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1、烟道二氧化硫浓度智能监测仪设计班级： 07表1 学号： 姓名： 指导教师： 2010年12月24日总体设计二氧化硫作为主要的大气污染物之一，对环境造成严重的危害。面煤、石油等燃料的燃烧过程是排放二氧化硫的最主要的人工污染源，因此对烟气二氧化硫浓度的检测，有十分重要的意义。本课题分析了目前有关二氧化硫浓度检测的方法及国内外烟气二氧化硫浓度检测仪的情况，以二氧化硫电化学传感器为基础，研制出一种低成本、高精度的能适应较恶劣环境的烟气二氧化硫浓度检测仪。本课题详细地给出了传感器的检测原理、检测仪的总体结构、硬件设计、软件的实现及通讯接口的设计。本检测仪在硬件上由气路部分和电路部分组成。根据传感器的特点
2、，采用双传感器气路结构，并且在气路上采用自然降温和利用气水分离器实现快速除水。系统的硬件电路设计包括二氧化硫浓度、温度、湿度检测电路；泵、阀驱动电路；通讯接口电路以及波特率、地址设置电路。以AT89C52单片机为控制器，把二氧化硫传感器的微弱电流信号，经过IV转换、前置放大器，转换成电压信号，再经过多量程、高精度的AD转换器，把二氧化硫浓度信号以数据的形式存入单片机中。在软件设计部分，充分利用了C语言丰富的库函数和强大的数据处理能力。软件主要由控制程序、数据处理和通信程序组成。本文研究了16位的循环冗余校验码CRCCCITT在数据通信中的应用，给出了基于模2运算的查表法，实验证明：在保证了系统
3、通信可靠性的基础上，大大提高了计算速度。本课题的重点是：恒电位仪及二氧化硫信号处理电路的设计，通讯接口的设计以及系统软件的实现。本检测仪适用于烟气脱硫工程的浓度检测和其它较高浓度的二氧化硫检测，其研制的成功有较大的应用价值。关键词：二氧化硫检测 电化学 恒电位仪前言一、二氧化硫成分对大气环境的影响1、二氧化硫的来源S02是全球性量大、影响面广的大气污染物，故常常以它作为衡量大气污染程度的主要指标。大气中的S02来源十分广泛，概括来说，主要是天然源和人工源。S02的天然源主要是指火山和地热活动、生物腐烂过程、土壤风化等过程。在这些天然源中，有的是释放出大量的H2S，进入空气被氧化成S02；有的是
4、微生物作用过程将硫酸盐还原成有机硫化物，通过大气化学作用再将有机硫化物氧化成S02几乎所有排放硫化物的天然源，都是间接排放S02的天然源。全球s02天然源每年排放S02量约为148亿吨。尽管天然源每年排放的S02量十分可观，但是由于它地处旷野、浓度低和自然净化作用，所以不会形成大气s02污染，不会产生酸雨现象，并且人工难以控制。S02的人工源主要是燃料燃烧和工业生产工程。化石燃料燃烧过程是排放S02的最主要的人工污染源：燃料燃烧系指含硫煤炭和石油的燃烧，大量的煤炭和石油燃烧时，排放出数量可观的S02、NOx及烟尘等；在各种人工排放S02的污染源中，大部分是由煤炭燃烧排放的。排放S02的工业生产
5、过程，主要有热电厂、有色冶金工业、钢铁工业、石油炼制工业和包括硫酸工业在内的化学工业等。人工污染源集中分布在城市及工矿区，浓度高，能形成大气S02污染，是产生酸雨的基本原因，但是人工可以控制。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。我国排放的S02 90来源于燃煤。我国是当今世界上几乎唯一以煤为初级能源的经济大国，随着工业和经济的发展，能源的需求量不断增加，我国能源生产的年平均增长率高达9。原煤占能源消耗总量的比例与5060年代相比，有较大幅度的下降，但至今仍高达70左右。并且近期内不会有根本性交化。煤炭是一种低品位的化石能源，我国煤炭中灰分、硫分含量较
