基于TDLAS技术在线监测烟气排放一氧化碳的应用

刘立富，邱梦春，温作乐，陈东，于志伟

（1.杭州因诺维新科技有限公司，杭州 310052；2.杭州泽天科技有限公司，杭州 310052）

1 引言

CO在通常情况下是无色、无味、有毒、可燃的气体，空气中CO气体主要来源于工业不完全燃烧废气排放、机动车尾气排放以及有机物、家用煤气等不完全燃烧排放。当人吸入一定含量的CO后会产生不同程度的中毒现象。此外，在一定条件下CO在大气环境中会发生光化学反应，这表明CO是一种间接性温室气体[1]。环境中CO给人们生产生活带来诸多隐患，故对CO气体排放在线监测是非常有必要的。目前，烟气排放中传统CO测量方法大多基于非分散红外原理或电化学原理，测量易受背景气体交叉干扰、漂移较大。近年，基于光学非接触式原理的气体在线监测技术发展非常快速，已经被欧洲环境保护署和美国环保署认可并且作为技术标准，光学和光谱学测量技术已发展成为在线监测的重要方向。基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术的在线监测具有测量准确性好、响应速度快和可靠性高等优点，成为当前气体实时在线监测的代表技术之一。由于TDLAS技术的测量优势，该技术已被日益广泛地应用于测量气体污染物的浓度、有毒气体泄漏遥测和大气质量监测等领域[2]。采用TDLAS技术是测量CO中非常好的一种方法，目前国内在使用2.3μm、1567nm附近谱线测量CO均有研究[3～4]。通过对比现场应用情况发现，采用TDLAS原理的激光气体分析仪现场测量CO主要应用于工业过程领域，在环保烟气排放领域对CO气体含量监测与分析的研究和应用并不多。随着气体监测技术的成熟和TDLAS技术的逐步发展，CO气体在线监测应用将会越来越广泛。

本文介绍一种基于TDLAS技术应用于在线监测烟气排放CO含量的激光气体分析仪，该分析仪在集成度和小型化方面做出较大的改进。分析仪使用高稳定性的垂直腔面发射激光器作为激光光源，通过低频三角波信号和高频正弦波信号对工作在一定温度下的激光器输出波长进行扫描和调制。激光器输出特定波长的激光经过被测环境后由光电检测器接收并进行光电转换，将输出电信号通过锁相放大器同步检波得到二次谐波信号，通过二次谐波峰高等信息计算CO气体浓度。测试验证表明，基于TDLAS技术的激光气体分析仪能够满足烟气排放CO气体在线监测的使用要求。

2 测量原理

TDLAS技术根据半导体激光器可调谐性，以获取被测气体特征吸收谱线的相关光谱信息。通过选择合适的吸收谱线，避免背景气体对CO测量造成交叉干扰。半导体激光器发出所需特定波长的窄带激光束，根据经过被测气体时，激光强度的衰减量与被测气体浓度具有一定的函数关系，从而实现对被测气体定量分析。在未饱和的弱吸收情况下，根据Beer-Lambert定律[5～6]：一束强度为I0的激光穿过体积分数为X，长度为L，压力为P的气体介质，被气体吸收后，其强度变为Iv，强度的变化满足：

式①中：线形函数g (ν-ν0)表示被测气体吸收谱线形状，与气体压力、温度以及气体含量等因素有关，S（T）为气体吸收的谱线强度，与温度有关。在近红外光谱区域，气体吸收强度较弱，一般会满足式②条件。

当满足式②条件要求时，被测气体浓度结果会呈现较好的线性，从而利用泰勒级数展开式①可近似等于式③。

为了提升被测气体探测下限水平，一般会选择高灵敏度的波长调制光谱技术。利用波长调制光谱技术，使用正弦信号调制和锁相放大器提取气体吸收信号的二次谐波，这是抑制噪声的重要手段[7]。这种方法成功屏蔽了在测量带宽范围外来自激光器、光电检测器及气体流动等方面引来的噪声，具有灵敏度高、测量精度高和响应速度快等优点。TDLAS系统中采用波长调制光谱技术时，使用高频正弦波信号对激光发射频率调制，调制后的激光发射频率为：

式④中：v（t）为未经过高频正弦波信号调制的频率；f为正弦波信号的调制频率；a为经过正弦波电流信号调制引起激光频率变化的幅值。波长调制光谱技术使用锁相放大器检测激光束穿过被测气体后激光透过率信号的二次谐波分量，在弱吸收情况下，输出二次谐波信号为[8]：

由公式⑤可得出，在特定吸收谱线和一定的温度、压力、光程及激光频率调制幅度的条件下，能够获得被测气体浓度与二次谐波之间的关系：

式⑥中：V2f为二次谐波分量；I0为光强直流分量信号；K为标定系数。通过分析这些参数，即可得到被测气体浓度信息。根据二次谐波信号和气体浓度之间的关系，波长调制光谱技术能够用于多种环境下的气体含量在线监测。

