专利名称：烟气颗粒物和污染气体同时在线监测装置和方法
技术领域：
本发明涉及烟气的在线监测方法和装置，特别是基于差分吸收光谱分析方法的烟
气颗粒物和污染气体同时在线检测的装置和方法。
背景技术：
在燃煤和燃油过程排放的高浓度二氧化硫(S02)、氮氧化物(N0X)及颗粒物等对环 境和人类健康造成了严重危害。各国都制订了严格的标准、规范和法规对烟气的排放进行 监测、控制和治理。 当前的固定污染源烟气排放连续监测系统(Continuous Emission Monitoring Systems, CEMS)，对烟气排放中的气态污染物(S02、 N0X、中环芳烃等)和颗粒物分别采用不 同的设备进行监测。颗粒物的在线光学监测方法有不透明度(浊度)法、光散射法、光闪烁 法。不透明度法适合于高浓度颗粒物(如污染源排放)的监测，为了避免污染气体吸收对 测量精度的影响，要选择在烟气主要成分没有强吸收的波长；光散射法基于烟尘颗粒的光 散射效应， 一般适合于低浓度颗粒物的测量；光闪烁法基于运动颗粒物对入射光的幅度调 制作用，调制信号的幅度与颗粒物的浓度成正比。其它测量方法还有P射线吸收法和电荷 法。光学方法具有非接触、无须取样、精度较高、测量速度快等优点。 对烟气中气体污染物的在线监测采用抽取式或插入式，1)抽取式(稀释法)烟 道中的烟气经抽取、过滤、稀释、干燥后，被分别送入紫外荧光分析仪(so》、化学发光分析 仪(N0X)和非分散红外分析仪(CO》，烟气稀释的目的在于解决S(^浓度较高时的荧光淬灭 现象。2)插入式在线连续监测系统，使用紫外差分吸收光谱(D0AS)方法，D0AS可以测量的 气体包括S02，N02，N0等污染气体，D0AS利用被测气体吸收截面中随波长的快速变化成分， 通过数学手段对被测的光谱信号进行快变化的提取，用于气体成分的检测和浓度的在线计 算，而气体吸收的慢变化与测量光路中的颗粒物消光、仪器漂移、光源和检测器特性等混杂 在一起，不加区分的完全剔除掉了 。 按照国家环保部"固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法"(HJ/T 76-2007)的要求，CEMS系统的监测项目包括气态污染物(S02， N02， NO)、颗粒物及烟气排放 参数(温度、压力、流量、湿度、02、0)2)，现有技术对气态污染物和颗粒物分别采用不同的测 量单元。如发明专利[CN200810050862](东北电力大学李少华等)所提出的方法，对污染 气体(N0x、S02、C0、C02)采用非分散红外技术，对烟气中的颗粒物采用激光通过烟气的衰减 系数进行测量，污染气体和颗粒物的测量采用不同的测量单元和各自独立安装，仅是共用 同一套数据采集控制器分别进行数据的处理和运算。这种所谓的同时在线监测方法的实质 是不同设备的集成化。 现有烟气连续监测系统的缺点在于，污染气体和颗粒物分别采用不同的设备测 量，并需要分别在烟道开孔安装探头(或取样头)，系统的成本高、安装调试繁琐，且维护费 用高，不具有经济性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种烟气颗粒物和污染气体的 同时在线监测方法和装置。 本发明是一种插入式的烟气颗粒物和污染气体同时在线监测装置，其特征是光谱 仪(16)通过法兰(18)与烟道(17)固定，烟气排放参数测量单元(14)通过法兰(18)与烟 道(17)固定；烟气排放参数测量单元(14)的测量信号和光谱仪的测量信号通过电缆线连 接到AD转换器(13)，并送到计算机(15)。 