半导体激光气体分析技术

1、半导体激光气体分析技术的应用与前景孙海钢(聚光科技(杭州股份有限公司,浙江杭州 310052=摘要> 介绍了半导体激光气体分析技术的技术原理、技术特点及其在工业领域应用现状和应用前景,以期为半导体激光气体分析技术在工业领域分析中的进一步发展提供科学依据。=关键词> 半导体激光;气体分析技术=中图分类号> O 659.32 =文献标识码> A =文章编号> 1003-3467(201018-0016-02近年来,随着半导体激光技术的快速发展,越来越多半导体分析仪表被应用到冶金、化工、电力、环保等行业。特别是在一些重要的工艺点(电捕焦、FCC 、锅炉燃烧,因其具有快速

2、、无须前处理、非破坏性以及精度高等优势而得到更为广泛的应用。本文就半导体激光气体分析技术的技术原理、技术特点及其在工业领域应用现状和应用前景进行了综述,以期为半导体激光气体分析技术在工业领域分析中的进一步发展提供科学依据。1 系统测量原理半导体激光气体分析系统基于国际领先的半导体激光吸收光谱技术(DLAS ,即/单线光谱0测量技术。具体来说,就是通过测量具有某一特定吸收谱线的激光束在穿过被测气体时发生的衰减信息,并根据激光强度衰减与被测气体含量间的正比关系,分析获得被测气体的浓度。与非分光红外气体分析技术相同,DLAS 技术也是一种吸收光谱技术,它利用Beer-La mbert 关系来定量分析

3、半导体激光能量被被测气体选择吸收产生的衰减来获得气体的浓度。与传统非分光红外分析技术使用谱宽很宽且固定波长的红外光源不同,DLAS 技术使用谱宽非常小(也就是单色性非常好且波长可调谐的半导体激光器作为光源。因此,DLAS 技术具有传统非分光红外分析技术无法实现的一些性能优点。1.1 不受背景气体交叉干扰半导体激光器发射的激光谱宽小于0.0001nm,是红外光源谱宽的1/106,远小于红外光源谱宽和被测气体单吸收谱线宽度,其频率调制扫描范围也仅包含被测气体单吸收谱线(半导体激光吸收光谱技术也因此被称为单线光谱技术,因此成功消除了背景气体交叉干扰影响。1.2 不受粉尘和视窗污染干扰非分光红外气体分

4、析仪在分析粉尘含量较大的气体时,粉尘和被污染的光学元件会引起气室透光率的变化,而固定波长的光源又无法区别气体和粉尘的吸收,因此无法自动修正粉尘对光学元件的污染影响。而半导体激光的波长可通过调制工作电流而被扫描,使激光波长既扫描过有气体吸收的区域,也扫描过没有气体吸收的区域。当波长位于吸收区域时可测得包含气体和粉尘在内的总透光率T (总,当波长位于无气体吸收区域时可以测得粉尘透光率T (粉尘,从而可以准确获得被测气体的透光率T (气体=T (总/T (粉尘。DLAS 技术通过激光波长扫描技术修正了粉尘和视窗污染对测量的影响。1.3 不受被测气体环境参数变化干扰被测气体环境参数温度或压力变化通常导

5、致谱线强度和展宽发生变化,对温度或压力信号不加修正就会影响测量结果。而DLAS 技术是对被测气体单一吸收谱线进行分析,因此可较容易地对温度、压力效应进行修正。为此系统内置了温度和压力自动修正功能,能根据实际测量得到的被测气体温度和压力对气体成分测量值进行自动修正,从而可实现精确的在线气体分析。收稿日期:2010-08-21作者简介:孙海钢(1977-,男,助工,主要从事仪器仪表项目管理工作,电话:137*。#16#河南化工HENAN CHE M I CAL I NDU STRY2010年9月 第27卷 第9期(下综上所述,单线光谱技术、激光波长扫描技术和环境参数自动修正技术使DL AS技术可以

