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節(jié)反饋，構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成霧，在煙道、煙囪內壁凝結成水珠，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形成濕煙羽，形成白煙。濕法脫硫煙氣未經加熱直接排放，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，傳感器結構圖如圖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。基于TDLAS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節(jié)反饋，構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。基于TDLAS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.產品設計

3.1TDLAS濕度分析儀產品設計

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，產品有望近期推出）、耐高濕環(huán)境（100%RH）、本質安全的特點。

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。目前公司產品使用北京市國瑞智新技術有限公司生產的雙壓法濕度發(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%結果如圖5所示。20℃結果如圖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.結束語

本文介紹了基于TDLAS技術的濕度分析儀工作原理與產品結構，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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