針對濕法脫硫后的煙氣含濕量較高（13-15%），煙溫較低（45-55℃）,脫硫后的煙氣進入環(huán)境空氣中時，煙氣中水蒸氣處于過飽狀態(tài)后，部分水蒸氣冷凝結(jié)霧，從而出現(xiàn)很普遍煙囪冒“白煙”現(xiàn)象，造成煙霧繚繞，影響視覺和造成露點腐蝕，容易引起周邊群眾誤解，引起不必要的關注。因此，全國多地煙氣消白任務均已提上日程，河北省、浙江省、河南省、天津市等省市就鋼鐵行業(yè)、焦化行業(yè)、燃煤電廠等污染源的超低排放提出了明確的煙氣消白指標。

 
因此，對溫濕度的實時精確的監(jiān)測和控制已成為污染源在線連續(xù)排放監(jiān)測的重要需求。傳統(tǒng)的阻容法濕度測量在環(huán)境保護在線監(jiān)測存在許多問題，比如測量準確度差、響應時間長、可靠性差等。因此航天易聯(lián)提出基于TDLAS技術的濕度（水汽）分析儀的研究，使用半導體激光器作為光源，參考氣室提供光譜調(diào)節(jié)反饋，構(gòu)成了一種高精度水汽含量檢測系統(tǒng)，此方法可以克服傳統(tǒng)濕度分析儀的不足。經(jīng)實際測試TDLAS濕度分析儀具有更好的測量準確度、重復性與可靠性。

1.引言

自國家實行大氣污染控制以來，濕法煙氣脫硫工藝一直是主要的SO2控制技術，在可預見的未來，它也是被推薦的技術。我國煙氣脫硫技術起步比較晚，且在現(xiàn)行的環(huán)保法規(guī)中，只對排放煙氣中的SO2含量做出了規(guī)定，對排煙溫度并沒有明確的規(guī)定，脫硫煙氣是否直接排放問題環(huán)保法規(guī)中都沒有明確要求。

目前國內(nèi)絕大多數(shù)燃煤電廠或是其它化工行業(yè)的煙氣在排放前大都進行了濕法脫硫。然而經(jīng)過濕法脫硫后的煙氣溫度一般很低（45℃~55℃），且在排放過程中隨著溫度的進一步降低，煙氣中的水蒸氣將逐漸凝結(jié)成霧，在煙道、煙囪內(nèi)壁凝結(jié)成水珠，此時的煙氣通常是飽和濕煙氣，煙氣中含有大量水蒸汽，水蒸汽中含有較多的溶解性鹽、SO3、凝膠粉塵、微塵等（都是霧霾的主要成分)。通過一般的煙囪排放會造成煙氣下沉，煙氣中的水蒸汽會凝結(jié)形成濕煙羽，形成白煙。濕法脫硫煙氣未經(jīng)加熱直接排放，對煙氣抬升高度、擴散不利，甚至會形成酸雨，對廠區(qū)設備、工作人員造成不利影響。造成對大氣的不僅是視覺的而且是實質(zhì)上污染。

2.檢測原理

TDLAS技術依據(jù)氣體吸收光譜進行氣體濃度檢測。因為原子和分子可以在吸收特定波長的光子后進入激發(fā)態(tài)，并在一段很短隨機時間之后，通過向隨機方向釋放光子或無輻射躍遷的方式，回到基態(tài)。因此，當符合氣體特征吸收波長的光通過氣體時，就會被氣體分子吸收，導致出射光減弱。該吸收可以由比爾-蘭伯特(Beer-Lambert)公式表述[2,3]：

其中It為穿過待測氣體后的透射光光強；I0為進入待測氣體時的入射光強；α為吸收系數(shù)；C為待測氣體的濃度。L為光所經(jīng)過的待測氣體的吸收路徑長度。通過檢測出射光與入射光之比，即可以得到待測氣體的濃度：

TDLAS技術正是通過控制半導體激光器工作溫度以及工作電流，使得激光器輸出波長等于待測氣體的特征吸收波長，以檢測氣體濃度的方法。由于激光光源功率譜密度非常大，這種方法可以獲得極高的精度；同時光與氣體作用時間短，該技術具有非常高的響應速度[4,5]。

由HITRAN數(shù)據(jù)庫[6]可以得到，水分子(H2O)在1.37微米波長附近有幾個十分顯著的吸收峰，并且在這個波段對作為干燥用空氣主要成分幾乎沒有吸收，十分適用于濕度檢測，如圖2所示。

根據(jù)該技術原理，設計了基于TDLAS技術測量濕度傳感器系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)采用激光波長動態(tài)掃描技術、高精度光學耦合探測技術、抗干擾信號處理算法等，傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.技術優(yōu)勢

