一， 測量方法和原理

主流的煙氣分析儀大多采用電化學(xué)和非分光紅外的測試原理。電化學(xué)的儀器已經(jīng)由進(jìn)口儀器轉(zhuǎn)變?yōu)橐試a(chǎn)儀器為主，但高端的應(yīng)用儀器仍然是以德圖或凱恩為代表的進(jìn)口儀器為主；紅外的儀器近年來隨著自主知識產(chǎn)權(quán)的紅外技術(shù)在國內(nèi)逐漸推廣，也開始了批量國產(chǎn)化，并小型化，最終實現(xiàn)在便攜煙氣分析儀中的應(yīng)用。

2.1電化學(xué)測試原理

電化學(xué)測試方法又稱為定電位電解法，是國家對二氧化硫的標(biāo)準(zhǔn)測定方法之一。（HJ/T 57-2000《固定污染源排氣中二氧化硫的測定 定電位電解法》）。

二氧化硫（SO2）擴(kuò)散通過傳感器滲透膜，進(jìn)入電解層，在恒電位工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；由此產(chǎn)生極限擴(kuò)散電流，在一定范圍內(nèi)，其電流大小與二氧化硫濃度成正比。

電化學(xué)傳感器還可廣泛應(yīng)用于一氧化氮、氯化氫、硫化氫等氣體的測定。由于傳感器的制作對工藝和材料的特殊要求，目前仍然主要依賴進(jìn)口。

2.2非分光紅外測試原理

非分光紅外氣體測試方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。其核心部件紅外傳感器根據(jù)應(yīng)用特點的不同，又可分為雙光束、微流、微音器等不同類型。固定污染源監(jiān)測系統(tǒng)中大量使用的是微流紅外傳感器，可實現(xiàn)對二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳等主要污染物的測定。近年來，環(huán)保等相關(guān)部門也開始著手非分散紅外測定方法的標(biāo)準(zhǔn)制定，以規(guī)范測試方法的應(yīng)用。

微流紅外傳感器技術(shù)的工作原理為：紅外光源①發(fā)出的紅外光，經(jīng)過切光器②調(diào)制頻率后，進(jìn)入測量氣室④；由于二氧化硫等異種原子構(gòu)成的分子對紅外光具有吸收特性，若測量氣室④中存在上述氣體，則進(jìn)入測量氣室的部分紅外光會被吸收，未被吸收的紅外光進(jìn)入檢測器⑤。檢測器⑤由前氣室、后氣室、微流傳感器⑥組成，前、后氣室充滿待測組分的氣體。在紅外光的作用下，檢測器前、后氣室中的氣體發(fā)生膨脹；由于存在膨脹差異，會導(dǎo)致前、后氣室之間產(chǎn)生微小的流量；微流傳感器⑥檢測到該流量后，產(chǎn)生交流電壓信號，信號經(jīng)處理后得到氣體的濃度。

3電化學(xué)分析儀的應(yīng)用分析

電化學(xué)分析儀具有小型、輕便、快捷等優(yōu)點，在我國應(yīng)用較多。但國內(nèi)傳感器制作技術(shù)有限，大部分仍需進(jìn)口傳感器，使用成本較大。實際使用中電化學(xué)儀器還會普遍存在取樣流量、氣體交叉干擾以及前處理等方面的問題。

3.1 取樣流量對電化學(xué)儀器的影響

采用電化學(xué)傳感器設(shè)計的煙氣分析儀，不論是國產(chǎn)儀器，還是國外進(jìn)口儀器，在使用過程中經(jīng)常碰到“測不準(zhǔn)”問題，即在實驗室測試標(biāo)準(zhǔn)氣體是好的，到了現(xiàn)場卻測不準(zhǔn)。這是因為，電化學(xué)傳感器對流速的變化極為敏感。通常電化學(xué)類煙氣分析儀的測試讀數(shù)與采氣流速呈“正相關(guān)”。

HJ/T 57-2000《固定污染源排氣中二氧化硫的測定 定電位電解法》標(biāo)準(zhǔn)特別強(qiáng)調(diào)：“采氣流速的變化直接影響儀器的測試讀數(shù)”。

國家環(huán)境監(jiān)測總站《火力發(fā)電業(yè)建設(shè)項目竣工環(huán)境保護(hù)驗收監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中也寫道：“定電位電解法監(jiān)測儀器對采樣流量要求甚嚴(yán)，監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示與采樣流量的變化成正比，當(dāng)儀器采樣流量減小時（例如煙道負(fù)壓大于儀器抗負(fù)壓能力），監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯變小。在使用時為了減少測定誤差，儀器的工作流量應(yīng)與標(biāo)定（校準(zhǔn)）時的流量相等”。

