CN107764774A - 一种同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大气污染物监测技术，旨在提供一种同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的装置及方法。包括分别通过激光控制器与信号发生器相连的一氧化氮激光器和氨气激光器，其出射光路上各设一个准直器；在光路交汇处设有第一窄带滤光片，用于将两路激光信号耦合后沿一条光路射入测量腔；第一窄带滤光片、测量腔和第二窄带滤光片位于同一光路上，后者用于将射出的激光信号重新分开并投射至两个用于接收激光信号的测量探测器上，两个测量探测器分别通过数据采集单元与计算机相连。本发明能够更准确地掌握烟道内NO与NH3分布情况，有利于更加精确地控制局部某点的喷氨量。简化了测量光路的布置，使整个装置布局更加紧凑，占用面积更小。

Description

一种同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的装置及方法
技术领域
本发明涉及大气污染物监测技术，具体涉及一种基于激光吸收光谱的同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的装置及方法。
背景技术
随着我国工业水平的提高，大气污染问题越来越引起人们的重视。氮氧化物作为一种主要的大气污染物，绝大部分来自与燃烧过程中产生的一氧化氮(NO)。氮氧化物进入大气会形成酸雨，还与光化学烟雾的形成和臭氧层破坏有关。目前，控制氮氧化物排放是我国治理大气污染的重要措施，烟气脱硝技术作为主要的技术手段得到了广泛的使用。
在我国，干法脱硝是火电厂广泛应用的烟气脱硝技术，这一技术又可以进一步分为选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)。SCR技术是把还原剂(氨，尿素)喷入锅炉省煤器下游300℃-400℃的烟道内，在催化剂作用下，将烟气中氮氧化物还原成无害的氮气和水。SNCR技术是利用机械式喷枪将氨基还原剂溶液雾化成液滴喷入炉膛，在950℃-1050℃温度区域(通常为锅炉对流换热区)和没有催化剂的条件下，氨气与氮氧化物进行选择性非催化还原反应，将氮氧化物还原成氮气与水。
不管是选择性催化还原法(SCR)还是选择性非催化还原法(SNCR)，从某种意义上来说，脱硝反应器就是氨反应器。为了保证脱硝效率，通常加入的还原剂是过量的，这就不可避免地将导致氨逃逸的情况。而氨逃逸率控制不好，不仅将使脱硝成本增加，还会导致脱硝效率下降，催化剂失效，空气预热器换热面腐蚀等问题。《当前国家鼓励发展的环保产业设备(产品)目录》中指出，烟气脱硝设备的氨逃逸应不大于3ppm。为了达到最小的氨逃逸率和最大的脱除NOx效率，需要精确测量脱硝前后NO浓度和氨逃逸，控制稳定且精确的NH3/NO投放比例。
目前关于烟气脱硝喷氨控制系统的专利及研究有很多，采用的控制方法也各有利弊。例如公开号为CN105974950A的专利提出了一种包括多个喷淋头和多个氮氧化物浓度检测组件的炉内烟气脱硝喷氨智能系统，能够通过独立地控制多个喷淋头的喷氨量更加精确地控制整个脱硝反应。公开号为CN206483343的专利提出的脱硝喷氨自适应优化控制装置，在喷氨管道与催化剂层之间的烟道侧壁布设了多个吸收光谱式测量装置，并以无线传输方式将激光发射器信号接入计算机。但无论采取何种控制方法，对一氧化氮和氨逃逸量进行快速准确的测量是实施控制手段的前提与基础。
光谱学测量方法具有对预处理的要求比较简单，分析速度快，对气体的选择性好等优点，适用于现场工况比较复杂的测量环境。将激光吸收光谱测量与波长调制法结合，能够降低气体的探测下限，适用于低浓度气体的测量。测量原理为：
可调谐激光吸收光谱技术的基本原理是气体的受激吸收。一束单色激光通过被测气体后，激光强度的衰减遵循Beer-Lambert定律：
