摘要:介紹一種采用新型非分光紅外NDIR以及電化學(xué)傳感器的多組分水泥窯廢氣成分快速分析儀器。該分析儀通過(guò)采用基于新型電調(diào)制紅外光源的多通道紅外氣體探測(cè)技術(shù)，配合長(zhǎng)壽命電化學(xué)O2傳感器，可以在一臺(tái)儀器中實(shí)現(xiàn)氣體成分中CO2、CO、NO、SO2、O2等氣體的實(shí)時(shí)快速測(cè)量。
1、前言
水泥工業(yè)的節(jié)能減排已經(jīng)成為降低我國(guó)GDP能耗的一個(gè)重要方面，新型干法水泥生產(chǎn)線必將逐步取代老式的立窯生產(chǎn)方式。但是根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，立窯與新型干法水泥生產(chǎn)企業(yè)并存的狀況在未來(lái)5年內(nèi)得不到根本改變。因此水泥行業(yè)的節(jié)能減排必須同時(shí)考慮這兩方面的工作。實(shí)踐表明，通過(guò)對(duì)水泥窯的廢氣檢測(cè)，可以指導(dǎo)水泥的能耗，穩(wěn)定熱工制度， 對(duì)于降低水泥能耗和排放具有重要意義。
對(duì)于立窯，科學(xué)的熱工標(biāo)定對(duì)于降低熱耗十分重要。立窯煙氣中的CO2、CO2、O2含量是獲取化學(xué)不完全燃燒熱的重要依據(jù)。對(duì)于新型干法，窯尾煙室氣體分析儀是通過(guò)在線連續(xù)提取、處理和分析窯尾煙室中的O2、CO和NO的百分含量或PPM含量，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煅燒狀況。因?yàn)樗嗷剞D(zhuǎn)窯內(nèi)的煅燒情況直接關(guān)系到水泥熟料的產(chǎn)量、質(zhì)量、原燃料的消耗和綜合成本。如果窯內(nèi)煅燒溫度過(guò)高或熱工振蕩過(guò)大，不僅會(huì)大量消耗燃煤，甚至還會(huì)損害窯襯；如果煅燒溫度過(guò)低，就會(huì)造成熟料的夾生料，嚴(yán)重影響水泥熟料的質(zhì)量。一方面，窯尾煙室氣體分析儀的合理使用，可以幫助中控操作人員實(shí)時(shí)了解窯內(nèi)的煅燒狀況和燃煤的完全燃燒狀況，指導(dǎo)操作人員及時(shí)采取相應(yīng)措施：如根據(jù)CO的含量，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)窯頭的噴煤量和送風(fēng)量，以便使燃煤完全燃燒，獲得最大限度的熱效率，節(jié)省能源消耗；也可根據(jù)NO的PPM含量合理調(diào)節(jié)窯頭噴煤量的大小，以防止窯內(nèi)的熱工異常現(xiàn)象。另一方面，窯尾煙室氣體分析儀還有利于中控操作人員對(duì)整個(gè)煅燒過(guò)程信息做出整體的了解和綜合判斷，從而指導(dǎo)下一步的具體操作。
在我國(guó)的立窯企業(yè)，奧氏氣體分析儀仍然是獲取煙氣中CO、CO2、O2的重要手段。我國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)過(guò)程的氣體檢測(cè)大都只能采用昂貴的進(jìn)口儀器，這也限制了氣體分析指導(dǎo)水泥生產(chǎn)技術(shù)在我國(guó)的推廣。奧氏氣體分析作為一種經(jīng)典的化學(xué)式手動(dòng)分析器,具有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn),但該方法是手動(dòng)操作，精度低、速度慢，已不能適應(yīng)工業(yè)發(fā)展需要。近年來(lái)色譜分析儀得到推廣，但是色譜分析儀需要對(duì)氣體進(jìn)行分離后再檢測(cè)，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線。紅外氣體分析儀在我國(guó)使用多年，但是以往技術(shù)往往只能在一套分析儀器分析單一組分，不僅價(jià)格昂貴，維修復(fù)雜，而且氣體之間的相互干擾也沒法消除。因此有必要研制一種高效、準(zhǔn)確、價(jià)格合理的分析儀器用于氣體成分的多組分快速或在線監(jiān)測(cè)。本文介紹一種采用新型的電調(diào)制紅外多組分紅外氣體分析方法，長(zhǎng)壽命電化學(xué)O2傳感器開發(fā)的集成化多組分氣體分析儀。
2、多組分氣體分析儀原理
2．1紅外線多組分氣體分析（CO2、CO、NO、SO）
當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí),這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收,其吸收關(guān)系服從朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設(shè)入射光是平行光,其強(qiáng)度為I0,出射光的強(qiáng)度為I,氣體介質(zhì)的厚度為L(zhǎng)。當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強(qiáng)減弱為dI時(shí),根據(jù)朗伯--比爾吸收定律: dI/I=-KdN，式中K為比例常數(shù)。
