便攜煙氣分析儀的應用探討

1 前言:

隨著我國對大氣污染防治的力度逐年加大在國內已經逐漸建立起對污染物的排放監測網絡連續污染物排放監測系統CEMS系統的安裝總數也接近兩萬套。如何有效保證監測系統的可靠運行監測數據真實有效成為了環保和監測部門的重要關注點。

便攜的煙氣分析儀大量應用于監測系統的比對和校驗以保證監測結果的可靠性。實際的應用中大多數監測系統已經采用了非分光紅外原理的氣體分析方法但便攜式的煙氣分析儀仍然沿用電化學的測量原理。不同原理測試方法的相關性問題以及電化學原理儀器的抗干擾等問題已經在實際應用中凸顯出來，使用便攜紅外煙氣分析儀替代電化學儀器已經成為了監測比對方法的必然趨勢。

2 測量方法和原理:

主流的煙氣分析儀大多采用電化學和非分光紅外的測試原理。電化學的儀器已經由進口儀器轉變為以國產儀器為主但的應用儀器仍然是以德圖或凱恩為代表的進口儀器為主；紅外的儀器近年來隨著自主知識產權的紅外技術在國內逐漸推廣也開始了批量國產化并小型化終實現在便攜煙氣分析儀中的應用。
 

2.1電化學測試原理:

電化學測試方法又稱為定電位電解法是國家對二氧化硫的標準測定方法之一。（HJ/T 57-2000《固定污染源排氣中二氧化硫的測定 定電位電解法》）。

其核心器件電化學傳感器的結構如圖1。

圖1   電化學傳感器的結構

二氧化硫（SO2）擴散通過傳感器滲透膜進入電解層在恒電位工作電極上發生氧化反應；由此產生極限擴散電流在一定范圍內其電流大小與二氧化硫濃度成正比。

電化學傳感器還可廣泛應用于一氧化氮、氯化氫、硫化氫等氣體的測定。由于傳感器的制作對工藝和材料的特殊要求目前仍然主要依賴進口。
 

2.2非分光紅外測試原理:

非分光紅外氣體測試方法已經廣泛應用于工業過程和環境監測等領域。其核心部件紅外傳感器根據應用特點的不同，又可分為雙光束、微流、微音器等不同類型。固定污染源監測系統中大量使用的是微流紅外傳感器可實現對二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳等主要污染物的測定。近年來環保等相關部門也開始著手非分散紅外測定方法的標準制定以規范測試方法的應用。

紅外微流傳感器的結構如圖2。

微流紅外傳感器技術的工作原理為：紅外光源①發出的紅外光經過切光器②調制頻率后進入測量氣室④；由于二氧化硫等異種原子構成的分子對紅外光具有吸收特性，若測量氣室④中存在上述氣體則進入測量氣室的部分紅外光會被吸收未被吸收的紅外光進入檢測器⑤。檢測器⑤由前氣室、后氣室、微流傳感器⑥組成前、后氣室充滿待測組分的氣體。在紅外光的作用下檢測器前、后氣室中的氣體發生膨脹；由于存在膨脹差異會導致前、后氣室之間產生微小的流量；微流傳感器⑥檢測到該流量后產生交流電壓信號信號經處理后得到氣體的濃度。
 

3電化學分析儀的應用分析:

電化學分析儀具有小型、輕便、快捷等優點在我國應用較多。但國內傳感器制作技術有限大部分仍需進口傳感器使用成本較大。實際使用中電化學儀器還會普遍存在取樣流量、氣體交叉干擾以及前處理等方面的問題。
 

3.1 取樣流量對電化學儀器的影響:

采用電化學傳感器設計的煙氣分析儀不論是國產儀器還是國外進口儀器在使用過程中經常碰到“測不準”問題即在實驗室測試標準氣體是好的到了現場卻測不準。這是因為電化學傳感器對流速的變化極為敏感。通常電化學類煙氣分析儀的測試讀數與采氣流速呈“正相關”。

HJ/T 57-2000《固定污染源排氣中二氧化硫的測定 定電位電解法》標準特別強調：“采氣流速的變化直接影響儀器的測試讀數”。

國家環境監測總站《火力發電業建設項目竣工環境保護驗收監測技術規范》中也寫道：“定電位電解法監測儀器對采樣流量要求甚嚴監測數據的顯示與采樣流量的變化成正比當儀器采樣流量減小時（例如煙道負壓大于儀器抗負壓能力）監測數據明顯變小。在使用時為了減少測定誤差儀器的工作流量應與標定（校準）時的流量相等”。

