紅外線二氧化碳氣體分析器在碳酸鹽生產中應用

高程達，柴衛東

（1.北京市華云分析儀器研究所有限公司，北京100044；2.北京農學院）

化工分析與測試

紅外線二氧化碳氣體分析器在碳酸鹽生產中應用

高程達1，2，柴衛東1

（1.北京市華云分析儀器研究所有限公司，北京100044；2.北京農學院）

提出在碳酸鹽生產中應用在線式紅外線二氧化碳氣體分析器測定生產過程中的二氧化碳濃度（儀器法）。介紹了儀器法的原理和特點，與傳統的吸收瓶法相比較各自的優缺點。建議將在線式二氧化碳氣體分析器安裝在煅燒工序的窯氣凈化和壓縮后，即安裝在二氧化碳氣體壓縮罐的附近，或者安裝在碳化工序前面的位置。儀器法測定生產過程中的二氧化碳濃度相對于傳統的吸收瓶法具有原位、在線、無損、測定速度快、精度高、誤差小等優點。

在線式紅外線氣體分析器；二氧化碳；監測；碳酸鹽；工藝調節和控制

中國鈣鎂資源豐富，碳酸鹽產量高、用途廣、發展前景廣闊，是碳酸鹽行業的優勢，但是，工藝落后、資源和能源消耗大、對環境污染嚴重，是該行業的發展瓶頸［1-2］。在碳酸鹽生產中應用在線式紅外線二氧化碳分析儀監測和控制制造流程，將有利于企業節能、降耗、高效、環保、低碳，提高碳酸鹽的質量和企業生產效益。在碳酸鹽的生產實踐中，首要工序是將各種含鈣、鎂元素的不同巖石煅燒，產生鈣鎂等的氧化物和多種化學氣體，其中從煅燒窯出來的氣體（窯氣）包括CO2、N2、O2、CO、SO2、H2O等，二氧化碳為主要氣體成分（體積分數為35%左右）［3］。這些氣體如果排放到大氣，將會污染環境；而大部分生產商將窯氣凈化處理后，通入碳化塔，進行資源化利用。因此，從煅燒窯出來的窯氣中的二氧化碳濃度大小，不僅關系到巖石的煅燒程度，更重要的是影響下游碳酸鈣、碳酸鎂等產品的質量高低及其質量的穩定性，以及窯氣排空后對環境的影響。目前，絕大部分生產商沒有在生產流程中配備二氧化碳等氣體的監測儀器和設備；有些企業采用傳統的吸收瓶法，間接地測定過程中的二氧化碳濃度，但是，取得數據慢，不能及時和直接掌握數據，也難以及時調整和控制工藝參數。

1 紅外線CO2氣體分析器的原理和特點

紅外線氣體分析器是利用紅外線對所檢測的氣體具有特殊吸收的原理進行分析測量的儀器［4］。待測氣體組分的濃度與紅外線吸收的輻射能存在密切的相關關系，氣體組分的濃度不同，紅外線吸收輻射能不同，剩余的輻射能在檢測器上溫度升高的程度不同，動片薄膜兩邊所受的壓力不同，從而產生電容檢測器電信號，達到獲得待測氣體組分的濃度大小之目的。

紅外線氣體分析器可用來分析各種雙原子氣體，如CH4、C2H4、C2H2、C2H5OH、C3H6、C3H8、NH3、CO2、CO、SO2、N2O以及水蒸氣等，其中CO2、CO和SO2為碳酸鹽生產中窯氣的主要成分，即紅外線對這些氣體具有特殊吸收。但是，紅外線不能分析同一種原子構成的多原子氣體和惰性氣體，如N2、Cl2、He、Ne、Ar等［5］。

紅外線氣體分析器具有精度和靈敏度高、測量范圍寬、響應速度快、選擇性好、穩定性和可靠性高、壽命長、低成本等特點［6-7］，可以實現多組分氣體同時測量、連續或間斷分析等自動化控制。紅外線二氧化碳氣體分析器是諸多紅外線氣體分析器的一種。

