摘要：利用在線氣體分析儀對(duì)固廢焚燒爐煙氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以燃燒效率進(jìn)行有效的監(jiān)控，有助于最大程度的減少排放和節(jié)約能源。基于半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(DLAS)的在線激光氣體分析系統(tǒng)，傳感器不直接接觸高溫?zé)煔猓脷怏w分子對(duì)于激光的選擇性吸收的原理，采用高精度激光光譜算法，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且維護(hù)量非常小。

關(guān)鍵詞：焚燒煙氣;激光;TDLAS半導(dǎo)體吸收光譜;氣體分析儀

1.引言

固廢焚燒的煙氣成分濃度是工藝控制的重要依據(jù)，尤其是煙氣中CO和O2的濃度。但是焚燒煙氣工況較為惡劣，煙氣溫度可達(dá)1200°C，煙氣中顆粒物含量達(dá)到1000mg/m3以上，且有一定的腐蝕性。目前，大部分設(shè)備采用氧化鋯分析儀測量O2含量，高溫催化燃燒傳感器測量CO含量。這兩種傳感器均需要直接接觸高溫?zé)煔猓胰菀资艿礁邼舛确蹓m和還原性氣體的干擾，維護(hù)成本十分高昂，而且測量精度低，響應(yīng)時(shí)間慢。

為此，需要開發(fā)一種非接觸式的高溫?zé)煔夥治鱿到y(tǒng)，該系統(tǒng)必須滿足如下應(yīng)用要求：

1) 分析系統(tǒng)必須能夠在高溫、高粉塵環(huán)境下對(duì)煙氣進(jìn)行準(zhǔn)確、連續(xù)的在線分析;

2) 分析系統(tǒng)必須克服煙氣所存在的腐蝕性、易吸附顆粒物對(duì)測量帶來的影響;

3) 由于裝置常年連續(xù)運(yùn)行，對(duì)分析系統(tǒng)的連續(xù)可靠運(yùn)行能力有著很高的要求。

基于以上需求，可基于TDLAS可協(xié)調(diào)半導(dǎo)體激光吸收光譜開發(fā)定制的氣體分析系統(tǒng)。它是一種新型在線氣體分析系統(tǒng)，和傳統(tǒng)分析方法顯著不同的，激光原位氣體分析系統(tǒng)采用原位式安裝方式，直接安裝在工藝過程的管道上，無需任何采樣預(yù)處理設(shè)備，傳感器不直接接觸高溫?zé)煔猓@就顯著的降低了儀表系統(tǒng)的困障率和維護(hù)量。這種無需采樣的原位式測量方法較好地克服了傳統(tǒng)分析系統(tǒng)在焚燒煙氣分析這種高溫、高粉塵、及含腐蝕性氣體的不足，可以穩(wěn)定得對(duì)高溫焚燒煙氣中氧氣、一氧化碳、氯化氫等濃度進(jìn)行測量。

2 激光氣體分析儀簡介

美國某公司結(jié)合多年氣體分析儀器研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)開發(fā)的激光過程氣體分析儀，專門針對(duì)惡劣工況條件，如高溫焚燒煙氣這種高溫、含粉塵、含腐蝕性氣體等復(fù)雜工況下氣體檢測需求。實(shí)際應(yīng)用效果良好。

激光原位氣體分析儀采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(DLAS)[1～2]氣體分析技術(shù)。與傳統(tǒng)紅外光譜技術(shù)相同，DLAS氣體分析技術(shù)本質(zhì)上是一種吸收光譜技術(shù)，通過分析測量光束被氣體的選擇吸收獲得氣體濃度。但與傳統(tǒng)紅外光譜技術(shù)不同的是， DLAS氣體分析技術(shù)采用的半導(dǎo)體激光光源的光譜寬度遠(yuǎn)小于氣體吸收譜線的展寬。因此， DLAS技術(shù)具有非常高的光譜分辨率，可以對(duì)某一特定氣體吸收譜線(常被稱為單線光譜分析技術(shù))進(jìn)行分析獲得被測氣體濃度，如圖1所示：頻率 v/cm-1

圖1 “單線光譜”測量技術(shù)原理

DLAS技術(shù)充分利用半導(dǎo)體激光的窄譜寬(也即良好的光源單色性)實(shí)現(xiàn)單線光譜分析，從而可以通過選擇一條不與背景氣體吸收譜線重疊的吸收譜線來避免背景氣體的交叉干擾。同時(shí)， DLAS技術(shù)還充分利用了半導(dǎo)體激光光頻率可以電流調(diào)諧的特性實(shí)現(xiàn)了測量結(jié)果不受粉塵和視窗污染的影響，只要測量光束透過率大于1%就能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，DLAS技術(shù)使用的單線光譜分析也使修正溫度和壓力變化等對(duì)測量的影響變得較容易[5]。

