利用FTIR光譜技術(shù)進(jìn)行煙氣排放中氣態(tài)污染物的在線連續(xù)

1、.：.；利用FTIR 光譜技術(shù)進(jìn)展煙氣排放中氣態(tài)污染物的在線延續(xù)監(jiān)測(cè)研討 王霞、張東勝.北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京；.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京摘要：本文對(duì)利用傅立葉變換紅外光譜技術(shù)進(jìn)展煙氣排放中氣態(tài)污染物的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)進(jìn)展了初步的研討。采用氣體池分析方法確定了常規(guī)監(jiān)測(cè)氣體的特征吸收波長(zhǎng)。由實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)估計(jì)了實(shí)踐丈量系統(tǒng)的主要分析波長(zhǎng)范圍、相應(yīng)的采用頻率、在線監(jiān)測(cè)需求的最短程長(zhǎng)。關(guān)鍵詞：FTIR，氣態(tài)污染物，CEMS，在線監(jiān)測(cè)Research on on-line monitoring of Dissolved Gas-in-Oil with FTIR spectraResearc

2、h on continuous on-line monitoring of gaseous contaminant in emission using FTIR spectraWANG Xia ZHANG Dongsheng(. School of Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing ; . Schoolof Electromechanical Engineering , Beijing University of Chemical Technology, Beijing )Abstract: Ini

3、tial researches were completed to realize on-line monitoring of gaseouscontaminant in emission using FTIR spectroscopy. Gas cell method is used todetermine the characteristic absorption peaks of each gas. From the experimentalspectra data, the range of analysis wavelength, the corresponding sampling

4、 frequencyrange and the minimum optical length of the gas cell are estimated.Keywords: FTIR, gaseous contaminant, CEMS, on-line monitoring引言CEMSContinuous Emission Monitoring System：煙氣排放延續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用于實(shí)時(shí)延續(xù)監(jiān)測(cè)固定式大氣污染源熄滅排放出廢氣中煙塵也稱顆粒物、氣態(tài)污染物包括SO、NOX、CO的濃度及其總量的儀器系統(tǒng)。CEMS是隨社會(huì)工業(yè)化程度的提高及人類環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)而提出的，它逐漸成為了環(huán)境管理的重要工具

5、和手段。當(dāng)今有各種原理的氣態(tài)污染物分析儀器用于CEMS，這些技術(shù)包括：紫外和紅外吸收法、FTIR、DOAS、化學(xué)發(fā)光和光聲光譜法PAS等。其中，F(xiàn)TIR是利用氣體的紅外特征吸收原理，經(jīng)過干涉儀加有限程長(zhǎng)的傅立葉變換的方式，經(jīng)過切趾和相位校正，借助計(jì)算機(jī)和快速算法，可在高通量下不受雜散光影響迅速獲得全頻段的高分辨率光譜，用該原理可以同時(shí)丈量多種組份，被美國(guó)EPAEnvironmental Protection Agency認(rèn)定為氣態(tài)污染物CEMS分析新方法，在國(guó)內(nèi)還尚無運(yùn)用。采用FTIR光譜儀丈量氣體吸收光譜時(shí)普通有三種取樣方法：氣體池法、太陽光源法和開放光路法。太陽光源法采用太陽作為輻射光源，

6、適用于野外現(xiàn)場(chǎng)丈量，普通用于大氣監(jiān)測(cè)。開放光路法由于難以丈量背景光譜而很少用于定量分析。氣體池法普通在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用，先在氣體池中通入不吸收紅外輻射的高純氮?dú)?，測(cè)得背景吸收，再將經(jīng)過去濕除塵等處置的樣品。氣送入氣體池，測(cè)得樣品的光譜。將樣品光譜和背景光譜經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算即得到氣體的吸收光譜。 王霞-，女，副教授，: 張東勝-，男，副教授，: zdsvip.sina本文將在氣體池分析方法的根底上，初步討論利用FTIR 光譜技術(shù)進(jìn)展煙氣排放中氣態(tài)污染物的在線延續(xù)監(jiān)測(cè)。. 氣體紅外光譜檢測(cè)原理氣體對(duì)紅外輻射的吸收遵照Lambert-Beer定律： () 式中， ( )

