便携式傅里叶红外烟气分析仪的研制与应用

2020-09-03周新奇慎石磊郭中原王越峰王芸芸俞晓峰

分析仪器 2020年4期

周新奇马帅慎石磊郭中原王越峰王芸芸俞晓峰

(杭州谱育科技发展有限公司，杭州 300203)

1 引言

燃煤、垃圾等焚烧的烟气排放造成严重环境污染[1]，烟气中的SO2、HCl、NOx、NH3等气体因子严重危害人体健康[2]。国家已出台相应的法律政策，从严治理烟气排放，严格控制烟气中相应危害气体因子的排放浓度[3]，并要求安装相应的在线分析设备，在线监测数据实时接入环境监控平台，且要求对在线设备的运行情况周期性进行监督审查，确保在线监测数据准确可靠[4]。

目前，对在线仪器进行比对监督主要以便携式仪器为主，其中便携式傅里叶红外气体分析仪因监测因子种类多，灵敏度高而受到广泛欢迎[5]。目前该类设备尚缺乏成熟可商用的国产同类产品，为改变该状况，杭州谱育科技发展有限公司自主开发了迈克尔逊干涉仪，在此基础上集成研制便携式傅里叶红外气体分析仪。本文介绍了傅里叶红外气体分析仪自主开发的基本情况，并在实验室及烟气排放现场进行实验验证，检验国产便携式傅里叶红外气体分析仪的性能。

2 便携式傅里叶红外气体分析仪

便携式傅里叶红外气体分析仪是为现场快速检测气体组分而设计的一款仪器，遵循携带方便，操作简单的原则进行设计。

2.1 硬件系统

图1和图2分别为便携式傅里叶红外气体分析仪样机的主机实物图与结构示意图。该分析仪硬件系统由主机和高温采样附件组成。仪器主机主要由控温激光光源、SiC红外光源、角镜转动型迈克尔逊干涉仪、光电传感器、信号处理电路模块、气体池及工控机等几个部分组成。其运行原理为：激光光源发出单色光，经过迈克尔逊干涉仪后，产生相干光，该相干光信号被激光传感器接收转变成正弦形状的电信号，经滤波整形处理成方波，用于监控红外光源的干涉信号采集。空冷型SiC红外光源发出的红外光经过迈克尔逊干涉仪，产生相干光，该相干光被气体池中的待测气体组分部分吸收后，剩余部分的光被红外探测器接收，转变成电信号，经滤波放大后形成干涉图，该干涉图经傅里叶变换、相位校正等一系列数学处理，得到相应频谱图。被测气体样品的频谱图与背景频谱图进行对照，即可计算得到样品的吸收光谱，并进一步计算得到最终检测结果。

图1 便携式傅里叶红外气体分析仪

图2 便携式傅里叶红外气体分析仪结构示意图

采样附件主要由高温采样枪、伴热管组成。高温采样枪对抽取的烟气进行粉尘和颗粒物初步过滤；同时为防止高含湿量烟气水分冷凝[6]，影响检测结果的准确度，采样枪整体被加热到180℃。热烟气经过伴热管(温度控制为180℃)，被高温抽气泵抽进气体池中进行检测。

气体池为多次反射池，温度控制为180℃，腔体设计长度为0.25m，经过20多次反射，实现5m光程。气体池内反射镜基体采用耐腐材料，同时表面镀高反射率膜，在有效防腐的同时兼具较好的通光效率，以保证长久的使用寿命。

在气体池上集成了氧化锆测氧模块和光学检测模块，保证氧气组分与其他气体组分检测时，样品的状态及所处条件完全一致，实时监测氧气含量，保证折算成基准氧含量下其他气体组分排放浓度的准确性。

分析仪内部集成了GPS和北斗地理定位系统，感知仪器位置的精度达到5m，可精确定位仪器位置，有效追踪主机的工作地点，避免污染源监测点位不准确，有助于环境管理部门对仪器现场工作情况进行监督，可预防发生监测数据弄虚作假事件。而且仪器检测出的每一条光谱中均嵌入地理经纬度信息，可保证数据严格溯源。

仪器主机内还配置有wifi模块，可通过无线方式与其他终端互联，如可通过笔记本电脑或平板电脑连接并操作仪器，实现仪器远程操控，降低现场人员在烟囱高空作业的体能消耗。

2.2 软件系统

软件是科学仪器的灵魂，谱育科技在便携式傅里叶红外气体分析仪硬件基础上，开发相配套的系统软件，该系统软件分为两部分：其一为建模软件，其二为测量分析软件。建模软件利用测量分析软件采集的相应光谱，通过一系列运算方法，构建分析模型，而测量分析软件则利用构建好的分析模型进行待测气体的定性定量检测。

2.2.1建模软件

建模软件的主要功能是利用算法关联气体光谱和定量定性信息，建立相应的数学模型，并可利用数学模型实现未知样品的预测分析。建模软件在定量分析上支持偏最小二乘法回归分析(PLS)构建分析模型。软件提供启发式建模操作方式，使用者可根据自身经验和软件推荐的默认参数，调整建模的过程参数，从而优化模型。

