微流红外气体传感器

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前言：节能减排是世界范围内的主旋律，更是我国的基本国策。

近三十年来经济得到快速发展，而由此带来的空气污染问题也是非常严重，为防止空气质量恶化、维护国民的身体健康、改善生活环境及提高生活质量，国家颁布了《中华人民共和国大气污染防治法》，国家、地方也制定了相应的大气污染物排放标准，并要求固定污染源必须安装CEMS，实施大气污染源排放污染物总量监测与控制。

因此，安装稳定、可靠的CEMS至关重要。

根据《固定污染源烟气排放连续监测技术规范HJ75-2007》和《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及监测方法HJ76-2007》的要求，气态污染物CEMS主要有完全抽取法、稀释抽取法、直接测量法，从准确性、经济性、运行稳定性、维护便捷性等方面考虑，目前国内绝大部分CEMS采用完全抽取法，分析主机采用微流方法的红外气体分析仪器。

目前对于CEMS配套的仪器主要来自于ABB\SIMENSE\FUJI\HORIBA等企业，国内的主要分析仪器厂家依然使用80年代的微音器技术。

对于不同的红外气体监测方法和仪器，怎样在原理上确保仪器的精度和稳定性，以及现场的适应性，我国没有系统的研究。

本文试图对红外气体分析仪器的技术关键以及检定方法做一探讨。

1．概述目前国际上气态污染物成分测量方法主要有非分光红外（NDIR）、紫外（UV）、化学发光（CLD）等，国内外CEMS运行情况表明，非分光红外方法是CEMS应用的主流。

下图是日本1997年CEMS所用仪器测量方法的分配比例图。

图1 日本1997年统计的CEMS所用仪器测量方法比例图
1.1分析方法比较表1 不同气态污染物分析方法比较一览表
比较项目NDIR CLD UV 工作原理根据不同气体成分对于特定波长的红外线有吸收特性，来确定相应组分的浓度，满足朗伯-比尔定律。

根据化学发光反应在某一时刻的发光强度或反应的发光总量来确定反应中相应组分含量的分析方法。

根据不同气体成分对于特定波长的紫外线有吸收特性，来确定相应组分的浓度，满足朗伯-比尔定律。

测量成分SO2/NOxNOx SO2/NOx价格水平适中昂贵适中使用寿命长中短维修难易程度容易复杂复杂由上表所示，CLD测试方法只能测试NOx，若需要测试SO2还需配备其他仪表，而且价格水平较高；UV紫外吸收方法能够满足低浓度SO2测试的需要，但是用于测试NOx等气体效果不是很好，另外由于紫外光源寿命一般不高于6个月，存在寿命短的问题。

NDIR非分光红外在国际上仍然是SO2、NOx的首选测试方法，如西门子的Ultramat 23、Ultramat 6系列，ABB的AO2000、AO3000系列，以及富士的ZRE、ZRJ系列等。

1.2 NDIR非分光红外分类比较NDIR非分光红外方法一般分为单光源双光束（Single source Dual beam）、单光源单光束（Single source Single beam）；按照检测传感器分类，可以分为热电堆、微音电容(Condenser Micro-Phone)、微流传感器(Mass Flow)三种，其性能特点如表2所示：表2 NDIR非分光红外方法分类比较
比较项目半导体传感器类微音电容微流传感器（传统）微流传感器（改进）测量精度一般高高高分辨率低中高高测量成分SO2/NOx SO2/NOx SO2/NOx SO2/NOx受水分影响有有有无HC化合物影响有有有无抗振性能好差好好
半导体类红外气体传感器（水泥生产过程的CO监测、TOC 分析）
微音器类红外气体传感器（深圳某公司使用，国内北分、川仪等）
微流红外气体传感器（某公司基于SIMENSE平台改装烟气分析仪）
具备调水功能的微流红外气体传感器（FUJI ZRJ\SIMENSE U23） 1.3 NDIR非分光微流红外烟气分析仪存在的问题综合国内外多年的CEMS运行经验来看，CEMS配套的NDIR红外气体分
析仪仍然存在诸多问题，有些问题已经很明显，有些问题可能还比较隐性，本文将根据笔者多年现场工作中所遇到的关键、核心问题逐一列写，与大家共同分享和探讨。

1）温度对传感器信号的影响；
环境温度的变化对于红外测量结果存在较大的影响，尤其是对于北方昼夜温差较大的区域，环境温度的变化直接影响SO2、NOx的测量结果，即使设备房安装了空调，也会存在一定的温差。

