??? 摘要:

??? 介紹一種采用新型非分光紅外NDIR以及電化學傳感器的多組分水泥窯廢氣成分快速分析儀器。該分析儀通過采用基于新型電調制紅外光源的多通道紅外氣體探測技術，配合長壽命電化學O2傳感器，可以在一臺儀器中實現氣體成分中CO2、CO、NO、SO2、O2等氣體的實時快速測量。

??? 1、前言

??? 水泥工業的節能減排已經成為降低我國GDP能耗的一個重要方面，新型干法水泥生產線必將逐步取代老式的立窯生產方式。但是根據我國的實際情況，立窯與新型干法水泥生產企業并存的狀況在未來5年內得不到根本改變。因此水泥行業的節能減排必須同時考慮這兩方面的工作。實踐表明，通過對水泥窯的廢氣檢測，可以指導水泥的能耗，穩定熱工制度，對于降低水泥能耗和排放具有重要意義。

??? 對于立窯，科學的熱工標定對于降低熱耗十分重要。立窯煙氣中的CO2、CO2、O2含量是獲取化學不完全燃燒熱的重要依據。對于新型干法，窯尾煙室氣體分析儀是通過在線連續提取、處理和分析窯尾煙室中的O2、CO和NO的百分含量或PPM含量，來實時監測水泥回轉窯內的煅燒狀況。因為水泥回轉窯內的煅燒情況直接關系到水泥熟料的產量、質量、原燃料的消耗和綜合成本。如果窯內煅燒溫度過高或熱工振蕩過大，不僅會大量消耗燃煤，甚至還會損害窯襯；如果煅燒溫度過低，就會造成熟料的夾生料，嚴重影響水泥熟料的質量。一方面，窯尾煙室氣體分析儀的合理使用，可以幫助中控操作人員實時了解窯內的煅燒狀況和燃煤的完全燃燒狀況，指導操作人員及時采取相應措施：如根據CO的含量，實時調節窯頭的噴煤量和送風量，以便使燃煤完全燃燒，獲得最大限度的熱效率，節省能源消耗；也可根據NO的PPM含量合理調節窯頭噴煤量的大小，以防止窯內的熱工異常現象。另一方面，窯尾煙室氣體分析儀還有利于中控操作人員對整個煅燒過程信息做出整體的了解和綜合判斷，從而指導下一步的具體操作。

??? 在我國的立窯企業，奧氏氣體分析儀仍然是獲取煙氣中CO、CO2、O2的重要手段。我國新型干法水泥生產過程的氣體檢測大都只能采用昂貴的進口儀器，這也限制了氣體分析指導水泥生產技術在我國的推廣。奧氏氣體分析作為一種經典的化學式手動分析器,具有價格便宜的優點,但該方法是手動操作，精度低、速度慢，已不能適應工業發展需要。近年來色譜分析儀得到推廣，但是色譜分析儀需要對氣體進行分離后再檢測，很難實現實時在線。紅外氣體分析儀在我國使用多年，但是以往技術往往只能在一套分析儀器分析單一組分，不僅價格昂貴，維修復雜，而且氣體之間的相互干擾也沒法消除。因此有必要研制一種高效、準確、價格合理的分析儀器用于氣體成分的多組分快速或在線監測。本文介紹一種采用新型的電調制紅外多組分紅外氣體分析方法，長壽命電化學O2傳感器開發的集成化多組分氣體分析儀。

??? 2、多組分氣體分析儀原理

??? 2．1紅外線多組分氣體分析（CO2、CO、NO、SO）

??? 當紅外光通過待測氣體時,這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收,其吸收關系服從朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設入射光是平行光,其強度為I0,出射光的強度為I,氣體介質的厚度為L。當由氣體介質中的分子數dN的吸收所造成的光強減弱為dI時,根據朗伯--比爾吸收定律:dI/I=-KdN，式中K為比例常數。

??? 經積分得:lnI=-KN+α(1)，

??? 式中:N為吸收氣體介質的分子總數;

??? α為積分常數。顯然有N∝cl,c為氣體濃度。

??? 則式(1)可寫成:

??? I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL)(2)

??? 式(2)表明,光強在氣體介質中隨濃度c及厚度L按指數規律衰減。吸收系數取決于氣體特性,各種氣體的吸收系數μ互不相同。對同一氣體,μ則隨入射波長而變。若吸收介質中含i種吸收氣體,

??? 則式(2)應改為:

