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微型光纖光譜儀檢測廢氣超低排放

1.引言

我國大氣污染空前嚴重，引起社會各界廣泛重視，相關政策也紛紛出來。燃煤電廠或鍋爐素來是污染大戶，自然受到國家環保政策的格外關注。 2014年9月12日，國家發改委、國家環保部、國家能源局聯合發文“關於印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知”中要求，穩步推進東部地區現役30萬千瓦及以上公用燃煤發電機組和有條件的30萬千瓦以下公用燃煤發電機組實施大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值的環保改造。燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高於10、35、50毫克/立方米。

為達到上述排放標準，大量企業的廢氣處理設備需要改造，相應的監測設備也要升級。已有的工程經驗和實驗室反複測試表明，由於水分、低濃度氣體組分交叉干擾、儀器線性等多重因素影響，基於單點探測器的非分散紅外分析儀表存在零點和量程飄逸打、環境適應性差能難題，尤其是在二氧化硫、氮氧化物低於50毫克/立方米時，測試精度出現較大偏差，遠不如基於紫外可見光譜的差分吸收光譜分析技術（DOAS）可靠。

差分吸收光譜方法（differential optical　absorption　spectroscopy，DOAS）最早由德國Heidelberg大學環境物理研究所的Platt提出，其基本原理就是利用空氣中的氣體分子的窄帶吸收特性來鑑別氣體成分,並根據窄帶吸收強度來推演出微量氣體的濃度。 DOAS可用於城市、地下通道、工業礦區的有害氣體的監測。該方法具有原理和結構簡單、響應速度快、精度高等優點。尤其重要的是，該技術通過濾波手段，可有效排除顆粒物和水氣對測量的影響，這對於菸氣排放監測很有幫助。國內外很多機構開展了基於DOAS技術的超低排放監測設備研製。 DOAS技術的硬件核心是紫外可見光譜儀，海洋光學的光譜儀產品在該領域有大量應用案例，至今德國Heidelberg大學環境物理研究所仍在大量使用海洋光學USB系列光譜儀，用於對流層鹵素物、火山排放、極地大氣化學和工業排放等領域的研究。在國內，很多知名企業也在積極進入該領域，並取得不錯的效果。

2.基於光譜技術檢測二氧化硫和氮氧化物

 在超低排放領域，用戶關注對像有煙塵顆粒物，二氧化硫和氮氧化物氣體。 SO2是一種無色具有強烈刺激性氣味的氣體，易溶解於人體的血液和其他黏性液。大氣中的SO2會導致戶籍到炎症、支氣管炎、肺氣腫、眼結膜炎症等。氮氧化物的主要代表是一氧化氮，化學式NO，這是一種無色無味、難溶於水的有毒氣體。一氧化氮帶有自由基，這使它的化學性質非常活潑。當它與氧氣反應後，可形成具有腐蝕性的氣體——二氧化氮（NO2），二氧化氮可與水反應進一步生成硝酸。二氧化硫的特徵吸收峰在200-290nm之間，一氧化氮的特徵吸收峰在185-230nm之間，兩種氣體的特徵吸收有一定交叉，但因為特徵峰差異明顯，可以很容易區分出來。

基於光譜的煙氣檢測對光譜儀的性能要求比較高，海洋光學的USB2000+光譜儀在工業界廣受歡迎，這與該光譜儀高性價比的優勢是分不開的。 USB2000+由一個強大的2-MHz模數（A/D）轉換器、可編程模塊，一個2048像素CCD陣列探測器以及一個高速USB2.0接口組成。它不僅是我們目前性價比最好的光譜儀，更提供了高達0.35nm的分辨率（FWHM）。當USB2000+光譜儀通過USB2.0的接口與計算機連接後，用戶可以每毫秒截取並儲存一幅完整的光譜圖像至內存中（即每秒1,000幅光譜圖像）。這款備受歡迎的光譜儀可以作個性化配置，靈活性極強，並且所佔空間很小，能夠完成多種形式的測量。用戶可以從多種多樣的光譜儀配件和採樣附件中進行選擇，打造自己獨有的光譜測量系統。下圖為USB2000+實物圖片。

圖1 海洋光學USB2000+光纖光譜儀

概括起來講，該款光譜儀的主要優點包括：

模塊 -- 覆蓋200-1100納米範圍，並可與光源、比色皿及其他附件相連接

方便 -- 非常適於嵌入到OEM設備中

便攜 –可以在野外使用

兼容 — 觸發功能可以使光譜儀與其他設備同步

我們將USB2000+光譜儀用於一氧化氮與二氧化硫實際測試，採用海洋光學標準軟件採集吸光度數據，參考光譜為沒有待測氣體的測量譜。下圖展示了一氧化氮與二氧化硫混合氣體檢測示例圖譜，測試在常溫常壓下進行，光譜儀為海洋光學的USB2000+，光源為脈衝式氙燈。光路為折疊式氣體池，總光程為5m。其中一氧化氮的濃度為20.5ppm，二氧化硫的濃度為5.1ppm。

圖2 二氧化硫與一氧化氮混合氣體吸收光譜

上圖中縱坐標為吸光度，橫坐標為波長，其中紅色區域的特徵吸收峰為一氧化氮的兩個特徵吸收峰，其中疊加了二氧化硫的部分吸收，兩個黑色區域內是二氧化硫的特徵吸收峰。用戶可以在此吸光度信號基礎上，運用差分算法，對原始信號進行進一步分離和提取，或者直接根據吸光度峰值或面積數據，結合系統標定結果，推算待測氣體濃度。

3. 結果討論

基於海洋光學微型光纖光譜儀檢測二氧化硫和氮氧化物，具有零點和量程漂移小，抗干擾能力強，測量準確度高等優點。結合強大的軟件二次開發能力，海洋光學可以提供集成度高、穩定性好的核心功能模塊和技術服務，進而為有監測需求的用戶提供強有力的幫助，助力我國污染治理事業。