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[align=center][b][size=4][font=Verdana]LasIR[sup]TM[/sup]-R[/font][/size][size=4][font=宋体]系列激光气体分析仪在电解铝厂[/font][/size][size=4][font=Verdana]HF[/font][/size][size=4][font=宋体]监测的应用[/font][/size][size=4][font=Verdana][/font][/size][/b][/align][b][size=3][font=Times New Roman][/font][/size][/b][font=Times New Roman]Unisearch Associates Inc., 96 Bradwick Drive, Concord, Ont. Canada L4K 1K8[/font][color=#d40a00]屏蔽广告信息[/color][size=6][b][font=宋体]关键词([/font][font=Verdana]Key Words[/font][font=宋体])[/font][font=Verdana][/font][/b][/size][font=宋体]可调二极管激光光谱[/font][font=Verdana]([/font][font=Verdana]Tunable Diode Laser Spectroscopy[/font][font=Verdana])[/font][font=Verdana], NH3, HF, CO, CO[sub]2[/sub], [/font][font=宋体]排放监测([/font][font=Verdana]emission monitoring[/font][font=宋体])[/font][font=Verdana], [/font][font=宋体]过程控制([/font][font=Verdana]process control[/font][font=宋体])[/font][font=Verdana], [/font][font=宋体]铝厂([/font][font=Verdana]aluminum smelter[/font][font=宋体])[/font][font=Verdana],[/font][font=宋体]气体分析仪([/font][font=Verdana]gas analyzer[/font][font=宋体])[/font][font=Verdana].[/font][font=Verdana][/font][b][size=3][font=Times New Roman][/font][/size][/b][size=3][b][font=宋体]引言[/font][/b][/size][size=3][font=宋体]基于可调二极管激光吸收光谱([/font][font=Times New Roman]TDLAS[/font][font=宋体])技术的激光光谱气体分析系统已经迅速应用到对于灵敏度、响应时间、背景气体免干扰等有较高要求的各种气体监测领域。[/font][font=Times New Roman]TDLAS[/font][font=宋体]的技术优势在于实现了实时的原地测量,避免了气体抽样测量带来的一些问题。[/font][font=Times New Roman]Unisearch[/font][font=宋体]公司基于近红外可调谐二极管技术开发了[/font][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]气体分析系统,整套系统耐用且易于安装,[/font][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]气体分析系统特别适用于众多工业领域气体排放监测和过程控制,例如:燃煤发电厂、铝厂、钢铁厂、冶炼厂、核电站、垃圾发电站、水泥厂和化工厂等等,本篇论文阐述了部分行业的气体监测应用。[/font][/size][size=3][font=宋体]一套基本的[/font][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]气体分析系统配置包括一个内置可调谐激光源的分析仪、光学发射端、光学接收端。可调谐二极管激光器被调谐发射出特定气体吸收线的激光,光束穿过被测气体,由于被测气体的吸收引起光强的衰减,通过检测器检测光强信号计算出气体浓度。除气体浓度之外,其他的一些参数,例如:气体温度、气体压力等也可以通过检测透射光光强的变化来加以测定。[/font][font=Times New Roman]TDLAS[/font][font=宋体]技术相对与其他气体测量技术的优势在于其快速的响应时间、极低的检测下限(可达[/font][font=Times New Roman]ppb[/font][font=宋体]级)及完全不存在其他气体分子的交叉干扰。[/font][/size][size=3][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]气体分析系统也被广泛应用到世界各地的电解铝厂的[/font][font=Times New Roman]HF[/font][font=宋体]气体监测。