利用FTIR光谱技术进行烟气排放中气态污染物的在线连续

利用FTIR 光谱技能进行烟气排放中气态污染物的在线连续
监测研究
王霞、张东胜
（1.北京理工大学信息科学技能学院，北京100081；2.北京化工大学机电工程学院，北京100029）
摘要：本文对利用傅立叶变更红外光谱技能进行烟气排放中气态污染物的在线连
续监测进行了开端的研究。

采取气体池阐发要领确定了通例监测气体的特征吸收
波长。

由实验光谱数据预计了实际丈量系统的主要阐发波长范畴、相应的采取频
率、在线监测需要的最短程长。

要害词：FTIR，气态污染物，CEMS，在线监测
Research on on-line monitoring of Dissolved Gas-in-Oil with FTIR spectra
Research on continuous on-line monitoring of gaseous contaminant in emission using FTIR spectra
WANG Xia1 ZHANG Dongsheng2
(1. School of Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081; 2. Schoolof Electromechanical Engineering , Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029)
Abstract: Initial researches were completed to realize on-line monitoring of gaseous
contaminant in emission using FTIR spectroscopy. Gas cell method is used to determine the characteristic absorption peaks of each gas. From the experimental spectra data, the range of analysis wavelength, the corresponding sampling frequency range and the minimum optical length of the gas cell are estimated.
Keywords: FTIR, gaseous contaminant, CEMS, on-line monitoring
引言
CEMS（Continuous Emission Monitoring System：烟气排放连续监测系统）是用于实时
连续监测牢固式大气污染源燃烧排放出废气中烟尘（也称颗粒物）、气态污染物（包罗SO2、NO X、CO）的浓度及其总量的仪器系统[1]。

CEMS是随社会产业化水平的提高及人类情况意
识的增强而提出的，它逐步成为了情况治理的重要东西和手段。

当今有种种原理的气态污染物阐发仪器用于CEMS，这些技能包罗[1]：紫外和红外吸收法、FTIR、DOAS、化学发光和光声光谱法（PAS）等。

其中，FTIR是利用气体的红外特征
吸收原理，通过干涉干与仪加有限程长的傅立叶变更的形式，通过切趾和相位校正，借助盘算机
和快速算法，可在高通量下不受杂散光影响迅速得到全频段的高辨别率光谱，用该原理可以同时丈量多种组份，被美国EPA（Environmental Protection Agency）认定为气态污染物CEMS 阐发新要领[2]，在国内还尚无应用。

采取FTIR光谱仪丈量气体吸收光谱时一般有三种取样要领[3]：气体池法、太阳光源法和开放光路法。

太阳光源法采取太阳作为辐射光源，适用于野外现场丈量，一般用于大气监测。

开放光路法由于难以丈量配景光谱而很少用于定量阐发。

气体池法一般在实验室使用，先在气体池中通入不吸收红外辐射的高纯氮气，测得配景吸收，再将通已往湿除尘等处理惩罚的样品。

气送入气体池，测得样品的光谱。

将样品光谱和配景光谱通过适当的运算即得到气体的吸收光谱。

1 王霞（1972-），女，副传授，E-mail: angelniuniu@
2 张东胜（1968-），男，副传授，E-mail: zds68@
本文将在气体池阐发要领的底子上，开端探讨利用FTIR 光谱技能进行烟气排放中气态污染物的在线连续监测。

1. 气体红外光谱检测原理
气体对红外辐射的吸收遵循Lambert-Beer定律[3]：
(1)式中，
Φ( λ)中为入射光通量；Φ( λ)透射光通量；L为光程长；C吸收气体的浓度；k( λ)为
收截面（cm2.g-1），即每克吸收气体的吸收系数，是波长λ的函数
2. 实验
凭据美国EPA标准[4]，大气污染源排放的烟气中需要在线实时监测的主要气态污染物有：二氧化硫（SO2）、一氧化氮（CO）、二氧化氮（C O2）、一氧化碳（NO）、二氧化碳（NO2）、氨气（NH3）、氯化氢（HCl）、氟化氢（HF）等。

利用清华大学热能工程系燃烧阐发实验室的傅立叶红外光谱仪（Perkin Elmer Spectrum GX，美国红外阐发仪器公司制造），测试了种种差别浓度的SO2、NO、NO2、CO、CO2的特
征红外光谱图。

实验仪器的主要参数为：DTGS探测器；扫描速度为0.05m/s，辨别率为4cm-1，光谱扫描范畴为4000~400cm-1，阐发腔为2.4m超微型长程气体池（100ml体积，24 次反射，10 年自校准）。

实验用标气（国度环保局制）：200ppmNO；180pp；mNO2；9.42±0.1%CO2，殽杂气体
0ppmSO2，10%CO2，200ppmCO，100ppmNO）。

