王忠渠，仝聲，王強(qiáng)

(1.中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司，北京100034;2.南京國(guó)電環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇南京210061)

紫外煙氣分析儀在燃煤電廠超低排放氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王忠渠1，仝聲1，王強(qiáng)2

(1.中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司，北京100034;2.南京國(guó)電環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇南京210061)

隨著燃煤電廠超低排放改造實(shí)施，環(huán)保部門提出了更為嚴(yán)厲的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)新的排放標(biāo)準(zhǔn)，原來(lái)適用于高濃度煙氣監(jiān)測(cè)的技術(shù)已經(jīng)很難準(zhǔn)確測(cè)量超低排放條件下的SO2和NO濃度。提出了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的紫外差分吸收光譜技術(shù)(Differential Optical Absorption Spectroscopy，DOAS)，介紹了該技術(shù)的基本原理，并將基于DOAS技術(shù)的煙氣分析儀進(jìn)行了超低排放監(jiān)測(cè)的工程應(yīng)用。結(jié)果表明，與非分散紅外分析儀相比，基于紫外差分吸收光譜技術(shù)的煙氣分析儀零點(diǎn)漂移和量程漂移均小于±1%F.S./7d，與參比方法的絕對(duì)誤差小于5mg/m3，對(duì)水汽、粉塵及煙氣中其他組分具有極強(qiáng)的抗干擾性，特別適用于超低排放條件下煙氣中SO2和NO監(jiān)測(cè)，為超低排放氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)提供了準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)方法。

DOAS;燃煤電廠;超低排放;氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)

0 引言

針對(duì)日益嚴(yán)峻的大氣污染現(xiàn)狀，國(guó)家環(huán)保產(chǎn)業(yè)各細(xì)分行業(yè)規(guī)劃和相關(guān)政策亦紛紛出臺(tái)。例如《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［1］、《關(guān)于繼續(xù)開(kāi)展燃煤電廠大氣汞排放監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工作的通知》、《“十二五”主要污染物總量減排目標(biāo)責(zé)任書》、《重點(diǎn)區(qū)域大氣防治污染“十二五”規(guī)劃》等［2－3］。

新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定SO2和NO排放限值分別為35mg/m3和50mg/m3，這對(duì)現(xiàn)有的煙氣濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)［4］。目前正在進(jìn)行的超低排放改造正是執(zhí)行上述煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，大量的工程應(yīng)用以及實(shí)驗(yàn)室反復(fù)測(cè)試表明，由于水分、氣體組分交叉干擾、儀表線性等多重因素影響，目前非分散紅外分析儀表主要存在著零點(diǎn)和量程漂移大、低濃度測(cè)量準(zhǔn)確度低、線性偏差大、檢測(cè)下限高、環(huán)境適應(yīng)性差等問(wèn)題，尤其是在SO2、NO濃度低于50mg/m3時(shí)測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，很難滿足超低排放監(jiān)測(cè)要求。

因此，隨著燃煤電廠超低排放改造的推廣實(shí)施，如何準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)超低排放條件下煙氣中SO2、NO濃度的問(wèn)題日益凸顯。超低排放煙氣具有SO2和NO濃度低、煙氣濕度大和溫度低的特點(diǎn)，所以對(duì)分析儀的抗交叉干擾、水汽影響、環(huán)境適用性等指標(biāo)提出了更高的要求［5－7］。

針對(duì)上述情況，本文介紹了一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的基于紫外差分技術(shù)的SO2和NO低濃度煙氣分析儀，消除了氣體組分間和水汽的交叉干擾，同時(shí)儀器光機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)高信噪比、高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，極大降低了檢測(cè)下限，提高了儀器穩(wěn)定性。

1 基于DOAS技術(shù)低濃度SO2 、NO分析儀

1.1 測(cè)量原理

DOAS方法的理論基礎(chǔ)是Lambert－Beer定律。假定入射光為單色平行光，被測(cè)氣體濃度比較稀，即不考慮分子之間的相互作用，被測(cè)氣體濃度均勻。Lambert－Beer定律可以表示為:

式中:I0(λ)為光源發(fā)射的原始光強(qiáng);I(λ)為探測(cè)器的接收光強(qiáng);Ci為第i種氣體的濃度;L為光程; σi(λ)為第i種氣體在波長(zhǎng)處的吸收截面［8］。

DOAS方法的特點(diǎn)在于根據(jù)被測(cè)氣體對(duì)UVVIS范圍的光具有窄帶吸收的特性，將吸收截面分成了兩部分:隨波長(zhǎng)快速變化的窄帶吸收截面σi和隨波長(zhǎng)緩慢變化的寬帶吸收截面σib

［9－10］，即:

當(dāng)僅考慮光譜隨波長(zhǎng)的快變部分時(shí);可消除氣體分子及煙塵顆粒物的Rayleigh散射、Mie散射以及光強(qiáng)衰減等隨波長(zhǎng)慢變部分的影響，用I＇0(λ)表示吸收光譜隨波長(zhǎng)的慢變部分，則差分吸收度為:

式中:D為差分吸收度矩陣;A為差分吸收截面矩陣;C為氣體濃度矩陣。

差分吸收度D可由被測(cè)氣體獲得，差分吸收截面A可由實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的吸收截面σi(λ)通過(guò)高通濾波獲得，光程L也可以通過(guò)測(cè)量獲得，由式(4)即可反演出被測(cè)氣體濃度［11－16〗。

1.2 國(guó)內(nèi)外儀器性能指標(biāo)對(duì)比

表1給出了ASP－01型煙氣分析儀與西門子公司U26分析儀、ABB公司Limasll分析儀、羅期蒙特公司X－Stream LlL型超低排放監(jiān)測(cè)儀器的性能指標(biāo)對(duì)比。從表1可以看出，ASP－01型煙氣分析儀在零點(diǎn)漂移和量程漂移、檢測(cè)下限、抗干擾性、輸出波動(dòng)性等性能指標(biāo)上占有一定的優(yōu)勢(shì)，工況適應(yīng)能力較強(qiáng)。

