煙氣分析儀的原理檢測(cè)

1 前言
隨著我國(guó)對(duì)大氣污染防治的力度逐年加大，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)逐漸建立起對(duì)污染物的排放監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，連續(xù)污染物排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS系統(tǒng)的安裝總數(shù)也接近兩萬(wàn)套。如何有效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)有效成為了環(huán)保和監(jiān)測(cè)部門的重要關(guān)注點(diǎn)。

便攜的煙氣分析儀應(yīng)用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比對(duì)和校驗(yàn)，以監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)采用了電化學(xué)測(cè)量原理或非分光紅外原理的氣體分析方法。

2 測(cè)量方法和原理

主流的煙氣分析儀大多采用電化學(xué)和非分光紅外的測(cè)試原結(jié)合。 目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的煙氣分析儀還是以進(jìn)口為主，側(cè)重儀器性能及精度的話，則是以德國(guó)益康J2KN煙氣分析儀為。

2.1電化學(xué)測(cè)試原理

電化學(xué)測(cè)試方法又稱為定電位電解法，是國(guó)家對(duì)二氧化硫的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法之一。（HJ/T 57-2000《固定污染源排氣中二氧化硫的測(cè)定 定電位電解法》）。

其核心器件電化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1。
 

 

圖1   電化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)

二氧化硫（SO2）擴(kuò)散通過傳感器滲透膜，進(jìn)入電解層，在恒電位工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；由此產(chǎn)生極限擴(kuò)散電流，在一定范圍內(nèi)，其電流大小與二氧化硫濃度成正比。

電化學(xué)傳感器還可廣泛應(yīng)用于一氧化氮、氯化氫、硫化氫等氣體的測(cè)定。由于傳感器的制作對(duì)工藝和材料的特殊要求，目前仍然主要依賴進(jìn)口。

2.2非分光紅外測(cè)試原理

非分光紅外氣體測(cè)試方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。其核心部件紅外傳感器根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)的不同，又可分為雙光束、微流、微音器等不同類型。固定污染源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的是微流紅外傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳等主要污染物的測(cè)定。近年來(lái)，環(huán)保等相關(guān)部門也開始著手非分散紅外測(cè)定方法的標(biāo)準(zhǔn)制定，以規(guī)范測(cè)試方法的應(yīng)用。

紅外微流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2。

 

  圖2 微流紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

微流紅外傳感器技術(shù)的工作原理為：紅外光源①發(fā)出的紅外光，經(jīng)過切光器②調(diào)制頻率后，進(jìn)入測(cè)量氣室④；由于二氧化硫等異種原子構(gòu)成的分子對(duì)紅外光具有吸收特性，若測(cè)量氣室④中存在上述氣體，則進(jìn)入測(cè)量氣室的部分紅外光會(huì)被吸收，未被吸收的紅外光進(jìn)入檢測(cè)器⑤。檢測(cè)器⑤由前氣室、后氣室、微流傳感器⑥組成，前、后氣室充滿待測(cè)組分的氣體。在紅外光的作用下，檢測(cè)器前、后氣室中的氣體發(fā)生膨脹；由于存在膨脹差異，會(huì)導(dǎo)致前、后氣室之間產(chǎn)生微小的流量；微流傳感器⑥檢測(cè)到該流量后，產(chǎn)生交流電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)處理后得到氣體的濃度。

3電化學(xué)分析儀的應(yīng)用分析

電化學(xué)分析儀具有小型、輕便、快捷等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)應(yīng)用較多。但國(guó)內(nèi)傳感器制作技術(shù)有限，大部分仍需進(jìn)口傳感器，使用成本較大。實(shí)際使用中電化學(xué)儀器還會(huì)普遍存在取樣流量、氣體交叉干擾以及前處理等方面的問題。

3.1 取樣流量對(duì)電化學(xué)儀器的影響

采用電化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)的煙氣分析儀，不論是國(guó)產(chǎn)儀器，還是國(guó)外進(jìn)口儀器，在使用過程中經(jīng)常碰到“測(cè)不準(zhǔn)”問題，即在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)氣體是好的，到了現(xiàn)場(chǎng)卻測(cè)不準(zhǔn)。這是因?yàn)椋娀瘜W(xué)傳感器對(duì)流速的變化極為敏感。通常電化學(xué)類煙氣分析儀的測(cè)試讀數(shù)與采氣流速呈“正相關(guān)”。

HJ/T 57-2000《固定污染源排氣中二氧化硫的測(cè)定 定電位電解法》標(biāo)準(zhǔn)特別強(qiáng)調(diào)：“采氣流速的變化直接影響儀器的測(cè)試讀數(shù)”。

國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)總站《火力發(fā)電業(yè)建設(shè)項(xiàng)目竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中也寫道：“定電位電解法監(jiān)測(cè)儀器對(duì)采樣流量要求甚嚴(yán)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示與采樣流量的變化成正比，當(dāng)儀器采樣流量減小時(shí)（例如煙道負(fù)壓大于儀器抗負(fù)壓能力），監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯變小。在使用時(shí)為了減少測(cè)定誤差，儀器的工作流量應(yīng)與標(biāo)定（校準(zhǔn)）時(shí)的流量相等”。

而煙道內(nèi)煙氣，既有正壓工況的，也有負(fù)壓工況的，甚至存在壓力忽大忽小的變化工況。情況下，有些煙道還存在很大的負(fù)壓（如寶鋼燒結(jié)機(jī)頭負(fù)壓=20kPa）。針對(duì)大多數(shù)煙道負(fù)壓的情況居多，德國(guó)益康J2KN煙氣分析儀配置了大功率取樣氣泵。這一措施有效避免了抽不出氣的問題，從而改變“負(fù)壓降低采氣流速”的問題。而同類品牌不少煙氣分析儀則因?yàn)槌榱Σ粔?，遇到煙道?fù)壓工況時(shí)，檢測(cè)示值一定低于實(shí)際氣體濃度。也就是說，只要你現(xiàn)場(chǎng)采氣流速不等于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定流速，測(cè)試示值肯定不準(zhǔn)。因此，選擇煙氣分析儀時(shí)，抽氣量是我們不得不考慮的一個(gè)重要因素。

而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，流速對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響往往難以暴露，只有當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)明顯偏離時(shí)才會(huì)引起注意。所以對(duì)儀器操作人員提出了較高的要求，必須嚴(yán)格控制儀器標(biāo)定和采樣的流量，盡量保持一致。

3.2 氣體交叉干擾對(duì)電化學(xué)儀器的影響

電化學(xué)傳感器通過設(shè)置不同的電極電位，使得傳感器對(duì)應(yīng)某一特定氣體敏感，從而達(dá)到測(cè)定的目的。但對(duì)于電極電位相似的氣體，會(huì)產(chǎn)生交叉干擾。

提供電化學(xué)傳感器的城市科技公司也明確給出了氣體交叉干擾的參考數(shù)據(jù)：