多組分檢測(cè)：讓煤氣分析再簡(jiǎn)單一點(diǎn)

煤的氣化是我國(guó)煤化工工業(yè)的重要組成部分，特別是在石油資源日益緊張的條件下顯得更加重要。煤氣成分的檢測(cè)分析是氣化爐優(yōu)化控制的前提，也是煤化工行業(yè)其他工序的重要參數(shù)。此外，高爐、轉(zhuǎn)爐，焦?fàn)t以及玻璃，陶瓷等工業(yè)領(lǐng)域也經(jīng)常需要進(jìn)行煤氣成分的檢測(cè)。

本文將詳細(xì)介紹一種采用新型的電調(diào)制多組分紅外氣體分析方法，配合發(fā)展的 MEMS 技術(shù)熱導(dǎo) TCD 氣體傳感器以及長(zhǎng)壽命電化學(xué) O₂、H₂S 傳感器開(kāi)發(fā)的集成化多組分煤氣分析儀Gasboard-3100的技術(shù)應(yīng)用。希望對(duì)你從事煤氣成分檢測(cè)有所裨益。

1.紅外線多組分氣體分析

上圖為 NDIR 紅外氣體分析原理圖：以 CO₂分析為例，紅外光源發(fā)射出1-20um的紅外光，通過(guò)一定長(zhǎng)度的氣室吸收后，經(jīng)過(guò)一個(gè)4.26μm 波長(zhǎng)的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監(jiān)測(cè)透過(guò)4.26um 波長(zhǎng)紅外光的強(qiáng)度，以此表示 CO₂氣體的濃度，如果在探測(cè)器端放置一種具備四元的探測(cè)器，并配備四種不同波長(zhǎng)的濾光片，如CO₂、CO、CH₄以及參考的濾光片，就可在一臺(tái)儀器內(nèi)完成對(duì)煤氣成分中 CO₂、CO、CH₄的同時(shí)測(cè)量。

煤氣分析儀Gasboard-3100紅外測(cè)量部分技術(shù)在一體化的四元探測(cè)器上安裝有四個(gè)不同的濾光片（CO₂、CO、CH₄、參考），可實(shí)現(xiàn)對(duì)三種氣體的同時(shí)測(cè)量（如下圖）。

濾光片一體化四元紅外探測(cè)器

2.MEMS 技術(shù)熱導(dǎo) TCD分析

目前國(guó)內(nèi) H₂分析大都采用雙鉑絲熱敏元件制成的熱導(dǎo)元件，體積大精度低，傳感器的死區(qū)（Dead space）大。煤氣分析儀Gasboard-3100采用了發(fā)展的基于MEMS技術(shù)的TCD氣體傳感器，只需要加上合適的電壓就可以輸出一個(gè)與濃度對(duì)應(yīng)的毫伏級(jí)信號(hào)。

3.電化學(xué)氧氣、硫化氫分析

在煤氣成分分析中，O₂是一個(gè)安全參數(shù)，有些時(shí)候 H₂S 也是一個(gè)重要參數(shù)。煤氣分析儀Gasboard-3100采用了一種長(zhǎng)壽命（6年）的電化學(xué) O₂傳感器和 H₂S 傳感器，該傳感器實(shí)際上是一種微型電流發(fā)生器，配合高精度的前置放大電路，直接輸出與濃度對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)入儀器測(cè)控系統(tǒng)。

4.多組分煤氣分析儀特點(diǎn)

煤氣分析儀Gasboard-3100包括用于 CO、CO₂、CH₄的 NDIR 紅外氣體探測(cè)器，測(cè)量 H₂的 TCD 熱到探測(cè)器，O₂、H₂S 探測(cè)器；ADUC842測(cè)控系統(tǒng)及軟件； LCD、鍵盤、打印機(jī)、氣泵、以及報(bào)警等外部裝置。

電調(diào)制紅外光源

傳統(tǒng)的紅外氣體分析儀采用連續(xù)紅外熱輻射型光源，如鎳锘絲、硅碳棒等紅外加熱元件,其發(fā)出紅外光的波長(zhǎng)在2～15μｍ之間，由于其熱容量大，通常采用切光片對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。因此需要一個(gè)同步電機(jī)帶動(dòng)切光片旋轉(zhuǎn)，其缺點(diǎn)在于存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)?？拐裥圆?，攻耗大，不適合于便攜設(shè)備。

其次為保證調(diào)制的頻率，還需要嚴(yán)格同步的電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路，使得系統(tǒng)復(fù)雜化，成本也大大增加。煤氣分析儀Gasboard-3100采用了上研制的一種類金剛石鍍膜紅外光源。該光源采用導(dǎo)電不定型碳（CAC）多層鍍膜技術(shù)，熱容量很低，因此升降溫速度很快，其調(diào)制頻率zui高可以達(dá)到200Hz，新型電調(diào)制光源的使用，使得紅外氣體分析技術(shù)在儀器體積、成本、性能等方面都有實(shí)質(zhì)性的提高。

