ASP-3000型便攜式紫外煙氣分析儀環(huán)境適應(yīng)性與穩(wěn)定性測(cè)試研究

許 恒，湯光華

(1.國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529228；2.南京國(guó)電環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 南京 210061)

0 引言

隨著《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]與《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃》的出臺(tái)，我國(guó)燃煤電廠煙氣排放進(jìn)入超低排放時(shí)代，對(duì)SO2、NO氣態(tài)污染物在線監(jiān)測(cè)儀器的要求越來(lái)越高。原來(lái)主流的紅外分析儀表，在檢測(cè)低濃度氣體時(shí)普遍存在零點(diǎn)和量程漂移大、檢測(cè)下限高、儀表線性度差等問(wèn)題[2-3]，難以滿足穩(wěn)定性和檢測(cè)精度等要求。

除了在線監(jiān)測(cè)儀器，便攜式儀器在低濃度檢測(cè) 方面也存在類似問(wèn)題。很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低濃度SO2、NO檢測(cè)進(jìn)行了研究[4-12]。便攜式SO2和NO測(cè)量?jī)x器的原理主要包括紫外差分、非分散紅外、非分散紅外/化學(xué)發(fā)光、電化學(xué)等。如日本某公司的PG-350便攜式煙氣分析儀[13]，德國(guó)某公司的MGA5+和德圖350等。上述進(jìn)口設(shè)備多采用非分散紅外法或電化學(xué)法，無(wú)法完全克服非分散紅外和電化學(xué)方法的靈敏度低、零點(diǎn)和量程漂移大、易受水分和CO2氣體干擾、易受振動(dòng)影響等共性問(wèn)題[14]，在低濃度氣體檢測(cè)上存在一定局限性。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文介紹了一款A(yù)SP-3000型便攜式紫外煙氣分析儀(簡(jiǎn)稱ASP-3000)，分別在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性與穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，并與進(jìn)口儀器進(jìn)行了對(duì)比。

1 測(cè)試條件與方法

1.1 測(cè)試條件

實(shí)驗(yàn)室條件下，通過(guò)高低溫試驗(yàn)箱對(duì)4臺(tái)ASP-3000的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行測(cè)試，溫濕度測(cè)試條件從5℃、50%RH變化到45℃、93%RH。測(cè)試時(shí)，在5℃、50%RH條件下記錄儀器初始零點(diǎn)和量程，溫濕度提升至45℃、93%RH后對(duì)分析儀進(jìn)行零點(diǎn)和量程漂移等性能指標(biāo)測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)條件下，環(huán)境溫度(35±5)℃，環(huán)境濕度約80%RH，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為4小時(shí)，驗(yàn)證儀器的穩(wěn)定性。具體測(cè)試條件列于表1。

表1 測(cè)試條件

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

1)零點(diǎn)漂移測(cè)試

溫度、濕度分別恒定在5℃和50%RH，對(duì)ASP-3000通入N2，3min后記錄當(dāng)前時(shí)間和各種組分氣體實(shí)時(shí)值，記錄為各組分氣體零點(diǎn)讀數(shù)初始值Z0。隨后將試驗(yàn)箱溫度、濕度分別升至45℃和93%RH，穩(wěn)定2h后通入N2，3min后記錄不同對(duì)應(yīng)組分氣體零點(diǎn)讀數(shù)終值Z。按下式計(jì)算零點(diǎn)漂移：

ΔZ=Z-Z0

(1)

式中：ΔZ為零點(diǎn)漂移；Z0為零點(diǎn)讀數(shù)初始值；Z為零點(diǎn)讀數(shù)終值，單位均是μmol/mol。

2)量程漂移測(cè)試

溫度、濕度分別恒定在5℃和50%RH，對(duì)ASP-3000分別通入SO2、NO量程氣，3min后記錄當(dāng)前時(shí)間和各種組分氣體實(shí)時(shí)值，記錄為各組分氣體量程讀數(shù)初始值S0。隨后將試驗(yàn)箱溫度、濕度分別升至45℃和93%RH，穩(wěn)定2h后分別通入SO2、NO量程氣，3min后記錄不同對(duì)應(yīng)組分氣體量程讀數(shù)終值S。按下式計(jì)算量程漂移：

