基于三光路光声光谱法检测烟气氮氧化物

龚雨含，粘山坡，王崇皓，龚瑞昆

(河北联合大学，河北唐山 063009)

0 引言

烟气中的氮氧化物含量是直接反映窑炉的工作状态以及对环境污染的重要参数之一[1]。目前，工业上主要是在气体排放过程进行脱氮处理来降低氮氧化物的排放量[2]。因此，对工业窑炉和锅炉烟气中氮氧化物的含量进行实时检测和监控，对于实现最大效率煤炭转化、污染最小以及煤炭清洁利用具有重要意义。

光声光谱法具有灵敏度高，实时性好的优点。这种检测方法的检测机理是检测物质的吸收光谱，因此更加适合弱吸收气体的检测。文中主要介绍了光声光谱检测方法的基本原理，建立了气体检测的数学模型，并在此基础上分析了光声光谱法检测中可能产生的噪声干扰。

1 时间三光路法检测原理

激励光经过调制后以频率υ射入光声池内，使光声池内部分气体分子从基态E0跃迁至激发态E1，通过无辐射弛豫过程返回至基态，将吸收的光能转变为碰撞分子间的平移动能，产生热。当激励光源受到频率为ω的谐振调制时，加热过程会产生周期性变化。根据气体热力学定律，周期性的温度变化会产生同周期的压力信号，从而被调制形成相同频率的声波，此声波则通过安装在光声池上的微音器的检测，将声波信号转换成电信号，即为光声信号，光声信号的产生过程即为光声效应[3-4]。

光声信号强度S0可表达为：

S0=SmPlCcellNcmσ

(1)

式中：Pl为光源功率；Sm为微音器的灵敏度；Ccell为光声池响应常数；N为分子数密度常数；σ为光声池中气体吸收截面；cm为光声池内气体浓度。

在圆柱形腔体的光声池内式样获得光声光谱信号强度表达式可以简化为[5-6]：

S0=kβ(λ)I0(λ)

(2)

式中：I0(λ)为入射光强；β(λ)气体吸收系数；k为比例常数。

由于烟气中各个组分气体的浓度不会发生突变，根据朗伯比尔定律和光声光谱原理，在实验条件确定的情况下，光源功率Pl可视为已知的常量。微音器的灵敏度Sm和光声池响应常数Ccell均为定值。由式(2)可得：

k=PlSmCcell

(3)

则k可以视为常数量。

由于被测气体已知，则分子数密度常数N和光声池中气体吸收截面σ均已知，可简化得到β(λ)=Nσ。而激光器功率调定后，I0(λ)一定，可视为常数量。则光声信号强度与气体浓度的关系式可以简化为式(4)：

So=kβ(λ)I0(λ)cm

(4)

由式(4)可以看出光声信号强度与被测气体浓度可近似视为线性关系，即：

So=Mcm

(5)

式中M=kβ(λ)I0(λ)，为常数项。

式(5)为最终气体测量的数学模型。

NO和NO2吸收光谱在5 000～6 500 nm同水蒸气的吸收光谱有重叠，其光声信号同氮氧化物的光声信号有叠加，对于烟气来说，其成分中含有大量的水蒸气，从而造成光声强度增大，相同条件下使氮氧化物浓度的测量结果偏大，引起测量正偏差，这是影响测量的主要问题。

为了克服因气体成分交叉敏感所引起测量的偏差，提出了氮氧化物三光路修正光声检测的方法。测量装置整体结构不变，只是在NO和NO2的两个带通干涉滤光片的基础上增加一个带通干涉滤光片进行水蒸气的光声测量，设计滤光片变换装置，借助于步进式电机的转动使中心波长分别为λ1、λ2和λ3的3个滤光片的交替工作，分别测量每个滤光片的光声效应，通过对这3个光声信号的加权处理，可以完成去除水蒸气噪声的目的，提高测量精度，这就是三光路修正光声检测的方法。测量方法的前提是测量气室内的气体为慢时变系统，才能保证测量的准确性。

2 系统试验与数据分析

该系统主要包括[7-8]：激光器、斩波器、滤光片、光声池、微音器、放大电路、信号处理模块。气体检测系统如图1所示。

图1 气体光声光谱检测系统结构图

系统安装完毕，必须对系统进行调试，包括光密性检测和气密性检测，保证系统能正常工作，使其性能达到最佳状态。

采用光声光谱法与红外吸收法分别在滤光片1工作时测量NO气体浓度，配气系统以纯净的N2和NO为基础，调制阀门依次分别配出NO浓度为50 ppm(1 ppm=10-6)，100 ppm，150 ppm，200 ppm，250 ppm，300 ppm，350 ppm，400 ppm，450 ppm的样气用于测试试验。测量结果及对比效果如图2所示。

图2 NO光声光谱法与红外吸收法测量对比

配气系统以纯净的NO和NO2为基础，调制阀门依次分别配出NO2浓度为50 ppm，100 ppm，150 ppm，200 ppm，250 ppm，300 ppm，350 ppm，400 ppm，450 ppm的样气用于测试试验。测量结果及对比效果如图3所示。

图3 NO2光声光谱法与红外吸收法测量对比

采用光声光谱法分别在滤光片1、滤光片2和滤光片3工作时测量混合气体光声光强对应的输出电压，根据三光路修正模型可知NO实际光声强度输出同λ1输出电压信号和λ3工作输出电压信号的加权值和成正比，NO和NO2修订前后拟合浓度曲线如图4所示。

图4 含水样气中NO和NO2修正前后拟合曲线

3 结束语

从理论上推导了时间三光路光声光谱烟气中氮氧化物浓度测量模型，得到了非突变条件下小浓度氮氧化物浓度与光声信号呈正比的结论，为光声光谱测量各种窑炉和工业锅炉烟气中氮氧化物浓度提供了理论基础。建立了能够消除水蒸气对NO、NO2交叉敏感引入干扰问题的时间三光路氮氧化物光声检测模型，从理论上提高其检测精度。时间三光路光声光谱检测装置直线拟合相关系数分别为0.995和0.991，较单光路测量直线拟合相关系数0.982和0.979更接近1，由此可知采用时间三光路测量含水样气中氮氧化物线性度有所提高，绝度误差有较明显下降。

参考文献：

[1]郭安然，唐森本．环境监测．北京：冶金工业出版社，1988．

[2]张强．燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用．北京：化学工业出版社，2007．

[3]吴硕．基于光声光谱的油中含水量检测技术研究：[学位论文]．沈阳：沈阳理工大学，2011．

[4]龚瑞昆．二氧化硫气体浓度检测机理的研究．仪表技术，2005(4)：147-149．

[5]张川，王辅．光声光谱技术在变压器油气分析中的应用．高电压技术，2005，31(2)：84-87．

[6]王习东，黄佐华，唐志列，等．实用光声光谱实验系统．光学仪器，2006，28(5)：52-56．

[7]WANG Q D，WEI J F．Design of temperature control device under ground coalmine based on AT89S52．Power Electronics and Intelligent Transportation System (PEITS)，2009(19-20):36-39．

[8]RABASOVIC M D．Pulsed photoacoustic gas cell design for low pressure studies．Optical Materials，2008，(30)：1197-1200．

作者简介：龚雨含(1988-)，助教，硕士，检测技术与自动化装置。

E-mail：gongyuhan@heuu．edu．cn

粘山坡(1980-)，讲师，硕士，智能检测技术。

E-mail：shanpo1999@126．com