所述的光谱仪(16)是由光源驱动器(1)、光源(2)、透镜(3)、光分束器(4)、检测 器(5)、前置放大器(6)、光准直器(7)、光学窗(8)、单色器(11)、阵列检测器(12)组成； 以电路连接或光的传输方向依次为光源驱动器(1);光源(2)发出的光穿过透镜(3)到 光分束器(4);光分束器分为两路，一路经过检测器(5)到前置放大器(6)连接到AD转换 器(13);另一路经过光准直器(7)到光学窗(8)经过探头(9)到光反射器(10);光反射器 (10)反射回的光经光分束器(4)经透镜(3)和单色器(11)、阵列检测器(12)连接到AD转 换器(13);烟气排放参数测量单元(14)连接到AD转换器(13)。 本发明的一种插入式的烟气颗粒物和污染气体同时在线监测方法，光源(2)发出 的光经透镜(3)压縮发散角，由分束镜(4)分为两束光，其中的反射光由参考路检测器(5) 转换为电信号，并经参考路前置放大器(6)放大后送AD转换器，对测量光强的变化进行监 测和校正；分束镜的透射光经准直镜(7)准直、通过光学窗(8)入射到烟道(17)作为入射 光，经探头(9)中的反射器(10)将光反射回，测量光经光分束器(4)的反射光由透镜(3) 会聚到单色器(11);光谱信号经测量路前置放大器(19)放大滤波后，经AD转换器(13)转 换为数字信号，在计算机(15)中做数据的预处理和光谱分析；计算烟气中的颗粒物和污染 气体的浓度；再依据烟气排放参数测量单元(14)获得的烟气排放参数进行颗粒物和各种 污染气体的排放量的计算。
具体检测方法如下 1)光源(2)发出的光经分束镜(4)、准直镜(7)、光学窗(8)入射到烟道(19)的入 射光1。(A)，经探头(9)中的反射器(10)将光反射回测量光I(A)，经分束镜反射(4)、透 镜(11)聚焦到单色器(12); 2)测量光经单色器中的色散装置分光，由检测器(12)进行光电转换，并经前置放 大器(19)放大滤波； 3)放大后的信号经AD转换器(13)转换为数字信号，有计算机(15)进行数据的预 处理和光谱分析； 4)测量数据分析的机理在于朗伯_比尔定律，采用差分吸收光谱方法，通过数字
滤波的方法分离吸收光谱中的慢变化成分I' 。(A)作为等效入射光强，分别由快、慢变化
计算污染气体的浓度(Ci)和颗粒物的浓度(Cm)。 ln(I'。(入)/I(入))=L E (o ' i(入)c》 ln(I。(入)/T 。(入))-L E (o i。(入)Ci) = Lp c迈+z。。
测量数据的分析采用差分吸收光谱方法，基于朗伯_比尔定律 I(入)=1。(入)exp[-Lo (入)c] (1) D(A) = ln(I。(入)/I(入))=Lo (A)c (2),(入)为物质吸收 t光中提取其中的
(4) 其中I。(A)为入射光强；I(A)为测量光强；L为光程长(cm) ;c为气体浓度 (mol/cm3) ;o ("为吸收截面(cm7mo1) ;D(入)为光学厚度。 为了消除烟气中颗粒物的光散射对污染气体测量精度的影响，将物质的吸收截面
分解为随波长的快变化和慢变化两个部分
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其中，o' 为物质吸收截面中随波长的快速变化部分，0
截面中随波长的慢变化部分。对式(1)采用数字滤波的方法，可以从测3 慢变化成分 <formula>formula see original document page 5</formula>
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其中，和eM(A)分别表示瑞利散射和米散射消光吸收，A(A)是与光谱 系统传输函数相关的系数。式(5)的I' 。(A)描述了气体吸收的慢变化和散射的影响。
基于等效入射光强I' 。(A)和被测物质吸收截面的快变化部分o ' i(A)来计 算物质的浓度 <formula>formula see original document page 5</formula> (6) 烟气吸收光谱中的慢变化来源于气体吸收中的慢变化成分、共存干扰成分的吸
