基于DLAS技术的激光气体分析仪的在线应用

Yu Dahai1,2 Wen Luhong2 Wang Xinghua3 Zhu Liqiang3 Yang Fenlei3 Wang Liping3 (1.Hangzhou University of Electronic Science; 2.Focused Photonics (Hangzhou)， Inc.； 3. Hangzhou Iron & Steel Company, Hangzhou 310012, China)
的谱线强度， g(ν-ν0)为描述吸收谱线形状的线形函 数， ν0为吸收谱线的中心频率。 DLAS 技术通过电流 调制半导体激光器的激光频率， 使激光频率扫描整
条吸收谱线从而获得完整的 “单线吸收光谱” 数
据， 并根据公式（1）来测量气体浓度。
表1
线性误差 量程漂移 响应时间 维护周期 标定周期 防护等级 防爆等级
义。 为了保证干熄焦工艺过程的稳定及安全生产， 干熄焦循环气中各组分浓度值的允许范围通常为： H2≤3%， CO 8%~12%， CH4 6%~10%， O2 1%[1]。
如果爆炸性气体浓度超出安全范围， 可以采用 向干熄炉循环风道内引入空气， 使可燃性气体在高 温 区 内 燃 烧 ， 降 低 其 浓 度 ； 另 外 也 可 以 充 入 N2， 以稳定循环气系统的气体成分。 所以能够准确测量 循环气中爆炸性气体浓度对于及时采取安全措施非 常重要， 对循环气体的取样分析点一般位于循环风 机 后 ， 此 处 气 体 温 度 为 180～260℃ ， 压 力 为 6kPa
主要性能指标
≤±1%F.S.Biblioteka Baidu≤±1%F.S. ＜1s ＜2 次/a， 清洁光学视窗 ＜2 次/a IP65 Expxmd Ⅱ CT5
4 仪器基本结构
激光气体分析仪由发射单元和接收单元组成， 如图 1 所示。 发射单元和接收单元分别通过标准法 兰对准固定在被测烟气管道的两侧， 即可实现在线 气体浓度分析。 测量激光束由发射单元发出并穿过 被测环境后， 被安装在接收单元的光电传感器接 收， 获得的测量信号再传回发射单元的中央处理模 块分析， 得到浓度结果。 分析系统同时配置有吹扫 系统、 防爆系统等辅助设备。 吹扫系统控制工业用 氮气对发射、 接收单元的光学视窗进行吹扫， 避免 煤气中粉尘长期污染光学视窗而造成激光透射光强
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（表压）， 粉尘浓度约 1 000mg/m3。 在干熄焦工艺中对循环气体分析的传统方法主
要是采用顺磁氧表和红外式分析仪来测量 O2、 CO 和 CO2[2]。 顺 磁 氧 表 通 过 测 量 含 氧 混 合 气 的 体 积 磁 化率得到 O2 浓度值， 红外式分析仪则通过测 量红 外 波 段 的 吸 收 光 谱 得 到 CO 和 CO2 的 浓 度[3]。 此 类 分析仪表对被分析气体有较高的要求， 需要配套复 杂、 昂贵的采样装置和预处理系统以保证进入分析 仪表的气体洁净、 干燥、 稳定。 复杂的采样预处理 过程使得测量无法实时、 连续地进行， 势必影响对 爆炸性循环气浓度测量的响应速度以及连续性监 控。 预处理过程 （除尘、 除水、 冷却等） 会不同程 度地改变循环气体的原始组分， 影响气体浓度测量 的准确性， 同时复杂的系统增大了分析仪器对使用 环境的局限性以及维护费用。 另外， 红外式分析仪 测量的气体红外吸收波段较宽， 对于不同气体， 其 吸收波长各不相同， 但也可能有部分重叠， 从而在 测量时容易产生背景气体间的交叉干扰。
收稿日期： 2008-10-20 作者简介： 俞大海 （1978-）， 男， 工程师 基金项目： 浙江省重大应用电子技术和新型电子元器件专项 （2007C11091）
国家自然科学基金项目 （50574035） 和国家 863 项目 （2006AA040310）
2009年 9 月
燃料与化工
第 40 卷第 5 期
强衰减可用 Beer-Lambert 关系[4]来表述：
Iν=Iν,0 R（ν）=Iν,0 exp[-S(T)g(ν-ν0)PXL]
（1）
式 中 ， Iν,0 和 Iν分 别 表 示 频 率 为 ν 的 激 光 光 束
入射光强和穿过压力 P、 浓度 X 和光程 L 的被测气
体后 的 透 射 光 强 ， S（T）为 温 度 T 时 气 体 吸 收 谱 线
图 5 为干熄焦循环气中用激光气体分析仪测得 的 CO、 CO2 和 O2 气 体 浓 度 在 生 产 过 程 的 变 化 曲 线。 在装焦初期， 炽热红焦与循环气中氧气接触的 瞬间， 将发生焦炭完全或不完全的燃烧反应[5]：
CDQ circulating gas On-line concentration monitoring
1 引言
在干熄焦工艺中， 惰性气体大多采用 N2， 随着 循环过程的 进行， 循环气 体中 H2 和 CO 成 分 逐 渐 增多， 并很快形成了由 H2、 CO 和 CH4 等组成的爆 炸性气体。 正常生产时， 循环系统中的 O2 含量 较 低， 不会引起爆炸， 但当设备出现泄漏点， 或是在 循环风机停止运转时， 有空气进入就会发生危险。 因此， 及时、 准确地检测循环气体中 O2、 CO、 H2、 CH4 的浓度， 对保证干熄焦工艺安全生产有重大意
与以上传统气体分析技术相比， 基于 DLAS 技 术的激光气体分析仪对干熄焦循环气测量具有很大 的优势。 本文将阐述基于 DLAS 技术的激光气体分 析仪的测量原理、 性能特点和基本结构， 以及在干 熄焦循环气体中 CO、 CO2 和 O2 的浓度检测中的成 功应用。
3 性能特点
3.1 不受背景气体的影响 DLAS 充 分 利 用 半 导 体 激 光 器 激 光 谱 宽 小 于
在实际测量中被测气体的温度、 压力会在一定 范围内变化， 这将会导致气体吸收谱线的展宽和高 度发生相应的变化， 从而影响测量结果的准确性。 激光气体分析仪可以接受来自测量环境的 4～20mA 温度、 压力信号， 通过特定的温度、 压力补偿算法 自动修正温度、 压力对气体浓度测量的影响， 保证 了测量的准确性。 表 1 列举了激光气体分析仪的主 要性能指标。
