磨機(jī)入口O2/布袋出口O2/煤粉倉(cāng)CO激光分析系統(tǒng)技術(shù)方案

    1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

高爐噴煤，特別是噴吹高揮發(fā)性、強(qiáng)爆炸性的煙煤時(shí)，安全性差。因此必須采用先進(jìn)的安全保護(hù)措施。實(shí)時(shí)響應(yīng)的氣體在線分析儀的應(yīng)用可確保高爐噴煤系統(tǒng)的安全，分析系統(tǒng)通過對(duì)高爐噴煤系統(tǒng)中的煤磨機(jī)入口的O₂濃度進(jìn)行在線檢測(cè)，以保證煤磨機(jī)的安全；通過對(duì)布袋除塵出口O₂濃度進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)時(shí)反映煤磨機(jī)與布袋出口間的管道泄漏信息；通過對(duì)煤粉倉(cāng)的CO₂濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，從而反映煤粉倉(cāng)CO的聚集信息并提供相應(yīng)的安全操作控制依據(jù)。

考慮到項(xiàng)目的上述需求，我們采用2套SLAS-100型激光式氧氣在線分析系統(tǒng)分別在線分析磨煤機(jī)入口和布袋出口的O₂的濃度。采用1套SLAS-100型激光式一氧化碳在線分析系統(tǒng)，在線分析煤粉倉(cāng)的CO濃度。SLAS-100- O₂可原位安裝、實(shí)時(shí)測(cè)量，SLAS-100-CO在經(jīng)過簡(jiǎn)單預(yù)處理后，進(jìn)入分析處理階段，因此很好的解決了響應(yīng)速度、測(cè)量精度和維護(hù)標(biāo)定等問題，是一個(gè)高性價(jià)比的解決方案。

2.技術(shù)來源

SLAS-100型半導(dǎo)體激光在線分析系統(tǒng)系新澤儀器研發(fā)設(shè)計(jì)制造。 所提供設(shè)備的技術(shù)來源于中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院、英國(guó)劍橋大學(xué)、德國(guó)海德堡大學(xué)的科研成果，有相當(dāng)成熟的專業(yè)生產(chǎn)分析儀的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)采用原裝進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)相結(jié)合，分析系統(tǒng)和分析儀具有國(guó)際領(lǐng)先水平。

新澤儀器有一批懂技術(shù)、熟悉現(xiàn)場(chǎng)、工作效率高的工程技術(shù)人員和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)人員，并能長(zhǎng)期保障所供設(shè)備（國(guó)內(nèi)、國(guó)外）備品備件的供應(yīng)，有效地解決了用戶的后顧之憂。有著國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的供貨業(yè)績(jī)和豐富的現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)。

3. 系統(tǒng)測(cè)量原理

SLAS-100型半導(dǎo)體激光氣體分析系統(tǒng)，基于國(guó)際領(lǐng)先的半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（DLAS），即“單線光譜”測(cè)量技術(shù)。具體來說，就是通過測(cè)量具有某一特定吸收譜線的激光束在穿過被測(cè)氣體時(shí)發(fā)生的衰減信息，并根據(jù)激光強(qiáng)度衰減與被測(cè)氣體含量間的正比關(guān)系，分析獲得被測(cè)氣體的濃度。

與非分光紅外氣體分析技術(shù)相同,DLAS技術(shù)也是一種吸收光譜技術(shù)，它利用Beer-Lambert關(guān)系來定量分析半導(dǎo)體激光能量被被測(cè)氣體選擇吸收產(chǎn)生的衰減來獲得氣體的濃度。與傳統(tǒng)非分光紅外分析技術(shù)使用譜寬很寬且固定波長(zhǎng)的紅外光源不同，DLAS技術(shù)使用譜寬非常小(也就是單色性非常好) 且波長(zhǎng)可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器作為光源。因此，DLAS技術(shù)具有傳統(tǒng)非分光紅外分析技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的一些性能優(yōu)點(diǎn)。

n 不受背景氣體交叉干擾

半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光譜寬小于0.0001nm，是紅外光源譜寬的1/10⁶，遠(yuǎn)小于紅外光源譜寬和被測(cè)氣體單吸收譜線寬度，其頻率調(diào)制掃描范圍也僅包含被測(cè)氣體單吸收譜線（半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)也因此被稱為單線光譜技術(shù)），因此成功消除了背景氣體交叉干擾影響。

