基于TDLAS技術的HCl氣體濃度在線監(jiān)測分析儀的研制

黃文平

（安徽皖儀科技股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

HCl 具有很強的腐蝕性和毒性，會導致環(huán)境污染并損害人體健康。在垃圾焚燒處理或垃圾燃燒發(fā)電的過程中，廢棄物中的Cl 成份90%都會轉換成HCl 氣體，特別是在醫(yī)療廢棄物處理過程中，排放的HCl 濃度更大。HCl 氣體已經成為各國環(huán)境保護部門必檢的工業(yè)有毒氣體，如歐洲規(guī)定工業(yè)HCl 氣體排放含量不能超過10mg/m3[1]；我國也有相應的排放規(guī)定，排放氣體中HCl 的成份不能超過70mg/m3（約為46ppm）。

目前，工業(yè)上對HCl 的處理方法是在煙氣排放前，對其進行中和反應，通過投入一定量的堿性物質與HCl 發(fā)生中和反應，減少HCl 的最終排放量，投入堿性物質的數量需根據監(jiān)測HCl 的濃度來決定。但是我國對HCl 的檢測主要采用傳統(tǒng)的柳氰酸汞分光光度法和離子選擇電極法[2]，都不能實現在線監(jiān)測。投入堿性物質的量靠經驗控制，存在過量投放或投放不足的情況。近年來TDLAS 技術的發(fā)展為HCl 的在線監(jiān)測提供了一種可行的技術手段[3-5]。本文介紹了一種基于TDLAS 技術的在線HCl 監(jiān)測分析儀，通過實驗室測試和現場實際使用情況，證明了該分析儀能夠滿足工業(yè)領域惡劣的環(huán)境中對HCl 濃度的在線監(jiān)測需求。

1 TDLAS 技術原理

TDLAS 技術是基于朗伯-比爾定律的一種分子濃度定量光學檢測方法。當一束強度為I0的激光通過一定濃度的被測氣體后，由于被測氣體對激光強度的吸收，透射光強變?yōu)镮t，即：

其中，ε 為介質的吸收常數，C 為待測氣體濃度，L 為光程。由于TDLAS 技術的光源采用分布反饋式激光器發(fā)射的激光，測量待測氣體單獨一條振動、轉動吸收譜線實現氣體濃度測量。由于激光器發(fā)射激光譜線半寬一般小于15MHz，遠小于吸收譜線的半寬，所有可以避免不同氣體吸收光譜之間的影響，具有極高的靈敏度和選擇性。

圖1 吸收峰（實線）和對應的二次諧波信號（虛線）

為了進一步提高分析儀的監(jiān)測靈敏性和對惡劣環(huán)境的適應性，本文中的分析儀采用了波長調制光譜技術（WMS）[6-8]，即在DFB 激光器驅動是由高頻的正弦調制和低頻的掃描信號組成，低頻掃描信號使激光的波長在一定范圍內變化，實現對單根HCl 吸收峰的掃描；而高頻正弦調制作為信號的調制載波信號，最后被二倍頻信號解調，得到氣體吸收峰的二次諧波信號，如圖1 所示。由于WMS 技術采用了更高頻率的調制，減小了分析儀的1/f 噪聲，提高了氣體濃度的測量靈敏度；同時二次諧波信號不包含掃描過程中光強的掃描部分，使分析儀克服現場惡劣的環(huán)境能力得到增強。

2 儀器結構

本文的分析儀為了能滿足惡劣現場在線監(jiān)測的要求，采用了如圖2 所示的整機結構。

圖2 分析儀在線監(jiān)測安裝示意圖

分析儀由發(fā)射單元、接收單元、電源模塊、吹掃、防爆氣路和現場安裝附件等部分組成。

發(fā)射單元安裝在過程管道一側，包括人機界面、激光器及其驅動模塊、中央處理模塊、通訊模塊等幾部分。實現了激光器驅動，測量信號的數據處理，氣體溫度、濃度補償輸入的4－20mA 通訊，及濃度輸出的RS485 和4-20mA 功能。

發(fā)射單元安裝在過程管道的另一側，實現將激光信號轉換為電信號的功能，并將處理后的信號通過電纜傳回發(fā)射單元進行處理。

為了適應現場條件，分析儀預留了吹掃氣體接口和正壓防爆氣體接口。吹掃氣體能夠在窗片前形成氣幕，防止窗片受到煙道中的粉塵、油污等的污染。正壓氣體能保證分析儀中不存在可燃氣體，在一些有現場安全防爆的現場也能夠適用。