2 DLAS 技术原理
DLAS 技术实质上是一种吸收光谱技术， 利用
激光能量被气体分子 “选频” 吸收形成高分辨率吸
收光谱的原理进行气体浓度测量。 与传统红外光谱
技术不同， 其采用的半导体激光光源的光谱宽度远
小于气体吸收谱线的展宽， 因此 DLAS 技术是一种
高分辨率吸收光谱技术。 激光穿过被测气体后的光
0.000 1nm 的特点， 该谱宽远小于红外光源谱宽和 被测气体单吸收谱线宽度。 同时激光器频率扫描也 控制在非常小的范围 （小于 1cm-1）， 使其仅包含被 测气体的单个吸收谱线， 因此可以消除被测环境中 背景气体交叉干扰影响。 3.2 不受粉尘与视窗污染的影响
基于 DLAS 技术的激光气体分析仪采用调制光 谱技术， 测量浓度由透过率的二次谐波信号与透射 光强的比值决定。 激光传输光路中的粉尘或视窗污 染会导致信号与透射光强等比例下降， 因此可以消 除这种影响。 3.3 自动修正温度、 压力对测量的影响
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Fuel & Chemical Processes
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基于 DLAS 技术的激光气体分析仪的在线应用
俞大海 1,2 闻路红 2 王兴华 3 朱力强 3 杨芬雷 3 王利平 3 （1.杭州电子科技大学， 310018； 2.聚光科技有限公司, 310012；
基于 DLAS 技术的激光气体分析仪可以有效地满足干熄焦循环气体的在线浓度监测。
关键词： DLAS 半导体激光吸收光谱 气体分析仪 干熄焦循环气 在线浓度监测
中图分类号： TQ520.5
文献标识码： A
On-line application of laser gas analyzer based on DLAS technology
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的大幅下降。 防爆系统使仪器满足防爆要求， 可安 装在爆炸性工业现场环境。 维护时只需将发射和接 收两端玻片上的灰尘和污渍擦净即可， 维护量很 小， 周期可以达到 3 个月以上。
（ 浓 度 测 量 值 / 满 量 程 ）/AU
Abstract: DLAS(semi-conductor laser modulation and absorption spectrum）, analyzer performance feature and basic structure as well as advantage in on-line application of CDQ circulating gas were described. The measurement of the laser gas analyzer is not subject to background gas cross interference with high measurement accuracy; pre-treatment on sample is not required, it has the advantages over fast system response speed, higher reliability and lower maintenance fee. It is not influenced by coke fine and pollution of sight glass, it has strong ability to suit to worse industrial environment. The actual production shows that laser gas analyzer based on DLAS technology can effectively meet the requirement of on-line concentration monitoring of CDQ circulating gas. Key words: DLAS Semi-conductor laser modulation and absorption spectrum Gas analyzer
3.杭州钢铁集团公司， 杭州 310022）
摘 要： 介绍了 DLAS （半导体激光调制吸收光谱） 技术原理、 仪器性能特点和基本结构， 以及在干 熄焦循环气体
在线检测应用中的优势。 该激光气体分析仪测量不受背景气体交叉干扰， 测量准确性高； 无需采样预处理， 系统
响应速度快、 可靠性高， 维护费用低； 不受粉尘与视窗污染的影响， 恶劣工业环境适应能力强。 实际生产表明，
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 （浓度实际值/满量程） /AU
5 数据分析
5.1 实验室测量 对激光气体分析仪在实验室环境中进行了系统
的测试， 实验数据显示该分析仪具有很好的测量线 性度 （＜±1%F.S.）、 长时间稳定性 (<±1%)、 温漂特 性 （<±1%在-20～50℃温度 范围内） 和快 速的响应 时间 （＜1s）。 图 2 为仪器的 1 组线性度测试数据 ， 图 3 为响应时间测试数据。 5.2 现场应用
激光气体分析仪已经在实际的干熄焦循环气检 测系统中得到了成功应用。 干熄焦工艺气体监测流 程见图 4。 从熄焦室出来的高温循环气经过除尘设 备以及锅炉 （温度降低） 后再由鼓风机送入熄焦室 底部， 气体浓度分析点位于循环鼓风机的出风口， 实时、 连续地监控生产过程中循环气成分浓度。 分 析系统由 2 台激光气体分析仪表组成， 1 台用于测 量 O2 浓度， 另 1 台 同 时 测 量 CO 和 CO2 浓 度 。 当 测量发现循环气中爆炸性气体浓度超出安全范围， 可以及时做出处理， 使循环气中爆炸性气体浓度始 终处于安全范围内。