王金成,梁運(yùn)濤,田富超
(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)
煤礦井下空氣組分復(fù)雜,準(zhǔn)確快速分析煤礦混合氣體成分和體積分?jǐn)?shù)對(duì)保障作業(yè)人員身體健康,實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)、瓦斯爆炸等災(zāi)害的早期預(yù)警具有重要意義[1]。目前煤礦氣體檢測(cè)采用的催化燃燒式、熱導(dǎo)式、光干涉式、電化學(xué)式以及光譜分析技術(shù)(傅里葉變換紅外光譜、非分散紅外光譜)等檢測(cè)技術(shù),在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中均取得了一定效果,但由于自身和外部條件的限制,存在不同程度的局限性[2]。可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技術(shù)具有檢測(cè)靈敏度高、抗交叉干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快的特征,可實(shí)現(xiàn)多種氣體組分的定性定量檢測(cè)。
基于此,分析了TDLAS 氣體檢測(cè)技術(shù)特征及其在相關(guān)行業(yè)的研究現(xiàn)狀,論述了技術(shù)在煤礦氣體檢測(cè)方面的研究進(jìn)展和應(yīng)用效果,對(duì)煤礦氣體檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)和展望。
TDLAS 技術(shù)是通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、光電探測(cè)器、前置放大器以及數(shù)字鎖相放大器的相互作用,得到1 條或幾條完整的吸收譜線,利用特征吸收譜線(吸收線線形、線寬及強(qiáng)度等參數(shù))便可推算出被測(cè)氣體的種類(lèi)和體積分?jǐn)?shù)信息。TDLAS 技術(shù)原理圖如圖1。
圖1 TDLAS 技術(shù)原理圖Fig.1 TDLAS technical schematic diagram
基于上述原理,TDLAS 技術(shù)通過(guò)非接觸的方式測(cè)試環(huán)境氣體溫度、氣體流場(chǎng)速度、氣體體積分?jǐn)?shù),從而能夠間接反映出工業(yè)環(huán)境狀況。在溫度測(cè)量方面,該技術(shù)將系統(tǒng)元器件與高溫環(huán)境有效隔離,避免高溫環(huán)境對(duì)元件物理結(jié)構(gòu)造成破壞,將溫度上限最高提高到2 500 ℃[3],與熱電偶等接觸式測(cè)溫方法相比,該技術(shù)環(huán)境適用性強(qiáng),可以應(yīng)用于諸如燃燒場(chǎng)等高溫特殊環(huán)境的溫度檢測(cè)[4];在速度測(cè)量方面,該技術(shù)響應(yīng)速度快,操作方便,憑借2 束激光交叉經(jīng)過(guò)待測(cè)流場(chǎng),在氣體流速的作用下,雙激光束的譜線中心發(fā)生頻移,通過(guò)檢測(cè)偏移量便可快速計(jì)算流場(chǎng)速度[5];在氣體體積分?jǐn)?shù)測(cè)量方面,該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境痕量氣體檢測(cè)領(lǐng)域。
TDLAS 技術(shù)具有一定的普適性,無(wú)需采樣及預(yù)處理,能直接適用于高溫、多粉塵、強(qiáng)腐蝕性等復(fù)雜環(huán)境,通過(guò)更換或調(diào)節(jié)激光光源可實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分氣體的檢測(cè)。結(jié)合光纖和激光探測(cè)器技術(shù),廣泛應(yīng)用在消防、石油化工、環(huán)保監(jiān)測(cè)等行業(yè)。
1)消防行業(yè)。在消防行業(yè),測(cè)試氣體種類(lèi)主要包括CO 和CO2。21 世紀(jì)初,祝玉泉等[6]將TDLAS 技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)氣體檢測(cè),測(cè)得CO 和CO2氣體檢測(cè)靈敏度分別達(dá)到2.3×10-6和22×10-6;蔣亞龍等[7]利用TDLAS 技術(shù)設(shè)計(jì)了火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng),對(duì)于CO 最低檢測(cè)限達(dá)2×10-6,CO2最低檢測(cè)限達(dá)10×10-6;張佳薇等[8]采用TDLAS 技術(shù)檢測(cè)森林早期火災(zāi),搭建了一套早期森林火災(zāi)CO 氣體檢測(cè)系統(tǒng),檢測(cè)限可達(dá)10-6量級(jí);侯月等[9]運(yùn)用TDLAS 技術(shù)對(duì)CO2同位素檢測(cè),檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)線性度可達(dá)99.96%。
2)石油化工行業(yè)。在石油化工行業(yè),主要檢測(cè)的氣體是小分子烴類(lèi)燃料和氫化物。孫鵬帥等[10]運(yùn)用TDLAS 技術(shù)設(shè)計(jì)了一套可以檢測(cè)CH4、C2H2和C2H4多種氣體的開(kāi)放式連續(xù)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng),該系統(tǒng)對(duì)CH4、C2H2和C2H43 種氣體的最低測(cè)量極限分別為100×10-6、40×10-6和50×10-6;高彥偉等[11]選用波長(zhǎng)1.28 μm 的氟化氫(HF)單根吸收線作為目標(biāo)吸收線設(shè)計(jì)了TDLAS 檢測(cè)系統(tǒng),配置不同體積分?jǐn)?shù)HF 進(jìn)行檢測(cè),系統(tǒng)檢測(cè)限達(dá)1.12×10-6,測(cè)試精度達(dá)0.325%;李仲等[12]對(duì)比了運(yùn)用TDLAS 技術(shù)的硫化氫(H2S)在線分析儀與傳統(tǒng)在線分析儀的差異,指出TDLAS 技術(shù)重復(fù)性穩(wěn)定,檢測(cè)精度高,多次重復(fù)性測(cè)試H2S 誤差均小于0.5×10-6。
