柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放NH3快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉立富 吳 強(qiáng) 王志平 邱夢(mèng)春 陳 東 孫 軍

(杭州春來(lái)科技有限公司，杭州 310052)

發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣是大氣污染的重要來(lái)源之一，為了保護(hù)我國(guó)的大氣環(huán)境，國(guó)家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放要求越來(lái)越嚴(yán)格，并且不斷出臺(tái)新政策。2016年12月23日，環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布《GB 18352.6-2016 輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》，自2020年7月1日起實(shí)施。2018年6月22日，生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布《GB 17691-2018 重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》，自2019年7月1日起實(shí)施。目前通過(guò)采用優(yōu)化缸內(nèi)燃燒過(guò)程、增壓中冷技術(shù)、多氣門(mén)技術(shù)、柴油機(jī)排氣再循環(huán)等機(jī)內(nèi)控制技術(shù)，對(duì)尾氣減排具有一定效果。為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求，既要優(yōu)化機(jī)內(nèi)燃燒過(guò)程，還需要對(duì)尾氣脫硝后處理技術(shù)提出更高要求。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中最大的污染氣體主要是NOx和其他燃燒不充分的氣體，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中尾氣排放處理裝置主要針對(duì)NOx的處理。目前在市場(chǎng)上比較普遍的尾氣后處理技術(shù)為選擇性催化還原(SCR)技術(shù)。SCR技術(shù)，即在催化劑的作用下，噴入還原劑尿素或氨，把尾氣中的NOx還原成無(wú)害的N2和H2O[1]。

為了保證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放含量滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)推向市場(chǎng)前需要在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)排放尾氣濃度進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證和排放控制研究，以便于發(fā)動(dòng)機(jī)制造商改進(jìn)產(chǎn)品，推出更加環(huán)保滿(mǎn)足排放要求的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。依據(jù)《GB 17691-2018重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)排放測(cè)量氣體有CO、NOx、NH3、NMHC和THC等，其中NH3排放結(jié)果乘以劣化系數(shù)后的限值要求不超過(guò)10μmol/mol。發(fā)動(dòng)機(jī)排放工況為瞬態(tài)工況，對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求高。實(shí)時(shí)快速地監(jiān)測(cè)排放污染物的氣體含量用來(lái)監(jiān)控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒環(huán)節(jié)，這要求排放氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須要有方便性、高精度、快速在線(xiàn)測(cè)量的特性。光譜吸收法測(cè)量氣體含量作為一類(lèi)應(yīng)用廣泛和優(yōu)勢(shì)明顯的監(jiān)測(cè)技術(shù)，受到廣泛關(guān)注[2]。目前，我國(guó)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放監(jiān)測(cè)設(shè)備采用進(jìn)口品牌，如日本Horiba、奧地利IAG，分別采用中紅外量子級(jí)聯(lián)激光光譜法和近紅外可調(diào)諧激光光譜法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排放NH3含量。不僅采購(gòu)費(fèi)用高，而且售后維修的零部件價(jià)格高、維修周期長(zhǎng)，造成設(shè)備的使用成本、維護(hù)成本和折舊費(fèi)都較高[3]。國(guó)內(nèi)NH3濃度監(jiān)測(cè)的研究和應(yīng)用大多是針對(duì)工業(yè)過(guò)程脫硝氨逃逸控制和固定污染源氨逃逸排放監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，測(cè)量方式涵蓋原位對(duì)穿、單端反射、便攜和在位抽取等方式[4-8]，暫時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有企業(yè)推出針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放NH3的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備。本研究基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)和長(zhǎng)光程多次反射技術(shù)，研發(fā)一種移動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)排放NH3快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為研究發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放控制提供可靠數(shù)據(jù)支持。

本研究的NH3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用推車(chē)式結(jié)構(gòu)方便多點(diǎn)移動(dòng)測(cè)量，支持雙探頭切換，軟件自動(dòng)化集成度高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢漏、自動(dòng)反吹、自動(dòng)標(biāo)定、自動(dòng)線(xiàn)性檢查、自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果等功能。系統(tǒng)核心測(cè)量模塊采用垂直腔面發(fā)射激光器作為激光發(fā)射光源，通過(guò)疊加的低頻三角波信號(hào)和高頻正弦波信號(hào)對(duì)激光器進(jìn)行掃描和調(diào)制。經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)調(diào)制和鎖相放大檢波得到二次諧波信號(hào)，通過(guò)二次諧波峰高等信息計(jì)算NH3濃度值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)排放NH3在線(xiàn)快速監(jiān)測(cè)的使用要求。

