간섭 및 제로 드리프트는 비 분산 적외선 (NDIR = non-dispersive infrared) 분석기의 주요 문제이다. 기체 화합물 간의 적외선 스펙트럼의 중첩으로 인해 발생하는 간섭으로 인하여 분석 결과에 편차가 발생한다. 마찬가지로, IR 소스 및 검출기의 노화에 영향을 받는 제로 드리프트는 기준선의 ...
간섭 및 제로 드리프트는 비 분산 적외선 (NDIR = non-dispersive infrared) 분석기의 주요 문제이다. 기체 화합물 간의 적외선 스펙트럼의 중첩으로 인해 발생하는 간섭으로 인하여 분석 결과에 편차가 발생한다. 마찬가지로, IR 소스 및 검출기의 노화에 영향을 받는 제로 드리프트는 기준선의 오프셋으로 인해 분석 과정에서 측정 오차를 유발한다. 결론적으로 본 연구에서는 굴뚝 연속 모니터링 시스템(TMS - tele monitoring system)을 사용하여 NDIR 분석기에 대한 간섭 및 제로 드리프트 효과를 보상하는 새로운 방법을 연구하였다. 적용 범위는 석탄 화력 발전소와 도시 고형 폐기물 (MSW - municipal solid waste) 소각장으로 설정 하였고 대상 가스는 NH3, HCl, CO, NO로 선정하였다.
간섭 효과를 최소화 하기 위하여 HITRAN 데이터베이스를 기반으로 각 가스에 대한 IR 흡수의 비 간섭 대역을 설정하였다. MSW 소각장에서는 NH3와 HCl의 비간섭대역을 발견하였고, 석탄 화력 발전소와 MSW 소각장에서는 CO와 NO의 비간섭대역을 발견하였다. 이러한 비간섭대역에서 NH3, HCl, CO, NO에 대한 새로운 밴드 패스 필터를 제작하였고, 이때 새로운 밴드패스 필터는 중심 파장 및 대역폭이 기존의 상용 밴드 패스 필터와 다름을 알 수 있었다. 각각의 새로운 BPF에 대한 간섭 효과의 이론적, 실험적 평가는 석탄 화력발전소 및 MSW 소각장의 배출 가스비와 관련된 단일 대상 가스 및 혼합 가스로 수행되었다. CO 및 NH3에 대한 새로운 밴드 패스 필터는 다른 가스의 간섭 영향을 잘 받지 않음이 관찰되었다. 이와 대조적으로 상용 밴드 패스 필터는 이에 비해 간섭영향이 보다 크게 나타남을 관찰 할 수 있었다. 실제 제조된 새로운 밴드 패스 필터의 실제 대역폭은 이론적 비간섭대역의 대역폭보다 넓기 때문에 대상 대역에서 강한 IR 흡수를 갖는 강한 간섭 가스가 여전히 BPF에 영향을 줄 수 있다. 이는 새로운 밴드 패스 필터의 대역폭이 이론적 대역폭과 동일하게 제조되어야 한다는 것을 나타낸다. 반면, 비용 편익 분석결과 새로운 밴드 패스 필터의 간섭 보상 방식이 상호 간섭 방법 이나 가스 필터 상관 방법보다 경제적이었다. 새로운 보상 방법이 적용된 CO 및 NO NDIR 분석기는 실제 MSW 소각 설비에도 적용되었으며 그 성능은 기존의 TMS분석기와 비교하였다. 개발된 NDIR 분석기는 기존 분석기에 비해 상대 정확도가 2.5 % 미만으로 양호하게 작동하는 것으로 나타났다.
제로 드리프트 효과의 경우에, 새로운 기준 채널이 기존의 기준 채널 (3.95 ㎛) 대신에 사용되었다. IR 소스에 의한 제로 드리프트와 검출기 에이징은 기준 밴드 패스 필터와 대상 가스의 측정 밴드 패스 필터 사이의 서로 다른 다른 흡수 파장에 의해 발생하기 때문에 기준 및 측정 채널은 동일한 밴드 패스 필터와 함께 사용되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 기준 채널과 측정 채널에 동일한 밴드 패스 필터를 적용하였다. 새로운 기준 채널의 밴드 패스 필터에 beam-reducer를 연결하여 다양한 IR 세기를 형성하였다. 그 결과 두 채널에서 서로 다른 IR 흡수 패턴이 나타났다. 따라서, 측정 채널의 신호와 대상 가스 농도에 대한 새로운 기준 채널의 다양한 관계는 양호한 추세선(ex : 선형 또는 다중회귀형)을 나타낼 것이다. 양호한 상관 관계 관찰 결과 밴드 패스 필터의 본래의 활성 영역의 내경이 50~70% 인 beam-reducer가 기준 채널로 적용 될 수 있는 것으로 관찰 되었다. 또한 새로운 밴드패스필터를 적용하면 제로 드리프트를 약 19% 감소 시킬 수 있다.
