微型光纖光譜儀的是CEMS系統(tǒng)光譜探測器的理想選擇

 引言

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱CEMS）廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電、化工、石化、鋼鐵、垃圾焚燒、焦化、水泥等行業(yè)的各種鍋爐、窯爐，用于在線監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程中固定污染源的煙氣排放以及指導(dǎo)煙氣脫硫、脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行和控制。

近年來，基于差分吸收光譜（以下簡稱DOAS）技術(shù)的新型CEMS系統(tǒng)逐漸成為主流技術(shù)路線。光纖光譜儀作為CEMS系統(tǒng)的核心部件，它的主要作用是將系統(tǒng)中的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再對光電轉(zhuǎn)化后的信號進(jìn)行相關(guān)的處理后可測量脫硝、脫硫前后煙氣中的SO2 、NO、 NO2等氣體的含量。

我們重點(diǎn)介紹利用光纖光譜儀和DOAS反演氣體濃度的測試原理、典型測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光譜儀參數(shù)選擇及其對于測試系統(tǒng)的影響。

一、測試原理

1.1  DOAS算法

DOAS以比爾-朗伯定律為依據(jù)，該定律描述了光路中分子數(shù)與被吸收的光能之間的關(guān)系。由于每種分子，每種氣體，都有其*的吸收光譜特性，或者稱為“指紋”，所以可以通過紫外-可見波長范圍內(nèi)的特征吸收結(jié)構(gòu)同時(shí)測量出幾種不同氣體的濃度。典型的DOAS儀器由連續(xù)光源（氙燈、氘燈等），氣室（或開放光路），探測器組成。根據(jù)比爾-朗伯定律：

1.2 波長選擇

DOAS技術(shù)主要用于紫外-可見光譜區(qū)，在此波段內(nèi)的氣體分子吸收譜線主要是由電子躍遷引起的。NO和SO2在200-350nm的紫外區(qū)有強(qiáng)烈的特征吸收帶，NO2吸收特征譜線集中在300-550nm，從圖1中我們可以清晰地看出這三種氣體的吸收帶。

圖1 氣體分子吸收光譜圖

二、典型DOAS測試系統(tǒng)

典型的DOAS測量氣體濃度系統(tǒng)由連續(xù)光源（氙燈、氘燈等），氣室（或開放光路），探測器組成。圖2為系統(tǒng)原理圖：

圖2  一種典型的DOAS測量系統(tǒng)原理圖

本圖摘自O(shè)PSIS AB

1 高純氮；2 SO2標(biāo)氣；3 NO標(biāo)氣；4 NO2標(biāo)氣；5 輸氣管；6 配氣柜；7 質(zhì)量流量控制器；8 截止閥；9 混合管；10 流量顯示儀；11 拌熱管；12 光源模塊；13 光源供電電源；14 高溫試驗(yàn)箱；15 準(zhǔn)直透鏡；16 測量池；17 聚焦透鏡；18 差壓計(jì)；19 溫度控制儀；20 光纖；21 光譜儀；22 電腦；23 廢氣回收池

圖3  DOAS法煙氣濃度測量試驗(yàn)裝置示意圖

DOAS法煙氣濃度測量試驗(yàn)裝置如圖3所示。試驗(yàn)裝置分成氣路和光路兩部分。氣路部分主要由氣源、配氣柜、測量池和廢氣回收池四部分組成。光路部分主要由光源、準(zhǔn)直/聚焦透鏡、氣體池、光纖光譜儀組成。高純氮和SO2、NO、NO2標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)各自單獨(dú)的管路通過質(zhì)量流量控制器后進(jìn)入混合管進(jìn)行混合，可通過流量顯示儀調(diào)節(jié)控制和顯示流量。混合后的氣體經(jīng)伴熱管進(jìn)入測量池，測量池的兩端用石英透鏡進(jìn)行密封。在測量池的出口設(shè)有熱電阻對流過測量池的氣體溫度進(jìn)行測量，同時(shí)在測量池的中部裝有差壓計(jì)對氣體壓力進(jìn)行測量。測量池出來的氣體后進(jìn)入廢氣回收池進(jìn)行吸收。

三、光譜儀選擇及其對于測試結(jié)果的影響 

微型光纖光譜儀的主要性能參數(shù)有光譜范圍、光譜分辨率（FWHM）、雜散光、光路穩(wěn)定性、非線性效應(yīng)等。

1. 光譜范圍 

根據(jù)需要分析氣體的種類特征吸收譜線的范圍來確定光譜儀波長范圍，同時(shí)要兼顧分辨率，光譜范圍越寬分辨率越低。 

1. 光譜分辨率

光譜分辨率也稱光譜帶寬，通常用nm或cm-1表示。分辨率越高，分辨光譜細(xì)節(jié)的能力越強(qiáng)，下圖是光譜儀不同分辨率下的測試結(jié)果，

圖4 不同分辨率對于測試結(jié)果的影響

從圖4可以看出，分辨率提高后原本不明顯的特征逐漸明顯，例如290nm附近的光譜凹陷。

1. 雜散光

雜散光是指光路中被探測到的所有非信號光。雜散光的存在綜合影響CEMS系統(tǒng)的探測限、信噪比、濃度測量度，雜散光越小系統(tǒng)誤差越小。

圖5 雜散光對吸光度測量的影響

圖5是存在0.1%雜散光時(shí)，實(shí)測吸光度偏離理論值的情況。

1. 光路穩(wěn)定性

光路穩(wěn)定性主要指由于溫度、外力加速度引起的光學(xué)平臺形變而導(dǎo)致的波長和幅度漂移。光路穩(wěn)定性對濃度測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，AvaSpec-ULS系列光譜儀大大降低雜散光并提高了機(jī)械和溫度穩(wěn)定性，具有一個(gè)雙內(nèi)置模式消除器和多階復(fù)合拋物面鏡，機(jī)械強(qiáng)度提高10倍。

1. 非線性

非線性定義為光譜儀測量實(shí)際幅值與理論幅值的比值。作為系統(tǒng)誤差，非線性效應(yīng)在測量吸光度時(shí)會影響曲線的形狀、數(shù)值以及各個(gè)區(qū)間的比例。

四、結(jié)論

紫外差分光譜法對于濕法脫硫、脫硝工藝的煙氣連續(xù)排放系統(tǒng)具有先天的優(yōu)勢，國內(nèi)基于DOAS算法商用CEMS系統(tǒng)根據(jù)不同需求和應(yīng)用環(huán)境正在不斷改進(jìn)和升級。微型光纖光譜儀具有低成本、體積小，無掃描器件，堅(jiān)固穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是CEMS系統(tǒng)光譜探測器的理想選擇。

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