基于三光路光聲光譜法檢測(cè)煙氣氮氧化物

龔雨含，粘山坡，王崇皓，龔瑞昆

(河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山 063009)

0 引言

煙氣中的氮氧化物含量是直接反映窯爐的工作狀態(tài)以及對(duì)環(huán)境污染的重要參數(shù)之一[1]。目前，工業(yè)上主要是在氣體排放過(guò)程進(jìn)行脫氮處理來(lái)降低氮氧化物的排放量[2]。因此，對(duì)工業(yè)窯爐和鍋爐煙氣中氮氧化物的含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控，對(duì)于實(shí)現(xiàn)最大效率煤炭轉(zhuǎn)化、污染最小以及煤炭清潔利用具有重要意義。

光聲光譜法具有靈敏度高，實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。這種檢測(cè)方法的檢測(cè)機(jī)理是檢測(cè)物質(zhì)的吸收光譜，因此更加適合弱吸收氣體的檢測(cè)。文中主要介紹了光聲光譜檢測(cè)方法的基本原理，建立了氣體檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上分析了光聲光譜法檢測(cè)中可能產(chǎn)生的噪聲干擾。

1 時(shí)間三光路法檢測(cè)原理

激勵(lì)光經(jīng)過(guò)調(diào)制后以頻率υ射入光聲池內(nèi)，使光聲池內(nèi)部分氣體分子從基態(tài)E0躍遷至激發(fā)態(tài)E1，通過(guò)無(wú)輻射弛豫過(guò)程返回至基態(tài)，將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎卜肿娱g的平移動(dòng)能，產(chǎn)生熱。當(dāng)激勵(lì)光源受到頻率為ω的諧振調(diào)制時(shí)，加熱過(guò)程會(huì)產(chǎn)生周期性變化。根據(jù)氣體熱力學(xué)定律，周期性的溫度變化會(huì)產(chǎn)生同周期的壓力信號(hào)，從而被調(diào)制形成相同頻率的聲波，此聲波則通過(guò)安裝在光聲池上的微音器的檢測(cè)，將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即為光聲信號(hào)，光聲信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程即為光聲效應(yīng)[3-4]。

光聲信號(hào)強(qiáng)度S0可表達(dá)為：

S0=SmPlCcellNcmσ

(1)

式中：Pl為光源功率；Sm為微音器的靈敏度；Ccell為光聲池響應(yīng)常數(shù)；N為分子數(shù)密度常數(shù)；σ為光聲池中氣體吸收截面；cm為光聲池內(nèi)氣體濃度。

在圓柱形腔體的光聲池內(nèi)式樣獲得光聲光譜信號(hào)強(qiáng)度表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為[5-6]：

S0=kβ(λ)I0(λ)

(2)

式中：I0(λ)為入射光強(qiáng)；β(λ)氣體吸收系數(shù)；k為比例常數(shù)。

由于煙氣中各個(gè)組分氣體的濃度不會(huì)發(fā)生突變，根據(jù)朗伯比爾定律和光聲光譜原理，在實(shí)驗(yàn)條件確定的情況下，光源功率Pl可視為已知的常量。微音器的靈敏度Sm和光聲池響應(yīng)常數(shù)Ccell均為定值。由式(2)可得：

k=PlSmCcell

(3)

則k可以視為常數(shù)量。

由于被測(cè)氣體已知，則分子數(shù)密度常數(shù)N和光聲池中氣體吸收截面σ均已知，可簡(jiǎn)化得到β(λ)=Nσ。而激光器功率調(diào)定后，I0(λ)一定，可視為常數(shù)量。則光聲信號(hào)強(qiáng)度與氣體濃度的關(guān)系式可以簡(jiǎn)化為式(4)：

So=kβ(λ)I0(λ)cm

(4)

由式(4)可以看出光聲信號(hào)強(qiáng)度與被測(cè)氣體濃度可近似視為線(xiàn)性關(guān)系，即：

So=Mcm

(5)

式中M=kβ(λ)I0(λ)，為常數(shù)項(xiàng)。

式(5)為最終氣體測(cè)量的數(shù)學(xué)模型。

NO和NO2吸收光譜在5 000～6 500 nm同水蒸氣的吸收光譜有重疊，其光聲信號(hào)同氮氧化物的光聲信號(hào)有疊加，對(duì)于煙氣來(lái)說(shuō)，其成分中含有大量的水蒸氣，從而造成光聲強(qiáng)度增大，相同條件下使氮氧化物濃度的測(cè)量結(jié)果偏大，引起測(cè)量正偏差，這是影響測(cè)量的主要問(wèn)題。

