基于微型光纤光谱仪检测废气超低排放

1.引言

我国大气污染空前严重，引起社会各界广泛重视，相关政策也纷纷出台。燃煤电厂或锅炉素来是污染大户，自然受到国家环保政策的格外关注。2014年9月12日，国家发改委、国家环保部、国家能源局联合发文“关于印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》的通知”中要求，稳步推进东部地区现役30万千瓦及以上公用燃煤发电机组和有条件的30万千瓦以下公用燃煤发电机组实施大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值的环保改造。燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值(即在基准氧含量6%条件下,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米。

为达到上述排放标准，大量企业的废气处理设备需要改造，相应的监测设备也要升级。已有的工程经验和实验室反复测试表明，由于水分、低浓度气体组分交叉干扰、仪器线性等多重因素影响，基于单点探测器的非分散红外分析仪表存在零点和量程飘逸打、环境适应性差能难题，尤其是在二氧化硫、氮氧化物低于50毫克/立方米时，测试精度出现较大偏差，远不如基于紫外可见光谱的差分吸收光谱分析技术（DOAS）可靠。

差分吸收光谱方法（differential optical　absorption　spectroscopy，DOAS）最早由德国Heidelberg大学环境物理研究所的Platt提出，其基本原理就是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。DOAS可用于城市、地下通道、工业矿区的有害气体的监测。该方法具有原理和结构简单、响应速度快、精度高等优点。尤其重要的是，该技术通过滤波手段，可有效排除颗粒物和水汽对测量的影响，这对于烟气排放监测很有帮助。国内外很多机构开展了基于DOAS技术的超低排放监测设备研制。DOAS技术的硬件核心是紫外可见光谱仪，海洋光学的光谱仪产品在该领域有大量应用案例，至今德国Heidelberg大学环境物理研究所仍在大量使用海洋光学USB系列光谱仪，用于对流层卤素物、火山排放、极地大气化学和工业排放等领域的研究。在国内，很多知名企业也在积极进入该领域，并取得不错的效果。

2.基于光谱技术检测二氧化硫和氮氧化物

在超低排放领域，用户关注对象有烟尘颗粒物，二氧化硫和氮氧化物气体。SO₂是一种无色具有强烈刺激性气味的气体，易溶解于人体的血液和其他黏性液。大气中的SO2会导致户籍到炎症、支气管炎、肺气肿、眼结膜炎症等。氮氧化物的主要代表是一氧化氮，化学式NO，这是一种无色无味、难溶于水的有毒气体。一氧化氮带有自由基，这使它的化学性质非常活泼。当它与氧气反应后，可形成具有腐蚀性的气体——二氧化氮（NO2），二氧化氮可与水反应进一步生成硝酸。二氧化硫的特征吸收峰在200-290nm之间，一氧化氮的特征吸收峰在185-230nm之间，两种气体的特征吸收有一定交叉，但因为特征峰差异明显，可以很容易区分出来。

基于光谱的烟气检测对光谱仪的性能要求比较高，海洋光学的USB2000+光谱仪在工业界广受欢迎，这与该光谱仪高性价比的优势是分不开的。USB2000+由一个强大的2-MHz模数（A/D）转换器、可编程模块，一个2048像素CCD阵列探测器以及一个高速USB2.0接口组成。它不仅是我们目前性价比最好的光谱仪，更提供了高达0.35nm的分辨率（FWHM）。当USB2000+光谱仪通过USB2.0的接口与计算机连接后，用户可以每毫秒截取并储存一幅完整的光谱图像至内存中（即每秒1,000幅光谱图像）。这款备受欢迎的光谱仪可以作个性化配置，灵活性极强，并且所占空间很小，能够完成多种形式的测量。用户可以从多种多样的光谱仪配件和采样附件中进行选择，打造自己独有的光谱测量系统。下图为USB2000+实物图片。

图1 海洋光学USB2000+光纤光谱仪

概括起来讲，该款光谱仪的主要优点包括：

• 模块 -- 覆盖200-1100纳米范围，并可与光源、比色皿及其他附件相连接

• 方便 -- 非常适于嵌入到OEM设备中

• 便携 –可以在野外使用

• 兼容 — 触发功能可以使光谱仪与其他设备同步

我们将USB2000+光谱仪用于一氧化氮与二氧化硫实际测试，采用海洋光学标准软件采集吸光度数据，参考光谱为没有待测气体的测量谱。下图展示了一氧化氮与二氧化硫混合气体检测示例图谱，测试在常温常压下进行，光谱仪为海洋光学的USB2000+，光源为脉冲式氙灯。光路为折叠式气体池，总光程为5m。其中一氧化氮的浓度为20.5ppm，二氧化硫的浓度为5.1ppm。

图2 二氧化硫与一氧化氮混合气体吸收光谱

上图中纵坐标为吸光度，横坐标为波长，其中红色区域的特征吸收峰为一氧化氮的两个特征吸收峰，其中叠加了二氧化硫的部分吸收，两个黑色区域内是二氧化硫的特征吸收峰。用户可以在此吸光度信号基础上，运用差分算法，对原始信号进行进一步分离和提取，或者直接根据吸光度峰值或面积数据，结合系统标定结果，推算待测气体浓度。

3. 结果讨论

基于海洋光学微型光纤光谱仪检测二氧化硫和氮氧化物，具有零点和量程漂移小，抗干扰能力强，测量准确度高等优点。结合强大的软件二次开发能力，海洋光学可以提供集成度高、稳定性好的核心功能模块和技术服务，进而为有监测需求的用户提供强有力的帮助，助力中国污染治理事业。