可调谐半导体激光光谱仪对高温CO的测量研究.pdf

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1、第43卷分析化学(FENXIHUAXUE)仪器装置与实验技术第8期2015年8月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1247～1254DOI：10．11895／j．issn．0253-3820．150304可调谐半导体激光光谱仪对高温CO的测量研究郭艳林黄晓洪义董俊国高伟李梅黄正旭傅忠程平周振‘(上海大学环境与化学工程学院，上海200444)(暨南大学环境安全与污染控制研究所，广州510632)。(昆山禾信质谱技术有限公司，昆山215133)摘要搭建了一套基于可调谐半导体激光光谱技术的测量装置，实现了对高温环境中CO的检测。此装置采用波长调制技术，并选取

2、CO在6395．4cm的R14线作为吸收线，不仅提高了装置的信噪比，降低了检出限，还可以避开其它气体组分的干扰。通过建立不同温度下的水汽背景库来扣除CO吸收峰处的水汽干扰信号，同时得到水汽浓度和温度的信息，再结合温度信息以及建立的CO标准库，实现对CO的测量。测量结果表明，对CO浓度的检测范围在0．1％～10％之间，检出限为0．03％，测量误差在5％以内；温度的检测范围为300~C～1000oC，测量误差在10％以内。此装置能为炼钢冶炼及发电燃烧过程提供CO浓度及温度信息，从而提高燃烧效率，降低尾气排放。关键词激光技术；可调谐半导体激光器；高温；一氧化碳；波长调制技术1引言绝大多数燃烧过

3、程始终伴随着H：O和CO的生成，当氧气含量不足时，另一种不完全氧化产物CO也将产生。因此，CO浓度可作为衡量燃烧效率的指标之一。大气中CO部分来自于工业化石燃料燃烧，根据欧盟工业废气排放标准，CO的排放限值为100mg／Nm3【¨，对燃烧炉内CO的实时监测有助于提高燃料使用率以及减小工业尾气排放。CO作为一种无色无味的剧毒气体严重危害着人类的健康，与血红蛋白结合力强，造成机体细胞缺氧死亡。大气中的CO会对大气清洁剂OH‘自由基产生消耗，90％的CO会被OH’氧化为CO，所消耗的OH‘占其总量的70％_2J，CO的过度排放将很大程度上削弱大气的自净能力。、基于可调谐半导体激光器测量气体组分

4、具有高灵敏、高分辨率、响应时间快以及抗干扰性强的优势。早在1978年，已将该技术搭建气体吸收光谱仪应用于气体测量]，结合怀特腔增加光程以及使用波长调制技术提高信噪比后，测量NO的灵敏度可达到0．1mg／m量级J。由于该项技术适用于高温或高压等恶劣条件J，且对于气体测量具有选择性，近几年得到广泛关注mJ。姚华等⋯使用可调谐半导体激光器对2302．12nm处的CO吸收线进行测量，得到的单位光程检出限为20mg／m，并验证了波长调制吸收测量与直接吸收测量结果相接近。本研究建立了一套适用于高温条件下测量CO浓度的装置，通过对现场的温度与CO浓度的测量，可对燃烧效率进行实时监控，从而采取措施提高燃

5、烧效率，并减小尾气中CO排放。2基本原理2．1朗伯比尔定律原始光强为的一束光，经过含有吸收物质的一段光程，出射光强可以写作：J『(，T)=Ioe‘(1)其中，Ol(，)表示在该频率和温度下的吸收，可进一步表达为：2015-04-16收稿；2015-06-11接受本文系国家重大仪器设备开发专项(No．2011YQ170O67)资助E-mail~pingcheng@shu．edu．cn1248分析化学第43卷(，)=S(r)x(，T)c(2)在公式(2)中，s()指的是吸收物质在温度下的吸收线强度，单位om／atm，可根据HITRAN数据库的线强度(单位em／(molcm))以及文献[12]

6、转化后得到(，T)是面积归一化的吸收线型函数，即f：：(，T)dv=1；Cx是吸收物质的体积分数；L表示吸收物质的光程长度，单位om；p表示的是压强，单位atm。吸收线型函数x(v，T)使用福吉特线型函数进行描述最为准确，福吉特线型函数是通过高斯线型函数和洛伦兹线型函数卷积后得到的。高斯线型函数产生于分子不规则热运动后的多普勒加宽，常用于低压(torr量级)条件下；洛伦兹线型函数是由自然加宽和碰撞加宽形成的，常用于较高气压下(标准大气压及以上)。2．2波长调制技术将公式(2)进行积分后可得到：一+∞／-+∞J(，T)dv=S(T)c=pLJ(，T)dv=S(T)cPL(3)J一∞J一∞基

7、于公式(3)的定量方法称为直接吸收法，该方法可通过对直接吸收信号进行积分即可得到在该温度下的吸收物质浓度，具有直接测量的优势。但对于吸收线强较低的物质，由于噪音抑制了信噪比，使其应用具有一定局限性。通过使用波长调制技术可以有效去除噪音，降低了检出限_1。可调谐半导体激光器可以通过控制注入电流和温度决定其输出波长，对注入电流的调制可实现波长调制。通常注入电流为低频三角信号与高频正弦信号的叠加，得到的调制激光频率为：(t)=1．1+Va