針(zhen)對(dui)濕法脫(tuo)硫后的(de)(de)煙(yan)(yan)氣(qi)含濕量較高（13-15%），煙(yan)(yan)溫較低（45-55℃）,脫(tuo)硫后的(de)(de)煙(yan)(yan)氣(qi)進入環境(jing)空(kong)氣(qi)中(zhong)時，煙(yan)(yan)氣(qi)中(zhong)水蒸氣(qi)處(chu)于過飽狀態后，部分水蒸氣(qi)冷凝結(jie)霧(wu)，從而出(chu)現(xian)很普遍煙(yan)(yan)囪冒“白(bai)煙(yan)(yan)”現(xian)象(xiang)，造(zao)成煙(yan)(yan)霧(wu)繚繞，影響視覺和造(zao)成露點腐蝕，容易引(yin)起(qi)周邊群眾誤解，引(yin)起(qi)不(bu)必要的(de)(de)關注。因此，全國多地煙(yan)(yan)氣(qi)消(xiao)白(bai)任務均已提(ti)上(shang)日程，河(he)北省(sheng)、浙江省(sheng)、河(he)南省(sheng)、天津市(shi)等省(sheng)市(shi)就(jiu)鋼鐵行(xing)業、焦化行(xing)業、燃煤電(dian)廠(chang)等污染源的(de)(de)超低排放提(ti)出(chu)了明確的(de)(de)煙(yan)(yan)氣(qi)消(xiao)白(bai)指標。

 
因此，對溫濕度的實時精確的監測和控制已成為污染源在線連續排放監測的重要需求。傳統的阻容法濕度測量在環境保護在線監測存在許多問題，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反饋，構成了一種高精度水汽含量檢測系統，此方法可以克服傳統濕度分析儀的不足。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(yan)

自國家實行(xing)大(da)氣污(wu)染控(kong)制(zhi)以來，濕法(fa)煙(yan)氣脫(tuo)硫工藝一直是(shi)主要(yao)的SO2控(kong)制(zhi)技術，在可預見的未來，它(ta)也是(shi)被推薦的技術。我國煙(yan)氣脫(tuo)硫技術起(qi)步比較晚，且在現行(xing)的環保法(fa)規中，只(zhi)對排(pai)放煙(yan)氣中的SO2含量做出(chu)了規定，對排(pai)煙(yan)溫度(du)并沒(mei)有(you)明(ming)確(que)的規定，脫(tuo)硫煙(yan)氣是(shi)否直接排(pai)放問題(ti)環保法(fa)規中都沒(mei)有(you)明(ming)確(que)要(yao)求(qiu)。

目前國內絕大多數燃煤電廠或是其它化工行業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態，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。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；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數據庫[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。

根據該技(ji)術(shu)(shu)原理(li)，設(she)計了基于TDLAS技(ji)術(shu)(shu)測量濕度傳感器系統框圖，系統采用激光波長動態掃描技(ji)術(shu)(shu)、高(gao)精度光學耦合探測技(ji)術(shu)(shu)、抗干擾信號(hao)處理(li)算(suan)法等，傳感器結構圖如圖3所示。

3.技術優勢

基(ji)于TDLAS技術煙氣濕度(du)分(fen)析儀在環境保護在線監測(ce)的應用相對于傳統的濕度(du)分(fen)析儀具有極大的優勢(shi)：

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反饋，構成了一種高精度水汽含量檢測系統，系統采用激光波長動態掃描技術、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。傳統的濕度分析儀采用的是接觸式測量，但是不同場景的環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，傳統的濕度分析儀在使用中出現高溫高濕測不準，測量響應時間慢，易污染，數據不準確等特點，無法滿足濕度在線監測需要[1]。為獲取高精度、重復性好的濕度參數，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(chan)品設計

3.1TDLAS濕度分析儀產品設計

根據測(ce)量工藝要(yao)求(qiu)，該分析(xi)儀(yi)需裝配在煙囪管道(dao)法(fa)蘭上(shang)，因(yin)此設(she)計該分析(xi)儀(yi)探(tan)頭(tou)(tou)如下(xia)，其(qi)中探(tan)頭(tou)(tou)前(qian)端為TDLAS光學探(tan)測(ce)氣室，采用(yong)高(gao)精度光學耦(ou)合技術實現耐(nai)高(gao)溫250℃（耐(nai)350℃樣機(ji)正在試驗，產品有望近期推出）、耐(nai)高(gao)濕環境（100%RH）、本質安全的(de)特(te)點。