铝在熔炼的过程中,[/font][font=Times New Roman]HF[/font][font=宋体]气体也随之产生并被排放,为了避免[/font][font=Times New Roman]HF[/font][font=宋体]气体泄漏在工作区域,电解槽都有专用的槽板罩住,产生的[/font][font=Times New Roman]HF[/font][font=宋体]气体被捕获收集,经过净化系统处理后再排放。[/font][font=Times New Roman]HF[/font][font=宋体]气体具有剧毒,对电解槽车间工人的身体健康和周边的环境都有很大的伤害和影响,另外,铝厂对氟化物回收可以节约能源,增加经济效益。可调谐二极管激光技术目前已经在世界各地的几百个电解铝厂做为净化系统的控制设备得以应用。[/font][/size][b][size=3][font=Times New Roman][/font][/size][/b][size=3][b][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]系统[/font][/b][/size][size=3][font=Times New Roman] LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]系统包括内置可调谐激光器的分析仪、发射激光光束并穿过被测介质的光学发射端、安装在被测介质另一端接收透射光的接收端。分析控制器(分析仪)自身可以安置在远离现场监测点[/font][font=Times New Roman]1km[/font][font=宋体]之外的控制室内,现场光学传感系统与分析控制器之间通过光纤和同轴电缆连接,测量的数据被保存在[/font][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]系统的分析控制器内的闪存卡或外部电脑上,外部电脑通过以太网网口或[/font][font=Times New Roman]RS232[/font][font=宋体]端口与分析控制器连接,数据信息也可以传送到企业的数据库。[/font][/size][size=3][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]系统的定量分析是以[/font][font=Times New Roman]Beer-Lambert[/font][font=宋体]定律为基础,[/font][font=Times New Roman]Beer-Lambert[/font][font=宋体]定律指出了光吸收与光穿过被检测的物质之间的关系,当一束频率为[/font][font=Times New Roman]V[/font][font=宋体]的光束穿过吸收物质后,在其穿过的光径上的光强变化为:[/font][/size][b][i][font=Verdana][size=3]I(v)=I[sub]0[/sub](v)exp[-σ(v)CL][/size][/font][/i][/b][size=3][b][i][font=Verdana]I(v)[/font][/i][/b][font=宋体]:[/font][font=Verdana] [/font][font=宋体]光束穿过一个光程距离为[/font][b][i][font=Verdana]L[/font][/i][/b][font=宋体]的被测气体介质后的透射光强度[/font][font=Verdana][/font][/size][size=3][b][i][font=Verdana]I[sub]0[/sub](v)[/font][/i][/b][font=宋体]:[/font][font=Verdana] [/font][font=宋体]入射光强度[/font][font=Verdana][/font][/size][size=3][b][i][font=Verdana]σ(v)[/font][/i][/b][font=宋体]:[/font][font=Verdana] [/font][font=宋体]被测气体的吸收横截面[/font][font=Verdana][/font][/size][size=3][b][i][font=Verdana]C[/font][/i][/b][font=宋体]:[/font][font=Verdana] [/font][font=宋体]被测气体的浓度[/font][font=Verdana][/font][/size][size=3][b][i][font=Verdana]L[/font][/i][/b][font=宋体]:[/font][font=Verdana] [/font][font=宋体]光程[/font][font=Verdana][/font][/size][size=3][font=Times New Roman][/font][/size][size=3][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]使用[/font][font=Times New Roman]TDLAS[/font][font=宋体]技术测量的气体浓度实际上是光束在穿过的区域上测得的平均浓度,[/font][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]系统的原地测量远远优于使用采样探头在烟道[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]管道一个点上抽取测量的方式,尤其是在气体浓度呈梯度性变化或非均匀分布存在时,通过原地测量光径上的气体浓度平均值则更好的代表了过程气体的一个整体浓度值。