光谱分析法在烟监测系统中的研究与应用

宋子龙，曹凤才，郝晓东

(1.中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051;2.中北大学艺术学院，山西 太原 030051;3.聚光科技(杭州)股份有限公司太原分公司，山西 太原 030024)

半导体激光气体分析技术代替传统采样气体分析技术发展趋势明显，有广泛的应用前景。比如气体分析技术在生产工艺优化、工业窑炉节能降污分析、能源气回收、安全生产及环保监测等领域拥有巨大经济市场、社会效益，研发和生产国产高端分析仪也是应对国外技术垄断的唯一途径。随着国内经济蓬勃发展，气体监测分析技术也随之兴起，然而高端的分析仪器都国外大公司占领，如西门子、施耐德、ABB等，面对国外的技术垄断和将技术落后的产品推销国内的形势下，在线气体监测分析行业龙头企业聚光科技(杭州)通过10 多年的技术研发，在半导体激光吸收光谱技术基础上成功研制出激光在线气体分析系统。气体在线监测分析技术面临关键问题表现在:技术指标不如国外，可靠性不强，短时间内系统就瘫痪，随着国家环保局传统监测对象CO，CO2条件下又增加了SO2，NXOX，CXHX等，进一步增加了企业产品研发难度。本文以聚光科技OMA-2000 气体分析仪为实验器材，重点研究基于紫外差分吸收光谱法的气体分析仪的检测原理，将测量数据进行分析，通过和传统的红外吸收光谱法的对比，可知应用于该产品的紫外差分吸收光谱法有测量精度高，稳定性好，响应时间短特点。

1 实验装置与基本原理

1.1 烟气连续排放监测系统(CEMS)

烟气排放连续监测系统(Continuous Emission Monitoring System)，对固定污染源的颗粒物和气态污染物的浓度及其污染物排放的总量进行自动的、连续的监测，并将监测得到数据实时地传送到环保部门，目的是确保各类排污企业污染物浓度和排放总量均达标［1］。同时，排污企业安装的环保设施如除尘、脱硫设施，也依靠CEMS 的数据进行监控和管理，用以监督和保证环保设施的投运率和效率。

一套完整的CEMS 系统主要包括:颗粒物监测子系统、气态污染物监测子系统、烟气排放参数监测子系统、数据处理子系统四个部分。颗粒物监测子系统主要是对排放烟气中的烟尘浓度进行测量。气态污染物监测子系统主要是对排放烟气中SO2，NOx等气态方式存在的污染气体进行监测。烟气参数监测子系统主要对排放烟气的温度、压力、湿度、流速等参数进行检测，用来将污染物的浓度转换成标准干烟气状态的浓度值。数据采集与处理子系统主要完成测量数据的采集、存储、统计功能，并按照标准格式传输到企业监测平台和环保局监测平台。

1.2 OMA-2000 气体分析仪

实验采用的装置为聚光科技的OMA-2000 气体分析仪，其主要参数如表1 所示。

表1 OMA-2000 主要参数

该仪器主要优点表现在，可以同时测量多种气体、液体化学各自组成浓度，主要针对SO2，NH3，NO，NO2这四种气体，并且不受采样气体的水分因素干扰;采用可靠的化学计量学算法，测量值准确度高;对光谱仪进行固化，无运动部件，测量值稳定性好，可靠性高，增加了使用寿命;采用触摸屏界面，操作更方便、简单;输入输出接口丰富，可以自主选配测量探头，增加了气体分析仪扩展性能。

1.3 OMA-2000 气体分析仪工作原理

OMA-2000 气体分析仪实物如图1 所示，它的结构如图2 所示。

图1 OMA-2000 实物

OMA-2000 结构如图2 所示，一个是测量室，一个是接收室。两室通过切光板以一定周期同时或交替开闭光路。在测量室中导入被测气体后，具有被测气体特有波长的光被吸收，从而使透过测量室这一光路而进入红外线接收气室的光通量减少。气体浓度越高，进入到红外线接收气室的光通量就越少;而透过参比室的光通量是一定的，进入到红外线接收气室的光通量也一定。因此，被测气体浓度越高，透过测量室和参比室的光通量差值就越大。这个光通量差值是以一定周期振动的振幅投射到红外线接收气室的。接收气室内封有浓度较大的被测组分气体，在吸收波长范围内能将射入的红外线全部吸收，从而使脉动的光通量变为温度的周期变化，再可根据气态方程使温度的变化转换为压力的变化，然后用电容式传感器来检测，经过放大处理后指示出被测气体浓度。

图2 OMA-2000 结构

1.3 紫外吸收光谱法测量原理

紫外吸收光谱法是利用分子吸收10 nm～800 nm 光谱区的辐射来进行分析测定的方法，其广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。该方法具有准确度高、分析速度快、灵敏度高的特点。差分吸收光谱技术(DOAS:Differential Optical Absorption Spectroscopy)是一种光谱监测技术，其利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。其设备简单，经济，且监测能力强，在气体监测领域广泛应用。将光源发射出的紫外光，通过光纤进入气体室，在穿过气体测量室时，被被测气体吸收后，通过光纤传输到光谱仪。在光谱仪内部经过光栅分光，由阵列传感器将分光后的光信号转换为电信号，从而获得被测气体的连续吸收光谱信息。分析仪根据此光谱信息采用差分光学吸收光谱算法，得到被测气体的浓度。图3 则显示了SO2、NH3、NO、NO2这四种气体在紫外波段的吸收特征谱线［3］。