收、颗粒物的散射和吸收、仪器的漂移等。通过入射光强I。(入)和等效入射光强I'。(入)，
并扣除主要污染物气体吸收的慢变化后，剩余的烟气吸收光谱慢变化将取决于烟气中的颗
粒物的浓度和粒径分布，可以计算烟气中颗粒物的浓度 <formula>formula see original document page 5</formula> (7)
式中，Dm是等效的颗粒物消光光学厚度；cm是烟气中颗粒物的浓度；P 、 z。为烟
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的测J 这样，在光谱仪的工作波段内，通过消除仪器漂移、扣除吸收光谱中的气体吸收等 措施，可以构成不透明度法的颗粒物浓度测量系统。 通过对式(6)和(7)选择多个不同波长处的光学厚度，可以构成线性方程组
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(8) 式中，m为选择波长的序号，通常m大于待测成分的数量。使用最小二乘法对线性 方程(8)求解，可以同时得到烟气中气体污染物(N02，S02和N0)和颗粒物的浓度。
5)分束镜(4)出射的另一束光由检测器(5)检测，并经前置放大器(6)、AD转换器 (15)转换为数字信号，用作入射光强信号1。(A)的在线校正，所述校正方法是依据式(9) 对测量路的输出进行校正 Ic ( A ， t) = (Iro/Ir (t)) I。(入，t) +b (入) (9)
Ir。是系统标定时，参考路的输出；
Ir(t)是在线测量时，参考路的输出；
I。(A ， t)是在线测量时，测量路的输出；
b ( A )是与系统传递函数相关的校正常数； 以校正后的I。( A ， t)代替I。( A ， t)按照上式计算烟气中的气体污染物和颗粒物
浓度，可以有效去除光源波动、系统漂移对测量结果的影响。 本发明的主要特点在于 上述颗粒物和污染气体的同时在线监测方法是基于同一套光学测量装置，即同一 套光源、测量光路、反射器、检测器、信号调理电路和数据采集单元。 上述颗粒物和污染气态同时在线监测的方法是D0AS方法的拓展，即吸收光谱中 的快变化成分用于污染气体的在线分析，吸收光谱中的快变化成分扣除污染气体的慢变化 吸收后用于颗粒物的在线分析； 上述颗粒物的在线监测方法是不透明度方法的拓展，即通过扣除污染气体吸收的 方法，解决污染气体浓度变化对颗粒物监测精度的影响，从而解决不透明度方法中对工作 波长选择的局限性。 上述颗粒物和污染气体同时在线监测的方法，分束器分出的非测量光由检测器拾 取、放大、AD采集，用作测量光强的监测和校正。 综上所述，本发明解决了使用同一套光路同时在线监测污染气体和颗粒物的技术 难题，降低了系统的成本；同时减少在烟道上开凿的探头(或采用)插入孔，可减轻现场安 装、调试以及日后系统维护的工作量。
图1为本发明系统结构框图(光栅+阵列检测器)； 图2为本发明实施例2的系统结构框图(光栅扫描+点检测器)； 图3是测量光谱数据1 ; 图4是测量光谱数据2。 1-光源驱动器、2-光源、3-透镜、4-光分束器、5-参考路检测器、6_参考路前置放 大器、7-光准直器、8-光学窗、9-探头、10-光反射器、11-单色器、12-阵列检测器、13-AD 转换器、14-烟气排放参数测量单元、15-计算机、16-光谱仪外壳、17-烟道、18-连接法兰、 19-测量路前置放大器、20-测量路检测器、21-微型电机、22-微型电机驱动器。
具体实施例方式现通过附图和具体实施例对本发明进一步说明如下