6、高。大部分煤炭灰分在2528左右；硫分含量变化范围较大，从0110不等，1995年全国商品煤的平均含硫量为113。我国煤炭大多都直接燃烧，因此造成烟尘和S02等污染物大量排放到环境中。我国的S02排放量与煤炭消耗量有着密切关系，19831991年两者的相关系数达到O96。随着燃煤量的增加，燃煤排放的S02也不断增长，1995年我国S02排放达到2370万吨，已超过欧洲和美国，居世界第一位。2、二氧化硫的危害我国从80年代开始对酸雨污染进行观测和调查研究，在80年代，我国的酸雨主要发生在西南地区，酸雨区面积约为170万平方公里。到了90年代，酸雨污染扩展到华中、华南、华东与华北，东北的部分地区，
7、面积已占全国面积的40左右。而且我国的酸雨是硫酸型的，主要是由人为排放S02造成的。S02排放造成了严重的酸雨污染和生态损害，因而s02的环境影响受到了极大的关注。S02对人体的各种系统、器官、组织会产生不利的影响，当大气中的S02浓度达至lJ4ppm时，就会被闻到；浓度在812ppm时会引发咳嗽；S02达至U20ppm后，眼睛就流眼泪。由于S02等的严重污染，在我们社会中引发许多健康问题。S02还会对植物带来严重的危害，当环境的S02浓度大于150ppb的临界浓度时，就会对高等植物产生伤害。减少S02的排放量，防治大气S02污染，已成为我国当今乃至未来相当长时期内的主要社会问题之一，因此寻找
8、合适的烟气S02浓度检测方法，研制烟气S02浓度检测系统，不但符合我国国家产业政策，而且对于我国烟气脱硫技术的发展也有不小的促进作用。3、二氧化硫浓度检测理论与方法大气中S02的浓度经常以每立方米空气中的S02含量来表示，可以用质量体积比(mgm3)或者气态时的体积比(1 ppm=l106；l ppb-=l109)来表示。为了测量S02的浓度，目前已经提出了许多定性定量的分析方法：（1）电导法该方法是将一定体积含二氧化硫的空气样品通入到稀酸性过氧化氢溶液中，过氧化氢将二氧化硫氧化成硫酸，由于溶液中离子浓度增加引起电导率的变化。通过测定其溶液电导率的变化，求出大气中二氧化硫的浓度。测量范围Olp
9、pm，此方法准确、简便、快速、可以连续测量，适用于自动化仪器测定。但这种方法容易受到其他对电导率有影响的物质如H2s，NI-13，HCI，C02等的影响。(2)电量法又称库仑法，该方法很早就用于测定二氧化硫，其原理是通过将空气试样通入KI电解液，恒流源连续不断地在阳极上产生元素碘，随后又在阴极上被还原，因此建立了元素碘的平衡浓度，参比电极没有电流产生，当空气试样中含有二氧化硫时，二氧化硫与碘发生反应，使碘的含量减少，这样用来输送恒流源所供电荷的碘量就不够用了，部分不得不通过参比电极，参比电极的电流强度正比于空气试样中的二氧化硫含量，测量范围010ppm，最低为O01ppm。这种方法是测量电流的
10、大小，比测量液体试剂的量容易得多。这种方法选择性和灵敏度会受到其他含硫化合物如硫化氢、硫醇、有机硫化物的影响，可以采用化学填充膜过滤器来分离。(3)离子色谱法大气中的二氧化硫在采样吸收瓶中被碳酸钠一碳酸氢钠溶液吸收后，经双氧水氧化转变成硫酸根离子，利用离子交换的原理，可对硫酸根离子进行定量分析。用电导检测器测量被转变为相应酸型阴离子(aP硫酸根离子)的电导值，经与色谱数据工作站联机检测电导信号并进行数据处理，根据峰面积定量，从而可计算硫酸根离子的含量。通过硫酸根离子的含量可算出大气中二氧化硫的浓度。（4）分光光度法又称比色法，目前已经有多种用于大气中微量二氧化硫分析的定量分光光度法。虽然测定时
11、所用试剂种类很多，操作繁琐，但因其灵敏、可靠，所以成为国内外环境监测中测定二氧化硫的标准方法，唯一干扰的是氮氧化物。国际上常用的方法为过氧化氢高氯酸吸收，高氯酸钡沉淀，过量钡与钍试剂生成有色络合物而测定。我国通常测定大气中二氧化硫的分光光度法是基于二氧化硫被四氯汞钾或者甲醛吸收，在盐酸副品红(PRA)(盐酸副玫瑰苯胺)溶液中生成红紫色络合物，用分光光度法测量该络合物体系在一定波长(显示溶液磷酸含量少、红紫色548nm；显示溶液磷酸含量多、蓝紫色575nm；甲醛吸收、紫红色577nm)的吸收。由于四氯汞钾吸收存在汞污染，近年来提出采用一些非汞物质作吸收剂，诸如乙醇胺、吗啡琳、氢氧化钠、三乙醇胺、