??? I=I0exp(-l∑μici)(3)

??? 因此對于多種混合氣體，為了分析特定組分，應該在傳感器或紅外光源前安裝一個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體濃度變化。

??? 以CO2分析為例，紅外光源發射出1-20um的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經過一個4.26μm波長的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監測透過4.26um波長紅外光的強度，以此表示CO2氣體的濃度，如果在探測器端放置一種具備四元的探測器，并配備四種不同波長的濾光片，則在一臺儀器內就可以完成對氣體成分中CO2、CO、SO2、NO的同時測量2．3電化學O2分析

??? O2是一個安全參數，也是過剩空氣系數的一個重要參數。本儀器采用了一種長壽命（6年）的電化學O2傳感器，該傳感器實際上是一種微型電流發生器，配合高精度的前置放大電路，直接輸出與濃度對應的電壓進入儀器測控系統。

??? 3多組分氣體分析儀特點儀器包括用于CO、CO2等的NDIR紅外氣體探測器，以及O2探測器。

??? 3．1儀器測控系統

??? 為了實現對氣體濃度的測量、控制以及自動標定以及對不同組分的干擾校正等功能，需要一個合適的微控制器來管理傳感器。本研究采用ADI公司最新推出的ADuc842系統。ADuc842是一個全集成的12位數據采集控制系統，除含有8路12為A/D外，還具有2路D/A、8052內核、64K程序儲存器以及UART、I2C、SPI等串行I/O等功能。ADuc842集如此強大的模擬與數字功能與一體，作為多組分氣體分析儀測控系統具有體積小、功耗低、性價比高等優勢。

??? ADuc842通過采集參考和測量四路紅外信號，一路TCD熱導H2傳感器信號，以及2路電化學傳感器信號，通過測量標準氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得到測量氣體的濃度，并通過ADuc842系統的串口每1秒向外部設備發送測量濃度數據。在ADuc842多余的數據線和地址線基礎上，設計了液晶顯示驅動模塊、打印驅動模塊、鍵盤輸入模塊、氣泵控制、報警等接口，以便操作分析儀器。通過采用以上技術，在一臺分析儀器內實現了以往需要6臺分析儀才可完成的工作。

??? 3．2電調制紅外光源

??? 傳統的紅外氣體分析儀采用連續紅外熱輻射型光源，如鎳锘絲、硅碳棒等紅外加熱元件,其發出紅外光的波長在2～15μｍ之間，由于其熱容量大，通常采用切光片對光源進行調制。因此需要一個同步電機帶動切光片旋轉，其缺點在于存在機械轉動。抗振性差，攻耗大，不適合于便攜設備；其次為保證調制的頻率，還需要嚴格同步的電機以及驅動電路，使得系統復雜化，成本也大大增加。本研究采用了國際上最新研制的一種類金剛石鍍膜紅外光源。該光源采用導電不定型碳（CAC）多層鍍膜技術，熱容量很低，因此升降溫速度很快，其調制頻率最高可以達到200Hz，新型電調制光源的使用，使得紅外氣體分析技術在儀器體積、成本、性能等方面都有實質性的提高。

??? 3．3氣體干擾校正

??? 從原理上講，CO，CO2之間由于采用了特征波長，彼此測量間沒有相互干擾，但是由于受當前濾光片生產工藝的限制，濾光片具有一定的帶寬，CO與CO2，以及CO2與參考通道之間具有一定的干擾（Crosstalking,Overlap）,因此成分之間具有一定的干擾，如果不加以校準，測量的誤差將達到10%以上，很難達到工業應用的要求，如按照單一標準氣體CO2標定后，如果通入不含CO2的70%的CO進入儀器，CO2讀數將達到7%左右。為了消除紅外分析氣體之間的相互干擾，本儀器設置了10點標定程序，采用計算機算法得到了氣體干擾校正方法，通過該方法的使用，可以使得CO、CO2的精度可以達到2%以上。通過本研究也說明，采用以往單一組分紅外氣體分析儀組成的氣體分析系統，如果直接采用測量讀數，將可能得到很不準確的測量結果。

??? 通過以上技術的采用，多組分氣體分析儀可以實現以下組分和精度的測量

??? 水泥廢氣分析儀技術參數

??? 組分COCO2NOSO2O2

??? 量程2000PPM5%，15%40%5000PPM2000PPM25%

??? 精度FS2%2%2%2%3%

??? 漂移FS1%1%1%1%2%

??? 四、結論

??? （1）通過采用新型電調制紅外光源，省卻了以往紅外氣體分析儀器復雜和昂貴的電機調制系統,大大降低了系統成本和功耗。實現了CO、CO2、NO、SO2的同時測量。

