基于中红外激光吸收光谱技术的燃煤烟气中SO3在线测量研究

The sulfur trioxide (SO3) is generated in the combustion process of coal and selective catalytic reduction (SCR) system and quickly converts to sulfuric acid smog with water vapor. It is harmful to health and increases the risk of corrosion of equipment and damage of catalyst. However, the current measuring methods for SO3 can not achieve the in situ detection of the concentration of SO3 due to slow response and low sensitivity, so these obtained data can not indicate the real field information. In the proposal, the quantum cascade tunable diode laser absorption spectroscopy in combination with cavity enhanced absorption spectroscopy and wavelength modulation spectroscopy (WMS) will be used to reach the sensitivity of ~ppb level for SO3. The spectroscopic parameters of collision broadening, collision shift and line profile are investigated in the project. Meanwhile, the n-f harmonics in WMS and balanced differential measurements will be employed to suppress the interferences of fine particulate, turbulence in the sample cell and water vapor. The calculated spectral positions, intensities, collisional broadening coefficient and collisional shift derived by ab initio will supplement the spectral database of high temperature. The project will not only provide a criterion of SO3 emission but also give reliable data for performance evaluation of catalysts in SCR and simultaneous multi-pollutants removal of flue gas of coal-fired utilities.

煤燃烧和选择性催化还原(SCR)脱硝中产生的SO3与水汽反应产生酸性烟雾不仅危及人类健康，而且增加了设备腐蚀和SCR催化剂中毒的风险。然而，目前燃煤烟气中SO3检测方法响应速度慢、灵敏度低、无法实现原位在线检测，难以实时反映现场信息。本项目拟采用中红外可调谐激光器结合长光程增强吸收、波长调制等光谱技术实现SO3的ppb量级原位快速测量。实验上测量不同载气、温度、压强环境下SO3的碰撞增宽、频移等光谱参数，并利用谐波解调免校准和平衡差分探测等技术抑制烟气中颗粒物、水汽以及气流不稳定等因素的干扰。理论上采用ab initio方法计算SO3跃迁光谱的频率位置、强度以及碰撞增宽和频移，补充实验测量所需的高温光谱数据。本项目的开展可为燃煤烟气中SO3的检测提供标准，同时对SCR催化剂性能的评估以及污染物协同脱除提供可靠数据依据。

锅炉燃烧和选择性催化还原(SCR)脱硝中产生的SO3与水汽反应生成的酸性烟雾不仅危及人类健康，还增加了设备腐蚀和SCR催化剂中毒的风险。目前燃煤烟气中SO3检测方法主要有控制冷凝法、螺旋管法、异丙醇法、盐吸收法和红外傅里叶光谱法。但是这些技术大多需要取样分析，响应速度慢，效率低，难以实时反映现场信息。.本项目采用中红外可调谐激光器结合长光程增强吸收、波长调制等光谱技术与ab initio理论计算，开展SO3的光谱检测研究。1）实验上基于7.16μm量子级联激光器对SO3和SO2进行同时检测，通过波长调制光谱技术提高测量系统的灵敏度和鲁棒性。利用TDLAS同时测量SO3和SO2的吸收谱线，测量的SO3和SO2的吸收光谱基本分离，从而确保了测量的准确性。修正了温度变化对SO2气体浓度测量的影响，并提出了用已知浓度的SO2来定标未知浓度的SO3气体的气体检测方法。2）研究和搭建了用于高温烟气现场测试的SO3标气发生装置。利用了SO2的高温催化氧化反应产生SO3气体，结合配气控制系统产生用于实验标定的SO3标准气体。3）设计高温(>300℃)长光程增强吸收池，研究了高温环境下光路和光程变化对测量的影响，解决了高温下长光程吸收池的稳定性、真空性能和抗腐蚀能力。4）采用了“主动”抑制干扰、改进光谱测量手段和创新光谱测量方法增加系统测量的精度和可靠性。5）基于ab initio计算分子不同多重度之间的旋轨耦合与跃迁研究。在理论研计算电子态之间的跃迁时，主要研究高激发态-低激发态，激发态-基态之间的跃迁，并且着重研究相同重态数之间的分子电子态跃迁。.项目资助下发表学术论文39篇，其中SCI收录学术论文25篇（一区论文1篇，二区论文13篇），中文期刊论文18篇；授权实用新型专利4项，申请发明专利4项；获得山西省成果转化专项1项；基于本项目成果获批建设省级科研平台1个（山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心）；研发的SO3激光在线分析仪，已完成SO3分析仪整机的验证，目前正在电厂实际工况下测试。