实施例1 : 如图1所示，本发明是一种插入式的烟气颗粒物和污染气体同时在线监测装置， 光谱仪外壳(16)通过法兰(18)与烟道(17)固定，烟气排放参数测量单元(14)通过法兰 (18)与烟道(17)固定。烟气排放参数测量单元(14)的测量信号和光谱仪的测量信号通过 电缆线连接到AD转换器(13)，并送到计算机(15)。 光源(2)发出的光经透镜(3)压縮发散角，由分束镜(4)分为两束光，其中的反射光由参考路检测器(5)转换为电信号，并经参考路前置放大器(6)放大后送AD转换器，对 测量光强的变化进行监测和校正。分束镜的透射光经准直镜(7)准直、通过光学窗(8)入 射到烟道(17)作为入射光，经探头(9)中的反射器(10)将光反射回(也称为测量光)，测 量光经光分束器(4)的反射光由透镜(3)会聚到单色器(11)。 单色器采用光栅或其它色散元件，本实施例中采用平象场凹面光栅作为色散元 件，并使用阵列检测器(12)做多通道信号同时检测，所述阵列检测器可以是光电二极管阵 列、CCD、 CMOS图像传感器中的一种。阵列检测器的输出是在不同波长上的测量光强，即光 谱信号。 光谱信号经测量路前置放大器(19)放大滤波后，经AD转换器(13)转换为数字信 号，在计算机(15)中做数据的预处理和光谱分析。光谱分析方法依据发明内容一节中的描 述采用差分吸收光谱方法，按照式(6)、 (7)、 (8)计算烟气中的颗粒物和污染气体的浓度。
具体检测方法如下 6)光源(2)发出的光经分束镜(4)、准直镜(7)、光学窗(8)入射到烟道(19)的入 射光1。(A)，经探头(9)中的反射器(10)将光反射回测量光I(A)，经分束镜反射(4)、透 镜(11)聚焦到单色器(12); 7)测量光经单色器中的色散装置分光，由检测器(12)进行光电转换，并经前置放 大器(19)放大滤波； 8)放大后的信号经AD转换器(13)转换为数字信号，有计算机(15)进行数据的预 处理和光谱分析； 9)测量数据分析的机理在于朗伯_比尔定律，采用差分吸收光谱方法，通过数字
滤波的方法分离吸收光谱中的慢变化成分I' 。(A)作为等效入射光强，分别由快、慢变化
计算污染气体的浓度(Ci)和颗粒物的浓度(Cm)。 ln(I'。(入)/I(入))=L E (o ' i (入)c》 ln(Io(入)/T o(入))-L E (o i。(入)c》=LP cm+z0。
测量数据的分析采用差分吸收光谱方法，基于朗伯_比尔定律 I(入)=1。(入)exp[-Lo (入)c] (1) D(A) = ln(I。(入)/I(入))=Lo (A)c (2) 其中I。(A)为入射光强；I(A)为测量光强；L为光程长(cm) ;C为气体浓度 (mol/cm3) ;o ("为吸收截面(cm7mo1) ;D(入)为光学厚度。 为了消除烟气中颗粒物的光散射对污染气体测量精度的影响，将物质的吸收截面
分解为随波长的快变化和慢变化两个部分
o i (入)=0 i0 (入)+ 0 ' i (入) (3) 其中，o ' "A)为物质吸收截面中随波长的快速变化部分，o i。(A)为物质吸收 截面中随波长的慢变化部分。对式(1)采用数字滤波的方法，可以从测量光中提取其中的 慢变化成分 I(A) = I0(A) exp[-L E (o ' i (入)c》] e邓[-L( E (。i。(入)Ci)+eR(A)+eM(A))] 'A(A) (4) =1' o(入)exp[-L E (o ' i (入)c》] I' 。(A) = 1。(入).e邓[-L( E (。i。(入)Ci)+eR(入)+eM(入))]'A(入) (5)
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其中，和eM(A)分别表示瑞利散射和米散射消光吸收，A(A)是与光谱 系统传输函数相关的系数。式(5)的I' 。(A)描述了气体吸收的慢变化和散射的影响。
基于等效入射光强I' 。(A)和被测物质吸收截面的快变化部分o ' i(A)来计 算物质的浓度 D' =ln(I'。(入)/I(入))=L E (o ' i (入)c》 (6) 烟气吸收光谱中的慢变化来源于气体吸收中的慢变化成分、共存干扰成分的吸
