紫外差分分析儀在煙氣超低排放監(jiān)測中的應(yīng)用

摘要：隨著節(jié)能減排政策的深入實(shí)施，關(guān)于煙氣排放的標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，在超低排放的工程改造中，需要加大對固定污染煙氣排放的實(shí)時監(jiān)測，才能達(dá)到相應(yīng)的規(guī)范和排放標(biāo)準(zhǔn)，因此紫外差分分析儀在煙氣超低排放監(jiān)測中得到了推廣和應(yīng)用，本文就煙氣監(jiān)測采樣技術(shù)和分析方法進(jìn)行分析，針對紫外差分分析儀的各項(xiàng)指標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果和最新國家標(biāo)準(zhǔn)之間的對比，對其超低排監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：紫外差分分析儀;煙氣監(jiān)測;應(yīng)用

中圖分類號：X851 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）02-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.060

Abstract：At present，with the in-depth implementation of energy saving and emission reduction policies， the emission standards of flue gas are increasingly strict.In the ultra-low emission engineering transformation，it is necessary to increase the real-time monitoring of the emission of fixed pollution flue gas，so that it can reach the corresponding standards and emission standards.Therefore ultraviolet differential analyzer in the flue gas ultra low emission monitoring promotion and application of monitoring sampling technique and analysis method in this paper， the flue gas is analyzed， according to the indicators of ultraviolet differential analyzer， through the contrast between the laboratory test results and the latest national standards， the application of the low line monitoring were discussed.

Key words：Ultraviolet differential analyzer;Smoke monitoring;Application

隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，所造成的環(huán)境污染問題越來越突出，關(guān)于環(huán)保和節(jié)能減排的政策也在不斷頒布執(zhí)行，其中包括了污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的連續(xù)監(jiān)測方法及技術(shù)要求，經(jīng)過不斷的修訂，最新的監(jiān)測規(guī)范和要求更為嚴(yán)格，同時也加入了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室檢測，在煙氣超低排放的低量程在線監(jiān)測技術(shù)有了更嚴(yán)格的要求。針對超低排放的高濕、低溫、強(qiáng)腐蝕性以及低濃度的特點(diǎn)，如何準(zhǔn)確連續(xù)地對超低排放的污染進(jìn)行監(jiān)測成為了目前監(jiān)測系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決的問題。

1 采樣技術(shù)和分析方法

煙氣采樣方法在連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)中，主要有直接測量法、稀釋抽取法以及完全抽取法三種。在實(shí)際應(yīng)用中主要利用完全抽取法，通過固定污染源的連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)對樣氣進(jìn)行抽取，并通過過濾器進(jìn)入分析儀表中進(jìn)行樣品測量。

在完全抽取式處理方法中，主要采用熱濕法和冷干法兩種預(yù)處理方式。熱濕法利用高溫伴熱的處理方式，使煙氣抽出后保持溫度，使其不出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，直到檢測分析完成，同時要求測量儀表需要在高溫狀態(tài)下運(yùn)行，對儀表耐高溫性能有較高的要求;目前較常用的冷干法是通過加設(shè)冷凝器，使煙氣在采樣過程中實(shí)現(xiàn)水分排除，但如應(yīng)用在超低排放監(jiān)測領(lǐng)域，煙氣中水分含量較高，而SO2的含量較低，冷凝器無法有效將水分予以排除，從而對測量效果的準(zhǔn)確性造成影響，同時此方法還存在著易堵塞、易腐蝕和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足之處。對這兩種方法進(jìn)行比較可以看出，前者具有壽命長、準(zhǔn)確性高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)勢，適合在高濕度低濃度的超低排放監(jiān)測中進(jìn)行應(yīng)用。兩種方法的具體對比如表1所示。

對氣體污染物進(jìn)行分析，主要采用激發(fā)光譜技術(shù)和吸收光譜技術(shù)兩種方式。

其中激發(fā)光譜又包括了化學(xué)發(fā)光法和紫外熒光法，吸收光譜包括紫外光譜和紅外光譜兩類。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用吸收光譜技術(shù)對煙氣進(jìn)行氣態(tài)污染物含量的測量，因大量水汽吸收存在于紅外光波中，對煙氣中NO和SO2待測污染物的含量造成影響和干擾，不利于測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。而紫外波段能夠完全不受水分的干擾，不存在上述問題，所以在超低排放監(jiān)測領(lǐng)域中，紫外波段更適合應(yīng)用。紫外光譜測量技術(shù)包括了紫外吸收技術(shù)和紫外差分吸收光譜技術(shù)兩種，分別簡稱為GFC，NDUV和DOAS，而后者具有測量準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)等應(yīng)用優(yōu)勢。各光譜技術(shù)的具體對比如表2所示。

