红外烟气分析仪受水分干扰的消除方法

发布时间:17-08-17 16:12分类:技术文章
标签:红外烟气分析仪,烟气分析仪,红外烟气分析仪受水分干扰的消除方法
连续污染物排放监测系统CEMS自上世纪八十年代应用于国内的排放监测以来,在国内逐渐建立起对污染物的排放监测网络,系统安装总数也接近两万套。其中多数采用了直接抽取式取样加红外气体分析的方法。随着*对污染源控制的加强,实际排放浓度逐年降低,这对红外烟气分析仪器的适用性提出了更高的要求。尤其是在高湿低浓度条件下,对红外气体分析仪的测试精度、分辨率、抗干扰性提出了更高的要求。红外烟气分析仪受水分干扰的消除方法由于烟气排放中的水含量是影响二氧化硫和氮氧化物测定的主要干扰物(,水分干扰直接影响了仪器的测量精度。这也是为什么部分红外气体分析仪在实验室条件下使用标准气检定时合格,在CEMS现场测试却达不到要求的原因。通常CEMS系统取样中采取冷干法脱除水分,以防止水分冷凝和水分干扰,但由于排放工况的变化和冷凝效率的原因,冷凝器的出口露点往往存在波动。在高湿低浓度条件下,水分的干扰往往超过了仪器本身的测量误差,干扰误差尤为明显。消除水分干扰误差的方法通常两种:采用脱水装置;设置水分传感器并进行软件补偿。采用脱水装置的方法有采用高效干燥剂如无水高氯酸镁,或者采用NAFION膜式干燥管。其主要问题在于需要经常更换,人为增加了运行维护成本。仪器生产厂家也有可能在检定时使用脱水装置,但是在运行时为减少运行费用不采用该装置,造成实际运行中的性能改变,导致CEMS监测数据不确定度增加。
采用水分传感器软件补偿的方法一般只修正零点的水分干扰,且低端的分辨率较低。对于同时含水和含SO2,NO的气体的修正精度很差。此外对于NO分析仪,由于在相同的气室长度下,NO的分辨率低于H2O的分辨率,采用水分传感器修正的方法对NO会造成很大的误差。
那么如何真正有效降低水分对红外分析仪测量的影响呢?红外烟气分析仪在传统微流红外传感器的基础上,增加了调水机构。它是通过将不同温度下的饱和空气依次通入红外传感器,通过调节调水机构,使得含有非冷凝水的气体与N2的信号一致。同时通过硬件调节及线性修正,来消除H2O(气)对SO2、NOx的干扰。进一步实验结果还表明,通过该方法调节后的传感器可以满足各种水分含量条件下的水分干扰消除,干扰的程度可控制在5ppm以内。低量程红外烟气分析仪分辨率的检定
红外测量原理是基于郎伯比尔定律,即通过吸收光强的变化测定气体浓度。当气体浓度较小时,光强变化也小,若传感器分辨率不够,*无法响应浓度的变化。
很多仪器为提高零点稳定性,会采用不同的算法,以保证减小零点的波动;还有如前所述,为了补偿水分的干扰影响,也会采用零点补偿方式。这样的直接结果*是零点附近仪器没有反应。
实际应用中低量程仪器的***大量程要求不高于200ppm,为保证测量可靠性,实际的分辨率应不大于1ppm。
检定时可采用10ppm的标准气体(SO2,NO),利用气体分割器(配气仪)将浓度控制在5ppm,通入仪器内,读取仪器的测量结果A,此后利用配气仪将浓度控制在4.9ppm,读取仪器的读数B,连续多次(3次以上)测量得到A,B的平均值,两平均值的差*是仪器实际的分辨率。
只有解决水分干扰和分辨率的问题,烟气分析仪才能真正满足高湿低浓度的测量要求,真正有效实现监控污染物排放,为减排提供切实准确的统计数据。
在CEMS烟气分析仪使用过程中红外线分析仪必须去除水分的影响,所以在预处理过程中一般双路冷凝器比较保险,还有弱酸性液体对分析仪的影响也要考虑。

