針對(duì)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(jìn)入環(huán)境空氣中時(shí)，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(diǎn)腐蝕，容易引起周邊群眾誤解，引起不必要的關(guān)注。因此，全國多地?zé)煔庀兹蝿?wù)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(biāo)。

 
因此，對(duì)溫濕度的實(shí)時(shí)精確的監(jiān)測(cè)和控制已成為污染源在線連續(xù)排放監(jiān)測(cè)的重要需求。傳統(tǒng)的阻容法濕度測(cè)量在環(huán)境保護(hù)在線監(jiān)測(cè)存在許多問題，比如測(cè)量準(zhǔn)確度差、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、可靠性差等。因此航天易聯(lián)提出基于TDLAS技術(shù)的濕度（水汽）分析儀的研究，使用半導(dǎo)體激光器作為光源，參考?xì)馐姨峁┕庾V調(diào)節(jié)反饋，構(gòu)成了一種高精度水汽含量檢測(cè)系統(tǒng)，此方法可以克服傳統(tǒng)濕度分析儀的不足。經(jīng)實(shí)際測(cè)試TDLAS濕度分析儀具有更好的測(cè)量準(zhǔn)確度、重復(fù)性與可靠性。

1.引言

自國家實(shí)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(shù)，在可預(yù)見的未來，它也是被推薦的技術(shù)。我國煙氣脫硫技術(shù)起步比較晚，且在現(xiàn)行的環(huán)保法規(guī)中，只對(duì)排放煙氣中的SO2含量做出了規(guī)定，對(duì)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(huì)造成煙氣下沉，煙氣中的水蒸汽會(huì)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(duì)煙氣抬升高度、擴(kuò)散不利，甚至?xí)纬伤嵊辏瑢?duì)廠區(qū)設(shè)備、工作人員造成不利影響。造成對(duì)大氣的不僅是視覺的而且是實(shí)質(zhì)上污染。

2.檢測(cè)原理

TDLAS技術(shù)依據(jù)氣體吸收光譜進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)。因?yàn)樵雍头肿涌梢栽谖仗囟úㄩL(zhǎng)的光子后進(jìn)入激發(fā)態(tài)，并在一段很短隨機(jī)時(shí)間之后，通過向隨機(jī)方向釋放光子或無輻射躍遷的方式，回到基態(tài)。因此，當(dāng)符合氣體特征吸收波長(zhǎng)的光通過氣體時(shí)，就會(huì)被氣體分子吸收，導(dǎo)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(cè)氣體后的透射光光強(qiáng)；I0為進(jìn)入待測(cè)氣體時(shí)的入射光強(qiáng)；α為吸收系數(shù)；C為待測(cè)氣體的濃度。L為光所經(jīng)過的待測(cè)氣體的吸收路徑長(zhǎng)度。通過檢測(cè)出射光與入射光之比，即可以得到待測(cè)氣體的濃度：

TDLAS技術(shù)正是通過控制半導(dǎo)體激光器工作溫度以及工作電流，使得激光器輸出波長(zhǎng)等于待測(cè)氣體的特征吸收波長(zhǎng)，以檢測(cè)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(shí)光與氣體作用時(shí)間短，該技術(shù)具有非常高的響應(yīng)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(zhǎng)附近有幾個(gè)十分顯著的吸收峰，并且在這個(gè)波段對(duì)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(cè)，如圖2所示。

根據(jù)該技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了基于TDLAS技術(shù)測(cè)量濕度傳感器系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)采用激光波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)、高精度光學(xué)耦合探測(cè)技術(shù)、抗干擾信號(hào)處理算法等，傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.技術(shù)優(yōu)勢(shì)

基于TDLAS技術(shù)煙氣濕度分析儀在環(huán)境保護(hù)在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用相對(duì)于傳統(tǒng)的濕度分析儀具有極大的優(yōu)勢(shì)：