ΔS=S-S0

(2)

式中：ΔS為量程漂移；S0為量程讀數(shù)初始值；S為量程讀數(shù)終值，單位均是μmol/mol。

3)示值誤差測(cè)試

在45℃和93%RH條件下，分別對(duì)儀器進(jìn)行零點(diǎn)和量程校準(zhǔn)。按2L/min的流量分別通入儀器滿量程的25%、55%和85%的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，待示值穩(wěn)定后，記錄儀器示值，每種濃度的氣體重復(fù)上述操作3次。按下式計(jì)算示值誤差：

(3)

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

選擇了2臺(tái)超低排放機(jī)組的脫硫塔出口煙氣，在環(huán)境溫度(35±5)℃，環(huán)境濕度約80%RH條件下，ASP-3000先通入N2，3min后記錄各組分氣體零點(diǎn)讀數(shù)初始值Z0，再通入量程氣，3min后記錄各組分氣體量程讀數(shù)初始值S0，連續(xù)運(yùn)行4h(通煙氣)，重復(fù)上述步驟，分別記錄各組分氣體零點(diǎn)讀數(shù)初始值Z和量程讀數(shù)終值S，按照公式(1)和公式(2)計(jì)算零點(diǎn)漂移和量程漂移，并同時(shí)與德國(guó)進(jìn)口的采用紅外光譜法原理在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的煙氣分析儀進(jìn)行比對(duì)。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

2.1.1 零點(diǎn)、量程漂移

ASP-3000的SO2零點(diǎn)、量程漂移如表2所示，4臺(tái)ASP-3000在SO2的測(cè)量中零點(diǎn)漂移最大為0.15μmol/mol，量程漂移最大為-0.37μmol/mol，均分別小于《固定污染源廢氣 二氧化硫的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)標(biāo)準(zhǔn)要求的≤±3μmol/mol。

表2 ASP-3000的SO2零點(diǎn)、量程漂移 μmol/mol

ASP-3000的NO零點(diǎn)、量程漂移如表3所示。由表3可以看出，4臺(tái)ASP-3000在NO的測(cè)量中零點(diǎn)漂移最大值為0.04μmol/mol，量程漂移最大值為-0.87μmol/mol，均分別小于《固定污染源廢氣 氮氧化物的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)標(biāo)準(zhǔn)要求的≤±3μmol/mol。

表3 ASP-3000的NO零點(diǎn)、量程漂移 μmol/mol

2.1.2 示值誤差

ASP-3000的SO2示值誤差如表4所示?？梢钥闯?，4臺(tái)ASP-3000的SO2示值誤差最大值分別為0.04、0.24、0.03、0.19μmol/mol，遠(yuǎn)小于《固定污染源廢氣 二氧化硫的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)標(biāo)準(zhǔn)要求的≤±3μmol/mol。

表4 ASP-3000的SO2示值誤差 μmol/mol

ASP-3000的NO示值誤差如表5所示，4臺(tái)ASP-3000的NO示值誤差最大值分別為-0.46、-0.3、-0.90、-0.68μmol/mol，均遠(yuǎn)小于《固定污染源廢氣 氮氧化物的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)標(biāo)準(zhǔn)要求的≤±3μmol/mol。

