孫海鋼

(聚光科技(杭州)股份有限公司,浙江杭州 310052)

半導(dǎo)體激光氣體分析技術(shù)的應(yīng)用與前景

孫海鋼

(聚光科技(杭州)股份有限公司,浙江杭州 310052)

介紹了半導(dǎo)體激光氣體分析技術(shù)的技術(shù)原理、技術(shù)特點(diǎn)及其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用前景,以期為半導(dǎo)體激光氣體分析技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域分析中的進(jìn)一步發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

半導(dǎo)體激光;氣體分析技術(shù)

近年來,隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的快速發(fā)展,越來越多半導(dǎo)體分析儀表被應(yīng)用到冶金、化工、電力、環(huán)保等行業(yè)。特別是在一些重要的工藝點(diǎn)(電捕焦、FCC、鍋爐燃燒),因其具有快速、無須前處理、非破壞性以及精度高等優(yōu)勢而得到更為廣泛的應(yīng)用。本文就半導(dǎo)體激光氣體分析技術(shù)的技術(shù)原理、技術(shù)特點(diǎn)及其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述,以期為半導(dǎo)體激光氣體分析技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域分析中的進(jìn)一步發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)測量原理

半導(dǎo)體激光氣體分析系統(tǒng)基于國際領(lǐng)先的半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(DLAS),即“單線光譜”測量技術(shù)。具體來說,就是通過測量具有某一特定吸收譜線的激光束在穿過被測氣體時(shí)發(fā)生的衰減信息,并根據(jù)激光強(qiáng)度衰減與被測氣體含量間的正比關(guān)系,分析獲得被測氣體的濃度。

與非分光紅外氣體分析技術(shù)相同,DLAS技術(shù)也是一種吸收光譜技術(shù),它利用Beer-Lambert關(guān)系來定量分析半導(dǎo)體激光能量被被測氣體選擇吸收產(chǎn)生的衰減來獲得氣體的濃度。與傳統(tǒng)非分光紅外分析技術(shù)使用譜寬很寬且固定波長的紅外光源不同,DLAS技術(shù)使用譜寬非常小(也就是單色性非常好)且波長可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器作為光源。因此,DLAS技術(shù)具有傳統(tǒng)非分光紅外分析技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的一些性能優(yōu)點(diǎn)。

1.1 不受背景氣體交叉干擾

半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光譜寬小于0.000 1 nm,是紅外光源譜寬的1/106,遠(yuǎn)小于紅外光源譜寬和被測氣體單吸收譜線寬度,其頻率調(diào)制掃描范圍也僅包含被測氣體單吸收譜線(半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)也因此被稱為單線光譜技術(shù)),因此成功消除了背景氣體交叉干擾影響。

1.2 不受粉塵和視窗污染干擾

非分光紅外氣體分析儀在分析粉塵含量較大的氣體時(shí),粉塵和被污染的光學(xué)元件會(huì)引起氣室透光率的變化,而固定波長的光源又無法區(qū)別氣體和粉塵的吸收,因此無法自動(dòng)修正粉塵對(duì)光學(xué)元件的污染影響。而半導(dǎo)體激光的波長可通過調(diào)制工作電流而被掃描,使激光波長既掃描過有氣體吸收的區(qū)域,也掃描過沒有氣體吸收的區(qū)域。當(dāng)波長位于吸收區(qū)域時(shí)可測得包含氣體和粉塵在內(nèi)的總透光率T(總),當(dāng)波長位于無氣體吸收區(qū)域時(shí)可以測得粉塵透光率T(粉塵),從而可以準(zhǔn)確獲得被測氣體的透光率T(氣體)=T(總)/T(粉塵)。DLAS技術(shù)通過激光波長掃描技術(shù)修正了粉塵和視窗污染對(duì)測量的影響。

1.3 不受被測氣體環(huán)境參數(shù)變化干擾

被測氣體環(huán)境參數(shù)——溫度或壓力變化通常導(dǎo)致譜線強(qiáng)度和展寬發(fā)生變化,對(duì)溫度或壓力信號(hào)不加修正就會(huì)影響測量結(jié)果。而DLAS技術(shù)是對(duì)被測氣體單一吸收譜線進(jìn)行分析,因此可較容易地對(duì)溫度、壓力效應(yīng)進(jìn)行修正。為此系統(tǒng)內(nèi)置了溫度和壓力自動(dòng)修正功能,能根據(jù)實(shí)際測量得到的被測氣體溫度和壓力對(duì)氣體成分測量值進(jìn)行自動(dòng)修正,從而可實(shí)現(xiàn)精確的在線氣體分析。

