差分吸收光譜法多組分濃度反演試驗(yàn)研究

王強(qiáng)

(南京國(guó)電環(huán)保設(shè)備有限公司,江蘇南京 210061)

差分吸收光譜法多組分濃度反演試驗(yàn)研究

王強(qiáng)

(南京國(guó)電環(huán)保設(shè)備有限公司,江蘇南京 210061)

應(yīng)用新的差分吸收光譜煙氣濃度反演算法對(duì) SO2、NO、NO2混合氣體濃度反演進(jìn)行了試驗(yàn)研究。與常規(guī)反演算法相比,該算法充分考慮了被測(cè)對(duì)象在不同波段上的差分吸收結(jié)構(gòu)差異,避免了多組分同時(shí)反演時(shí)使用同一頻率進(jìn)行數(shù)字濾波引入的誤差。結(jié)果表明,該算法能對(duì)多組分氣體濃度進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的反演,誤差小于 5%。

差分吸收光譜法;多組分;反演算法;差分吸收結(jié)構(gòu);試驗(yàn)研究

當(dāng)前,我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境約束的矛盾日益突出,環(huán)境保護(hù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了保護(hù)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,國(guó)家“十二五”規(guī)劃對(duì)燃煤電站等固定污染源的 SO2、NOx等煙氣排放濃度提出了更為嚴(yán)格的排放要求。20世紀(jì) 70年代末出現(xiàn)的差分吸收光譜技術(shù)[1-2](Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS),其特點(diǎn)是可以消除水分和粉塵的干擾,在進(jìn)行溫度和線性補(bǔ)償?shù)那疤嵯耓3-6],能對(duì)煙氣中的 SO2、NOx濃度實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)侵入式的在線精確測(cè)量。為了消除被測(cè)組分之間以及其他煙氣成分的干擾,提高系統(tǒng)的測(cè)量精度,進(jìn)行煙氣濃度反演算法研究至關(guān)重要。常規(guī)多組分煙氣濃度反演算法[7]采用相同的截止頻率對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波,這個(gè)過(guò)程會(huì)丟失一些有用信號(hào)或引入一些干擾信號(hào),從而降低了系統(tǒng)測(cè)量精度。本文應(yīng)用新開(kāi)發(fā)的算法對(duì) SO2、NO、NO2混合氣體濃度反演進(jìn)行了研究,通過(guò)試驗(yàn)的方式來(lái)證明基于改進(jìn)算法的測(cè)試系統(tǒng)具有較好的測(cè)量精度。

1 DOAS方法的基本原理

DOAS技術(shù)的基本原理是基于 Lambert-Beer定律,數(shù)學(xué)模型可以表示為:

圖1 Lambert-Beer定律示意

DOAS技術(shù)的特點(diǎn)在于將方程 (1)中的氣體分子吸收截面σi分成了兩部分[8-11]:僅僅由被測(cè)組分引起的隨波長(zhǎng)快速變化的窄帶吸收截面(高頻分量)和由被測(cè)組分、干擾氣體和粉塵顆粒等共同作用下的隨波長(zhǎng)緩慢變化的寬帶吸收截面σib(低頻分量),其表達(dá)式為:

經(jīng)過(guò)上述處理以后,其差分吸光度與差分吸收截面關(guān)于被測(cè)組分濃度Ci是成線性關(guān)系的,選取一些離散波長(zhǎng)點(diǎn)λi聯(lián)立關(guān)于濃度Ci的方程組,通過(guò)最小二乘法、遺傳算法、卡爾曼濾波等方法可以對(duì)被測(cè)組分進(jìn)行求解。

2 試驗(yàn)裝置介紹

DOAS法煙氣濃度測(cè)量試驗(yàn)裝置如圖 2所示,系統(tǒng)主要由流量控制器、配氣柜、光源模塊、伴熱管、壓差計(jì)、測(cè)量池、溫度控制儀、光譜儀、廢氣回收池等構(gòu)成。整個(gè)試驗(yàn)裝置分成氣路和光路兩部分。氣路部分主要由氣源、配氣柜、測(cè)量池和廢氣回收池組成。采用毛細(xì)管傳熱溫差量熱法質(zhì)量流量控制器,流量規(guī)格 (0～5,0～15)L/min,準(zhǔn)確度 ±1%F.S.,線性 ±(0.5～1)%F.S.,重復(fù)精度 ±0.2%F.S.。由鋼瓶出來(lái)的高純氮和 SO2、NO、NO2標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)各自單獨(dú)的管路通過(guò)質(zhì)量流量控制器后進(jìn)入混合管進(jìn)行混合,流量可通過(guò)流量顯示儀上的調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行控制并顯示?；旌虾蟮臍怏w經(jīng) 12m長(zhǎng)伴熱管后進(jìn)入測(cè)量池。在經(jīng)過(guò)拌熱管的過(guò)程中一方面可以進(jìn)一步增加混合氣體的均勻性;另一方面可以有足夠的時(shí)間將被測(cè)氣體加熱至所需要的溫度。測(cè)量池的內(nèi)徑為 28mm,外徑為 46mm,有效長(zhǎng)度為 0.5m,測(cè)量池的兩端用石英透鏡進(jìn)行密封。

