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前沿技术
固废焚烧烟气非接触式在线分析

摘要:利用在线气体分析仪对固废焚烧炉烟气进行实时监测,可以燃烧效率进行有效的监控,有助于最大程度的减少排放和节约能源。基于半导体激光吸收光谱技术(DLAS)的在线激光气体分析系统,传感器不直接接触高温烟气,利用气体分子对于激光的选择性吸收的原理,采用高精度激光光谱算法,测量数据准确,且维护量非常小。

关键词:焚烧烟气;激光;TDLAS半导体吸收光谱;气体分析仪

1.引言

固废焚烧的烟气成分浓度是工艺控制的重要依据,尤其是烟气中CO和O2的浓度。但是焚烧烟气工况较为恶劣,烟气温度可达1200°C,烟气中颗粒物含量达到1000mg/m3以上,且有一定的腐蚀性。目前,大部分设备采用氧化锆分析仪测量O2含量,高温催化燃烧传感器测量CO含量。这两种传感器均需要直接接触高温烟气,而且容易受到高浓度粉尘和还原性气体的干扰,维护成本十分高昂,而且测量精度低,响应时间慢。

为此,需要开发一种非接触式的高温烟气分析系统,该系统必须满足如下应用要求:

1) 分析系统必须能够在高温、高粉尘环境下对烟气进行准确、连续的在线分析;

2) 分析系统必须克服烟气所存在的腐蚀性、易吸附颗粒物对测量带来的影响;

3) 由于装置常年连续运行,对分析系统的连续可靠运行能力有着很高的要求。

基于以上需求,可基于TDLAS可协调半导体激光吸收光谱开发定制的气体分析系统。它是一种新型在线气体分析系统,和传统分析方法显著不同的,激光原位气体分析系统采用原位式安装方式,直接安装在工艺过程的管道上,无需任何采样预处理设备,传感器不直接接触高温烟气,这就显著的降低了仪表系统的困障率和维护量。这种无需采样的原位式测量方法较好地克服了传统分析系统在焚烧烟气分析这种高温、高粉尘、及含腐蚀性气体的不足,可以稳定得对高温焚烧烟气中氧气、一氧化碳、氯化氢等浓度进行测量。

2 激光气体分析仪简介

美国某公司结合多年气体分析仪器研发和应用经验开发的激光过程气体分析仪,专门针对恶劣工况条件,如高温焚烧烟气这种高温、含粉尘、含腐蚀性气体等复杂工况下气体检测需求。实际应用效果良好。

激光原位气体分析仪采用可调谐半导体激光吸收光谱(DLAS)[1~2]气体分析技术。与传统红外光谱技术相同,DLAS气体分析技术本质上是一种吸收光谱技术,通过分析测量光束被气体的选择吸收获得气体浓度。但与传统红外光谱技术不同的是, DLAS气体分析技术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技术具有非常高的光谱分辨率,可以对某一特定气体吸收谱线(常被称为单线光谱分析技术)进行分析获得被测气体浓度,如图1所示:频率 v/cm-1

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图1 “单线光谱”测量技术原理

DLAS技术充分利用半导体激光的窄谱宽(也即良好的光源单色性)实现单线光谱分析,从而可以通过选择一条不与背景气体吸收谱线重叠的吸收谱线来避免背景气体的交叉干扰。同时, DLAS技术还充分利用了半导体激光光频率可以电流调谐的特性实现了测量结果不受粉尘和视窗污染的影响,只要测量光束透过率大于1%就能保证测量结果的准确性。另外,DLAS技术使用的单线光谱分析也使修正温度和压力变化等对测量的影响变得较容易[5]。

激光气体分析仪的结构组成见图2。安装时只需将发射单元和接收单元通过标准法兰对准固定在被测烟气管道的两侧,即可实现在线实时烟气分析。发射单元发出的激光束穿过被测气体,被安装在管道相对方向上的接收单元中的光电探测传感器接收,获得的测量信号经过分析处理,根据激光吸收光谱算法得到气体浓度信息,测量结果可以用4-20mA电流信号或通过RS485接口以数字信号等形式输出。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,避免焚烧烟气中粉尘长期污染光学视窗而造成激光透射光强的大幅下降。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,维护量小、周期长。

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2 激光气体分析仪组成

3.焚烧烟气分析的应用

经过现场论证,我们选择将激光汽体分析仪安装在焚烧炉直管段上,该安装点气体分布较为均匀,更能够反映出烟气实际情况,同时,该安装点可进行现场在线除污(清理长时间吸附在吹扫内棒的颗粒物),不会影响烟气风机工作。焚烧烟气温度都在1000℃以上,含有腐蚀性的SO2和NOx气体,而且烟气包含了大量的粉尘,但激光分析仪能够适应恶劣的工况条件。多年的稳定运行证明,该仪表能够克服焚烧烟气高温、含粉尘和腐蚀性气体等各种测量难点,运行稳定且维护量非常小。通过用手工分析数据和仪表测量数据进行对比表明,二者差别很小,证明仪表测量结果准确可靠。由于没有预处理系统,该系统平时维护量小。一般每3~6个月对仪表的光学视窗进行一次除污,设备配有除污工装,可以在线除污。为了保护仪表的光学视窗不被污染,保证仪器的透光率,系统配有吹扫系统,吹扫气在光学视窗处形成一层气幕,保护视窗不被污染。吹扫系统要求现场提供一定纯度的氮气,压力在5~7公斤,使用量约50~60L/min,仪表运行过程中,要保证氮气的连续供应。

4.应用效果

根据分析原理和实验数据反馈,激光气体分析仪适合固废焚烧烟气组分测量,可以精确测量氧等高浓度成分气体得含量,同时对一氧化碳、氯化氢等也可在一定精度下进行检测,为工艺操作提供了有效的指导依据,提高了工艺操作水平,如当CO的浓度超过10mg/m3时,即可得到检测数据,CO浓度超过30mg/m3时,检测精度已经较为满意。使用该方案对高温烟气直接检测,可大大减少数据反馈的时间差,使得对焚烧炉工况进行有效的实时调节,对于节约能源、合理控制主风量,减少污染物排放到了有效的促进作用,具有较高的推广价值。

参考文献

[1] M.G.Allen.Diode laser absorption sensors for gas-dynamic and combustion flows.Measurement Science and Technology,1998,9:545~562.

[2] J.Wang,M.Maiorov,D.Baer, et al..In situ combustion measurements of CO with diode-laser absorption near 2.3um.Applied Optics,2000,39(30):5579~5589.

[3] 朱贵云,杨景和 激光光谱分析 北京:科学出版社,1992:142~163.

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