3)環(huán)保監(jiān)測(cè)行業(yè)。在環(huán)保監(jiān)測(cè)方面,主要檢測(cè)大氣中的有毒有害氣體。喻洪波等[13]通過(guò)改進(jìn)氣體傳感器陣列,提高系統(tǒng)檢測(cè)精度,使得C2H2氣體檢測(cè)最小體積分?jǐn)?shù)達(dá)300×10-6(2.5 cm 氣體吸收盒,101 325 Pa);董鳳忠等[14]開(kāi)展了TDLAS 配合多次反射池的方法,通過(guò)提取二次諧波將CH4氣體檢測(cè)下限降至100×10-9;基于光聲光譜技術(shù),郭紅[15]對(duì)混合氣體成分進(jìn)行了定量分析,設(shè)計(jì)的混合氣體檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)大氣環(huán)境中NH3、C2H4、SF6氣體的檢出限分別為1.65×10-6、0.6×10-6和0.023×10-6;基于光腔衰蕩光譜的痕量氣體檢測(cè)技術(shù),唐靖[16]采用7.6 μm 中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)作為光源,設(shè)計(jì)了大氣中CH4和氧化亞氮(N2O)的定量檢測(cè)系統(tǒng);石錦濤[17]研發(fā)了多組分高精度有毒有害氣體濃度檢測(cè)樣機(jī),可同 時(shí)測(cè)量CO、HCl、NO、NH3、CH4、CH3COCH3、HCHO等氣體;戴童欣等[18]設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)檢測(cè)CO2氣體的高精度光電探測(cè)系統(tǒng),用于接收和轉(zhuǎn)換經(jīng)氣體吸收后的激光。
近年來(lái)TDLAS 技術(shù)在煤礦氣體檢測(cè)領(lǐng)域逐漸得到推廣應(yīng)用,相關(guān)學(xué)者圍繞煤礦火災(zāi)氣體檢測(cè)、定量分析算法開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)研究和技術(shù)研發(fā),并在煤礦井下單組分氣體檢測(cè)、多組分氣體在線監(jiān)測(cè)等方面開(kāi)展了大量的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
在煤礦氣體檢測(cè)技術(shù)研發(fā)方面,潘衛(wèi)東[19]利用TDLAS 技術(shù),選取1 626.8 nm 附近的吸收峰為檢測(cè)譜線,結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制和弱信號(hào)提取技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤自燃標(biāo)志性C2H4痕量氣體10×10-6的檢測(cè)下限;吳兵等[20]開(kāi)發(fā)了煤礦火災(zāi)氣體束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用氣體采樣和光纖數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的方式,解決了原有束管系統(tǒng)傳輸距離遠(yuǎn)、氣體流速低等問(wèn)題;馮文彬[21]研發(fā)了多氣體譜線調(diào)制技術(shù)和礦用激光光譜多參數(shù)災(zāi)害氣體檢測(cè)裝置,有效克服了水蒸氣、粉塵、背景氣體交叉干擾等難題;徐春梅等[22]采用可調(diào)諧激光二極管作為光源,結(jié)合光聲光譜法實(shí)現(xiàn)了煤礦井下瓦斯體積分?jǐn)?shù)的在線監(jiān)測(cè);胡洋等[23]利用激光紋影技術(shù)將抽象的理論形象化,實(shí)驗(yàn)研究了煤礦瓦斯爆燃流場(chǎng)的微觀結(jié)構(gòu)特性;魏超等[24]研究了煤的自然發(fā)火過(guò)程中,O2、CO、乙烯、乙烷的體積分?jǐn)?shù)變化,通過(guò)監(jiān)測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)間接得出礦井煤自然發(fā)火的狀況,為煤礦火災(zāi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供可靠的依據(jù)。
在定量分析算法方面,魏玉賓[25]提出了一種基于預(yù)置零點(diǎn)的背景優(yōu)化痕量氣體檢測(cè)方法,結(jié)合最小二乘法實(shí)現(xiàn)了CO 氣體檢測(cè)下限達(dá)到10-6量級(jí);杜京義等[26]基于TDLAS 氣體檢測(cè)技術(shù)提出了采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)CO 體積分?jǐn)?shù)做溫壓補(bǔ)償,有效擬合多種非線性函數(shù),修正后的CO 體積分?jǐn)?shù)平均相對(duì)誤差降至1.55%;王前進(jìn)等[27]提出了支持向量回歸模型,解決了高體積分?jǐn)?shù)CH4和痕量CO 同時(shí)檢測(cè)時(shí)兩者吸收信號(hào)干擾的難題,測(cè)試表明CO 和CH4體積分?jǐn)?shù)絕對(duì)誤差分別小于2×10-6和0.2%。
