微流紅外氣體傳感器

1、微流紅外氣體分析儀器在CEMS應(yīng)用中的關(guān)鍵難點及檢定方法探討前言：節(jié)能減排是世界范 圍內(nèi)的主旋律，更是我國的基本國策。近三十年來經(jīng)濟得到快速發(fā)展，而由此帶來的空氣污 染問題也是非常嚴(yán)重，為防止空氣質(zhì)量惡化、維護國民的身體健康、改善生活環(huán)境及提高生 活質(zhì)量，國家頒布了中華人民共和國大氣污染防治法，國家、地方也制定了相應(yīng)的大氣 污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，并要求固定污染源必須安裝CEMS，實施大氣污染源排放污染物總量監(jiān)測 與控制。因此，安裝穩(wěn)定、可靠的CEMS至關(guān)重要。根據(jù)固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技 術(shù)規(guī)范HJ75-2007和固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及監(jiān)測方法HJ76-2007 的要求，氣態(tài)污

2、染物CEMS主要有完全抽取法、稀釋抽取法、直接測量法，從準(zhǔn)確性、經(jīng)濟 性、運行穩(wěn)定性、維護便捷性等方面考慮，目前國內(nèi)絕大部分CEMS采用完全抽取法，分析 主機采用微流方法的紅外氣體分析儀器。目前對于CEMS配套的儀器主要來自于 ABBSIMENSEFUJIHORIBA等企業(yè)，國內(nèi)的主要分析儀器廠家依然使用80年代的微音器技 術(shù)。對于不同的紅外氣體監(jiān)測方法和儀器，怎樣在原理上確保儀器的精度和穩(wěn)定性，以及現(xiàn) 場的適應(yīng)性，我國沒有系統(tǒng)的研究。本文試圖對紅外氣體分析儀器的技術(shù)關(guān)鍵以及檢定方法 做一探討。1.概述目前國際上氣態(tài)污染物成分測量方法主要有非分光紅外（NDIR）、紫 外（UV）、化學(xué)發(fā)光（CL

3、D）等，國內(nèi)外CEMS運行情況表明，非分光紅外方法是CEMS應(yīng)用 的主流。下圖是日本1997年CEMS所用儀器測量方法的分配比例圖。圖1日本1997年統(tǒng)計的CEMS所用儀器測量方法比例圖1.1分析方法比較表1不同氣態(tài)污染物分析方法比較一覽表比較項目NDIRCLDUV工作原理根據(jù)不同氣體成分對于特定波長的紅外線有吸收特性，來確定相應(yīng)組分的濃度，滿足朗伯-比爾定律。根據(jù)化 學(xué)發(fā)光反應(yīng)在某一時刻的發(fā)光強度或反應(yīng)的發(fā)光總量來確定反應(yīng)中相應(yīng)組分含量的分析方 法。根據(jù)不同氣體成分對于特定波長的紫外線有吸收特性，來確定相應(yīng)組分的濃度，滿足朗 伯-比爾定律。測量成分SO2/NOxNOxSO2/NOx價格水平適

4、中昂貴適中使用壽命長中短維修難易程度容易復(fù)雜復(fù)雜由上表所示，CLD測試方法只能測試NOx，若需要 測試SO2還需配備其他儀表，而且價格水平較高；UV紫外吸收方法能夠滿足低濃度SO2測 試的需要，但是用于測試NOx等氣體效果不是很好，另外由于紫外光源壽命一般不高于6 個月，存在壽命短的問題。NDIR非分光紅外在國際上仍然是SO2、NOx的首選測試方法， 如西門子的 Ultramat 23、Ultramat 6 系列，ABB 的 AO2000、AO3000 系列，以及富士的 ZRE、 ZRJ系列等。1.2 NDIR非分光紅外分類比較NDIR非分光紅外方法一般分為單光源雙光束（Single sour

5、ce Dual beam）、單光源單光束（Single source Single beam）；按照檢測傳感 器分類，可以分為熱電堆、微音電容（Condenser Micro-Phone）、微流傳感器（Mass Flow）三種， 其性能特點如表2所示：表2 NDIR非分光紅外方法分類比較比較項目半導(dǎo)體傳感器類微音電容微流傳感器（傳統(tǒng)）微流傳感器（改進）測量精度一般高 高高分辨率 低中高高 測量成分SO2/NOx SO2/NOxSO2/NOxSO2/NOx受水分影響有有有無HC化合物影響有有有無抗振性能好差好好半導(dǎo)體類紅外氣體傳感器（水泥生產(chǎn)過程的CO監(jiān)測、TOC分析）微音器類紅外氣體傳感器（深

6、圳某公司使用，國內(nèi)北分、川儀等）微流紅外氣體傳感器（某公司基于SIMENSE平臺改裝煙氣分析儀）具備調(diào)水功能的微流紅外氣體傳感器（FUJI ZRJSIMENSE U23）1.3 NDIR非分光微流紅外煙氣分析儀存在的問題綜合國內(nèi)外多年的CEMS運行經(jīng)驗來看，CEMS配套的NDIR紅外氣體分 析儀仍然存在諸多問題，有些問題已經(jīng)很明顯，有些問題可能還比較隱性，本文將根據(jù)筆者 多年現(xiàn)場工作中所遇到的關(guān)鍵、核心問題逐一列寫，與大家共同分享和探討。1）溫度對 傳感器信號的影響； 環(huán)境溫度的變化對于紅外測量結(jié)果存在較大的影響，尤其是對于北方晝夜溫差較大的區(qū)域， 環(huán)境溫度的變化直接影響SO2、NOx的測量結(jié)

