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(cè)，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?；诎雽?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?，利用氣體分子對(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(cè)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(cè)量O2含量，高溫催化燃燒傳感器測(cè)量CO含量。這兩種傳感器均需要直接接觸高溫?zé)煔?，而且容易受到高濃度粉塵和還原性氣體的干擾，維護(hù)成本十分高昂，而且測(cè)量精度低，響應(yīng)時(shí)間慢。

為此，需要開(kāi)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(cè)量帶來(lái)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(kāi)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(guò)程的管道上，無(wú)需任何采樣預(yù)處理設(shè)備，傳感器不直接接觸高溫?zé)煔?，這就顯著的降低了儀表系統(tǒng)的困障率和維護(hù)量。這種無(wú)需采樣的原位式測(cè)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(cè)量。

2 激光氣體分析儀簡(jiǎn)介

美國(guó)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(kāi)發(fā)的激光過(guò)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(cè)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(guò)分析測(cè)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(cè)氣體濃度，如圖1所示：頻率 v/cm-1

圖1 “單線光譜”測(cè)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(guò)選擇一條不與背景氣體吸收譜線重疊的吸收譜線來(lái)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(cè)量結(jié)果不受粉塵和視窗污染的影響，只要測(cè)量光束透過(guò)率大于1%就能保證測(cè)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(cè)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(jiàn)圖2。安裝時(shí)只需將發(fā)射單元和接收單元通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)法蘭對(duì)準(zhǔn)固定在被測(cè)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(guò)被測(cè)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(cè)傳感器接收，獲得的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)分析處理，根據(jù)激光吸收光譜算法得到氣體濃度信息，測(cè)量結(jié)果可以用4-20mA電流信號(hào)或通過(guò)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(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)。

2 激光氣體分析儀組成

3.焚燒煙氣分析的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)在線除污(清理長(zhǎng)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(cè)量難點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定且維護(hù)量非常小。通過(guò)用手工分析數(shù)據(jù)和儀表測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比表明，二者差別很小，證明儀表測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。由于沒(méi)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(chǎng)提供一定純度的氮?dú)?，壓力?~7公斤，使用量約50~60L/min，儀表運(yùn)行過(guò)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(cè)量，可以精確測(cè)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(cè)，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(guò)10mg/m3時(shí)，即可得到檢測(cè)數(shù)據(jù)，CO濃度超過(guò)30mg/m3時(shí)，檢測(cè)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(cè)，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)

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[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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