通過各吸收光譜技術(shù)的對比可以看出，基于冷干法測量原理的光譜吸收技術(shù)在低濃度高濕的超低排放監(jiān)測中容易造成SO2的損失，而傅里葉紅外技術(shù)則價格過高，同樣不適用。只有DOAS紫外差分吸收光譜技術(shù)能夠很好地滿足超低排放的監(jiān)測要求，另外其還具有在線實(shí)時自動測量、不受粉塵等因素干擾、靈敏度高等優(yōu)勢，目前也普遍應(yīng)用于大氣、煙氣檢測中。

2 紫外差分煙氣分析儀概述

2.1 測量應(yīng)用原理

DOAS吸收光譜技術(shù)針對氣體成分，通過分子的窄帶吸收光譜進(jìn)行分辯，利用吸收光譜的強(qiáng)度對測量對象的濃度進(jìn)行推斷，在氣體吸收的定律基礎(chǔ)上，形成其測量原理[1]。

公式中代入了光源的入射和出射光強(qiáng)、光波波長、光程以及第i種氣體的氣體濃度、氣體標(biāo)準(zhǔn)吸收截面。另外對不同氣體分子因顆粒物和吸收差異所造成的不同散射影響進(jìn)行充分考慮，出射光強(qiáng)設(shè)定為：

公式中包括了兩種散射的消光系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，隨著波長的變化，散射干擾也會隨之發(fā)現(xiàn)變化，波長的快速變化會對氣體分子的吸收造成影響，所以將緩慢變化的干擾因素從總吸收光譜中排除，利用氣體分子濃度的快速變化對其進(jìn)行計(jì)算，使氣體濃度信息的準(zhǔn)確性得到保證。利用數(shù)字濾波，紫外差分技術(shù)算法根據(jù)氣體吸收截面可分為慢速變化和快速變化兩種。

吸收光譜通過濾波手段提取快速變化部分時，可通過以下公式得到：

對應(yīng)氣體濃度可以通過最小二乘法，利用線性擬合的方式進(jìn)行反演推算。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

紫外差分分析儀采用高溫全程拌熱的方式，對樣氣進(jìn)行抽取并送入分析，伴熱溫度需要全程保持在180℃，全程都要防止水分出現(xiàn)冷凝的情況[2]。由氣體室、紫外光源、光譜儀等組成煙氣分析儀核心部分，在保持在高溫狀態(tài)下的氣體室中，對樣氣通過光譜儀進(jìn)行測量，讀取樣氣光譜并利用紫外差分算法對其進(jìn)行處理，以及氣體濃度的反演推算。

3 新國標(biāo)下的實(shí)驗(yàn)室測量

目前，不少企業(yè)開始響應(yīng)國家減排政策的號召，積極進(jìn)行超低排放的改造工作，而以往的監(jiān)測系統(tǒng)檢驗(yàn)方法和技術(shù)要求已不適應(yīng)現(xiàn)階段的煙氣監(jiān)測需求[3]。最近新標(biāo)準(zhǔn)的分布實(shí)施，對現(xiàn)場在線比對提出了更高的要求，同時還對實(shí)驗(yàn)室檢測環(huán)節(jié)予以重視和強(qiáng)調(diào)，在實(shí)驗(yàn)室檢測環(huán)節(jié)中，主要包括了在線監(jiān)測儀表的十二項(xiàng)測試項(xiàng)目：如儀表響應(yīng)時間、線性誤差、一周零點(diǎn)、重復(fù)性、一周量程漂移、進(jìn)樣流量變化影響、24H零點(diǎn)和量程漂移、環(huán)境溫度變化影響、干擾影響、二氧化氮轉(zhuǎn)換效率、振動影響、供電電壓變化影響，以及平行性等。

通過實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測項(xiàng)目，詳細(xì)測試分析儀表的性能以及現(xiàn)場適用性，并對其進(jìn)行應(yīng)用認(rèn)證，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測時，對應(yīng)用于超低排放監(jiān)測的儀表要求較高的同時，對實(shí)驗(yàn)室檢測和操作方法也有更高的要求，需要按照最新的國家標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行檢測。

3.1 環(huán)境溫度

進(jìn)行環(huán)境溫度變化檢測時，利用高低溫交變箱進(jìn)行檢測，將分析儀放置在內(nèi)并接通氣路，高低溫箱的溫度按照每分鐘調(diào)高或降低一度的方式和速度變化，之后應(yīng)將測試溫度保持穩(wěn)定30min，再接入標(biāo)氣和零氣，流速設(shè)定為1L/min，同時對分析的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。通過計(jì)算可以看出分析儀在環(huán)境影響中所產(chǎn)生的誤差遠(yuǎn)低于更為嚴(yán)格的國際標(biāo)準(zhǔn)，因此其具有較好的適應(yīng)性[4]。環(huán)境溫度變化影響的相關(guān)公式如下：