表5 ASP-3000的NO示值誤差 μmol/mol

2.1.3 測(cè)試結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度交變?cè)囼?yàn)結(jié)果來(lái)看，無(wú)論是SO2還是NO的零點(diǎn)和量程漂移以及示值誤差等性能指標(biāo)都明顯優(yōu)于上述標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，其原因在于ASP-3000煙氣組分濃度的核心反演算法中加入了溫度補(bǔ)償模型[15]，補(bǔ)償?shù)臏囟葏^(qū)間在-20～250℃，在此區(qū)間范圍內(nèi)，模型可以最大限度消除溫度對(duì)吸收光譜的影響，從而可以獲得較好的溫度適應(yīng)性指標(biāo)。另外，反演算法僅提取被測(cè)對(duì)象的差分特征吸收信號(hào)，水汽的非差分特征吸收信號(hào)經(jīng)算法處理后不會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.2.1 零點(diǎn)、量程漂移

除了開展ASP-3000在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試外，本文選取了市場(chǎng)占有率高的某德國(guó)進(jìn)口紅外光譜法儀器與ASP-3000進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表6和表7所示。

表6 零點(diǎn)漂移測(cè)試數(shù)據(jù) μmol/mol

表7 量程漂移測(cè)試數(shù)據(jù) μmol/mol

表6表明，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試4h后，ASP-3000的NO、SO2零點(diǎn)漂移分別為0.13μmol/mol和0.16μmol/mol。進(jìn)口儀器的NO、SO2零點(diǎn)漂移為11.9μmol/mol和-1.13μmol/mol，NO零點(diǎn)漂移遠(yuǎn)高于《固定污染源廢氣氮氧化物的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)標(biāo)準(zhǔn)要求的≤±3μmol/mol。

表7表明，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試4h后，ASP-3000的NO、SO2量程漂移分別為0.36μmol/mol和0.26μmol/mol。進(jìn)口儀器的NO、SO2量程漂移為-15.7μmol/mol和3.7μmol/mol，遠(yuǎn)高于《固定污染源廢氣氮氧化物的測(cè)定便攜式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)、《固定污染源廢氣二氧化硫的測(cè)定便攜式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)標(biāo)準(zhǔn)要求的≤±3μmol/mol。

2.2.2 測(cè)試結(jié)果分析

從現(xiàn)場(chǎng)的零點(diǎn)、量程漂移測(cè)試結(jié)果來(lái)看，與德國(guó)進(jìn)口儀器相比，ASP-3000具有更好的穩(wěn)定性。究其原因，ASP-3000在兩個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新[16]：一是發(fā)明了對(duì)光譜儀輸出波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線校準(zhǔn)的算法，消除環(huán)境溫度和振動(dòng)對(duì)輸出波長(zhǎng)的影響，確保探測(cè)器的穩(wěn)定性；二是開發(fā)了光譜重疊交叉修正算法，能夠消除被測(cè)組分之間以及其他干擾物質(zhì)的影響。

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)4臺(tái)ASP-3000型便攜式紫外煙氣分析儀進(jìn)行零點(diǎn)漂移、量程漂移與示值誤差性能測(cè)試，SO2、NO的零點(diǎn)漂移最大值分別為0.15μmol/mol和0.04μmol/mol，量程漂移最大值分別為-0.37μmol/mol和-0.87μmol/mol，均分別小于《固定污染源廢氣 二氧化硫的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)、《固定污染源廢氣 氮氧化物的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)標(biāo)準(zhǔn)要求的≤±3μmol/mol。SO2、NO的最大示值誤差分別為0.24μmol/mol與-0.90μmol/mol，均遠(yuǎn)小于上述標(biāo)準(zhǔn)要求。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，與某德國(guó)進(jìn)口紅外分析儀相比，ASP-3000型便攜式煙氣分析儀零點(diǎn)、量程漂移小，性能穩(wěn)定。

ASP-3000型便攜式紫外煙氣分析儀具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，且性能穩(wěn)定，可滿足《固定污染源廢氣 二氧化硫的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)、《固定污染源廢氣 氮氧化物的測(cè)定 便攜式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)標(biāo)準(zhǔn)和燃煤電廠超低排放煙氣中低濃度SO2、NO的測(cè)量要求。