用于垃圾焚燒發(fā)電廠的多組分煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
1 系統(tǒng)的組成
MCSIOOEHW多組分煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由取樣系統(tǒng)和多組分紅外分析儀組成，系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。
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取樣系統(tǒng)包括帶加熱過(guò)濾器的高溫取樣探頭、高溫條件下運(yùn)行的測(cè)量／反吹／校準(zhǔn)閥組件和伴熱取樣管線。煙氣中水汽很多，反吹氣不加熱，反吹過(guò)程中可能出現(xiàn)冷凝。機(jī)柜內(nèi)裝有高溫測(cè)量系統(tǒng)，包括使用高溫測(cè)量氣室(最高溫度達(dá)200℃的多組分紅外光度計(jì)，高溫取樣泵，高溫流量計(jì)和加熱樣氣傳輸管線。溫度750℃ 的旁路高溫氣室中裝有一體化氧化鋯傳感器，用于同時(shí)測(cè)量氧濃度。
2 測(cè)量原理
測(cè)量系統(tǒng)采用了時(shí)間雙波長(zhǎng)法和氣體濾波相關(guān)法兩種技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制，進(jìn)行多波長(zhǎng)掃描，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理并計(jì)算出各種氣體的濃度值。組分濃度測(cè)量依據(jù)比爾一朗伯定律：
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式中：A—— 吸光度(被測(cè)氣體吸收后光強(qiáng)度衰減)
I——發(fā)射光強(qiáng)度
I0——測(cè)氣體吸收后的光強(qiáng)度
e—— 吸光系數(shù)
C—— 被測(cè)氣體濃度
d—— 光程長(zhǎng)度
在被測(cè)組分特征吸收波長(zhǎng)處測(cè)量發(fā)射光強(qiáng)度和被測(cè)氣體吸收后的光強(qiáng)度 ，由式(1)計(jì)算出被測(cè)組成的濃度C。
2．1 單光束雙波長(zhǎng)法
單光束雙波長(zhǎng)法的工作原理如圖2所示。
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測(cè)量濾光片和參比濾光片交替進(jìn)入光路，選擇光譜波長(zhǎng)。測(cè)量濾光片的波長(zhǎng)和被測(cè)氣體的吸收波長(zhǎng)一致，因此，當(dāng)測(cè)量濾光片在光路中時(shí)，被測(cè)氣體吸收紅外能量。參比濾光片的波長(zhǎng)與氣體的吸收波長(zhǎng)不同，參比濾光片位于光路時(shí)，被測(cè)氣體對(duì)光能量沒(méi)有吸收。檢測(cè)器接收到的光強(qiáng)度信號(hào)，對(duì)于測(cè)量濾光片是I，對(duì)于參比濾光片是I0。由吸收后的光強(qiáng)度I 和非吸收光強(qiáng)度I0 計(jì)算吸光度A，推導(dǎo)出被測(cè)組分濃度。
2．2 氣體濾波相關(guān)法
氣體濾波相關(guān)法的工作原理見(jiàn)圖3。氣體濾光池填充有高分壓的被測(cè)組分氣體。當(dāng)氣體濾光池進(jìn)入光路時(shí)，測(cè)得參比信號(hào)I0，它與被測(cè)組分濃度無(wú)關(guān)；而當(dāng)空氣室進(jìn)入光路時(shí)，測(cè)得測(cè)量信號(hào)，它與測(cè)量氣室中被測(cè)組分濃度變化相關(guān)。為了準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)組分的的吸收波長(zhǎng)，在測(cè)量光路中加入第二個(gè)濾波輪，干涉濾光片選擇測(cè)量波長(zhǎng)。由測(cè)量得到的I 和 I0計(jì)算吸光度A，推導(dǎo)出被測(cè)組分濃度。
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3 多組分紅外分析儀
多組分紅外分析儀結(jié)合了上面兩種技術(shù)，裝有兩個(gè)濾光氣室輪，總共有多達(dá)14個(gè)濾光(片)氣室。光學(xué)部件結(jié)構(gòu)如圖4所示。一般情況下使用一個(gè)測(cè)量濾光片和一個(gè)參比濾光片或使用1個(gè)測(cè)量濾光片和一個(gè)氣體濾波氣室可測(cè)量一個(gè)組分，因此可同時(shí)測(cè)量8個(gè)組分。干擾組分濃度在最終的測(cè)量結(jié)果中可以扣除。濾光氣室的位置由內(nèi)部處理器控制，在一次測(cè)量過(guò)程中可以對(duì)各組分多次掃描，以提高信噪比。由切光輪完成光束信號(hào)的射頻模式化。測(cè)量過(guò)程中可同時(shí)應(yīng)用單光束雙波長(zhǎng)法和氣體濾波相關(guān)法。
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對(duì)干擾組分的影響采用相加式或相乘式方法，通過(guò)微處理器進(jìn)行扣除，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性和精度。
(1)相加式扣除：若各組分光譜相互重疊，對(duì)被測(cè)量組分構(gòu)成干擾，必須加以消除。首先選擇相應(yīng)的波長(zhǎng)測(cè)量干擾組分濃度(選擇的波長(zhǎng)不能受到其它組分干擾)，然后把測(cè)量到的干擾值輸入到加法QE表中，即可將干擾組分扣除。