3 儀器性能數據分析

試驗采用了500ppm（N2為本底）HCl 標氣作為試驗標準氣體，標氣容器采用內襯聚四氟的防吸附鋼瓶氣。不同濃度的HCl 標氣通過兩個高精度氣體流量計，配比不同比例的HCl 標氣與N2氣體獲得。分析儀采用了1742nm 的分布反饋式激光器作為光源，采用一定幅度的掃描驅動信號實現單獨一根HCl 氣體吸收譜線的測量，實驗室試驗使用的氣室長度為0.7 米，試驗是在室溫、常壓的條件下進行。儀器的掃描頻率為64Hz，有很高的響應速度。

圖3 為分析儀測量100ppm 濃度的HCl 氣體吸收的二次諧波信號。可見，在100ppm 低濃度的測量條件下，分析儀的二次諧波吸收峰信號還是很明顯。

圖3 100ppm 濃度HCl 吸收二次諧波信號

分析儀的性能測試根據國家標準[9]的要求進行。

分析儀的線性度及線性誤差的測量方法為：取零點和滿量程之間共5 個點反復進行3次測量，試驗中我們分別通入0，100ppm，250ppm，400ppm 和500ppm 等5 種不同濃度的標氣進行測量，測量數據見表1。

表1

圖4 分析儀線性分析

根據國家標準的線性誤差計算公式得到本文分析儀的線性誤差為0.612%。

根據表1 數據進行線性擬合，獲得結果如圖4 所示的擬合曲線。圖中黑點為實際測量的濃度值，實線為線性擬合的直線，通過計算獲得線性相關度為0.99998。

分析儀的測量準確性通過多次反復測量數據，并計算其均方根誤差獲得。試驗中，反復6次通入零氣和滿量程80%（400ppm）的標氣，每次試驗間隔30 分鐘。下表2 為試驗測量數據。

表2

對表2 數據進行處理可得均方根誤差為0.85。說明分析儀能夠滿足工業(yè)現場對HCl 氣體排放在線監(jiān)測的性能需求。

4 結論

本文通過實驗室測試，論證了本文中的分析儀用于工業(yè)現場在線監(jiān)測HCl 排放濃度的可行性，通過分析儀的性能測試表明，本文分析儀的各項性能指標均優(yōu)于國家標準的規(guī)定范圍，分析儀的性能滿足HCl 在線監(jiān)測的要求。結合已經安裝到現場在線監(jiān)測HCl 分析儀的真實使用情況，本文分析儀能夠長期穩(wěn)定的對HCl 排放濃度進行監(jiān)測，能為我國減少HCl 的排放提供有效的在線監(jiān)測數據。

［1］Forbrenningsanlegg-Veiledning for Saksbehandlere(Combustion Plants-Guidelines for Environmental Inspectors)[S].State Pollution Control Authority，Norway，1995(in Norwegian).

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［3］束小文，張玉鈞，闞瑞峰.基于TDLAS 技術的HCI 氣體在線探測溫度補償方法研究[J].光譜學與光譜分析，2010，30，5.

［4］P.Kaspersen，P.Geiser，D.Do Dang，A.Bohman，In-situ near-and midinfrared laser spectrometers：From lab to industry，Imaging and Applied Optics Technical Digest，2011.

［5］Peter Werlea，Franz Slemra，Karl Maurer，Near-and mid-infrared laser-optical sensors for gas analysis[J].Optics and Lasers in Engineering，2002，37.

［6］Kevin Duffin，Andrew James McGettrick，Walter Johnstone，Tunable Diode-Laser Spectroscopy With Wavelength Modulation：A Calibration-Free Approach to the Recovery of Absolute Gas Absorption Line Shapes[J].Journal of Lightwave Technology，2007，25.

［7］Ste’ phane Schilt，Luc The’ venaz，Wavelength modulation spectroscopy：combined frequency and intensity laser modulation[J].Applied Optics，2003，42，33.

［8］Pawel Kluczynski，J¨orgen Gustafsson，Wavelength modulation absorption spectrometry an extensive scrutiny of the generation of signals [J].Spectrochimica Acta Part B，2001，56，1277-1354.

［9］GB／T 25476-2010 可調諧激光氣體分析儀國家標準[S].