NDIR法便攜煙氣SO2分析儀技術(shù)性能及現(xiàn)場應(yīng)用比較

王 強(qiáng)，鐘 琪，周 剛，張 楊，楊 凱

中國環(huán)境監(jiān)測總站 國家環(huán)境保護(hù)監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012

“十二五”以來，隨著節(jié)能減排工作的不斷深入，固定污染源煙氣排放主要污染物二氧化硫(SO2)的排放濃度逐步下降［1-2］，從幾十 mg/m3到十幾mg/m3不等。便攜煙氣SO2分析儀作為目前各級環(huán)境監(jiān)測部門在污染源廢氣排放監(jiān)督性監(jiān)測、比對監(jiān)測以及驗(yàn)收監(jiān)測過程中廣泛使用的現(xiàn)場監(jiān)測儀器，這種低濃度SO2的排放現(xiàn)狀對其儀器靈敏度、檢測限、準(zhǔn)確度等指標(biāo)提出了更高要求。因此，原有的定電位電解法污染源便攜煙氣SO2監(jiān)測儀器在現(xiàn)場監(jiān)測的準(zhǔn)確度、檢測下限、抗干擾能力以及現(xiàn)場操作和維護(hù)等方面已經(jīng)不能完全滿足當(dāng)前復(fù)雜煙氣環(huán)境下SO2排放監(jiān)測的需求［3-4］，非分散紅外吸收法(NDIR)便攜煙氣 SO2分析儀以其靈敏度高、檢出限低、抗干擾能力強(qiáng)和與煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)原理一致或接近等特點(diǎn)在固定污染源監(jiān)督性監(jiān)測和CEMS比對監(jiān)測中越來越發(fā)揮出優(yōu)勢［5］。近年來，隨著國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀器生產(chǎn)企業(yè)儀器研發(fā)能力的不斷加強(qiáng)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)NDIR法便攜煙氣SO2分析儀不斷涌現(xiàn)，其在固定污染源煙氣排放SO2監(jiān)測過程中的應(yīng)用也不斷增多［6］，儀器的技術(shù)水平和功能配置逐步走向成熟，產(chǎn)品性能質(zhì)量趨于穩(wěn)定。然而，盡管此類儀器和技術(shù)發(fā)展很快，但其能否完全滿足“十二五”總量減排監(jiān)測和管理工作的需求，能否達(dá)到國外同類成熟產(chǎn)品的性能質(zhì)量和技術(shù)水平，目前還沒有相關(guān)的報道和相關(guān)產(chǎn)品檢測或認(rèn)證的信息;對固定污染源NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的技術(shù)性能和現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行相關(guān)測試比對、比較是非常必要的。

1 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的基本原理和儀器結(jié)構(gòu)

1.1 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的基本原理

NDIR方法測量煙氣中的SO2是基于SO2分子在特定區(qū)域內(nèi)對紅外光的吸收原理［7-8］，利用該方法的分析儀器不掃描分散光源發(fā)出的光，而是簡單地采用濾光元件等其他構(gòu)件在比較狹窄的波長范圍內(nèi)或光譜帶內(nèi)測量SO2氣體對光的吸收。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高檢測的靈敏度和抗干擾能力，衍生出一些較復(fù)雜的非分散紅外吸收技術(shù)，例如:充氣檢測器NDIR、光聲檢測器NDIR、氣體過濾相關(guān)紅外(GFC)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)等［9］，以這些技術(shù)為原理的煙氣 SO2分析儀在連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)和便攜分析儀器均比較常見且應(yīng)用廣泛。

1.2 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的儀器結(jié)構(gòu)

NDIR法便攜煙氣SO2分析儀常見結(jié)構(gòu)主要包括4個部分:樣品采集和預(yù)處理部分、樣品分析測試部分、輔助測試部分、數(shù)據(jù)采集處理傳輸部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀常見結(jié)構(gòu)簡圖

樣品采集和預(yù)處理部分:一般包括加熱采樣探頭、樣品高溫伴熱傳輸管線、樣品預(yù)處理(過濾、除濕)單元(FTIR一般沒有除濕部分)、采樣泵等;樣品分析測試部分:樣品測試分析儀;輔助測試部分:分析儀和全系統(tǒng)校準(zhǔn)單元、尾氣排放單元、冷凝水排放單元(FTIR一般沒有);數(shù)據(jù)采集處理傳輸部分:采樣和測試數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的采集、存儲、記錄、計算處理、數(shù)據(jù)上傳等。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 參與測試的便攜煙氣SO2分析儀基本情況

參與固定污染源便攜煙氣SO2分析儀技術(shù)性能和現(xiàn)場應(yīng)用測試的國產(chǎn)和進(jìn)口儀器設(shè)備共3種型號，儀器設(shè)備基本情況見表1。

