王強

(南京國電環(huán)保設備有限公司,江蘇南京 210061)

差分吸收光譜法多組分濃度反演試驗研究

王強

(南京國電環(huán)保設備有限公司,江蘇南京 210061)

應用新的差分吸收光譜煙氣濃度反演算法對 SO2、NO、NO2混合氣體濃度反演進行了試驗研究。與常規(guī)反演算法相比,該算法充分考慮了被測對象在不同波段上的差分吸收結構差異,避免了多組分同時反演時使用同一頻率進行數字濾波引入的誤差。結果表明,該算法能對多組分氣體濃度進行快速、準確的反演,誤差小于 5%。

差分吸收光譜法;多組分;反演算法;差分吸收結構;試驗研究

當前,我國社會經濟發(fā)展與資源環(huán)境約束的矛盾日益突出,環(huán)境保護面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。為了保護環(huán)境,實現(xiàn)經濟的可持續(xù)發(fā)展,國家“十二五”規(guī)劃對燃煤電站等固定污染源的 SO2、NOx等煙氣排放濃度提出了更為嚴格的排放要求。20世紀 70年代末出現(xiàn)的差分吸收光譜技術[1-2](Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS),其特點是可以消除水分和粉塵的干擾,在進行溫度和線性補償的前提下[3-6],能對煙氣中的 SO2、NOx濃度實現(xiàn)快速、無侵入式的在線精確測量。為了消除被測組分之間以及其他煙氣成分的干擾,提高系統(tǒng)的測量精度,進行煙氣濃度反演算法研究至關重要。常規(guī)多組分煙氣濃度反演算法[7]采用相同的截止頻率對光譜信號進行數字濾波,這個過程會丟失一些有用信號或引入一些干擾信號,從而降低了系統(tǒng)測量精度。本文應用新開發(fā)的算法對 SO2、NO、NO2混合氣體濃度反演進行了研究,通過試驗的方式來證明基于改進算法的測試系統(tǒng)具有較好的測量精度。

1 DOAS方法的基本原理

DOAS技術的基本原理是基于 Lambert-Beer定律,數學模型可以表示為:

圖1 Lambert-Beer定律示意

DOAS技術的特點在于將方程 (1)中的氣體分子吸收截面σi分成了兩部分[8-11]:僅僅由被測組分引起的隨波長快速變化的窄帶吸收截面(高頻分量)和由被測組分、干擾氣體和粉塵顆粒等共同作用下的隨波長緩慢變化的寬帶吸收截面σib(低頻分量),其表達式為:

經過上述處理以后,其差分吸光度與差分吸收截面關于被測組分濃度Ci是成線性關系的,選取一些離散波長點λi聯(lián)立關于濃度Ci的方程組,通過最小二乘法、遺傳算法、卡爾曼濾波等方法可以對被測組分進行求解。

2 試驗裝置介紹

DOAS法煙氣濃度測量試驗裝置如圖 2所示,系統(tǒng)主要由流量控制器、配氣柜、光源模塊、伴熱管、壓差計、測量池、溫度控制儀、光譜儀、廢氣回收池等構成。整個試驗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組成。采用毛細管傳熱溫差量熱法質量流量控制器,流量規(guī)格 (0～5,0～15)L/min,準確度 ±1%F.S.,線性 ±(0.5～1)%F.S.,重復精度 ±0.2%F.S.。由鋼瓶出來的高純氮和 SO2、NO、NO2標準氣體經各自單獨的管路通過質量流量控制器后進入混合管進行混合,流量可通過流量顯示儀上的調節(jié)旋鈕進行控制并顯示?；旌虾蟮臍怏w經 12m長伴熱管后進入測量池。在經過拌熱管的過程中一方面可以進一步增加混合氣體的均勻性;另一方面可以有足夠的時間將被測氣體加熱至所需要的溫度。測量池的內徑為 28mm,外徑為 46mm,有效長度為 0.5m,測量池的兩端用石英透鏡進行密封。