3.2.1 井下單組分氣體檢測(cè)方面
井下單組分氣體的檢測(cè)主要涉及CH4、CO、C2H4、C2H2、H2S 和CO2等氣體。以CH4為例,典型檢測(cè)儀器包括GJG10J 煤礦用激光甲烷傳感器和ZJJ10煤礦用分布式激光甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
GJG10J 煤礦用激光甲烷傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要用于回采工作面、掘進(jìn)工作面和瓦斯抽采管道等地點(diǎn)的CH4檢測(cè),在陽(yáng)煤三礦等礦井得到了成功應(yīng)用,與傳統(tǒng)的電化學(xué)和光學(xué)瓦檢儀相比,有效解決了催化劑中毒和零點(diǎn)漂移的問(wèn)題[28]。ZJJ10 煤礦用分布式激光甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)主機(jī)和甲烷傳感器組成,具有智能分析的功能;在葫蘆素煤礦等礦井得到了成功應(yīng)用,系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行3 個(gè)月,數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確穩(wěn)定,不發(fā)生零點(diǎn)漂移,適用于環(huán)境條件復(fù)雜的煤礦井下CH4多點(diǎn)監(jiān)測(cè)[29]。
3.2.2 井下多組分氣體在線監(jiān)測(cè)方面
早期,國(guó)內(nèi)研發(fā)了基于紅外光譜技術(shù)的煤礦用自然發(fā)火束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分別在郭家灣煤礦、青龍寺煤礦和魯西煤礦等礦區(qū)開(kāi)展了井下采空區(qū)氣體分析預(yù)警, 初步實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)火災(zāi)標(biāo)志性氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[30-31]。現(xiàn)階段,煤自然發(fā)火激光束管系統(tǒng)在煤礦氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用,目前國(guó)內(nèi)激光束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括KJ428 型、JSG6(N)型和JSG8 型等。
KJ428 型礦用分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在同煤集團(tuán)王村礦工作面采空區(qū)開(kāi)展了煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體和溫度監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了井下CH4、CO、C2H2、O2、C2H4和CO2氣體的實(shí)時(shí)分析[32];此外,該系統(tǒng)也在寸草塔二礦實(shí)現(xiàn)了上述6 種氣體體積分?jǐn)?shù)的在線監(jiān)測(cè)[33]。
JSG6(N)型火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在梅花井煤礦綜采面,通過(guò)24 h 連續(xù)循環(huán)監(jiān)測(cè)井下工作面、進(jìn)風(fēng)流、上隅角等位置的O2、N2、C2H2、C2H4、CO2、CO、CH4信息,并及時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果和采樣氣體組分存入數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)時(shí)分析評(píng)價(jià)[34]。
JSG8 煤礦自然發(fā)火激光束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于東灘煤礦綜放面,可對(duì)N2、O2、CH4、CO2、CO、C2H4、C2H2、H2、NO2等氣體進(jìn)行24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以保證采樣數(shù)據(jù)的快速分析和實(shí)時(shí)上傳,分析周期<2 s,解決了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)性差,間斷性檢測(cè)的問(wèn)題。
1)總結(jié)了TDLAS 氣體檢測(cè)技術(shù)的工作原理及技術(shù)特征,從檢測(cè)氣體種類(lèi)和適用條件等方面分析了該技術(shù)在消防、石油、環(huán)保行業(yè)的研究現(xiàn)狀。
2)分析了TDLAS 技術(shù)在煤礦火災(zāi)氣體檢測(cè)、定量分析算法方面的實(shí)驗(yàn)研究和技術(shù)研發(fā)進(jìn)展,系統(tǒng)闡述了TDLAS 氣體檢測(cè)技術(shù)在煤礦井下單組分氣體檢測(cè)、多組分氣體在線監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用效果。
3)TDLAS 技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、定量精度高,在C2H4、C2H2等井下痕量氣體定量分析和原位監(jiān)測(cè)方面具有潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì),應(yīng)在痕量氣體低檢出限、多組分氣體交叉干擾等方面開(kāi)展進(jìn)一步研究與探索。