陳巧娟

福建龍凈環(huán)保股份有限公司

1 引言

受工業(yè)革命的影響，煤炭廠、火電廠等煙氣排放量較大的產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，廢氣和煙塵排放污染問題也越來越嚴(yán)重，對(duì)人們的身體健康和地球生態(tài)環(huán)境都會(huì)造成極大地危害，為了更好地控制煙氣污染就需要更好地了解其特點(diǎn)，不僅僅是做到污染后治理，更重要的是防控污染，減少污染，由末端治理向全過程控制的清潔生產(chǎn)，而當(dāng)前比較盛行的差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)自德國興起后就得到了眾多關(guān)注，并逐漸成為一種主流大氣檢測方法，在我國發(fā)展至今也取得了一定的成就，目前可以應(yīng)用在煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)中，通過非接觸測量的方式可以監(jiān)測出煙氣中SO2與CO2等氣體的濃度，這是因?yàn)闅怏w一般以分子形式存在，受到水汽、顆粒物等影響，在紫外或可見光波段產(chǎn)生差分吸收光譜，據(jù)此進(jìn)行分析計(jì)算便可得到具體的煙氣成分和含量，從而使環(huán)保工作者和各工廠能更好地執(zhí)行國家有關(guān)煙氣排放方面的規(guī)范，還能作為審核評(píng)價(jià)依據(jù)落實(shí)環(huán)境保護(hù)責(zé)任。

2 傳統(tǒng)煙氣監(jiān)測技術(shù)的介紹

2.1 化學(xué)分析法

該監(jiān)測方法分為兩類，主要原理是收集煙氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而可以鑒別煙氣中含有那些污染物，一種為重量分析法，主要是針對(duì)煙氣中的煙塵等顆粒性物質(zhì)進(jìn)行測定，監(jiān)測不夠全面，誤差率較大，另一種是容量法，操作方便、快速，煙氣中污染物含量較高時(shí)測量會(huì)更準(zhǔn)確。

2.2 電化學(xué)分析法

該法是上一種技術(shù)手段的進(jìn)化，監(jiān)測原理為電解反應(yīng)，最初是通過測定溶液導(dǎo)電能力來測定具有此電化學(xué)性質(zhì)的污染物含量，隨著科技的發(fā)展，后續(xù)又研發(fā)了伏安法和陽極溶出法用于測定煙氣。

2.3 色譜分析法

該法最早由俄國提出，由于混合物各組分在互不相溶的兩相固定相和流動(dòng)相間具有不同的分配系數(shù),煙氣中的各種污染物在流動(dòng)相和固定相之間進(jìn)行反復(fù)多次的分配,最后會(huì)在不定的時(shí)間有序流出固定相，從而可以有效分離、分析多組分混合物質(zhì)。

2.4 紅外光譜分析法

傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，科學(xué)家們在對(duì)傳統(tǒng)的僅光柵色散光譜儀進(jìn)行完善后發(fā)展起來這一靈敏度、速度和數(shù)據(jù)處理效果更好地監(jiān)測技術(shù)，由于樣品煙氣中不同成分對(duì)于特定波長的光吸收特性不同，進(jìn)而可以得到氣體成分的紅外光譜信息，分析污染物的濃度信息，但該法成本較高，適用條件有限，主要是對(duì)一些化合物進(jìn)行定性分析和結(jié)構(gòu)分析。同樣基于紅外光譜分析原理的還有FITR 技術(shù)，相對(duì)而言具有更明顯地優(yōu)勢,可以對(duì)多種成分同時(shí)進(jìn)行測量，利用效率高。

3 DOAS煙氣在線監(jiān)測發(fā)展歷程

國家在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，煙氣監(jiān)測工作卻一直面臨著設(shè)備品種、數(shù)量、性能、質(zhì)量不足的問題，以往由于很多煙氣監(jiān)測儀器設(shè)備技術(shù)含量低,功能單一,煙氣監(jiān)測結(jié)果不夠準(zhǔn)確可靠，為了改善我國煙氣監(jiān)測工作的窘迫局面，在煙氣監(jiān)測裝置和系統(tǒng)的發(fā)展過程中綜合利用了多學(xué)科知識(shí)，逐漸實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化、技術(shù)化改進(jìn)，從人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析轉(zhuǎn)向遙感結(jié)合，從單一層面向全方位領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，監(jiān)測質(zhì)量更高，雖然很多傳統(tǒng)的煙氣監(jiān)測方法應(yīng)用也較為普遍，但隨著國家技術(shù)水平的發(fā)展，加之堅(jiān)持走可持續(xù)化發(fā)展道路的需要，為了滿足我國對(duì)于煙氣監(jiān)測的更高要求，該行業(yè)從業(yè)人員和學(xué)者從監(jiān)測范圍、靈敏度、操作方式、適用條件等方面對(duì)煙氣監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，例如現(xiàn)今的DOAS煙氣監(jiān)測系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測,采樣、預(yù)處理過程簡單,對(duì)于不同濃度的煙氣也能實(shí)現(xiàn)高靈敏度監(jiān)測，用一個(gè)儀器也可區(qū)別多成分混合物中的不同物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)定量監(jiān)測分析,也可對(duì)混合物中指定化合物進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測。