1 基本原理

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)需要獲取待測(cè)氣體特征吸收的光譜譜線(xiàn)，在弱吸收條件下，激光器發(fā)射出窄帶激光通過(guò)被測(cè)氣體的光強(qiáng)衰減可以使用Beer-Lambert關(guān)系進(jìn)行表述[9,10]：

Iν=I0T(ν)=I0exp[-S(T)g(ν-ν0)PXL]

(1)

式中：I0和Iν分別表示頻率為ν的窄帶激光入射時(shí)和經(jīng)過(guò)光程L、氣體壓力P和體積濃度為X的氣體后的光強(qiáng)。S(T)為氣體吸收的譜線(xiàn)強(qiáng)度，線(xiàn)形函數(shù)g(ν-ν0)表示該吸收譜線(xiàn)的形狀，它與氣體溫度、壓力及成分含量等因素有關(guān)。在近紅外區(qū)域，氣體譜線(xiàn)吸收強(qiáng)度較弱，一般會(huì)滿(mǎn)足式(2)條件。

S(T)g(ν-v0)PXL≤0.05

(2)

當(dāng)滿(mǎn)足式(2)條件時(shí)，被測(cè)氣體濃度結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)較好的線(xiàn)性關(guān)系，此時(shí)式(1)可近似等于式(3)。

Iν≈I0[1-S(T)g(ν-ν0)PXL]

(3)

譜線(xiàn)強(qiáng)度S(T)是氣體溫度的函數(shù)，常規(guī)氣體的S(T)參數(shù)可以在分子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)HITRAN中查詢(xún)，一定溫度下的S(T)可由公式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

式中，Q(T)是分子內(nèi)部分割函數(shù)，E是分子躍遷基層能量，h是普朗克常數(shù)，k是波爾茲曼常數(shù)，c是光速，S(T0)是參考溫度T0下的譜線(xiàn)強(qiáng)度。

可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)主要有3種，即波長(zhǎng)調(diào)制、頻率調(diào)制和直接吸收，波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)由于高靈敏度和檢測(cè)能力，被普遍采用。TDLAS技術(shù)利用激光波長(zhǎng)的可調(diào)諧性，獲取待測(cè)氣體特征吸收的光譜譜線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)氣體定量分析。波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)，正弦信號(hào)對(duì)激光發(fā)射頻率進(jìn)行高頻調(diào)制，調(diào)制后的發(fā)射頻率為：

(5)

(6)

由公式(6)得出，在特定的吸收譜線(xiàn)和一定的壓力、溫度、光程及激光頻率調(diào)制幅度下，可以得到氣體含量與二次諧波之間的關(guān)系：

(7)

式中，V2f為二次諧波分量信號(hào)，K為標(biāo)定系數(shù)，I0為光強(qiáng)直流分量，通過(guò)分析這些參數(shù)，即可獲取氣體濃度含量信息。

2 系統(tǒng)介紹

基于TDLAS技術(shù)和長(zhǎng)光程反射技術(shù)工作原理，杭州春來(lái)科技有限公司研究開(kāi)發(fā)的LGT-500移動(dòng)式激光NH3分析系統(tǒng)，用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放NH3在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)主要由取樣單元、加熱單元、反吹單元、測(cè)量單元、顯示單元和電控單元等組成，產(chǎn)品外觀(guān)如圖1所示。樣氣經(jīng)過(guò)采樣探頭、高溫取樣管到達(dá)機(jī)柜內(nèi)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器后進(jìn)入分析系統(tǒng)測(cè)量單元分析待測(cè)組分，實(shí)時(shí)分析后排至安全區(qū)域。為避免樣氣出現(xiàn)冷凝結(jié)晶問(wèn)題，樣氣經(jīng)過(guò)區(qū)域通過(guò)加熱單元均高溫伴熱至200℃，反吹單元定期自動(dòng)反吹氣路。測(cè)量單元主要功能模塊包含發(fā)射單元、接收單元、信號(hào)處理單元和多次反射吸收池等。發(fā)射單元主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長(zhǎng)的激光，這些窄帶激光經(jīng)過(guò)含有被測(cè)氣體的吸收池多次反射后，由接收單元進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并傳輸給信號(hào)處理單元進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析，獲得測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)RS485或4～20mA輸出信號(hào)傳輸。顯示單元包含Android操作界面，功能分類(lèi)清晰。通過(guò)界面可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)操作、自動(dòng)化操作及參數(shù)設(shè)置和讀取等，滿(mǎn)足日常使用和維護(hù)要求。

