非分散紅外法測(cè)定煙氣中二氧化硫常見問題的探討

凌慧嬌 陶勝康 林雨倩 慕江容 尹平艷 段紹恒

摘 ? 要：非分散紅外法是我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)定煙氣中SO2的方法之一，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗背景氣體干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，煙氣的含濕量以及CH4氣體會(huì)干擾SO2的測(cè)定。對(duì)干擾存在的原因進(jìn)行逐一分析討論，歸納總結(jié)解決問題的辦法，最后對(duì)使用該方法測(cè)定煙氣中的SO2提出了建議，為環(huán)境監(jiān)測(cè)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：SO2;非分散紅外法;含濕量;CH4

SO2主要來源于煤、石油等含硫燃料的燃燒、含H2S油氣井作業(yè)中H2S的燃燒排放、含硫礦石的冶煉以及化工、煉油和硫酸廠等的生產(chǎn)過程，具有腐蝕性，會(huì)對(duì)人的呼吸道、眼睛等器官造成一定的刺激，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，SO2已成為我國減排和總量控制的重要指標(biāo)之一，準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測(cè)固定污染源SO2排放質(zhì)量濃度，是計(jì)算SO2排放總量的基礎(chǔ)，也是我國環(huán)境執(zhí)法以及環(huán)境管理工作有效開展的技術(shù)保障。

非分散紅外法是我國環(huán)保行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)定固定污染源廢氣中SO2的方法之一。與其他標(biāo)準(zhǔn)方法相比，該方法一方面具有儀器設(shè)備便攜、操作簡(jiǎn)單、在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中能更快速地出具數(shù)據(jù)且測(cè)定范圍更廣的特點(diǎn)，對(duì)比傳統(tǒng)碘量法具有明顯的優(yōu)勢(shì);另一方面，該方法利用待測(cè)特征污染對(duì)特征波長紅外光具有選擇性吸收的原理，可以在SO2測(cè)定過程中消除NH4、H2S、HCl、HF、NO2等大部分背景氣體的干擾[1]，彌補(bǔ)了定電位電解法的不足。另外，目前國內(nèi)污染源煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System，CEMS）監(jiān)測(cè)大部分采用非分散紅外法進(jìn)行SO2監(jiān)測(cè)。因此，在污染源CEMS比對(duì)監(jiān)測(cè)和監(jiān)督性檢查中，采用非分散紅外法作為手工參比方法，也可以排除方法差異造成的誤差，更具有可比性，且結(jié)果更為合理，推薦將該方法用于污染源CEMS比對(duì)監(jiān)測(cè)。

雖然非分散紅外法在應(yīng)用上有許多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際工作中，依然存在影響非分散紅外法對(duì)SO2的測(cè)定的干擾因素。本研究主要通過對(duì)影響非分散紅外法測(cè)定SO2的因素的分析，試圖找出干擾原因，以提出改進(jìn)方案，為后續(xù)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作提供參考。

1 ? ?非分散紅外法儀器的工作原理

傳統(tǒng)的非分散紅外系統(tǒng)一般由光源、調(diào)制器、濾波器和探測(cè)器組成，該設(shè)備在工作時(shí)采用的是寬波長范圍的紅外光源，光源發(fā)射出特定波長的紅外光經(jīng)調(diào)制器調(diào)制之后分別通過參比氣室和測(cè)量氣室，當(dāng)測(cè)量氣室中不含待測(cè)氣體時(shí)，通過兩氣室的光能量相等，當(dāng)存在待測(cè)氣體時(shí)，測(cè)量室的紅外光譜強(qiáng)度發(fā)生變化。通過將測(cè)量氣室測(cè)定出的光能量與參比室測(cè)得的光能量進(jìn)行比較，得出光通量的衰減值，進(jìn)一步計(jì)算出待測(cè)氣體的質(zhì)量濃度。

對(duì)于特定的化合物，其在紅外波段的紅外特征吸收帶都是標(biāo)準(zhǔn)的、確定的，SO2氣體紅外光譜的特征吸收波長范圍為6.82～9.00 μm。本方法采用波長為7.30 μm的紅外光照射SO2氣體。當(dāng)光通過SO2氣體時(shí)，其光通量的衰減值與SO2的濃度符合朗伯-比爾定律，最終可以計(jì)算出SO2質(zhì)量濃度值[2-4]。