4 DOAS煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用介紹

4.1 應(yīng)用原理

該系統(tǒng)主要由光源發(fā)射器、光譜儀、探測系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成，每種物質(zhì)對(duì)于光都具有獨(dú)特吸收特性,因此可利用高壓氙燈提供一個(gè)光源,從光源發(fā)出的光經(jīng)過煙氣時(shí),光線會(huì)被選擇性吸收后再被接收，通過光譜儀利用光柵將接收到的光分成窄帶光譜,經(jīng)掃描后以轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)入分析儀器,通過計(jì)算機(jī)等控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算。由于分子吸收引起的光譜變化被分離出來后可以測量被吸收的電磁波的頻率或波長和強(qiáng)度，進(jìn)而得到被測物質(zhì)的特征波譜,也叫作光譜指紋，雖然煙氣中的污染物分子結(jié)構(gòu)可能會(huì)相似，但這個(gè)光譜指紋卻獨(dú)一無二，而利用DOAS不僅可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征的定性分析，還能同時(shí)得到煙氣中多種有害氣體的顆粒粒度和濃度，正是這種有別于傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)手段的優(yōu)勢使其在煙氣排放監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。

4.2 應(yīng)用優(yōu)勢

該技術(shù)最早是用來監(jiān)測大氣質(zhì)量的,由于光程較長可以很好地監(jiān)測痕量氣體,而很多工廠通過煙道排放出來的煙氣濃度較高，煙氣中顆粒的消光、紊亂性等都很強(qiáng)，正好適用于差分吸收光譜技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測分析，在實(shí)際應(yīng)用該監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)主要有以下幾大優(yōu)勢：實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用一臺(tái)儀器便可對(duì)監(jiān)測對(duì)象進(jìn)行連續(xù)性、快速性的在線監(jiān)測，雖然從紫外到近紅外波長區(qū)間內(nèi)所有煙氣含物都可以被DOAS 探測到，但一般實(shí)際應(yīng)用是會(huì)針對(duì)SO2、NO等特殊化合物進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測，因此可以根據(jù)待測氣體控制測量時(shí)的波長范圍，這樣可以確定被監(jiān)測物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng),保證測量的精度；無采樣測量，由于不需要采樣操作，煙氣直接被測量、分析,不會(huì)因?yàn)椴杉b置出現(xiàn)吸收損失、化學(xué)反應(yīng)誤差，抗干擾性較強(qiáng)，可以很好地避免一些誤差源的影響，測量系統(tǒng)可以直接測量從光源到接收器之間光程上的污染氣體的總吸收量，得到的光程上污染物的平均濃度相比傳統(tǒng)方式更具說服力和參考性；監(jiān)測全面，能夠揭示某些未知污染物的存在,鑒于每種氣體物質(zhì)的獨(dú)特光譜特征，通過對(duì)殘留光譜進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)未知的被吸收氣體；應(yīng)用投入較低，這種測量技術(shù)參考光譜標(biāo)準(zhǔn)，不需額外校準(zhǔn)，運(yùn)轉(zhuǎn)成本較低，此外日常維修較為方便，最大的消耗品為燈源，維護(hù)成本也較低。

5 基于DOAS煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用方案

5.1 構(gòu)建系統(tǒng)整體

長光程測量系統(tǒng)、監(jiān)測儀、硬件控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，測量部分可以監(jiān)測五項(xiàng)大氣基本氣象條件，煙氣中危害氣體的濃度，顆粒物濃度，各種數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過一定的通訊方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理、分析。

5.2 測量氣體

氣體的吸收強(qiáng)度隨波長變化，只有吸收強(qiáng)度大于DOAS系統(tǒng)探測極限的氣體才能被探測儀器接收到，一般可以探測到2～10種痕量氣體的吸收，種類取決于被觀測的波長區(qū)間以及被探測大氣中痕量氣體成分。

