半導體激光氣體分析技術的應用與前景

孫海鋼

(聚光科技(杭州)股份有限公司,浙江杭州 310052)

半導體激光氣體分析技術的應用與前景

孫海鋼

(聚光科技(杭州)股份有限公司,浙江杭州 310052)

介紹了半導體激光氣體分析技術的技術原理、技術特點及其在工業領域應用現狀和應用前景,以期為半導體激光氣體分析技術在工業領域分析中的進一步發展提供科學依據。

半導體激光;氣體分析技術

近年來,隨著半導體激光技術的快速發展,越來越多半導體分析儀表被應用到冶金、化工、電力、環保等行業。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勢而得到更為廣泛的應用。本文就半導體激光氣體分析技術的技術原理、技術特點及其在工業領域應用現狀和應用前景進行了綜述,以期為半導體激光氣體分析技術在工業領域分析中的進一步發展提供科學依據。

1 系統測量原理

半導體激光氣體分析系統基于國際領先的半導體激光吸收光譜技術(DLAS),即“單線光譜”測量技術。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生的衰減信息,并根據激光強度衰減與被測氣體含量間的正比關系,分析獲得被測氣體的濃度。

與非分光紅外氣體分析技術相同,DLAS技術也是一種吸收光譜技術,它利用Beer-Lambert關系來定量分析半導體激光能量被被測氣體選擇吸收產生的衰減來獲得氣體的濃度。與傳統非分光紅外分析技術使用譜寬很寬且固定波長的紅外光源不同,DLAS技術使用譜寬非常小(也就是單色性非常好)且波長可調諧的半導體激光器作為光源。因此,DLAS技術具有傳統非分光紅外分析技術無法實現的一些性能優點。

1.1 不受背景氣體交叉干擾

半導體激光器發射的激光譜寬小于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,其頻率調制掃描范圍也僅包含被測氣體單吸收譜線(半導體激光吸收光譜技術也因此被稱為單線光譜技術),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別氣體和粉塵的吸收,因此無法自動修正粉塵對光學元件的污染影響。而半導體激光的波長可通過調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域,也掃描過沒有氣體吸收的區域。當波長位于吸收區域時可測得包含氣體和粉塵在內的總透光率T(總),當波長位于無氣體吸收區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技術通過激光波長掃描技術修正了粉塵和視窗污染對測量的影響。

1.3 不受被測氣體環境參數變化干擾

被測氣體環境參數——溫度或壓力變化通常導致譜線強度和展寬發生變化,對溫度或壓力信號不加修正就會影響測量結果。而DLAS技術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、壓力效應進行修正。為此系統內置了溫度和壓力自動修正功能,能根據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,從而可實現精確的在線氣體分析。

綜上所述,單線光譜技術、激光波長掃描技術和環境參數自動修正技術使DLAS技術可以被用于實現氣體的原位分析,因此比非分光紅外等傳統采樣氣體分析系統具備更強的環境適應性。并且由于激光氣體分析系統省卻了采樣預處理裝置,結構簡單、無運動部件,維護標定方便、可靠性高,響應速度快而準確,大大提升了在線過程氣體檢測的水平。

2 系統特點

2.1 響應速度快

激光在線氣體分析系統實現“在位”測量和秒級響應,避免了采樣預處理響應滯后帶來的安全隱患。例如:冶金行業電捕焦安全控制的關鍵因素是O2分析儀器的響應速度。

2.2 開表率高

冶金行業電捕焦工藝點管道氣含有大量焦油、苯、萘等高黏性、易結晶物質,傳統采樣預處理系統不可避免會發生采樣探頭、管堵塞等問題;另外,由于檢測點為負壓,蒸汽不穩定、臟等原因也會導致負壓抽氣系統不能正常工作。激光在線氣體分析系統無需采樣,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 安全環保

傳統分析系統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無尾氣排放,安全環保。

2.4 維護、標定工作量少

半導體激光在線氣體分析系統的年標定次數為傳統分析儀的1/8～1/4;維護工作簡單到只需擦凈光學視窗,儀表實現維護自動提示。

2.5 運行費用低

激光在線氣體分析系統無需備品備件,運行成本幾乎為電費。該系統與傳統采樣預處理的氣體分析系統優勢見表1。

3 應用現狀

3.1 冶金行業

轉爐煤氣回收(O2和CO)和高爐煉鐵(O2、CO、CO2),煤氣柜安全分析及電捕焦測O2等很多企業現在還是使用預處理和電化學分析儀,反應滯后和響應時間慢及精度低等問題嚴重制約生產發展。

成功案例:武漢鋼鐵焦化廠電捕焦測氧,唐鋼一煉鋼轉爐煤氣回收,安鋼煤氣柜測氧等。

3.2 石油化工

表1 半導體激光氣體分析系統與傳統分析系統優勢比較

乙烯裂解(CO、CO2、C2H2),煉油FCC(CO、CO2、O2),氯堿行業微量水和微量氧等。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 環保行業

垃圾焚燒尾氣檢測及氣體分析(HCl、HF、SO2),工業鍋爐尾氣排放(HCl、HF)。如:昆山垃圾焚燒、浙大藍天環保、福昌化工固廢處理等。

3.4 電力行業

火力發電燃燒控制(O2、CO),噴煤安全監控(O2、CO)。如:大唐電力、關鋁電廠、國電龍源等。

4 應用前景

隨著半導體激光氣體分析技術的不斷發展和科學技術的進步,該項技術作為一種高效、快捷、綠色、經濟、安全的分析技術,將會得到更多的領域應用與發展。相信在不遠的將來半導體激光氣體分析技術將會在我國現代化工業建設中具有廣闊的發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。