基于DOAS煙氣在線監測系統的應用研究

陳巧娟

福建龍凈環保股份有限公司

1 引言

受工業革命的影響，煤炭廠、火電廠等煙氣排放量較大的產業快速發展，廢氣和煙塵排放污染問題也越來越嚴重，對人們的身體健康和地球生態環境都會造成極大地危害，為了更好地控制煙氣污染就需要更好地了解其特點，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，而當前比較盛行的差分吸收光譜技術(DOAS)自德國興起后就得到了眾多關注，并逐漸成為一種主流大氣檢測方法，在我國發展至今也取得了一定的成就，目前可以應用在煙氣在線監測系統中，通過非接觸測量的方式可以監測出煙氣中SO2與CO2等氣體的濃度，這是因為氣體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生差分吸收光譜，據此進行分析計算便可得到具體的煙氣成分和含量，從而使環保工作者和各工廠能更好地執行國家有關煙氣排放方面的規范，還能作為審核評價依據落實環境保護責任。

2 傳統煙氣監測技術的介紹

2.1 化學分析法

該監測方法分為兩類，主要原理是收集煙氣進行化學反應，從而可以鑒別煙氣中含有那些污染物，一種為重量分析法，主要是針對煙氣中的煙塵等顆粒性物質進行測定，監測不夠全面，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測量會更準確。

2.2 電化學分析法

該法是上一種技術手段的進化，監測原理為電解反應，最初是通過測定溶液導電能力來測定具有此電化學性質的污染物含量，隨著科技的發展，后續又研發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相間具有不同的分配系數,煙氣中的各種污染物在流動相和固定相之間進行反復多次的分配,最后會在不定的時間有序流出固定相，從而可以有效分離、分析多組分混合物質。

2.4 紅外光譜分析法

傅立葉變換紅外光譜技術，科學家們在對傳統的僅光柵色散光譜儀進行完善后發展起來這一靈敏度、速度和數據處理效果更好地監測技術，由于樣品煙氣中不同成分對于特定波長的光吸收特性不同，進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，主要是對一些化合物進行定性分析和結構分析。同樣基于紅外光譜分析原理的還有FITR 技術，相對而言具有更明顯地優勢,可以對多種成分同時進行測量，利用效率高。

3 DOAS煙氣在線監測發展歷程

國家在大力發展經濟的同時，煙氣監測工作卻一直面臨著設備品種、數量、性能、質量不足的問題，以往由于很多煙氣監測儀器設備技術含量低,功能單一,煙氣監測結果不夠準確可靠，為了改善我國煙氣監測工作的窘迫局面，在煙氣監測裝置和系統的發展過程中綜合利用了多學科知識，逐漸實現了智能化、自動化、技術化改進，從人工采樣和實驗室分析轉向遙感結合，從單一層面向全方位領域轉變，監測質量更高，雖然很多傳統的煙氣監測方法應用也較為普遍，但隨著國家技術水平的發展，加之堅持走可持續化發展道路的需要，為了滿足我國對于煙氣監測的更高要求，該行業從業人員和學者從監測范圍、靈敏度、操作方式、適用條件等方面對煙氣監測設備和系統進行了改進，例如現今的DOAS煙氣監測系統可以進行實時在線檢測,采樣、預處理過程簡單,對于不同濃度的煙氣也能實現高靈敏度監測，用一個儀器也可區別多成分混合物中的不同物質，實現同時定量監測分析,也可對混合物中指定化合物進行定點監測。

4 DOAS煙氣在線監測系統應用介紹

4.1 應用原理

該系統主要由光源發射器、光譜儀、探測系統、接收系統和計算機網絡系統組成，每種物質對于光都具有獨特吸收特性,因此可利用高壓氙燈提供一個光源,從光源發出的光經過煙氣時,光線會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,經掃描后以轉化為電信號進入分析儀器,通過計算機等控制系統進行分析和計算。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度，進而得到被測物質的特征波譜,也叫作光譜指紋，雖然煙氣中的污染物分子結構可能會相似，但這個光譜指紋卻獨一無二，而利用DOAS不僅可以進行結構特征的定性分析，還能同時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監測技術手段的優勢使其在煙氣排放監測領域得到了廣泛地應用。

