CN109211816B - 烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法和检测装置 - Google Patents
烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法和检测装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法，通过将原子吸收光谱法和原子荧光光谱法相结合，利用烟气中汞原子和干扰气体在不同的波长下吸收紫外线及产生荧光的差异性，同时考虑气体分子的米氏散射和瑞利散射，通过数学的处理去除干扰气体吸收的影响，有效排除烟气中的干扰气体，进而较为精确的得出烟气中的含Hg浓度。基于抗干扰检测方法，本发明提供了检测装置，将原子吸收光谱法和原子荧光光谱法相的测量光路相结合，于同一光池内检测测量值，同时利用滤色片同时测量两种不同波长的荧光，通过反演的方式去除二氧化硫气体的荧光影响，并通过MCU结合公式，可实时获得烟气中的Hg浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测Hg浓度的方法和装置，具体涉及一种烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法和检测装置。
背景技术
由于工业快速发展，人为活动汞排放逐渐成为环境中大气中汞的一个主要来源。其中，燃煤电厂被认为是最大的人为汞排放源。随着对环境要求的提高，烟气汞的排放要求越来越严格。因此，对烟气中汞进行实时检测的需求也越来越重要。
目前，对烟气汞实时检测的方法都是利用汞原子对253.7nm的紫外线有强烈的吸收作用，测量紫外线经过含汞烟气的变化，得到汞的浓度。但是，燃煤烟气中含有大量的二氧化硫、一氧化氮等干扰气体，对紫外线也有强烈的吸收作用，会对测量精度产生较大的影响。
当烟气中存在能对测汞产生影响的干扰气体时，冷原子吸收法，由于杂质气体的吸收，导致测得的紫外线减弱，测量结果偏大；冷原子荧光法，汞原子吸收的紫外线因为干扰气体的吸收导致减少，产生的荧光也相应减少，导致测量结果偏小。
由于两种方法出现的误差都与干扰气体的浓度有关，因此寻找一种可以减少干扰气体影响的测量方法，提高测量精度，是目前汞分析仪研究的重点。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种消除杂质气体影响的烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法和检测装置。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法，包括以下步骤：
S1、理论气体：纯含Hg的烟气，基于比尔定律和原子吸收光谱法，建立入射光强、第一检测光强、Hg浓度的第一关系；
S2、混合气体：在纯含Hg的烟气中引入干扰气体，根据加性原理，在第一关系中引入干扰项，包括干扰气体的浓度与第二检测光强的关系，获得第二关系；
所述干扰气体包括产生和不产生荧光的干扰气体；
S3、利用原子荧光法，入射光分别选择对Hg有/无荧光效率的波段，入射光强与步骤S1相同，建立产生和不产生荧光的干扰气体的第三检测光强和第四检测光强，分别与其浓度的第三关系和第四关系；
S4、将第三关系、第四关系代入第二关系中，排除干扰气体，即获得烟气中的Hg浓度。
上述步骤S2中干扰项还包括气体分子的米氏散射和瑞利散射的影响，气体分子包括Hg分子和干扰气体分子。
上述步骤S1中的第一关系为：
式(1)中，I1为第一检测光强，I0为入射光强，εHg为汞吸收截面，cHg为汞的浓度，L为光池的长度。
上述步骤S2中，以产生荧光的干扰气体为SO2为例，则第二关系为：
式(2)中，表示不产生荧光的干扰气体的影响，εR表示瑞利散射的影响，εM表示米氏散射的影响；
令可得：
上述步骤S3中第三关系、第四关系的建立，包括以下步骤：
A1、以检测气室的长度为X轴，将气室分为i层，则有如下关系：
则：
Hg吸收的光强为：
SO2吸收的光强为：
式(4)中，Ii为第i层气室的入射光强，Ix为在第i层气室产生的荧光强度，x为第i层气室距离光池起始的距离，为荧光系数，对于不同的波长、不同气体其值不同；
A2、与原子吸收光谱法中检测Hg的253.7nm的紫外谱线对应，取253.7nm的荧光检查波长，则：
式(7)中，I2为第三检测光强，I0为入射光强，为Hg在253.7nm波长的荧光系数，为SO2在253.7nm波长的荧光系数；
A3、取320nm作为SO2在240-420nm的荧光检查波长，则：
式(8)中，I3为第四检测光强，为SO2在320nm波长的荧光系数；
A5、结合式(3)、(8)，可得SO2的浓度：
上述步骤S4中Hg浓度的计算为，结合式(3)、(7)和(9)，可得：
上述的烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法，还包括参数标定，有以下步骤：