而煙道內(nèi)煙氣，既有正壓工況的，也有負(fù)壓工況的，甚至存在壓力忽大忽小的變化工況。極端情況下，有些煙道還存在很大的負(fù)壓（如寶鋼燒結(jié)機(jī)頭負(fù)壓=20kPa）。針對大多數(shù)煙道負(fù)壓的情況居多，很多電化學(xué)煙氣分析儀配置了大功率的取樣氣泵。這一措施僅能避免抽不出氣的問題，仍然改變不了“負(fù)壓降低采氣流速”的問題。因此，不管你是大功率泵，還是小功率泵，只要煙道有負(fù)壓，檢測示值一定偏低。換句話說，只要你現(xiàn)場采氣流速不等于實驗室標(biāo)定流速，測試示值肯定不準(zhǔn)。

而現(xiàn)場測試過程中，流速對測量結(jié)果的影響往往難以暴露，只有當(dāng)測試數(shù)據(jù)明顯偏離時才會引起注意。所以對儀器操作人員提出了較高的要求，必須嚴(yán)格控制儀器標(biāo)定和采樣的流量，盡量保持一致。

3.2 氣體交叉干擾對電化學(xué)儀器的影響

電化學(xué)傳感器通過設(shè)置不同的電極電位，使得傳感器對應(yīng)某一特定氣體敏感，從而達(dá)到測定的目的。但對于電極電位相似的氣體，會產(chǎn)生交叉干擾。

提供電化學(xué)傳感器的城市科技公司也明確給出了氣體交叉干擾的參考數(shù)據(jù)：

                                   單位：（%）

表1 電化學(xué)傳感器的交叉干擾參考數(shù)據(jù)

實際的應(yīng)用中，燃油爐、燃?xì)鉅t、水泥廠的監(jiān)測過程中會出現(xiàn)SO2、NO測定值明顯偏低或檢測無的情況，主要是因為排放煙氣中NO2的干擾原因。而在測定鍋爐、水泥窯、燒結(jié)機(jī)煙氣時，往往會出現(xiàn)SO2測定值明顯偏大的情況，主要是因為排放煙氣中CO的干擾原因。

雖然這些氣體的交叉干擾已知，但由于干擾值的非線性和非重復(fù)性，電化學(xué)儀器也無法對干擾值進(jìn)行有效補(bǔ)償。所以當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時，還必須選用其他測試方法重新測試。

3.3 預(yù)處理對電化學(xué)儀器的影響

電化學(xué)儀器的前處理普遍比較簡單，主要由取樣探針、取樣管和過濾器組成。

一般在不采用濕法脫硫的煙道氣的含濕量不超過3% ,而采用濕法脫硫后的煙氣含濕量往往大于5%,如果脫硫設(shè)備脫水不好, 煙氣含濕量可高達(dá)12%。高含濕量的煙氣進(jìn)入取樣管路后,由于溫度下降超過露點溫度, 取樣管路將產(chǎn)生冷凝水,并會吸收一部分煙氣中的SO2 , 導(dǎo)致進(jìn)入傳感器的SO2 濃度降低,造成監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)負(fù)偏差甚至無。

也有少數(shù)高端的電化學(xué)儀器采用了加熱探針、伴熱管路以及冷凝除水的前處理系統(tǒng)來避免冷凝水對SO2的影響，但成本過高，不利于推廣。

長期使用儀器后，由于煙氣濕度的影響，在電化學(xué)傳感器的滲透膜表面會形成結(jié)露水；結(jié)露水會影響氣體分子的滲透，從而導(dǎo)致測量結(jié)果偏低，甚至測試不到目標(biāo)污染物。所以電化學(xué)儀器每次使用前應(yīng)抽取一段時間干燥清潔的空氣吹掃傳感器，以保證測量準(zhǔn)確。

此外，電化學(xué)傳感器使用壽命有限，在超過量程測試時還容易出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象，導(dǎo)致傳感器失效?；谶@些原因，便攜電化學(xué)煙氣分析儀的使用范圍受到了一定的限制，尤其在類似背景氣體復(fù)雜、高濕低濃度的測試條件下，已經(jīng)不能滿足監(jiān)測或比對的要求。

4 紅外分析儀的應(yīng)用分析

紅外原理的氣體分析儀在污染源監(jiān)測系統(tǒng)上的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)替代了電化學(xué)原理的儀器。隨著國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的紅外技術(shù)的開發(fā)成功，使得便攜式紅外煙氣分析儀的普及成為了必然的趨勢。