收、颗粒物的散射和吸收、仪器的漂移等。通过入射光强I。(入)和等效入射光强I'。(入)，
并扣除主要污染物气体吸收的慢变化后，剩余的烟气吸收光谱慢变化将取决于烟气中的颗
粒物的浓度和粒径分布，可以计算烟气中颗粒物的浓度 Dm = ln(Io(入)/T o(入))-L E (o i。(入)c》=LP cm+z。 (7)
式中，Dm是等效的颗粒物消光光学厚度；cm是烟气中颗粒物的浓度；P 、 z。为烟
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的测J 这样，在光谱仪的工作波段内，通过消除仪器漂移、扣除吸收光谱中的气体吸收等 措施，可以构成不透明度法的颗粒物浓度测量系统。 通过对式(6)和(7)选择多个不同波长处的光学厚度，可以构成线性方程组
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(8)
丄P^ + z0 式中，m为选择波长的序号，通常m大于待测成分的数量。使用最小二乘法对线性 方程(8)求解，可以同时得到烟气中气体污染物(N02，S02和N0)和颗粒物的浓度。
10)分束镜(4)出射的另一束光由检测器(5)检测，并经前置放大器(6)、AD转 换器(15)转换为数字信号，用作入射光强信号I。(A)的在线校正，所述校正方法是依据式 (9)对测量路的输出进行校正 Ic ( A ， t) = (Ir。/Ir (t)) I0 (入，t) +b (入) (9)
Ir。是系统标定时，参考路的输出；
Ir(t)是在线测量时，参考路的输出； 1。(入，t)是在线测量时，测量路的输出； b ( A )是与系统传递函数相关的校正常数；
以校正后的I。( A ， t)代替I。( A ， t)按照上式计算烟气中的气体污染物和颗粒物 浓度，可以有效去除光源波动、系统漂移对测量结果的影响。 在如图3所示测量的光谱信号，其按照上述方法计算的S(^、N0和颗粒物的浓度分 别为512卯m、322卯m、110mg/m3。 在如图4所示测量的光谱信号，其按照上述方法计算的S0yN0和颗粒物的浓度分 别为469卯m、283ppm、362mg/m3。 再依据烟气排放参数测量单元(14)获得的烟气排放参数(温度、压力、流量、湿 度、02、0)2)进行颗粒物和各种污染气体的排放量的计算。具体计算方法可参见《固定污染
8源烟气排放连续监测技术规范》(中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T 75-2007)。
实施例2: 如图1所示，本发明是一种插入式的烟气颗粒物和污染气体同时在线监测装置。 与实施例1不同之处在于，本实施例中采用平面光栅作为色散元件，并使用测量路检测器 (20)做单通道信号检测，通过微型电机(21)带动的光栅旋转实现色散波长的扫描。所述检 测器可以是光电二极管、光电池、光电倍增管中的一种。所述微型电机(21)由微型电机驱 动器(22)驱动。 其它部分与实施例1相同。 本发明并不局限于实例中所描述的技术，它的描述是说明性的，并非限制性的，本 发明的权限由权利要求所限定，基于本技术领域人员依据本发明所能够变化、重组等方法 得到的与本发明相关的技术，都在本发明的保护范围内。
权利要求
一种插入式的烟气颗粒物和污染气体同时在线监测装置，其特征是光谱仪(16)通过法兰(18)与烟道(17)固定，烟气排放参数测量单元(14)通过法兰(18)与烟道(17)固定；烟气排放参数测量单元(14)的测量信号和光谱仪的测量信号通过电缆线连接到AD转换器(13)，并送到计算机(15)。