[/font][/size][size=3][font=宋体]在分析控制器内部,光纤耦合激光器通过光多路器可以实现气体的多点监测,[/font][font=Times New Roman] LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]系统能够做到使用单台分析控制器同时做[/font][font=Times New Roman]1~16[/font][font=宋体]个不同点的同步监测,另外,在激光器可调谐范围之内,当不同的气体吸收谱线非常接近时,一台分析控制器也可以对多种气体进行同时监测。无电源要求的光学传感单元能非常容易的满足有防爆要求的检测场合(可以配置发射端和接受端都使用光纤传输)。[/font][/size][size=3][font=Times New Roman]2010[/font][font=宋体]年,[/font][font=Times New Roman]Unisearch[/font][font=宋体]公司开发了新一代[/font][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup]-R[/font][font=宋体]气体分析系统,[/font][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup]-R[/font][font=宋体]符合欧盟[/font][font=Times New Roman]RoHS[/font][font=宋体]认证,有机架安装式和台式两种形式的分析控制器。[/font][font=Times New Roman]Unisearch[/font][font=宋体]公司开发的这些高性价比气体分析系统不仅体积紧凑、结实耐用,而且能够提供从便携的单通道气体分析仪到能同时监测多达[/font][font=Times New Roman]16[/font][font=宋体]不同监测点以及某些多气体组分的全系列产品。对于多通道来说,各个通道的控制相互之间都是独立的,因此,单台多通道分析控制器能同时对管道[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]烟道、长光程环境空气、抽取池样品等不同浓度级别的气体进行同时监测,这些光学传感单元可以在一个分析系统中任意组合,各个通道非常大的浓度差别都不存在相互的干扰,[/font][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]系统可能的配置如下图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示。[/font][font=Times New Roman]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]系统还有一款光学部件和电子部件一体式设计的便携式气体分析仪,其轻便(小于[/font][font=Times New Roman]5kg[/font][font=宋体])而节能(功率小于[/font][font=Times New Roman]20W[/font][font=宋体]),可以安装在一个三脚架上使用,如使用多反射镜阵列,可以在光径长达几百米的开放式环境中对不同气体浓度进行监测。[/font][/size][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/10/201010281023_254598_2030933_3.jpg[/img][align=center][size=3][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1[b]. [/b]LasIR[sup]TM[/sup][/font][font=宋体]系统分析控制器与各种光学传感单元通过光纤与同轴电缆连接的配置示意图[/font][/size][/align]