氣體干擾校正

從原理上講，CO，CO₂，CH4之間由于采用了特征波長(zhǎng)，彼此測(cè)量間沒(méi)有相互干擾，但是由于受當(dāng)前濾光片生產(chǎn)工藝的限制，濾光片具有一定的帶寬，CO 與CO₂，以及 CO₂與參考通道之間具有一定的干擾,因此成分之間具有一定的干擾，如果不加以校準(zhǔn)，測(cè)量的誤差將達(dá)到10% 以上，很難達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求，如按照單一標(biāo)準(zhǔn)氣體 CO₂標(biāo)定后，如果通入不含 CO₂的70%的 CO 進(jìn)入儀器，CO₂讀數(shù)將達(dá)到7%左右。為了消除紅外分析氣體之間的相互干擾，煤氣分析儀Gasboard-3100設(shè)置了10點(diǎn)標(biāo)定程序，采用計(jì)算機(jī)算法得到了氣體干擾校正方法，通過(guò)該方法的使用，可使CO、CO₂、CH₄的精度達(dá)到2%以上。

研究表明，采用以往單一組分紅外氣體分析儀組成的煤氣分析系統(tǒng)，如果直接采用測(cè)量讀數(shù)，將可能得到不準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。同時(shí)，煤氣成分中的 CO、CH₄、N₂、O₂對(duì) H₂的測(cè)量準(zhǔn)確性影響不大，主要是CO₂的影響。通過(guò)大量實(shí)踐證明，CO₂對(duì) H₂的影響是線性的，每1%含量的CO₂將降低 H₂含量為0.08%, 如果沒(méi)有 CO₂數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，當(dāng) CO₂含量達(dá)到40%，則H₂的誤差將超過(guò)3%。這也充分說(shuō)明，要想得到準(zhǔn)確的煤氣成分分析結(jié)果，各組分必須同時(shí)測(cè)量。

測(cè)量流量控制

雖然紅外以及電化學(xué)氣體分析在一定程度上受測(cè)量流量影響較少，但是對(duì)于 TCD 熱導(dǎo) H₂分析來(lái)說(shuō)，氣體流量的穩(wěn)定直接關(guān)系到 H₂的測(cè)量精度。為了保證測(cè)量流量的穩(wěn)定，煤氣分析儀Gasboard-3100采用了微型的柱塞氣泵，將測(cè)量氣體壓縮到0.2Mpa, 通過(guò)氣體穩(wěn)壓和穩(wěn)流閥后進(jìn)入氣體分析儀，這樣可以將整個(gè)氣體的測(cè)量流量維持在1L/min。流量的穩(wěn)定在一定程度上，也提高了紅外以及電化學(xué)氣體測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。通過(guò)以上技術(shù)的采用，多組分煤氣分析儀可以實(shí)現(xiàn)以下組分和精度的測(cè)量（表1），并已經(jīng)應(yīng)用在包括高爐、轉(zhuǎn)爐、煤氣發(fā)生爐等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，取得了良好的成績(jī)。

表1：多組分煤氣分析儀技術(shù)參數(shù)

結(jié)論

（1）通過(guò)采用新型電調(diào)制紅外光源，省卻了以往紅外氣體分析儀器復(fù)雜和昂貴的電機(jī)調(diào)制系統(tǒng),大大降低了系統(tǒng)成本和功耗。實(shí)現(xiàn)了 CO、CO₂、CH₄的同時(shí)測(cè)量。

（2）通過(guò)采用 MEMS 技術(shù)的 TCD 熱導(dǎo)，以及長(zhǎng)壽命的 O₂、H₂S 電化學(xué)氣體傳感器與紅外氣體測(cè)量的組分，實(shí)現(xiàn)了煤氣多組分的同時(shí)在線測(cè)量。

（3）紅外測(cè)量組分間由于受濾光片帶寬的限制，存在一定的相互干擾，通過(guò)計(jì)算機(jī)校正算法可以將組分的測(cè)量精度提高到2%以上，這也說(shuō)明，以往單一組分的紅外氣體分析儀直接用于煤氣分析，很可能造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

（4）TCD 熱導(dǎo) H₂分析必須進(jìn)行 CO₂氣體的校準(zhǔn)，否則將可能造成超過(guò)3%的誤差。因此如果僅僅采用單一 H₂分析儀而沒(méi)有其他氣體氣體的校準(zhǔn)，以往組合式的煤氣成分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很可能得不到準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。