微型光纖光譜儀的是CEMS系統光譜探測器(qì)的理(lǐ)想選擇

 引言

煙氣排放連續監測系統（以下簡稱CEMS）廣泛應用于火(huǒ)力發電(diàn)、化工、石化、鋼鐵(tiě)、垃圾焚燒、焦化、水(shuǐ)泥等行(xíng)業的各種鍋爐、窯爐，用于在線監測工業生(shēng)産過程中固定污染源的煙氣排放以及指導煙氣脫硫、脫硝系統的運行(xíng)和(hé)控制(zhì)。

近年來(lái)，基于差分吸收光譜（以下簡稱DOAS）技術的新型CEMS系統逐漸成為(wèi)主流技術路線。光纖光譜儀作(zuò)為(wèi)CEMS系統的核心部件，它的主要作(zuò)用是将系統中的光信号轉化為(wèi)電(diàn)信号，再對光電(diàn)轉化後的信号進行(xíng)相關的處理(lǐ)後可(kě)測量脫硝、脫硫前後煙氣中的SO2 、NO、 NO2等氣體(tǐ)的含量。

我們重點介紹利用光纖光譜儀和(hé)DOAS反演氣體(tǐ)濃度的測試原理(lǐ)、典型測試系統結構、光譜儀參數選擇及其對于測試系統的影(yǐng)響。

一、測試原理(lǐ)

1.1  DOAS算(suàn)法

DOAS以比爾-朗伯定律為(wèi)依據，該定律描述了光路中分子數與被吸收的光能之間(jiān)的關系。由于每種分子，每種氣體(tǐ)，都有(yǒu)其*的吸收光譜特性，或者稱為(wèi)“指紋”，所以可(kě)以通(tōng)過紫外-可(kě)見波長範圍內(nèi)的特征吸收結構同時(shí)測量出幾種不同氣體(tǐ)的濃度。典型的DOAS儀器(qì)由連續光源（氙燈、氘燈等），氣室（或開(kāi)放光路），探測器(qì)組成。根據比爾-朗伯定律：

1.2 波長選擇

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

圖1 氣體(tǐ)分子吸收光譜圖

二、典型DOAS測試系統

典型的DOAS測量氣體(tǐ)濃度系統由連續光源（氙燈、氘燈等），氣室（或開(kāi)放光路），探測器(qì)組成。圖2為(wèi)系統原理(lǐ)圖：

圖2  一種典型的DOAS測量系統原理(lǐ)圖

本圖摘自OPSIS AB

1 高(gāo)純氮；2 SO2标氣；3 NO标氣；4 NO2标氣；5 輸氣管；6 配氣櫃；7 質量流量控制(zhì)器(qì)；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(diàn)電(diàn)源；14 高(gāo)溫試驗箱；15 準直透鏡；16 測量池；17 聚焦透鏡；18 差壓計；19 溫度控制(zhì)儀；20 光纖；21 光譜儀；22 電(diàn)腦(nǎo)；23 廢氣回收池

圖3  DOAS法煙氣濃度測量試驗裝置示意圖

DOAS法煙氣濃度測量試驗裝置如圖3所示。試驗裝置分成氣路和(hé)光路兩部分。氣路部分主要由氣源、配氣櫃、測量池和(hé)廢氣回收池四部分組成。光路部分主要由光源、準直/聚焦透鏡、氣體(tǐ)池、光纖光譜儀組成。高(gāo)純氮和(hé)SO2、NO、NO2标準氣體(tǐ)經各自單獨的管路通(tōng)過質量流量控制(zhì)器(qì)後進入混合管進行(xíng)混合，可(kě)通(tōng)過流量顯示儀調節控制(zhì)和(hé)顯示流量。混合後的氣體(tǐ)經伴熱管進入測量池，測量池的兩端用石英透鏡進行(xíng)密封。在測量池的出口設有(yǒu)熱電(diàn)阻對流過測量池的氣體(tǐ)溫度進行(xíng)測量，同時(shí)在測量池的中部裝有(yǒu)差壓計對氣體(tǐ)壓力進行(xíng)測量。測量池出來(lái)的氣體(tǐ)後進入廢氣回收池進行(xíng)吸收。

三、光譜儀選擇及其對于測試結果的影(yǐng)響 

微型光纖光譜儀的主要性能參數有(yǒu)光譜範圍、光譜分辨率（FWHM）、雜散光、光路穩定性、非線性效應等。

1. 光譜範圍 

根據需要分析氣體(tǐ)的種類特征吸收譜線的範圍來(lái)确定光譜儀波長範圍，同時(shí)要兼顧分辨率，光譜範圍越寬分辨率越低(dī)。 

1. 光譜分辨率

光譜分辨率也稱光譜帶寬，通(tōng)常用nm或cm-1表示。分辨率越高(gāo)，分辨光譜細節的能力越強，下圖是光譜儀不同分辨率下的測試結果，

圖4 不同分辨率對于測試結果的影(yǐng)響

從圖4可(kě)以看出，分辨率提高(gāo)後原本不明(míng)顯的特征逐漸明(míng)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(yǒu)非信号光。雜散光的存在綜合影(yǐng)響CEMS系統的探測限、信噪比、濃度測量度，雜散光越小(xiǎo)系統誤差越小(xiǎo)。

圖5 雜散光對吸光度測量的影(yǐng)響

圖5是存在0.1%雜散光時(shí)，實測吸光度偏離理(lǐ)論值的情況。

1. 光路穩定性

光路穩定性主要指由于溫度、外力加速度引起的光學平台形變而導緻的波長和(hé)幅度漂移。光路穩定性對濃度測量結果産生(shēng)較大(dà)影(yǐng)響，AvaSpec-ULS系列光譜儀大(dà)大(dà)降低(dī)雜散光并提高(gāo)了機械和(hé)溫度穩定性，具有(yǒu)一個(gè)雙內(nèi)置模式消除器(qì)和(hé)多(duō)階複合抛物面鏡，機械強度提高(gāo)10倍。

1. 非線性

非線性定義為(wèi)光譜儀測量實際幅值與理(lǐ)論幅值的比值。作(zuò)為(wèi)系統誤差，非線性效應在測量吸光度時(shí)會(huì)影(yǐng)響曲線的形狀、數值以及各個(gè)區(qū)間(jiān)的比例。

四、結論

紫外差分光譜法對于濕法脫硫、脫硝工藝的煙氣連續排放系統具有(yǒu)先天的優勢，國內(nèi)基于DOAS算(suàn)法商用CEMS系統根據不同需求和(hé)應用環境正在不斷改進和(hé)升級。微型光纖光譜儀具有(yǒu)低(dī)成本、體(tǐ)積小(xiǎo)，無掃描器(qì)件，堅固穩定等優點，是CEMS系統光譜探測器(qì)的理(lǐ)想選擇。

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