激光氣體分析儀的結(jié)構(gòu)組成見圖2。安裝時(shí)只需將發(fā)射單元和接收單元通過標(biāo)準(zhǔn)法蘭對(duì)準(zhǔn)固定在被測煙氣管道的兩側(cè)，即可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)煙氣分析。發(fā)射單元發(fā)出的激光束穿過被測氣體，被安裝在管道相對(duì)方向上的接收單元中的光電探測傳感器接收，獲得的測量信號(hào)經(jīng)過分析處理，根據(jù)激光吸收光譜算法得到氣體濃度信息，測量結(jié)果可以用4-20mA電流信號(hào)或通過RS485接口以數(shù)字信號(hào)等形式輸出。分析系統(tǒng)同時(shí)配置有吹掃系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)等輔助設(shè)備。吹掃系統(tǒng)控制工業(yè)用氮?dú)鈱?duì)發(fā)射、接收單元的光學(xué)視窗進(jìn)行吹掃，避免焚燒煙氣中粉塵長期污染光學(xué)視窗而造成激光透射光強(qiáng)的大幅下降。防爆系統(tǒng)使儀器滿足防爆要求，可安裝在爆炸性工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。維護(hù)時(shí)只需將發(fā)射和接收兩端玻片上的灰塵和污漬擦凈即可，維護(hù)量小、周期長。

2 激光氣體分析儀組成

3.焚燒煙氣分析的應(yīng)用

經(jīng)過現(xiàn)場論證，我們選擇將激光汽體分析儀安裝在焚燒爐直管段上，該安裝點(diǎn)氣體分布較為均勻，更能夠反映出煙氣實(shí)際情況，同時(shí)，該安裝點(diǎn)可進(jìn)行現(xiàn)場在線除污(清理長時(shí)間吸附在吹掃內(nèi)棒的顆粒物)，不會(huì)影響煙氣風(fēng)機(jī)工作。焚燒煙氣溫度都在1000℃以上，含有腐蝕性的SO2和NOx氣體，而且煙氣包含了大量的粉塵，但激光分析儀能夠適應(yīng)惡劣的工況條件。多年的穩(wěn)定運(yùn)行證明，該儀表能夠克服焚燒煙氣高溫、含粉塵和腐蝕性氣體等各種測量難點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定且維護(hù)量非常小。通過用手工分析數(shù)據(jù)和儀表測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比表明，二者差別很小，證明儀表測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。由于沒有預(yù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)平時(shí)維護(hù)量小。一般每3~6個(gè)月對(duì)儀表的光學(xué)視窗進(jìn)行一次除污，設(shè)備配有除污工裝，可以在線除污。為了保護(hù)儀表的光學(xué)視窗不被污染，保證儀器的透光率，系統(tǒng)配有吹掃系統(tǒng)，吹掃氣在光學(xué)視窗處形成一層氣幕，保護(hù)視窗不被污染。吹掃系統(tǒng)要求現(xiàn)場提供一定純度的氮?dú)猓瑝毫υ?~7公斤，使用量約50~60L/min，儀表運(yùn)行過程中，要保證氮?dú)獾倪B續(xù)供應(yīng)。

4.應(yīng)用效果

根據(jù)分析原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋，激光氣體分析儀適合固廢焚燒煙氣組分測量，可以精確測量氧等高濃度成分氣體得含量，同時(shí)對(duì)一氧化碳、氯化氫等也可在一定精度下進(jìn)行檢測，為工藝操作提供了有效的指導(dǎo)依據(jù)，提高了工藝操作水平，如當(dāng)CO的濃度超過10mg/m3時(shí)，即可得到檢測數(shù)據(jù)，CO濃度超過30mg/m3時(shí)，檢測精度已經(jīng)較為滿意。使用該方案對(duì)高溫?zé)煔庵苯訖z測，可大大減少數(shù)據(jù)反饋的時(shí)間差，使得對(duì)焚燒爐工況進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，對(duì)于節(jié)約能源、合理控制主風(fēng)量，減少污染物排放到了有效的促進(jìn)作用，具有較高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] M.G.Allen.Diode laser absorption sensors for gas-dynamic and combustion flows.Measurement Science and Technology，1998，9：545~562.

[2] J.Wang，M.Maiorov，D.Baer, et al..In situ combustion measurements of CO with diode-laser absorption near 2.3um.Applied Optics，2000，39(30)：5579~5589.

[3] 朱貴云，楊景和 激光光譜分析 北京：科學(xué)出版社，1992：142~163.

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