7、果，即使設(shè)備房安裝了空調(diào)，也會存在一定的 溫差。圖2表明：30度的溫差將造成儀器原始信號80%的漂移。已往的污染物紅外氣體分 析儀大多數(shù)采用溫度修正的方法來解決因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致測量結(jié)果變化的問題;但是，這 種方法只能解決部分問題，由溫度所帶來的誤差不能完全消除。主要原因是，溫度修正曲線 只能針對使用N2或者空氣條件下（零氣）的溫度變化信號，對于其他氣體濃度（如20%， 50%，100%FS）的氣體修正公式不可能做全面的試驗。因此即使零點溫度修正效果很好，在 不同濃度下的計算也會帶來很大的誤差。圖2：不同溫度以及濃度下微流傳感器的響應(yīng)（四個點對應(yīng)的溫度分別為10，25, 30，40 度）2）H

8、2O （氣）對SO2、NO測量結(jié)果的干擾影響如圖3：氣態(tài)水與排放污染物氣體成 分中的SO2、NO對于紅外線的吸收峰存在交叉重疊，黃色曲線為SO2紅外吸收光譜、紅色 曲線代表H2O （氣）的紅外吸收光譜、藍色曲線代表NO的紅外吸收光譜。從圖上可以看出， SO2選擇的吸收峰波段為7.287.62p m，NO選擇的吸收峰波段為5.15.3p m。在這兩個 波段都存在H2O （氣）的吸收峰，如果不作任何處理，H2O （氣）對于煙氣成分中SO2、NOx 的測量結(jié)果會帶來很大影響。微流紅外氣體傳感器（某公司基于SIMENSE平臺改裝煙氣分析儀）具備調(diào)水功能的微流紅外氣體傳感器（FUJI ZRJSIMENS

9、E U23）1.3 NDIR非分光微流紅外煙氣分析儀存在的問題綜合國內(nèi)外多年的CEMS運行經(jīng)驗來看，CEMS配套的NDIR紅外氣體分 析儀仍然存在諸多問題，有些問題已經(jīng)很明顯，有些問題可能還比較隱性，本文將根據(jù)筆者 多年現(xiàn)場工作中所遇到的關(guān)鍵、核心問題逐一列寫，與大家共同分享和探討。 1）溫度對 傳感器信號的影響； 環(huán)境溫度的變化對于紅外測量結(jié)果存在較大的影響，尤其是對于北方晝夜溫差較大的區(qū)域， 環(huán)境溫度的變化直接影響SO2、NOx的測量結(jié)果，即使設(shè)備房安裝了空調(diào)，也會存在一定的 溫差。圖2表明：30度的溫差將造成儀器原始信號80%的漂移。已往的污染物紅外氣體分 析儀大多數(shù)采用溫度修正的方法來

10、解決因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致測量結(jié)果變化的問題；但是，這 種方法只能解決部分問題，由溫度所帶來的誤差不能完全消除。主要原因是，溫度修正曲線 只能針對使用N2或者空氣條件下（零氣）的溫度變化信號，對于其他氣體濃度（如20%， 50%，100%FS ）的氣體修正公式不可能做全面的試驗。因此即使零點溫度修正效果很好，在 不同濃度下的計算也會帶來很大的誤差。圖2：不同溫度以及濃度下微流傳感器的響應(yīng)（四個點對應(yīng)的溫度分別為10，25, 30，40 度）2） H2O （氣）對SO2、NO測量結(jié)果的干擾影響如圖3：氣態(tài)水與排放污染物氣體成 分中的SO2、NO對于紅外線的吸收峰存在交叉重疊，黃色曲線為SO2紅外吸收

11、光譜、紅色 曲線代表H2O （氣）的紅外吸收光譜、藍色曲線代表NO的紅外吸收光譜。從圖上可以看出， SO2選擇的吸收峰波段為7.287.62p m，NO選擇的吸收峰波段為5.15.3p m。在這兩個 波段都存在H2O （氣）的吸收峰，如果不作任何處理，H2O （氣）對于煙氣成分中SO2、NOx 的測量結(jié)果會帶來很大影響。圖3 H2O （氣）、SO2、NOx的吸收光譜對照圖通常國內(nèi)外CEMS普遍采用降低煙氣露點溫 度的方法，因此降低煙氣成分中的含濕量（即氣態(tài)水的濃度）。而事實上煙氣中的水分不可 能完全除盡，如附件所示，即使露點溫度達到4攝氏度，此時煙氣中的絕對含適量仍然在 0.33%左右，通過試驗表明該濃度的氣態(tài)水將對傳統(tǒng)的紅外氣體分析儀器造成50-100ppm的干擾。為了減少H2O對紅外測量影響，有些廠家將4度的冷卻空氣作為儀器的零點測量， 這又帶來了兩方面的問題：其一、如果煙氣的溫度變化，即使制冷器溫度穩(wěn)定，也很難保證 制冷器出口煙氣的溫度一致，相差一度將造成0.1%的水分，增加對SO2,NO的影響在10-20ppm；其二，低濃度（如0-50ppm）無法測量準(zhǔn)確