7、中為入射光通量；( )透射光通量；L為光程長(zhǎng)；C吸收氣體的濃度；k( )為收截面cm.g-，即每克吸收氣體的吸收系數(shù)，是波長(zhǎng)的函數(shù). 實(shí)驗(yàn)根據(jù)美國(guó)EPA規(guī)范，大氣污染源排放的煙氣中需求在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的主要?dú)鈶B(tài)污染物有：二氧化硫SO、一氧化氮CO、二氧化氮C O、一氧化碳NO、二氧化碳NO、氨氣NH、氯化氫HCl、氟化氫HF等。利用清華大學(xué)熱能工程系熄滅分析實(shí)驗(yàn)室的傅立葉紅外光譜儀Perkin Elmer SpectrumGX，美國(guó)紅外分析儀器公司制造，測(cè)試了各種不同濃度的SO、NO、NO、CO、CO的特征紅外光譜圖。實(shí)驗(yàn)儀器的主要參數(shù)為：DTGS探測(cè)器；掃描速度為.m/s，分辨率為cm-，光譜掃

8、描范圍為cm-，分析腔為.m超微型長(zhǎng)程氣體池ml體積， 次反射， 年自校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)用標(biāo)氣國(guó)家環(huán)保局制：ppmNO；pp；mNO；.%CO，混合氣體ppmSO，%CO，ppmCO，ppmNO。運(yùn)用 次掃描平均，采用高純氮?dú)猥@得背景光譜，測(cè)得光譜圖如圖 所示，各氣體的特征光譜結(jié)果如表 所示。(d) CO實(shí)測(cè)光譜曲 e混合氣體實(shí)測(cè)光譜曲線 (f) 實(shí)測(cè)空氣光譜曲線氣體濃度ppm特征吸收率峰值波長(zhǎng)cm-峰值透過率%交叉干擾氣體與規(guī)范圖吻合情況二氧化硫SO- 強(qiáng)吸收帶./(.); ./(.)水蒸氣 細(xì)微吻合- 強(qiáng)吸收帶./(.); ./(.)吻合- 強(qiáng)吸收帶./(.); ./(.)吻合一氧化氮NO-強(qiáng)吸收

9、帶./(.); ./(.)水蒸氣CO 弱吸收吻合-強(qiáng)吸收帶./(.); ./(.)水蒸氣吻合二氧化氮NO- 強(qiáng)吸收帶./(.); ./(.)水蒸氣 細(xì)微吻合- 強(qiáng)吸收帶./(.); ./(.)吻合一氧化碳CO- 強(qiáng)吸收帶./(.); ./(.)CO吻合-強(qiáng)吸收帶CO-帶重疊，測(cè)不出吸收CO弱吸收帶吻合二氧化碳CO%- 強(qiáng)吸收帶./(.); ./(.)水蒸氣吻合-強(qiáng)吸收帶./(.);./(.)吻合- 強(qiáng)吸收帶./.);./(.)水蒸氣吻合圖 實(shí)測(cè)CEMS 常規(guī)監(jiān)測(cè)氣體光譜圖. 結(jié)論由圖(a)水的特征吸收譜可見，在cm- - - cm 、cm cm 兩個(gè)區(qū)域，水的吸收非常劇烈，其譜峰主要包括明銳的

