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基于TDLAS技术烟气湿度在线分析仪在烟气消白监测的应用

文章出处:林夕发表时间:2018-5-7 10:55:08

  针对湿法脱硫后的烟气含湿量较高(13-15%),烟温较低(45-55℃),脱硫后的烟气进入环境空气中时,烟气中水蒸气处于过饱状态后,部分水蒸气冷凝结雾,从而出现很普遍烟囱冒“白烟”现象,造成烟雾缭绕,影响视觉和造成露点腐蚀,容易引起周边群众误解,引起不必要的关注。因此,全国多地烟气消白任务均已提上日程,河北省、浙江省、河南省、天津市等省市就钢铁行业、焦化行业、燃煤电厂等污染源的超低排放提出了明确的烟气消白指标。

 
  因此,对温湿度的实时精确的监测和控制已成为污染源在线连续排放监测的重要需求。传统的阻容法湿度测量在环境保护在线监测存在许多问题,比如测量准确度差、响应时间长、可靠性差等。因此
航天易联提出基于TDLAS技术的湿度(水汽)分析仪的研究,使用半导体激光器作为光源,参考气室提供光谱调节反馈,构成了一种高精度水汽含量检测系统,此方法可以克服传统湿度分析仪的不足。经实际测试TDLAS湿度分析仪具有更好的测量准确度、重复性与可靠性。


1.引言

  自国家实行大气污染控制以来,湿法烟气脱硫工艺一直是主要的SO2控制技术,在可预见的未来,它也是被推荐的技术。我国烟气脱硫技术起步比较晚,且在现行的环保法规中,只对排放烟气中的SO2含量做出了规定,对排烟温度并没有明确的规定,脱硫烟气是否直接排放问题环保法规中都没有明确要求。


  目前国内绝大多数燃煤电厂或是其它化工行业的烟气在排放前大都进行了湿法脱硫。然而经过湿法脱硫后的烟气温度一般很低(45℃~55℃),且在排放过程中随着温度的进一步降低,烟气中的水蒸气将逐渐凝结成雾,在烟道、烟囱内壁凝结成水珠,此时的烟气通常是饱和湿烟气,烟气中含有大量水蒸汽,水蒸汽中含有较多的溶解性盐、SO3、凝胶粉尘、微尘等(都是雾霾的主要成分)。通过一般的烟囱排放会造成烟气下沉,烟气中的水蒸汽会凝结形成湿烟羽,形成白烟。湿法脱硫烟气未经加热直接排放,对烟气抬升高度、扩散不利,甚至会形成酸雨,对厂区设备、工作人员造成不利影响。造成对大气的不仅是视觉的而且是实质上污染。


  湿烟羽的形成机理如图1所示。图1中的曲线为湿空气的饱和曲线,假设湿烟气在烟囱出口处的状态位于A点,而环境空气的状态位于F点,烟气在离开烟囱时处于未饱和状态。湿烟气与环境空气混合过程开始沿AB线变化,达到B点后烟气变为饱和湿烟气,此后湿空气与环境空气的混合沿着曲线BDE变化,而多余的水蒸汽将凝结成液态小水滴,形成湿烟羽。

图1。湿烟羽形成机理

Fig.1Formationprincipleofmoistureinfluegas

由此可见,烟羽的形成主要原因是排放烟气过程中温度降低使得近饱和状态的水汽冷凝饱和所产生。在这种环境中,液态水雾或水滴含量很高,传统的湿敏电阻电容法极易发生中毒现象,使得测量数据失真,严重影响其他测量参数。同时,腐蚀性溶液造成其使用寿命急剧下降。目前,烟气消白技术大部分采用先冷凝后升温的方法,为核算消白效率,消白前后均需对烟气含湿量进行准确地实时在线测量,而湿敏电阻电容法这种接触式测量设备先天不适应高温高湿高腐蚀性的特性恐难胜任未来环保监测的需求。因此,本文提出一种基于TDLAS技术的在线湿度分析产品,可有效避免上述问题。


2.检测原理

TDLAS技术依据气体吸收光谱进行气体浓度检测。因为原子和分子可以在吸收特定波长的光子后进入激发态,并在一段很短随机时间之后,通过向随机方向释放光子或无辐射跃迁的方式,回到基态。因此,当符合气体特征吸收波长的光通过气体时,就会被气体分子吸收,导致出射光减弱。该吸收可以由比尔-兰伯特(Beer-Lambert)公式表述[2,3]:

其中It为穿过待测气体后的透射光光强;I0为进入待测气体时的入射光强;α为吸收系数;C为待测气体的浓度。L为光所经过的待测气体的吸收路径长度。通过检测出射光与入射光之比,即可以得到待测气体的浓度:

TDLAS技术正是通过控制半导体激光器工作温度以及工作电流,使得激光器输出波长等于待测气体的特征吸收波长,以检测气体浓度的方法。由于激光光源功率谱密度非常大,这种方法可以获得极高的精度;同时光与气体作用时间短,该技术具有非常高的响应速度[4,5]。

由HITRAN数据库[6]可以得到,水分子(H2O)在1.37微米波长附近有几个十分显著的吸收峰,并且在这个波段对作为干燥用空气主要成分几乎没有吸收,十分适用于湿度检测,如图2所示。