(2)相乘式扣除：當(dāng)干擾組分的干擾造成測(cè)量組分的吸光系數(shù)改變時(shí)，可使用校正因子消除干擾。首先選擇不同波長(zhǎng)測(cè)量干擾組分的濃度(選擇的波長(zhǎng)不應(yīng)受到其它組分干擾)，將干擾值輸入到乘法QE表中，即可將干擾組分影響扣除。多組分同時(shí)測(cè)量及干擾參數(shù)的相互扣除，極大地提高了測(cè)量精度。多組分測(cè)量系統(tǒng)將單光束雙波長(zhǎng)和氣體濾波相關(guān)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，只需要一個(gè)氣室和一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有很高的光度測(cè)量精度和穩(wěn)定性，同時(shí)降低了成本，減少了維護(hù)量。
圖5是信號(hào)處理流程。首先將光學(xué)測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成每個(gè)組分的測(cè)量和參比數(shù)字信號(hào)，然后計(jì)算消光值。包括測(cè)量組分消光值和干擾組分消光值。根據(jù)干擾組分對(duì)測(cè)量組分的影響方式，選擇加法運(yùn)算或乘法運(yùn)算，消除干擾。得到的測(cè)量信號(hào)如果是非線性的，則進(jìn)行線性化處理，然后轉(zhuǎn)換成濃度值。
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4 系統(tǒng)特點(diǎn)
高溫取樣系統(tǒng)的特點(diǎn)是，分析過(guò)程中煙氣處于高溫狀態(tài)。取樣部分包括加熱取樣管和加熱的過(guò)濾器部件。零氣、標(biāo)氣和反吹氣都是經(jīng)過(guò)加熱后才到達(dá)過(guò)濾器，防止出現(xiàn)冷凝。泵、流量計(jì)、內(nèi)部過(guò)濾器和內(nèi)部管線也都是在加熱的高溫下工作。采用高溫氧化鋯傳感器測(cè)量O2。高溫取樣技術(shù)能夠保證得到最正確的監(jiān)測(cè)結(jié)果。
多組分紅外線氣體分析器的工作氣室可以在180℃溫度下長(zhǎng)期工作。多次反射氣室的光路長(zhǎng)度分3.18m和6.36m兩種。測(cè)量的氣體包括S02，NO，N O 2，N2O，CO，CO2，NH3，HCl，CH4，H2O等。
所有與氣體介質(zhì)接觸的組件，溫度均高于煙氣的(酸)露點(diǎn)，不會(huì)被煙氣腐蝕。在取樣過(guò)程中除了減少氣體的粉塵濃度以外，其余的所有成分均保持不變。特別是沒(méi)有水分損失，不僅可在需要時(shí)進(jìn)行氣態(tài)水分的測(cè)量，同時(shí)避免了除水造成的測(cè)量誤差和設(shè)備腐蝕。光度計(jì)的電子線路和加熱控制單元集成在19英寸的機(jī)箱內(nèi)。被檢測(cè)成分濃度以線性的4-20mA電流連續(xù)輸出。同時(shí)，狀態(tài)信號(hào)也能夠連續(xù)輸出。輸出信號(hào)通過(guò)數(shù)字通訊接口輸入計(jì)算機(jī)。靈敏度檢查和調(diào)節(jié)也是自動(dòng)進(jìn)行。與系統(tǒng)可靠運(yùn)行有關(guān)的工作變量，如溫度控制回路，氣體流速和光度計(jì)性能等同時(shí)被檢測(cè)。在故障狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切換至待機(jī)模式，用惰性氣體進(jìn)行清洗。然后判斷光度計(jì)的光學(xué)部件是否被污染、檢測(cè)器是否需要維護(hù)。
校準(zhǔn)設(shè)計(jì)成獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，具有所要求的全部控制功能。儀器具有自動(dòng)調(diào)零，自動(dòng)內(nèi)部量程校驗(yàn)，自動(dòng)多路樣氣切換，氣體取樣過(guò)濾器的自動(dòng)反吹和系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)功能，保證維護(hù)周期間隔長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月以上，能對(duì)出現(xiàn)的任何超差做出標(biāo)記。系統(tǒng)的運(yùn)行，除供電以外，只需要儀表空氣作為控制執(zhí)行氣和零氣。
5 多組分紅外分析儀與FIIR光譜儀的對(duì)比
用高溫型FTIR光譜儀也可以進(jìn)行多組分分析，而且測(cè)量的組分較多，對(duì)于有機(jī)氣體混合物的同時(shí)分析有一定的優(yōu)勢(shì)。但是垃圾焚燒煙氣分析的測(cè)量對(duì)象主要是無(wú)機(jī)氣體，使用多組分紅外分析儀就可以滿足需要，價(jià)格較低，易于操作，使用成本也低，是較好的選擇。FTIR光譜儀需要用氮?dú)獯祾吒缮鎯x，操作較復(fù)雜，環(huán)境溫度范圍要求嚴(yán)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)條件比較惡劣的煙氣監(jiān)測(cè)，要用好儀器很不容易。
多組分紅外分析儀和FTIR光譜儀主要指標(biāo)對(duì)比如表1所示。
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