紅外分析儀具有抗干擾能力強(qiáng)、受流量影響小、壽命長等特點，克服了電化學(xué)分析儀在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題。但在實際中還需要考慮以下因素的影響。

4.1 水分對紅外儀器的影響

由于煙氣排放中的水分，尤其是氣態(tài)水是影響二氧化硫和氮氧化物測定的主要干擾物（參考圖3  SO2、NO、H2O紅外吸收光譜圖），直接影響了儀器的測量精度。這也是為什么部分紅外氣體分析儀在實驗室條件下使用標(biāo)準(zhǔn)氣檢定時合格，在現(xiàn)場測試卻達(dá)不到要求的主要原因。

雖然便攜紅外分析儀大多采用了加熱取樣、冷干脫水的預(yù)處理方法，以防止水分冷凝和氣態(tài)水分干擾。但事實上煙氣中的水分無法完全去除，而且由于排放工況的變化和冷凝效率的原因，冷凝器的出口露點往往也存在波動。在高濕低濃度條件下，水分的干擾甚至超過了儀器本身的測量誤差，干擾誤差尤為明顯。

消除水分干擾誤差的方法通常有兩種：一是采用脫水裝置，二是設(shè)置水分傳感器并進(jìn)行軟件補(bǔ)償。

采用脫水裝置的方法有采用高效干燥劑如無水高氯酸鎂，或者采用NAFION膜式干燥管。其主要問題在于需要經(jīng)常更換，人為增加了運(yùn)行維護(hù)成本。儀器生產(chǎn)廠家也有可能在檢定時使用脫水裝置， 但是在運(yùn)行時為減少運(yùn)行費(fèi)用不采用該裝置，造成實際運(yùn)行中的性能改變，導(dǎo)致儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)不確定度增加。

采用水分傳感器和軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ话阒恍拚泓c的水分干擾，且低端的分辨率較低。對于同時含水和含SO2,NO的氣體的修正精度很差。此外對于NO分析儀，由于在相同的氣室長度下，NO的分辨率低于H2O的分辨率，采用水分傳感器修正的方法對NO測定會造成很大的系統(tǒng)誤差。

最新的測試技術(shù)是在在傳統(tǒng)微流紅外傳感器的基礎(chǔ)上增加了特殊調(diào)水機(jī)構(gòu)。它是通過將不同溫度下的飽和空氣依次通入紅外傳感器，通過調(diào)節(jié)調(diào)水機(jī)構(gòu)，使得含有非冷凝水的氣體與零氣的信號一致，通過硬件調(diào)節(jié)及軟件線性修正，可最大限度消除H2O（氣）對SO2、NO的干擾。進(jìn)一步實驗結(jié)果還表明，通過該方法調(diào)節(jié)后的傳感器可以滿足各種水分含量條件下的水分干擾消除，干擾的程度可控制在5ppm以內(nèi)。

為滿足類似高濕低濃度的測試條件，便攜紅外煙氣分析儀應(yīng)最大限度降低水分（氣）干擾的影響，以提高實際測試精度。

4.2 HC化合物對紅外儀器的影響

除了水分干擾以外，碳?xì)浠衔?，如焦化廠排放的氣態(tài)污染物中存在未燃盡的CH4、C2H6、C2H4等對于SO2的測量結(jié)果會存在很大干擾。

針對可能對SO2測定產(chǎn)生的干擾，在紅外微流傳感器的前端設(shè)置可專門吸收HC波長的氣體吸收過濾室，最大限度消除大部分HC化合物對SO2測量結(jié)果的影響。

在排放的碳?xì)浠衔锝M成復(fù)雜的特殊條件下，如果需要完全消除HC對SO2的影響，還可以考慮在煙氣流路中增加HC物理化學(xué)過濾器，以保證實際測試的精度。

4.3 測試分辨率對紅外儀器的影響

隨著污染物治理的加強(qiáng)，大量脫硫、脫硝裝置得以應(yīng)用，污染物實際的排放濃度也越來越小。這對便攜紅外煙氣分析儀的測試分辨率也提出了更高的要求。

很多儀器為提高零點穩(wěn)定性，會采用不同的算法，以保證減小零點的波動；還有如前所述，為了補(bǔ)償水分的干擾影響，也會采用零點補(bǔ)償方式。這樣的直接結(jié)果就是在進(jìn)行零點附近的低濃度測試時儀器沒有反應(yīng)。

參考《固定污染源廢氣 二氧化硫的測定非分散紅外吸收法》（征求意見稿）的編制說明，對紅外分析方法檢出限和測定下限采用兩種方法進(jìn)行評價，一是按照ISO 7935-1992，儀器方法檢出限為0.57-3.5 mg/m3，測定下限為3-10 mg/m3；二是按照HJ 168-2010，儀器方法檢出限為0.77-1.3mg/m3，測定下限為4-6 mg/m3。