B1、测定光源的入射光强为I0，在光池中注入已知汞气浓度c1的标准气体，测量得到原子吸收光谱强度为I1′，原子荧光光谱在253.7nm处的光强为I2′，此时，由于cso2＝0，则I3＝0，根据式(10)可得：
B2、在光池中注入已知二氧化硫浓度c2的标准气体，分别测量253.7nm和320nm处的荧光光谱强度I2″和I3″，
此时，由于cHg＝0，根据式(7)、(8)可得：
再由式(12)、(13)可得：
B3、令代入式(10)，可得：
上述的烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法的检测装置，包括设有进气口和出气口的光池，其两端分别设有光学窗口，一端接测试光源，另一端接光电倍增管；
所述光电倍增管用于测量原子吸收光谱或原子荧光光谱。
上述的检测装置，垂直于光池的一侧，还设置两个光学窗口，分别连接光电倍增管，分别用于对Hg有/无荧光效率的原子荧光光谱。
上述的检测装置中的光电倍增管接MCU，所述MCU根据式(15)，结合光电倍增管检测的数据，输出Hg浓度值。
本发明的有益之处在于：
本发明的一种烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法，通过将原子吸收光谱法和原子荧光光谱法相结合，利用烟气中汞原子和干扰气体在不同的波长下吸收紫外线及产生荧光的差异性，同时考虑气体分子的米氏散射和瑞利散射，通过数学的处理去除干扰气体吸收的影响，有效排除烟气中的干扰气体，进而较为精确的得出烟气中的含Hg浓度。
基于抗干扰检测方法，本发明提供了一种检测烟气中含Hg浓度的检测装置，将原子吸收光谱法和原子荧光光谱法相的测量光路相结合，于同一光池内检测测量值，同时利用滤色片在两个观测窗口上，同时测量两种不同波长的荧光，通过反演的方式去除二氧化硫气体的荧光影响，并通过MCU结合公式，可实时获得烟气中的Hg浓度。
附图说明
图1为本发明的检测装置的结构示意图。
图2为本发明的原子荧光法示意图的气室的示意图。
附图中标记的含义如下：1、光池，2、进气口，3、出气口，4、光学窗口，5、涂层，6、光电倍增管，7、滤色片，8、光源。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
1、测量原理：
根据比尔定律，原子吸收光谱法，测量得到结果，如下式所示：
式(1)中，I1为第一检测光强，I0为入射光强，εHg为汞的吸收截面，cHg为汞的浓度，L为光池1的长度。
在实际的烟气中除了汞原子会吸收紫外线外，还有其他的干扰气体也会吸收紫外线，如SO2、NOx等。同时考虑气体分子的米氏散射和瑞利散射，根据加性原理，可将式(1)改为：
在式(2)中，表示不产生荧光的干扰气体的影响，εR表示瑞利散射的影响，εM表示米氏散射的影响。
令式(2)可写成：
对于原子荧光法，如附图2所示，以检测气室的长度为X轴，将气室分为i层气室，则有如下关系：
式(4)中，Ii为第i层气室的入射光强，Ix为在第i层气室产生的荧光强度，x为第i层气室距离光池1起始的距离，为荧光系数；则，
Hg吸收的光强为：
SO2吸收的光强为：
对于汞主要测253.7nm的紫外谱线，设为Hg在253.7nm上的荧光系数，/>为SO2气体在253.7nm上的荧光系数，则：
利用荧光法测试时，无法区分Hg和SO2的影响。
对于SO2的荧光波段在240-420nm的范围，选取320nm作为SO2的检查波长，则
其中为SO2在320nm处的荧光系数，结合方程(3)、(8)可求出SO2的浓度：
结合式(3)、(7)和(9)，可以求出Hg浓度：
2、系统标定:
测定光源8的光强为I0，在光池1中注入已知汞气浓度c1的标准气体，测量得到原子吸收光谱强度为I1′，原子荧光光谱在253.7nm处的光强为I2′，此时由于cso2＝0则I3＝0，则根据式(10)得：
再在测量气室中注入已知SO2浓度c2的标准气体，分别测量253.7nm和320nm处的荧光光谱强度I2″和I3″。此时由于cHg＝0，式(7)、(8)分别可以写成：
由式(12)、(13)可得：
令代入式(10)得：
式(15)中，I1、I2、I3可以通过光电倍增管6测量得到，因此，通过式(15)就可以获得烟气汞的浓度，同时去除干扰气体的影响。
3、检测装置
检测装置的主体为设有进气口2和出气口3的光池1，光池1的两端分别设有光学窗口4，一端接测试光源8，另一端接用于测量原子吸收光谱的光电倍增管6；
垂直于光池1的一侧，还设置两个光学窗口4，分别连接光电倍增管6，分别用于对Hg有/无荧光效率的原子荧光光谱，以SO2作为产生荧光的干扰气体为例，即测量253.7nm和320nm的原子荧光光谱。
为了避免其它波长光线的影响，在四个光学窗口4和光源8、光电倍增管6之间插入滤色片7，尽量保证只有253.7nm或320nm的光通过。
光电倍增管6分别接MCU，测量得到结果反馈至MCU；MCU根据式(15)，结合光电倍增管6检测的数据，输出Hg浓度值。