其中，I0和It分别为激光入射光强和透射光强，S(T)[cm-2atm-1]为气体特征谱线的线强，P[atm]为气体介质的总压，X为气体的体积浓度，Φ(ν)[cm]为线型函数，L[cm]为光程长度。
波长调制技术是一种通过在激光器的扫描信号的基础上加载高频调制信号，在探测端加上锁相放大器滤波解调得到探测信号，以降低噪声的方法，得到的二次谐波信号与特定气体的浓度成正比。
现有技术中利用吸收光谱技术同时测量烟气中一氧化氮和氨气的方法和装置，没有考虑单个激光器能够扫描的波长范围是有限的，而氨气与一氧化氮两种分子吸收谱线的吸收波段并不重合，这也就意味着很难利用一个激光光源同时准确测量低浓度的一氧化氮和氨气。若采用多个光源，现有技术很难保证测得的一氧化氮和氨气浓度为同一位置同一时刻下的数据，难以准确掌握烟道内一氧化氮和氨气浓度的分布情况，这就为准确控制喷氨量造成困难。另外考虑到实际现场测量的烟道中设备管路密布，现有的测量方法在多组分气体测量时光路布置复杂、检修繁琐，不利于简化设备和步骤。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的装置及方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的装置，包括信号发生器、激光控制器和激光器；所述激光器包括一氧化氮激光器和氨气激光器，分别通过一个激光控制器与信号发生器相连，两个激光器的出射光路上各设一个准直器；在两条激光光路的交汇处设有第一窄带滤光片，用于将两路激光信号耦合后沿一条光路射入测量腔中；第一窄带滤光片、测量腔和第二窄带滤光片位于同一光路上，第二窄带滤光片用于将从测量腔射出的激光信号重新分开并投射至两个用于接收激光信号的测量探测器上，两个测量探测器分别通过数据采集单元与计算机相连。
本发明中，还包括分束器，以及一氧化氮参比池或氨气参比池；分束器位于准直器与第一窄带滤光片之间的光路上，用于将准直后的激光信号分束，其中一部分激光信号进入第一窄带滤波片，另一部分激光信号经分束器反射进入一氧化氮参比池或氨气参比池参比池；在一氧化氮参比池或氨气参比池参比池的出射光路上设有一个用于接收激光信号的参比探测器，参比探测器通过数据采集单元连接至计算机。
本发明中，所述信号发生器与激光控制器通过同轴电缆连接，激光控制器用于控制两个激光器的工作温度和工作电流。
本发明中，所述准直器是光纤准直器，或者是具有准直功能的透镜和透镜组。
本发明中，所述一氧化氮参比池或氨气参比池是单通吸收池，一氧化氮参比池充满一氧化氮，氨气参比池充满氨气；所述测量腔充满待测烟气。
本发明中，所述数据采集单元中还包括锁相放大器。
本发明进一步提供了利用前述装置的同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的方法，包括以下步骤：
(1)按所述装置连接关系进行布置，利用取样设备向测量腔内充满待测烟气；
(2)利用信号发生器向激光控制器发出控制信号，调整一氧化氮激光器和氨气激光器的工作温度和工作电流；准直后的两路激光信号经第一窄带滤光片耦合，沿一条光路射入测量腔中；
(3)激光信号在测量腔中被气体分子吸收后，出射到第二窄带滤光片，并由其将激光信号重新分开并投射至两个测量探测器上；测量探测器将激光信号转化为电信号，并通过数据采集单元传输给计算机，由计算机对数据进行分析和处理。对于信噪比较低的信号，还可以采用小波滤波等方法对得到的信号进行进一步降噪处理。
本发明中，还进一步包括：将准直后的激光信号先入射到分束器，由分束器将激光信号分为两部分：一部分激光信号经第一窄带滤光片耦合后进入测量腔中，另一部分激光信号经分束器反射进入一氧化氮参比池或氨气参比池；进入一氧化氮参比池或氨气参比池的激光信号被气体分子吸收后，出射到参比探测器上；参比探测器将激光信号转化为电信号，并通过数据采集单元传输给计算机；由计算机对数据进行分析和处理以获得激光器的中心频率漂移信息，然后将其反馈给激光控制器用于控制信号的调整。
