基于DOAS的光譜測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展

王飛 丁戰(zhàn) 崔依冬 王啟昌 沈德魁

摘? ?要：本文概述了基于DOAS的光譜測(cè)量技術(shù)工作原理，并介紹了基于DOAS的光譜測(cè)量技術(shù)在大氣污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域及燃煤電廠煙氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，分析了其應(yīng)用于燃煤電廠煙道中NOx的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的難度，以及亟待解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：DOAS? 煙氣監(jiān)測(cè)? NOx

中圖分類(lèi)號(hào)：O433? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（b）-0086-02

氮氧化物（NOx）是造成大氣污染的主要污染源之一，是導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧等環(huán)境問(wèn)題的重要原因。我國(guó)燃煤電廠NOx的排放量約為中國(guó)NOx排放量的一半以上，并且燃煤電廠NOx的排放量仍在持續(xù)增加[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題日益重視，NOx排放指標(biāo)也日益嚴(yán)格。在煙氣脫硝方面，尤其是選擇性催化還原脫硝（SCR）技術(shù)上，近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了一定的進(jìn)展。但是在NOx排放測(cè)量方面，國(guó)內(nèi)的研究則較少。然而，對(duì)煙氣中NOx排放量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確測(cè)量煙道中NOx濃度分布情況，得到實(shí)時(shí)NOx分布特性，將有利于指導(dǎo)SCR系統(tǒng)針對(duì)性精確噴氨，不僅能夠促進(jìn)SCR系統(tǒng)NOx脫除效率的提升，也能降低電廠噴氨量，從而減小因噴氨過(guò)量引起的運(yùn)行問(wèn)題的發(fā)生幾率，顯著提高SCR系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，安全性及經(jīng)濟(jì)性。

本文針對(duì)基于紫外差分光譜技術(shù)（DOAS）的NOx測(cè)量技術(shù)工作原理及其應(yīng)用進(jìn)展和前景進(jìn)行了論述。

1? 基于DOAS的光譜測(cè)量技術(shù)工作原理

DOAS技術(shù)原理簡(jiǎn)單、設(shè)備價(jià)格低廉、響應(yīng)速度快，因此基于DOAS的NOx監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用于大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。DOAS技術(shù)是基于Lamber-bell定律，任何經(jīng)過(guò)氣體介質(zhì)的光都會(huì)由于氣體的吸收，導(dǎo)致光強(qiáng)發(fā)射衰減，而其衰減規(guī)律則遵循Lamber-bell定律。而在應(yīng)用于SCR脫硝系統(tǒng)煙氣測(cè)量時(shí)，煙氣成分更為復(fù)雜，既存在由O2、N2引起的的Rayleigh散射，也存在由煙塵和氣溶膠粒子引起的Mie散射，因此Lamber-bell定律可以被修正為：

其中，I（λ）-衰減后光強(qiáng);I0（λ）-原始光強(qiáng);L-光程;σi（λ）-氣體吸收截面;ci-氣體濃度;εMie-Mie散射引起的消光;εRay-Rayleigh散射引起的消光，并且Rayleigh散射和Mie散射導(dǎo)致的光強(qiáng)衰減隨著光源波長(zhǎng)的變化緩慢變化，被稱(chēng)為“寬帶”光譜。由“寬帶”光譜引起的光強(qiáng)衰減可以表示為：

其中，σB（λ）-氣體寬帶吸收截面。

而由NOx分子引起的特征吸收光譜隨著光源波長(zhǎng)的快速變化，被稱(chēng)為“窄帶”光譜。由“窄帶”光譜引起的光強(qiáng)衰減可以表示為：

其中，σi（λ）-氣體窄帶吸收截面。

通過(guò)將“寬帶”光譜與“窄帶”光譜分離，進(jìn)而對(duì)分離出的窄帶光譜進(jìn)行濃度反演，從而獲得NOx濃度值。則氣體濃度ci能夠通過(guò)下述公式計(jì)算獲得：

2? 基于DOAS的光譜測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展

目前，DOAS在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究已經(jīng)非常廣泛。王婷[2]等使用三種不同設(shè)計(jì)和不同操作方式的多軸差分吸收光譜（MAX-DOAS）儀器分別對(duì)大氣中NO2濃度進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)16d的監(jiān)測(cè)，并對(duì)NOx反演濃度進(jìn)行了比對(duì)，反演的濃度誤差小于6%，這表明了DOAS技術(shù)的測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性。

