CN102809546B - 一种低浓度烟气红外分析仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种低浓度烟气红外分析仪及检测方法，提供一种高精度、高可靠性的低浓度烟气分析仪，本发明的气态污染物检测单元8包括红外光源10及设置在其后的切光器11，沿光路布置在切光器后依次为吸收池12、测量气室13、滤光器14、检测传感器15；在吸收池12上设吸收池样气进口16和吸收池样气出口17，测量气室13沿光路方向分隔分别为样品池20、参比池21，以进行烟气的高精度测量，本发明通过非分散红外单色光源照射样品气对待测样品气进行定量精确分析。本发明除了适合于NO低浓度烟气的测量，也可应用于对低浓度CO、CO₂等烟气的检测。

Description

一种低浓度烟气红外分析仪及检测方法

技术领域

本发明属于烟气监测设备领域，尤其是一种低浓度烟气红外分析仪及检测方法。

背景技术

现有的低浓度气体在线检测方法采用非分散红外吸收光度法居多。其基本原理为：通过非分散红外单色光源照射样品气后，样品中的分子会吸收某些波长的光；没有被吸收的光到达检测器。检测器检测到该光强后，产生交流电压信号，信号经放大处理后，通过计算机运算分析，得到气体对应的吸光度值。由于吸收度正比于试样中该成分的浓度，利用获得的吸光度的大小和光谱，并根据吸收与已知浓度的标样的比较，即可对待测样品气进行定量精确分析。例如：申请号为201110043686.9的中国发明专利申请公开了一种非分散红外多组分烟气分析仪产品，其中，样品池采用多次反射池结构，增加气体吸收光程。

上述检测方法的核心部件是红外检测器；根据应用特点的不同，可分为双光束、微流、微音器等不同类型。例如：武汉四方光电科技有限公司在《微流红外气体分析仪器在CEMS应用中的关键难点及检定方法探讨》论文中公开了该公司发明的微流红外传感器结构：检测器由前气室、后气室、微流传感器组成，前、后气室沿光路方向前后顺序布置，并充满待测组分的气体。在红外光的作用下，检测器前、后气室中的气体发生膨胀；由于存在膨胀差异，会导致前、后气室之间产生微小的流量；微流传感器检测到该流量后，产生交流电压信号，信号经处理后得到气体的浓度。

归纳起来，上述烟气红外分析仪存在如下问题：

1）样品池或吸收池，如采用多次反射池结构来增加气体吸收光程，光路设计较为复杂，镜面结构和工艺要求较高，容易产生干涉条纹、光学像差、甚至记忆效应（针对吸附性较强的气体），从而造成测量精度的降低；

2）红外检测器：前、后气室如采用沿光路方向前后顺序布置，使得穿过测量室的红外光进入吸光室后，又接着穿过另一个气室，容易干扰释电探测器的测量精度，较难稳定地实现低浓度气体的测量。

发明内容

为解决上述技术问题，提供一种高精度、高可靠性的低浓度烟气分析仪，本发明采用的技术方案如下：

一种低浓度烟气红外分析仪，包括机箱1、加热控制单元2、输出显示单元3、数据采集处理单元4、供电电源5；机箱1内设置烟气管路，滤水过滤装置6设置在烟气管路进口，烟气管路上分别设置温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器7、气态污染物检测单元8；所述的气态污染物检测单元8包括红外光源10及设置在其后的切光器11，沿光路布置在切光器后依次为吸收池12、测量气室13、滤光器14、检测传感器15；在吸收池12上设吸收池样气进口16和吸收池样气出口17，测量气室13沿光路方向分隔分别为样品池20、参比池21，参比池21内封装标准气体，样品池20设样品池样气进口18和样品池样气出口19，吸收池样气出口17与样品池样气进口18相连通。

上述技术方案中，检测传感器15可以优选微流气动探测器，结构包括透射窗口22、吸光室23、气体补偿室24、气体过滤器25，吸光室23和气体补偿室24之间有通道26连接，通道26内设置有铂丝和气动热释电探测器，吸光室23设置在正对透射窗口22位置，气体补偿室24为环状环绕在吸光室23外围。

本发明的吸收池12的长度为100mm~240mm，长度选择取决于待测气体浓度大小；一般待测气体浓度越低，吸收池长度就越长，以便能让单色光被某种波长的气体充分吸收，在光谱图中形成明显的吸收峰特征。