图2表明：30度的温差将造成仪器原始信号80%的漂移。

已往的污染物红外气体分析仪大多数采用温度修正的方法来解决因环境温度变化导致测量结果变化的问题；但是，这种方法只能解决部分问题，由温度所带来的误差不能完全消除。

主要原因是，温度修正曲线只能针对使用N2或者空气条件下（零气）的温度变化信号，对于其他气体浓度（如20%，50%，100%FS）的气体修正公式不可能做全面的试验。

因此即使零点温度修正效果很好，在不同浓度下的计算也会带来很大的误差。

图2：不同温度以及浓度下微流传感器的响应（四个点对应的温度分别为10，25，30 ，40度）2）H2O（气）对SO2、NO测量结果的干扰影响如图3：气态水与排放污染物气体成分中的SO2、NO对于红外线的吸收峰存在交叉重叠，黄色曲线为SO2红外吸收光谱、红色曲线代表H2O（气）的红外吸收光谱、蓝色曲线代表NO的红外吸收光谱。

从图上可以看出，SO2选择的吸收峰波段为7.28～7.62μm，NO选择的吸收峰波段为5.1～5.3μm。

在这两个波段都存在H2O（气）的吸收峰，如果不作任何处理，H2O（气）对于烟气成分中SO2、NOx 的测量结果会带来很大影响。

微流红外气体传感器（某公司基于SIMENSE平台改装烟气分析仪）
具备调水功能的微流红外气体传感器（FUJI ZRJ\SIMENSE U23） 1.3 NDIR非分光微流红外烟气分析仪存在的问题综合国内外多年的CEMS运行经验来看，CEMS配套的NDIR红外气体分析仪仍然存在诸多问题，有些问题已经很明显，有些问题可能还比较隐性，本文将根据笔者多年现场工作中所遇到的关键、核心问题逐一列写，与大家共同分享和探讨。

1）温度对传感器信号的影响；
环境温度的变化对于红外测量结果存在较大的影响，尤其是对于北方昼夜温差较大的区域，环境温度的变化直接影响SO2、NOx的测量结果，即使设备房安装了空调，也会存在一定的温差。

图2表明：30度的温差将造成仪器原始信号80%的漂移。

已往的污染物红外气体分析仪大多数采用温度修正的方法来解决因环境温度变化导致测量结果变化的问题；但是，这种方法只能解决部分问题，由温度所带来的误差不能完全消除。

主要原因是，温度修正曲线只能针对使用N2或者空气条件下（零气）的温度变化信号，对于其他气体浓度（如20%，50%，100%FS）的气体修正公式不可能做全面的试验。

因此即使零点温度修正效果很好，在不同浓度下的计算也会带来很大的误差。

图2：不同温度以及浓度下微流传感器的响应（四个点对应的温度分别为10，25，30 ，40度）2）H2O（气）对SO2、NO测量结果的干扰影响如图3：气态水与排放污染物气体成分中的SO2、NO对于红外线的吸收峰存在交叉重叠，黄色曲线为SO2红外吸收光谱、红色曲线代表H2O（气）的红外吸收光谱、蓝色曲线代表NO的红外吸收光谱。

从图上可以看出，SO2选择的吸收峰波段为7.28～7.62μm，NO选择的吸收峰波段为5.1～5.3μm。

在这两个波段都存在H2O（气）的吸收峰，如果不作任何处理，H2O（气）对于烟气成分中SO2、NOx 的测量结果会带来很大影响。

图3 H2O（气）、SO2、NOx的吸收光谱对照图通常国内外CEMS普遍采用降低烟气露点温度的方法，因此降低烟气成分中的含湿量（即气态水的浓度）。

而事实上烟气中的水分不可能完全除尽，如附件所示，即使露点温度达到4摄氏度，此时烟气中的绝对含适量仍然在0.33%左右，通过试验表明该浓度的气态水将对传统的红外气体分析仪器造成50-100ppm的
干扰。

为了减少H2O对红外测量影响，有些厂家将4度的冷却空气作为仪器的零点测量，这又带来了两方面的问题：其一、如果烟气的温度变化，即使制冷器温度稳定，也很难保证制冷器出口烟气的温度一致，相差一度将造成0.1%的水分，增加对SO2,NO的影响在10-20ppm；其二，低浓度（如0-50ppm）无法测量准确，测量结果根本不好判定是SO2的实际浓度还是由于H2O（气）所造成的影响。

3）HC化合物对SO2测量结果的干扰除了水分干扰以外，碳氢化合物如焦化厂排放的气态污染物中存在未燃尽的CH4\C2H6\C2H4等对于SO2的测量结果带来很大干扰。

通过对其原理上进行分析，CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等HC化合物对SO2的测量结果的确会造成相当大的影响。