实际制作时，光池1侧材质可选用不锈钢作为基材，为了防止汞齐反应，可在内壁镀上Teflon涂层5。
同时，伴热导管可分别连接气室的进气口2、出气口3，进气口2可连接汞检测系统的采样与预处理系统，出气口3可连接流量计、抽气泵等后续处理测量装置。
为进一步保持光池1的密封度，可用二氧化硅密封四个光学窗口4。
测试光源8可选用低压汞灯光源8。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、理论气体：纯含Hg的烟气，基于比尔定律和原子吸收光谱法，建立入射光强、第一检测光强、Hg浓度的第一关系；
S2、混合气体：在纯含Hg的烟气中引入干扰气体，根据加性原理，在第一关系中引入干扰项，包括干扰气体的浓度与第二检测光强的关系，获得第二关系；
所述干扰气体包括产生和不产生荧光的干扰气体；
S3、利用原子荧光法，入射光分别选择对Hg有/无荧光效率的波段，入射光强与步骤S1相同，建立产生和不产生荧光的干扰气体的第三检测光强和第四检测光强，分别与其浓度的第三关系和第四关系；S4、将第三关系、第四关系代入第二关系中，排除干扰气体，即获得烟气中的Hg浓度；
所述步骤S2中，产生荧光的干扰气体为SO2，则第二关系为：
式(2)中，表示不产生荧光的干扰气体的影响，εR表示瑞利散射的影响，εM表示米氏散射的影响，I1为第一检测光强，I0为入射光强，εHg为汞的吸收截面，cHg为汞的浓度，L为光池的长度；
令可得：
所述步骤S3中第三关系、第四关系的建立，包括以下步骤：
A1、以检测气室的长度为X轴，将气室分为i层，对于其中的任意一层则有如下关系：
则：
Hg吸收的光强为：
SO2吸收的光强为：
式(4)(5)中，Ii为第i层气室的入射光强，Ix为在第i层气室产生的荧光强度，x为第i层气室距离光池起始的距离，为荧光系数；
A2、与原子吸收光谱法中检测Hg的253.7nm的紫外谱线对应，取253.7nm的荧光检查波长，则：
式(7)中，I2为第三检测光强，I0为入射光强，为Hg在253.7nm波长的荧光系数，/>为SO2在253.7nm波长的荧光系数；
A3、取320nm作为SO2在240-420nm的荧光检查波长，则：
式(8)中，I3为第四检测光强，为SO2在320nm波长的荧光系数；
A5、结合式(3)、(8)，可得SO2的浓度：
2.根据权利要求1所述的烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤S2中干扰项还包括气体分子的米氏散射和瑞利散射的影响，气体分子包括Hg分子和干扰气体分子。
3.根据权利要求2所述的烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤S1中的第一关系为：
4.根据权利要求2所述的烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤S4中Hg浓度的计算为，结合式(3)、(7)和(9)，可得：
5.根据权利要求2所述的烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法，其特征在于，还包括参数标定，有以下步骤：
B1、测定光源的入射光强为I0，在光池中注入已知汞气浓度c1的标准气体，测量得到原子吸收光谱强度为I1′，原子荧光光谱在253.7nm处的光强为I2′，此时，由于cso2＝0，则I3＝0，根据式(10)可得：
B2、在光池中注入已知二氧化硫浓度c2的标准气体，分别测量253.7nm和320nm处的荧光光谱强度I2″和I3″，
此时，由于cHg＝0，根据式(7)、(8)可得：
再由式(12)、(13)可得：
B3、令代入式(10)，可得：
6.适用于权利要求5所述的烟气中含Hg浓度的抗干扰检测方法的检测装置，其特征在于，包括设有进气口和出气口的光池，其两端分别设有光学窗口，一端接测试光源，另一端接光电倍增管；
所述光电倍增管用于测量原子吸收光谱或原子荧光光谱；
所述光电倍增管接MCU，所述MCU根据式(15)，结合光电倍增管检测的数据，输出Hg浓度值。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于，垂直于光池的一侧，还设置两个光学窗口，分别连接光电倍增管，分别用于对Hg有/无荧光效率的原子荧光光谱的测量。
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- 2018-11-13 CN CN201811343428.0A patent/CN109211816B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109211816A (zh) | 2019-01-15 |
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