為了克服因氣體成分交叉敏感所引起測(cè)量的偏差，提出了氮氧化物三光路修正光聲檢測(cè)的方法。測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)不變，只是在NO和NO2的兩個(gè)帶通干涉濾光片的基礎(chǔ)上增加一個(gè)帶通干涉濾光片進(jìn)行水蒸氣的光聲測(cè)量，設(shè)計(jì)濾光片變換裝置，借助于步進(jìn)式電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使中心波長(zhǎng)分別為λ1、λ2和λ3的3個(gè)濾光片的交替工作，分別測(cè)量每個(gè)濾光片的光聲效應(yīng)，通過(guò)對(duì)這3個(gè)光聲信號(hào)的加權(quán)處理，可以完成去除水蒸氣噪聲的目的，提高測(cè)量精度，這就是三光路修正光聲檢測(cè)的方法。測(cè)量方法的前提是測(cè)量氣室內(nèi)的氣體為慢時(shí)變系統(tǒng)，才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

該系統(tǒng)主要包括[7-8]：激光器、斬波器、濾光片、光聲池、微音器、放大電路、信號(hào)處理模塊。氣體檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 氣體光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)安裝完畢，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，包括光密性檢測(cè)和氣密性檢測(cè)，保證系統(tǒng)能正常工作，使其性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

采用光聲光譜法與紅外吸收法分別在濾光片1工作時(shí)測(cè)量NO氣體濃度，配氣系統(tǒng)以純凈的N2和NO為基礎(chǔ)，調(diào)制閥門(mén)依次分別配出NO濃度為50 ppm(1 ppm=10-6)，100 ppm，150 ppm，200 ppm，250 ppm，300 ppm，350 ppm，400 ppm，450 ppm的樣氣用于測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果及對(duì)比效果如圖2所示。

圖2 NO光聲光譜法與紅外吸收法測(cè)量對(duì)比

配氣系統(tǒng)以純凈的NO和NO2為基礎(chǔ)，調(diào)制閥門(mén)依次分別配出NO2濃度為50 ppm，100 ppm，150 ppm，200 ppm，250 ppm，300 ppm，350 ppm，400 ppm，450 ppm的樣氣用于測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果及對(duì)比效果如圖3所示。

圖3 NO2光聲光譜法與紅外吸收法測(cè)量對(duì)比

采用光聲光譜法分別在濾光片1、濾光片2和濾光片3工作時(shí)測(cè)量混合氣體光聲光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的輸出電壓，根據(jù)三光路修正模型可知NO實(shí)際光聲強(qiáng)度輸出同λ1輸出電壓信號(hào)和λ3工作輸出電壓信號(hào)的加權(quán)值和成正比，NO和NO2修訂前后擬合濃度曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 含水樣氣中NO和NO2修正前后擬合曲線(xiàn)

3 結(jié)束語(yǔ)

從理論上推導(dǎo)了時(shí)間三光路光聲光譜煙氣中氮氧化物濃度測(cè)量模型，得到了非突變條件下小濃度氮氧化物濃度與光聲信號(hào)呈正比的結(jié)論，為光聲光譜測(cè)量各種窯爐和工業(yè)鍋爐煙氣中氮氧化物濃度提供了理論基礎(chǔ)。建立了能夠消除水蒸氣對(duì)NO、NO2交叉敏感引入干擾問(wèn)題的時(shí)間三光路氮氧化物光聲檢測(cè)模型，從理論上提高其檢測(cè)精度。時(shí)間三光路光聲光譜檢測(cè)裝置直線(xiàn)擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.995和0.991，較單光路測(cè)量直線(xiàn)擬合相關(guān)系數(shù)0.982和0.979更接近1，由此可知采用時(shí)間三光路測(cè)量含水樣氣中氮氧化物線(xiàn)性度有所提高，絕度誤差有較明顯下降。

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作者簡(jiǎn)介：龔雨含(1988-)，助教，碩士，檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

E-mail：gongyuhan@heuu．edu．cn

粘山坡(1980-)，講師，碩士，智能檢測(cè)技術(shù)。

E-mail：shanpo1999@126．com