本发明的参比池21内封装的标准气体为浓度为100mg/m³的NO；当待测气体浓度超标时，本发明分析仪将自动报警，判定气体不合格。如果需要兼容各种浓度的气体检测，可以根据客户要求封装特定浓度的待测气体在参比池内。

本发明的低浓度烟气红外检测方法，包括如下步骤：

步骤1、向低浓度烟气红外分析仪中通入氮气N₂，至氮气N₂充满吸收池12和样品池20；

步骤2、红外光源10发出单色光，经切光器11切光后形成两束光；一束光依次通过吸收池12、样品池20、滤光器14到达检测传感器15，测量获得光的强度I₀；另一束光依次通过吸收池12、参比池21、滤光器14到达检测传感器15，测量获得光的强度I_参；

步骤3、通过公式T_参=I_参/ I₀，获得通入氮气N₂透射率T_参；

步骤4、氮气N₂排出；

步骤5、将待测气体通入低浓度烟气红外分析仪，经滤水过滤装置6过滤干燥后，充满吸收池12和样品池20；

步骤6、红外光源10发出单色光，经切光器11切光后形成两束光；一束光依次通过吸收池12、样品池20、滤光器14到达检测传感器15，测量获得光的强度I；

步骤7、通过公式T=I/ I₀，获得通入待测气体透射率T；

步骤8、记参比池21内封装标准气体浓度为C_参；

步骤9、通过公式C =（logT/logT_参）C_参。，计算得到待测气体浓度C。

本发明的原理如下：非分散红外吸收光度法是一种新型的气体浓度检测方法：通过非分散红外单色光源照射样品气后，样品中的分子会吸收某些波长的光；没有被吸收的光到达微流检测器。微流检测器检测到该光强后，产生交流电压信号，信号经放大处理后，通过计算机运算分析，得到气体对应的吸光度值。由于吸收度正比于试样中该成分的浓度，利用获得的吸光度的大小和光谱，并根据吸收与已知浓度的标样的比较，即可对待测样品气进行定量精确分析。

本发明适用于低浓度气体的测量，尤其是针对低浓度NO气体的测量，利用NO气体低浓度值的测量灵敏度及其对红外光的敏感吸收特点，专门增加一个吸收池，测量时，让红外光束依次穿过吸收池、样品池而到达检测传感器，以便能让通过的单色光被NO气体充分吸收，使穿过样品池后进入检测器获得的透射率T更大，以解决待测气体浓度很低时、透射率T较低、无法精确测量气体低浓度值的难题，提高了分析仪探测灵敏度和抗多组分相互干扰的能力。

本发明利用切光器使得单一光源发出的红外光束变为双光束，采用双光束分光光度法测量，相比其他光学测量技术，具有以下明显优点：通过参比光随时监测光强变化并对变化的影响进行校正的作用，可自动消除光源强度变化所引起的误差，避免由于电源波动或者光源老化引起的测量误差，同时也消除了放大器增益变化和光学及电子学元器件对两条光路不平衡的影响，从而使得飘移减小、基线平直度提高，而且不随温度的变化而变化，提高了仪器的稳定性。

更进一步，本发明的检测传感器采用微流气动探测器，利用微流气动原理，设计有里外两个气室；里面气室位于中间，作为吸光室；外层作为补偿之气室；里外气室之间很细的通道内设置了铂丝和气动热释电探测器；由于沿光路方向只布置有吸光室，保证了所有穿过吸收池、样品池的光束只由吸光室探测获得，从而确保分析仪的检测精度和灵敏度，结构更加合理，特别适合于NO等低浓度烟气的测量。而按照目前国际上公布的已有微流检测器结构，是沿光路方向前后顺序布置这两个气室，导致穿过测量室的红外光进入吸光室后，又分别穿过另一个气室，容易干扰释电探测器的测量精度，使得这种结构显然不适合于低浓度的气体测量。

本发明可受益的行业有：精炼、石化和化学处理、冶金生产、硬化热处理、天然气生产和分配，易燃混合气体的测量、生物技术、垃圾填埋处理、锅炉烟道气体分析、电厂、过程熔炉和焚化炉、各地CEMS集成商和环监站等。本发明除了适合于NO低浓度烟气的测量，也可应用于对低浓度CO、CO₂等烟气的检测。