在DOAS法煙氣濃度測量試驗裝置中,為了盡量減少管子內壁對氣體的吸附,混合管和測量池的內壁均進行了鏡面拋光處理,材料使用 316L不銹鋼。在測量池的出口設有 Pt 100熱電阻可測量流過測量池的氣體溫度,同時在測量池的中部裝有差壓計測量氣體壓力。高溫箱內部另外有 3個 Pt 100熱電阻對內部溫度同時進行測量。測量池出來的氣體最后進入廢氣回收池進行吸收。

圖2 DOAS法煙氣濃度測量試驗裝置示意

光路部分由光源模塊、光纖、準直聚焦系統(tǒng)、CCD陣列背照式光譜儀和電腦組成。光譜儀型號為AvaSpec-2048×14-USB2,光柵線數 1200mm/線,波段范圍 200～460 nm,狹縫寬度 50μm,分辨率0.6 nm。光源模塊是由氘燈和透鏡組組成,其作用是將氘燈發(fā)射出來的光耦合進入光纖,氘燈的輻射光譜范圍為 185～400 nm。光纖的出射光經雙凸透鏡準直后變成平行光,穿過被測氣體后經聚焦透鏡聚焦進入光纖再進入到 CCD陣列背照式光譜儀,光譜儀將光信號變成電信號數字化以后通過 USB通訊送入電腦進行光譜信號的采集和處理。背照式光譜儀的特點在于紫外光的量子效率比一般前照式光譜儀高出好幾倍,因此用同一個探測器可以對 SO2、NO、NO2、NH3等多組分同時進行測量。

3 結果與分析

本文擬通過試驗對新開發(fā)的算法進行多組分氣體濃度反演效果驗證,試驗分別在常溫和高溫下進行,試驗工況見表 1。被測對象為 SO2、NO和 NO2的混合氣體,且所用氣體均為 8L鋼瓶標準氣。從表 1可知,4種工況下 3種氣體流量比均為 4∶4∶4。為了測試算法在不同溫度下的反演精度,本文分別選取了 23、70、94℃三個溫度下的混合氣體濃度進行了測量。基于改進算法的DOAS法煙氣濃度測量結果見表 2。從表 2中可以看出,表中所列 4種工況下的混合氣體濃度反演誤差均小于 5%。由于新開發(fā)的多組分煙氣濃度反演算法考慮了混合氣體中各組分在不同反演波段上的差分吸收結構差異,從而避免了用同一截止頻率對光譜信號進行濾波造成信號丟失或引入干擾信號。

表1 4種試驗工況混合氣體參數

表 2 基于改進算法的 SO2、NO、NO2混合氣體濃度反演結果

4 結語

由于充分考慮了不同被測對象在不同反演波段上的差分吸收結構,基于改進算法的DOAS技術實現(xiàn)了對混合氣體濃度的準確測量,無論是在常溫還是在高溫條件下,其濃度反演誤差小于 5%。

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Experimental research ofmulti-component gas concentration with DOASmethod

The SO2,NO,NO2gas m ixture concentrat ion were inversion calculated w ith the new ly developed D ifferentialOpticalAbsorp tion Spectroscopy(DOAS)method.Compared w ith the conventional inversion calculation method,the new flue gas concentrat ion inversion calculation m ethod fully takes into account the measured object in a different band on the differentialabso rpt ion of structuraldifferences,while avo iding the m ulti-component inversion errorof digitalfilters using the same frequency.The results showed that the new m ethod is able to calculate the m ulti-component gas concentrat ion quickly and accurately,the concentration error of new flue gas concentration invers ion calculation m ethod is less than 5%.

D ifferentialOpticalAbsorpt ion Spectroscopy(DOAS);m ulti-component;invers ion calculation;differential absorpt ion structure;exper imental research

X85

B

1674-8069(2011)05-060-03

2011-08-05;

2011-09-10

王強(1965-),男,江蘇南京人,碩士,高級工程師,主要從事火電廠煙氣治理與環(huán)保儀器方面的設計、研制工作。E-mail:gdhb-wq@sina.com