經(jīng)積分得:lnI=-KN+α (1) ，
式中:N為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù);
α為積分常數(shù)。顯然有N∝cl,c為氣體濃度。
則式(1)可寫成:
I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2)
式(2)表明,光強(qiáng)在氣體介質(zhì)中隨濃度c及厚度L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性,各種氣體的吸收系數(shù)μ互不相同。對(duì)同一氣體,μ則隨入射波長(zhǎng)而變。若吸收介質(zhì)中含i種吸收氣體,
則式(2)應(yīng)改為:
I=I0exp(-l∑μi ci) (3)
因此對(duì)于多種混合氣體，為了分析特定組分，應(yīng)該在傳感器或紅外光源前安裝一個(gè)適合分析氣體吸收波長(zhǎng)的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)氣體濃度變化。
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，則在一臺(tái)儀器內(nèi)就可以完成對(duì)氣體成分中CO2、CO、SO2、NO的同時(shí)測(cè)量2．3 電化學(xué)O2分析
O2是一個(gè)安全參數(shù)，也是過(guò)剩空氣系數(shù)的一個(gè)重要參數(shù)。本儀器采用了一種長(zhǎng)壽命（6年）的電化學(xué)O2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)。
3 多組分氣體分析儀特點(diǎn)
儀器包括用于 CO、CO2等的NDIR紅外氣體探測(cè)器，以及O2探測(cè)器。
3．1 儀器測(cè)控系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的測(cè)量、控制以及自動(dòng)標(biāo)定以及對(duì)不同組分的干擾校正等功能，需要一個(gè)合適的微控制器來(lái)管理傳感器。本研究采用ADI公司最新推出的ADuc842系統(tǒng)。ADuc842是一個(gè)全集成的12位數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，除含有8路12為A/D外，還具有2路D/A、8052內(nèi)核、64K程序儲(chǔ)存器以及UART、I2C、SPI等串行I/O等功能。ADuc842集如此強(qiáng)大的模擬與數(shù)字功能與一體，作為多組分氣體分析儀測(cè)控系統(tǒng)具有體積小、功耗低、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。
ADuc842通過(guò)采集參考和測(cè)量四路紅外信號(hào)，一路TCD熱導(dǎo)H2傳感器信號(hào)，以及2路電化學(xué)傳感器信號(hào)，通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得到測(cè)量氣體的濃度，并通過(guò)ADuc842系統(tǒng)的串口每1秒向外部設(shè)備發(fā)送測(cè)量濃度數(shù)據(jù)。在ADuc842多余的數(shù)據(jù)線和地址線基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊、打印驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤輸入模塊、氣泵控制、報(bào)警等接口，以便操作分析儀器。通過(guò)采用以上技術(shù)，在一臺(tái)分析儀器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了以往需要6臺(tái)分析儀才可完成的工作。
3．2 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)。抗振性差，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。本研究采用了國(guó)際上最新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)制頻率最高可以達(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。
3．3 氣體干擾校正
從原理上講，CO，CO2之間由于采用了特征波長(zhǎng)，彼此測(cè)量 間沒有相互干擾，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（Crosstalking, Overlap）,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， 本儀器設(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，可以使得CO、CO2的精度可以達(dá)到2%以上。通過(guò)本研究也說(shuō)明，采用以往單一組分紅外氣體分析儀組成的氣體分析系統(tǒng)，如果直接采用測(cè)量讀數(shù)，將可能得到很不準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
