低排放标准下 微流红外气体分析技术创新的必要性

据《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》改造后烟气中SO₂和NO_x排放的限值执行标准分别为35mg/m3、50 mg/m3，即国内烟气成分监测设备必须满足烟气中SO₂和NO_x的低量程测定需求。目前烟气成分监测技术主要分为两类，即单一组分监测技术与多组分监测技术。其中单一组分监测技术以紫外荧光法与化学发光法为主，多组分监测技术则大多采用非分光红外、紫外光谱吸收法。由于烟气成分复杂，单一组分监测技术无法满足实际监测需求，因此非分光红外、紫外光谱吸收法成为目前低浓度烟气检测技术的主流技术。

1、非分光红外吸收光谱法

非分光红外吸收光谱法(NDIR)是基于被测介质对红外光有选择性吸收而建立的一种分析方法，该气体分析方法已经广泛应用于工业过程和环境监测等领域，其核心部件红外传感器根据应用特点的不同，又可分为双光束、微流、微音器等不同类型，而在固定污染源监测系统中被大量使用的是微流红外传感器，这种采用微流红外传感器检测气体成分的方法又可称为微流红外气体分析法，该气体分析方法具有如下特点：

（1）可测量多组分气体，除单原子的惰性气体和具有对称结构无极性的双原子分子外；

（2）测量范围宽，上限可达100%，下限可达几个ppm的浓度，当采取一定措施后，甚至可以进行ppb级的分析；

（3）测量精度高，一般都在±2%FS；

（4）响应时间快，一般在10s以内；

（5）选择性好，特别适合对多组分烟气气体中某一待测组分的测量，而且当烟气中一种或多种组分浓度发生变化时，并不影响对待测组分的测量。

2、非分光紫外吸收光谱法

非分光紫外吸收光谱法(DOAS)是一种光谱监测技术，其基本原理是利用空气中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气体浓度。DOAS基于朗伯-比尔定律，将气体的吸收截面分为随波长的慢变化部分和快变化部分。通过多项式拟合高通滤波方法去除光谱中的慢变化部分，剩下的则由于分子的窄带吸收造成的光源衰减。由于基于朗伯-比尔定律具有线性特性，烟气中气体的吸收可看做是线性叠加，故可采用最小二乘拟合方法，用气体标准差分吸收截面对测量得到的差分吸收光谱进行拟合，反演出烟气中气体的浓度。

该气体分析方法具有高灵敏度，可实现多组分实时在线监测；机械、电子部件简单、无气路，维护简便；无需采样，高精度非接触测量；适用于活性较大的物质测量等特点，十分适宜烟气中SO₂、NO_x等多组分气体浓度的连续在线监测。

3、低排放标准下CO浓度监测的必要性

随着环保新标准的实施，电站锅炉的技术改造不可避免，运行上锅炉减排的压力越来越大。由于煤质多变，现在锅炉运行中控制氧含量往往偏离最佳氧含量，容易造成热效率偏低和NO_x浓度偏高；而且为了降低NOx排放浓度，低氮燃烧被众多电厂采用，容易造成CO排放浓度升高和机械不完全燃烧损失增大，降低锅炉热效率。

相对于基于氧含量控制的燃烧运行优化，基于烟气中CO控制的燃烧优化被证明是一种更加有效的优化方式。CO含量与飞灰可燃物、排烟热损失等存在一定的关系，利用CO的监测，可以使锅炉在保证局部不缺氧的前提下保持较低的过量空气下运行，提高锅炉热效率，同时避免因炉内缺氧造成的结渣和高温腐蚀等，甚至及时发现炉内燃烧两侧的不均性。因此实现锅炉尾部烟气中CO的实时监测是实时监测锅炉运行状态和锅炉热效率的重要组成部分，对于提供锅炉运行的安全性和经济性有重大意义。

但由于非分光紫外吸收光谱法对CO没有紫外吸收效应，不能用于检测CO浓度。而非分光红外吸收光谱法有，且目前主流的CO气体浓度监测的主要方法有：非分光红外吸收光谱法、电化学法等。因此，为了满足低排放烟气中SO₂、NO_x及CO浓度的同时监测，一般采用非分光红外吸收光谱法与非分光紫外吸收光谱法+电化学传感器技术两种方法。

