基于可调二极管激光光谱技术的气体分析仪应用
Unisearch Associates Inc., 96 Bradwick Drive, Concord, Ont. Canada L4K 1K8
优胜光分仪器南京有限公司Unisearch Instruments Nanjing Inc.
关键词(Key Words)
可调二极管激光光谱(Tunable Diode Laser Spectroscopy), NH3, HF, CO, CO2, 排放监测(emission monitoring), 过程控制(process control), 铝厂(aluminum smelter),钢厂( steel smelter), 氧气转炉(BOF), 燃煤电厂(coal-fired power plant), 氨逃逸(ammonia slip), 气体分析仪(gas analyzer).
引言
基于可调二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的激光光谱气体分析系统已经迅速应用到对于灵敏度,响应时间,背景气体免干扰等有较高要求的各种气体监测领域.TDLAS的技术优势在于实现了实时的原地测量,避免了气体抽样测量带来的一些问题.Unisearch公司基于近红外可调谐二极管技术开发了LasIRTM气体分析系统,整套系统耐用且易于安装,LasIRTM气体分析系统特别适用于众多工业领域气体排放监测和过程控制,例如:燃煤发电厂,铝厂,钢铁厂,冶炼厂,核电站,垃圾发电站,水泥厂和化工厂等等,本篇论文阐述了部分行业的气体监测应用.
一套基本的LasIRTM气体分析系统配置包括一个内置可调谐激光源的分析仪,光学发射端,光学接收端.可调谐二极管激光器被调谐发射出特定气体吸收线的激光,光束穿过被测气体,由于被测气体的吸收引起光强的衰减,通过检测器检测光强信号计算出气体浓度.除气体浓度之外,其他的一些参数,例如:气体温度,气体压力等也可以通过检测透射光光强的变化来加以测定.TDLAS技术相对与其他气体测量技术的优势在于其快速的响应时间,极低的检测下限(可达ppb级)及完全不存在其他气体分子的交叉干扰.
过去的20多年,由燃烧排放气体引起的温室气体(greenhouse gases ,GHG)已成为最被关注的环境问题.矿物燃料燃烧排放的氮氧化物(NOX)已经成为大气中氮氧化物污染物的主要来源.由于NOX会引起地面臭氧和酸雨的形成,因此其排放已经开始被加以控制.后燃(post combustion) NOX控制技术的基本原理是通过注入氨与氮氧化物发生反应生成N2和水.但是过量的注入氨并不能进一步降低NOX排放浓度,相反会导致过量的氨气逃逸出反应区,逃逸的氨气会与工艺生产流程中硫酸盐发生反应生成硫酸铵,铵盐沉淀附着在下游设备的表面,造成了设备腐蚀,使得维护费用和工作量显著增加.为使氨逃逸量维持在一个最低水平线上,须做到以下两点:一是要对氨注入的工艺程序进行良好的控制,二是要做到在反应区下游精确地,迅速地,连续地监测到氨逃逸量.连续,实时的对氨逃逸量进行监测可以瞬间为氨注入系统提供一个反馈,以此优化氨注入系统的运行.我们在这里报告的是一些使用LasIRTM气体分析系统的燃煤电厂获得的NH3逃逸数据,LasIRTM气体分析系统在过去已经成功的应用到燃煤和燃气电厂脱除氮氧化物工艺中1,2,3.
LasIRTM气体分析系统已经应用在能源和原料存储领域,在工艺过程控制上,使用LasIRTM气体分析系统优化了工艺控制,帮助制造出质量更好的产品.我们已经有过氧气顶吹转炉(basic oxygen furnaces ,BOF)的烟气监测应用, BOF是钢铁厂最主要的设备之一,被广泛用做把富碳的生铁冶炼成钢.钢中含碳量越高,硬度越大,但是也更加易碎且缺乏韧性.通过往熔融的生铁里面鼓入氧气,以此来降低钢铁的碳含量,冶炼出低碳钢,并且通过更多深处理使这种钢材适合诸如汽车制造以及其他的对低碳钢有需求的应用.过量向熔融的生铁鼓入氧气去把含碳量降的更低是没有必要的,这样做反而恶化了钢铁的品质.因此,快速,实时地对转炉尾气进行监测是非常重要的,它能直接或间接地确定喷氧截止时间(cut-off period).
LasIRTM气体分析系统也被广泛应用到世界各地的电解铝厂的HF气体监测.铝在熔炼的过程中,HF气体也随之产生并被排放,为了避免HF气体泄漏在工作区域,电解槽都有专用的槽板罩住,产生的HF气体被捕获收集,经过净化系统处理后再排放.HF气体具有剧毒,对电解槽车间工人的身体健康和周边的环境都有很大的伤害和影响,另外,铝厂对氟化物回收可以节约能源,增加经济效益.可调谐二极管激光技术目前已经在世界各地的几百个电解铝厂做为净化系统的控制设备得以应用.

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