使用16 次扫描平均，采取高纯氮气取得配景光谱，测得光谱图如图1 所示，各气体的特征光谱结果如表3 所示。

(d) CO2实测光谱曲（e）殽杂气体实测光谱曲线 (f) 实测空气光谱曲线
图1 实测CEMS 通例监测气体光谱图
3. 结论
（1）由图1(a)水的特征吸收谱可见，在1180cm-1 -1 -1~ 40 –1~ 2200 cm 、3300cm 00 cm 两
个区域，水的吸收非常强烈，其谱峰主要包罗明锐的尖峰，峰间距约在5.0cm 左右，但各明锐的尖峰之间可能隔断较大，也可能存在小尖峰。

（2）在实际丈量中，由于待测阐发气体中含有空气，输出结果应去除空气中CO2、CO、NO2、NO、SO2、H2O浓度，但是空气中CO2、CO、NO2、NO、SO2、H2O浓度是未知的，因此应采取空气标定法，图1(f)为实验中实测配景标定光谱。

（3）由于SO2、NO 和水蒸气之间存在交错滋扰，CO 和CO2之间存在交错滋扰，为了尽量减小交错滋扰的影响，丈量中特征波长应选择影响较小的波长点，而不一定是峰值波长，凭据实验光谱数据选取的各待阐发气体丈量特征波长分别为：
SO 2 —— 7.42±0.02 μm；μm8.75±0.02 μm；3.96±0.05
NO —— 5.26±0.03 μm
NO2 —— 6.24±0.03 μm；3.45±0.03 μm
CO —— 4.65±0.019 μm
CO2 —— 4.26±0.018 μm；2.7±0.03 μm
H2O —— 2.59±0.03 μm；6.63±0.03 μm；
（4）当使用盘算机收罗数据点时，凭据Nyquist取样理论，为了不失真地保持干涉干与图信
息，必须以两倍于干涉干与图最大频率宽度的频率来采样。

波数范畴为σmax. σmin的复色光，经干涉干与仪后，被干涉干与调制的频率宽度为，这里v为干涉干与仪的扫描速率，则采样频率为
凭据实验光谱数据，实际系统中可选择丈量波数范畴3400cm-1~720cm-1的光谱，可设v = 0.05cm/s~0.4cm/s时，F = 536Hz ~ 4288Hz。

（5）由于待阐发气体及水的特征峰的实际宽度很窄（大部分都小于1cm-1），所以使用中平辨别率光谱仪器不能得到谱线的真正外形，考虑到在线仪器的经济性原则和可实现原则，定量将在辨别率不敷的情况下进行。

此时，谱峰高度与浓度的线性干系不再创建。

为了
制止因辨别率不敷导致的对吸光度定律的偏差以及由于压强的微弱起伏所产生的影响，应选取吸
当气体浓度较小时，可以增加光程以得到足够的可丈量的吸光度，对付相同的仪器，如果光程长为L1时其最低可探测浓度程长为：
光度谱峰下的面积作为定量特征。

（6）最短光程长简直定
为C1，则丈量浓度为C2的气体需要的最短光程长为：
一般来讲，要直接丈量一台光谱仪器的最低可探测浓度非常困难。

现实验通过
所测得的已知浓度为C 的气体光谱来推算它。

假定在谱仪参数相同的情况下，在最低探测限C ml四周的信噪比S/N稳定，有
(3)如果光程长为L时测得了已知浓度为C的光谱，其特征吸收峰高为H S，而其四周的平均噪声为H N，那么要探测低最低可探测浓度C0所需要的最短光程L S为：
其中，准确的平均噪声幅度H N可由光谱软件在选定区域内求取噪声的均方根得到。

由殽杂气体实验可以看出，CO 和NO 在其强吸收带内的吸收较弱，所以气室长度的选
择应凭据这两种气体的最低探测限来确定。

对付NO，公式4 中各参量分别为：C=200ppm，C0=1ppm，H N=0.003，H S=0.0582，L=2000mm。

代入公式可得：L S=2062mm。

对付CO，公式4 中各参量分别为：C=200ppm，C0=1ppm，H N=0.003，H S=0.0720，L=2000mm。

代入公式4可得：L S=1667mm。

所以，由探测限确定的最短光程长为2062mm。

参考文献
[1] 韩宏峰等. 烟气排放连续监测系统（CEMS）的技能现状及生长阐发. 全国第六届情况监测年
会，2001.9.
[2] Nina B.F., John V., et cl. CEM Technology Development Strat—A Process and Supporting
. Information to Establish a CEM Technology Development Strategy. INEEL/EXT-97-01077(1997,9)
[3] 吴瑾光主编. 近代傅立叶变更红外光谱技能及应用北京：科学技能出书社，1994.
[4] U.S. Environmental Protection Agency Document: 40 CFR 60。