다른 한편, 새로운 밴드 패스 필터 사용에 따른 비용 편익 분석 결과 새로운 기준채널의 사용이 교정 과정에서 많은 표준 가스를 소비하는 기존의 방법 보다 운영 비용을 크게 절감할 수 있다는 것을 보여 주었다.
간섭 및 제로 드리프트는 비 분산 적외선 (NDIR = non-dispersive infrared) 분석기의 주요 문제이다. 기체 화합물 간의 적외선 스펙트럼의 중첩으로 인해 발생하는 간섭으로 인하여 분석 결과에 편차가 발생한다. 마찬가지로, IR 소스 및 검출기의 노화에 영향을 받는 제로 드리프트는 기준선의 오프셋으로 인해 분석 과정에서 측정 오차를 유발한다. 결론적으로 본 연구에서는 굴뚝 연속 모니터링 시스템(TMS - tele monitoring system)을 사용하여 NDIR 분석기에 대한 간섭 및 제로 드리프트 효과를 보상하는 새로운 방법을 연구하였다. 적용 범위는 석탄 화력 발전소와 도시 고형 폐기물 (MSW - municipal solid waste) 소각장으로 설정 하였고 대상 가스는 NH3, HCl, CO, NO로 선정하였다.
간섭 효과를 최소화 하기 위하여 HITRAN 데이터베이스를 기반으로 각 가스에 대한 IR 흡수의 비 간섭 대역을 설정하였다. MSW 소각장에서는 NH3와 HCl의 비간섭대역을 발견하였고, 석탄 화력 발전소와 MSW 소각장에서는 CO와 NO의 비간섭대역을 발견하였다. 이러한 비간섭대역에서 NH3, HCl, CO, NO에 대한 새로운 밴드 패스 필터를 제작하였고, 이때 새로운 밴드패스 필터는 중심 파장 및 대역폭이 기존의 상용 밴드 패스 필터와 다름을 알 수 있었다. 각각의 새로운 BPF에 대한 간섭 효과의 이론적, 실험적 평가는 석탄 화력발전소 및 MSW 소각장의 배출 가스비와 관련된 단일 대상 가스 및 혼합 가스로 수행되었다. CO 및 NH3에 대한 새로운 밴드 패스 필터는 다른 가스의 간섭 영향을 잘 받지 않음이 관찰되었다. 이와 대조적으로 상용 밴드 패스 필터는 이에 비해 간섭영향이 보다 크게 나타남을 관찰 할 수 있었다. 실제 제조된 새로운 밴드 패스 필터의 실제 대역폭은 이론적 비간섭대역의 대역폭보다 넓기 때문에 대상 대역에서 강한 IR 흡수를 갖는 강한 간섭 가스가 여전히 BPF에 영향을 줄 수 있다. 이는 새로운 밴드 패스 필터의 대역폭이 이론적 대역폭과 동일하게 제조되어야 한다는 것을 나타낸다. 반면, 비용 편익 분석결과 새로운 밴드 패스 필터의 간섭 보상 방식이 상호 간섭 방법 이나 가스 필터 상관 방법보다 경제적이었다. 새로운 보상 방법이 적용된 CO 및 NO NDIR 분석기는 실제 MSW 소각 설비에도 적용되었으며 그 성능은 기존의 TMS분석기와 비교하였다. 개발된 NDIR 분석기는 기존 분석기에 비해 상대 정확도가 2.5 % 미만으로 양호하게 작동하는 것으로 나타났다.
제로 드리프트 효과의 경우에, 새로운 기준 채널이 기존의 기준 채널 (3.95 ㎛) 대신에 사용되었다. IR 소스에 의한 제로 드리프트와 검출기 에이징은 기준 밴드 패스 필터와 대상 가스의 측정 밴드 패스 필터 사이의 서로 다른 다른 흡수 파장에 의해 발생하기 때문에 기준 및 측정 채널은 동일한 밴드 패스 필터와 함께 사용되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 기준 채널과 측정 채널에 동일한 밴드 패스 필터를 적용하였다. 새로운 기준 채널의 밴드 패스 필터에 beam-reducer를 연결하여 다양한 IR 세기를 형성하였다. 그 결과 두 채널에서 서로 다른 IR 흡수 패턴이 나타났다. 따라서, 측정 채널의 신호와 대상 가스 농도에 대한 새로운 기준 채널의 다양한 관계는 양호한 추세선(ex : 선형 또는 다중회귀형)을 나타낼 것이다. 양호한 상관 관계 관찰 결과 밴드 패스 필터의 본래의 활성 영역의 내경이 50~70% 인 beam-reducer가 기준 채널로 적용 될 수 있는 것으로 관찰 되었다. 또한 새로운 밴드패스필터를 적용하면 제로 드리프트를 약 19% 감소 시킬 수 있다.
