NDIR法便携烟气SO2分析仪技术性能及现场应用比较

2014-10-12王强，钟琪，周刚，张杨，杨凯

中国环境监测 2014年3期

王强，钟琪，周刚，张杨，杨凯

中国环境监测总站国家环境保护监测质量控制重点实验室，北京100012

“十二五”以来，随着节能减排工作的不断深入，固定污染源烟气排放主要污染物二氧化硫(SO2)的排放浓度逐步下降［1-2］，从几十 mg/m3到十几mg/m3不等。便携烟气SO2分析仪作为目前各级环境监测部门在污染源废气排放监督性监测、比对监测以及验收监测过程中广泛使用的现场监测仪器，这种低浓度SO2的排放现状对其仪器灵敏度、检测限、准确度等指标提出了更高要求。因此，原有的定电位电解法污染源便携烟气SO2监测仪器在现场监测的准确度、检测下限、抗干扰能力以及现场操作和维护等方面已经不能完全满足当前复杂烟气环境下SO2排放监测的需求［3-4］，非分散红外吸收法(NDIR)便携烟气 SO2分析仪以其灵敏度高、检出限低、抗干扰能力强和与烟气排放连续监测系统(CEMS)原理一致或接近等特点在固定污染源监督性监测和CEMS比对监测中越来越发挥出优势［5］。近年来，随着国内环境监测仪器生产企业仪器研发能力的不断加强，具有自主知识产权的国产NDIR法便携烟气SO2分析仪不断涌现，其在固定污染源烟气排放SO2监测过程中的应用也不断增多［6］，仪器的技术水平和功能配置逐步走向成熟，产品性能质量趋于稳定。然而，尽管此类仪器和技术发展很快，但其能否完全满足“十二五”总量减排监测和管理工作的需求，能否达到国外同类成熟产品的性能质量和技术水平，目前还没有相关的报道和相关产品检测或认证的信息;对固定污染源NDIR法便携烟气SO2分析仪的技术性能和现场应用情况进行相关测试比对、比较是非常必要的。

1 NDIR法便携烟气SO2分析仪的基本原理和仪器结构

1.1 NDIR法便携烟气SO2分析仪的基本原理

NDIR方法测量烟气中的SO2是基于SO2分子在特定区域内对红外光的吸收原理［7-8］，利用该方法的分析仪器不扫描分散光源发出的光，而是简单地采用滤光元件等其他构件在比较狭窄的波长范围内或光谱带内测量SO2气体对光的吸收。在此基础上，为进一步提高检测的灵敏度和抗干扰能力，衍生出一些较复杂的非分散红外吸收技术，例如:充气检测器NDIR、光声检测器NDIR、气体过滤相关红外(GFC)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)等［9］，以这些技术为原理的烟气 SO2分析仪在连续自动监测系统和便携分析仪器均比较常见且应用广泛。

1.2 NDIR法便携烟气SO2分析仪的仪器结构

NDIR法便携烟气SO2分析仪常见结构主要包括4个部分:样品采集和预处理部分、样品分析测试部分、辅助测试部分、数据采集处理传输部分，系统结构简图见图1。

图1 NDIR法便携烟气SO2分析仪常见结构简图

样品采集和预处理部分:一般包括加热采样探头、样品高温伴热传输管线、样品预处理(过滤、除湿)单元(FTIR一般没有除湿部分)、采样泵等;样品分析测试部分:样品测试分析仪;辅助测试部分:分析仪和全系统校准单元、尾气排放单元、冷凝水排放单元(FTIR一般没有);数据采集处理传输部分:采样和测试数据及系统状态参数的采集、存储、记录、计算处理、数据上传等。

2 实验部分

2.1 参与测试的便携烟气SO2分析仪基本情况

参与固定污染源便携烟气SO2分析仪技术性能和现场应用测试的国产和进口仪器设备共3种型号，仪器设备基本情况见表1。

表1 3种参与测试的便携烟气SO2分析仪基本情况

2.2 测试使用的仪器设备和标准物质

测试使用的仪器设备和标准气体情况见表2。

2.3 测试地点和环境条件

测试包括实验室仪器性能指标测试、现场应用比对测试两部分，检测地点及环境条件见表3。

2.4 测试项目及参考技术指标

测试便携烟气SO2分析仪技术性能的检测项目及参考技术指标［10-11］见表4。

表2 检测使用的仪器设备和标准气体

表3 检测地点和环境条件

表4 测试项目及参考技术指标

2.5 技术指标测试方法

2.5.1 示值误差

仪器校准稳定后，分别通入浓度为满量程10% ～30%、50% ～60%、80% ～100%3种浓度SO2标准气体，待示值稳定后记录仪器示值，每种浓度连续重复测定3次，取平均值，计算其与标气标称值之差相对于满量程的百分比。

2.5.2 重复性

仪器校准稳定后调零，通入浓度为满量程50% ～60%的SO2标准气体，待读数稳定后记录仪器数值，然后回零，重复上述步骤6次，计算6次测试结果的相对标准偏差。

2.5.3 响应时间

响应时间包括上升时间、下降时间。上升时间:仪器稳定后调零，通入量程校准气体，同时用秒表测定从通入标准气体开始至指示值达到标准气体标准示值90%的时间，连续重复测定3次，取平均值作为上升时间。回复时间:仪器稳定后调零，通入量程校准气体，当示值达到稳定后，停止进样，立即通入零点校准气，同时用秒表测定从通入零点校准气开始至指示值下降到标准气体标准示值10%的时间，连续重复测定3次，取平均值作为回复时间。