通過(guò)以上技術(shù)的采用，多組分氣體分析儀可以實(shí)現(xiàn)以下組分和精度的測(cè)量
水泥廢氣分析儀技術(shù)參數(shù)
組分COCO2NOSO2O2
量程2000PPM 5%，15%40%5000PPM2000PPM25%
精度FS2%2%2%2%3%
漂移FS1%1%1%1%2%
四、 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、NO、SO2的同時(shí)測(cè)量。
（2）通過(guò)采用長(zhǎng)壽命的O2S電化學(xué)氣體傳感器與紅外氣體測(cè)量的組分，實(shí)現(xiàn)了氣體多組分的同時(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氣體分析，很可能造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。
水泥窯廢氣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用
當(dāng)前在水泥工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的廢氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常是由采樣頭、樣氣預(yù)處理系統(tǒng)、分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)四大部分構(gòu)成的。其中采樣頭和樣氣預(yù)處理系統(tǒng)常常連為一體，統(tǒng)稱為取樣系統(tǒng)。
1 取樣系統(tǒng)
因此取樣系統(tǒng)除了采集樣氣外，還要負(fù)責(zé)對(duì)樣品進(jìn)行降溫、除塵和除濕等處理；如果需要濾掉某些干擾組分，也應(yīng)在取樣系統(tǒng)中進(jìn)行。而且，這些處理過(guò)程要盡可能地快，以免延長(zhǎng)分析滯后時(shí)間。取樣系統(tǒng)的技術(shù)含量很高。
2 分析系統(tǒng)
分析系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)設(shè)備的核心，其測(cè)量精度和速度決定著監(jiān)測(cè)的效果。同時(shí)，由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件比較惡劣，只有能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的過(guò)程分析儀器才能用于爐氣的在線監(jiān)測(cè)。按照能夠同時(shí)分析的成分多少，過(guò)程分析儀器可分為單指標(biāo)和多指標(biāo)兩類。
2.1 單指標(biāo)分析儀器
單指標(biāo)分析儀器是利用成分的特殊物理或化學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)的，通常僅選擇性地分析所測(cè)定混合氣體中的一種成分。普遍的特點(diǎn)是技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)成本較低。在氣化發(fā)生爐應(yīng)用的此類儀器有以下幾種：
（1）氧化鋯氧量分析儀，
（2）磁式氧分析儀，
（3）熱導(dǎo)式氫分析儀，
（4）紅外分析儀，
（5）傳感器類分析儀。
2.2 多指標(biāo)分析儀器
絕大多數(shù)通過(guò)爐氣信息實(shí)施控制的工藝所涉及的氣體種類都不止一種。因此，多指標(biāo)的分析儀器更有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。常用的多指標(biāo)分析儀器有以下幾類：
（1）工業(yè)氣相色譜儀：工業(yè)氣相色譜在爐氣分析中應(yīng)用最多，氣體組分按H2、N2、CO和CO2的順序依次被測(cè)定。除了國(guó)內(nèi)少數(shù)高爐仍采用該方法之外，工業(yè)氣相色譜儀逐漸被組合式分析系統(tǒng)或質(zhì)譜儀代替。
（2）組合式分析系統(tǒng)：適于測(cè)定組分?jǐn)?shù)小于4種的工藝過(guò)程，其實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)優(yōu)于工業(yè)氣相色譜儀；其成本又遠(yuǎn)低于質(zhì)譜儀。因此，對(duì)于爐氣中CO、CO2和H2的在線監(jiān)測(cè)、煤制粉過(guò)程中CO和O2的在線監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用較廣。
（3）工業(yè)氣體質(zhì)譜儀：質(zhì)譜儀以物質(zhì)離子的質(zhì)荷比作為判據(jù)進(jìn)行定性和定量分析。氣體質(zhì)譜儀通常采用電子轟擊方式離子化，所有物質(zhì)都有特征的解離方式。因此，從原理上講，質(zhì)譜是一種”萬(wàn)能”儀器。
