多组分煤气成分分析仪的研制.pdfVIP

[摘要]介绍一种采用新型非分光红外NDIR、热导TCD 技术以及电化学传感 器的多组分煤气成分快速分析仪器。该分析仪通过采用基于新型电调制红外光源 的多通道红外气体探测技术，配合MEMS 技术的热导TCD 分析，长寿命电化学 O2、H2S 传感器，可以在一台仪器中实现煤气成分中CO2、CO、CH4，O2，H2S， H2等气体的实时快速测量。 1.前言 煤的气化是我国煤化工工业的重要组成部分，特别是在石油资源日益紧张的 条件下显得更加重要。煤气成分的检测分析是气化炉优化控制的前提，也是煤化 工行业其他工序的重要参数。此外，高炉、转炉，焦炉以及玻璃，陶瓷等工业领 域也经常需要进行煤气成分的检测。 奥氏气体分析仪作为一种经典的化学式手动分析器,具有价格便宜、操作方 便、维修容易等优点,一直在煤气成分分析领域有广泛的应用。但是该方法是一 种手动操作，精度低、速度慢，已经不能适应工业的发展需要。近年来色谱分析 仪得到推广，但是色谱分析仪需要对气体进行分离后再检测，很难实现实时在线。 红外气体分析仪在我国使用多年，但是以往技术往往只能在一套分析仪器分析单 一组分，煤气中的H2、O2、H2S需要单独的仪器进行测量。不仅价格昂贵，维修 复杂，而且气体之间的相互干扰也没法消除，如CO2对H2，CO2对CO测量的影响 一直需要人工调节。因此有必要研制一种高效、准确、价格合理的分析仪器用于 煤气成分的多组分快速或在线监测。 本文介绍一种采用新型的电调制红外多组分红外气体分析方法，配合必威体育精装版发 展的MEMS技术热导TCD气体传感器以及长寿命电化学O2、H2S传感器开发的集 成化多组分煤气分析仪。 2． 多组分煤气分析仪原理 2．1红外线多组分气体分析（CO2、CO、CH4） 当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸 收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。设入射光是平行光,其强度为 I0,出射光的强度为I,气体介质的厚度为L。当由气体介质中的分子数dN的吸收 所造成的光强减弱为dI时,根据朗伯--比尔吸收定律: dI/I=-KdN，式中K为比 例常数。经积分得:lnI=-KN+α (1)，式中:N为吸收气体介质的分子总数；α为 积分常数。显然有N∝cl,c为气体浓度。则式(1)可写成: I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2) 式(2)表明,光强在气体介质中随浓度c及厚度L按指数规律衰减。吸收系数 取决于气体特性,各种气体的吸收系数μ互不相同。对同一气体,μ则随入射波长 而变。若吸收介质中含i种吸收气体,则式(2)应改为:I=I0exp(-lΣμici)(3) 因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一 个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓 度变化。 上图为NDIR红外气体分析原理图：以CO2分析为例，红外光源发射出1-20um 的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后， 由红外传感器监测透过4.26um波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度，如 果在探测器端放置一种具备四元的探测器，并配备四种不同波长的滤光片，如 CO4、CO、CH4以及参考的滤光片，则在一台仪器内就可以完成对煤气成分中CO4、 CO、CH4的同时测量。本仪器红外测量部分技术在一体化的四元探测器上安装有 四个不同的滤光片（CO2、CO、CH4、参考），实现对三种气体的同时测量（如下 图）。 图：滤光片一体化四元红外探测器 2．2 MEMS技术热导TCD H2分析 热导分析是H2分析的常用方法。目前国内H2分析大都采用双铂丝热敏元件 制成的热导元件，体积大精度低，传感器的死区（Deadspace）大。本研究采用 了国际必威体育精装版发展的基于MEMS技术的TCD气体传感器，只需要加上合适的电压就 可以输出一个与浓度对应的毫伏级信号。 TCD传感器对H2浓度的输出曲线如下图所示： 2．3电化学O2、H2S分析 在煤气成分分析中，O2是一个安全参数，有些时候H2S也是一个重要参数。 本仪器采用了一种长寿命（6年）的电化学O2传感器和H2S传感器，该传感器实 际上是一种微型电流发生器，配合高精度的前置放大电路，直接输出与浓度对应 的电压进入仪器测控系统。