本发明中，所述一氧化氮激光器或氨气激光器的中心波长根据HITRAN数据库中一氧化氮和氨气的吸收谱线分布进行选择，波长选择范围包括整个红外波段。
本发明中，第一窄带滤波片的中心波长与一氧化氮激光器发出的激光波长一致，允许该激光信号通过；氨气激光器发出的激光波长不在第一窄带滤波片的投射波段内，将会反射该激光信号；第一窄带滤波片与第二窄带滤波片具有相同特征。
一氧化氮激光器和氨气激光器作为光源发出特定波长的激光信号，分别用于测量一氧化氮和氨气浓度。测量腔可以位于烟气采样预处理之后，也可以直接布置在烟道中。激光信号在所述测量腔可以经过多次反射后射出，也可以不经过反射直接射出；
发明原理描述：
本发明提供了基于激光吸收光谱同时测量低浓度一氧化氮和氨气的方法，此方法适用于烟气脱硝中低浓度一氧化氮和氨气的同时同点测量，以适应烟道中狭窄的空间环境和高温高粉尘浓度的测量环境。
通过采用波分复用原理，本发明将两个甚至多个中心波长不同的激光器发出的激光信号耦合在同一条测量光路，与使用同一激光器扫描多条气体吸收谱线相比，扩大了谱线选择范围，可以选择强度更强的吸收谱线，也能够更好地避开干扰气体谱线。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及突出性的技术效果：
1、由于实现了多种气体的同时同地在线测量，本发明能够更准确地掌握烟道内NO与NH3分布情况，有利于更加精确地控制局部某点的喷氨量。
2、由于多种气体的测量采用了同一条光路，简化了测量光路的布置，使整个装置布局更加紧凑，占用面积更小。
3、本发明提供的装置和方法适用于工作在中远红外波段的激光器，扩大了气体吸收谱线和激光器的选择范围，可应用于更多种类气体浓度的同时测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是具体实施方式的结构示意图。
图中附图标记：1信号发生器；2一氧化氮激光控制器；3氨气激光控制器；4反光镜；5一氧化氮激光器；6氨气激光器；7准直器；8准直器；9分束器；10第一窄带滤光片；11一氧化氮参比池；12氨气参比池；13测量腔；14第二窄带滤光片；15一氧化氮参比探测器；16氨气参比探测器；17一氧化氮测量探测器；18氨气测量探测器；19 数据采集单元；20计算机。
具体实施方式
下面结合具体事例对本发明作进一步说明。
基于激光吸收光谱同时测量烟气中一氧化氮和氨气的装置，包括信号发生器1，以同轴电缆通过一氧化氮激光控制器2和氨气激光控制器3分别与一氧化氮激光器5、氨气激光器6相连，激光控制器用于控制两个激光器的工作温度和工作电流。两个激光器的出射光路上各设一个准直器7、8。准直器7、8可选光纤准直器，或者是具有准直功能的透镜和透镜组。在准直器7、8与第一窄带滤光片10之间的光路上分别设有分束器 9，两个分束器9分别将两路经准直的激光信号分束，其中一部分激光信号进入第一窄带滤波片10，另一部分激光信号经分束器9反射进入一氧化氮参比池11或氨气参比池参比池12；在一氧化氮参比池11或氨气参比池参比池12的出射光路上各设有一个用于接收激光信号的参比探测器15、16，参比探测器15、16通过数据采集单元19连接至计算机20。一氧化氮参比池11或氨气参比池12是单通吸收池，一氧化氮参比池11充满一氧化氮，氨气参比池12充满氨气；测量腔13充满待测烟气。
第一窄带滤光片10用于将两路激光信号耦合后沿一条光路射入测量腔13中；第一窄带滤光片10、测量腔13和第二窄带滤光片14位于同一光路上，第二窄带滤光片14 用于将从测量腔13射出的激光信号重新分开并投射至两个用于接收激光信号的测量探测器17、18上，两个测量探测器17、18分别通过数据采集单元19与计算机20相连。数据采集单元中还包括锁相放大器。
实现基于激光吸收光谱同时测量烟气中一氧化氮和氨气的方法，包括以下步骤：
(1)按所述装置连接关系进行布置，利用取样设备向测量腔13内充满待测烟气；
