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

王忠渠，仝声，王强

(1.中国国电集团公司，北京100034;2.南京国电环保科技有限公司，江苏南京210061)

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

王忠渠1，仝声1，王强2

(1.中国国电集团公司，北京100034;2.南京国电环保科技有限公司，江苏南京210061)

随着燃煤电厂超低排放改造实施，环保部门提出了更为严厉的烟气排放标准。针对新的排放标准，原来适用于高浓度烟气监测的技术已经很难准确测量超低排放条件下的SO2和NO浓度。提出了经过改进的紫外差分吸收光谱技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy，DOAS)，介绍了该技术的基本原理，并将基于DOAS技术的烟气分析仪进行了超低排放监测的工程应用。结果表明，与非分散红外分析仪相比，基于紫外差分吸收光谱技术的烟气分析仪零点漂移和量程漂移均小于±1%F.S./7d，与参比方法的绝对误差小于5mg/m3，对水汽、粉尘及烟气中其他组分具有极强的抗干扰性，特别适用于超低排放条件下烟气中SO2和NO监测，为超低排放气态污染物监测提供了准确的监测方法。

DOAS;燃煤电厂;超低排放;气态污染物监测

0 引言

针对日益严峻的大气污染现状，国家环保产业各细分行业规划和相关政策亦纷纷出台。例如《环境空气质量标准》［1］、《关于继续开展燃煤电厂大气汞排放监测试点工作的通知》、《“十二五”主要污染物总量减排目标责任书》、《重点区域大气防治污染“十二五”规划》等［2－3］。

新的《火电厂大气污染物排放标准》规定SO2和NO排放限值分别为35mg/m3和50mg/m3，这对现有的烟气浓度监测技术提出了很大的挑战［4］。目前正在进行的超低排放改造正是执行上述烟气排放标准，大量的工程应用以及实验室反复测试表明，由于水分、气体组分交叉干扰、仪表线性等多重因素影响，目前非分散红外分析仪表主要存在着零点和量程漂移大、低浓度测量准确度低、线性偏差大、检测下限高、环境适应性差等问题，尤其是在SO2、NO浓度低于50mg/m3时测量结果出现较大偏差，很难满足超低排放监测要求。

因此，随着燃煤电厂超低排放改造的推广实施，如何准确监测超低排放条件下烟气中SO2、NO浓度的问题日益凸显。超低排放烟气具有SO2和NO浓度低、烟气湿度大和温度低的特点，所以对分析仪的抗交叉干扰、水汽影响、环境适用性等指标提出了更高的要求［5－7］。

针对上述情况，本文介绍了一种经过改进的基于紫外差分技术的SO2和NO低浓度烟气分析仪，消除了气体组分间和水汽的交叉干扰，同时仪器光机系统经过高信噪比、高稳定性设计，极大降低了检测下限，提高了仪器稳定性。

1 基于DOAS技术低浓度SO2 、NO分析仪

1.1 测量原理

DOAS方法的理论基础是Lambert－Beer定律。假定入射光为单色平行光，被测气体浓度比较稀，即不考虑分子之间的相互作用，被测气体浓度均匀。Lambert－Beer定律可以表示为:

式中:I0(λ)为光源发射的原始光强;I(λ)为探测器的接收光强;Ci为第i种气体的浓度;L为光程; σi(λ)为第i种气体在波长处的吸收截面［8］。

DOAS方法的特点在于根据被测气体对UVVIS范围的光具有窄带吸收的特性，将吸收截面分成了两部分:随波长快速变化的窄带吸收截面σi和随波长缓慢变化的宽带吸收截面σib

［9－10］，即:

当仅考虑光谱随波长的快变部分时;可消除气体分子及烟尘颗粒物的Rayleigh散射、Mie散射以及光强衰减等随波长慢变部分的影响，用I＇0(λ)表示吸收光谱随波长的慢变部分，则差分吸收度为:

式中:D为差分吸收度矩阵;A为差分吸收截面矩阵;C为气体浓度矩阵。

差分吸收度D可由被测气体获得，差分吸收截面A可由实验室测量的吸收截面σi(λ)通过高通滤波获得，光程L也可以通过测量获得，由式(4)即可反演出被测气体浓度［11－16〗。

1.2 国内外仪器性能指标对比

表1给出了ASP－01型烟气分析仪与西门子公司U26分析仪、ABB公司Limasll分析仪、罗期蒙特公司X－Stream LlL型超低排放监测仪器的性能指标对比。从表1可以看出，ASP－01型烟气分析仪在零点漂移和量程漂移、检测下限、抗干扰性、输出波动性等性能指标上占有一定的优势，工况适应能力较强。

表1 ASP－01型烟气分析仪与国内外仪器性能指标对比

2 超低排放机组工程应用

针对低浓度SO2和NO测量，本文将基于DOAS技术的ASP－01型烟气分析仪在630MW超低排放机组上进行了长期测试，同时与国外非分散红外分析仪进行比对，2台分析仪共用一套前处理装置，经过预处理的烟气分成两路分别进入2台分析仪。

现场对2台仪表进行了连续9d的零点漂移测试，期间紫外分析仪不进行手动或自动零点校准，国外非分散红外仪表每两天手动校准一次零点，且两款仪器标称的SO2量程均为0～200mg/m3，零点漂移指标均为＜±1%F.S./7d。从图1可以看出，ASP－01型烟气分析仪连续9d的零点漂移＜± 1mg/m3，即达到了＜±1%F.S./7d指标要求，而国外该仪器的最大零点漂移达到了9mg/m3，已达仪器允许零漂的4.5倍。