n 不受粉塵和視窗污染干擾

非分光紅外氣體分析儀在分析粉塵含量較大的氣體時(shí)，粉塵和被污染的光學(xué)元件會(huì)引起氣室透光率的變化，而固定波長(zhǎng)的光源又無法區(qū)別氣體和粉塵的吸收，因此無法自動(dòng)修正粉塵對(duì)光學(xué)元件的污染影響。而半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)可通過調(diào)制工作電流而被掃描，使激光波長(zhǎng)既掃描過有氣體吸收的區(qū)域，也掃描過沒有氣體吸收的區(qū)域。DLAS技術(shù)通過激光波長(zhǎng)掃描技術(shù)修正了粉塵和視窗污染對(duì)測(cè)量的影響。

n 不受被測(cè)氣體環(huán)境參數(shù)變化干擾

被測(cè)氣體環(huán)境參數(shù)—溫度或壓力變化通常導(dǎo)致譜線強(qiáng)度和展寬發(fā)生變化，對(duì)溫度或壓力信號(hào)不加修正就會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。而DLAS技術(shù)是對(duì)被測(cè)氣體單一吸收譜線進(jìn)行分析，因此可較容易地對(duì)溫度、壓力效應(yīng)進(jìn)行修正。為此SLAS-100型系統(tǒng)內(nèi)置了溫度和壓力自動(dòng)修正功能，能根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到的被測(cè)氣體溫度和壓力對(duì)氣體成分測(cè)量值進(jìn)行自動(dòng)修正，從而可實(shí)現(xiàn)精確的在線氣體分析。

綜上所述，單線光譜技術(shù)、激光波長(zhǎng)掃描技術(shù)和環(huán)境參數(shù)自動(dòng)修正技術(shù)使DLAS技術(shù)可以被用于實(shí)現(xiàn)氣體的原位分析，因此比非分光紅外等傳統(tǒng)采樣氣體分析系統(tǒng)具備更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。并且由于激光氣體分析系統(tǒng)省卻了采樣預(yù)處理裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)標(biāo)定方便、可靠性高，響應(yīng)速度快而準(zhǔn)確，大大提升了在線過程氣體檢測(cè)的水平。

4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

發(fā)射單元：由激光發(fā)射裝置、光學(xué)部件、發(fā)射箱體等組成。主要功能是發(fā)射調(diào)制激光束，該激光束通過被測(cè)氣體到達(dá)接收單元。

接收單元：由光電傳感器、光學(xué)部件、信號(hào)放大板、接收箱體等組成。光電傳感器接收通過氣體環(huán)境的激光束，并將激光強(qiáng)度信息實(shí)時(shí)傳送給PLC或DCS系統(tǒng)。

機(jī)械連接單元：由根部閥、焊接法蘭、儀器法蘭等組成。其作用是通過法蘭和鎖箍連接將發(fā)射單元和接收單元安裝在過程氣體管道上。

吹掃系統(tǒng)：由精密過濾器、減壓閥、流量計(jì)、箱體等組成。通過向機(jī)械連接單元管道內(nèi)吹入高純工業(yè)氮?dú)?，在光學(xué)視窗前形成氣幕保護(hù)，從而防止光學(xué)視窗被過程氣體污染，保證儀器正常運(yùn)行。

5. 磨機(jī)入口和布袋出口O₂分析系統(tǒng)

根據(jù)該項(xiàng)目要求，磨機(jī)入口和布袋出口O₂分析系統(tǒng)采用山東新澤儀器有限公司的SLAS-100型原位在線式激光過程氣體分析系統(tǒng)檢測(cè)O₂含量。SLAS-100型原位在線式激光過程氣體分析系統(tǒng)是結(jié)合多年的激光氣體分析產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，集成半導(dǎo)體激光吸收光譜、激光器波長(zhǎng)自適應(yīng)、一體化防爆、GPRS等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，推出的新一代激光過程氣體分析產(chǎn)品。該系統(tǒng)的發(fā)射和接收單元直接安裝在工業(yè)管道上，整個(gè)系統(tǒng)由于無預(yù)處理及運(yùn)動(dòng)部件，使得其相對(duì)于傳統(tǒng)紅外等分析系統(tǒng)，運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性大大增強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間快，并且維護(hù)標(biāo)定工作量和運(yùn)行費(fèi)用大大降低。

6. 煤粉倉(cāng)CO分析系統(tǒng)

