烟气在线检测技术在脱硫脱硝中的应用探讨
近年来，雾霾已然成为了严重影响我国居民生产生活的“心肺之患”。燃煤是造成雾霾的主要原因，而我国50%的燃煤是用于发电，因此，要求电厂和大型燃煤工厂除尘、脱硫、脱硝也就成了环保部长期以来治理烟气的主要发展方向。烟气脱硫、脱硝工艺使空气污染因子中具有毒性的二氧化硫、氮氧化物成分得以减少，无疑是积极的，也是必须的。这也是为什么国内雾霾频发，但并没有像当年的伦敦那样发生毒雾夺万人性命惨剧的原因所在。
典型电厂锅炉烟气处理流程是脱硝在前脱硫在后，脱硝后需要检测如NO、NO2（通称NOX，氮氧化物）、O2及NH3等；而脱硫前需要检测SO2、SO3；O2、CO2；粉尘等。按照常规的做法就是在脱硝出口安装一套CEMS，除尘器后进脱硫塔前安装一套CEMS，这样做的好处是烟气采样数据上传时间短，容易实现脱硝的自动控制。以尿素法、LIFAC工艺等半干法脱硫脱氮系统为例，其工艺是把碱性物质(石灰石、氢氧化钠、碳酸氢钠等等)的溶液或尿素溶液喷入炉膛、烟道或喷雾洗涤塔内进行脱硫脱氮。这类系统的脱硫、脱硝效率就主要取决于烟气中SO2和NOx的体积比、反应温度、吸收剂的粒度和停留时间。
在CEMS系统中，抽取法结合红外气体分析技术是主流，微流红外技术则是红外气体分析技术的主要发展趋势。传统的微音电容传感器检测红外光声信号的方法存在受水分干扰、工艺复杂、抗震性差等缺点；相较而言，微流红外探测器具有工艺简单、测量准确、抗震性好等多种优势，目前在进口红外烟气分析仪中普遍使用。值得一提的是，国内也有锐意自控这种自主研发微流红外气体分析技术并将其运用到烟气分析仪的科技创新企业。
不同检测传感器的非分光红外测量方法比较
在实际应用中，解决好烟气分析问题是脱硫、脱硝系统高效稳定运行的保障。下文将结合锐意自控的红外烟气分析仪Gasboard-3000，介绍微流红外技术在烟气脱硫、脱硝效率监测中应用的挑战及对策，并阐述经过改进的微流红外传感器在烟气检测中的主要技术优势。
红外烟气分析仪Gasboard-3000
1、消除温度对传感器信号的影响
环境温度的变化对于红外气体分析仪检测过程存在较大的影响，它将直接影响红外光源的稳定，影响红外辐射的强度，影响测量气室连续流动的气样密度。另一方面，为减少其他组分对SO2、NO的影响，红外烟气分析仪在微流红外探测器的前端设有窄带红外滤光片，这种滤光片是一种多层的半导体镀膜，温度升高会使得滤光片朝长波方向偏移，从而进一步影响SO2、NO的测量结果。特别是在北方昼夜温差较大的地域，即使设备房安装了空调，也会存在一定的温差。大多数红外烟气分析仪往往采用温度修正的方法，来解决因环境温度变化导致测量结果变化的问题，但这种方法只能解决部分问题，并不能完全消除由温度变化所带来的误差。
不同温度和气体浓度下的SO2传感器响应曲线
不同温度和气体浓度下的NO传感器响应曲线
怎样最大限度的消除温度变化对测量结果带来的影响呢？Gasboard-3000内部设置有温控装置及超温保护电路，通过对包括滤光片在内的整个传感器进行整体55℃恒温处理，同时配合窄温度范围温度修正的方法，为微流红外气体传感器设置了“双重保险”：当外部环境温度变化时，由于传感器处于恒温装置内部，因此受温度变化影响极小；即使有一定的温度波动，也可以通过温度修正来减少温度漂移，从而保证测量结果的准确性。
2、消除水分对SO2、NO测量的影响
无论是半干法脱硫还是湿法脱硫，脱硫后的烟气温度都比较低且含有大量水分。水分是影响二氧化硫和氮氧化物测量的主要干扰物（参考H2O、SO2、NO红外吸收光谱图），水分干扰直接影响了仪器的测量精度。这也是为什么部分红外气体分析仪在实验室条件下使用标准气检定时合格，在工业现场测试却达不到要求的原因。
H2O、SO2、NO红外吸收光谱图
通常CEMS系统取样中采取冷干法脱除水分，以防止水分冷凝和水分干扰，但由于排放工况的变化和冷凝效率的原因，冷凝器的出口露点往往存在波动。在高湿低浓度条件下，水分的干扰往往超过了仪器本身的测量误差，干扰误差尤为明显。
Gasboard-3000在传统微流红外传感器的基础上，增加了调水机构。它通过将不同温度下的饱和空气依次通入红外传感器，通过调节调水机构，使得含有非冷凝水的气体与N2的信号一致。同时通过硬件调节及线性修正，来消除H2O（气）对SO2、NOx的干扰。实验表明，通过该方法调节后的传感器可以满足各种水分含量条件下的水分干扰消除，干扰的程度可控制在5ppm以内。
3、消除HC化合物对SO2测量的影响
除了水分干扰以外，碳氢化合物如焦化厂排放的气态污染物中存在未燃尽的CH4、C2H6、C3H8等组分，也会对SO2的测量结果带来很大干扰。如下图所示，SO2的吸收峰波段为7.28～7.62μm，在该波段CH4的吸收干扰最大，其次是C3H8和C2H6。
SO2、CH4、C2H6、C3H8的吸收光谱对照图
为减少HC对SO2测量的影响， Gasboard-3000在传统的微流红外传感器基础上，设计了带CH4滤波气室的SO2传感器。实验表明，通入4000ppm的CH4，碳氢化合物对SO2的干扰不超过4ppm。
带CH4滤波气室的SO2传感器
随着国家对大气环境的重视以及人们对空气质量要求的提高,我国大气污染治理行业逐步驶入快车道。作为大气综合治理的关键设备，烟气分析仪在工业烟囱废气监测以及脱硫、脱硝系统的效率监测中正发挥着不可或缺的监督与控制作用，其应用前景也日益广阔。也随着工业技术的不断更新完善，计算机应用技术的发展，CEMS系统集成化自动化程度越来越高，可以预见微流红外技术将来必在环保领域发挥越来越重要的作用。
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