基于TDLAS技術煙氣濕度分析儀在環(huán)境保護在線監(jiān)測的應用相對于傳統(tǒng)的濕度分析儀具有極大的優(yōu)勢：

首先，測量準確度高?；赥DLAS技術的濕度（水汽）分析儀，使用半導體激光器作為光源，參考氣室提供光譜調(diào)節(jié)反饋，構(gòu)成了一種高精度水汽含量檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用激光波長動態(tài)掃描技術、高精度光學耦合探測技術、抗干擾信號處理算法等，達到測量準確度高。

其次，響應時間快?；赥DLAS技術的濕度（水汽）分析儀采用非接觸測量，不會存在從高濕向低濕變化時脫濕困難的問題，而且探測光與大氣中的水汽分子屬于瞬間作用，因此相對于傳統(tǒng)的濕度分析儀，響應時間得到了大大縮減，可以達到毫秒量級。

再次，可靠性好。傳統(tǒng)的濕度分析儀采用的是接觸式測量，但是不同場景的環(huán)境氣體是非常復雜的，高溫、高壓、酸性、堿性等很容易造成測量主機故障甚至毀壞。然而基于TDLAS技術的濕度分析儀采用非接觸測量，高溫高壓耐腐蝕的氣室大大提高了分析儀的使用壽命，因此基于TDLAS技術的濕度分析儀可靠性好。

綜上所述，傳統(tǒng)的濕度分析儀在使用中出現(xiàn)高溫高濕測不準，測量響應時間慢，易污染，數(shù)據(jù)不準確等特點，無法滿足濕度在線監(jiān)測需要[1]。為獲取高精度、重復性好的濕度參數(shù)，本文提出基于可調(diào)諧半導體激光吸收光譜（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy，TDLAS）技術的濕度（水汽）分析儀，并在某石油煉化廠進行實際應用，對高溫高濕情況下的濕度進行測量，準確性、可靠性得到了用戶較高的認可。

4.產(chǎn)品設計

3.1TDLAS濕度分析儀產(chǎn)品設計

根據(jù)測量工藝要求，該分析儀需裝配在煙囪管道法蘭上，因此設計該分析儀探頭如下，其中探頭前端為TDLAS光學探測氣室，采用高精度光學耦合技術實現(xiàn)耐高溫250℃（耐350℃樣機正在試驗，產(chǎn)品有望近期推出）、耐高濕環(huán)境（100%RH）、本質(zhì)安全的特點。

3.2濕度標定系統(tǒng)及方法

TDLAS作為濕度傳感測量，首選需建立符合該技術的濕度標定系統(tǒng)方法。目前公司產(chǎn)品使用北京市國瑞智新技術有限公司生產(chǎn)的雙壓法濕度發(fā)生器（二級標準）。該發(fā)生器可生成相對濕度從20%~90%，誤差≤1%的水汽，用于濕度對比試驗中水汽環(huán)境的生成，使用MichelleS8000型露點儀作為濕度校準設備，提供相對濕度誤差≤1%RH的校準。

試驗條件為：發(fā)生器輸出10℃溫度下，相對濕度從20%~90%輸出，再回到相對濕度20%，每次調(diào)整濕度輸出穩(wěn)定時間為15分鐘；同樣方法再進行20℃下試驗。

3.3試驗結(jié)果與分析

基于TDLAS技術的濕度分析儀在10℃相對濕度20%~90%再回到20%結(jié)果如圖5所示。20℃結(jié)果如圖6所示。

通過測量數(shù)據(jù)可以得出，濕度上升和濕度下降時，分析儀測試數(shù)據(jù)線性度好（線性度R2=99.95%），重復性好，相對濕度誤差＜1%，未出現(xiàn)退濕慢的情況。

通過試驗驗證，本公司產(chǎn)品在濕度測量中具有重復性好，響應速度快，無退濕滯后等優(yōu)點。

5.現(xiàn)場應用

該分析儀應用在河北省某石油煉化廠煙氣出口煙囪上。該點的工況是：溫度20℃~60℃（45℃為典型值），相對濕度80%RH~100%RH，壓力為常壓或者微負壓。

分析儀插入管道法蘭上，主機通過RS485接口與上傳系統(tǒng)連接，上傳系統(tǒng)將數(shù)據(jù)遠程傳輸至監(jiān)測平臺。

系統(tǒng)連接后顯示相對濕度100%RH，屬于高濕范疇。分析儀每隔30秒向監(jiān)測平臺傳輸一組數(shù)據(jù)包，監(jiān)測平臺將收到的數(shù)據(jù)實時顯示。分析儀于2017年11月份安裝至今已有6個多月的時間，測量情況依然穩(wěn)定，如圖9所示：

6.結(jié)束語

本文介紹了基于TDLAS技術的濕度分析儀工作原理與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，制定了一種濕度標定方法，濕度測量重復性、響應時間及退濕情況均表現(xiàn)良好，證明了使用TDLAS技術可以實現(xiàn)水汽的準確、可靠測量。最后，該儀器在某石油煉化廠進行現(xiàn)場應用，通過實際運行數(shù)據(jù)得出該儀器在高濕高腐蝕性環(huán)境中可長期在線運行，且穩(wěn)定性，準確性良好，可靠性高。

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