12、过氧化氢等。分光光度法的结果与分离二氧化硫的酸度、显色剂的用量、显色稳定时间、温度有关，因而重复性不好。(5)光谱吸收法红外吸收检测技术是根据大气分子吸收红外辐射的光谱特征：吸收随波长迅速变化，而且在某些波长处有极大值，谱线位置和强度分布与吸收分子的种类和数量有关。通常利用S02在红外区域(730pm附近)的光吸收进行浓度测量。当一束恒定的730Itm的红外光通过含有S02的污染气体时，被S02吸收，通过测量光强衰减量，即可得至0S02浓度。紫外吸收是通过测量样品分子对紫外光(2803lOnm)的吸收来获得二氧化硫浓度的。(6)紫外荧光法根据物质分子吸收光谱和荧光光谱能级跃迁机理，具有吸收光子
13、能力的物质在特定波长光(如紫外光)照射下，可在瞬间发射出荧光。二氧化硫分子受紫外光照射后，处于激发态的二氧化硫分子返回基态时发出荧光，其荧光强度与二氧化硫浓度呈线性关系，从而可测出二氧化硫浓度。紫外荧光法测二氧化硫气体浓度具有灵敏度高、抗干扰性强、分析速度快等优点，并且能够实现自动连续监测，具有广泛的应用前景。(7)电化学传感器法二氧化硫电化学传感器，是利用二氧化硫气体分子在传感器的敏感电极上发生电化学反应，这种反应导致传感器的输出电信号发生改变。通过测量这种改变值的大小来反映二氧化硫气体浓度的变化，以此来检测二氧化硫浓度。电化学传感器以其结构简单、性能稳定、灵敏度较高、检测范围宽、价格低廉以
14、及可实时连续测定等优势一直引人瞩目综上所述，以S02为检测目标的分析方法较多，然而适用于燃料燃烧或工艺尾气中高浓度S02的分析方法却十分有限。目前在线监测装置的测量方法中比较普遍的有紫外吸收法和非分散红外法，这些方法分析灵敏度较高，而且就这些方法的分析仪器本身来讲，稳定性好，抗干扰性强，但是仪器结构复杂，维护使用要求高，价格昂贵，而且主要以国外产品为主，同时检测范围一般不宽，对高浓度S02测定受到限制。电化学传感器法具有低价位、高实用性的特点，有较高的性价比，不仅可用于拥有大型锅炉的企业，而且也适用于中小型污染源排放企业，易于推广普及。4、课题的来源与意义我国是一个以煤为主要一次能源的国家，在
15、今后较长时间内，电力工业以煤炭为主的能源结构不会改变。热电厂以煤作为主要燃料进行发电，煤燃烧和释放出大量S02，造成大气环境污染，随着装机容量的递增，S02的排放量也在不断增加，所以必须加大热电厂S02的排放控制力度。控制S02排放量方法很多，主要途径有3个：燃烧前、燃烧中、燃烧后(烟气脱硫)。烟气脱硫是世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方式，技术成熟，运行可靠。要进行烟气脱硫，要得到较高的脱硫效率，必须要准确检测烟气S02的浓度。县前烟气S02在线监测装置以国外产品为主，且价位较高，在中小型锅炉的烟气脱硫项目中。就显得有些资金不足，因此我们研制一种低价位高实用性的烟气S02浓度检测仪。我们在调查了解的基础上。分析了国外产品，针对我国国情，决定研制电化学传感器法烟气S02浓度检测仪，使其不仅适合中小型锅炉，同样适用于大型锅炉的烟气检测。研制烟气S02浓度检测仪，对我国控制环境污染，保护空气环境质量有重要的意义。5、本课题完成的主要工作本文主要在烟气S02浓度检测仪的研制方面做了如下研究工作；(1)对电化学SO。传感器的检测原理进行了研究。(2)对烟气S0：浓度检测仪的气路部分和电路部分进行了研究。(3)通过单片机控制气泵、气阀、水阀、温度传感器、湿度传感器、气体传感器，完成了对烟气S02浓度检测的智能化控制。(4)基于电化学SO：传