发布时间:15-05-29 17:35分类:技术文章 标签:便携式烟气分析仪
预处理对电化学仪器的影响
电化学仪器的前处理普遍比较简单,主要由取样探针、取样管和过滤器组成,一般在不采用湿法脱硫的烟道气的含湿量不超过3%,而采用湿法脱硫后的烟气含湿量往往大于5%,如果脱硫设备脱水不好,烟气含湿量可高达12%。高含湿量的烟气进入取样管路后,由于温度下降超过露点温度,取样管路将产生冷凝水,并会吸收一部分烟气中的SO2,导致进入传感器的SO2浓度降低,造成监测结果出现负偏差甚至无。也有少数高端的电化学仪器采用了加热探针、伴热管路以及冷凝除水的前处理系统来避免冷凝水对SO2的影响,但成本过高,不利于推广。长期使用仪器后,由于烟气湿度的影响,在电化学传感器的渗透膜表面会形成结露水;结露水会影响气体分子的渗透,从而导致测量结果偏低,甚至测试不到目标污染物。所以电化学仪器每次使用前应抽取一段时间干燥清洁的空气吹扫传感器,以保证测量准确。此外,电化学传感器使用寿命有限,在超过量程测试时还容易出现“中毒”现象,导致传感器失效。基于这些原因,便携电化学烟气分析仪的使用范围受到了一定的限制,尤其在类似背景气体复杂、高湿低浓度的测试条件下,已经不能满足监测或比对的要求。
红外分析仪的应用分析
红外原理的气体分析仪在污染源监测系统上的广泛应用,已经替代了电化学原理的仪器。随着国内自主知识产权的红外技术的开发成功,使得便携式红外烟气分析仪的普及成为了必然的趋势。
红外分析仪具有抗干扰能力强、受流量影响小、寿命长等特点,克服了电化学分析仪在应用中出现的问题。但在实际中还需要考虑以下因素的影响。
水分对红外仪器的影响
由于烟气排放中的水分,尤其是气态水是影响二氧化硫和氮氧化物测定的主要干扰物(参考图,SO2、NO、H2O红外吸收光谱图),直接影响了仪器的测量精度。这也是为什么部分红外气体分析仪在实验室条件下使用标准气检定时合格,在现场测试却达不到要求的主要原因。
SO2、NO、H2O红外吸收光谱
虽然便携红外分析仪大多采用了加热取样、冷干脱水的预处理方法,以防止水分冷凝和气态水分干扰。但事实上烟气中的水分无法完全去除,而且由于排放工况的变化和冷凝效率的原因,冷凝器的出口露点往往也存在波动。在高湿低浓度条件下,水分的干扰甚至超过了仪器本身的测量误差,干扰误差尤为明显。
消除水分干扰误差的方法通常有两种:一是采用脱水装置,二是设置水分传感器并进行软件补偿。采用脱水装置的方法有采用高效干燥剂如无水高氯酸镁,或者采用NAFION膜式干燥管。其主要问题在于需要经常更换,人为增加了运行维护成本。仪器生产厂家也有可能在检定时使用脱水装置,但是在运行时为减少运行费用不采用该装置,造成实际运行中的性能改变,导致仪器监测数据不确定度增加。
采用水分传感器和软件补偿的方法一般只修正零点的水分干扰,且低端的分辨率较低。对于同时含水和含SO2,NO的气体的修正精度很差。此外对于NO分析仪,由于在相同的气室长度下,NO的分辨率低于H2O的分辨率,采用水分传感器修正的方法对NO测定会造成很大的系统误差。
*新的测试技术是在在传统微流红外传感器的基础上增加了特殊调水机构。它是通过将不同温度下的饱和空气依次通入红外传感器,通过调节调水机构,使得含有非冷凝水的气体与零气的信号一致,通过硬件调节及软件线性修正,可*新葡萄京娱乐场8455,大限度消除H2O(气)对SO2、NO的干扰。进一步实验结果还表明,通过该方法调节后的传感器可以满足各种水分含量条件下的水分干扰消除,干扰的程度可控制在5ppm以内。
为满足类似高湿低浓度的测试条件,便携红外烟气分析仪应*大限度降低水分(气)干扰的影响,以提高实际测试精度。
HC化合物对红外仪器的影响
除了水分干扰以外,碳氢化合物,如焦化厂排放的气态污染物中存在未燃尽的CH4、C2H6、C2H4等对于SO2的测量结果会存在很大干扰。
针对可能对SO2测定产生的干扰,在红外微流传感器的前端设置可专门吸收HC波长的气体吸收过滤室,*大限度消除大部分HC化合物对SO2测量结果的影响。
在排放的碳氢化合物组成复杂的特殊条件下,如果需要完全消除HC对SO2的影响,还可以考虑在烟气流路中增加HC物理化学过滤器,以保证实际测试的精度。
测试分辨率对红外仪器的影响
随着污染物治理的加强,大量脱硫、脱硝装置得以应用,污染物实际的排放浓度也越来越小。这对便携红外烟气分析仪的测试分辨率也提出了更高的要求。
很多仪器为提高零点稳定性,会采用不同的算法,以保证减小零点的波动;还有如前所述,为了补偿水分的干扰影响,也会采用零点补偿方式。这样的直接结果*是在进行零点附近的低浓度测试时仪器没有反应。
结论
烟气分析仪在实际应用中反映的流速、干扰、水分冷凝等问题已经能够明显限制了其在监测和比对测试中的应用。采用红外原理的便携烟气分析仪克服了电化学仪器的主要缺点,开始逐渐取代电化学仪器。为了解决红外测试在应用中的问题,便携红外烟气分析仪还应该解决水分干扰、HC干扰以及高分辨率等问题,以提高便携红外烟气分析仪的适用性,保证测试结果的准确可靠。