2 ? ?煙氣含濕量的影響

一般情況下，企業(yè)的生產(chǎn)工藝以及廢氣處理工藝都可能會(huì)影響煙氣的含濕量，如采用濕法脫硫來處理廢氣時(shí)，煙氣含濕量可達(dá)5%，當(dāng)脫硫設(shè)備老化導(dǎo)致脫水效果不佳時(shí)，煙氣含濕量能達(dá)到12%，甚至更高。當(dāng)煙氣含水量或水蒸氣低于飽和濕度時(shí)，可以忽略水分對(duì)非分散紅外法測(cè)定結(jié)果的干擾。但當(dāng)煙氣含濕量過高時(shí)，由于煙氣進(jìn)入取樣管路后與管壁接觸，氣體溫度迅速下降而在管路中產(chǎn)生冷凝水，冷凝水會(huì)吸收煙氣中的SO2，導(dǎo)致最終進(jìn)入傳感器的SO2質(zhì)量濃度降低，監(jiān)測(cè)結(jié)果偏低[5]。

因此，在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過程中，遇到煙氣含濕量較高的情況需采用除濕裝置對(duì)氣體樣品進(jìn)行處理，保證采樣管路的相對(duì)干燥。目前，除濕裝置通常采用煙氣冷凝、排出冷凝水的方式進(jìn)行除濕，一般儀器自帶的裝置使用效果并不理想，必要時(shí)需額外配置更高除濕效率的預(yù)處理設(shè)備，或通過采取其他加熱措施減少水氣凝結(jié)[6-7]，以確保在預(yù)處理過程中能夠完全去除水蒸氣。

3 ? ?干擾氣體的影響

非分散紅外法是利用不同氣體分子對(duì)不同頻率光子具有選擇性吸收的特性，最終得到待測(cè)氣體特征紅外吸收光譜的原理，從而消除其他氣體對(duì)SO2的干擾，在很大程度上解決了以往使用定電位電解法測(cè)定SO2過程中受大部分背景干擾氣體影響的問題[8-9]，在抗背景氣體干擾方面有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

雖然該方法去除了大部分干擾氣體，但是有研究表明，當(dāng)煙氣中存在CH4時(shí)，采用該方法測(cè)定SO2仍然存在干擾[10-11]。CH4分子的4個(gè)固有振動(dòng)會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生4個(gè)基頻，波長分別為3.43、6.53、3.31、7.66 μm，全部處于紅外波段，并且其中一個(gè)7.66 μm的波長就在SO2吸收的范圍內(nèi)，與方法特征波長7.30 μm相近，導(dǎo)致CH4在該波段也會(huì)吸收紅外光。因此，當(dāng)煙氣中存在較高質(zhì)量濃度的CH4時(shí)，會(huì)對(duì)SO2的測(cè)定產(chǎn)生正干擾。所以，使用非分散紅外法測(cè)定SO2前，應(yīng)對(duì)儀器開展CH4干擾矯正實(shí)驗(yàn)，獲得一定CH4質(zhì)量濃度范圍內(nèi)的干擾矯正，通過計(jì)算以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。另外，陸立群等[6]研究表明，由于H2O的紅外特征吸收波長與SO2接近，因此，當(dāng)H2O量較大時(shí)也會(huì)對(duì)SO2的測(cè)定存在干擾，產(chǎn)生紅外吸收，應(yīng)在設(shè)備上安裝除水裝置，以減少水分子的干擾。

4 ? ?結(jié)語

非分散紅外法具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗背景氣體干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種方便可靠的測(cè)定SO2混合氣體的方法，目前在污染源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用。但在使用該方法開展SO2監(jiān)測(cè)時(shí)，還應(yīng)注意煙氣的高含濕量以及CH4對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，本研究通過研究非分散紅外法測(cè)定SO2時(shí)的干擾成因，提出以下建議：

在測(cè)定過程中需對(duì)煙氣的濕度進(jìn)行預(yù)處理，通過增加除濕裝置減少進(jìn)入管路的水蒸氣，保證采樣管路的相對(duì)干燥，一方面減少水分子對(duì)紅外吸收的影響，另一方面也防止發(fā)生冷凝。

在監(jiān)測(cè)前應(yīng)對(duì)儀器開展CH4的干擾校準(zhǔn)試驗(yàn)，通過獲得一定范圍內(nèi)的矯正因子對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)矯正，以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)。必要時(shí)可在測(cè)定SO2前預(yù)先測(cè)定污染源中CH4的質(zhì)量濃度，根據(jù)測(cè)得CH4的質(zhì)量濃度可更好地進(jìn)行不同原理監(jiān)測(cè)方法的選擇。

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