半导体激光气体分析系统在水泥生产中的应用

背景 随着带预热器的干法旋窑技术成为中国水泥生产的主要工艺，水泥生产企业面临着优化燃烧、节约能源、安全运行和环境保护等严峻的技术问题，这给自动化仪表提出了重要的课题。而监测生产工艺过程中的CO、CO2、NO、SO2等组份则是最直接有效的途径。 通过对烟气组份的分析和控制，可以实现內最优化燃烧，降低能耗，并稳定烧成带温度，从而保证熟料质量。应此采用先进的在线气体分析技术和设备，是高速发展的自动化技术的必然趋势。近年来激光技术的民用化发展，使半导体激光气体检测技术在水泥工业现场（高温、高粉尘、易燃易爆等等）中实现的在线气体检测，以其先进、可靠、方便，实用正逐渐为人们认识和采用。 一、半导体激光测量原理和特点 图1 半导体激光分析系统测量原理示意图 半导体激光分析仪采用“单线光谱”测量原理，根据对被测环境气体的基本组分和背景进行吸收光谱分析，选择特定波长的被测气体（例如CO和O2）吸收光谱线，使得在此吸收谱线波长附近无其它气体组分的吸收谱线（消除交叉吸收干扰），然后，通过调节激光器温度和驱动电流，将激光器波长调整到此吸收谱线波长处。 当从发射单元中的半导体激光器射出的这一特定波长激光束穿过被测尾气，由于其中的被测气体（CO和O2）分子的吸收，接收单元探测到的激光强度将发生衰减。由于被测气体的温度T、压力P和窑尾气体管道直径L已知，光强度的衰减 与发射器和接收器之间的被测气体（CO和O2）含量X成正比，因此，通过测量激光强度衰减可以分析获得被测气体的浓度（如下计算公式所示）。由于其它气体组分的吸收谱线不在所选波长范围内，不会对CO的吸收谱线产生干扰，因而不会影响CO含量的测量。同时，仪器具有内置温度和压力自动修正功能，能根据实际测量获得的被测环境温度和压力对气体成分测量值进行自动补偿。 计算公式： ——气体的透光率 I——出射光强度 I0——入射光强度 L——气体室长度 T、P——被测气体的温度、压力 X——被测气体的浓度 半导体激光分析系统通过扫描半导体激光器波长，利用调制光谱技术，同时分析探测到的吸收信号中的低频和高频部分，实现了其气体测量不受测量环境中粉尘或视窗上污染物等吸收的影响，所以测量更可靠，并减少了维护工作量。 二、半导体激光气体分析系统与传统采样方式分析系统的比较 水泥行业传统气体分析系统通常都采用取样预处理的方式分析，一套分析系统由预处理系统和分析仪器两部分组成。预处理系统包括取样探头，吹扫，过滤，冷却，分离等一系列设备和工序，二是仪器本身。采用取样方式的分析系统有以下缺点：预处理系统易堵塞，腐蚀，取样系统和分析仪器原理共同带来的长时间滞后；复杂的预处理系统和分析仪必需经常性标定所决定的巨大而且繁琐的维护工作；点取样方式测量的只是取样点附近的局部气体浓度，不一定能准确反映被测环境内气体浓度的总体状况等等。 以LGA-2000半导体激光分析仪为例，与传统取样方式的气体分析系统不同，无需气体采样预处理，只需使一束激光通过被测气体环境既可。最大优点在于可以实现实时实地分析，系统使用寿命长，准确度高，不需要经常标定，维护量小，管理方便。相比传统红外分析仪，半导体激光器激光波长范围非常窄，半导体激光技术可以非常有效地避免混合气体中多种气体的交叉影响，实现准确分析。 表1：半导体激光气体分析系统与传统分析系统比较 三、半导体激光气体分析系统指标和参数： 四、半导体激光气体分析系统连接和安装 系统由三个基本单元组成： l 发射单元，激光发射装置、吹扫、调整机构、DN50标准法兰安装； l 接收单元，带传感器、吹扫、调整机构、DN50标准法兰安装； l 中央处理单元 ：提供各种人机界面和测量输入/出。 LGA-2000半导体激光气体分析系统现场在位式安装的连接示意图2 图2 现场在位安装连接示意图 五、服务软件 分析系统已编程存储了不同气体浓度单位转换因子，用户可随意选用以下单位：mg/m3 、mg/N m3、%（Vol）、ppm(Vol)、g/m3 和g/Nm3。 系统除了可以通过操作中央处理单元前面板上的键盘来安装调试、维护和标定激光气体分析仪，还可通过中央处理单元上的RS232接口和PC电脑通讯来实现上述操作。制造商提供特别设计的服务软件，用来完成所有必须的操作，如仪器标定、设置报警参数、设置环境压力、设置光通道长度等。仪器还具有远程短信监控和维护功能。 六、维护和标定 坚固的工业设计和连续吹扫使得激光气体分析系统仪维护非常容易、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要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。激光气体分析仪能自动监测各关键单元的正常工作，若需在推荐的维护周期以外进行维护，仪器会给出提示。 激光气体分析系统出厂时已标定好，首次使用无需标定，重新标定至少在一年以后才需要。由于分析系统采用的先进技术，标定非常容易。接收单元内配有一个标定气体单元，因此可以实现现场在线标定，无需拆下发射和接收单元。标定可通过中央处理单元操作面板上键盘来进行。也可使用一台PC机通过RS232接口与中央处理单元通信来进行，标定过程非常容易——运行在PC中服务软件完成全部的标定测量和计算任务。当然，也可通过外部标定管标定 七、应用 在国际上，已经有将半导体激光气体检测技术应用于水泥工业检测的实际案例。主要应用客户如下表： 半导体激光气体分析仪器已经在国内钢铁冶金行业、垃圾焚烧处理行业、航空航天领域得到实际应用。 垃圾焚烧过程气体检测示意图 八、结论 激光气体分析系统属于非接触式激光气体分析仪，具有瞬时响应、坚固耐用的特性，非常适合水泥生产过程实时测量，构成实时反馈控制系统。由于使用半导体激光“单线光谱”和“调制光谱”技术，完全能够直接在位进行高温高粉尘的窑尾烟气、水泥厂各个现场的CO和O2快速含量分析，达到优化燃烧带、节约能源、确保生产设备安全稳定运行，非常适合于水泥工艺中的生产控制和安全控制分析。其后期维护量少，低成本实时在线的特点，更适合于自动化控制技术发展的趋势。