3.2濕度標定系統及方法

TDLAS作為濕(shi)(shi)度(du)(du)傳感測量，首選需建(jian)立(li)符(fu)合(he)該(gai)(gai)技術(shu)的(de)濕(shi)(shi)度(du)(du)標定系(xi)統(tong)方法。目前公(gong)司產品(pin)使用北京市國瑞智新技術(shu)有限公(gong)司生(sheng)產的(de)雙壓法濕(shi)(shi)度(du)(du)發生(sheng)器(qi)（二級標準）。該(gai)(gai)發生(sheng)器(qi)可(ke)生(sheng)成相(xiang)對濕(shi)(shi)度(du)(du)從20%~90%，誤差≤1%的(de)水汽，用于濕(shi)(shi)度(du)(du)對比試驗中水汽環境(jing)的(de)生(sheng)成，使用MichelleS8000型露(lu)點儀作為濕(shi)(shi)度(du)(du)校(xiao)(xiao)準設(she)備，提供相(xiang)對濕(shi)(shi)度(du)(du)誤差≤1%RH的(de)校(xiao)(xiao)準。

試驗(yan)條件為(wei)：發生器輸出(chu)10℃溫度(du)下，相(xiang)對濕(shi)(shi)度(du)從20%~90%輸出(chu)，再(zai)回到相(xiang)對濕(shi)(shi)度(du)20%，每(mei)次調整濕(shi)(shi)度(du)輸出(chu)穩(wen)定(ding)時間為(wei)15分鐘；同(tong)樣方法(fa)再(zai)進行20℃下試驗(yan)。

3.3試驗結果與分析

基于(yu)TDLAS技(ji)術(shu)的(de)濕(shi)度分析儀在10℃相對濕(shi)度20%~90%再回到20%結果如圖5所(suo)示(shi)。20℃結果如圖6所(suo)示(shi)。

通(tong)過(guo)測(ce)量數據可以(yi)得(de)出，濕(shi)度(du)(du)上升(sheng)和濕(shi)度(du)(du)下降時，分析儀測(ce)試數據線性度(du)(du)好(hao)（線性度(du)(du)R2=99.95%），重(zhong)復(fu)性好(hao)，相對濕(shi)度(du)(du)誤差＜1%，未出現(xian)退濕(shi)慢的情況。

通過(guo)試驗驗證，本(ben)公司產品在(zai)濕度測量中具有重(zhong)復性好，響應(ying)速度快(kuai)，無退濕滯(zhi)后等優點。

5.現場應用

該(gai)分析儀應用(yong)在(zai)河(he)北省某石油煉(lian)化廠煙氣出口煙囪上。該(gai)點(dian)的工況(kuang)是：溫度20℃~60℃（45℃為(wei)典(dian)型(xing)值），相對濕度80%RH~100%RH，壓力為(wei)常壓或者微負壓。

分析(xi)儀插入管(guan)道法蘭上，主機通過(guo)RS485接口與上傳(chuan)系統(tong)連接，上傳(chuan)系統(tong)將數據遠程傳(chuan)輸至監(jian)測平(ping)臺。

系統連接后顯示相對濕度100%RH，屬于高濕范疇。分析儀每(mei)隔30秒向監(jian)測(ce)平臺傳輸(shu)一組(zu)數據包，監(jian)測(ce)平臺將收(shou)到(dao)的數據實時顯示。分析儀于2017年11月份安裝至今已有6個多月的時間(jian)，測(ce)量情(qing)況(kuang)依然穩定，如圖(tu)9所示：

6.結束(shu)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良好，證明了使用TDLAS技術可以實現水汽的準確、可靠測量。最后，該儀器在某石油煉化廠進行現場應用，通過實際運行數據得出該儀器在高濕高腐蝕性環境中可長期在線運行，且穩定性，準確性良好，可靠性高。

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