首先，測(cè)量準(zhǔn)確度高。基于TDLAS技術(shù)的濕度（水汽）分析儀，使用半導(dǎo)體激光器作為光源，參考?xì)馐姨峁┕庾V調(diào)節(jié)反饋，構(gòu)成了一種高精度水汽含量檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用激光波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)、高精度光學(xué)耦合探測(cè)技術(shù)、抗干擾信號(hào)處理算法等，達(dá)到測(cè)量準(zhǔn)確度高。

其次，響應(yīng)時(shí)間快。基于TDLAS技術(shù)的濕度（水汽）分析儀采用非接觸測(cè)量，不會(huì)存在從高濕向低濕變化時(shí)脫濕困難的問題，而且探測(cè)光與大氣中的水汽分子屬于瞬間作用，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的濕度分析儀，響應(yīng)時(shí)間得到了大大縮減，可以達(dá)到毫秒量級(jí)。

再次，可靠性好。傳統(tǒng)的濕度分析儀采用的是接觸式測(cè)量，但是不同場(chǎng)景的環(huán)境氣體是非常復(fù)雜的，高溫、高壓、酸性、堿性等很容易造成測(cè)量主機(jī)故障甚至毀壞。然而基于TDLAS技術(shù)的濕度分析儀采用非接觸測(cè)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(shù)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(cè)不準(zhǔn)，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間慢，易污染，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等特點(diǎn)，無法滿足濕度在線監(jiān)測(cè)需要[1]。為獲取高精度、重復(fù)性好的濕度參數(shù)，本文提出基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy，TDLAS）技術(shù)的濕度（水汽）分析儀，并在某石油煉化廠進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，對(duì)高溫高濕情況下的濕度進(jìn)行測(cè)量，準(zhǔn)確性、可靠性得到了用戶較高的認(rèn)可。

4.產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1TDLAS濕度分析儀產(chǎn)品設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)量工藝要求，該分析儀需裝配在煙囪管道法蘭上，因此設(shè)計(jì)該分析儀探頭如下，其中探頭前端為TDLAS光學(xué)探測(cè)氣室，采用高精度光學(xué)耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)耐高溫250℃（耐350℃樣機(jī)正在試驗(yàn)，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(diǎn)。

3.2濕度標(biāo)定系統(tǒng)及方法

TDLAS作為濕度傳感測(cè)量，首選需建立符合該技術(shù)的濕度標(biāo)定系統(tǒng)方法。目前公司產(chǎn)品使用北京市國瑞智新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的雙壓法濕度發(fā)生器（二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）。該發(fā)生器可生成相對(duì)濕度從20%~90%，誤差≤1%的水汽，用于濕度對(duì)比試驗(yàn)中水汽環(huán)境的生成，使用MichelleS8000型露點(diǎn)儀作為濕度校準(zhǔn)設(shè)備，提供相對(duì)濕度誤差≤1%RH的校準(zhǔn)。

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

3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于TDLAS技術(shù)的濕度分析儀在10℃相對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)可以得出，濕度上升和濕度下降時(shí)，分析儀測(cè)試數(shù)據(jù)線性度好（線性度R2=99.95%），重復(fù)性好，相對(duì)濕度誤差＜1%，未出現(xiàn)退濕慢的情況。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本公司產(chǎn)品在濕度測(cè)量中具有重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，無退濕滯后等優(yōu)點(diǎn)。

5.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

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

分析儀插入管道法蘭上，主機(jī)通過RS485接口與上傳系統(tǒng)連接，上傳系統(tǒng)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

系統(tǒng)連接后顯示相對(duì)濕度100%RH，屬于高濕范疇。分析儀每隔30秒向監(jiān)測(cè)平臺(tái)傳輸一組數(shù)據(jù)包，監(jiān)測(cè)平臺(tái)將收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。分析儀于2017年11月份安裝至今已有6個(gè)多月的時(shí)間，測(cè)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(shù)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(biāo)定方法，濕度測(cè)量重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間及退濕情況均表現(xiàn)良好，證明了使用TDLAS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水汽的準(zhǔn)確、可靠測(cè)量。最后，該儀器在某石油煉化廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)得出該儀器在高濕高腐蝕性環(huán)境中可長(zhǎng)期在線運(yùn)行，且穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性良好，可靠性高。

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