附图说明

图1为本发明实施例烟气分析仪的结构布局图。

图2为本发明气态污染物检测单元结构示意图。

图3为本发明气态污染物检测单元双路布置结构示意图。

图4为微流气动探测器结构主视图。

图5为微流气动探测器结构右视图。

具体实施方式

实施例1：

图1为本发明实施例烟气分析仪的结构布局图，如图所示，包括机箱1、加热控制单元2、输出显示单元3、数据采集处理单元4、供电电源5；机箱1内设置烟气管路，滤水过滤装置6设置在烟气管路进口，烟气管路上分别设置温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器7、气态污染物检测单元8；机箱内还包括一个烟气多参数测量腔9，温度传感器、压力传感器、湿度传感器均设置在烟气多参数测量腔9内。

本实施例的气态污染物检测单元8，包括红外光源10及设置在其后的切光器11，沿光路布置在切光器后依次为吸收池12、测量气室13、滤光器14、检测传感器15；在吸收池12上设吸收池样气进口16和吸收池样气出口17，测量气室13沿光路方向分隔分别为样品池20、参比池21；参比池21内封装标准气体，检测过程中，当待测气体浓度超标时，本发明分析仪将自动报警，判定气体不合格。样品池20设样品池样气进口18和样品池样气出口19，吸收池样气出口17与样品池样气进口18相连通。切光器11调制红外光源10发出的光束形成两束单色光，一束经吸收池12进入测量气室13，另一束经吸收池12进入参比池21，两束单色光交替照射。

上述技术方案中，检测传感器15可以优选微流气动探测器，结构如图4图5所示，包括透射窗口22、吸光室23、气体补偿室24、气体过滤器25，吸光室23和气体补偿室24之间有通道26连接，通道26内设置有铂丝和由TaLiO₃为主要材料制成的气动热释电探测器，两气室的压力泄露率要求小于10^-11mbar/s。吸光室23设置在正对透射窗口22位置，气体补偿室24为环状环绕在吸光室23外围。当穿过测量室的红外光进入吸光室23时，吸光室23中的气体发生膨胀；由于存在膨胀差异，会导致吸光室23和气体补偿室24之间产生微小的流量；气动热释电探测器检测到该流量后，即可产生测量所需要的交流电压信号。

微流气动探测器只探测样品气中的单个组分，每个微流气动探测器的吸光室23和气体补偿室24预先封装需要检测的待测组分气体；例如测量NO则预先封装NO气体，测量CO则预先封装CO气体。

实施例2：

如图3所示，为提高烟气分析仪的利用效率，气态污染物检测单元8平行设置两个，其他结构同实施例1，可同时针对不同污染物进行测量，只需要在参比池21中封装不同的标准气体并选择想对应的检测传感器即可，可优选封装NO和CO标准气体。

实施例3：

检测传感器15为测量量程在0~100~3000 mg/m³（双量程）的NO传感器；参比池21封装NO标准气体。数据采集与处理单元包括前端控制系统、电路系统、软件分析计算系统；输出显示单元包括显示屏、按键、通讯单元、通讯串口等组成。滤水过滤装置6为滤水膜，能够阻挡烟气中的液态水通过，保护机箱中的传感器。加热控制单元2对机箱内部的烟气管路加热，确保系统处于恒温状态下。烟气进入机箱后，经温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器测量各项背景参数后即可进行NO浓度测量。

吸收池12长度选择：与待测气体组分的吸收特性有关；一般待测气体浓度小于50 mg/m³以下时，推荐选用长度200mm~240mm；否则选用长度100mm；本发明的NO或CO检测吸收池长度均选为200mm。

参比池21内预先封装的标准气体配制：将NO或CO气体分别与氮气N₂（N₂吸收峰较少或不干扰待测气体测定）配制成相同浓度C_NO标=C_CO标=100mg/m³的标准气体；然后分别封装在对应气体的光路中参比池21内。每个参比池封装一种与待测气体相同的标准气体。

低浓度气体的测量具体步骤如下：

步骤1、向低浓度烟气红外分析仪中通入氮气N₂，至氮气N₂充满吸收池12和样品池20，一般选择99.99%纯度的氮气N₂；

步骤2、红外光源10发出单色光，经切光器11切光后形成两束光；一束光依次通过吸收池12、样品池20、滤光器14到达检测传感器15，测量获得光的强度I₀；另一束光依次通过吸收池12、参比池21、滤光器14到达检测传感器15，测量获得光的强度I_参；

