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船舶废气中SO2检测方法的比较研究

时间:2022-03-17 11:05:26 浏览次数:

摘要:随着IMO废气清洗系统导则标准的实施,越来越多的船舶需要安装二氧化硫检测设备。本文通过对目前常用的采样和检测方法的优缺点进行对比分析,并结合国际市场的几种检测设备,探寻最适合船舶使用的检测方法,以供使用者参考。

关键词:二氧化硫;检测方法

中图分类号:X831 文献标识码:A 文章编号:2095-672X(2019)05-0-02

DOI:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.061

Abstract: With the implementation of the IMO exhaust cleaning system guidelines, more and more ships need to install sulfur dioxide detection equipment. By comparing and analyzing the advantages and disadvantages of the commonly used sampling and detection methods, and combining several detection equipments in the international market, the detection method most suitable for ship use is explored for the user’s reference.

Keywords: Sulfur dioxide; Detection method

国际海事组织(IMO)公布的《废气清洗系统导则》规定,2020年非ECA区域船舶排放的SO2(ppm)/CO2(% v/v)必须低于21.7,ECA区域的要求更为严格,国际航线的船舶都必须至少符合非ECA区的要求,才能在各港口正常航行。我国从2016年4月提前开始执行原定于2018年1月1日才开始的ECA规定,截止到目前,二氧化硫减排效果较好,很大程度上改善了港口附近的环境,我国的ECA范围将会继续延伸,安装废气清洗系统成了很多营运船的最终选择,因此,SO2排放浓度的检测成为了确认合规性的前提条件。

IMO公布的导则中推荐使用非分散红外(NDIR)原理工作的检测仪,同时,也明确各国主管机关可以在充分实验和评估的基础上认可其他形式的检测仪器。目前国际上通过的臭氧和检测方法包括以下几种:

1 采样方法

1.1 直接抽取式

在烟道上开孔,将采样管前端插入至烟道中心位置,采用管的后端或者检测仪上内部安装有采样泵,通过抽取烟道内废气送入到分析仪器中称为直接抽取式。根据传输管线是否有伴热功能,又分为冷干法和热湿法。样品经过伴热带后在分析仪前被冷却除湿至干燥状态,称之为冷干法;样品全程加热不经过冷却直接进入分析仪,称之为热湿法。

冷干法是目前国内外使用最普遍的采样方法,通过冷凝在分析仪前去除水分,可减少水对二氧化硫的干扰,所以必须配备冷凝预处理设备和排水装置等废气预处理装置,这样,烟气预处理会比较复杂,而且仍然会有少量二氧化硫融入到水中造成一定损失;热湿法抽取的废气全部进入分析仪,省去了废气前处理装置,同时避免了二氧化硫的水溶解损失,精度更高,同时设备结构相对简单,维护工作量小,但是要求检测仪全程耐高温,设备造价很高。

1.2 稀释抽取式

如果检测限需要低于ppm級,可以考虑稀释抽取式。此方式设计了稀释气体装置,可以精确地控制稀释比例,烟气和洁净干燥的稀释空气混合后进入分析仪器,经过稀释后的废气湿度明显降低,可不经过伴热管直接送入分析仪器中检测。如果稀释比例控制不够精确,会让检测误差放大很多倍,直接导致数据没有使用价值。在我国的使用情况不好,主要表现在稀释装置容易出现堵塞、腐蚀,这种方式更适用于废气洁净的情况下,因此不适合我国国情[1]。

1.3 直接检测式

此方式没有采样系统,将检测设备直接安装在烟道中,没有多余管线,响应快,不需要气体预处理,但是不能标定,由于废气中的油污、颗粒物以及湿度,检测设备容易出现故障,难以长期运行,因此应用不广泛。

1.4 对比分析

很多船舶以重油为燃油,废气中颗粒物、油类含量较轻油更高,如果使用直接检测式,检测设备无法耐受如此恶劣的环境,无法正常工作。根据IMO公布的导则,可推算排放的二氧化硫浓度在0~100ppm可以满足排放要求,因此不需使用稀释抽取法增加设备成本和检测难度。所以,直接抽取式应该是最合适的选择,热湿法和冷干法都可以满足船用要求,只是价格和精度方面各有所长。

2 检测方法对比

2.1 非分散红外法

此方法为IMO推荐的二氧化硫检测方法,优点是成本低、可检测组分多。这种方法利用了不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特点,通过检测衰减值确定不同气体的浓度。二氧化硫在6~9μm有吸收,核心波长为7.3μm,废气中通常还含有二氧化碳,二氧化碳的红外吸收波段为5~7.5μm,与二氧化硫的吸收峰有部分重合,所以此方法受二氧化碳的干扰较大,如果二氧化碳浓度过高则不宜使用[2]。

