本文轉(zhuǎn)自海洋光學(xué)

【概述】

1.引言

我國大氣污染嚴(yán)重，引起社會各界廣泛重視，相關(guān)政策也紛紛出臺。燃煤電廠或鍋爐素來是污染大戶，自然受到國家環(huán)保政策的格外關(guān)注。2014年9月12日，國家發(fā)改委、國家環(huán)保部、國家能源局聯(lián)合發(fā)文“關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知”中要求，穩(wěn)步推進(jìn)東部地區(qū)現(xiàn)役30萬千瓦及以上公用燃煤發(fā)電機(jī)組和有條件的30萬千瓦以下公用燃煤發(fā)電機(jī)組實施大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值的環(huán)保改造。燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值(即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米。

為達(dá)到上述排放標(biāo)準(zhǔn)，大量企業(yè)的廢氣處理設(shè)備需要改造，相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備也要升級。已有的工程經(jīng)驗和實驗室反復(fù)測試表明，由于水分、低濃度氣體組分交叉干擾、儀器線性等多重因素影響，基于單點(diǎn)探測器的非分散紅外分析儀表存在零點(diǎn)和量程飄逸打、環(huán)境適應(yīng)性差能難題，尤其是在二氧化硫、氮氧化物低于50毫克/立方米時，測試精度出現(xiàn)較大偏差，遠(yuǎn)不如基于紫外可見光譜的差分吸收光譜分析技術(shù)（DOAS）可靠。

差分吸收光譜方法（differential optical　absorption　spectroscopy，DOAS）開始是由德國Heidelberg大學(xué)環(huán)境物理研究所的Platt提出，其基本原理就是利用空氣中的氣體分子的窄帶吸收特性來鑒別氣體成分,并根據(jù)窄帶吸收強(qiáng)度來推演出微量氣體的濃度。DOAS可用于城市、地下通道、工業(yè)礦區(qū)的有害氣體的監(jiān)測。該方法具有原理和結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。尤其重要的是，該技術(shù)通過濾波手段，可有效排除顆粒物和水汽對測量的影響，這對于煙氣排放監(jiān)測很有幫助。國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)開展了基于DOAS技術(shù)的超低排放監(jiān)測設(shè)備研制。DOAS技術(shù)的硬件核心是紫外可見光譜儀，海洋光學(xué)的光譜儀產(chǎn)品在該領(lǐng)域有大量應(yīng)用案例，至今德國Heidelberg大學(xué)環(huán)境物理研究所仍在大量使用海洋光學(xué)USB系列光譜儀，用于對流層鹵素物、火山排放、極地大氣化學(xué)和工業(yè)排放等領(lǐng)域的研究。在國內(nèi)，很多知名企業(yè)也在積極進(jìn)入該領(lǐng)域，并取得不錯的效果。

2.基于光譜技術(shù)檢測二氧化硫和氮氧化物

在超低排放領(lǐng)域，用戶關(guān)注對象有煙塵顆粒物，二氧化硫和氮氧化物氣體。SO2是一種無色具有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體，易溶解于人體的血液和其他黏性液。大氣中的SO2會導(dǎo)致戶籍到炎癥、支氣管炎、肺氣腫、眼結(jié)膜炎癥等。氮氧化物的主要代表是一氧化氮，化學(xué)式NO，這是一種無色無味、難溶于水的有毒氣體。一氧化氮帶有自由基，這使它的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?。當(dāng)它與氧氣反應(yīng)后，可形成具有腐蝕性的氣體——二氧化氮（NO2），二氧化氮可與水反應(yīng)進(jìn)一步生成硝酸。二氧化硫的特征吸收峰在200-290nm之間，一氧化氮的特征吸收峰在185-230nm之間，兩種氣體的特征吸收有一定交叉，但因為特征峰差異明顯，可以很容易區(qū)分出來。

基于光譜的煙氣檢測對光譜儀的性能要求比較高，海洋光學(xué)的USB2000+光譜儀在工業(yè)界廣受歡迎，這與該光譜儀高性價比的優(yōu)勢是分不開的。USB2000+由一個強(qiáng)大的2-MHz模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器、可編程模塊，一個2048像素CCD陣列探測器以及一個高速USB2.0接口組成。它不僅是我們目前性價比zui 好的光譜儀，更提供了高達(dá)0.35nm的分辨率（FWHM）。當(dāng)USB2000+光譜儀通過USB2.0的接口與計算機(jī)連接后，用戶可以每毫秒截取并儲存一幅完整的光譜圖像至內(nèi)存中（即每秒1,000幅光譜圖像）。這款備受歡迎的光譜儀可以作個性化配置，靈活性極強(qiáng)，并且所占空間很小，能夠完成多種形式的測量。用戶可以從多種多樣的光譜儀配件和采樣附件中進(jìn)行選擇，打造自己獨(dú)有的光譜測量系統(tǒng)。下圖為USB2000+實物圖片。

概括起來講，該款光譜儀的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

• 模塊 -- 覆蓋200-1100納米范圍，并可與光源、比色皿及其他附件相連接

• 方便 -- 非常適于嵌入到OEM設(shè)備中

• 便攜 –可以在野外使用

• 兼容 — 觸發(fā)功能可以使光譜儀與其他設(shè)備同步

我們將USB2000+光譜儀用于一氧化氮與二氧化硫?qū)嶋H測試，采用海洋光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)軟件采集吸光度數(shù)據(jù)，參考光譜為沒有待測氣體的測量譜。下圖展示了一氧化氮與二氧化硫混合氣體檢測示例圖譜，測試在常溫常壓下進(jìn)行，光譜儀為海洋光學(xué)的USB2000+，光源為脈沖式氙燈。光路為折疊式氣體池，總光程為5m。其中一氧化氮的濃度為20.5ppm，二氧化硫的濃度為5.1ppm。

上圖中縱坐標(biāo)為吸光度，橫坐標(biāo)為波長，其中紅色區(qū)域的特征吸收峰為一氧化氮的兩個特征吸收峰，其中疊加了二氧化硫的部分吸收，兩個黑色區(qū)域內(nèi)是二氧化硫的特征吸收峰。用戶可以在此吸光度信號基礎(chǔ)上，運(yùn)用差分算法，對原始信號進(jìn)行進(jìn)一步分離和提取，或者直接根據(jù)吸光度峰值或面積數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果，推算待測氣體濃度。

3. 結(jié)果討論

基于海洋光學(xué)微型光纖光譜儀檢測二氧化硫和氮氧化物，具有零點(diǎn)和量程漂移小，抗干擾能力強(qiáng)，測量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合強(qiáng)大的軟件二次開發(fā)能力，海洋光學(xué)可以提供集成度高、穩(wěn)定性好的核心功能模塊和技術(shù)服務(wù)，進(jìn)而為有監(jiān)測需求的用戶提供強(qiáng)有力的幫助，助力我國污染治理事業(yè)。