為保證低濃度測試條件下的測試效果，便攜煙氣分析儀的分辨率應(yīng)不超過3mg/m3（1ppm），最新的國產(chǎn)煙氣分析儀已經(jīng)可以做到0.5mg/m3（0.2ppm），以滿足更多測試條件下的應(yīng)用。

5 結(jié)論

  采用電化學(xué)原理的便攜煙氣分析儀在實際應(yīng)用中反映的流速、干擾、水分冷凝等問題已經(jīng)能夠明顯限制了其在監(jiān)測和比對測試中的應(yīng)用。采用紅外原理的便攜煙氣分析儀克服了電化學(xué)儀器的主要缺點，開始逐漸取代電化學(xué)儀器。為了解決紅外測試在應(yīng)用中的問題，便攜紅外煙氣分析儀還應(yīng)該解決水分干擾、HC干擾以及高分辨率等問題，以提高便攜紅外煙氣分析儀的適用性，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

二，操作簡單：使用大液晶顯示屏(黑白或彩色屏)，屏可前后、左右180度旋轉(zhuǎn)，圖形方式的人機(jī)交互，Windows文件管理界面，實時操作提示，具有自動計算采樣點位、自動選嘴功能，特有動態(tài)流量自動跟蹤和恒流采樣雙功能設(shè)置；
     2.內(nèi)存容量大：板載電子硬盤即可存儲45000組數(shù)據(jù)；另標(biāo)配有存儲卡及usb讀卡器，海量數(shù)據(jù)存貯；
     3.數(shù)據(jù)保存更安全：采樣數(shù)據(jù)采用電子硬盤和存儲卡同步實時存貯和備份，提供以“年”，“月、日”方式的Windows文件目錄管理方式，避免因數(shù)據(jù)編號重復(fù)而出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)調(diào)傳更方便，可直接拷出、打印或與電腦通訊；
     4.采樣更精確：采用高速實時處理控制器，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，跟蹤更迅速(自動跟蹤煙氣流速采樣，跟蹤響應(yīng)時間快)。
     5.汔水分離：具有自動排水功能，保障采樣的長時間進(jìn)行；
     6.抗干擾更強(qiáng)：采用工業(yè)級CPU和電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工藝，使整機(jī)的抗靜電干擾能力極強(qiáng)，能在靜電很大的場合使用；
     7.實時曲線: 在煙氣測量和煙塵采樣時可顯示各項數(shù)據(jù)的實時動態(tài)曲線圖；
     8.測量計算：在提供干濕球法測含濕量的方式的同時，還提供重量法、冷凝法的參數(shù)輸入計算的方式；
     9.備份恢復(fù)：可備份多組系統(tǒng)參數(shù)，恢復(fù)系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)進(jìn)行非法操作或錯誤操作或出現(xiàn)某些故障引起系統(tǒng)參數(shù)破壞后時仍能恢復(fù)到原來正確狀態(tài)；
     10.中文輸入：使用T9形式的簡版中文拼音輸入法，可以輸入采樣地點﹑采樣人姓名等信息；
     11.數(shù)據(jù)打?。嚎梢杂羞x擇性打印各種項目(包括選擇打印項和選擇中、西文方式)；
     12.故障保護(hù)：自動監(jiān)測采樣狀況，實時報警保護(hù)控制(包括計壓超量程、小流量控制、采樣系統(tǒng)故障保護(hù)等)；
     13.倒吸保護(hù)：保護(hù)在負(fù)壓較大或垂直向下煙塵采樣結(jié)束時濾筒中采集的煙塵不被倒吸出來；
     14.調(diào)試功能：能顯示電壓及儀器狀態(tài)，在出現(xiàn)故障或進(jìn)行維護(hù)時，能快速知道故障原因﹑位置，及時準(zhǔn)確做出判斷，消除故障；
     15.掉電保護(hù)：具有掉電及電壓過高數(shù)據(jù)保護(hù)，來電后繼續(xù)采樣功能。
     16.測量值可靠：所有測量及顯示，都由計算機(jī)自動完成。
     17.采樣動力：內(nèi)置大流量采樣泵保證在高負(fù)壓下正常工作，響應(yīng)時間快。
     18.擴(kuò)展性強(qiáng)：可選配多個原裝進(jìn)口電化學(xué)氣體傳感器擴(kuò)展煙氣分析功能。
     19.交直流兩用：可外接直流電源供電(選配)。