烟气排放紫外差分吸收光谱实时监测方法的研究

摘要

大气污染是环境保护所面对的首要问题。作为大气污染气体的主要来源之一的固定污染源的烟气排放就成为监测和控制的重点。本文介绍了紫外差分吸收光谱法测量气体污染物浓度的基本原理和方法。并针对现场光谱测量中的准确性和测量精度的问题，在吸收光谱的特征提取、测量误差的拟合修正以及现场光谱的统计分析这三个方面进行了详细研究。主要内容包括：
　　 1.对形成紫外差分吸收光谱的电子光谱微观特性进行了研究。给出了经过实际光程中的散射和仪器响应特性等因素修正后的光吸收定律表达式。推导了理论模型中的背景光和吸收光谱与参考光和测量光谱之间的关系；
　　 2.在特征提取方面，在不同分辨率下采用能量因子筛选的方法进行加性噪声的去除，根据光谱间的时间相关性对吸收特征进行增强。并使用非线性多项式拟合的方法来减小实际测量条件和系统所产生的乘性噪声。现场数据证明，该方法显著提高了现场正常条件下的光谱信噪比，对现场监测数据的准确度提高有重要意义；
　　 3.在误差修正方面，采用光谱调理、吸收截面计算和不同吸收波段加权的三步修正法，包括光谱曲线的平移和拉伸；可用于现场和符合测量系统光谱响应的吸收截面计算方法；针对具有不同吸收波段的气体污染物，使用了高阶多项式波段加权的浓度拟合算法。这种方法将现场数据偏差降低到3％以下；
　　 4.为了近似地估计出现场光谱中氨法脱硫前后的主要成分比例及变化情况，分析了氨法脱硫的原理及生成的干扰物质。采用聚类和因子分析两种方法对现场氨法脱硫前后和实验室条件下的光谱进行对比研究。根据统计分析结论，使用分段拟合的方法对氨法脱硫的光谱进行计算，有效的提高了脱硫后数据的测量精度；
　　 5.研制了二氧化硫和氮氧化物的测量探头，并编制了气体光谱数据处理和分析软件。选择两个现场进行现场比对及实地运行试验。现场数据表明，监测系统能够适应现场的工业环境，实现稳定工作。

目录

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第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.1.1大气污染现状

1.1.2烟道中的主要污染物

1.1.3烟气排放连续监测系统

1.2气体组分浓度监测技术

1.2.1现代化学测量技术

1.2.2光谱测量技术

1.2.3现有气体监测方法的比较

1.3紫外差分吸收光谱数据处理方法

1.3.1 DOAS的实现形式

1.3.2 DOAS的数据处理算法

1.4课题的研究内容

第二章紫外差分吸收光谱法测量原理及系统

2.1吸收光谱基础

2.1.1分子吸收光谱形成原理

2.1.2二氧化硫的分子光谱特征

2.2光谱吸收数学模型

2.2.1光谱吸收基本理论

2.2.2实际光吸收模型

2.3紫外差分吸收光谱法

2.3.1紫外差分吸收光谱法基本原理

2.3.2紫外差分吸收光谱数学模型

2.3.3紫外差分吸收光谱数据处理步骤

2.4实验系统组成

2.5本章小结

第三章紫外差分吸收光谱的特征提取

3.1光谱特征信息提取技术

3.1.1光谱噪声分类

3.1.2特征提取技术的发展

3.1.3加性噪声去除及特征信息增强方法基本原理

3.1.4乘性噪声的最小二乘拟合

3.1.5算法性能评价标准

3.2数据处理及分析

3.2.1实验室数据分析

3.2.2现场数据分析

3.3本章小结

第四章DOAS的测量误差分析

4.1误差修正方法

4.1.1光谱曲线的调理

4.1.2吸收截面的获取

4.1.3波段加权

4.2试验及数据分析

4.2.1实验室数据分析

4.2.2现场数据分析

4.3本章小结

第五章DOAS光谱数据的多变量分析

5.1 DOAS光谱的多变量分析的意义

5.1.1多变量分析简介

5.1.2现场与实验室的光谱差异

5.1.3主要脱硫工艺比较

5.2光谱的聚类分析

5.2.1聚类分析的原理

5.2.2数据分析

5.3光谱的维度缩减

5.3.1因子分析的原理

5.3.2数据分析

5.4分波段拟合脱硫数据

5.4.1两波段数据主成分分析

5.4.2多项式拟合

5.5本章小结

第六章烟气现场连续监测系统的研制及应用

6.1系统硬件组成

6.2系统软件设计

6.3现场应用及数据分析

6.3.1设备安装

6.3.2数据分析

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