差分吸收光谱法多组分浓度反演试验研究

王强

(南京国电环保设备有限公司,江苏南京 210061)

差分吸收光谱法多组分浓度反演试验研究

王强

(南京国电环保设备有限公司,江苏南京 210061)

应用新的差分吸收光谱烟气浓度反演算法对 SO2、NO、NO2混合气体浓度反演进行了试验研究。与常规反演算法相比,该算法充分考虑了被测对象在不同波段上的差分吸收结构差异,避免了多组分同时反演时使用同一频率进行数字滤波引入的误差。结果表明,该算法能对多组分气体浓度进行快速、准确的反演,误差小于 5%。

差分吸收光谱法;多组分;反演算法;差分吸收结构;试验研究

当前,我国社会经济发展与资源环境约束的矛盾日益突出,环境保护面临严峻的挑战。为了保护环境,实现经济的可持续发展,国家“十二五”规划对燃煤电站等固定污染源的 SO2、NOx等烟气排放浓度提出了更为严格的排放要求。20世纪 70年代末出现的差分吸收光谱技术[1-2](Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS),其特点是可以消除水分和粉尘的干扰,在进行温度和线性补偿的前提下[3-6],能对烟气中的 SO2、NOx浓度实现快速、无侵入式的在线精确测量。为了消除被测组分之间以及其他烟气成分的干扰,提高系统的测量精度,进行烟气浓度反演算法研究至关重要。常规多组分烟气浓度反演算法[7]采用相同的截止频率对光谱信号进行数字滤波,这个过程会丢失一些有用信号或引入一些干扰信号,从而降低了系统测量精度。本文应用新开发的算法对 SO2、NO、NO2混合气体浓度反演进行了研究,通过试验的方式来证明基于改进算法的测试系统具有较好的测量精度。

1 DOAS方法的基本原理

DOAS技术的基本原理是基于 Lambert-Beer定律,数学模型可以表示为:

图1 Lambert-Beer定律示意

DOAS技术的特点在于将方程 (1)中的气体分子吸收截面σi分成了两部分[8-11]:仅仅由被测组分引起的随波长快速变化的窄带吸收截面(高频分量)和由被测组分、干扰气体和粉尘颗粒等共同作用下的随波长缓慢变化的宽带吸收截面σib(低频分量),其表达式为:

经过上述处理以后,其差分吸光度与差分吸收截面关于被测组分浓度Ci是成线性关系的,选取一些离散波长点λi联立关于浓度Ci的方程组,通过最小二乘法、遗传算法、卡尔曼滤波等方法可以对被测组分进行求解。

2 试验装置介绍

DOAS法烟气浓度测量试验装置如图 2所示,系统主要由流量控制器、配气柜、光源模块、伴热管、压差计、测量池、温度控制仪、光谱仪、废气回收池等构成。整个试验装置分成气路和光路两部分。气路部分主要由气源、配气柜、测量池和废气回收池组成。采用毛细管传热温差量热法质量流量控制器,流量规格 (0～5,0～15)L/min,准确度 ±1%F.S.,线性 ±(0.5～1)%F.S.,重复精度 ±0.2%F.S.。由钢瓶出来的高纯氮和 SO2、NO、NO2标准气体经各自单独的管路通过质量流量控制器后进入混合管进行混合,流量可通过流量显示仪上的调节旋钮进行控制并显示。混合后的气体经 12m长伴热管后进入测量池。在经过拌热管的过程中一方面可以进一步增加混合气体的均匀性;另一方面可以有足够的时间将被测气体加热至所需要的温度。测量池的内径为 28mm,外径为 46mm,有效长度为 0.5m,测量池的两端用石英透镜进行密封。

在DOAS法烟气浓度测量试验装置中,为了尽量减少管子内壁对气体的吸附,混合管和测量池的内壁均进行了镜面抛光处理,材料使用 316L不锈钢。在测量池的出口设有 Pt 100热电阻可测量流过测量池的气体温度,同时在测量池的中部装有差压计测量气体压力。高温箱内部另外有 3个 Pt 100热电阻对内部温度同时进行测量。测量池出来的气体最后进入废气回收池进行吸收。

图2 DOAS法烟气浓度测量试验装置示意

光路部分由光源模块、光纤、准直聚焦系统、CCD阵列背照式光谱仪和电脑组成。光谱仪型号为AvaSpec-2048×14-USB2,光栅线数 1200mm/线,波段范围 200～460 nm,狭缝宽度 50μm,分辨率0.6 nm。光源模块是由氘灯和透镜组组成,其作用是将氘灯发射出来的光耦合进入光纤,氘灯的辐射光谱范围为 185～400 nm。光纤的出射光经双凸透镜准直后变成平行光,穿过被测气体后经聚焦透镜聚焦进入光纤再进入到 CCD阵列背照式光谱仪,光谱仪将光信号变成电信号数字化以后通过 USB通讯送入电脑进行光谱信号的采集和处理。背照式光谱仪的特点在于紫外光的量子效率比一般前照式光谱仪高出好几倍,因此用同一个探测器可以对 SO2、NO、NO2、NH3等多组分同时进行测量。

3 结果与分析

本文拟通过试验对新开发的算法进行多组分气体浓度反演效果验证,试验分别在常温和高温下进行,试验工况见表 1。被测对象为 SO2、NO和 NO2的混合气体,且所用气体均为 8L钢瓶标准气。从表 1可知,4种工况下 3种气体流量比均为 4∶4∶4。为了测试算法在不同温度下的反演精度,本文分别选取了 23、70、94℃三个温度下的混合气体浓度进行了测量。基于改进算法的DOAS法烟气浓度测量结果见表 2。从表 2中可以看出,表中所列 4种工况下的混合气体浓度反演误差均小于 5%。由于新开发的多组分烟气浓度反演算法考虑了混合气体中各组分在不同反演波段上的差分吸收结构差异,从而避免了用同一截止频率对光谱信号进行滤波造成信号丢失或引入干扰信号。

表1 4种试验工况混合气体参数

表 2 基于改进算法的 SO2、NO、NO2混合气体浓度反演结果

4 结语

由于充分考虑了不同被测对象在不同反演波段上的差分吸收结构,基于改进算法的DOAS技术实现了对混合气体浓度的准确测量,无论是在常温还是在高温条件下,其浓度反演误差小于 5%。

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Experimental research ofmulti-component gas concentration with DOASmethod

The SO2,NO,NO2gas m ixture concentrat ion were inversion calculated w ith the new ly developed D ifferentialOpticalAbsorp tion Spectroscopy(DOAS)method.Compared w ith the conventional inversion calculation method,the new flue gas concentrat ion inversion calculation m ethod fully takes into account the measured object in a different band on the differentialabso rpt ion of structuraldifferences,while avo iding the m ulti-component inversion errorof digitalfilters using the same frequency.The results showed that the new m ethod is able to calculate the m ulti-component gas concentrat ion quickly and accurately,the concentration error of new flue gas concentration invers ion calculation m ethod is less than 5%.

D ifferentialOpticalAbsorpt ion Spectroscopy(DOAS);m ulti-component;invers ion calculation;differential absorpt ion structure;exper imental research

X85

B

1674-8069(2011)05-060-03

2011-08-05;

2011-09-10

王强(1965-),男,江苏南京人,硕士,高级工程师,主要从事火电厂烟气治理与环保仪器方面的设计、研制工作。E-mail:gdhb-wq@sina.com