图1、烟气中主要组分红外吸收光谱图

虽然电化学传感器是一项已使用了多年的成熟技术，且成本低、灵敏度大，但也存在如下缺陷：

（1）寿命短。在高温、高浓度烟气环境下使用，传感器寿命短，一般正常使用寿命在一年以内，因此需经常更换。

（2）有限的温度范围。因为其对温度非常敏感，所以传感器通常都需进行了内部温度补偿，尽可能保持温度稳定。

（3）与其他气体的交叉灵敏度大。虽然这是一个优点，但同时也是一个缺点，即较容易受到来自其他气体的干扰。

除以上，非分光紫外吸收光谱法+电化学的测量方法还在一定程度上增加了仪器的使用成本，原本电化学传感器应用的经济性也就不复存在了，而可同时测量SO₂、NO_x及CO浓度，且具有测量范围宽、灵敏度高、测量精度高、反应快、选择性好等优势的微流红外烟气分析仪器的经济性就尤为明显了。因此，微流红外烟气分析仪逐步成为行业低排放标准的配套仪器。

4、新型微流红外烟气成分监测技术应运而生

根据《固定污染源烟气（二氧化硫、氮氧化物、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法》(HJ/T76)，按低排放限值计算，SO₂和NO_x量程应不大于175mg/m3和250mg/m3。对此，四方仪器自控系统有限公司依托母公司武汉四方光电科技有限公司自主知识产权的微流红外气体传感器技术，创造性的采用隔半气室技术，实现了微流红外气体分析技术的技术升级，使其自主研发的烟气分析仪（低量程在线型）Gasboard-3000Plus在满足低浓度SO₂、NO_x的检测要求的前提下，实现CO浓度的同时测量。

Gasboard-3000Plus采用的微流红外气体传感器包括红外光源系统、测量气室、窄带滤光片、微流红外探测器、信号处理及输出系统，其中测量气室一改传统单气室结构为隔半气室设计（参考图2），由被测气室与参考气室组成。

图2、新型微流红外气体传感器原理图

Gasboard-3000Plus采用的隔半气室设计，其中密封的参考气室充入纯氮气，用作被测气室里被测气体的对比参考，当被测气室与参考气室分别被红外光源照射/遮挡后，在微流红外传感器上形成大小不一的两组信号波形，一个为红外光照射被测气室产生的信号波形，一个为参考气室产生的信号波形，如图3所示。

图3、被测气体与参考气体信号波形

由图3可知，即便红外光源的强度发生了波动，电子元器件老化或监测环境变化影响了被测气体与参考气体产生的信号波形，但不会影响被测信号与参考信号的强度之比，信号处理系统根据这个比值计算得出被测气体浓度，这样就最大限度的减小了光源不稳定、电子元器件老化或监测环境变化造成的漂移，从而保障了仪器测量的准确性与稳定性。

此外，Gasboard-3000Plus采用了特制陶瓷机械调制红外光源系统，光源使用寿命与稳定性大大增强。同时该系统的红外光源与传统电调制红外光源相比功率更大，可达10~20W，而传统电调制红外光源功率一般小于2W，大功率光源更利于探测低浓度被测气体的变化，实现低浓度烟气组分的准确测量。

5、结论与建议

（1）随着环保新标准的实施，电站锅炉的技术改造不可避免，运行上锅炉减排的压力越来越大，而为了降低NOx排放浓度，低氮燃烧被众多电厂采用，容易造成CO排放浓度升高和机械不完全燃烧损失增大，降低锅炉热效率。为了提高锅炉热效率，对锅炉尾部烟气中CO浓度进行实时监测是十分必要的。因此，烟气分析仪除了要具备检测低浓度SO₂、NO_x的功能，还应该满足CO浓度同时测量的需求。

（2）由于排烟环境与烟气成分的复杂性，通过微流红外气体传感器的技术升级，排除光源不稳定、外部环境等因素对其检测结果的影响，可实现对低排放烟气成分的测定。

（3）在微流红外气体分析法的基础上创造性的采用隔半气室气路设计属国内首创，可为我国超低排放改造中烟气在线监测仪器的选型提供全新的技术参考，助力我国环保产业的发展。

来源：工业过程气体监测技术