5.3 數(shù)據(jù)處理過程

需要進(jìn)行分離處理得到存在于發(fā)射器和接收器之間的所有氣體的差分吸收光譜，這需要根據(jù)算式求解，將它們相互重疊的吸收結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化的分離，一般采用線性最小二乘法擬合，分成實(shí)際測量光譜和參考光譜兩步進(jìn)行，參考光譜的線性組合建立大氣光譜模型，結(jié)合大氣采樣光譜進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)越多種氣體的參考光譜，求解的氣體濃度越準(zhǔn)確。

波長定標(biāo)和吸收截面的處理：定標(biāo)的過程是將波長準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的像素點(diǎn)上，由于汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線是原子光譜，吸收峰位置明確，利用定標(biāo)儀器和汞燈可得到相應(yīng)的整條光譜，最大值的吸收峰位置與右側(cè)第一個(gè)小峰處位置可確定出像素一波長的對(duì)應(yīng)校正線，從而可以推斷其他像素點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的波長值。

氣體吸收截面的處理:實(shí)驗(yàn)室測得的吸收截面的分辨率一般會(huì)高于實(shí)際測量的DOAS儀器分辨率，為了在不改變面積的情況下獲得DOAS儀器測得的實(shí)際的吸收面，須將其與儀器函數(shù)進(jìn)行卷積，采取面積歸一的方法，降低吸收截面分辨率，獲得寬帶和窄帶兩部分分解截面。

光譜處理：分為氨燈背景光譜和含有痕量氣體的吸收信息的采樣光譜，二者分別取對(duì)數(shù)的差值可得到信號(hào)光譜即光學(xué)厚度，據(jù)此可推出慢變化曲線、慢變化后的比值光譜，然后進(jìn)行反演計(jì)算，處理因光譜的漂移、拉伸或壓縮導(dǎo)致的測量光譜與參考光譜波長不匹配問題。

最小乘擬合方法：與最初DOAS 技術(shù)的兩點(diǎn)和四點(diǎn)差分相比，該法最適用于尋找測量波段內(nèi)氣體的差分吸收截面，可以將需監(jiān)測的氣體截面放大得到更清楚的測量差分信號(hào)，了解清楚這種組合關(guān)系，減小測量誤差，還可以同時(shí)反演多種被測氣體的濃度，提高了儀器的效率。

5.4 實(shí)際應(yīng)用舉例

以當(dāng)前能耗較高的鋼鐵行業(yè)為例，在其生產(chǎn)的各個(gè)流程和環(huán)節(jié)由于燃料燃燒產(chǎn)生的大氣污染十分嚴(yán)重，需要對(duì)大量直接或間接地?zé)煔馀欧胚M(jìn)行監(jiān)測，以便進(jìn)行環(huán)保處理，因此很多工廠都逐步將DOAS 技術(shù)與CEM S 結(jié)合，將煙道作為一個(gè)開放的吸收池,對(duì)氣流進(jìn)行實(shí)時(shí)的直接測量,正常工作狀態(tài)下，煙氣通過穿管在管內(nèi)形成測量區(qū),入射光經(jīng)測量區(qū)、樣品池得到透射光后會(huì)聚成點(diǎn)耦合到光纖光譜儀入口狹縫端,光譜儀對(duì)透射光分光后成為光譜強(qiáng)度信號(hào),然后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行煙氣成分分析和濃度計(jì)算，而校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，測量區(qū)內(nèi)煙氣被吹散，樣品池內(nèi)為已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，據(jù)此可以對(duì)比正常狀態(tài)下的系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確度，從而實(shí)現(xiàn)工廠自身和環(huán)境檢測機(jī)構(gòu)對(duì)煙氣污染成分、濃度、流速等內(nèi)容的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。

6 結(jié)語

綜上所述，煙氣成分復(fù)雜，各種污染成分對(duì)人類和社會(huì)危害極大，其中的SO2可誘發(fā)呼吸系統(tǒng)和皮膚類疾病，還會(huì)引起多種慢性疾病，硫酸雨會(huì)破壞土壤性能，影響綠植和農(nóng)作物生長，NO2會(huì)使水體富營養(yǎng)化，煙氣中的顆粒物質(zhì)會(huì)使得霧霾問題愈發(fā)嚴(yán)重，為了有效解決和避免情況惡化，還人們一個(gè)美麗家園，建設(shè)新型綠色環(huán)保社會(huì)，需要大力平衡工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，為此在傳統(tǒng)的煙氣監(jiān)測技術(shù)無法滿足現(xiàn)今社會(huì)發(fā)展水平的基礎(chǔ)上，經(jīng)過很多學(xué)者和科研人員的不斷努力，各種先進(jìn)的監(jiān)測系統(tǒng)在不斷興起并逐漸完善，功能上的進(jìn)步使得監(jiān)測結(jié)果也更為穩(wěn)定可靠，更有利于推動(dòng)我國的可持續(xù)化發(fā)展。