4.2 應用優勢

該技術最早是用來監測大氣質量的,由于光程較長可以很好地監測痕量氣體,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，正好適用于差分吸收光譜技術進行監測分析，在實際應用該監測系統時主要有以下幾大優勢：實時監測，利用一臺儀器便可對監測對象進行連續性、快速性的在線監測，雖然從紫外到近紅外波長區間內所有煙氣含物都可以被DOAS 探測到，但一般實際應用是會針對SO2、NO等特殊化合物進行定點監測，因此可以根據待測氣體控制測量時的波長范圍，這樣可以確定被監測物質之間的化學反應,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,不會因為采集裝置出現吸收損失、化學反應誤差，抗干擾性較強，可以很好地避免一些誤差源的影響，測量系統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方式更具說服力和參考性；監測全面，能夠揭示某些未知污染物的存在,鑒于每種氣體物質的獨特光譜特征，通過對殘留光譜進行分析可以發現未知的被吸收氣體；應用投入較低，這種測量技術參考光譜標準，不需額外校準，運轉成本較低，此外日常維修較為方便，最大的消耗品為燈源，維護成本也較低。

5 基于DOAS煙氣在線監測系統的應用方案

5.1 構建系統整體

長光程測量系統、監測儀、硬件控制、計算機控制系統，測量部分可以監測五項大氣基本氣象條件，煙氣中危害氣體的濃度，顆粒物濃度，各種數據采集后經過一定的通訊方式傳輸到計算機進行處理、分析。

5.2 測量氣體

氣體的吸收強度隨波長變化，只有吸收強度大于DOAS系統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間以及被探測大氣中痕量氣體成分。

5.3 數據處理過程

需要進行分離處理得到存在于發射器和接收器之間的所有氣體的差分吸收光譜，這需要根據算式求解，將它們相互重疊的吸收結構進行數字化的分離，一般采用線性最小二乘法擬合，分成實際測量光譜和參考光譜兩步進行，參考光譜的線性組合建立大氣光譜模型，結合大氣采樣光譜進行計算，在計算機中存儲越多種氣體的參考光譜，求解的氣體濃度越準確。

波長定標和吸收截面的處理：定標的過程是將波長準確對應到相應的像素點上，由于汞燈標準譜線是原子光譜，吸收峰位置明確，利用定標儀器和汞燈可得到相應的整條光譜，最大值的吸收峰位置與右側第一個小峰處位置可確定出像素一波長的對應校正線，從而可以推斷其他像素點處對應的波長值。

氣體吸收截面的處理:實驗室測得的吸收截面的分辨率一般會高于實際測量的DOAS儀器分辨率，為了在不改變面積的情況下獲得DOAS儀器測得的實際的吸收面，須將其與儀器函數進行卷積，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，二者分別取對數的差值可得到信號光譜即光學厚度，據此可推出慢變化曲線、慢變化后的比值光譜，然后進行反演計算，處理因光譜的漂移、拉伸或壓縮導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 技術的兩點和四點差分相比，該法最適用于尋找測量波段內氣體的差分吸收截面，可以將需監測的氣體截面放大得到更清楚的測量差分信號，了解清楚這種組合關系，減小測量誤差，還可以同時反演多種被測氣體的濃度，提高了儀器的效率。

5.4 實際應用舉例

以當前能耗較高的鋼鐵行業為例，在其生產的各個流程和環節由于燃料燃燒產生的大氣污染十分嚴重，需要對大量直接或間接地煙氣排放進行監測，以便進行環保處理，因此很多工廠都逐步將DOAS 技術與CEM S 結合，將煙道作為一個開放的吸收池,對氣流進行實時的直接測量,正常工作狀態下，煙氣通過穿管在管內形成測量區,入射光經測量區、樣品池得到透射光后會聚成點耦合到光纖光譜儀入口狹縫端,光譜儀對透射光分光后成為光譜強度信號,然后轉換為電信號經由計算機進行煙氣成分分析和濃度計算，而校準狀態時，測量區內煙氣被吹散，樣品池內為已知濃度的標準氣體，據此可以對比正常狀態下的系統監測結果準確度，從而實現工廠自身和環境檢測機構對煙氣污染成分、濃度、流速等內容的在線實時監測。

6 結語

綜上所述，煙氣成分復雜，各種污染成分對人類和社會危害極大，其中的SO2可誘發呼吸系統和皮膚類疾病，還會引起多種慢性疾病，硫酸雨會破壞土壤性能，影響綠植和農作物生長，NO2會使水體富營養化，煙氣中的顆粒物質會使得霧霾問題愈發嚴重，為了有效解決和避免情況惡化，還人們一個美麗家園，建設新型綠色環保社會，需要大力平衡工業發展與環境保護之間的關系，為此在傳統的煙氣監測技術無法滿足現今社會發展水平的基礎上，經過很多學者和科研人員的不斷努力，各種先進的監測系統在不斷興起并逐漸完善，功能上的進步使得監測結果也更為穩定可靠，更有利于推動我國的可持續化發展。