3.2 量程漂移和零點(diǎn)漂移

通過對分析儀進(jìn)行零點(diǎn)和量程漂移測試，在七天內(nèi)對分析儀不采用量程校準(zhǔn)、自動或手動零點(diǎn)操作，將濃度為50mg/m3的氣體以1L/min的流速接入分析儀，對其相應(yīng)的量程數(shù)據(jù)值和零點(diǎn)值進(jìn)行記錄。最終數(shù)據(jù)如圖1所示。從上述圖表數(shù)據(jù)可以看出，在穩(wěn)性和漂移量上，分析儀所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于新國標(biāo)的規(guī)定和要求，一周零點(diǎn)和量程漂移數(shù)據(jù)也達(dá)到相關(guān)的指標(biāo)要求。

3.3 干擾成分

對分析儀還需要進(jìn)行抗干擾能力的檢測，通過多種特定濃度干擾氣體的導(dǎo)入，檢測分析儀讀數(shù)出現(xiàn)的負(fù)干擾和正干擾情況，并需要保證不能超出滿量程的±5%，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。

由于測量區(qū)域內(nèi)無其他干擾氣體的吸收峰，光譜吸收較為簡單，因此測量數(shù)據(jù)不會受到干擾氣體的影響;在200～220nm的測量區(qū)間，吸收較強(qiáng)的NH3可以通過標(biāo)定光譜進(jìn)行吸收氣體的比例系數(shù)計(jì)算，并利用主元高斯消去法去除氣體產(chǎn)生的交叉干擾影響。與其他的光譜分析儀相比，不需要添加其他的濾光片，去干擾的方式簡單高效。通過實(shí)驗(yàn)表明，通過上述措施可以使干擾氣體所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)低于國標(biāo)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

4 超低煙氣連續(xù)現(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)用

在某燃煤電廠的排放標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測中，通過紫外差分煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，對其污染物排放進(jìn)行監(jiān)測，其主要采用的超低排放工藝為脫硝、石灰石脫硫、布袋除塵以及濕電除塵。

采用高濕伴熱進(jìn)行煙氣采樣，需要全程保持在180℃，防止測量過程中出現(xiàn)水分冷凝的情況，使測量穩(wěn)定性得以保證。分析儀表對煙氣進(jìn)行在線監(jiān)測，采用全流程配氣的方式，使測量準(zhǔn)確性得以保證。另外儀表響應(yīng)時間、線性誤差、零點(diǎn)和量程漂移等進(jìn)行檢測，確保達(dá)到國標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。檢測結(jié)果表明，線性三個濃度的線性誤差都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，響應(yīng)時間小于110s，零點(diǎn)和量程漂移也符合標(biāo)準(zhǔn)和要求。與其化紅外煙氣分析儀相對比，采用同樣的熱處理裝置和同樣的煙氣樣本，分別導(dǎo)入不同的分析儀中通過連續(xù)九天的零點(diǎn)漂移測量，針對紫外差分分析儀，無自動或手動校準(zhǔn)操作，紅外儀表則每隔兩天校準(zhǔn)一次，同時兩臺設(shè)備采用同樣的零點(diǎn)漂移指票和相同的量程，經(jīng)過測驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫外差分分析儀的指標(biāo)達(dá)到相關(guān)指標(biāo)要求，而紅外儀表超過零漂移數(shù)值[5]。另外通過抗干擾測試等，紫外差分分析儀能夠滿足相關(guān)的監(jiān)測方法和技術(shù)要求。通過長期實(shí)踐應(yīng)用證明，對于超低排放現(xiàn)場在線監(jiān)測的需求，紫外煙氣分析儀能夠予以滿足和適應(yīng)。

5 結(jié)束語

通過對采樣方式和手段的對比，能夠清晰了解紫外差分分析儀的優(yōu)勢和特點(diǎn)，能夠有效避免水分、煙塵等所造成的影響，防止造成SO2的損失，從而對監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成影響。紫外差分分析儀通過全程高濕伴熱的方式，可以實(shí)現(xiàn)NO、SO2的超低濃度無損測量。按照國家最新標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，對分析儀進(jìn)行了針對各項(xiàng)性能指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)室測試，測試表明其性能指標(biāo)都符合且達(dá)到相關(guān)的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)及要求，并具有抗干擾性強(qiáng)、檢測限低、響應(yīng)時間快等優(yōu)勢，能夠充分滿足高濕低濃度的超低排放現(xiàn)場在線監(jiān)測的需求，為響應(yīng)國家節(jié)能減排政策提供有效的解決措施和技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-12-26

作者簡介：張波（1988-），男，漢族，本科學(xué)歷，高級工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程、環(huán)境保護(hù)。