統（Continuous Emission Monitoring System，CEMS）監測大部分采用非分散紅外法進行SO2監測。因此，在污染源CEMS比對監測和監督性檢查中，采用非分散紅外法作為手工參比方法，也可以排除方法差異造成的誤差，更具有可比性，且結果更為合理，推薦將該方法用于污染源CEMS比對監測。

雖然非分散紅外法在應用上有許多優點，但是在實際工作中，依然存在影響非分散紅外法對SO2的測定的干擾因素。本研究主要通過對影響非分散紅外法測定SO2的因素的分析，試圖找出干擾原因，以提出改進方案，為后續環境監測工作提供參考。

1 ? ?非分散紅外法儀器的工作原理

傳統的非分散紅外系統一般由光源、調制器、濾波器和探測器組成，該設備在工作時采用的是寬波長范圍的紅外光源，光源發射出特定波長的紅外光經調制器調制之后分別通過參比氣室和測量氣室，當測量氣室中不含待測氣體時，通過兩氣室的光能量相等，當存在待測氣體時，測量室的紅外光譜強度發生變化。通過將測量氣室測定出的光能量與參比室測得的光能量進行比較，得出光通量的衰減值，進一步計算出待測氣體的質量濃度。

對于特定的化合物，其在紅外波段的紅外特征吸收帶都是標準的、確定的，SO2氣體紅外光譜的特征吸收波長范圍為6.82～9.00 μm。本方法采用波長為7.30 μm的紅外光照射SO2氣體。當光通過SO2氣體時，其光通量的衰減值與SO2的濃度符合朗伯-比爾定律，最終可以計算出SO2質量濃度值[2-4]。

2 ? ?煙氣含濕量的影響

一般情況下，企業的生產工藝以及廢氣處理工藝都可能會影響煙氣的含濕量，如采用濕法脫硫來處理廢氣時，煙氣含濕量可達5%，當脫硫設備老化導致脫水效果不佳時，煙氣含濕量能達到12%，甚至更高。當煙氣含水量或水蒸氣低于飽和濕度時，可以忽略水分對非分散紅外法測定結果的干擾。但當煙氣含濕量過高時，由于煙氣進入取樣管路后與管壁接觸，氣體溫度迅速下降而在管路中產生冷凝水，冷凝水會吸收煙氣中的SO2，導致最終進入傳感器的SO2質量濃度降低，監測結果偏低[5]。

因此，在實際的監測過程中，遇到煙氣含濕量較高的情況需采用除濕裝置對氣體樣品進行處理，保證采樣管路的相對干燥。目前，除濕裝置通常采用煙氣冷凝、排出冷凝水的方式進行除濕，一般儀器自帶的裝置使用效果并不理想，必要時需額外配置更高除濕效率的預處理設備，或通過采取其他加熱措施減少水氣凝結[6-7]，以確保在預處理過程中能夠完全去除水蒸氣。

3 ? ?干擾氣體的影響

非分散紅外法是利用不同氣體分子對不同頻率光子具有選擇性吸收的特性，最終得到待測氣體特征紅外吸收光譜的原理，從而消除其他氣體對SO2的干擾，在很大程度上解決了以往使用定電位電解法測定SO2過程中受大部分背景干擾氣體影響的問題[8-9]，在抗背景氣體干擾方面有著絕對的優勢。

雖然該方法去除了大部分干擾氣體，但是有研究表明，當煙氣中存在CH4時，采用該方法測定SO2仍然存在干擾[10-11]。CH4分子的4個固有振動會相應產生4個基頻，波長分別為3.43、6.53、3.31、7.66 μm，全部處于紅外波段，并且其中一個7.66 μm的波長就在SO2吸收的范圍內，與方法特征波長7.30 μm相近，導致CH4在該波段也會吸收紅外光。因此，當煙氣中存在較高質量濃度的CH4時，會對SO2的測定產生正干擾。所以，使用非分散紅外法測定SO2前，應對儀器開展CH4干擾矯正實驗，獲得一定CH4質量濃度范圍內的干擾矯正，通過計算以獲得準確的數據。另外，陸立群等[6]研究表明，由于H2O的紅外特征吸收波長與SO2接近，因此，當H2O量較大時也會對SO2的測定存在干擾，產生紅外吸收，應在設備上安裝除水裝置，以減少水分子的干擾。

4 ? ?結語

非分散紅外法具有靈敏度高、穩定性好、抗背景氣體干擾能力強等特點，是一種方便可靠的測定SO2混合氣體的方法，目前在污染源監測領域具有較廣泛的應用。但在使用該方法開展SO2監測時，還應注意煙氣的高含濕量以及CH4對監測結果的影響，本研究通過研究非分散紅外法測定SO2時的干擾成因，提出以下建議：

在測定過程中需對煙氣的濕度進行預處理，通過增加除濕裝置減少進入管路的水蒸氣，保證采樣管路的相對干燥，一方面減少水分子對紅外吸收的影響，另一方面也防止發生冷凝。

在監測前應對儀器開展CH4的干擾校準試驗，通過獲得一定范圍內的矯正因子對設備進行系統矯正，以獲得相對準確的檢測數據。必要時可在測定SO2前預先測定污染源中CH4的質量濃度，根據測得CH4的質量濃度可更好地進行不同原理監測方法的選擇。

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