而煙道內煙氣既有正壓工況的也有負壓工況的甚至存在壓力忽大忽小的變化工況。情況下有些煙道還存在很大的負壓（如寶鋼燒結機頭負壓=20kPa）。針對大多數煙道負壓的情況居多很多電化學煙氣分析儀配置了大功率的取樣氣泵。這一措施僅能避免抽不出氣的問題仍然改變不了“負壓降低采氣流速”的問題。因此不管你是大功率泵還是小功率泵只要煙道有負壓檢測示值一定偏低。換句話說只要你現場采氣流速不等于實驗室標定流速測試示值肯定不準。

而現場測試過程中流速對測量結果的影響往往難以暴露只有當測試數據明顯偏離時才會引起注意。所以對儀器操作人員提出了較高的要求必須嚴格控制儀器標定和采樣的流量盡量保持一致。
 

3.2 氣體交叉干擾對電化學儀器的影響:

電化學傳感器通過設置不同的電極電位使得傳感器對應某一特定氣體敏感從而達到測定的目的。但對于電極電位相似的氣體會產生交叉干擾。

實際的應用中燃油爐、燃氣爐、水泥廠的監測過程中會出現SO2、NO測定值明顯偏低或檢測無的情況主要是因為排放煙氣中NO2的干擾原因。而在測定鍋爐、水泥窯、燒結機煙氣時往往會出現SO2測定值明顯偏大的情況主要是因為排放煙氣中CO的干擾原因。

雖然這些氣體的交叉干擾已知但由于干擾值的非線性和非重復性電化學儀器也無法對干擾值進行有效補償。所以當監測數據異常時還必須選用其他測試方法重新測試。
 

3.3 預處理對電化學儀器的影響:

電化學儀器的前處理普遍比較簡單主要由取樣探針、取樣管和過濾器組成。

一般在不采用濕法脫硫的煙道氣的含濕量不超過3% ,而采用濕法脫硫后的煙氣含濕量往往大于5%,如果脫硫設備脫水不好, 煙氣含濕量可高達12%。高含濕量的煙氣進入取樣管路后,由于溫度下降超過露點溫度, 取樣管路將產生冷凝水,并會吸收一部分煙氣中的SO2 , 導致進入傳感器的SO2 濃度降低,造成監測結果出現負偏差甚至無。

也有少數的電化學儀器采用了加熱探針、伴熱管路以及冷凝除水的前處理系統來避免冷凝水對SO2的影響但成本過高不利于推廣。

長期使用儀器后由于煙氣濕度的影響在電化學傳感器的滲透膜表面會形成結露水；結露水會影響氣體分子的滲透從而導致測量結果偏低甚至測試不到目標污染物。所以電化學儀器每次使用前應抽取一段時間干燥清潔的空氣吹掃傳感器以保證測量準確。

此外電化學傳感器使用壽命有限在超過量程測試時還容易出現“中毒”現象導致傳感器失效。基于這些原因便攜電化學煙氣分析儀的使用范圍受到了一定的限制尤其在類似背景氣體復雜、高濕低濃度的測試條件下已經不能滿足監測或比對的要求。
 

4 紅外分析儀的應用分析:

紅外原理的氣體分析儀在污染源監測系統上的廣泛應用已經替代了電化學原理的儀器。隨著國內自主知識產權的紅外技術的開發成功使得便攜式紅外煙氣分析儀的普及成為了必然的趨勢。

紅外分析儀具有抗*力強、受流量影響小、壽命長等特點克服了電化學分析儀在應用中出現的問題。但在實際中還需要考慮以下因素的影響。
 

4.1 水分對紅外儀器的影響:

由于煙氣排放中的水分尤其是氣態水是影響二氧化硫和氮氧化物測定的主要干擾物（參考圖3  SO2、NO、H2O紅外吸收光譜圖）直接影響了儀器的測量精度。這也是為什么部分紅外氣體分析儀在實驗室條件下使用標準氣檢定時合格在現場測試卻達不到要求的主要原因。