图2.1.37微米附近水分子的特征吸收峰

Fig。2Characteristicabsorptionpeakofwatermoleculesat1。37um

根据该技术原理,设计了基于TDLAS技术测量湿度传感器系统框图,系统采用激光波长动态扫描技术、高精度光学耦合探测技术、抗干扰信号处理算法等,传感器结构图如图3所示。

图3.TDLAS技术产品检测框图

Fig。3TDLASproducttechnologydiagram


3.技术优势

基于TDLAS技术烟气湿度分析仪在环境保护在线监测的应用相对于传统的湿度分析仪具有极大的优势:


首先,测量准确度高。基于TDLAS技术的湿度(水汽)分析仪,使用半导体激光器作为光源,参考气室提供光谱调节反馈,构成了一种高精度水汽含量检测系统,系统采用激光波长动态扫描技术、高精度光学耦合探测技术、抗干扰信号处理算法等,达到测量准确度高。


其次,响应时间快。基于TDLAS技术的湿度(水汽)分析仪采用非接触测量,不会存在从高湿向低湿变化时脱湿困难的问题,而且探测光与大气中的水汽分子属于瞬间作用,因此相对于传统的湿度分析仪,响应时间得到了大大缩减,可以达到毫秒量级。


再次,可靠性好。传统的湿度分析仪采用的是接触式测量,但是不同场景的环境气体是非常复杂的,高温、高压、酸性、碱性等很容易造成测量主机故障甚至毁坏。然而基于TDLAS技术的湿度分析仪采用非接触测量,高温高压耐腐蚀的气室大大提高了分析仪的使用寿命,因此基于TDLAS技术的湿度分析仪可靠性好。


综上所述,传统的湿度分析仪在使用中出现高温高湿测不准,测量响应时间慢,易污染,数据不准确等特点,无法满足湿度在线监测需要[1]。为获取高精度、重复性好的湿度参数,本文提出基于可调谐半导体激光吸收光谱(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)技术的湿度(水汽)分析仪,并在某石油炼化厂进行实际应用,对高温高湿情况下的湿度进行测量,准确性、可靠性得到了用户较高的认可。

4.产品设计

3.1TDLAS湿度分析仪产品设计

根据结构图,设计出TDLAS湿度分析仪主机:

图4。TDLAS湿度分析仪主机示意图

Fig.4SchematicdiagramofTDLAShuityanalyzerhost

其中,该产品的主要参数如下:

表1产品主要参数表

Tab.1Mainparameterlistofproducts

根据测量工艺要求,该分析仪需装配在烟囱管道法兰上,因此设计该分析仪探头如下,其中探头前端为TDLAS光学探测气室,采用高精度光学耦合技术实现耐高温250℃(耐350℃样机正在试验,产品有望近期推出)、耐高湿环境(100%RH)、本质安全的特点。


3.2湿度标定系统及方法

TDLAS作为湿度传感测量,首选需建立符合该技术的湿度标定系统方法。目前公司产品使用北京市国瑞智新技术有限公司生产的双压法湿度发生器(二级标准)。该发生器可生成相对湿度从20%~90%,误差≤1%的水汽,用于湿度对比试验中水汽环境的生成,使用MichelleS8000型露点仪作为湿度校准设备,提供相对湿度误差≤1%RH的校准。

试验条件为:发生器输出10℃温度下,相对湿度从20%~90%输出,再回到相对湿度20%,每次调整湿度输出稳定时间为15分钟;同样方法再进行20℃下试验。


3.3试验结果与分析

基于TDLAS技术的湿度分析仪在10℃相对湿度20%~90%再回到20%结果如图5所示。20℃结果如图6所示。

通过测量数据可以得出,湿度上升和湿度下降时,分析仪测试数据线性度好(线性度R2=99.95%),重复性好,相对湿度误差<1%,未出现退湿慢的情况。

图5.10℃TDLAS传感器系统数据对比

Fig.5DatacomparisonofTDLASsensorsystemin10℃

图6.20℃TDLAS传感器系统数据对比

Fig.620℃DatacomparisonofTDLASsensorsystemin20℃

因此,通过试验验证,本公司产品在湿度测量中具有重复性好,响应速度快,无退湿滞后等优点。


5.现场应用

该分析仪应用在河北省某石油炼化厂烟气出口烟囱上。该点的工况是:温度20℃~60℃(45℃为典型值),相对湿度80%RH~100%RH,压力为常压或者微负压。

分析仪插入管道法兰上,主机通过RS485接口与上传系统连接,上传系统将数据远程传输至监测平台。

图7。产品安装现场

Fig。7Productinstallationsite

图8。监测平台

Fig。8Monitoringplatform

系统连接后显示相对湿度100%RH,属于高湿范畴。分析仪每隔30秒向监测平台传输一组数据包,监测平台将收到的数据实时显示。分析仪于2017年11月份安装至今已有6个多月的时间,测量情况依然稳定,如图9所示:

图9。测量数据趋势

Fig。9Datatrendofmeasurement


6.结束语

本文介绍了基于TDLAS技术的湿度分析仪工作原理与产品结构,制定了一种湿度标定方法,湿度测量重复性、响应时间及退湿情况均表现良好,证明了使用TDLAS技术可以实现水汽的准确、可靠测量。最后,该仪器在某石油炼化厂进行现场应用,通过实际运行数据得出该仪器在高湿高腐蚀性环境中可长期在线运行,且稳定性,准确性良好,可靠性高。

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