圖1 LGT-500系統(tǒng)組成框圖

LGT-500系統(tǒng)取樣單元含有兩路取樣氣路，支持雙探頭切換測(cè)量，能夠?qū)蓚€(gè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)現(xiàn)輪換在線(xiàn)測(cè)量，內(nèi)部氣體室容積≤80mL，響應(yīng)時(shí)間短。電控單元和操作單元分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電氣控制和氣路控制，以實(shí)現(xiàn)不同需求狀態(tài)下的測(cè)量結(jié)果。標(biāo)定單元通過(guò)氣路閥控制，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)標(biāo)定和全程標(biāo)定兩種方式。

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1 譜線(xiàn)選擇

被測(cè)氣體吸收譜線(xiàn)需要選擇合適位置的譜線(xiàn)，要求吸收強(qiáng)度合適、附近沒(méi)有背景氣體吸收。NH3氣體在近紅外1.5μm和中紅外10μm附近均有吸收信號(hào)，由于掃描中紅外10μm譜線(xiàn)需要使用量子級(jí)聯(lián)QCL激光器，該激光器價(jià)格高昂、產(chǎn)生熱量多，不利于商業(yè)化。近紅外激光器應(yīng)用成熟，可靠性高，在1.5μm附近有足夠的吸收強(qiáng)度。

在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，473K溫度和4m光程條件下，篩選譜線(xiàn)，通過(guò)Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)查找NH3、H2O、CO、CO2和NO譜線(xiàn)數(shù)據(jù)，如圖2所示。得出在1512.2nm附近NH3不受其他背景氣體干擾，可以實(shí)現(xiàn)NH3和H2O含量同時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 1512.2nm附近NH3和背景氣體吸收信號(hào)

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

LGT-500移動(dòng)NH3分析系統(tǒng)測(cè)量分析模塊基于TDLAS技術(shù)測(cè)量，利用波長(zhǎng)可調(diào)諧性選擇合適的激光器參數(shù)。激光器使用德國(guó)Vertilas GmbH公司生產(chǎn)SE-A4型號(hào)的VCSEL激光器，發(fā)射出特定波長(zhǎng)的近紅外窄帶激光。光電檢測(cè)器使用日本Hamamatsu Photonics品牌的G12180-020A，用于光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。三角波信號(hào)掃描頻率采用10Hz，幅度為0.74V，高頻正弦波調(diào)制信號(hào)頻率采用40kHz，幅度為100mV。通過(guò)將激光器工作電流調(diào)節(jié)到5.48mA，工作溫度控制在24.3℃，實(shí)現(xiàn)激光器中心輸出波長(zhǎng)調(diào)節(jié)在1512.2nm附近，輸出激光功率約1.5mW。氣體吸收池腔長(zhǎng)為0.1m，經(jīng)過(guò)39次光路來(lái)回反射，總光程達(dá)到4.0m。氣體吸收池采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的懷特池光路方式[11]，由3塊曲率半徑相同的凹面反射鏡組成，激光光線(xiàn)進(jìn)入氣體室后在3塊反射鏡之間多次反射，以獲得較長(zhǎng)測(cè)量光程。經(jīng)過(guò)調(diào)制特定波長(zhǎng)的激光通過(guò)多次反射吸收池后，由光電檢測(cè)器接收。光電檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)鎖相電路進(jìn)行信號(hào)處理。本實(shí)驗(yàn)裝置采用TDLAS技術(shù)的工作原理如圖3所示。

圖3 TDLAS技術(shù)工作原理示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

LGT-500移動(dòng)式NH3系統(tǒng)支持雙量程測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中分別使用1828μmol/mol和49.2μmol/mol的NH3標(biāo)氣(以N2為背景氣)，通過(guò)美國(guó)MKS公司高精度的GE50A質(zhì)量流量控制器對(duì)NH3和N2配比驗(yàn)證系統(tǒng)的線(xiàn)性度，測(cè)試數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)高低兩個(gè)量程的測(cè)量準(zhǔn)確度≤±3%或±2μmol/mol，測(cè)試線(xiàn)性結(jié)果如表1和表2示，不同濃度對(duì)應(yīng)的諧波信號(hào)如圖4和圖5所示，高低兩個(gè)量程測(cè)量濃度與理論濃度之間的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到1和0.99994。