紅外線二氧化碳氣體分析器作為重要的一類儀器，主要應用于環保、氣象、化工、農業、林業、醫藥、石油、冶金、電廠、水泥、陶瓷、國防等領域［8-10］。目前國內外越來越多地使用紅外線氣體分析器［11］。紅外線二氧化碳氣體分析器分為在線式和便攜式兩種，其中，在線式適合于碳酸鹽行業的應用。

2 儀器安裝位置

煅燒是碳酸鹽生產中最關鍵的一個反應，它在立窯中進行，碳酸鹽產品的最終質量和總的生產成本主要受這一工序影響，其影響量估計占整個流程的50%以上。煅燒工藝過程是將原料巖石、煤炭、空氣等送入煅燒立窯，在高溫下反應，生成物為窯氣和鈣鎂等的氧化物。對該過程進行調節和控制的主要指標之一是對窯氣中CO2濃度的監測分析，可以根據從立窯出來的窯氣中CO2濃度的大小，結合其他技術參數，作出生產技術路線的決策，如對立窯的操作參數（原料巖石的加入量、通風量大小和煤炭的加入量等）進行及時調整，從而取得比較理想的產品質量和產量。

碳化是碳酸鹽生產中的另一個重要的工序和環節，也是二氧化碳廢氣資源化的反應過程。二氧化碳是這一工序的反應物，通入反應釜的二氧化碳濃度大小、純度、流量等，都會直接影響著鈣鎂碳酸鹽產品的質量和產量。因此，在這一工序前測定二氧化碳的濃度是十分必要的。

由于碳酸鹽產品種類不同，生產流程和工藝不同。大部分生產流程都有煅燒和碳化工序，或者只有煅燒工序或碳化工序。以碳酸鈣或碳酸鎂的生產為例：根據碳酸鈣或碳酸鎂的生產工藝和流程要求，以及儀器的使用條件，建議將紅外線二氧化碳氣體分析器安裝在窯氣凈化和壓縮以后，即安裝在壓縮罐附近，或者安裝在碳化反應釜前面。事實上，由于場地的限制和儀器維護保養的要求，將取樣管從壓縮罐附近引入到儀器儀表控制室 （但距離不宜長），儀器安放在獨立的儀器儀表控制室比較合適。詳細的儀器安裝位置見圖1。

圖1 儀器安裝位置

3 儀器法與傳統氣體吸收瓶法的對比

傳統的氣體吸收瓶法測定過程中的CO2濃度，已經延用多年，該法投資少，為多數生產廠家采用，但是，操作比較麻煩，測定所用的時間比較長，精度低，誤差比較大，難以指導和及時調節生產技術指標。儀器法測定生產過程中的CO2濃度是一種原位的、在線的、無損的測定方法，馬上測定馬上取得數據，測定速度快；儀器一次性安裝好以后，不再需要人為干擾，只需讀取數據即可，由于智能化引入儀器，不需要人工記錄數據，儀器可以隨時自動記錄和存儲數據，隨時可以調出歷史數據和曲線圖象，以便預測趨勢和走向，及時地優化和調整生產工藝參數，使產品優質而高產。儀器法與吸收瓶法的對比見表1。

表1 儀器法與吸收瓶法的對比

4 儀器法的作用和預期效果

在線式紅外線CO2氣體分析器用于碳酸鹽的生產流程中，至少可以起到和獲得以下作用和效果：1）對煅燒工序的信息反饋和調節控制。從煅燒窯中出來的氣體是巖石經過高溫加熱分解的結果，窯氣中的二氧化碳濃度的大小，可以表現煅燒程度和原料配比是否理想，從而根據儀器測量的二氧化碳實時數據，快速調節煅燒窯的火候和原料配比。2）對碳化工序的調節和控制。碳化過程受到通入碳化塔的二氧化碳濃度、流量和時間影響，二氧化碳濃度高，流量大，就會縮短碳化時間，提高效率和產品質量，但是，二氧化碳濃度過高，工藝控制難度增大。一般通入碳化塔的二氧化碳體積分數為25%～45%。安裝在線式儀器后，能夠隨時得知正在通入碳化塔的二氧化碳濃度大小，隨時調節和控制二氧化碳的流量大小，及時地調節和控制碳化反應的技術參數，達到控制、優化碳酸鹽質量和產量的目的。3）儀器的實時、連續性測定和記錄，所提供的數據和圖象對于企業成本核算、工藝改善和環境保護等十分有效，對于提升企業自動化生產和管理水平具有重要意義。4）對生產流程中的二氧化碳的在線測定，有利于二氧化碳廢氣的資源化利用，減少二氧化碳的排放。

