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(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)特點及其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用前景進行了綜述,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發(fā)生的衰減信息,并根據(jù)激光強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)無法實現(xiàn)的一些性能優(yōu)點。

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,粉塵和被污染的光學(xué)元件會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,因此無法自動修正粉塵對光學(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)域時可以測得粉塵透光率T(粉塵),從而可以準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)致譜線強度和展寬發(fā)生變化,對溫度或壓力信號不加修正就會影響測量結(jié)果。而DLAS技術(shù)是對被測氣體單一吸收譜線進行分析,因此可較容易地對溫度、壓力效應(yīng)進行修正。為此系統(tǒng)內(nèi)置了溫度和壓力自動修正功能,能根據(jù)實際測量得到的被測氣體溫度和壓力對氣體成分測量值進行自動修正,從而可實現(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)自動修正技術(shù)使DLAS技術(shù)可以被用于實現(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、無運動部件,維護標(biāo)定方便、可靠性高,響應(yīng)速度快而準確,大大提升了在線過程氣體檢測的水平。

2 系統(tǒng)特點

2.1 響應(yīng)速度快

激光在線氣體分析系統(tǒng)實現(xiàn)“在位”測量和秒級響應(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)不可避免會發(fā)生采樣探頭、管堵塞等問題;另外,由于檢測點為負壓,蒸汽不穩(wěn)定、臟等原因也會導(dǎo)致負壓抽氣系統(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,同時大大降低了維護量。

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、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;維護工作簡單到只需擦凈光學(xué)視窗,儀表實現(xiàn)維護自動提示。

2.5 運行費用低

激光在線氣體分析系統(tǒng)無需備品備件,運行成本幾乎為電費。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)時間慢及精度低等問題嚴重制約生產(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、國電龍源等。

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)的進步,該項技術(shù)作為一種高效、快捷、綠色、經(jīng)濟、安全的分析技術(shù),將會得到更多的領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展。相信在不遠的將來半導(dǎo)體激光氣體分析技術(shù)將會在我國現(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。

O659.32

A

1003-3467(2010)18-0016-02

2010-08-21

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