紫外差分分析仪在烟气超低排放监测中的应用

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　　摘要：随着节能减排政策的深入实施，关于烟气排放的标准也越来越严格，在超低排放的工程改造中，需要加大对固定污染烟气排放的实时监测，才能达到相应的规范和排放标准，因此紫外差分分析仪在烟气超低排放监测中得到了推广和应用，本文就烟气监测采样技术和分析方法进行分析，针对紫外差分分析仪的各项指标，通过实验室检测结果和最新国家标准之间的对比，对其超低排监测中的应用进行探讨。
　　关键词：紫外差分分析仪;烟气监测;应用
　　中图分类号：X851 文献标识码：A 文章编号：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
　　随着工业生产的飞速发展，所造成的环境污染问题越来越突出，关于环保和节能减排的政策也在不断颁布执行，其中包括了污染物的排放标准和相应的连续监测方法及技术要求，经过不断的修订，最新的监测规范和要求更为严格，同时也加入了相关的实验室检测，在烟气超低排放的低量程在线监测技术有了更严格的要求。针对超低排放的高湿、低温、强腐蚀性以及低浓度的特点，如何准确连续地对超低排放的污染进行监测成为了目前监测系统需要重点解决的问题。
　　1 采样技术和分析方法
　　烟气采样方法在连续排放监测系统中，主要有直接测量法、稀释抽取法以及完全抽取法三种。在实际应用中主要利用完全抽取法，通过固定污染源的连续排放监测系统对样气进行抽取，并通过过滤器进入分析仪表中进行样品测量。
　　在完全抽取式处理方法中，主要采用热湿法和冷干法两种预处理方式。热湿法利用高温伴热的处理方式，使烟气抽出后保持温度，使其不出现冷凝现象，直到检测分析完成，同时要求测量仪表需要在高温状态下运行，对仪表耐高温性能有较高的要求;目前较常用的冷干法是通过加设冷凝器，使烟气在采样过程中实现水分排除，但如应用在超低排放监测领域，烟气中水分含量较高，而SO2的含量较低，冷凝器无法有效将水分予以排除，从而对测量效果的准确性造成影响，同时此方法还存在着易堵塞、易腐蚀和结构复杂等不足之处。对这两种方法进行比较可以看出，前者具有寿命长、准确性高、结构简单、可靠性高的优势，适合在高湿度低浓度的超低排放监測中进行应用。两种方法的具体对比如表1所示。
　　对气体污染物进行分析，主要采用激发光谱技术和吸收光谱技术两种方式。
　　其中激发光谱又包括了化学发光法和紫外荧光法，吸收光谱包括紫外光谱和红外光谱两类。在实际应用中，通常采用吸收光谱技术对烟气进行气态污染物含量的测量，因大量水汽吸收存在于红外光波中，对烟气中NO和SO2待测污染物的含量造成影响和干扰，不利于测量结果的稳定性和准确性。而紫外波段能够完全不受水分的干扰，不存在上述问题，所以在超低排放监测领域中，紫外波段更适合应用。紫外光谱测量技术包括了紫外吸收技术和紫外差分吸收光谱技术两种，分别简称为GFC，NDUV和DOAS，而后者具有测量准确度高、抗干扰能力强等应用优势。各光谱技术的具体对比如表2所示。
　　通过各吸收光谱技术的对比可以看出，基于冷干法测量原理的光谱吸收技术在低浓度高湿的超低排放监测中容易造成SO2的损失，而傅里叶红外技术则价格过高，同样不适用。只有DOAS紫外差分吸收光谱技术能够很好地满足超低排放的监测要求，另外其还具有在线实时自动测量、不受粉尘等因素干扰、灵敏度高等优势，目前也普遍应用于大气、烟气检测中。
　　2 紫外差分烟气分析仪概述
　　2.1 测量应用原理
　　DOAS吸收光谱技术针对气体成分，通过分子的窄带吸收光谱进行分辩，利用吸收光谱的强度对测量对象的浓度进行推断，在气体吸收的定律基础上，形成其测量原理[1]。 　　公式中代入了光源的入射和出射光强、光波波长、光程以及第i种气体的气体浓度、气体标准吸收截面。另外对不同气体分子因颗粒物和吸收差异所造成的不同散射影响进行充分考虑，出射光强设定为：
　　公式中包括了两种散射的消光系统。根据相关的研究发现，随着波长的变化，散射干扰也会随之发现变化，波长的快速变化会对气体分子的吸收造成影响，所以将缓慢变化的干扰因素从总吸收光谱中排除，利用气体分子浓度的快速变化对其进行计算，使气体浓度信息的准确性得到保证。利用数字滤波，紫外差分技术算法根据气体吸收截面可分为慢速变化和快速变化两种。
　　吸收光谱通过滤波手段提取快速变化部分时，可通过以下公式得到：
　　对应气体浓度可以通过最小二乘法，利用线性拟合的方式进行反演推算。
　　2.2 技术指标
　　紫外差分分析仪采用高温全程拌热的方式，对样气进行抽取并送入分析，伴热温度需要全程保持在180℃，全程都要防止水分出现冷凝的情况[2]。由气体室、紫外光源、光谱仪等组成烟气分析仪核心部分，在保持在高温状态下的气体室中，对样气通过光谱仪进行测量，读取样气光谱并利用紫外差分算法对其进行处理，以及气体浓度的反演推算。
　　3 新国标下的实验室测量