现场在线(in-situ)分析测量工业过程气体成分含量,在世界工业领域中显得越来越重要。 现场在线气体分析测量也是复杂工业过程和排放最重要的领域之一。特别是用户对低含量和高精度气体分析测量的需要,也要求气体分析仪制造商采用更新、更先进的技术。 满足此需要是挪威纳斯克公司开发激光气体现场在线分析仪的主要目的。纳斯克公司能提供基于独特技术、比传统气体分析产品更具优越性能的一系列激光气体现场在线分析仪。 激光气体现场在线分析仪开创了工业过程和排放气体测量新领域。通过先进的固态二极管激光技术、光学解决方案、光谱学和坚固的工业设计等独特技术,激光气体现场在线分析仪能工作在无来自其它气体交叉干扰影响情况下。过程压力可达5 bar,温度超过1600℃。 - 测量原理 激光气体现场在线分析仪是光学仪器,从温度稳定、单模二极管激光器发射激光到发射器直径方向相对的接收器上。二极管激光器工作在室温附近。 传统在线(on-line)分析仪如红外(IR)在线分析仪通常受来自其它气体成分(包括粉尘、水分背景成分等)交叉干扰影响,此问题在探测含量很低时,显得越来越严重。对照采用宽带光谱过滤的传统IR红外在线分析仪,激光气体现场在线分析仪采用在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]范围内的单线光谱技术。 单线光谱测量技术基于在近红外区域内对被测气体单吸收线的挑选。通过对所选吸收线光谱分析,使得在所选吸收线波长内无其它气体的吸收线(无交叉吸收干涉)。然后,通过调节二极管激光器温度和驱动电流,将二极管激光器频率调整对应到气体的单吸收线。激光光谱宽度相应调整到比被测气体单吸收线光谱宽度更窄。通过改变二极管激光器的电流,包含单吸收线的激光波长被扫描发射出来。 在激光扫描发射期间,作为波长的一个特性,接收单元探测到的光强度将发生变化,且此变化仅仅是来自于激光器与接收器之间光通道内被测气体分子对光线的吸收。探测到的单吸收线的形状和尺寸,用来计算发射器和接收器之间的气体含量。其它气体的吸收线不会出现在所选波长范围内,因此不会对单吸收线产生干扰,从而影响气体含量测量。 激光气体现场在线分析仪不受过程气体中分水、粉尘或视窗上污染物等吸收影响,这是由于气体含量的计算是基于独特单吸收线尺寸和形状,因此实现了更可靠的测量,并减少了维护的需要。 - 安装 由于其小而坚固的机械单元,激光气体现场在线分析仪很容易安装。由三个基本单元组成: 发射单元,带吹扫、调整机构、DN50安装 接收单元,带吹扫、调整和标定机构、DN50安装 电子单元,带显示器 发射和接收单元通过自身法兰直接装配到焊接在管道或烟道上的DN50/PN10或PN16法兰上,也可在它们之间插入带法兰阀门(推荐球阀)。安装时需联一台PC电脑到分析仪电子单元上,运行服务软件来进行。 光学视窗、不锈钢法兰和吹扫机构建立了过程气体和分析仪的接口。为了防止粉尘和其它污染物在视窗上的聚集,需用干且无油压缩空气、气体(一般为氮气)或风扇连续吹扫。 分析仪的调整通过调节发射器和接收器的法兰来进行。防止在安装和维护时过程气体泄露的阀(推荐球阀)可安装在过程气体和法兰之间,这些阀也保护了视窗。 - 维护 坚固的工业设计和连续吹扫,使得激光气体现场在线分析仪维护非常容易、维护工作量相当少(几乎接近于免维护)。由于无运动部件在仪器中,因此预防性维护有限到只需目测检查和清洁光学视窗。经验显示维护周期通常超过三个月且简单到只需清洁光学视窗。由于关键的参数已被内部检测,若需在推荐的维护周期以外进行维护,仪器会给出提醒。 - 标定 激光气体现场在线分析仪出厂时已标定好,首次使用无需标定,重标定至少在六个月或几年以后才需要。由于分析仪所采用的先进技术,标定非常容易。可通过向接收单元内置的“流体通过单元”吹入标定气进行标定,因此可进行现场在线标定,无需拆下发射和接收单元。标定通过PC来进行,标定过程非常容易——运行在PC中的服务软件完成全部的计算任务。也可选用标定管离线标定。 - 输入和输出信号 激光气体现场在线分析仪提供三种主要气体含量输出信号,作为标准信号: 4-20 mA模拟量输出测量值、500 Ω Max.,隔离。 电子单元上的显示(LCD):气体含量、光强、警告和错误信息 电子单元上RS 232口 选项:光纤信号输出测量值(同步ASCII格式) - 服务软件 激光气体现场在线分析仪包含发射器、接收器和电子单元。在安装、维护和标定时通过RS 232和PC 电脑通讯,也可通过MODEM和PC远程通讯。分析仪服务软件特别设计,用来完成所有必须的操作,如设置输出范围、气体温度和压力、光通道长度等。 - 总结 激光气体现场在线分析仪具坚固的设计,并采用了目前世界最先进技术。因此适合于高精度排放测量和过程控制应用。包含以下特征: 连续、现场在线测量 高灵敏度和高精度 响应时间一般小于2秒 可选的测量范围 可选的输出单位 工作在0.1到5 bar压力,气体温度超过1600℃ 容易安装 极少而又简单的维护需要 内置吹扫、标定机构 无需进行气体采样预处理 无其它气体交叉干扰(不受粉尘、水分、背景成分等影响) 视窗上粉尘和污物对测量无影响
可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术简称 TDLAS 技术,该技术是根据气体选择吸收理论为基础,即不同的气体只对特定波长范围内的光进行吸收,利用可调谐半导体激光器可以输出窄带激光的特点,波长可以通过电流和温度控制调谐的特点,将激光器输出波长控制在待测气体吸收波长附近扫描输出。这样在激光透射气体前后会产生光强差,只需测得这个光强差即可获得气体浓度信息。这种技术可以实现对甲烷气体的在线实时测量,并且由于每种气体的吸收波长峰值不同,因此在检测单一气体浓度时不容易被其他气体干扰,灵敏度较高,分辨率较高,并且由于近年来半导体激光器的发展,可做到检测装置的小型化,为该技术在实际生产生活中的应用提供了便利条件,有相当广阔的发展应用前景。