圖3  SO2、NO、H2O紅外吸收光譜

雖然便攜紅外分析儀大多采用了加熱取樣、冷干脫水的預處理方法以防止水分冷凝和氣態水分干擾。但事實上煙氣中的水分無法*去除而且由于排放工況的變化和冷凝效率的原因冷凝器的出口露點往往也存在波動。在高濕低濃度條件下水分的干擾甚至超過了儀器本身的測量誤差干擾誤差尤為明顯。

消除水分干擾誤差的方法通常有兩種：一是采用脫水裝置二是設置水分傳感器并進行軟件補償。

采用脫水裝置的方法有采用干燥劑如無水高氯酸鎂或者采用NAFION膜式干燥管。其主要問題在于需要經常更換人為增加了運行維護成本。儀器生產廠家也有可能在檢定時使用脫水裝置 但是在運行時為減少運行費用不采用該裝置造成實際運行中的性能改變導致儀器監測數據不確定度增加。

采用水分傳感器和軟件補償的方法一般只修正零點的水分干擾且低端的分辨率較低。對于同時含水和含SO2,NO的氣體的修正精度很差。此外對于NO分析儀由于在相同的氣室長度下NO的分辨率低于H2O的分辨率采用水分傳感器修正的方法對NO測定會造成很大的系統誤差。

新的測試技術是在在傳統微流紅外傳感器的基礎上增加了特殊調水機構。它是通過將不同溫度下的飽和空氣依次通入紅外傳感器通過調節調水機構使得含有非冷凝水的氣體與零氣的信號一致通過硬件調節及軟件線性修正可大限度消除H2O（氣）對SO2、NO的干擾。進一步實驗結果還表明通過該方法調節后的傳感器可以滿足各種水分含量條件下的水分干擾消除干擾的程度可控制在5ppm以內。

為滿足類似高濕低濃度的測試條件便攜紅外煙氣分析儀應大限度降低水分（氣）干擾的影響以提高實際測試精度。
 

4.2 HC化合物對紅外儀器的影響:

除了水分干擾以外碳氫化合物如焦化廠排放的氣態污染物中存在未燃盡的CH4、C2H6、C2H4等對于SO2的測量結果會存在很大干擾。

針對可能對SO2測定產生的干擾在紅外微流傳感器的前端設置可專門吸收HC波長的氣體吸收過濾室大限度消除大部分HC化合物對SO2測量結果的影響。

在排放的碳氫化合物組成復雜的特殊條件下如果需要*消除HC對SO2的影響還可以考慮在煙氣流路中增加HC物理化學過濾器以保證實際測試的精度。
 

4.3 測試分辨率對紅外儀器的影響:

隨著污染物治理的加*量脫硫、脫硝裝置得以應用污染物實際的排放濃度也越來越小。這對便攜紅外煙氣分析儀的測試分辨率也提出了更高的要求。

很多儀器為提高零點穩定性會采用不同的算法以保證減小零點的波動；還有如前所述為了補償水分的干擾影響也會采用零點補償方式。這樣的直接結果就是在進行零點附近的低濃度測試時儀器沒有反應。

參考《固定污染源廢氣 二氧化硫的測定非分散紅外吸收法》（征求意見稿）的編制說明對紅外分析方法檢出限和測定下限采用兩種方法進行評價一是按照ISO 7935-1992儀器方法檢出限為0.57-3.5 mg/m3測定下限為3-10 mg/m3；二是按照HJ 168-2010儀器方法檢出限為0.77-1.3mg/m3測定下限為4-6 mg/m3。

為保證低濃度測試條件下的測試效果便攜煙氣分析儀的分辨率應不超過3mg/m3（1ppm）新的國產煙氣分析儀已經可以做到0.5mg/m3（0.2ppm）以滿足更多測試條件下的應用。
 

5 結論:

采用電化學原理的便攜煙氣分析儀在實際應用中反映的流速、干擾、水分冷凝等問題已經能夠明顯限制了其在監測和比對測試中的應用。采用紅外原理的便攜煙氣分析儀克服了電化學儀器的主要缺點開始逐漸取代電化學儀器。為了解決紅外測試在應用中的問題便攜紅外煙氣分析儀還應該解決水分干擾、HC干擾以及高分辨率等問題以提高便攜紅外煙氣分析儀的適用性保證測試結果的準確可靠。