10、尖峰，峰間距約在 左右，但各明銳的尖峰之間能夠間隔較大，也能夠存在小尖峰。在實(shí)踐丈量中，由于待測(cè)分析氣體中含有空氣，輸出結(jié)果應(yīng)去除空氣中CO、CO、NO、NO、SO、HO濃度，但是空氣中CO、CO、NO、NO、SO、HO濃度是未知的，因此應(yīng)采用空氣標(biāo)定法，圖(f)為實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)背景標(biāo)定光譜。由于SO、NO 和水蒸氣之間存在交叉干擾，CO 和CO之間存在交叉干擾，為了盡量減小交叉干擾的影響，丈量中特征波長(zhǎng)應(yīng)選擇影響較小的波長(zhǎng)點(diǎn)，而不一定是峰值波長(zhǎng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)選取的各待分析氣體丈量特征波長(zhǎng)分別為：SO . m；m. m；. NO . m NO . m；. m CO . m CO . m；. m

11、 HO . m；. m；當(dāng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)Nyquist取樣實(shí)際，為了不失真地堅(jiān)持干涉圖信息，必需以兩倍于干涉圖最大頻率寬度的頻率來采樣。波數(shù)范圍為max. min的復(fù)色光，經(jīng)干涉儀后，被干涉調(diào)制的頻率寬度為，這里v為干涉儀的掃描速率，那么采樣頻率為 根據(jù)實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)，實(shí)踐系統(tǒng)中可選擇丈量波數(shù)范圍cm-cm-的光譜，可設(shè)v =/s/s時(shí)，F(xiàn) = Hz Hz。由于待分析氣體及水的特征峰的實(shí)踐寬度很窄大部分都小于cm-，所以運(yùn)用中等分辨率光譜儀器不能得到譜線的真正外形，思索到在線儀器的經(jīng)濟(jì)性原那么和可實(shí)現(xiàn)原那么，定量將在分辨率缺乏的情況下進(jìn)展。此時(shí)，譜峰高度與濃度的線性關(guān)系不再成立。為

12、了防止因分辨率缺乏導(dǎo)致的對(duì)吸光度定律的偏向以及由于壓強(qiáng)的微弱起伏所產(chǎn)生的影響，應(yīng)選取吸當(dāng)氣體濃度較小時(shí)，可以添加光程以獲得足夠的可丈量的吸光度，對(duì)于一樣的儀器，如果光程長(zhǎng)為L(zhǎng)時(shí)其最低可探測(cè)濃度程長(zhǎng)為：光度譜峰下的面積作為定量特征。最短光程長(zhǎng)確實(shí)定為C，那么丈量濃度為C的氣體需求的最短光程長(zhǎng)為：普通來講，要直接丈量一臺(tái)光譜儀器的最低可探測(cè)濃度非常困難?，F(xiàn)嘗試經(jīng)過所測(cè)得的知濃度為C 的氣體光譜來推算它。假定在譜儀參數(shù)一樣的情況下，在最低探測(cè)限Cml附近的信噪比S/N不變，有()假設(shè)光程長(zhǎng)為L(zhǎng)時(shí)測(cè)得了知濃度為C的光譜，其特征吸收峰高為HS，而其附近的平均噪聲為HN，那么要探測(cè)低最低可探測(cè)濃度C所需求

13、的最短光程LS為： 其中，準(zhǔn)確的平均噪聲幅度HN可由光譜軟件在選定區(qū)域內(nèi)求取噪聲的均方根得到。由混合氣體實(shí)驗(yàn)可以看出，CO 和NO 在其強(qiáng)吸收帶內(nèi)的吸收較弱，所以氣室長(zhǎng)度的選擇應(yīng)根據(jù)這兩種氣體的最低探測(cè)限來確定。對(duì)于NO，公式 中各參量分別為：C=ppm，C=ppm，HN=.，HS=.，L=mm。代入公式可得：LS=mm。對(duì)于CO，公式 中各參量分別為：C=ppm，C=ppm，HN=.，HS=.，L=mm。代入公式可得：LS=mm。所以，由探測(cè)限確定的最短光程長(zhǎng)為mm。參考文獻(xiàn) 韓宏峰等. 煙氣排放延續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS的技術(shù)現(xiàn)狀及開展分析. 全國(guó)第六屆環(huán)境監(jiān)測(cè)年 會(huì)，. Nina B.F., John V., et cl. CEM Technology