2.2 非分散紫外法

与非分散红外法类似,二氧化硫在紫外区180~320nm有特征吸收,中心波长为285nm[3],通过检测吸收波段的衰减值确定二氧化硫的浓度。与非分散红外法不同的是,二氧化碳和水在紫外区没有特征吸收波段,所以不受这两种物质的干扰,检测到的二氧化硫数值较非分散红外法更准确。此方法的出现虽比非分散红外法晚,目前也已经成熟,在国内使用非常普遍。

2.3 紫外荧光法

原子蒸气态的二氧化硫在吸收紫外区的能量受激发,自由态原子会自发跃迁到更高能级,然后再回到基态时,就会发射出荧光,通过检测荧光强度可确定二氧化硫的浓度。这种方法灵敏度高,可直接检测到低于ppm级的浓度范围,但是有些气体会发出与二氧化硫类似的荧光,会干扰正常的检测数值,而且检测仪器的价格昂贵,这些都制约了紫外荧光法的普及。

2.4 定电位电解法

定电位电解是一种电化学传感器气体检测方法,预处理后的废气进入传感器室,经渗透膜进入电解槽内进行电解,根据检测到的电解电流可确定气体的浓度。这种方法多年来在我国各级监测站中普及使用,具有结构简单,设备体积小,精确度和准确度都比较好的优点,但是这种方法应用到便携式检测仪更为合适,因为传感器的寿命有限,容易出现中毒失效的情况,无法长期进行连续性检测。在实践中发现,如废气中湿度过高以及存在NH3、CO等都会对检测结果产生干扰,甚至严重偏离正确值。

2.5 量子级联激光器红外光谱法

这是国内外正在研究的新型检测技术,属于红外光谱检测。量子级联激光器是一种新型的红外相干光源,波长可覆盖3~100μm,输出功率可达到几百毫瓦至1瓦[4],它的使用让红外光谱法具有灵敏度高、检测速度快、检测限低、检测对象多的优点,比传统的光谱检测法更先进,应用范围更广。目前,此技术仍在快速发展中,其性能提高的空间可能还很大。

2.6 对比分析

定电位电解法因为传感器寿命短而不适合用于在线监测的领域。非分散紫外法和量子级联激光器红外法都适合用在船舶废气的在线监测中,短期来看,前者因为技术成熟更具有优势,但是后者更有发展潜力。船舶废气中二氧化碳浓度多在5%左右,如果使用非色散红外法,此浓度的二氧化碳会对数据产生一定的干扰,作为IMO的推荐方法,可以满足一般船用需求,但是数据没有非色散紫外和量子级联激光器红外法的准确。

3 市场已有船舶废气SO2检测设备

船舶废气检测仪必须通过船级社的认证后才能安装到船上,目前国外有数个厂家的产品已经获得了不同船级社的认证。SICK、VIMEX、SIMENS、ABB等多个厂家的废气检测仪采用的是IMO推荐的非分散红外线技术,目前已经获得多个船级社的认证,已安装的检测仪数量以SICK为最多,其系统具有零标气、少维护的优点。Emsys的技术是新型的量子级联激光器红外光谱法,可同时检测8种气体,也获得了美国船级社的认可,这些企业一直走在全球气体检测行业的前列。船舶废气领域的产品虽然没有陆用产品需求量大,但是全球至少有价值几十亿人民币的市场需求,不容小觑。

国内完成认证的船舶废气检测仪寥寥无几,起步晚,速度慢。北京雪迪龙、杭州聚光等国内气体检测领域的领头企业技术实力雄厚,完全有能力追上国际同行的步伐,相信在短时间内能有船用产品上市。

4 总结

本文分析了各种不同二氧化硫废气的样品采集和检测方法,从目前技术成熟度和应用需求综合分析,直接抽取法+非分散紫外法结合使用是最完善的解决方案,但是随着技术的进步,量子级联激光器红外光谱法可能会替代非分散紫外法。我国船舶废气检测产品的研发起步晚,距离市场应用还有很多工作需要尽快完成。

参考文献

[1]徐阳.CEMS中二氧化硫在线监测方法的对比[J].科技展望,2016(33):107.

[2]李剑,栾玲玉,赵明等.烧结烟气中二氧化硫的检测方法研究进展[J].山东化工,2018,47(14):45-46.

[3]温中泉,陈刚,彭琛等.基于量子级联激光器的红外光谱技术评述[J].光谱学与光谱分析,2013,33(4):949-953.

[4]黎强科,黄雨锟,李振球,朱国军,区棋铭.离子色谱法测定燃香燃烧后氮氧化物和二氧化硫的检测方法研究[J].山東化工,2018,47(21):98-99+109.

收稿日期:2019-02-15

作者简介:杜清华(1981-),女,汉族,硕士研究生,高级职称,研究方向为环保工程。

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