基于DOAS的光譜測量技術研究進展

王飛 丁戰 崔依冬 王啟昌 沈德魁

摘? ?要：本文概述了基于DOAS的光譜測量技術工作原理，并介紹了基于DOAS的光譜測量技術在大氣污染監測領域及燃煤電廠煙氣監測領域的研究進展，分析了其應用于燃煤電廠煙道中NOx的在線監測的難度，以及亟待解決的問題。

關鍵詞：DOAS? 煙氣監測? NOx

中圖分類號：O433? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0086-02

氮氧化物（NOx）是造成大氣污染的主要污染源之一，是導致酸雨、光化學煙霧等環境問題的重要原因。我國燃煤電廠NOx的排放量約為中國NOx排放量的一半以上，并且燃煤電廠NOx的排放量仍在持續增加[1]。近年來，隨著國家對環境污染問題日益重視，NOx排放指標也日益嚴格。在煙氣脫硝方面，尤其是選擇性催化還原脫硝（SCR）技術上，近年來國內開展了大量的研究工作，并取得了一定的進展。但是在NOx排放測量方面，國內的研究則較少。然而，對煙氣中NOx排放量進行監測，準確測量煙道中NOx濃度分布情況，得到實時NOx分布特性，將有利于指導SCR系統針對性精確噴氨，不僅能夠促進SCR系統NOx脫除效率的提升，也能降低電廠噴氨量，從而減小因噴氨過量引起的運行問題的發生幾率，顯著提高SCR系統運行穩定性，安全性及經濟性。

本文針對基于紫外差分光譜技術（DOAS）的NOx測量技術工作原理及其應用進展和前景進行了論述。

1? 基于DOAS的光譜測量技術工作原理

DOAS技術原理簡單、設備價格低廉、響應速度快，因此基于DOAS的NOx監測技術逐漸被廣泛應用于大氣監測領域。DOAS技術是基于Lamber-bell定律，任何經過氣體介質的光都會由于氣體的吸收，導致光強發射衰減，而其衰減規律則遵循Lamber-bell定律。而在應用于SCR脫硝系統煙氣測量時，煙氣成分更為復雜，既存在由O2、N2引起的的Rayleigh散射，也存在由煙塵和氣溶膠粒子引起的Mie散射，因此Lamber-bell定律可以被修正為：

其中，I（λ）-衰減后光強;I0（λ）-原始光強;L-光程;σi（λ）-氣體吸收截面;ci-氣體濃度;εMie-Mie散射引起的消光;εRay-Rayleigh散射引起的消光，并且Rayleigh散射和Mie散射導致的光強衰減隨著光源波長的變化緩慢變化，被稱為“寬帶”光譜。由“寬帶”光譜引起的光強衰減可以表示為：

其中，σB（λ）-氣體寬帶吸收截面。

而由NOx分子引起的特征吸收光譜隨著光源波長的快速變化，被稱為“窄帶”光譜。由“窄帶”光譜引起的光強衰減可以表示為：

其中，σi（λ）-氣體窄帶吸收截面。

通過將“寬帶”光譜與“窄帶”光譜分離，進而對分離出的窄帶光譜進行濃度反演，從而獲得NOx濃度值。則氣體濃度ci能夠通過下述公式計算獲得：

2? 基于DOAS的光譜測量技術研究進展

目前，DOAS在大氣監測領域的研究已經非常廣泛。王婷[2]等使用三種不同設計和不同操作方式的多軸差分吸收光譜（MAX-DOAS）儀器分別對大氣中NO2濃度進行長達16d的監測，并對NOx反演濃度進行了比對，反演的濃度誤差小于6%，這表明了DOAS技術的測量結果穩定性。

目前，DOAS技術應用在大氣中監測NOx的研究已經有很多報道，國內也有許多關于DOAS技術監測燃煤電廠煙道中SO2及Hg排放的研究。張豹等[3]利用DOAS技術，構建了SO2差分吸收截面數據集，結合濃度反演結果，對測量波長區間進行了縮短，從而利用最優數據集，能夠較為精準的計算出煙氣中SO2濃度，且連續監測72h都反映出了良好的重復性。

然而，由于煙氣中成分復雜，DOAS技術在應用于NOx測量時，受到的干擾相對較多，真正將DOAS技術應用于測量SCR系統煙道中NOx濃度的研究目前還較少。李廣杰[4]等針對二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2）分子吸收光譜特性，采用脈沖氙燈提供變波長光源，光纖光譜儀接收通過混合氣體的光信號，對模擬煙氣成分進行了在線測量，通過最小二乘法、傅里葉變換法和線性調頻Z變換法分別對SO2和NO2濃度進行了反演，并且SO2與NO2特征吸收波段相互獨立，不會相互干擾，三種算法反演得到的目標氣體濃度值與標氣值相比誤差都較小，這充分說明了DOAS技術具有現場可操作性，能夠用于現場在線監測NOx濃度。

梅魏鵬[5]研究開發了一套基于DOAS技術對火電廠煙氣中SO2和NOx進行實時監測的實驗裝置，并且通過將實驗室測量數據和現場測量數據進行了對比，根據不同現場情況對監測系統進行了修改。利用小波變換降噪技術對現場可能影響測量結果的系統噪聲和Mie散射進行了處理，以提高檢測的精確度。文中通過最小二乘法對污染物濃度進行了反演，發現最小二乘法存在較多限制，濃度過大或過低，以及高溫都可能對其反演精度造成較大影響，因此，作者還提出了針對不同濃度范圍使用不同算法反演污染物濃度的想法。

3? 總結與展望

DOAS技術憑借其特有的優勢以及逐漸成為氣體污染物排放監測領域重要手段，其研究發展在國內外受到了廣泛關注。但是由于燃煤電廠煙道中煙氣成分復雜，不僅含有NOx和SO2，水蒸氣、CO2以及大量的粉塵顆粒物都會對DOAS系統的測量造成影響，尤其是對NOx的測量影響尤為劇烈。因此，將DOAS技術應用于燃煤電廠煙氣的在線監測，還需要對監測系統中的光譜處理方法和濃度反演算法等進行不斷修正，提高DOAS系統對NOx濃度的測量精度，更準確得控制煙道中NOx濃度分布。

參考文獻

[1] 陳進生.火電廠煙氣脫硝技術-選擇性催化還原法[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[2] 王婷，王普才，余環，等.多軸差分吸收光譜儀反演大氣NO2的比對試驗[J].物理學報，2013，62（5）：201-211.

[3] 張豹，高潮，郭永彩，等.基于DOAS及統計量的低濃度SO2測量方法[J]. 光子學報， 2018（2）：55-62.

[4] 李廣杰.基于UV-DOAS的煙氣SO2、NOx及Hg0同時在線連續監測研究[D].華北電力大學， 2015.

[5] 梅魏鵬. 基于紫外差分光譜的SO2、NOX混合氣體的檢測算法研究[D]. 重慶大學， 2014.