表1 高量程線(xiàn)性數(shù)據(jù)

表2 低量程線(xiàn)性數(shù)據(jù)

圖4 高量程不同濃度諧波信號(hào)與線(xiàn)性曲線(xiàn)

圖5 低量程不同濃度諧波信號(hào)與線(xiàn)性曲線(xiàn)

由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況排放監(jiān)測(cè)對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)要求響應(yīng)快速，實(shí)驗(yàn)中通氣流量調(diào)節(jié)到2L/min，使用490μmol/mol濃度的NH3標(biāo)氣測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，如圖6所示，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間T90為8s。對(duì)于分析系統(tǒng)，隨著通氣流量增加，氣體置換時(shí)間變短，響應(yīng)時(shí)間也會(huì)縮短。

圖6 LGT-500系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

LGT-500移動(dòng)式NH3系統(tǒng)將分析單元集成在移動(dòng)推車(chē)內(nèi)，無(wú)需額外配置推車(chē)，方便現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)多點(diǎn)檢測(cè)。人機(jī)交互界面采用Android顯示，界面直觀(guān)、操作簡(jiǎn)單，可以方便導(dǎo)出測(cè)量濃度信息。系統(tǒng)于2019年5月在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室與IAG公司生產(chǎn)的型號(hào)為NMS的NH3測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析比對(duì)，安裝位置為發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣管道，直徑為15～20cm，管道材質(zhì)為碳鋼，壁厚約為1cm。通過(guò)兩臺(tái)儀器對(duì)比測(cè)試，得出測(cè)量趨勢(shì)和濃度響應(yīng)一致，如圖7所示，兩臺(tái)系統(tǒng)測(cè)量NH3濃度最大偏差為1.34%。

圖7 LGT-500與NMS系統(tǒng)NH3對(duì)比測(cè)試濃度曲線(xiàn)

此外，使用現(xiàn)場(chǎng)AVL公司生產(chǎn)的型號(hào)為AMA1800氣體分割儀分段線(xiàn)性比對(duì)，得出LGT-500移動(dòng)式NH3分析系統(tǒng)檢測(cè)分段濃度線(xiàn)性誤差≤±3%或±2μmol/mol，滿(mǎn)足指標(biāo)要求，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 AVL氣體分割儀線(xiàn)性數(shù)據(jù)

LGT-500移動(dòng)式NH3分析系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，使用3m長(zhǎng)度的伴熱取樣管線(xiàn)，系統(tǒng)全程高溫伴熱至200℃，避免NH3冷凝、吸附造成損失，保證測(cè)量準(zhǔn)確性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)與IAG設(shè)備測(cè)量比對(duì)和AVL分割線(xiàn)性比對(duì)表明，LGT-500系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的測(cè)量準(zhǔn)確度和響應(yīng)時(shí)間，能夠滿(mǎn)足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況排放NH3的快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

5 結(jié)論

LGT-500移動(dòng)式NH3分析系統(tǒng)將激光光譜吸收技術(shù)和長(zhǎng)光程技術(shù)相結(jié)合，提高測(cè)量檢測(cè)下限水平和測(cè)量準(zhǔn)確度，采用微小型氣體室，體積僅80mL，能夠快速響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況變化，響應(yīng)時(shí)間≤10s。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)與IAG設(shè)備測(cè)量比對(duì)和AVL分割線(xiàn)性比對(duì)表明，LGT-500系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量趨勢(shì)與IAG的NMS型號(hào)NH3分析系統(tǒng)一致，兩臺(tái)系統(tǒng)測(cè)量NH3濃度最大偏差為1.34%。LGT-500系統(tǒng)采用1512.2nm吸收譜線(xiàn)能夠滿(mǎn)足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放NH3含量的快速監(jiān)測(cè)應(yīng)用，測(cè)量準(zhǔn)確度≤±3%或±2μmol/mol，具有測(cè)量不受背景氣體交叉干擾、響應(yīng)速度快、可靠性高、支持雙探頭切換測(cè)量以及方便移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，為研究柴油發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放控制能夠提供可靠數(shù)據(jù)支持。