5 結論

在線式紅外線二氧化碳分析器在碳酸鹽生產中可以得到成功應用。儀器法測定生產過程中的CO2濃度相對于傳統的吸收瓶法具有原位、在線、無損、測定速度快、精度高、誤差小等優點。在碳酸鹽的生產流程中使用在線式紅外線CO2氣體分析器，對煅燒和碳化工序進行有效的監測、調節、控制，能降低企業成本、改善工藝流程、提升企業自動化生產和管理水平。儀器法的應用，有利于二氧化碳廢氣的資源化利用，減少二氧化碳的排放。

［1］ 胡慶福，胡曉湘，宋麗英.我國碳酸鈣工業生產現狀及發展建議［J］.中國非金屬礦工業導刊，2010，84（4）：3-4.

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［3］ 顏鑫，王佩良，舒均杰.納米碳酸鈣關鍵技術［M］.北京：化學工業出版社，2007：59.

［4］ 王玉鳳，張宏梅，程書明.紅外線氣體分析儀原理及應用［J］.遼寧化工，2000，29（6）：370-372.

［5］ 于洋.在線分析儀器［M］.北京：電子工業出版社，2006：101-102，105.

［6］ 王復興.紅外線氣體分析儀的發展趨勢［J］.分析儀器，1996（4）：2-4.

［7］ 欒輝，曹麗萍，曹昆.CO2分析儀在我公司的應用［J］.純堿工業，2008（5）：31-33.

［8］ 宋釗，萬方，陳曉婷，等.非分散紅外線氣體法測定生活垃圾填埋氣中二氧化碳［J］.環境監測管理與技術，2008，20（3）：47-49.

［9］ 高程達，石莉雯，唐青云.紅外線氣體分析器在溫室氣體觀測研究中的應用［C］//第三屆中國在線分析儀器應用及發展國際論壇暨展覽會論文集.北京：中國儀器儀表學會分析儀器分會，2010：270-276.

［10］ 歐建萍，馬永祥.魯奇爐氣化生產中在線分析儀器的選擇和運用［J］.化肥工業，2009，36（5）：56-60.

［11］ 中國環境保護產業協會環境監測儀器專業委員會.我國環境監測儀器行業2009年發展綜述［J］.中國環保產業，2010（5）：14-18.

聯系方式：gaochd@bjfu.edu.cn

Application of infrared CO2gas analyzer in carbonate production

Gao Chengda1，2，Chai Weidong1
（1.Institute of Beijing Huayun A nalytical Instruments Co.，Ltd.，Beijing 100044，China；2.Beijing University of A griculture）

Application of on-line infrared CO2gas analyzer（instrument method）in carbonate production to determine the concentration of CO2was presented.The principle and characteristics as well as the advantages and disadvantages of instrument method in comparing with conventional flask absorption method were introduced.It′s suggested that on-line infrared CO2gas analyzer should be installed in the location behind the kiln gas purification and compression of the calcination procedure or before the carbonization procedure，i.e.installed in the vicinity of the CO2gas compression tank.Comparing with the conventional flask absorption method，instrument method has the advantages of in situ，on-line，nondestructiveness，rapid determination speed，high precision，and small error etc.in determining the concentration of CO2during the carbonate production.

on-line infrared gas analyzer；carbon dioxide；monitoring；carbonate；process adjustment and control

TQ127.11

：A

：1006-4990（2012）07-0053-03

2012-01-18

高程達（1964—），博士，高級工程師，主要從事溫室氣體、環境保護等方面的研究和應用開發工作，已發表論文20余篇，獲得國家專利10多項。