非分散红外法测定烟气中二氧化硫常见问题的探讨

凌慧娇 陶胜康 林雨倩 慕江容 尹平艳 段绍恒

摘   要：非分散红外法是我国环保标准推荐的测定烟气中SO2的方法之一，具有灵敏度高、稳定性好、抗背景气体干扰能力强等特点。但在实际工作中发现，烟气的含湿量以及CH4气体会干扰SO2的测定。对干扰存在的原因进行逐一分析讨论，归纳总结解决问题的办法，最后对使用该方法测定烟气中的SO2提出了建议，为环境监测工作提供参考。

关键词：SO2;非分散红外法;含湿量;CH4

SO2主要来源于煤、石油等含硫燃料的燃烧、含H2S油气井作业中H2S的燃烧排放、含硫矿石的冶炼以及化工、炼油和硫酸厂等的生产过程，具有腐蚀性，会对人的呼吸道、眼睛等器官造成一定的刺激，严重时会导致死亡。随着工业化进程的加快，SO2已成为我国减排和总量控制的重要指标之一，准确、有效地监测固定污染源SO2排放质量浓度，是计算SO2排放总量的基础，也是我国环境执法以及环境管理工作有效开展的技术保障。

非分散红外法是我国环保行业标准推荐的测定固定污染源废气中SO2的方法之一。与其他标准方法相比，该方法一方面具有仪器设备便携、操作简单、在现场监测中能更快速地出具数据且测定范围更广的特点，对比传统碘量法具有明显的优势;另一方面，该方法利用待测特征污染对特征波长红外光具有选择性吸收的原理，可以在SO2测定过程中消除NH4、H2S、HCl、HF、NO2等大部分背景气体的干扰[1]，弥补了定电位电解法的不足。另外，目前国内污染源烟气自动监控系统（Continuous Emission Monitoring System，CEMS）监测大部分采用非分散红外法进行SO2监测。因此，在污染源CEMS比对监测和监督性检查中，采用非分散红外法作为手工参比方法，也可以排除方法差异造成的误差，更具有可比性，且结果更为合理，推荐将该方法用于污染源CEMS比对监测。

虽然非分散红外法在应用上有许多优点，但是在实际工作中，依然存在影响非分散红外法对SO2的测定的干扰因素。本研究主要通过对影响非分散红外法测定SO2的因素的分析，试图找出干扰原因，以提出改进方案，为后续环境监测工作提供参考。

1    非分散红外法仪器的工作原理

传统的非分散红外系统一般由光源、调制器、滤波器和探测器组成，该设备在工作时采用的是宽波长范围的红外光源，光源发射出特定波长的红外光经调制器调制之后分别通过参比气室和测量气室，当测量气室中不含待测气体时，通过两气室的光能量相等，当存在待测气体时，测量室的红外光谱强度发生变化。通过将测量气室测定出的光能量与参比室测得的光能量进行比较，得出光通量的衰减值，进一步计算出待测气体的质量浓度。

对于特定的化合物，其在红外波段的红外特征吸收带都是标准的、确定的，SO2气体红外光谱的特征吸收波长范围为6.82～9.00 μm。本方法采用波长为7.30 μm的红外光照射SO2气体。当光通过SO2气体时，其光通量的衰减值与SO2的浓度符合朗伯-比尔定律，最终可以计算出SO2质量浓度值[2-4]。

2    烟气含湿量的影响

一般情况下，企业的生产工艺以及废气处理工艺都可能会影响烟气的含湿量，如采用湿法脱硫来处理废气时，烟气含湿量可达5%，当脱硫设备老化导致脱水效果不佳时，烟气含湿量能达到12%，甚至更高。当烟气含水量或水蒸气低于饱和湿度时，可以忽略水分对非分散红外法测定结果的干扰。但当烟气含湿量过高时，由于烟气进入取样管路后与管壁接触，气体温度迅速下降而在管路中产生冷凝水，冷凝水会吸收烟气中的SO2，导致最终进入传感器的SO2质量浓度降低，监测结果偏低[5]。

因此，在实际的监测过程中，遇到烟气含湿量较高的情况需采用除湿装置对气体样品进行处理，保证采样管路的相对干燥。目前，除湿装置通常采用烟气冷凝、排出冷凝水的方式进行除湿，一般仪器自带的装置使用效果并不理想，必要时需额外配置更高除湿效率的预处理设备，或通过采取其他加热措施减少水气凝结[6-7]，以确保在预处理过程中能够完全去除水蒸气。

3    干扰气体的影响

非分散红外法是利用不同气体分子对不同频率光子具有选择性吸收的特性，最终得到待测气体特征红外吸收光谱的原理，从而消除其他气体对SO2的干扰，在很大程度上解决了以往使用定电位电解法测定SO2过程中受大部分背景干扰气体影响的问题[8-9]，在抗背景气体干扰方面有着绝对的优势。

虽然该方法去除了大部分干扰气体，但是有研究表明，当烟气中存在CH4时，采用该方法测定SO2仍然存在干扰[10-11]。CH4分子的4個固有振动会相应产生4个基频，波长分别为3.43、6.53、3.31、7.66 μm，全部处于红外波段，并且其中一个7.66 μm的波长就在SO2吸收的范围内，与方法特征波长7.30 μm相近，导致CH4在该波段也会吸收红外光。因此，当烟气中存在较高质量浓度的CH4时，会对SO2的测定产生正干扰。所以，使用非分散红外法测定SO2前，应对仪器开展CH4干扰矫正实验，获得一定CH4质量浓度范围内的干扰矫正，通过计算以获得准确的数据。另外，陆立群等[6]研究表明，由于H2O的红外特征吸收波长与SO2接近，因此，当H2O量较大时也会对SO2的测定存在干扰，产生红外吸收，应在设备上安装除水装置，以减少水分子的干扰。

4    结语

非分散红外法具有灵敏度高、稳定性好、抗背景气体干扰能力强等特点，是一种方便可靠的测定SO2混合气体的方法，目前在污染源监测领域具有较广泛的应用。但在使用该方法开展SO2监测时，还应注意烟气的高含湿量以及CH4对监测结果的影响，本研究通过研究非分散红外法测定SO2时的干扰成因，提出以下建议：

在测定过程中需对烟气的湿度进行预处理，通过增加除湿装置减少进入管路的水蒸气，保证采样管路的相对干燥，一方面减少水分子对红外吸收的影响，另一方面也防止发生冷凝。

在监测前应对仪器开展CH4的干扰校准试验，通过获得一定范围内的矫正因子对设备进行系统矫正，以获得相对准确的检测数据。必要时可在测定SO2前预先测定污染源中CH4的质量浓度，根据测得CH4的质量浓度可更好地进行不同原理监测方法的选择。

[参考文献]

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[2]环境保护部.HJ629-2011固定污染源废气二氧化硫的测定非分散红外吸收法[EB/OL].（2011-09-08）[2020-06-26].http：//www.doc88.com/p-6592585183724.html.

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