(2)利用信号发生器1向激光控制器2、3发出控制信号，调整一氧化氮激光器5 和氨气激光器6的工作温度和工作电流；准直后的两路激光信号经第一窄带滤光片10 耦合，沿一条光路射入测量腔13中；
(3)激光信号在测量腔13中被气体分子吸收后，出射到第二窄带滤光片14，并由其将激光信号重新分开并投射至两个测量探测器17、18上；测量探测器17、18将激光信号转化为电信号，并通过数据采集单元19传输给计算机20，由计算机20对数据进行分析和处理。对于信噪比较低的信号，还可以采用小波滤波等方法对得到的信号进行进一步降噪处理。
一氧化氮激光器5或氨气激光器6的中心波长根据HITRAN数据库中一氧化氮和氨气的吸收谱线分布进行选择，波长选择范围包括整个红外波段。作为一种示例，第一窄带滤波片10的中心波长与一氧化氮激光器5发出的激光波长一致，允许该激光信号通过；氨气激光器6发出的激光波长不在第一窄带滤波片10的投射波段内，将会反射该激光信号；第一窄带滤波片10与第二窄带滤波片14具有相同特征。
作为优选的方案，还可以将准直后的激光信号先入射到分束器7、8，由分束器7、 8将激光信号分为两部分：一部分激光信号经第一窄带滤光片10耦合后进入测量腔13 中，另一部分激光信号经分束器13反射进入一氧化氮参比池11或氨气参比池12；进入一氧化氮参比池11或氨气参比池12的激光信号被气体分子吸收后，出射到参比探测器15、16上；参比探测器15、16将激光信号转化为电信号，并通过数据采集单元19传输给计算机20；由计算机20对数据进行分析和处理以获得激光器的中心频率漂移信息，然后将其反馈给激光控制器用于控制信号的调整。
一氧化氮参比池11或氨气参比池12以及与其配套使用的分束器和参比探测器，可以只使用其中的一套设备，也可以两套同时使用，由使用者根据激光器的中心频率漂移情况确定。
具体实施例子：
如图2所示，为了降低一氧化氮和氨气的测量下限，从HITRAN光谱数据库中选择位于中红外5.19μm处的一氧化氮吸收谱线和位于2.25μm处的氨气吸收谱线，根据选择的吸收谱线分别选定中心波长为5.19μm的ICL激光器作为一氧化氮激光器5，中心波长为2.25μm的DFB激光器作为氨气激光器。并分别通过激光控制器2和激光控制器3 设定激光器的工作温度和扫描电流；
将信号发生器1产生的高频正弦波输入激光控制器3中，通过计算机控制激光控制器2在扫描电流上加载高频调制信号；
一氧化氮激光器5发出的中红外激光信号经过准直器7(具有准直功能的透镜组)，氨气激光器发出的近红外激光信号经过准直器8(光纤准直器)；
准直器7、8分别将激光准直聚焦成直径很小的平行光，射入中心波长为5.25μm的第一窄带滤波片10；
波长为5.19μm的激光透过第一窄带滤波片10，而波长为2.25μm的激光在第一窄带滤波片10处发生反射，这样将两种波长不同的激光信号耦合在一起，并使其以相同光路平行射入测量腔13中；
激光信号在测量腔13中通过光程为600mm的气体吸收区，被气体分子吸收后出射到第二窄带滤光片14；
激光信号经过第二窄带滤波片14时，波长为5.19μm的激光能够透过第二窄带滤波片14，而波长为2.25μm的激光在第二窄带滤波片14处发生反射，这样两种不同波长的激光信号得以分开，分别进入一氧化氮探测器17和氨气探测器18；
一氧化氮探测器17将接收到的激光信号转化为电信号，通过数据采集单元19传输给计算机20，由计算机20对数据进行激光调制光谱分析；
氨气探测器18将接收到的激光信号转化为电信号，通过数据采集单元19传输给计算机20，由计算机20对信号进行激光调制光谱分析，并利用小波滤波方法对氨气吸收信号进行进一步的降噪处理。
在信噪比大于10的条件下，最低能够测得的一氧化氮浓度为18.3ppm-m，氨气浓度为4ppm-m。

Claims (10)