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如今,雾霾已然成为了严重影响我国居民生产生活的“心肺之患”。燃煤是造成雾霾的主要原因,而我国50%的燃煤是用于发电,因此,要求电厂和大型燃煤工厂除尘、脱硫、脱硝也就成了环保部长期以来治理烟气的主要发展方向。烟气脱硫、脱硝工艺使空气污染因子中具有毒性的二氧化硫、氮氧化物成分得以减少,无疑是积极的,也是必须的。这也是为什么国内雾霾频发,但并没有像当年的伦敦那样发生毒雾夺万人性命惨剧的原因所在。

典型电厂锅炉烟气处理流程是脱硝在前脱硫在后,脱硝后需要检测如NO、NO2、O2及NH3等;而脱硫前需要检测SO2、SO3;O2、CO2;粉尘等。按照常规的做法就是在脱硝出口安装一套CEMS,除尘器后进脱硫塔前安装一套CEMS,这样做的好处是烟气采样数据上传时间短,容易实现脱硝的自动控制。以尿素法、LIFAC工艺等半干法脱硫脱氮系统为例,其工艺是把碱性物质(石灰石、氢氧化钠、碳酸氢钠等等)的溶液或尿素溶液喷入炉膛、烟道或喷雾洗涤塔内进行脱硫脱氮。这类系统的脱硫、脱硝效率就主要取决于烟气中SO2和NOx的体积比、反应温度、吸收剂的粒度和停留时间。

在CEMS系统中,抽取法结合红外气体分析技术是主流,微流红外技术则是红外气体分析技术的主要发展趋势。传统的微音电容传感器检测红外光声信号的方法存在受水分干扰、工艺复杂、抗震性差等缺点;相较而言,微流红外探测器具有工艺简单、测量准确、抗震性好等多种优势,目前在进口红外烟气分析仪中普遍使用。值得一提的是,国内也有锐意自控这种自主研发微流红外气体分析技术并将其运用到烟气分析仪的科技创新企业。