綜上所述,單線光譜技術(shù)、激光波長掃描技術(shù)和環(huán)境參數(shù)自動(dòng)修正技術(shù)使DLAS技術(shù)可以被用于實(shí)現(xiàn)氣體的原位分析,因此比非分光紅外等傳統(tǒng)采樣氣體分析系統(tǒng)具備更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。并且由于激光氣體分析系統(tǒng)省卻了采樣預(yù)處理裝置,結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件,維護(hù)標(biāo)定方便、可靠性高,響應(yīng)速度快而準(zhǔn)確,大大提升了在線過程氣體檢測的水平。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 響應(yīng)速度快

激光在線氣體分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“在位”測量和秒級(jí)響應(yīng),避免了采樣預(yù)處理響應(yīng)滯后帶來的安全隱患。例如:冶金行業(yè)電捕焦安全控制的關(guān)鍵因素是O2分析儀器的響應(yīng)速度。

2.2 開表率高

冶金行業(yè)電捕焦工藝點(diǎn)管道氣含有大量焦油、苯、萘等高黏性、易結(jié)晶物質(zhì),傳統(tǒng)采樣預(yù)處理系統(tǒng)不可避免會(huì)發(fā)生采樣探頭、管堵塞等問題;另外,由于檢測點(diǎn)為負(fù)壓,蒸汽不穩(wěn)定、臟等原因也會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓抽氣系統(tǒng)不能正常工作。激光在線氣體分析系統(tǒng)無需采樣,采用非接觸式測量方式,從根本上解決上述問題,從而確保開表率,同時(shí)大大降低了維護(hù)量。

2.3 安全環(huán)保

傳統(tǒng)分析系統(tǒng)的尾氣排放不僅易爆,對(duì)操作人員身體也有害處;激光在線氣體分析系統(tǒng)無尾氣排放,安全環(huán)保。

2.4 維護(hù)、標(biāo)定工作量少

半導(dǎo)體激光在線氣體分析系統(tǒng)的年標(biāo)定次數(shù)為傳統(tǒng)分析儀的1/8～1/4;維護(hù)工作簡單到只需擦凈光學(xué)視窗,儀表實(shí)現(xiàn)維護(hù)自動(dòng)提示。

2.5 運(yùn)行費(fèi)用低

激光在線氣體分析系統(tǒng)無需備品備件,運(yùn)行成本幾乎為電費(fèi)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)采樣預(yù)處理的氣體分析系統(tǒng)優(yōu)勢見表1。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 冶金行業(yè)

轉(zhuǎn)爐煤氣回收(O2和CO)和高爐煉鐵(O2、CO、CO2),煤氣柜安全分析及電捕焦測O2等很多企業(yè)現(xiàn)在還是使用預(yù)處理和電化學(xué)分析儀,反應(yīng)滯后和響應(yīng)時(shí)間慢及精度低等問題嚴(yán)重制約生產(chǎn)發(fā)展。

成功案例:武漢鋼鐵焦化廠電捕焦測氧,唐鋼一煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收,安鋼煤氣柜測氧等。

3.2 石油化工

表1 半導(dǎo)體激光氣體分析系統(tǒng)與傳統(tǒng)分析系統(tǒng)優(yōu)勢比較

乙烯裂解(CO、CO2、C2H2),煉油FCC(CO、CO2、O2),氯堿行業(yè)微量水和微量氧等。如武石化FCC項(xiàng)目、神馬氯堿微量水、玉門石化、甘肅銀光等。

3.3 環(huán)保行業(yè)

垃圾焚燒尾氣檢測及氣體分析(HCl、HF、SO2),工業(yè)鍋爐尾氣排放(HCl、HF)。如:昆山垃圾焚燒、浙大藍(lán)天環(huán)保、福昌化工固廢處理等。

3.4 電力行業(yè)

火力發(fā)電燃燒控制(O2、CO),噴煤安全監(jiān)控(O2、CO)。如:大唐電力、關(guān)鋁電廠、國電龍?jiān)吹取?/p>

4 應(yīng)用前景

隨著半導(dǎo)體激光氣體分析技術(shù)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,該項(xiàng)技術(shù)作為一種高效、快捷、綠色、經(jīng)濟(jì)、安全的分析技術(shù),將會(huì)得到更多的領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展。相信在不遠(yuǎn)的將來半導(dǎo)體激光氣體分析技術(shù)將會(huì)在我國現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)中具有廣闊的發(fā)展前景和重要的地位。

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2010-08-21

孫海鋼(1977-),男,助工,主要從事儀器儀表項(xiàng)目管理工作,電話:13735526396。