在DOAS法煙氣濃度測(cè)量試驗(yàn)裝置中,為了盡量減少管子內(nèi)壁對(duì)氣體的吸附,混合管和測(cè)量池的內(nèi)壁均進(jìn)行了鏡面拋光處理,材料使用 316L不銹鋼。在測(cè)量池的出口設(shè)有 Pt 100熱電阻可測(cè)量流過(guò)測(cè)量池的氣體溫度,同時(shí)在測(cè)量池的中部裝有差壓計(jì)測(cè)量氣體壓力。高溫箱內(nèi)部另外有 3個(gè) Pt 100熱電阻對(duì)內(nèi)部溫度同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量池出來(lái)的氣體最后進(jìn)入廢氣回收池進(jìn)行吸收。

圖2 DOAS法煙氣濃度測(cè)量試驗(yàn)裝置示意

光路部分由光源模塊、光纖、準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)、CCD陣列背照式光譜儀和電腦組成。光譜儀型號(hào)為AvaSpec-2048×14-USB2,光柵線數(shù) 1200mm/線,波段范圍 200～460 nm,狹縫寬度 50μm,分辨率0.6 nm。光源模塊是由氘燈和透鏡組組成,其作用是將氘燈發(fā)射出來(lái)的光耦合進(jìn)入光纖,氘燈的輻射光譜范圍為 185～400 nm。光纖的出射光經(jīng)雙凸透鏡準(zhǔn)直后變成平行光,穿過(guò)被測(cè)氣體后經(jīng)聚焦透鏡聚焦進(jìn)入光纖再進(jìn)入到 CCD陣列背照式光譜儀,光譜儀將光信號(hào)變成電信號(hào)數(shù)字化以后通過(guò) USB通訊送入電腦進(jìn)行光譜信號(hào)的采集和處理。背照式光譜儀的特點(diǎn)在于紫外光的量子效率比一般前照式光譜儀高出好幾倍,因此用同一個(gè)探測(cè)器可以對(duì) SO2、NO、NO2、NH3等多組分同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)果與分析

本文擬通過(guò)試驗(yàn)對(duì)新開(kāi)發(fā)的算法進(jìn)行多組分氣體濃度反演效果驗(yàn)證,試驗(yàn)分別在常溫和高溫下進(jìn)行,試驗(yàn)工況見(jiàn)表 1。被測(cè)對(duì)象為 SO2、NO和 NO2的混合氣體,且所用氣體均為 8L鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)氣。從表 1可知,4種工況下 3種氣體流量比均為 4∶4∶4。為了測(cè)試算法在不同溫度下的反演精度,本文分別選取了 23、70、94℃三個(gè)溫度下的混合氣體濃度進(jìn)行了測(cè)量。基于改進(jìn)算法的DOAS法煙氣濃度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 2。從表 2中可以看出,表中所列 4種工況下的混合氣體濃度反演誤差均小于 5%。由于新開(kāi)發(fā)的多組分煙氣濃度反演算法考慮了混合氣體中各組分在不同反演波段上的差分吸收結(jié)構(gòu)差異,從而避免了用同一截止頻率對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行濾波造成信號(hào)丟失或引入干擾信號(hào)。

表1 4種試驗(yàn)工況混合氣體參數(shù)

表 2 基于改進(jìn)算法的 SO2、NO、NO2混合氣體濃度反演結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

由于充分考慮了不同被測(cè)對(duì)象在不同反演波段上的差分吸收結(jié)構(gòu),基于改進(jìn)算法的DOAS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合氣體濃度的準(zhǔn)確測(cè)量,無(wú)論是在常溫還是在高溫條件下,其濃度反演誤差小于 5%。

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Experimental research ofmulti-component gas concentration with DOASmethod

The SO2,NO,NO2gas m ixture concentrat ion were inversion calculated w ith the new ly developed D ifferentialOpticalAbsorp tion Spectroscopy(DOAS)method.Compared w ith the conventional inversion calculation method,the new flue gas concentrat ion inversion calculation m ethod fully takes into account the measured object in a different band on the differentialabso rpt ion of structuraldifferences,while avo iding the m ulti-component inversion errorof digitalfilters using the same frequency.The results showed that the new m ethod is able to calculate the m ulti-component gas concentrat ion quickly and accurately,the concentration error of new flue gas concentration invers ion calculation m ethod is less than 5%.

D ifferentialOpticalAbsorpt ion Spectroscopy(DOAS);m ulti-component;invers ion calculation;differential absorpt ion structure;exper imental research

X85

B

1674-8069(2011)05-060-03

2011-08-05;

2011-09-10

王強(qiáng)(1965-),男,江蘇南京人,碩士,高級(jí)工程師,主要從事火電廠煙氣治理與環(huán)保儀器方面的設(shè)計(jì)、研制工作。E-mail:gdhb-wq@sina.com