煤粉倉(cāng)CO分析系統(tǒng)是由一套取樣探頭、一整套預(yù)處理系統(tǒng)、一套SLAS-100-CO分析儀、及輔助附件組成，預(yù)處理系統(tǒng)安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)。

煤粉倉(cāng)過程氣體在射流泵的抽取下，經(jīng)采樣探頭去除大顆粒粉塵、經(jīng)精密過濾器過濾小顆粒粉塵后直接送入旁路測(cè)量管，測(cè)量管一端的發(fā)射單元發(fā)射出特定頻率的激光，穿過測(cè)量管并被另一端的接收單元接收。接收單元在接收到衰減的激光后，通過對(duì)測(cè)量信號(hào)的分析處理，得到被測(cè)氣體濃度并輸出，樣氣高空排放，或排至其它安全區(qū)域。

系統(tǒng)方案圖

煤粉倉(cāng)CO在線分析系統(tǒng)圖

7.系統(tǒng)特點(diǎn)

n 無需采樣，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

n 隔爆防爆 (ExdIICT5), 比較正壓防爆系統(tǒng)安全系數(shù)更高,

n 響應(yīng)速度快（<1s），測(cè)量精度高（≤±1%）

n 檢測(cè)氣體的溫度可以高達(dá)1500℃

n 操作維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低

n 不受復(fù)雜背景氣體交叉干擾

n 工作環(huán)境溫度：-30℃～80℃

n 激光頻率掃描技術(shù)，自動(dòng)修正粉塵及光學(xué)視窗污染對(duì)測(cè)量濃度的影響

n 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可靠性高

n 模塊化設(shè)計(jì)，可現(xiàn)場(chǎng)更換所有功能模塊

n 安裝方便,安裝時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦,效率及準(zhǔn)確度高

n 環(huán)境參數(shù)變化自動(dòng)修正技術(shù),消除氣體環(huán)境參數(shù)(溫度和壓力等）變化對(duì)測(cè)量的影響

n 數(shù)字通訊包括RS485、CAN、或可選GPRS等

技術(shù)指標(biāo)

智能化網(wǎng)絡(luò)

SLAS-100型激光過程氣體分析系統(tǒng), 集成多項(xiàng)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，用戶即可通過GPRS模塊與掌上電腦等無線數(shù)據(jù)終端進(jìn)行無線通訊，也可以通過探頭內(nèi)置的RS485、CAN接口，通過選配的信號(hào)傳輸單元或中央控制單元實(shí)現(xiàn)多探頭的集中管理和遠(yuǎn)程無線通訊功能，實(shí)現(xiàn)激光過程氣體分析系統(tǒng)的多測(cè)點(diǎn)、多組份的網(wǎng)絡(luò)化管理。

8. 激光現(xiàn)場(chǎng)在線氣體分析系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)與創(chuàng)新

在國(guó)內(nèi)，研發(fā)的半導(dǎo)體激光在線分析系統(tǒng), 在技術(shù)上超越了，還沒有第三家公司有實(shí)力去研發(fā)生產(chǎn)激光現(xiàn)場(chǎng)在線氣體分析系統(tǒng)。作為全球領(lǐng)先的激光在線氣體分析系統(tǒng)的開發(fā)和供應(yīng)商，新澤儀器公司解決了以下技術(shù)難點(diǎn)：

①微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和電磁兼容技術(shù)

為了提高檢測(cè)靈敏度，除了降低上面提到的光學(xué)Etalon噪音外，還要降低各種電磁干擾噪音。為此研發(fā)了高性能的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)（低噪音設(shè)計(jì)、采用鎖相放大技術(shù)）和電磁兼容技術(shù)（如良好接地、電纜線屏蔽等）。

②高性能半導(dǎo)體激光電流源技術(shù)

半導(dǎo)體激光器非常容易被浪涌電流和高頻電磁輻射損壞，為此新澤儀器開發(fā)了用于各工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的低噪音半導(dǎo)體激光電流源技術(shù)，在半導(dǎo)體激光電流源電路中設(shè)計(jì)大量保護(hù)電路模塊來抑制各種原因產(chǎn)生的浪涌電流和電磁輻射。同時(shí)，還通過降低激光電流源的噪音來降低激光強(qiáng)度噪音，從而提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。

③半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)