表1 3種參與測試的便攜煙氣SO2分析儀基本情況

2.2 測試使用的儀器設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

測試使用的儀器設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)氣體情況見表2。

2.3 測試地點(diǎn)和環(huán)境條件

測試包括實(shí)驗(yàn)室儀器性能指標(biāo)測試、現(xiàn)場應(yīng)用比對測試兩部分，檢測地點(diǎn)及環(huán)境條件見表3。

2.4 測試項目及參考技術(shù)指標(biāo)

測試便攜煙氣SO2分析儀技術(shù)性能的檢測項目及參考技術(shù)指標(biāo)［10-11］見表4。

表2 檢測使用的儀器設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)氣體

表3 檢測地點(diǎn)和環(huán)境條件

表4 測試項目及參考技術(shù)指標(biāo)

2.5 技術(shù)指標(biāo)測試方法

2.5.1 示值誤差

儀器校準(zhǔn)穩(wěn)定后，分別通入濃度為滿量程10% ～30%、50% ～60%、80% ～100%3種濃度SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體，待示值穩(wěn)定后記錄儀器示值，每種濃度連續(xù)重復(fù)測定3次，取平均值，計算其與標(biāo)氣標(biāo)稱值之差相對于滿量程的百分比。

2.5.2 重復(fù)性

儀器校準(zhǔn)穩(wěn)定后調(diào)零，通入濃度為滿量程50% ～60%的SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄儀器數(shù)值，然后回零，重復(fù)上述步驟6次，計算6次測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.5.3 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間包括上升時間、下降時間。上升時間:儀器穩(wěn)定后調(diào)零，通入量程校準(zhǔn)氣體，同時用秒表測定從通入標(biāo)準(zhǔn)氣體開始至指示值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)準(zhǔn)示值90%的時間，連續(xù)重復(fù)測定3次，取平均值作為上升時間?；貜?fù)時間:儀器穩(wěn)定后調(diào)零，通入量程校準(zhǔn)氣體，當(dāng)示值達(dá)到穩(wěn)定后，停止進(jìn)樣，立即通入零點(diǎn)校準(zhǔn)氣，同時用秒表測定從通入零點(diǎn)校準(zhǔn)氣開始至指示值下降到標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)準(zhǔn)示值10%的時間，連續(xù)重復(fù)測定3次，取平均值作為回復(fù)時間。

2.5.4 進(jìn)樣流量變化的影響

儀器穩(wěn)定后調(diào)零，在正常設(shè)定流速的情況下通入濃度為滿量程80% ～100%的 SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄儀器數(shù)值;分別調(diào)節(jié)儀器流速為高于原設(shè)定流速值(+5%)和低于原設(shè)定流速值(－5%)，通入同一濃度的SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體，分別在穩(wěn)定后記錄儀器讀數(shù)，計算流速變化后儀器讀數(shù)變化值相對滿量程的百分比。

2.5.5 負(fù)載誤差

按阻力調(diào)節(jié)裝置、真空壓力表、儀器的順序連接，確保氣路連接不漏氣。儀器開機(jī)穩(wěn)定后，在不施加阻力和調(diào)節(jié)阻力調(diào)節(jié)裝置至負(fù)壓10 kPa條件下，分別通入濃度為滿量程50% ～60%的SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體，待讀數(shù)穩(wěn)定分別記錄數(shù)值;連續(xù)重復(fù)測試3次，取平均值，計算增加阻力前后測量結(jié)果的相對偏差。

2.5.6 污染源現(xiàn)場比對測試

將3臺便攜煙氣SO2分析儀與煙氣CEMS用同一標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)后進(jìn)行現(xiàn)場比對測試，取同時間段(5 min)內(nèi)4臺(套)儀器測量污染源煙氣SO2排放濃度數(shù)據(jù)均值為一組數(shù)據(jù)對進(jìn)行比較，共測試10組數(shù)據(jù)對，比較數(shù)據(jù)之間的變化趨勢和偏差情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 儀器基本性能指標(biāo)測試結(jié)果

表4中1～5項 NDIR法便攜煙氣SO2分析儀性能指標(biāo)測試結(jié)果見圖2～圖6?？梢钥闯?，3種類型的分析儀5項測試指標(biāo)均優(yōu)于表4中參考技術(shù)指標(biāo)要求。其中，國產(chǎn)NDIR法便攜煙氣SO2分析儀除“示值誤差”指標(biāo)與進(jìn)口同類儀器相比略有差距外，其他指標(biāo)均基本達(dá)到同一水平，而在“響應(yīng)時間”上甚至快于進(jìn)口同類儀器(不考慮進(jìn)樣流量的影響);這說明經(jīng)過近幾年的借鑒、引進(jìn)和吸收，國產(chǎn)NDIR法便攜煙氣 SO2分析儀的基本性能指標(biāo)已經(jīng)基本達(dá)到了國際水平，但儀器設(shè)備的性能穩(wěn)定性還有待提高。

