SO2紅外線氣體分析儀的抗干擾措施

(重慶川儀分析儀器有限公司，重慶 400060)

1 前言

SO2紅外線氣體分析儀廣泛應用于工業流程氣體分析和環境監測中。隨著近年來國家對污染物排放控制的加強，以及新型脫硫技術的廣泛應用，固定污染源排放煙氣中SO2濃度進一步降低，因此對CEMS系統中氣體分析儀的低濃度測量提出了更高的要求。目前，國際上對SO2的通用測量方法主要是紅外線吸收法。

在CEMS系統實際使用中，由于煙氣成分復雜，除SO2和NOx外還含有其它雜質氣體如COx、CxHx和水蒸氣等。雜質氣體中有些會對SO2的測量結果產生嚴重的干擾。例如水蒸氣：采用完全抽取法從采樣探頭經伴熱帶進入CEMS系統的高溫煙氣中含有接近該溫度下的飽和水蒸氣，即使通過CEMS預處理系統后，待測氣體中也含有較高濃度的水蒸氣。如冷凝器的出口溫度為5℃，則煙氣中氣態H2O的絕對濕度為0.88%左右，如果不采用任何抗干擾的措施，則氣態H2O會對SO2紅外線氣體分析儀的測量結果產生嚴重影響，降低分析儀器的測量精度。本文將對分析儀器產生干擾的原因及其相應的解決方法進行闡述。

2 工作原理介紹

2.1 測量原理

SO2紅外線氣體分析儀的測量效應基于在一定紅外光譜范圍內雜原子氣體的共振吸收。每種氣體都有由數量不同的吸收譜帶組成的吸收光譜。氣體對紅外線的吸收一般遵循朗伯特-比爾定律。

紅外分析技術可分為不分光紅外(NDIR)和分光紅外技術。其傳感器基本組成為：能發出特定紅外波長的輻射源、測量池、檢測紅外輻射并將其能量變化轉化為電量變化的接收器等三大部件。由于不分光紅外與分光紅外相比具有結構簡單、成本較低、可靠性好等優點獲得了快速的發展。

2.2 PA200-GXH(II)+O2型氣體分析器工作原理

圖1 SO2紅外線氣體分析儀原理圖

3 干擾原理分析

3.1 原理干擾誤差

SO2紅外線氣體分析儀的干擾誤差是由于SO2的某一特征吸收波長與干擾組分的某一特征吸收波長差別很小而產生的。氣體分子特征吸收波長兩端實際上存在吸收帶，有一定的寬度，在特征波長處吸收最強，形成吸收峰。當SO2的某一吸收峰與干擾組分的某一吸收峰有重疊時，由于接收器中前后室都對該吸收峰的吸收有差異，干擾就產生了。例如SO2有3個吸收峰，峰值波長依次為8.7μm、7.35μm和4.0μm。CO2最大吸收峰值波長是4．36μm，與SO2的4.0μm吸收峰有部分重疊，因而會產生干擾。圖2是干擾誤差示意圖。

圖2 干擾誤差示意圖

圖2中重疊部分的面積就是干擾的大小，當兩個特征波長越接近、干擾組分峰高越高時，干擾組分對SO2的影響越大。由這種原因造成的干擾氣體主要是CH4、CO2和氣態H2O等。圖3～圖5是4種氣體的紅外吸收光譜對照圖。

圖3 氣態H2O、SO2吸收光譜圖

圖4 CH4吸收光譜圖

圖5 CO2吸收光譜圖

由圖3至圖5可知，氣態H2O在SO2的3個吸收峰上都有吸收；CH4在7.6μm附近有較多的吸收峰，且峰寬較寬，峰高較高；CO2在4.36μm附近有最大的吸收峰，與SO2的4.0μm吸收峰有一定的重合度。因此，在實際的測量中，上述3種氣體對SO2有較大的影響。其中，CO2的干擾最小，氣態H2O次之，CH4最大。

3.2 工藝干擾誤差

在實際的大批量生產過程中，對接收器進行抽真空和充氣后，接收器中必定含有一定含量的水，一般在10-6級。盡管在接收器中填充有一定量的干燥劑，但是由于干燥劑對痕量水的吸收效果并不好，因此，實際使用的SO2接收器中含有少量的水，這會帶來較大的干擾誤差。

4 抗干擾措施

在分析了PA200-GXH(II)+O2所面對的環境及測量對象之后，主要針對儀器對氣態H2O、CH4和CO2等的抗干擾等方面進行了改進，取得了較好的實際效果，提高了儀器實際的測量精度。

4.1 采用濾光片

由SO2的紅外線吸收曲線可知，SO2的最大吸收峰在7.35μm附近，除此之外，在4.0μm和8.6μm附近都有吸收峰，在上述波長范圍內許多氣體如氣態H2O、NO及CH4等都有吸收峰，也就是說這些氣體都會對SO2的測量值產生影響。為減少干擾，在接收器和氣室之間增加濾光片阻止帶來干擾的紅外光進入接收器。

濾光片有兩種選擇：一種是窄帶干涉濾光片，另一種是低截止濾光片。兩種濾光片各有優缺點，前者通光頻帶較窄，一般在±0.1μm左右，但通帶增益一般在0.4左右，而后者通光頻帶較廣，而通帶增益在0.7～0.8左右。因此，使用截止濾光片儀器較使用窄帶濾光片的儀器具有較強的靈敏度。兩者的實際工作原理基本一致，此時接收器前后室的吸收曲線如圖6所示。