解決包括半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)鎖定技術(shù)（使激光頻率長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在吸收譜線頻率處）、高靈敏度的調(diào)制光譜檢測(cè)技術(shù)、光學(xué)Etalon噪音有效抑制方法等，并建立和完善了重要工業(yè)氣體成分的吸收光譜數(shù)據(jù)庫(kù)（吸收譜線位置、不同溫度下的壓力展寬、吸收譜線線強(qiáng)及其與溫度的關(guān)系等）等。

④吸收光譜信號(hào)分析算法

SLAS-100型激光在線氣體分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從測(cè)量獲得的調(diào)制光譜信號(hào)中直接提取譜線展寬的數(shù)字信號(hào)處理方法，從而可以準(zhǔn)確修正氣體組分變化對(duì)氣體濃度測(cè)量的影響。很多時(shí)候，光學(xué)Etalon噪音或其他噪音的頻率與信號(hào)頻率接近，而新澤儀器研發(fā)的、適用于這種情況下的噪音抑制算法，大大提高了惡劣工況下激光在線氣體分析系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度和可靠性。

新澤儀器不僅掌握世界尖端科技——激光吸收光譜技術(shù)，可以解決和突破以上難點(diǎn)，而且與現(xiàn)有其他分析系統(tǒng)相比，新澤儀器研發(fā)生產(chǎn)的激光在線氣體分析系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了以下技術(shù)創(chuàng)新：

I、在使用光譜技術(shù)測(cè)量氣體成分時(shí)，如果氣體組成、溫度和壓力發(fā)生了變化，則氣體的譜線展寬就會(huì)相應(yīng)變化，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。國(guó)外同類產(chǎn)品都是通過測(cè)量氣體溫度、壓力，并且估計(jì)測(cè)量環(huán)境中的氣體組成來計(jì)算譜線展寬，從而對(duì)測(cè)量氣體成分進(jìn)行修正。這種修正策略的難點(diǎn)在于無法準(zhǔn)確估計(jì)測(cè)量環(huán)境中的其他氣體組成，從而造成測(cè)量誤差。對(duì)于此難點(diǎn)，新澤儀器在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了通過數(shù)字信號(hào)處理的方法直接從檢測(cè)的調(diào)制光譜信號(hào)中準(zhǔn)確提取譜線展寬，從而避免了譜線展寬變化導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

II、開發(fā)的半導(dǎo)體激光在線氣體分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氣體濃度的現(xiàn)場(chǎng)、連續(xù)測(cè)量，避免了背景氣體的交叉干擾，自動(dòng)修正粉塵、視窗污染所帶來的數(shù)據(jù)誤差。由于采用非接觸式光學(xué)測(cè)量而適用于強(qiáng)腐蝕、高溫、高壓、高粉塵的惡劣環(huán)境，解決了現(xiàn)有常用采樣方式“在線”分析系統(tǒng)的弊病。該技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)經(jīng)鑒定為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)、國(guó)際先進(jìn)。

III、國(guó)際上現(xiàn)有同類產(chǎn)品一般都只有4～20mA電流、RS485、CAN等數(shù)據(jù)輸出方式，新澤儀器的激光現(xiàn)場(chǎng)在線氣體分析系統(tǒng)除了以上方式外，還開發(fā)了可選配的無線數(shù)據(jù)傳送模塊GPRS，使本產(chǎn)品具有無線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。該無線數(shù)據(jù)傳輸模塊可以實(shí)現(xiàn)：對(duì)儀器內(nèi)嵌程序版本實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程升級(jí)；分析信息、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；遠(yuǎn)程收集系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)設(shè)置儀器參數(shù)等。

與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品比較

與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，SLAS-100型系列激光在線分析系統(tǒng)在軟硬件方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)：

①SLAS-100型系列產(chǎn)品可選配GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過該模塊，新澤儀器可為用戶提供遠(yuǎn)程程序升級(jí)、設(shè)置和優(yōu)化分析系統(tǒng)參數(shù)等服務(wù)。

②具有自動(dòng)譜線展寬修正功能，分析氣體濃度時(shí)不受被測(cè)氣體環(huán)境中氣體組成變化的影響，可應(yīng)用于氣體組成有較大變化的場(chǎng)合。

③國(guó)外引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)和部件，國(guó)內(nèi)進(jìn)行研發(fā)并量身定制，充分考慮了國(guó)內(nèi)用戶的現(xiàn)場(chǎng)工況和供貨需求，為項(xiàng)目的按期、順利實(shí)施也提供了有效保障。

4其他比較如下表：