微型红外传感器

在实际应用中,解决好烟气分析问题是脱硫、脱硝系统高效稳定运行的保障。下文将结合锐意自控的红外烟气分析仪Gasboard-3000,介绍微流红外技术在烟气脱硫、脱硝效率监测中应用的挑战及对策,并阐述经过改进的微流红外传感器在烟气检测中的主要技术优势。

红外烟气分析仪Gasboard-3000

1、消除温度对传感器信号的影响

环境温度的变化对于红外气体分析仪检测过程存在较大的影响,它将直接影响红外光源的稳定,影响红外辐射的强度,影响测量气室连续流动的气样密度。另一方面,为减少其他组分对SO2、NO的影响,红外烟气分析仪在微流红外探测器的前端设有窄带红外滤光片,这种滤光片是一种多层的半导体镀膜,温度升高会使得滤光片朝长波方向偏移,从而进一步影响SO2、NO的测量结果。特别是在北方昼夜温差较大的地域,即使设备房安装了空调,也会存在一定的温差。大多数红外烟气分析仪往往采用温度修正的方法,来解决因环境温度变化导致测量结果变化的问题,但这种方法只能解决部分问题,并不能完全消除由温度变化所带来的误差。

不同温度和气体浓度下的NO传感器响应曲线

怎样最大限度的消除温度变化对测量结果带来的影响呢?Gasboard-3000内部设置有温控装置及超温保护电路,通过对包括滤光片在内的整个传感器进行整体55℃恒温处理,同时配合窄温度范围温度修正的方法,为微流红外气体传感器设置了“双重保险”:当外部环境温度变化时,由于传感器处于恒温装置内部,因此受温度变化影响极小;即使有一定的温度波动,也可以通过温度修正来减少温度漂移,从而保证测量结果的准确性。

2、消除水分对SO2、NO测量的影响

无论是半干法脱硫还是湿法脱硫,脱硫后的烟气温度都比较低且含有大量水分。水分是影响二氧化硫和氮氧化物测量的主要干扰物,水分干扰直接影响了仪器的测量精度。这也是为什么部分红外气体分析仪在实验室条件下使用标准气检定时合格,在工业现场测试却达不到要求的原因。

通常CEMS系统取样中采取冷干法脱除水分,以防止水分冷凝和水分干扰,但由于排放工况的变化和冷凝效率的原因,冷凝器的出口露点往往存在波动。在高湿低浓度条件下,水分的干扰往往超过了仪器本身的测量误差,干扰误差尤为明显。

Gasboard-3000在传统微流红外传感器的基础上,增加了调水机构。它通过将不同温度下的饱和空气依次通入红外传感器,通过调节调水机构,使得含有非冷凝水的气体与N2的信号一致。同时通过硬件调节及线性修正,来消除H2O对SO2、NOx的干扰。实验表明,通过该方法调节后的传感器可以满足各种水分含量条件下的水分干扰消除,干扰的程度可控制在5ppm以内。

3、消除HC化合物对SO2测量的影响

除了水分干扰以外,碳氢化合物如焦化厂排放的气态污染物中存在未燃尽的CH4、C2H6、C3H8等组分,也会对SO2的测量结果带来很大干扰。如下图所示,SO2的吸收峰波段为7.28~7.62μm,在该波段CH4的吸收干扰最大,其次是C3H8和C2H6。

为减少HC对SO2测量的影响,
Gasboard-3000在传统的微流红外传感器基础上,设计了带CH4滤波气室的SO2传感器。实验表明,通入4000ppm的CH4,碳氢化合物对SO2的干扰不超过4ppm。

带CH4滤波气室的SO2传感器

随着国家对大气环境的重视以及人们对空气质量要求的提高,我国大气污染治理行业逐步驶入快车道。作为大气综合治理的关键设备,烟气分析仪在工业烟囱废气监测以及脱硫、脱硝系统的效率监测中正发挥着不可或缺的监督与控制作用,其应用前景也日益广阔。也随着工业技术的不断更新完善,计算机应用技术的发展,CEMS系统集成化自动化程度越来越高,可以预见微流红外技术将来必在环保领域发挥越来越重要的作用。

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