表1 ASP－01型煙氣分析儀與國(guó)內(nèi)外儀器性能指標(biāo)對(duì)比

2 超低排放機(jī)組工程應(yīng)用

針對(duì)低濃度SO2和NO測(cè)量，本文將基于DOAS技術(shù)的ASP－01型煙氣分析儀在630MW超低排放機(jī)組上進(jìn)行了長(zhǎng)期測(cè)試，同時(shí)與國(guó)外非分散紅外分析儀進(jìn)行比對(duì)，2臺(tái)分析儀共用一套前處理裝置，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的煙氣分成兩路分別進(jìn)入2臺(tái)分析儀。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)2臺(tái)儀表進(jìn)行了連續(xù)9d的零點(diǎn)漂移測(cè)試，期間紫外分析儀不進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)零點(diǎn)校準(zhǔn)，國(guó)外非分散紅外儀表每?jī)商焓謩?dòng)校準(zhǔn)一次零點(diǎn)，且兩款儀器標(biāo)稱的SO2量程均為0～200mg/m3，零點(diǎn)漂移指標(biāo)均為＜±1%F.S./7d。從圖1可以看出，ASP－01型煙氣分析儀連續(xù)9d的零點(diǎn)漂移＜± 1mg/m3，即達(dá)到了＜±1%F.S./7d指標(biāo)要求，而國(guó)外該儀器的最大零點(diǎn)漂移達(dá)到了9mg/m3，已達(dá)儀器允許零漂的4.5倍。

圖1 連續(xù)9d零點(diǎn)漂移對(duì)比結(jié)果

除了對(duì)上述2臺(tái)儀器進(jìn)行零點(diǎn)漂移對(duì)比外，還進(jìn)行了對(duì)CO2抗干擾試驗(yàn)。同時(shí)通入15%CO2標(biāo)氣，待測(cè)量值穩(wěn)定時(shí)，國(guó)外紅外儀器SO2、NO測(cè)量值分別為－2mg/m3和6mg/m3，ASP－01型煙氣分析儀SO2、NO測(cè)量值分別為0.0mg/m3和0.1mg/m3。ASP－01型煙氣分析儀采用紫外差分吸收光譜法，可避免儀器的交叉干擾。

現(xiàn)場(chǎng)邀請(qǐng)了江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心對(duì)ASP－01型煙氣分析儀進(jìn)行了比對(duì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，ASP－01放置在系統(tǒng)上時(shí)，零點(diǎn)漂移＜±1%F.S./7d、量程漂移＜±1%F.S./7d、線性誤差遠(yuǎn)小于5%，響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于200s，而且當(dāng)SO2、NO濃度小于20μL/L時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度均遠(yuǎn)小于6μL/L。

表2 ASP－01型煙氣分析儀比對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員近3個(gè)月的跟蹤比對(duì)，ASP－01型煙氣分析儀穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度高、線性好，維護(hù)量小，滿足超低排放監(jiān)測(cè)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將紫外光譜法煙氣分析儀在超低排放機(jī)組上進(jìn)行應(yīng)用，基于DOAS技術(shù)的ASP－01型煙氣分析儀的SO2零點(diǎn)漂移為0.15%F.S./d，跨度漂移為0.2%F.S./d，線性誤差為0.84%，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到4.4mg/m3;NO零點(diǎn)漂移為－0.4F.S./d，跨度漂移為－0.7%F.S./d，線性誤差為0.73%F.S./d，準(zhǔn)確度僅－0.4mg/m3，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行，ASP－01型煙氣分析儀具有零點(diǎn)、量程漂移小，線性誤差小、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于超低排放條件下SO2和NO準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，且系統(tǒng)改造量小。

［1］GB3095－2012，環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］HJ/T75－2007，固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］GB13223－2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］朱法華，王圣.燃煤大氣污染物超低排放技術(shù)集成與建議［J］.環(huán)境影響評(píng)價(jià)，2014(5):25－29.

［5］蔣雄杰，李峰.Nafion干燥器GASS處理系統(tǒng)在“超低排放”CEMS中的工程應(yīng)用研究［J］.分析儀器，2015(3):26－33.

［6］李大鵬.CEMS設(shè)備在“近零排放”下的選型分析［C］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)環(huán)境保護(hù)專業(yè)委員會(huì)年會(huì)論文集.2014.

［7］王森，劉德允.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［8］湯光華，許傳龍，孔明，等.基于差分吸收光譜法的燃煤鍋爐煙氣濃度反演算法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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，S?ren 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］李亞飛，蔡小舒.差分吸收光譜法在線監(jiān)測(cè)煙氣SO2濃度的直接反演法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，30(29):74－79.

［13］許利華.煙氣DOAS法測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海:上海理工大學(xué)，2008.

［14］肖雪，段靜波，劉文清，等.煙道污染氣體SO2的差分光學(xué)吸收光譜測(cè)量［J］.大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，2(3):121－124.

［15］王乃寧，蔡小舒，鄭剛，等.顆粒粒徑的光學(xué)測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:原子能出版社，2001.

［16］李素文，謝品華，李玉金，等.基于小波變換的差分吸收光譜數(shù)據(jù)處理方法［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，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，高級(jí)工程師，主要從事火電廠節(jié)能環(huán)保管理工作。E－mail:wangzhongqu@cgdc.com.cn

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)“二次細(xì)顆粒物主要前體物監(jiān)測(cè)儀器開(kāi)發(fā)和應(yīng)用”(2014YQ060537)