6、被用于实现气体的原位分析,因此比非分光红外等传统采样气体分析系统具备更强的环境适应性。并且由于激光气体分析系统省却了采样预处理装置,结构简单、无运动部件,维护标定方便、可靠性高,响应速度快而准确,大大提升了在线过程气体检测的水平。2系统特点2.1响应速度快激光在线气体分析系统实现/在位0测量和秒级响应,避免了采样预处理响应滞后带来的安全隐患。例如:冶金行业电捕焦安全控制的关键因素是O2分析仪器的响应速度。2.2开表率高冶金行业电捕焦工艺点管道气含有大量焦油、苯、萘等高黏性、易结晶物质,传统采样预处理系统不可避免会发生采样探头、管堵塞等问题;另外,由于检测点为负压,蒸汽不稳定、脏等原因也会导致负

7、压抽气系统不能正常工作。激光在线气体分析系统无需采样,采用非接触式测量方式,从根本上解决上述问题,从而确保开表率,同时大大降低了维护量。2.3安全环保传统分析系统的尾气排放不仅易爆,对操作人员身体也有害处;激光在线气体分析系统无尾气排放,安全环保。2.4维护、标定工作量少半导体激光在线气体分析系统的年标定次数为传统分析仪的1/81/4;维护工作简单到只需擦净光学视窗,仪表实现维护自动提示。2.5运行费用低激光在线气体分析系统无需备品备件,运行成本几乎为电费。该系统与传统采样预处理的气体分析系统优势见表1。3应用现状3.1冶金行业转炉煤气回收(O2和CO和高炉炼铁(O2、CO、CO2,煤气柜安全

8、分析及电捕焦测O2等很多企业现在还是使用预处理和电化学分析仪,反应滞后和响应时间慢及精度低等问题严重制约生产发展。成功案例:武汉钢铁焦化厂电捕焦测氧,唐钢一炼钢转炉煤气回收,安钢煤气柜测氧等。3.2石油化工表1半导体激光气体分析系统与传统分析系统优势比较指标半导体激光气体分析系统传统光谱在线气体分析仪预处理系统不需要必需测量方法现场、连续、实时测量采样预处理后间断测量气体环境可直接测量高温、高粉尘、高水分、高流速、强腐蚀等恶劣环境下的气体只能测量恒温、恒压、恒流、干燥及无粉尘的气体响应速度快:取决于仪表响应时间,小于1s慢:取决于采样预处理时间、样品气传输时间、仪表响应时间,超过20s 准确性

9、实地测量,气体信息不失真;测量值为气体线平均浓度;不受背景气体、粉尘及气体参数影响溶解吸附泄漏导致气体信息失真;测量值为探头位置局部浓度;背景气体、粉尘及气体参数影响测量的准确性连续性连续测量间断测量:反吹时无法测量可靠性无运动器件,可靠性高较多运动部件,可靠性低介质干扰不受背景气体交叉干扰;自动修正粉尘及光学视窗污染干扰受背景气体的交叉干扰,无法定量修正粉尘及光学视窗污染干扰样气排放无样气排放,安全无污染有样气排放,危险有污染标定维护标定:12次/年;维护:少于2次/年,系统自动提示标定:一个月23次;维护:经常运行费用无需备品备件;运行费用接近于零(仅为电费需要较多备品备件;年费用一般为系统成本的20%左右乙烯裂解(CO、CO2、C2H2,炼油FCC(CO、CO2、O2,氯碱行业微量水和微量氧等。如武石化FCC项目、神马氯碱微量水、玉门石化、甘肃银光等。3.3环保行业垃圾焚烧尾气检测及气体分析(HC l、H F、SO2,工业锅炉尾气排放(H C l、H F。如:昆山垃圾焚烧、浙大蓝天环保、福昌化工固废处理等。3.4电力行业火力发电燃烧控制(O2、CO,喷煤安全监控(O2、CO。如:大唐电力、关铝电厂、国电龙源等。4应用前景随着半导体激光气体分析技术的不断发展