??? （2）通過采用長壽命的O2S電化學氣體傳感器與紅外氣體測量的組分，實現了氣體多組分的同時在線測量。

??? （3）紅外測量組分間由于受濾光片帶寬的限制，存在一定的相互干擾，通過計算機校正算法可以將組分的測量精度提高到2%以上，這也說明，以往單一組分的紅外氣體分析儀直接用于氣體分析，很可能造成測量數據不準確。

??? 水泥窯廢氣在線監測技術與設備的發展與應用

??? 當前在水泥工業生產現場使用的廢氣在線監測系統通常是由采樣頭、樣氣預處理系統、分析系統和數據處理與傳輸系統四大部分構成的。其中采樣頭和樣氣預處理系統常常連為一體，統稱為取樣系統。

??? 1取樣系統

??? 因此取樣系統除了采集樣氣外，還要負責對樣品進行降溫、除塵和除濕等處理；如果需要濾掉某些干擾組分，也應在取樣系統中進行。而且，這些處理過程要盡可能地快，以免延長分析滯后時間。取樣系統的技術含量很高。

??? 2分析系統

??? 分析系統是監測設備的核心，其測量精度和速度決定著監測的效果。同時，由于生產現場條件比較惡劣，只有能夠長期穩定工作的過程分析儀器才能用于爐氣的在線監測。按照能夠同時分析的成分多少，過程分析儀器可分為單指標和多指標兩類。

??? 2.1單指標分析儀器

??? 單指標分析儀器是利用成分的特殊物理或化學性質設計的，通常僅選擇性地分析所測定混合氣體中的一種成分。普遍的特點是技術成熟、結構簡單，同時成本較低。在氣化發生爐應用的此類儀器有以下幾種：

??? （1）氧化鋯氧量分析儀，

??? （2）磁式氧分析儀，

??? （3）熱導式氫分析儀，

??? （4）紅外分析儀，

??? （5）傳感器類分析儀。

??? 2.2多指標分析儀器

??? 絕大多數通過爐氣信息實施控制的工藝所涉及的氣體種類都不止一種。因此，多指標的分析儀器更有實際應用的價值。常用的多指標分析儀器有以下幾類：

??? （1）工業氣相色譜儀：工業氣相色譜在爐氣分析中應用最多，氣體組分按H2、N2、CO和CO2的順序依次被測定。除了國內少數高爐仍采用該方法之外，工業氣相色譜儀逐漸被組合式分析系統或質譜儀代替。

??? （2）組合式分析系統：適于測定組分數小于4種的工藝過程，其實時性遠優于工業氣相色譜儀；其成本又遠低于質譜儀。因此，對于爐氣中CO、CO2和H2的在線監測、煤制粉過程中CO和O2的在線監控等領域應用較廣。

??? （3）工業氣體質譜儀：質譜儀以物質離子的質荷比作為判據進行定性和定量分析。氣體質譜儀通常采用電子轟擊方式離子化，所有物質都有特征的解離方式。因此，從原理上講，質譜是一種”萬能”儀器。

??? 作者：熊友輝

??? 來源：武漢四方光電科技有限公司

??? 摘要:

??? 介紹一種采用新型非分光紅外NDIR以及電化學傳感器的多組分水泥窯廢氣成分快速分析儀器。該分析儀通過采用基于新型電調制紅外光源的多通道紅外氣體探測技術，配合長壽命電化學O2傳感器，可以在一臺儀器中實現氣體成分中CO2、CO、NO、SO2、O2等氣體的實時快速測量。

??? 1、前言

??? 水泥工業的節能減排已經成為降低我國GDP能耗的一個重要方面，新型干法水泥生產線必將逐步取代老式的立窯生產方式。但是根據我國的實際情況，立窯與新型干法水泥生產企業并存的狀況在未來5年內得不到根本改變。因此水泥行業的節能減排必須同時考慮這兩方面的工作。實踐表明，通過對水泥窯的廢氣檢測，可以指導水泥的能耗，穩定熱工制度，對于降低水泥能耗和排放具有重要意義。

