ASP-3000型便携式紫外烟气分析仪环境适应性与稳定性测试研究

许 恒，汤光华

(1.国能粤电台山发电有限公司，广东 台山 529228；2.南京国电环保科技有限公司，江苏 南京 210061)

0 引言

随着《火电厂大气污染物排放标准》[1]与《煤电节能减排升级与改造行动计划》的出台，我国燃煤电厂烟气排放进入超低排放时代，对SO2、NO气态污染物在线监测仪器的要求越来越高。原来主流的红外分析仪表，在检测低浓度气体时普遍存在零点和量程漂移大、检测下限高、仪表线性度差等问题[2-3]，难以满足稳定性和检测精度等要求。

除了在线监测仪器，便携式仪器在低浓度检测 方面也存在类似问题。很多国内外学者对低浓度SO2、NO检测进行了研究[4-12]。便携式SO2和NO测量仪器的原理主要包括紫外差分、非分散红外、非分散红外/化学发光、电化学等。如日本某公司的PG-350便携式烟气分析仪[13]，德国某公司的MGA5+和德图350等。上述进口设备多采用非分散红外法或电化学法，无法完全克服非分散红外和电化学方法的灵敏度低、零点和量程漂移大、易受水分和CO2气体干扰、易受振动影响等共性问题[14]，在低浓度气体检测上存在一定局限性。

针对上述问题，本文介绍了一款ASP-3000型便携式紫外烟气分析仪(简称ASP-3000)，分别在实验室和现场对其环境适应性与稳定性进行了测试，并与进口仪器进行了对比。

1 测试条件与方法

1.1 测试条件

实验室条件下，通过高低温试验箱对4台ASP-3000的环境适应性进行测试，温湿度测试条件从5℃、50%RH变化到45℃、93%RH。测试时，在5℃、50%RH条件下记录仪器初始零点和量程，温湿度提升至45℃、93%RH后对分析仪进行零点和量程漂移等性能指标测试。现场条件下，环境温度(35±5)℃，环境湿度约80%RH，测试时长为4小时，验证仪器的稳定性。具体测试条件列于表1。

表1 测试条件

1.2 测试方法

1.2.1 实验室测试

1)零点漂移测试

温度、湿度分别恒定在5℃和50%RH，对ASP-3000通入N2，3min后记录当前时间和各种组分气体实时值，记录为各组分气体零点读数初始值Z0。随后将试验箱温度、湿度分别升至45℃和93%RH，稳定2h后通入N2，3min后记录不同对应组分气体零点读数终值Z。按下式计算零点漂移：

ΔZ=Z-Z0

(1)

式中：ΔZ为零点漂移；Z0为零点读数初始值；Z为零点读数终值，单位均是μmol/mol。

2)量程漂移测试

温度、湿度分别恒定在5℃和50%RH，对ASP-3000分别通入SO2、NO量程气，3min后记录当前时间和各种组分气体实时值，记录为各组分气体量程读数初始值S0。随后将试验箱温度、湿度分别升至45℃和93%RH，稳定2h后分别通入SO2、NO量程气，3min后记录不同对应组分气体量程读数终值S。按下式计算量程漂移：

ΔS=S-S0

(2)

式中：ΔS为量程漂移；S0为量程读数初始值；S为量程读数终值，单位均是μmol/mol。

3)示值误差测试

在45℃和93%RH条件下，分别对仪器进行零点和量程校准。按2L/min的流量分别通入仪器满量程的25%、55%和85%的气体标准物质，待示值稳定后，记录仪器示值，每种浓度的气体重复上述操作3次。按下式计算示值误差：

(3)

1.2.2 现场测试

选择了2台超低排放机组的脱硫塔出口烟气，在环境温度(35±5)℃，环境湿度约80%RH条件下，ASP-3000先通入N2，3min后记录各组分气体零点读数初始值Z0，再通入量程气，3min后记录各组分气体量程读数初始值S0，连续运行4h(通烟气)，重复上述步骤，分别记录各组分气体零点读数初始值Z和量程读数终值S，按照公式(1)和公式(2)计算零点漂移和量程漂移，并同时与德国进口的采用红外光谱法原理在国内得到广泛应用的烟气分析仪进行比对。

2 测试结果与分析

2.1 实验室测试

2.1.1 零点、量程漂移

ASP-3000的SO2零点、量程漂移如表2所示，4台ASP-3000在SO2的测量中零点漂移最大为0.15μmol/mol，量程漂移最大为-0.37μmol/mol，均分别小于《固定污染源废气 二氧化硫的测定 便携式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)标准要求的≤±3μmol/mol。

