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GFC-IFC技术在多组分微量气体分析中的应用

谢耀 华道柱 齐宇 沈婷婷 刘振强 叶华俊 刘维屏

谢耀, 华道柱, 齐宇, 沈婷婷, 刘振强, 叶华俊, 刘维屏. GFC-IFC技术在多组分微量气体分析中的应用[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2021-0064
引用本文: 谢耀, 华道柱, 齐宇, 沈婷婷, 刘振强, 叶华俊, 刘维屏. GFC-IFC技术在多组分微量气体分析中的应用[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2021-0064
XIE Yao, HUA Dao-zhu, QI Yu, SHEN Ting-ting, LIU Zhen-qiang, YE Hua-jun, LIU Weiping. Analysis of applications of GFC-IFC in trace multi-component gas[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2021-0064
Citation: XIE Yao, HUA Dao-zhu, QI Yu, SHEN Ting-ting, LIU Zhen-qiang, YE Hua-jun, LIU Weiping. Analysis of applications of GFC-IFC in trace multi-component gas[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2021-0064

GFC-IFC技术在多组分微量气体分析中的应用

doi: 10.37188/CO.2021-0064
详细信息
    作者简介:

    谢 耀(1982—),男,浙江兰溪人,副研究员,2005年于哈尔滨工业大学获得学士学位,2007年于哈尔滨工业大学获得硕士学位,2011年于哈尔滨工业大学获得博士学位,2019年7月博士后进站聚光科技(杭州)股份有限公司工作站和浙江大学环境与资源学院流动站,主要从事光电探测和光谱学方面的研究。E-mail:xie_yao3@163.com

    华道柱(1983—),男,河南南阳人,博士,高级工程师,主要从事环境监测仪器仪表开发与产业化研究。Email:daozhu_hua@fpi-inc.com

    齐 宇(1983—),男,黑龙江齐齐哈尔人,硕士,高级工程师,主要从事环境监测仪器仪表开发与产业化研究。Email:yu_qi@fpi-inc.com

    沈婷婷(1994—),女,吉林通化人,硕士,工程师,主要从事光学系统设计和光电探测方面的研究。Email:tingting_shen@fpi-inc.com

    刘振强(1986—),男,安徽阜阳人,硕士,中级工程师,主要从事固定污染源烟气监测仪器仪表开发与产业化研究。Email:zhenqiang_liu@fpi-inc.com

    叶华俊(1979—),男,江苏盐城人,博士,教授级高工,主要从事环境监测仪器仪表开发与产业化研究。Email:huajun_ye@fpi-inc.com

    刘维屏(1958—),男,江苏常州人,博士,教授,主要从事环境污染控制化学,环境污染与健康方面的研究。Email:wliu@zju.edu.cn

  • 中图分类号: TH741

Analysis of applications of GFC-IFC in trace multi-component gas

More Information
  • 摘要: 固定污染源烟气各领域超低排放标准的相继出台,给监测仪器仪表开发带来了全新的挑战,同时“碳达峰,碳中和”的提出,CO2等温室气体监测需求迫切,常规的烟气在线监测产品已经很难满足越来越严的监测标准,以及多因子同时监测的需求。本文介绍了基于非分散红外原理的多组分微量气体分析系统的研究,建立气体滤波相关(GFC)和干涉滤波相关(IFC)技术的的理论模型,建立有效光程、滤光片中心波长和带宽等关键系统参数,以及待测气体浓度与测量和参考信号的关系,确定各气体组分所采用的测量技术。构建多组分微量气体分析系统,GFC和IFC技术相结合,在时域上实现参考和检测的双光路设计,采用长光程的多次回返气体室,实现小量程和亚ppm的检出限,以及不超过±2%F.S.的24 h零点和量程漂移,可同时在线监测SO2、NO、NO2、CO和CO2等气体污染物,满足固定污染源超低排放和碳排放的监测需求,有助于解决固定污染源烟气排放监测数据的真实、准确和全面的问题。
  • 图  1  GFC和IFC的技术原理示意图, (a) GFC和(b) IFC

    Figure  1.  Diagram of (a) GFC technique and (b) IFC technique

    图  2  归一化的黑体辐射能量分布

    Figure  2.  Normalized energy of black-body radiation

    图  3  NO和NO2的吸收截面

    (a) NO和(b) NO2

    Figure  3.  Cross section of (a) NO and (b) NO2

    图  4  GFC和IFC模型下,NO测量信号和参考信号之比, (a) GFC和(b) IFC

    Figure  4.  The ratio of measurement to the reference signal of NO at (a) GFC model and (b) IFC model

    图  5  GFC和IFC模型下,NO2测量信号和参考信号之比, (a) GFC和(b) IFC

    Figure  5.  The ratio of the measurement to the reference signal of NO2 at the (a) GFC model and (b) IFC model

    图  6  多组分气体分析系统构成

    Figure  6.  Composition of multi-component gas analysis system

    图  7  分析系统光学系统示意图

    Figure  7.  Diagram of the optical system

    图  8  光机系统结构示意图

    Figure  8.  Diagram of the optical mechanical system

    图  9  待测气体特征吸收

    Figure  9.  Infrared absorption of 7 gases

    图  10  气体池吸光度曲线, (a) NO吸光度曲线, (b)N2吸光度曲线

    Figure  10.  Absorption of (a) NO and (b) N2 gas cell

    图  11  系统硬件框图

    Figure  11.  Diagram of hardware system

    图  12  分析系统的零点噪声

    (a) 为NO2、NO、CO和SO2的零点噪声,(b)为CO2的零点噪声

    Figure  12.  Zero noise of (a) NO2、NO、CO、SO2 and (b) CO2

    图  13  分析系统的现场运行情况

    Figure  13.  The in-situ operation of the analysis system

    表  1  分析系统的量程

    Table  1.   Span of multi-component analysis system

    量程单位
    SO20~17.5ppm
    NO0~75
    NO20~25
    CO0~75
    CO225%
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    表  2  各组分气体采用的分析技术

    Table  2.   Analysis technology of each gas

    组分分析技术
    COGFC
    NO
    NO2IFC
    SO2
    CO2
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    表  3  分析系统的检出限

    Table  3.   Detection limit of the multi-component analysis system

    检出限单位
    SO250ppb
    NO350
    NO2120
    CO130
    CO20.05%
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    表  4  分析系统的零点和量程漂移

    Table  4.   Zero and span drift of multi-component analysis system

    24 h漂移(%F.S.)
    零点量程
    NO1.48-1.06
    NO2-0.550.61
    CO20-0.71
    CO0.40.49
    SO21.851.27
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