다른 한편, 새로운 밴드 패스 필터 사용에 따른 비용 편익 분석 결과 새로운 기준채널의 사용이 교정 과정에서 많은 표준 가스를 소비하는 기존의 방법 보다 운영 비용을 크게 절감할 수 있다는 것을 보여 주었다.
Gaseous pollutants emitted from a stationary source might cause adverse effect on human health and the environment. Therefore, emission monitoring of these pollutants is a pivotal issue. A non-dispersive infrared (NDIR) analyzer has been widely applied to measure the emission of many gases from stat...
Gaseous pollutants emitted from a stationary source might cause adverse effect on human health and the environment. Therefore, emission monitoring of these pollutants is a pivotal issue. A non-dispersive infrared (NDIR) analyzer has been widely applied to measure the emission of many gases from stationary sources. However, gas interference and Zero-drift are the pivotal issue of an NDIR analyzer. The interference, which is caused by the overlap of infrared (IR) spectrum among gaseous compounds, results in a bias in analytical results. Likewise, the Zero-drift, which is influenced by the aging of an IR source or a detector, brings about the measurement error of an analysis due to an offset of a baseline. Consequently, new methods to compensate the gas interference and the Zero-drift effects on the NDIR analyzer used for a continuous stack monitoring system were investigated in this study. The scope of the study was a coal-fired power plant and a municipal solid waste (MSW) incineration plant. Target gases were NH3, HCl, CO and NO. As for the interference effect, least-interference bands of the IR absorption for each gas were determined based on a high-resolution IR absorption database. It was found that least-interference bands were available for NH3 and HCl in the case of an MSW incineration plant, and also available for CO and NO in the case of both a coal-fired power plant and an MSW incineration plant. Based on least-interference bands, new band pass filters (BPFs) for NH3, HCl, CO and NO were selected and made. These BPFs were different from commercial BPFs in terms of center wavelengths and bandwidths. Theoretical and experimental evaluations of interference effects on each new BPF were carried out with individual target gas and mixture gas associated with an emission pattern of a coal-fired power and an MSW incineration plant. It was observed that new BPFs for CO and NH3 could compensate well interference effects from all gases of concern. In contrast, it was found that the other new BPFs could reduce interference effects much less than those for CO and NH3. Since the bandwidths of new BPFs manufactured were wider than those of the theoretical least-interference bands, gaseous compounds with relatively strong IR absorption could somewhat influence the new BPFs. Furthermore, a narrower bandwidth resulted in a better interference compensation. A CO and NO NDIR analyzer coupled with the new method was also applied to a field MSW incineration plant and its performance was compared with a standard analyzer. It was found that this current NDIR analyzer operated well with relative accuracies less than 2.5% compared to the other. In the case of Zero-drift effect, a new reference channel was used instead of a traditional reference channel (i.e., BPF 3.95 µm). Drift of an NDIR analyzer occurs due to the aging of the optical components and detection components. Recently, a reference BPF has been widely applied to lower the drift of a NDIR analyzer. The reference BPF helped to reduce the drift caused by the aging of the optical component and to reduce the dimension of the analyzer using an old type reference gas chamber. However, the reference BPF could not reduce the drift caused by aging of detection components due to different wavelength effect. Consequently, a reference channel with the identical wavelength as the measurement channel was the alternative way to solve the drift issue of the NDIR analyzer. Based on the Beer-Lambert law, the IR absorption of a gas is influenced by the IR intensity. In addition, the detectivity of a detector was proportional to its active area. Therefore, a beam reducer could be applied to reduce the IR intensity penetrating a BPF to produce a different pattern of IR absorption for a certain gas. The different pattern of IR absorption between two different active areas of the identical kind of BPF could be used to measure the variation of IR absorbance with respect to a certain gas as well as to compensate the drift of the NDIR analyzer at the same time. A beam reducer was attached to a BPF in a reference channel (so called new reference channel) to produce different IR radiation from a measurement channel. This difference resulted in the different pattern of IR absorption at the two channels. It was found that a beam reducer with an inner diameter including 50 to 70% of an original active area of a BPF could be applied to a reference channel due to its good performance. Moreover, the application of the new BPF could reduce up to 19% of Zero-drift. Emission inventories observed by emission concentrations from this current NDIR and the previous NDIR were compared. It was found that the emission inventories estimated from the data of the current NDIR were more reliable. This had a great significance for the environmental emission monitoring field. Reliable emission inventories help to improve the quality of air quality forecasting in the atmosphere and the policy making for air pollution management.