图3 气体吸收谱线图

由于同种气体在不同光谱波段有不同的吸收，不同气体在同一光谱波段的吸收叠加作用，通过对连续光谱的分析，可以同时测量多种气体。OMA-2000 分光光谱气体分析仪采用全息光栅对被测气体吸收后的光进行分光，使用阵列检测器将分光后的光信号转换成电信号，获得介质的连续吸收光谱，从而实现了多种气体的同时测量。

1.4 差分吸收光谱算法

OMA-2000 气体分析仪，使用差分光学吸收光谱算法对连续光谱数据进行处理得到气体浓度。光束穿过长度为L的被测气体环境后，由于气体对光的吸收作用，光能量将发生衰减。被测气体在波长λ 处对光强的吸收［4，5］，可用Beer-Lambert(朗伯-比尔定律)关系表述:

式中:I0(λ)为入射光在波长λ 处相对强度;I(λ)为出射光在波长λ 处相对强度;L 为光程;ci为第i 种气体浓度;σi(λ)为第i 种气体分子在波长λ 处的吸收截面。

由上式可见，普通的算法根本无法区分光衰减是气体吸收引起的还是粒子散射等非吸收引起的，而差分吸收算法是将气体的吸收分解为两部分:

其中σir(λ)是随波长快变化的部分，σis(λ)是随波长慢变化的部分，而粒子散射等因素导致的消光作用都是随波长缓慢变化的。将式(2)带入式(1)得:

显然，吸收中随波长快变化的部分只与气体吸收有关，对其进行相应的计算便可得到相关气体的浓度:

对式(4)进行变化可求出气体浓度:

2 实验结果

实验气体分别采用:高纯度N2，空气，浓度200 ppm 的NO。将它们以同样的流速分别通入OMA-2000 气体仪，当通入N2且气体分析仪显示稳定后，光谱强度曲线截图如图4 所示。

图4 通入N2光谱仪截图

当通入空气且气体分析仪显示稳定后，光谱强度曲线截图如图5 所示。

图5 通入空气光谱仪截图

当通入NO 且气体分析仪显示稳定后，光谱强度曲线截图如图6 所示。

图6 通入NO 光谱仪截图

N2，空气，NO(200 ppm)分别在像素点100，160，300 的光谱谱强度，如表2 所示。

表2 被测气体光谱强度

3 分析与讨论

由于空气中主要成分是N2和O2(还有少量的CO2等气体)，其主要成分为单原子分子，对比N2和空气的吸收特性可以得出:单原子分子对各个波长紫外线的吸收特性都很弱，所以紫外差分法不适合测量单原子分子气体。200 ppm的NO 气体为NO 和N2的混合气体，对比N2和NO 的吸收特性可以得出，NO 气体在100 像素点对光强吸收最强，也就是说NO 气体对100 像素点左右的紫外光吸收最强，可以利用NO 这一特性，测量NO 气体的浓度。用同样的实验方法，同样可以得出SO2气体对300 像素点左右的紫外光吸收最强，利用紫外差分法同样可以测量SO2气体的浓度。

基于紫外差分法的烟气分析仪，可以直接把从烟道的抽取的采样气体，简单进行预处理就进行测量，而基于红外吸收光谱的气体仪，必须还得添加一套冷凝装置，把采样气体中的水蒸气通过冷凝去除掉，因为水汽对红外检测有极大的影响。红外吸收光谱法对各种物质的光谱吸收特性都很明显，所以它可测量的气体种类非常有限，而紫外差分吸收光谱法，对所有具有较强吸收特性的气体都可以进行检测，如NO2，NH3，CO 等。

4 结论

目前国内在线实时监测要求测量的气态污染物，主要是SO2，NOx。本文研究了NO 气体浓度紫外差分测量方法，为气体分子在线检测提供了实用的方法。相比传统的红外冷凝法具有价格便宜、能同时检测多种气体、不需要冷凝器等优点。同时只要有合适的光源和合适的检测池，不仅可以对SO2，NOx进行检测，也可以对其它有较强光谱吸收特性的气体进行浓度检测。未来的实践应用有十分广阔的前景。

5 致谢

感谢聚光科技(杭州)股份有限公司和同煤大唐热电厂提供的设备支持，感谢导师曹凤才在论文理论上的帮助，感谢聚光科技工程师郝晓东在现场实验的帮助。

［1］杭州聚光科技有限公司.CEMS-2000 系列烟气排放连续监测系统工程手册［Z］.2008.5.

［2］郑龙江，李鹏，秦瑞峰，等.气体浓度检测光学技术的研究现状和发展趋势［J］.激光与光电子学进展，2008，45(8):24－32.

［3］梅魏鹏.基于紫外差分光谱的SO2、NOx混合气体的检测算法研究［D］.重庆:重庆大学，2014:11－18.

［4］张弛.烟气连续检测系统关键技术的研究［D］.天津:天津大学，2012:26－30.

［5］郑朝辉，刘文清.烟道SO2浓度的紫外差分吸收光谱法测量研究［J］.光电子激光，2000，11(6):613－616.