2.2.2测量分析软件

测量分析软件主要包括仪器管理、测量管理和数据管理3大功能。软件界面如图3所示。该软件的仪器管理部分实现仪器硬件驱动、光学性能自检、器件自检、硬件故障报警等功能。测量管理主要实现检测参数修改、分析项目创建删除、模型更新、采集光谱并进行定性定量结果计算等功能。数据管理功能将样品光谱和检测结果性质值存储在数据库中，通过数据管理功能实现查看、删除、导出等操作，并可对数据进行统计分析，给出检测结果的趋势分析图，导出分析报告。在数据管理中还可以将气体检测结果之间的量纲进行转换，并能按指定模式进行干湿烟气折算和标准氧含量下折算等操作。

图3 测量分析软件主页面

3 实验与验证

3.1 SO2标气测定验证

3.1.1实验材料

SO2标准气体(51.3 μmol/mol浓度，不确定度2%)和高纯N2(浓度>99.999%)气体购自杭州新世纪标准气体有限公司。杭州谱育科技发展有限公司生产的多路气体校准仪D-1000用于稀释SO2标准气体。

3.1.2示值误差测定

待便携式傅里叶红外气体分析仪的采样泵、气体池加热到180℃，且仪器运行稳定后，通入N2气体进行背景扫描；依次通入用气体动态配气仪配置的浓度为40 μmol/mol、25 μmol/mol 和10 μmol/mol浓度的SO2标气，连续测量光谱，待示数稳定后读取SO2示值。再次通入N2气体回零，重复测试3次，以示值的平均值计算示值误差，所得结果如下表1所示，示值相对误差小于1.5%。

表1 SO2单标气示值误差测定结果

3.1.2重复性测定

待便携式傅里叶红外气体分析仪的采样泵、气体池加热到180℃，且仪器运行稳定后，通入N2气进行背景扫描；通入用气体动态配气仪配置浓度为40 μmol/mol的SO2标气，待读数稳定后读取SO2示值，然后再次通入背景N2气回零，重复上述操作6次，重复性以相对标准偏差计算。所得结果如表2所示，重复性相对标准偏差小于0.5%。

表2 SO2单标气重复性测定结果

3.2 水气对SO2测定的交叉影响

SO2的红外吸收光谱与水气的红外吸收光谱重叠度很高(如图4所示)。在实际检测工作中需要考虑水气对SO2的交叉干扰[7]。本节探讨在实验室条件下，低浓度水气对SO2测定的交叉影响。

图4 H2O与SO2的标气光谱

3.2.1实验材料

SO2标准气体(51.3 μmol/mol浓度，不确定度2%)和高纯N2(浓度>99.999%)气体购自杭州新世纪标准气体有限公司。采用杭州谱育科技发展有限公司生产的多路气体校准仪D-1000用于稀释SO2标准气体。

3.2.2实验过程

设备连接图如图5所示。

图5 设备连接图

通过多路气体校准仪将SO2标气稀释浓度为50μmol/mol、40μmol/mol、30μmol/mol、20μmol/mol和10μmol/mol，以1 L/min的流量通入伴热管线，同时采样枪采集空气通入到伴热管线中，利用空气水分含量稳定的特点，将空气和SO2标气在伴热管内被加热混合后进入傅里叶红外气体分析仪，仪器连续记录SO2示值。

3.2.3数据分析

监测时间段FTIR采集的样品吸收光谱如图6所示。两条光谱非常相近，为区别起见，将其中一条光谱整体向上平移0.1个ABS单位。

图6 空气中混合SO2后得到的样品红外光谱

将图6中两条光谱相减，得到的差谱如图7所示，该差谱与SO2标气光谱形状一致。

图7 不同浓度SO2的样气光谱相减得到的差谱

监测时间段内H2O和SO2组分趋势图如图8所示，SO2以左纵轴为坐标，H2O以右纵轴为坐标。从图8中可知：前后两段时间内，没有通入SO2标气情况下，SO2示值接近0，而H2O示值平均值为1.17%，而在中间阶段通入SO2标气情况下，SO2的示值呈现阶梯性变化，其变化的结果如表3所示。

图8 混合气体监测趋势图

表3 SO2示值阶梯差 μmol/mol

从表3中可知，每一个阶梯相差的平均值为4.742 μmol/mol，而此时通入的标气浓度相差10 μmol/mol，计算得到标气的稀释比例为 4.742/10=0.472；此时通入的SO2标气流量为1 L/min，而空气流量计显示通入的空气流量约1.1 L/min空气，故SO2标气的被空气稀释比例为而1/(1+1.1)=0.476，该值与SO2示值比例计算得到的稀释比例基本一致，说明空气中H2O气体不影响SO2测定的准确性。

3.3 测定烟气中SO2

本节探讨在烟气工况条件下，便携式傅里叶红外气体分析仪检测SO2含量情况。

实验用SO2标气采购自梅塞尔公司，标气浓度100.6 mg/m3，不确定度小于<2%。本节实验过程同3.2节，所不同的是，在垃圾焚烧厂排气烟囱进行实验，通入采样枪的是含湿量较高的烟气。仪器中样气通入的顺序为：先通入纯粹烟气然后再通入混合了SO2标气的混合烟气，混合烟气中依次通入1 L/min流量的80 mg/m3、50 mg/m3、10 mg/m3浓度SO2气体。在SO2标气与高湿烟气混合前，先将标气经由另一伴热管加热到180℃，确保烟气不冷凝。仪器监测水气和SO2示值结果如图9所示，SO2以右纵轴为坐标，H2O以左纵轴为坐标。监测烟气按时间顺序得到的平均值如表4所示。