Gaseous pollutants emitted from a stationary source might cause adverse effect on human health and the environment. Therefore, emission monitoring of these pollutants is a pivotal issue. A non-dispersive infrared (NDIR) analyzer has been widely applied to measure the emission of many gases from stationary sources. However, gas interference and Zero-drift are the pivotal issue of an NDIR analyzer. The interference, which is caused by the overlap of infrared (IR) spectrum among gaseous compounds, results in a bias in analytical results. Likewise, the Zero-drift, which is influenced by the aging of an IR source or a detector, brings about the measurement error of an analysis due to an offset of a baseline. Consequently, new methods to compensate the gas interference and the Zero-drift effects on the NDIR analyzer used for a continuous stack monitoring system were investigated in this study. The scope of the study was a coal-fired power plant and a municipal solid waste (MSW) incineration plant. Target gases were NH3, HCl, CO and NO. As for the interference effect, least-interference bands of the IR absorption for each gas were determined based on a high-resolution IR absorption database. It was found that least-interference bands were available for NH3 and HCl in the case of an MSW incineration plant, and also available for CO and NO in the case of both a coal-fired power plant and an MSW incineration plant. Based on least-interference bands, new band pass filters (BPFs) for NH3, HCl, CO and NO were selected and made. These BPFs were different from commercial BPFs in terms of center wavelengths and bandwidths. Theoretical and experimental evaluations of interference effects on each new BPF were carried out with individual target gas and mixture gas associated with an emission pattern of a coal-fired power and an MSW incineration plant. It was observed that new BPFs for CO and NH3 could compensate well interference effects from all gases of concern. In contrast, it was found that the other new BPFs could reduce interference effects much less than those for CO and NH3. Since the bandwidths of new BPFs manufactured were wider than those of the theoretical least-interference bands, gaseous compounds with relatively strong IR absorption could somewhat influence the new BPFs. Furthermore, a narrower bandwidth resulted in a better interference compensation. A CO and NO NDIR analyzer coupled with the new method was also applied to a field MSW incineration plant and its performance was compared with a standard analyzer. It was found that this current NDIR analyzer operated well with relative accuracies less than 2.5% compared to the other. In the case of Zero-drift effect, a new reference channel was used instead of a traditional reference channel (i.e., BPF 3.95 µm). Drift of an NDIR analyzer occurs due to the aging of the optical components and detection components. Recently, a reference BPF has been widely applied to lower the drift of a NDIR analyzer. The reference BPF helped to reduce the drift caused by the aging of the optical component and to reduce the dimension of the analyzer using an old type reference gas chamber. However, the reference BPF could not reduce the drift caused by aging of detection components due to different wavelength effect. Consequently, a reference channel with the identical wavelength as the measurement channel was the alternative way to solve the drift issue of the NDIR analyzer. Based on the Beer-Lambert law, the IR absorption of a gas is influenced by the IR intensity. In addition, the detectivity of a detector was proportional to its active area. Therefore, a beam reducer could be applied to reduce the IR intensity penetrating a BPF to produce a different pattern of IR absorption for a certain gas. The different pattern of IR absorption between two different active areas of the identical kind of BPF could be used to measure the variation of IR absorbance with respect to a certain gas as well as to compensate the drift of the NDIR analyzer at the same time. A beam reducer was attached to a BPF in a reference channel (so called new reference channel) to produce different IR radiation from a measurement channel. This difference resulted in the different pattern of IR absorption at the two channels. It was found that a beam reducer with an inner diameter including 50 to 70% of an original active area of a BPF could be applied to a reference channel due to its good performance. Moreover, the application of the new BPF could reduce up to 19% of Zero-drift. Emission inventories observed by emission concentrations from this current NDIR and the previous NDIR were compared. It was found that the emission inventories estimated from the data of the current NDIR were more reliable. This had a great significance for the environmental emission monitoring field. Reliable emission inventories help to improve the quality of air quality forecasting in the atmosphere and the policy making for air pollution management.
Keyword
#NDIR interference Zero-drift bandpass filter coal-fired power plant incineration plant
학위논문 정보
저자
딘 브엉
학위수여기관
건국대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
환경공학과
지도교수
김조천
발행연도
2019
총페이지
233
키워드
NDIR interference Zero-drift bandpass filter coal-fired power plant incineration plant
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