　　目前，不少企业开始响应国家减排政策的号召，积极进行超低排放的改造工作，而以往的监测系统检验方法和技术要求已不适应现阶段的烟气监测需求[3]。最近新标准的分布实施，对现场在线比对提出了更高的要求，同时还对实验室检测环节予以重视和强调，在实验室检测环节中，主要包括了在线监测仪表的十二项测试项目：如仪表响应时间、线性误差、一周零点、重复性、一周量程漂移、进样流量变化影响、24H零点和量程漂移、环境温度变化影响、干扰影响、二氧化氮转换效率、振动影响、供电电压变化影响，以及平行性等。
　　通过实验室的监测项目，详细测试分析仪表的性能以及现场适用性，并对其进行应用认证，因此在进行实验室检测时，对应用于超低排放监测的仪表要求较高的同时，对实验室检测和操作方法也有更高的要求，需要按照最新的国家标准，对设备的关键性能指标进行检测。
　　3.1 环境温度
　　进行环境温度变化检测时，利用高低温交变箱进行检测，将分析仪放置在内并接通气路，高低温箱的温度按照每分钟调高或降低一度的方式和速度变化，之后应将测试温度保持稳定30min，再接入标气和零气，流速设定为1L/min，同时对分析的测量数据进行详细记录。通过计算可以看出分析仪在环境影响中所产生的误差远低于更为严格的国际标准，因此其具有较好的适应性[4]。环境温度变化影响的相关公式如下：
　　3.2 量程漂移和零点漂移
　　通过对分析仪进行零点和量程漂移测试，在七天内对分析仪不采用量程校准、自动或手动零点操作，将浓度为50mg/m3的气体以1L/min的流速接入分析仪，对其相应的量程数据值和零点值进行记录。最终数据如图1所示。从上述图表数据可以看出，在稳性和漂移量上，分析仪所呈现的数据远低于新国标的规定和要求，一周零点和量程漂移数据也达到相关的指标要求。
　　3.3 干扰成分
　　对分析仪还需要进行抗干扰能力的检测，通过多种特定浓度干扰气体的导入，检测分析仪读数出现的负干扰和正干扰情况，并需要保证不能超出满量程的±5%，并对检测数据进行详细记录。
　　由于测量区域内无其他干扰气体的吸收峰，光谱吸收较为简单，因此测量数据不会受到干扰气体的影响;在200～220nm的测量区间，吸收较强的NH3可以通过标定光谱进行吸收气体的比例系数计算，并利用主元高斯消去法去除气体产生的交叉干扰影响。与其他的光谱分析仪相比，不需要添加其他的滤光片，去干扰的方式简单高效。通过实验表明，通过上述措施可以使干扰气体所产生的影响远低于国标的相应标准和要求。
　　4 超低烟气连续现场监测应用
　　在某燃煤电厂的排放标准监测中，通过紫外差分烟气连续监测系统的应用，对其污染物排放进行监测，其主要采用的超低排放工艺为脱硝、石灰石脱硫、布袋除尘以及湿电除尘。
　　采用高湿伴热进行烟气采样，需要全程保持在180℃，防止测量过程中出现水分冷凝的情况，使测量稳定性得以保证。分析仪表对烟气进行在线监测，采用全流程配气的方式，使测量准确性得以保证。另外仪表响应时间、线性误差、零点和量程漂移等进行检测，确保达到国标的相关标准和要求。检测结果表明，线性三个浓度的线性误差都达到标准要求，响应时间小于110s，零点和量程漂移也符合标准和要求。与其化红外烟气分析仪相对比，采用同样的热处理装置和同样的烟气样本，分别导入不同的分析仪中通过连续九天的零点漂移测量，针对紫外差分分析仪，无自动或手动校准操作，红外仪表则每隔两天校准一次，同时两台设备采用同样的零点漂移指票和相同的量程，经过测验发现，紫外差分分析仪的指标达到相关指标要求，而红外仪表超过零漂移数值[5]。另外通过抗干扰测试等，紫外差分分析仪能够满足相关的监测方法和技术要求。通过长期实践应用证明，对于超低排放現场在线监测的需求，紫外烟气分析仪能够予以满足和适应。
　　5 结束语
　　通过对采样方式和手段的对比，能够清晰了解紫外差分分析仪的优势和特点，能够有效避免水分、烟尘等所造成的影响，防止造成SO2的损失，从而对监测数据的准确性造成影响。紫外差分分析仪通过全程高湿伴热的方式，可以实现NO、SO2的超低浓度无损测量。按照国家最新标准和规定，对分析仪进行了针对各项性能指标的实验室测试，测试表明其性能指标都符合且达到相关的监测标准及要求，并具有抗干扰性强、检测限低、响应时间快等优势，能够充分满足高湿低浓度的超低排放现场在线监测的需求，为响应国家节能减排政策提供有效的解决措施和技术手段。
　　参考文献
　　[1]王忠渠，仝声，王强.紫外烟气分析仪在燃煤电厂超低排放气态污染物监测中的应用[J].电力科技与环保，2016，32（2）：39-41.
　　[2]李峰，张亮，李杰.紫外烟气连续监测系统在超低排放中的应用[J].计测技术，2018，38（1）：28-31.
　　[3]赵金宝，阎杰，程鹏.长光程吸收池在紫外差分分析仪中的应用[J].仪器仪表用户，2018，25（5）：52-55.
　　[4]王洋.差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的应用[J].中国高新技术企业，2015（8）：88-89.
　　[5]成林虎.差分吸收光谱技术在大气监测领域中的应用[J].科技信息，2012（23）：76-78.
　　收稿日期：2019-12-26
　　作者简介：张波（1988-），男，汉族，本科学历，高级工程师，研究方向为环境监测、环境工程、环境保护。
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