??? 對于立窯，科學的熱工標定對于降低熱耗十分重要。立窯煙氣中的CO2、CO2、O2含量是獲取化學不完全燃燒熱的重要依據。對于新型干法，窯尾煙室氣體分析儀是通過在線連續提取、處理和分析窯尾煙室中的O2、CO和NO的百分含量或PPM含量，來實時監測水泥回轉窯內的煅燒狀況。因為水泥回轉窯內的煅燒情況直接關系到水泥熟料的產量、質量、原燃料的消耗和綜合成本。如果窯內煅燒溫度過高或熱工振蕩過大，不僅會大量消耗燃煤，甚至還會損害窯襯；如果煅燒溫度過低，就會造成熟料的夾生料，嚴重影響水泥熟料的質量。一方面，窯尾煙室氣體分析儀的合理使用，可以幫助中控操作人員實時了解窯內的煅燒狀況和燃煤的完全燃燒狀況，指導操作人員及時采取相應措施：如根據CO的含量，實時調節窯頭的噴煤量和送風量，以便使燃煤完全燃燒，獲得最大限度的熱效率，節省能源消耗；也可根據NO的PPM含量合理調節窯頭噴煤量的大小，以防止窯內的熱工異常現象。另一方面，窯尾煙室氣體分析儀還有利于中控操作人員對整個煅燒過程信息做出整體的了解和綜合判斷，從而指導下一步的具體操作。

??? 在我國的立窯企業，奧氏氣體分析儀仍然是獲取煙氣中CO、CO2、O2的重要手段。我國新型干法水泥生產過程的氣體檢測大都只能采用昂貴的進口儀器，這也限制了氣體分析指導水泥生產技術在我國的推廣。奧氏氣體分析作為一種經典的化學式手動分析器,具有價格便宜的優點,但該方法是手動操作，精度低、速度慢，已不能適應工業發展需要。近年來色譜分析儀得到推廣，但是色譜分析儀需要對氣體進行分離后再檢測，很難實現實時在線。紅外氣體分析儀在我國使用多年，但是以往技術往往只能在一套分析儀器分析單一組分，不僅價格昂貴，維修復雜，而且氣體之間的相互干擾也沒法消除。因此有必要研制一種高效、準確、價格合理的分析儀器用于氣體成分的多組分快速或在線監測。本文介紹一種采用新型的電調制紅外多組分紅外氣體分析方法，長壽命電化學O2傳感器開發的集成化多組分氣體分析儀。

??? 2、多組分氣體分析儀原理

??? 2．1紅外線多組分氣體分析（CO2、CO、NO、SO）

??? 當紅外光通過待測氣體時,這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收,其吸收關系服從朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設入射光是平行光,其強度為I0,出射光的強度為I,氣體介質的厚度為L。當由氣體介質中的分子數dN的吸收所造成的光強減弱為dI時,根據朗伯--比爾吸收定律:dI/I=-KdN，式中K為比例常數。

??? 經積分得:lnI=-KN+α(1)，

??? 式中:N為吸收氣體介質的分子總數;

??? α為積分常數。顯然有N∝cl,c為氣體濃度。

??? 則式(1)可寫成:

??? I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL)(2)

??? 式(2)表明,光強在氣體介質中隨濃度c及厚度L按指數規律衰減。吸收系數取決于氣體特性,各種氣體的吸收系數μ互不相同。對同一氣體,μ則隨入射波長而變。若吸收介質中含i種吸收氣體,

??? 則式(2)應改為:

??? I=I0exp(-l∑μici)(3)

??? 因此對于多種混合氣體，為了分析特定組分，應該在傳感器或紅外光源前安裝一個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體濃度變化。

??? 以CO2分析為例，紅外光源發射出1-20um的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經過一個4.26μm波長的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監測透過4.26um波長紅外光的強度，以此表示CO2氣體的濃度，如果在探測器端放置一種具備四元的探測器，并配備四種不同波長的濾光片，則在一臺儀器內就可以完成對氣體成分中CO2、CO、SO2、NO的同時測量2．3電化學O2分析

??? O2是一個安全參數，也是過剩空氣系數的一個重要參數。本儀器采用了一種長壽命（6年）的電化學O2傳感器，該傳感器實際上是一種微型電流發生器，配合高精度的前置放大電路，直接輸出與濃度對應的電壓進入儀器測控系統。