表2 ASP-3000的SO2零点、量程漂移 μmol/mol

ASP-3000的NO零点、量程漂移如表3所示。由表3可以看出，4台ASP-3000在NO的测量中零点漂移最大值为0.04μmol/mol，量程漂移最大值为-0.87μmol/mol，均分别小于《固定污染源废气 氮氧化物的测定 便携式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)标准要求的≤±3μmol/mol。

表3 ASP-3000的NO零点、量程漂移 μmol/mol

2.1.2 示值误差

ASP-3000的SO2示值误差如表4所示。可以看出，4台ASP-3000的SO2示值误差最大值分别为0.04、0.24、0.03、0.19μmol/mol，远小于《固定污染源废气 二氧化硫的测定 便携式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)标准要求的≤±3μmol/mol。

表4 ASP-3000的SO2示值误差 μmol/mol

ASP-3000的NO示值误差如表5所示，4台ASP-3000的NO示值误差最大值分别为-0.46、-0.3、-0.90、-0.68μmol/mol，均远小于《固定污染源废气 氮氧化物的测定 便携式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)标准要求的≤±3μmol/mol。

表5 ASP-3000的NO示值误差 μmol/mol

2.1.3 测试结果分析

从实验室的温度、湿度交变试验结果来看，无论是SO2还是NO的零点和量程漂移以及示值误差等性能指标都明显优于上述标准的相关要求，其原因在于ASP-3000烟气组分浓度的核心反演算法中加入了温度补偿模型[15]，补偿的温度区间在-20～250℃，在此区间范围内，模型可以最大限度消除温度对吸收光谱的影响，从而可以获得较好的温度适应性指标。另外，反演算法仅提取被测对象的差分特征吸收信号，水汽的非差分特征吸收信号经算法处理后不会给测量结果带来影响。

2.2 现场测试

2.2.1 零点、量程漂移

除了开展ASP-3000在实验室的环境适应性测试外，本文选取了市场占有率高的某德国进口红外光谱法仪器与ASP-3000进行了现场对比测试，测试数据如表6和表7所示。

表6 零点漂移测试数据 μmol/mol

表7 量程漂移测试数据 μmol/mol

表6表明，现场测试4h后，ASP-3000的NO、SO2零点漂移分别为0.13μmol/mol和0.16μmol/mol。进口仪器的NO、SO2零点漂移为11.9μmol/mol和-1.13μmol/mol，NO零点漂移远高于《固定污染源废气氮氧化物的测定 便携式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)标准要求的≤±3μmol/mol。

表7表明，现场测试4h后，ASP-3000的NO、SO2量程漂移分别为0.36μmol/mol和0.26μmol/mol。进口仪器的NO、SO2量程漂移为-15.7μmol/mol和3.7μmol/mol，远高于《固定污染源废气氮氧化物的测定便携式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)、《固定污染源废气二氧化硫的测定便携式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)标准要求的≤±3μmol/mol。

2.2.2 测试结果分析

从现场的零点、量程漂移测试结果来看，与德国进口仪器相比，ASP-3000具有更好的稳定性。究其原因，ASP-3000在两个方面进行了创新[16]：一是发明了对光谱仪输出波长进行实时在线校准的算法，消除环境温度和振动对输出波长的影响，确保探测器的稳定性；二是开发了光谱重叠交叉修正算法，能够消除被测组分之间以及其他干扰物质的影响。

3 结论

在实验室对4台ASP-3000型便携式紫外烟气分析仪进行零点漂移、量程漂移与示值误差性能测试，SO2、NO的零点漂移最大值分别为0.15μmol/mol和0.04μmol/mol，量程漂移最大值分别为-0.37μmol/mol和-0.87μmol/mol，均分别小于《固定污染源废气 二氧化硫的测定 便携式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)、《固定污染源废气 氮氧化物的测定 便携式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)标准要求的≤±3μmol/mol。SO2、NO的最大示值误差分别为0.24μmol/mol与-0.90μmol/mol，均远小于上述标准要求。现场测试结果表明，与某德国进口红外分析仪相比，ASP-3000型便携式烟气分析仪零点、量程漂移小，性能稳定。

ASP-3000型便携式紫外烟气分析仪具有较好的环境适应性，且性能稳定，可满足《固定污染源废气 二氧化硫的测定 便携式紫外吸收法》(HJ1L131-2020)、《固定污染源废气 氮氧化物的测定 便携式紫外吸收法》(HJ1L132-2020)标准和燃煤电厂超低排放烟气中低浓度SO2、NO的测量要求。