圖2 示值誤差指標(biāo)測試結(jié)果

圖3 重復(fù)性指標(biāo)測試結(jié)果

圖4 響應(yīng)時間指標(biāo)測試結(jié)果

圖5 進(jìn)樣流量變化指標(biāo)測試結(jié)果

圖6 負(fù)載誤差指標(biāo)測試結(jié)果

3.2 污染源現(xiàn)場煙氣CEMS比對監(jiān)測測試結(jié)果

3種型號的NDIR法便攜煙氣SO2分析儀與美國賽默飛世爾MODEL600型煙氣 CEMS在污染源排放現(xiàn)場進(jìn)行比對監(jiān)測的測試結(jié)果見表5。比對監(jiān)測煙氣便攜SO2分析儀采樣點(diǎn)位與煙氣CEMS采樣點(diǎn)位在污染源煙氣排放煙道的同一斷面，共測試數(shù)據(jù)對10組，每組比對時間為5 min?，F(xiàn)場安裝的 MODEL600型煙氣 CEMS監(jiān)測原理為直接抽取－非分散紅外吸收法。

表5 污染源現(xiàn)場便攜SO2分析儀與煙氣CEMS比對監(jiān)測測試結(jié)果

3種便攜煙氣SO2分析儀與煙氣CEMS比對監(jiān)測結(jié)果見圖7、圖8?？梢钥闯?，3種便攜煙氣SO2分析儀與煙氣CEMS監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢具有較好的一致性，說明這類NDIR法便攜煙氣SO2分析儀與煙氣CEMS在污染源比對監(jiān)測中具備良好的可比性;其次，從監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性上比較，3種便攜監(jiān)測儀器與煙氣CEMS監(jiān)測數(shù)據(jù)對均值的相對誤差均小于±10%，說明NDIR法便攜煙氣SO2分析儀能夠準(zhǔn)確可靠地反映污染源的真實(shí)排放情況，同時對安裝運(yùn)行在污染源現(xiàn)場的煙氣CEMS的運(yùn)行狀況進(jìn)行比對、考核。

圖7 10組比對監(jiān)測測試結(jié)果變化趨勢比較

圖8 比對監(jiān)測中便攜儀器與CEMS數(shù)據(jù)的相對誤差

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)果與討論

1)國內(nèi)外3種NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的技術(shù)性能指標(biāo)和現(xiàn)場應(yīng)用測試結(jié)果:國產(chǎn)NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的基本性能指標(biāo)和污染源現(xiàn)場應(yīng)用測試能力已經(jīng)逐步接近國外同類儀器設(shè)備的技術(shù)水平，個別技術(shù)和功能通過不斷改進(jìn)和創(chuàng)新已經(jīng)達(dá)到國際一流水平。

2)國產(chǎn)NDIR法便攜煙氣SO2分析儀與同類進(jìn)口儀器設(shè)備相比的差異、優(yōu)勢與不足:①儀器設(shè)備的功能。國產(chǎn)儀器與進(jìn)口同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本一致，某些方面擴(kuò)展了一些新功能，如增加了一體化的冷凝除水單元和蠕動泵排水單元，延長了便攜儀器在現(xiàn)場監(jiān)測中的使用測量時間和整體儀器的使用壽命，更適應(yīng)中國國情;另外，國產(chǎn)NDIR便攜煙氣SO2分析儀一般除了配置SO2分析測試單元外，還配備了煙氣流速測量設(shè)備，在測量排放濃度的同時可通過煙氣流速和流量計算，提供煙氣SO2等污染物排放速率、排放量的計算結(jié)果。②儀器設(shè)備的性能質(zhì)量。國產(chǎn)儀器在產(chǎn)品質(zhì)量、性能穩(wěn)定性等方面還需要進(jìn)一步完善，尤其在產(chǎn)品的外觀、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性、使用的便捷舒適性方面還略顯不足;另外，國產(chǎn)儀器的某些核心部件(包括檢測室等)尚不能完全自主生產(chǎn)，往往還需要進(jìn)口;這些也是未來儀器設(shè)備國產(chǎn)化發(fā)展中亟需完善和解決的問題。

4.2 建議

1)由于NDIR法便攜煙氣SO2分析儀的分析測試原理與污染源現(xiàn)場煙氣CEMS的監(jiān)測分析原理基本一致，兩者的測量方法和抗干擾能力也比較接近;因此，NDIR法便攜煙氣SO2分析儀在污染源CEMS比對監(jiān)測和監(jiān)督性檢測中具有較好的可比性和適用性，可以大大提高比對監(jiān)測的工作效率和準(zhǔn)確程度，應(yīng)該廣泛推廣使用。

2)隨著便攜煙氣SO2分析儀技術(shù)水平的逐步提高，有關(guān)儀器現(xiàn)場CEMS比對測試和污染源監(jiān)督性監(jiān)測的質(zhì)控措施和要求亟需進(jìn)一步制定和完善;有關(guān)儀器設(shè)備的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范等法規(guī)應(yīng)盡快出臺，為“十二五”主要污染物SO2總量減排監(jiān)測和污染源CEMS數(shù)據(jù)有效性審核提供技術(shù)支撐。

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