2.5.4 进样流量变化的影响

仪器稳定后调零，在正常设定流速的情况下通入浓度为满量程80% ～100%的 SO2标准气体，待读数稳定后记录仪器数值;分别调节仪器流速为高于原设定流速值(+5%)和低于原设定流速值(－5%)，通入同一浓度的SO2标准气体，分别在稳定后记录仪器读数，计算流速变化后仪器读数变化值相对满量程的百分比。

2.5.5 负载误差

按阻力调节装置、真空压力表、仪器的顺序连接，确保气路连接不漏气。仪器开机稳定后，在不施加阻力和调节阻力调节装置至负压10 kPa条件下，分别通入浓度为满量程50% ～60%的SO2标准气体，待读数稳定分别记录数值;连续重复测试3次，取平均值，计算增加阻力前后测量结果的相对偏差。

2.5.6 污染源现场比对测试

将3台便携烟气SO2分析仪与烟气CEMS用同一标准气体校准后进行现场比对测试，取同时间段(5 min)内4台(套)仪器测量污染源烟气SO2排放浓度数据均值为一组数据对进行比较，共测试10组数据对，比较数据之间的变化趋势和偏差情况。

3 结果与讨论

3.1 仪器基本性能指标测试结果

表4中1～5项 NDIR法便携烟气SO2分析仪性能指标测试结果见图2～图6。可以看出，3种类型的分析仪5项测试指标均优于表4中参考技术指标要求。其中，国产NDIR法便携烟气SO2分析仪除“示值误差”指标与进口同类仪器相比略有差距外，其他指标均基本达到同一水平，而在“响应时间”上甚至快于进口同类仪器(不考虑进样流量的影响);这说明经过近几年的借鉴、引进和吸收，国产NDIR法便携烟气 SO2分析仪的基本性能指标已经基本达到了国际水平，但仪器设备的性能稳定性还有待提高。

图2 示值误差指标测试结果

图3 重复性指标测试结果

图4 响应时间指标测试结果

图5 进样流量变化指标测试结果

图6 负载误差指标测试结果

3.2 污染源现场烟气CEMS比对监测测试结果

3种型号的NDIR法便携烟气SO2分析仪与美国赛默飞世尔MODEL600型烟气 CEMS在污染源排放现场进行比对监测的测试结果见表5。比对监测烟气便携SO2分析仪采样点位与烟气CEMS采样点位在污染源烟气排放烟道的同一断面，共测试数据对10组，每组比对时间为5 min。现场安装的 MODEL600型烟气 CEMS监测原理为直接抽取－非分散红外吸收法。

表5 污染源现场便携SO2分析仪与烟气CEMS比对监测测试结果

3种便携烟气SO2分析仪与烟气CEMS比对监测结果见图7、图8。可以看出，3种便携烟气SO2分析仪与烟气CEMS监测数据变化趋势具有较好的一致性，说明这类NDIR法便携烟气SO2分析仪与烟气CEMS在污染源比对监测中具备良好的可比性;其次，从监测数据的准确性上比较，3种便携监测仪器与烟气CEMS监测数据对均值的相对误差均小于±10%，说明NDIR法便携烟气SO2分析仪能够准确可靠地反映污染源的真实排放情况，同时对安装运行在污染源现场的烟气CEMS的运行状况进行比对、考核。

图7 10组比对监测测试结果变化趋势比较

图8 比对监测中便携仪器与CEMS数据的相对误差

4 结论和建议

4.1 结果与讨论

1)国内外3种NDIR法便携烟气SO2分析仪的技术性能指标和现场应用测试结果:国产NDIR法便携烟气SO2分析仪的基本性能指标和污染源现场应用测试能力已经逐步接近国外同类仪器设备的技术水平，个别技术和功能通过不断改进和创新已经达到国际一流水平。

2)国产NDIR法便携烟气SO2分析仪与同类进口仪器设备相比的差异、优势与不足:①仪器设备的功能。国产仪器与进口同类产品结构基本一致，某些方面扩展了一些新功能，如增加了一体化的冷凝除水单元和蠕动泵排水单元，延长了便携仪器在现场监测中的使用测量时间和整体仪器的使用寿命，更适应中国国情;另外，国产NDIR便携烟气SO2分析仪一般除了配置SO2分析测试单元外，还配备了烟气流速测量设备，在测量排放浓度的同时可通过烟气流速和流量计算，提供烟气SO2等污染物排放速率、排放量的计算结果。②仪器设备的性能质量。国产仪器在产品质量、性能稳定性等方面还需要进一步完善，尤其在产品的外观、系统结构的合理性、使用的便捷舒适性方面还略显不足;另外，国产仪器的某些核心部件(包括检测室等)尚不能完全自主生产，往往还需要进口;这些也是未来仪器设备国产化发展中亟需完善和解决的问题。