步骤3、通过公式T_参=I_参/ I₀，获得通入氮气N₂透射率T_参；

步骤4、氮气N₂排出；

步骤5、将待测气体通入低浓度烟气红外分析仪，经滤水过滤装置6过滤干燥后，充满吸收池12和样品池20；

步骤6、红外光源10发出单色光，经切光器11切光后形成两束光；一束光依次通过吸收池12、样品池20、滤光器14到达检测传感器15，测量获得光的强度I；

步骤7、通过公式T=I/ I₀，获得通入待测气体透射率T；

步骤8、记参比池21内封装标准气体浓度为C_参；

步骤9、通过公式C =（logT/logT_参）C_参。，计算得到待测气体浓度C。

再通过数据采集处理单元4和输出显示单元3，即可输出待测气体NO或CO的浓度值。

在进行上述测量步骤的同时，通过烟气多参数测量腔9中的湿度传感器、温度传感器和压力传感器，预先测得湿度、温度和压力三个参数，得到待测气体的环境参数数据，从而获得标准状态条件。

实施例4：

烟气分析仪结构同实施例1，在低浓度烟气红外分析仪内，参比池21内封装的标准气体为浓度为100mg/m³的NO（GB13223-2003《火电厂大气污染物排放标准》中NO标准限值）；此时通过实施例3的测量步骤及其中的公式C =（logT/logT_参）C_参，则可以快速判断待测气体中的NO浓度是否超标。

当待测气体浓度超标时，本发明分析仪将自动报警，判定气体不合格。如果需要兼容其他浓度或者种类的气体检测，可以根据客户要求改变参比池21内封装的特定浓度的气体，灵活机动，可根据市场需要随时进行调整。

Claims (4)

1.一种低浓度烟气红外分析仪，包括机箱（1）、加热控制单元（2）、输出显示单元（3）、数据采集处理单元（4）、供电电源（5），机箱（1）内设置烟气管路，滤水过滤装置（6）设置在烟气管路进口，烟气管路上分别设置温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器（7）、气态污染物检测单元（8），其特征在于：所述的气态污染物检测单元（8）包括红外光源（10）及设置在其后的切光器（11），沿光路布置在切光器后依次为吸收池（12）、测量气室（13）、滤光器（14）、检测传感器（15），在吸收池（12）上设吸收池样气进口（16）和吸收池样气出口（17），测量气室（13）沿光路方向分隔分别为样品池（20）、参比池（21），参比池（21）内封装标准气体，样品池（20）设样品池样气进口（18）和样品池样气出口（19），吸收池样气出口（17）与样品池样气进口（18）相连通；所述的检测传感器（15）为微流气动探测器，包括透射窗口（22）、吸光室（23）、气体补偿室（24）、气体过滤器（25），吸光室（23）和气体补偿室（24）之间有通道（26）连接，通道（26）内设置有铂丝和气动热释电探测器，吸光室（23）设置在正对透射窗口（22）位置，气体补偿室（24）为环状环绕在吸光室（23）外围。

2.根据权利要求1所述的低浓度烟气红外分析仪，其特征在于：吸收池（12）的长度为100mm~240mm。

3.根据权利要求1所述的低浓度烟气红外分析仪，其特征在于：参比池（21）内封装的标准气体为浓度为100mg/m³的NO。

4.一种低浓度烟气红外检测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的低浓度烟气红外分析仪，具体还包括如下步骤：

步骤1、向低浓度烟气红外分析仪中通入氮气N₂，至氮气N₂充满吸收池（12）和样品池（20）；

步骤2、红外光源（10）发出单色光，经切光器（11）切光后形成两束光；一束光依次通过吸收池（12）、样品池（20）、滤光器（14）到达检测传感器（15），测量获得光的强度I₀；另一束光依次通过吸收池（12）、参比池（21）、滤光器（14）到达检测传感器（15），测量获得光的强度I_参；

步骤3、通过公式T_参=I_参/ I₀，获得通入氮气N₂透射率T_参；

步骤4、氮气N₂排出；

步骤5、将待测气体通入低浓度烟气红外分析仪，经滤水过滤装置（6）过滤干燥后，充满吸收池（12）和样品池（20）；

步骤6、红外光源（10）发出单色光，经切光器（11）切光后形成两束光；一束光依次通过吸收池（12）、样品池（20）、滤光器（14）到达检测传感器（15），测量获得光的强度I；

步骤7、通过公式T=I/ I₀，获得通入待测气体透射率T；

步骤8、记参比池（21）内封装标准气体浓度为C_参；

步骤9、通过公式C =（logT/logT_参）C_参，计算得到待测气体浓度C。