圖6 窄帶濾光片和截止濾光片的吸收曲線示意圖

為比較兩種濾光片的實際效果，從一批檢測合格的接收器中隨機選出兩個接收器(編號分別為57208、57808)作為實驗對象進行試驗，測量的量程范圍都為0～2000mg/m3，分別通入以下幾種氣體,其試驗結果見表1。

表1 試驗數據統計

由表1的統計數據來看，使用濾光片后的效果明顯，除CH4的干擾沒有明顯的降低外，CO2和氣態H2O的干擾得到了極大地控制。從截止濾光片和窄帶濾光片的測試結果來看，截止濾光片的效果較好，因此采用截止濾光片能夠較大程度的降低干擾組分對SO2測量結果的影響量。在以下的實驗中儀器都使用了截止濾光片。

4.2 改變接收器前后室吸收比例

由于接收器中SO2濃度較高，因此接收器前室對SO2的特征波長的紅外光吸收很強，只有較少量的該特征波長的紅外光進入后室，而在特征波長附近的波段上，SO2對特征波長附近的紅外光吸收較低，因此有較大能量的紅外光進入后室，前后室的吸收曲線如圖7所示。

圖7 接收器前后室吸收曲線示意圖及接收器實物圖

由圖7可知，當后室的吸收超過干擾組分的吸收曲線部分后，圖7所示的干擾組分的干擾就消除了。由于氣態H2O在整個SO2的吸收峰范圍內都有一定強度的吸收率，因此需要增強后室對該波段紅外光的吸收，當到達某個平衡點時，前室和后室對氣態H2O的吸收很接近時，前后的能量差相抵消，從而消除氣態H2O對SO2的干擾。但在此過程中，SO2的靈敏度將有所降低。為產品的標準化，當生產微量SO2儀器時，在接收器的光路末端加上一個反光片，以加強后室對紅外光的吸收；當生產常量SO2儀器時，取消該反光片。

為了驗證該方法的實際效果，將上述兩個接收器作為實驗對象進行測試，測試條件與實驗1一致，分別通入以下幾種氣體其試驗結果見表2。

表2 試驗數據統計

由表2可以看出，在接收器的光路末端增加反光片具有一定的抗干擾作用，尤其是對氣態H2O的干擾抑制得較好，但對于CH4的干擾作用不大。因此，在接收器上增加反光片能夠降低干擾組分對SO2測量結果的影響量。在以下的實驗中儀器都使用了反光片。

4.3 優化接收器生產工藝流程

在接收器的生產過程中，對接收器進行反復的抽真空和充高純氮氣，同時保證接收器處于較高的溫度，以便于接收器中的氣態水和其它氣體雜質盡可能地被析出，保證接收器在充氣時接收器內部雜質氣體的含量盡可能的少。同時，加強對SO2標準氣純度的檢查工作和氣瓶中剩余壓力的監測工作，以保證充入接收器中的SO2標準氣符合工藝要求。

將上述實驗中的兩個接收器重新進行上述兩個工序，并在生產中嚴格控制各關鍵工藝點，經4周的老化測試合格后，進行試驗。實驗前接收器采取4.1和4.2中的措施后再進行相關試驗，實驗條件與前述一致，以保證實驗結果的科學性和有效性。統計數據見表3。

表3 試驗數據統計

由表3的統計數據可以看出，采取各種有效措施對上述3種氣體的干擾強度進行了衰減，其中CO2和氣態H2O的干擾已基本排除，但是由于CH4和SO2的吸收峰峰值波長很接近，而且吸收強度也很接近，因此以上幾種方法不能有效地解決CH4對SO2的影響。

4.4 采用濾波氣室[1]

在濾波氣室內充入干擾氣體組分，將濾波氣室安裝在測量氣室和接收器之間，干擾組分的特征波長在濾波氣室中被吸收，進入檢測器的紅外光不再含有干擾組分的特征波長，從而抑制了干擾氣體的影響。該方法可以應用于濾光片的通光帶寬內其余干擾組分對SO2測量結果的影響(圖8)。

圖8 濾波氣室實物圖

4．5 從測量結果中扣除干擾值

如果煙氣中干擾組分的含量比較穩定，可以先測出干擾量，從測量值中扣除干擾量作為實際測量值。而當煙氣中干擾組分的含量變化較大時，可以先測出干擾組分的實際濃度，再通過軟件模型將該濃度下干擾組分對SO2測量值的干擾去除。前者使用方便，但只能局限于干擾組分含量比較穩定的場合；后者會增加儀器的制造成本，且干擾組分的測量精度、穩定性等性能指標對補償的效果影響較大。

4．6 配制專用標準氣

這種方法適用于流程中干擾組分的含量比較穩定的氣體。做法是在配制零點和滿度標準氣時，分別加人相同組分相同含量的干擾氣，用這種專用標準氣校準儀器的零點和滿度，然后再用于實際測量。該方法的實際使用較為方便，但標準氣的配制較為麻煩，且只適用于干擾組分含量比較穩定的場合。

4．7 接收器內加入特殊氣體

這種方法主要消除水氣干擾，水氣對SO2一般產生正干擾，而對這種特殊氣體產生負干擾，調整合適的濃度可以使正負抵消來消除水氣的干擾。

5 結束語

綜上所述，經過前三項改進措施的實施，煙氣中含量較大的CO2和氣態水的干擾已基本排除，而由于煙氣中CH4的含量很低，因此在實際的應用過程中對SO2的測量結果影響較小。但是，由于SO2紅外線氣體分析儀應用范圍廣泛，因此測量對象中各種雜質氣體的類型和含量不確定度很高，因此，應根據現場的實際情況決定采取何種抗干擾措施，從而保證氣體分析儀的測量精度，為CEMS系統的準確高效運行提供重要保障。