1.一种同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的装置，包括信号发生器、激光控制器和激光器；其特征在于，所述激光器包括一氧化氮激光器和氨气激光器，分别通过一个激光控制器与信号发生器相连，两个激光器的出射光路上各设一个准直器；在两条激光光路的交汇处设有第一窄带滤光片，用于将两路激光信号耦合后沿一条光路射入测量腔中；第一窄带滤光片、测量腔和第二窄带滤光片位于同一光路上，第二窄带滤光片用于将从测量腔射出的激光信号重新分开并投射至两个用于接收激光信号的测量探测器上，两个测量探测器分别通过数据采集单元与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括分束器，以及一氧化氮参比池或氨气参比池；分束器位于准直器与第一窄带滤光片之间的光路上，用于将准直后的激光信号分束，其中一部分激光信号进入第一窄带滤波片，另一部分激光信号经分束器反射进入一氧化氮参比池或氨气参比池参比池；在一氧化氮参比池或氨气参比池参比池的出射光路上设有一个用于接收激光信号的参比探测器，参比探测器通过数据采集单元连接至计算机。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述信号发生器与激光控制器通过同轴电缆连接，激光控制器用于控制两个激光器的工作温度和工作电流。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述准直器是光纤准直器，或者是具有准直功能的透镜和透镜组。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述一氧化氮参比池或氨气参比池是单通吸收池，一氧化氮参比池充满一氧化氮，氨气参比池充满氨气；所述测量腔充满待测烟气。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述数据采集单元中还包括锁相放大器。
7.利用权利要求1所述装置的同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按所述装置连接关系进行布置，利用取样设备向测量腔内充满待测烟气；
(2)利用信号发生器向激光控制器发出控制信号，调整一氧化氮激光器和氨气激光器的工作温度和工作电流；准直后的两路激光信号经第一窄带滤光片耦合，沿一条光路射入测量腔中；
(3)激光信号在测量腔中被气体分子吸收后，出射到第二窄带滤光片，并由其将激光信号重新分开并投射至两个测量探测器上；测量探测器将激光信号转化为电信号，并通过数据采集单元传输给计算机，由计算机对数据进行分析和处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还进一步包括：将准直后的激光信号先入射到分束器，由分束器将激光信号分为两部分：一部分激光信号经第一窄带滤光片耦合后进入测量腔中，另一部分激光信号经分束器反射进入一氧化氮参比池或氨气参比池；进入一氧化氮参比池或氨气参比池的激光信号被气体分子吸收后，出射到参比探测器上；参比探测器将激光信号转化为电信号，并通过数据采集单元传输给计算机；由计算机对数据进行分析和处理以获得激光器的中心频率漂移信息，然后将其反馈给激光控制器用于控制信号的调整。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述一氧化氮激光器或氨气激光器的中心波长根据HITRAN数据库中一氧化氮和氨气的吸收谱线分布进行选择，波长选择范围包括整个红外波段。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第一窄带滤波片的中心波长与一氧化氮激光器发出的激光波长一致，允许该激光信号通过；氨气激光器发出的激光波长不在第一窄带滤波片的投射波段内，将会反射该激光信号；第一窄带滤波片与第二窄带滤波片具有相同特征。
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