3 系统介绍

基于TDLAS技术工作原理，杭州因诺维新科技有限公司研究开发的LGT-510激光气体分析仪，是一款独立式的、适用于系统集成的气体检测产品，图1为LGT-510激光气体分析仪内部框图。LGT-510主要功能模块包含发射-接收单元、多次反射吸收池和信号处理单元等。发射单元和接收单元集成在同一端，采用光收发一体式多次回返光路设计。发射单元主要实现激光器扫描和驱动，使激光器发射出特定波长的激光，这些窄带激光经过含有被测气体的吸收池多次反射后，由接收单元进行光电转换并传输给信号处理单元进行光谱数据分析，获得测量结果，测量结果可通过RS485或4～20mA的输出信号传输。

图1 LGT-510激光气体分析仪组成框图

LGT-510激光产品在设计中采用模块化设计理念，具有体积小、重量轻、方便携带和系统集成的特点。产品不含任何运动部件，结构设计紧凑，在现场使用可靠性高。TDLAS技术和多次反射技术相结合使产品具有测量精度高和检测下限低的技术特点。此外，TDLAS技术与非分散红外原理和电化学原理测量CO气体指标进行比较，具有以下特点，如表1所示。由表1可知，TDLAS技术相比非分散红外原理和电化学原理在测量CO指标上具有一定的技术优势。

表1 CO测量技术对比

4 测量实验

4.1 实验装置

基于TDLAS技术原理测量CO平台利用波长可调谐性选择合适的激光器调制参数和扫描参数。半导体激光器使用德国Vertilas品牌的SE-A4型号，激光器窗口含有抗反射涂层端帽抑制光学噪声以提高分析仪检测下限能力。光电检测器使用日本HAMAMATSU公司生产的In-GaAs材质G12180-020A型号，感应光谱波长范围在900nm至1700nm，用于实现光电信号转换。激光器驱动电路的三角波信号扫描频率采用10Hz，扫描幅度为1.35V，激光器直流偏置调节到6.01mA，工作温度控制在28.6℃，实现激光器输出中心波长调节在1565nm附近。叠加在三角波上的高频正弦波信号采用40kHz调制频率，幅度为189.6mV，激光器输出光能量约为1.8mW。多次反射吸收池腔长为0.2m，经过48次光路来回反射，总光程达到9.6m。吸收池在整个系统中起到非常重要的作用，在设计中需要综合考虑光学、机械、气路等多方面因素。单束激光通过多次反射吸收池后，经会聚透镜后由光电检测器接收。光电检测器将光信号转换为电信号，再经过锁相电路获取二次谐波信号处理。本实验装置的工作原理如图2所示。

4.2 实验数据

图2 实验装置示意图

试验中使用2000mg/m3的CO标气（背景气体为N2），通过经由第三方机构检定合格的高精度Red-y smart型号质量流量控制器对2000mg/m3的CO和N2（纯度≥99.99%）进行不同浓度配比，以验证激光气体分析仪线性度，线性测试验证点选择0%、20%F.S、50%F.S、80%F.S和100%F.S五个点。测试数据表明不同CO浓度下，二次谐波与浓度测量具有非常好的信号响应，该分析仪的线性误差可以满足≤±1%F.S的指标。测试得到的线性数据如表2所示，不同浓度谐波信号和线性曲线如图3所示，测量浓度与理论浓度之间的线性相关系数达到0.99998。

表2 线性数据

图3 不同浓度的二次谐波与线性曲线

为验证产品重复性指标，在同一环境条件下，试验中使用1000mg/m3的CO标气连续测量6次，测试数据如表3所示，得到的重复性结果为0.18%。该测量结果优于《可调谐激光气体分析仪》（GB/T 25476—2010）中重复性指标要求，可见该激光气体分析仪具有较好的重复性结果。

表3 重复性数据

5 现场应用

LGT-510激光气体分析仪于2017年7月在垃圾焚烧厂废气排放口处安装，依据《固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）》（HJ/T 75—2007）标准与第三方检测机构测量数据比对，比对数据如表4所示。依据上述环保标准要求相对准确度需要满足≤15%，实际比对结果的相对准确度为5.3%，满足比对要求。

表4 比对数据参比方法数据

LGT-510激光气体分析仪在现场应用时需要使用配套的预处理系统，包括取样、过滤、伴热或冷凝等。经过处理后的干净样气进入气体测量吸收池后进行分析计算。通过实验室测试和现场测试表明：基于TDLAS技术的激光气体分析仪能够满足烟气中CO含量在线监测应用。

6 结论

基于TDLAS技术的LGT-510激光气体分析仪将激光光谱吸收技术和长光程技术相结合，测量精度高，不受背景气体交叉干扰。采用模块化设计理念，产品体积小、重量轻、方便携带和易于系统集成，不含任何运动部件，运行可靠性高。通过实验室测试和现场使用表明仪器线性误差不大于±1%F.S，在环保比对验收中具有较好的准确性。基于TTDLAS技术的激光气体分析仪能够有效地对烟气排放的CO含量进行在线测量，满足烟气排放中CO含量在线监测应用。