图1 连续9d零点漂移对比结果

除了对上述2台仪器进行零点漂移对比外，还进行了对CO2抗干扰试验。同时通入15%CO2标气，待测量值稳定时，国外红外仪器SO2、NO测量值分别为－2mg/m3和6mg/m3，ASP－01型烟气分析仪SO2、NO测量值分别为0.0mg/m3和0.1mg/m3。ASP－01型烟气分析仪采用紫外差分吸收光谱法，可避免仪器的交叉干扰。

现场邀请了江苏省环境监测中心对ASP－01型烟气分析仪进行了比对监测，监测结果表明，ASP－01放置在系统上时，零点漂移＜±1%F.S./7d、量程漂移＜±1%F.S./7d、线性误差远小于5%，响应时间远小于200s，而且当SO2、NO浓度小于20μL/L时，测量准确度均远小于6μL/L。

表2 ASP－01型烟气分析仪比对监测结果

经过现场运维人员近3个月的跟踪比对，ASP－01型烟气分析仪稳定性和测量准确度高、线性好，维护量小，满足超低排放监测要求。

3 结语

通过将紫外光谱法烟气分析仪在超低排放机组上进行应用，基于DOAS技术的ASP－01型烟气分析仪的SO2零点漂移为0.15%F.S./d，跨度漂移为0.2%F.S./d，线性误差为0.84%，测量准确度达到4.4mg/m3;NO零点漂移为－0.4F.S./d，跨度漂移为－0.7%F.S./d，线性误差为0.73%F.S./d，准确度仅－0.4mg/m3，各项指标均满足国家标准。经过现场长期运行，ASP－01型烟气分析仪具有零点、量程漂移小，线性误差小、抗干扰能力强、测量准确度高等优点，特别适用于超低排放条件下SO2和NO准确监测，且系统改造量小。

［1］GB3095－2012，环境空气质量标准［S］.

［2］HJ/T75－2007，固定污染源烟气排放连续监测技术规范［S］.

［3］GB13223－2011，火电厂大气污染物排放标准［S］.

［4］朱法华，王圣.燃煤大气污染物超低排放技术集成与建议［J］.环境影响评价，2014(5):25－29.

［5］蒋雄杰，李峰.Nafion干燥器GASS处理系统在“超低排放”CEMS中的工程应用研究［J］.分析仪器，2015(3):26－33.

［6］李大鹏.CEMS设备在“近零排放”下的选型分析［C］.中国电机工程学会环境保护专业委员会年会论文集.2014.

［7］王森，刘德允.烟气排放连续监测系统［M］.北京:化学工业出版社，2014.

［8］汤光华，许传龙，孔明，等.基于差分吸收光谱法的燃煤锅炉烟气浓度反演算法［J］.中国电机工程学报，2007(11):6－10.

［9］Ulrich Platt，Jan Meinen，Dennis Pohler，et al.Broad－Band Cavity－Enhanced－DOAS(BB－CE－DOAS)［C］.Fourth International DOAS Workshop:2008.

［10］Nygaarda H G，SØren kiilb，Johnsson Jan E.Full－scale measurements of SO2gas phase concentrations and slurry compositions in a wet flue gas desulphurisation spray absorber［J］.Fuel，2004(83): 1152.

［11］Tang G H，Xu C L，Shao L T.Improved algorithms of differential optical absorption spectroscopy for monitoring SO2，NO2from flue gas［J］.Meas Sci Technol，2008，20(1):187－188.

［12］李亚飞，蔡小舒.差分吸收光谱法在线监测烟气SO2浓度的直接反演法［J］.中国电机工程学报，2013，30(29):74－79.

［13］许利华.烟气DOAS法测量实验研究［D］.上海:上海理工大学，2008.

［14］肖雪，段静波，刘文清，等.烟道污染气体SO2的差分光学吸收光谱测量［J］.大气与环境光学学报，2008，2(3):121－124.

［15］王乃宁，蔡小舒，郑刚，等.颗粒粒径的光学测量技术及应用［M］.北京:原子能出版社，2001.

［16］李素文，谢品华，李玉金，等.基于小波变换的差分吸收光谱数据处理方法［J］.光学学报，2006，26(11):1601－1604.

An application of UV gas analyzer on monitoring of ultra low emission gaseous pollutants in coal fired power plants

:With ultra－low emission coal－fired power plants to implement the transformation，the environmental protection department proposed a more stringent gas emission standards.For the new emission standards that were applicable to the high concentration of flue gas monitoring technology which has been difficult to accurately measure the concentration of SO2and NO under conditions of ultra－low emissions.This paper presents an improved UV DOAS technique(DOAS)，which introduces the basic principles of the technology and technologybased gas analyzer DOAS were ultra－low emission monitoring of engineering applications.The results show that，compared with the non－dispersive infrared analyzer，based on the UV DOAS Technique flue gas analyzer zero drift and span drift is less than±1%F.S./week，absolute error is less than 5mg/m3which compared with the reference method，for water vapor，dust and other components in the flue gas with a strong anti－interference，especially suitable for ultra－low emissions of SO2and NO condition monitoring，providing accurate monitoring method for ultra－low emission of gaseous pollutants monitored.

DOAS;coal－fired power plant;ultra low emissions;gaseous pollutants monitoring

X701

B

1674－8069(2016)02－039－03

2016-01-20;

2016-02-09

王忠渠(1961-)，男，高级工程师，主要从事火电厂节能环保管理工作。E－mail:wangzhongqu@cgdc.com.cn

国家重大科学仪器设备开发专项“二次细颗粒物主要前体物监测仪器开发和应用”(2014YQ060537)