目前，DOAS技術(shù)應(yīng)用在大氣中監(jiān)測(cè)NOx的研究已經(jīng)有很多報(bào)道，國(guó)內(nèi)也有許多關(guān)于DOAS技術(shù)監(jiān)測(cè)燃煤電廠煙道中SO2及Hg排放的研究。張豹等[3]利用DOAS技術(shù)，構(gòu)建了SO2差分吸收截面數(shù)據(jù)集，結(jié)合濃度反演結(jié)果，對(duì)測(cè)量波長(zhǎng)區(qū)間進(jìn)行了縮短，從而利用最優(yōu)數(shù)據(jù)集，能夠較為精準(zhǔn)的計(jì)算出煙氣中SO2濃度，且連續(xù)監(jiān)測(cè)72h都反映出了良好的重復(fù)性。

然而，由于煙氣中成分復(fù)雜，DOAS技術(shù)在應(yīng)用于NOx測(cè)量時(shí)，受到的干擾相對(duì)較多，真正將DOAS技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量SCR系統(tǒng)煙道中NOx濃度的研究目前還較少。李廣杰[4]等針對(duì)二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2）分子吸收光譜特性，采用脈沖氙燈提供變波長(zhǎng)光源，光纖光譜儀接收通過(guò)混合氣體的光信號(hào)，對(duì)模擬煙氣成分進(jìn)行了在線(xiàn)測(cè)量，通過(guò)最小二乘法、傅里葉變換法和線(xiàn)性調(diào)頻Z變換法分別對(duì)SO2和NO2濃度進(jìn)行了反演，并且SO2與NO2特征吸收波段相互獨(dú)立，不會(huì)相互干擾，三種算法反演得到的目標(biāo)氣體濃度值與標(biāo)氣值相比誤差都較小，這充分說(shuō)明了DOAS技術(shù)具有現(xiàn)場(chǎng)可操作性，能夠用于現(xiàn)場(chǎng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)NOx濃度。

梅魏鵬[5]研究開(kāi)發(fā)了一套基于DOAS技術(shù)對(duì)火電廠煙氣中SO2和NOx進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置，并且通過(guò)將實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了修改。利用小波變換降噪技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能影響測(cè)量結(jié)果的系統(tǒng)噪聲和Mie散射進(jìn)行了處理，以提高檢測(cè)的精確度。文中通過(guò)最小二乘法對(duì)污染物濃度進(jìn)行了反演，發(fā)現(xiàn)最小二乘法存在較多限制，濃度過(guò)大或過(guò)低，以及高溫都可能對(duì)其反演精度造成較大影響，因此，作者還提出了針對(duì)不同濃度范圍使用不同算法反演污染物濃度的想法。

3? 總結(jié)與展望

DOAS技術(shù)憑借其特有的優(yōu)勢(shì)以及逐漸成為氣體污染物排放監(jiān)測(cè)領(lǐng)域重要手段，其研究發(fā)展在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注。但是由于燃煤電廠煙道中煙氣成分復(fù)雜，不僅含有NOx和SO2，水蒸氣、CO2以及大量的粉塵顆粒物都會(huì)對(duì)DOAS系統(tǒng)的測(cè)量造成影響，尤其是對(duì)NOx的測(cè)量影響尤為劇烈。因此，將DOAS技術(shù)應(yīng)用于燃煤電廠煙氣的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的光譜處理方法和濃度反演算法等進(jìn)行不斷修正，提高DOAS系統(tǒng)對(duì)NOx濃度的測(cè)量精度，更準(zhǔn)確得控制煙道中NOx濃度分布。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳進(jìn)生.火電廠煙氣脫硝技術(shù)-選擇性催化還原法[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2] 王婷，王普才，余環(huán)，等.多軸差分吸收光譜儀反演大氣NO2的比對(duì)試驗(yàn)[J].物理學(xué)報(bào)，2013，62（5）：201-211.

[3] 張豹，高潮，郭永彩，等.基于DOAS及統(tǒng)計(jì)量的低濃度SO2測(cè)量方法[J]. 光子學(xué)報(bào)， 2018（2）：55-62.

[4] 李廣杰.基于UV-DOAS的煙氣SO2、NOx及Hg0同時(shí)在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)研究[D].華北電力大學(xué)， 2015.

[5] 梅魏鵬. 基于紫外差分光譜的SO2、NOX混合氣體的檢測(cè)算法研究[D]. 重慶大學(xué)， 2014.