摘要：利用在線氣體分析儀對固廢焚燒爐煙氣進行實時監(jiān)測，可以燃燒效率進行有效的監(jiān)控，有助于最大程度的減少排放和節(jié)約能源?；诎雽w激光吸收光譜技術(DLAS)的在線激光氣體分析系統(tǒng)，傳感器不直接接觸高溫煙氣，利用氣體分子對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)準確，且維護量非常小。

關鍵詞：焚燒煙氣;激光;TDLAS半導體吸收光譜;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1200°C，煙氣中顆粒物含量達到1000mg/m3以上，且有一定的腐蝕性。目前，大部分設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煙氣，而且容易受到高濃度粉塵和還原性氣體的干擾，維護成本十分高昂，而且測量精度低，響應時間慢。

為此，需要開發(fā)一種非接觸式的高溫煙氣分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須滿足如下應用要求：

1) 分析系統(tǒng)必須能夠在高溫、高粉塵環(huán)境下對煙氣進行準確、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、易吸附顆粒物對測量帶來的影響;

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

基于以上需求，可基于TDLAS可協(xié)調半導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，無需任何采樣預處理設備，傳感器不直接接觸高溫煙氣，這就顯著的降低了儀表系統(tǒng)的困障率和維護量。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)定得對高溫焚燒煙氣中氧氣、一氧化碳、氯化氫等濃度進行測量。

2 激光氣體分析儀簡介

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

激光原位氣體分析儀采用可調諧半導體激光吸收光譜(DLAS)[1～2]氣體分析技術。與傳統(tǒng)紅外光譜技術相同，DLAS氣體分析技術本質上是一種吸收光譜技術，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)紅外光譜技術不同的是， DLAS氣體分析技術采用的半導體激光光源的光譜寬度遠小于氣體吸收譜線的展寬。因此， DLAS技術具有非常高的光譜分辨率，可以對某一特定氣體吸收譜線(常被稱為單線光譜分析技術)進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”測量技術原理

DLAS技術充分利用半導體激光的窄譜寬(也即良好的光源單色性)實現(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， DLAS技術還充分利用了半導體激光光頻率可以電流調諧的特性實現(xiàn)了測量結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%就能保證測量結果的準確性。另外，DLAS技術使用的單線光譜分析也使修正溫度和壓力變化等對測量的影響變得較容易[5]。

激光氣體分析儀的結構組成見圖2。安裝時只需將發(fā)射單元和接收單元通過標準法蘭對準固定在被測煙氣管道的兩側，即可實現(xiàn)在線實時煙氣分析。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，測量結果可以用4-20mA電流信號或通過RS485接口以數(shù)字信號等形式輸出。分析系統(tǒng)同時配置有吹掃系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)等輔助設備。吹掃系統(tǒng)控制工業(yè)用氮氣對發(fā)射、接收單元的光學視窗進行吹掃，避免焚燒煙氣中粉塵長期污染光學視窗而造成激光透射光強的大幅下降。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。維護時只需將發(fā)射和接收兩端玻片上的灰塵和污漬擦凈即可，維護量小、周期長。

2 激光氣體分析儀組成

3.焚燒煙氣分析的應用

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，該安裝點氣體分布較為均勻，更能夠反映出煙氣實際情況，同時，該安裝點可進行現(xiàn)場在線除污(清理長時間吸附在吹掃內棒的顆粒物)，不會影響煙氣風機工作。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惡劣的工況條件。多年的穩(wěn)定運行證明，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，運行穩(wěn)定且維護量非常小。通過用手工分析數(shù)據(jù)和儀表測量數(shù)據(jù)進行對比表明，二者差別很小，證明儀表測量結果準確可靠。由于沒有預處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)平時維護量小。一般每3~6個月對儀表的光學視窗進行一次除污，設備配有除污工裝，可以在線除污。為了保護儀表的光學視窗不被污染，保證儀器的透光率，系統(tǒng)配有吹掃系統(tǒng)，吹掃氣在光學視窗處形成一層氣幕，保護視窗不被污染。吹掃系統(tǒng)要求現(xiàn)場提供一定純度的氮氣，壓力在5~7公斤，使用量約50~60L/min，儀表運行過程中，要保證氮氣的連續(xù)供應。

4.應用效果

根據(jù)分析原理和實驗數(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，同時對一氧化碳、氯化氫等也可在一定精度下進行檢測，為工藝操作提供了有效的指導依據(jù)，提高了工藝操作水平，如當CO的濃度超過10mg/m3時，即可得到檢測數(shù)據(jù)，CO濃度超過30mg/m3時，檢測精度已經(jīng)較為滿意。使用該方案對高溫煙氣直接檢測，可大大減少數(shù)據(jù)反饋的時間差，使得對焚燒爐工況進行有效的實時調節(jié)，對于節(jié)約能源、合理控制主風量，減少污染物排放到了有效的促進作用，具有較高的推廣價值。

參考文獻

[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：科學出版社，1992：142~163.

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