2. 如权利要求1所述的插入式的烟气颗粒物和污染气体同时在线监测装置，其特征是 所述的光谱仪(16)是由光源驱动器(1)、光源(2)、透镜(3)、光分束器(4)、检测器(5)、前 置放大器(6)、光准直器(7)、光学窗(8)、单色器(11)、阵列检测器(12)组成；以电路连接 或光的传输方向依次为光源驱动器(1);光源(2)发出的光穿过透镜(3)到光分束器(4); 光分束器分为两路，一路经过检测器(5)到前置放大器(6)连接到AD转换器(13);另一路 经过光准直器(7)到光学窗(8)经过探头(9)到光反射器(10);光反射器(10)反射回的 光经光分束器(4)经透镜(3)和单色器(11)、阵列检测器(12)连接到AD转换器(13);烟 气排放参数测量单元(14)连接到AD转换器(13)。
3. —种插入式的烟气颗粒物和污染气体同时在线监测方法，其特征是光源(2)发出的 光经透镜(3)压縮发散角，由分束镜(4)分为两束光，其中的反射光由参考路检测器(5)转 换为电信号，并经参考路前置放大器(6)放大后送AD转换器，对测量光强的变化进行监测 和校正；分束镜的透射光经准直镜(7)准直、通过光学窗(8)入射到烟道(17)作为入射光， 经探头(9)中的反射器(10)将光反射回，测量光经光分束器(4)的反射光由透镜(3)会聚 到单色器(11);光谱信号经测量路前置放大器(19)放大滤波后，经AD转换器(13)转换为 数字信号，在计算机(15)中做数据的预处理和光谱分析，计算烟气中的颗粒物和污染气体 的浓度；再依据烟气排放参数测量单元(16)获得的烟气排放参数进行颗粒物和各种污染 气体的排放量的计算。
4. 如权利要求3所述的插入式的烟气颗粒物和污染气体同时在线监测方法，其特征是 检测方法如下1) 光源(2)发出的光经分束镜(4)、准直镜(7)、光学窗(8)入射到烟道(19)的入射 光I。(A)，经探头(9)中的反射器(10)将光反射回测量光I(A)，经分束镜反射(4)、透镜 (11)聚焦到单色器(12);2) 分束镜(4)出射的另一束光由检测器(5)检测，并经前置放大器(6)、AD转换器(15) 转换为数字信号，用作入射光强信号1。(A)的在线校正；3) 测量光经单色器中的色散装置分光，由检测器(13)进行光电转换，并经前置放大器 (14)放大滤波;4) 放大后的信号经AD转换器(15)转换为数字信号，由计算机(17)进行数据的预处理 和光谱分析；5) 测量数据分析的机理在于朗伯_比尔定律，采用差分吸收光谱方法，通过数字滤波 的方法分离吸收光谱中的慢变化成分I' 。(A)作为等效入射光强，分别由快、慢变化计算 污染气体的浓度(Ci)和颗粒物的浓度(Cm)。ln(I'。(入)/I(入))=L E (o ' i(入)Ci) ln(I。(入)/I'。(入))-LE (。io(入)Ci) =Lpcm+z0。
全文摘要
本发明涉及烟气颗粒物和污染气体同时在线检测的装置和方法。光谱仪(16)通过法兰(18)与烟道(17)固定，烟气排放参数测量单元(14)通过法兰(18)与烟道(17)固定；烟气排放参数测量单元(14)的测量信号和光谱仪的测量信号通过电缆线连接到AD转换器(13)，并送到计算机(15)。颗粒物和污染气态同时在线监测的方法是DOAS方法的拓展，即吸收光谱中的快变化成分用于污染气体的在线分析，吸收光谱中的慢变化成分扣除污染气体的慢变化吸收后用于颗粒物的在线分析；本发明解决了使用同一套光路同时在线监测污染气体和颗粒物的技术难题，降低了系统的成本；同时减少在烟道上开凿的探头插入孔，可减轻现场安装、调试以及日后系统维护的工作量。
文档编号G01N15/06GK101718670SQ20091022910
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者徐可欣, 杜振辉, 陈文亮 申请人:天津同阳科技发展有限公司;天津大学