??? 3多組分氣體分析儀特點儀器包括用于CO、CO2等的NDIR紅外氣體探測器，以及O2探測器。

??? 3．1儀器測控系統

??? 為了實現對氣體濃度的測量、控制以及自動標定以及對不同組分的干擾校正等功能，需要一個合適的微控制器來管理傳感器。本研究采用ADI公司最新推出的ADuc842系統。ADuc842是一個全集成的12位數據采集控制系統，除含有8路12為A/D外，還具有2路D/A、8052內核、64K程序儲存器以及UART、I2C、SPI等串行I/O等功能。ADuc842集如此強大的模擬與數字功能與一體，作為多組分氣體分析儀測控系統具有體積小、功耗低、性價比高等優勢。

??? ADuc842通過采集參考和測量四路紅外信號，一路TCD熱導H2傳感器信號，以及2路電化學傳感器信號，通過測量標準氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得到測量氣體的濃度，并通過ADuc842系統的串口每1秒向外部設備發送測量濃度數據。在ADuc842多余的數據線和地址線基礎上，設計了液晶顯示驅動模塊、打印驅動模塊、鍵盤輸入模塊、氣泵控制、報警等接口，以便操作分析儀器。通過采用以上技術，在一臺分析儀器內實現了以往需要6臺分析儀才可完成的工作。

??? 3．2電調制紅外光源

??? 傳統的紅外氣體分析儀采用連續紅外熱輻射型光源，如鎳锘絲、硅碳棒等紅外加熱元件,其發出紅外光的波長在2～15μｍ之間，由于其熱容量大，通常采用切光片對光源進行調制。因此需要一個同步電機帶動切光片旋轉，其缺點在于存在機械轉動。抗振性差，攻耗大，不適合于便攜設備；其次為保證調制的頻率，還需要嚴格同步的電機以及驅動電路，使得系統復雜化，成本也大大增加。本研究采用了國際上最新研制的一種類金剛石鍍膜紅外光源。該光源采用導電不定型碳（CAC）多層鍍膜技術，熱容量很低，因此升降溫速度很快，其調制頻率最高可以達到200Hz，新型電調制光源的使用，使得紅外氣體分析技術在儀器體積、成本、性能等方面都有實質性的提高。

??? 3．3氣體干擾校正

??? 從原理上講，CO，CO2之間由于采用了特征波長，彼此測量間沒有相互干擾，但是由于受當前濾光片生產工藝的限制，濾光片具有一定的帶寬，CO與CO2，以及CO2與參考通道之間具有一定的干擾（Crosstalking,Overlap）,因此成分之間具有一定的干擾，如果不加以校準，測量的誤差將達到10%以上，很難達到工業應用的要求，如按照單一標準氣體CO2標定后，如果通入不含CO2的70%的CO進入儀器，CO2讀數將達到7%左右。為了消除紅外分析氣體之間的相互干擾，本儀器設置了10點標定程序，采用計算機算法得到了氣體干擾校正方法，通過該方法的使用，可以使得CO、CO2的精度可以達到2%以上。通過本研究也說明，采用以往單一組分紅外氣體分析儀組成的氣體分析系統，如果直接采用測量讀數，將可能得到很不準確的測量結果。

??? 通過以上技術的采用，多組分氣體分析儀可以實現以下組分和精度的測量

??? 水泥廢氣分析儀技術參數

??? 組分COCO2NOSO2O2

??? 量程2000PPM5%，15%40%5000PPM2000PPM25%

??? 精度FS2%2%2%2%3%

??? 漂移FS1%1%1%1%2%

??? 四、結論

??? （1）通過采用新型電調制紅外光源，省卻了以往紅外氣體分析儀器復雜和昂貴的電機調制系統,大大降低了系統成本和功耗。實現了CO、CO2、NO、SO2的同時測量。

??? （2）通過采用長壽命的O2S電化學氣體傳感器與紅外氣體測量的組分，實現了氣體多組分的同時在線測量。

??? （3）紅外測量組分間由于受濾光片帶寬的限制，存在一定的相互干擾，通過計算機校正算法可以將組分的測量精度提高到2%以上，這也說明，以往單一組分的紅外氣體分析儀直接用于氣體分析，很可能造成測量數據不準確。

??? 水泥窯廢氣在線監測技術與設備的發展與應用

??? 當前在水泥工業生產現場使用的廢氣在線監測系統通常是由采樣頭、樣氣預處理系統、分析系統和數據處理與傳輸系統四大部分構成的。其中采樣頭和樣氣預處理系統常常連為一體，統稱為取樣系統。

??? 1取樣系統

??? 因此取樣系統除了采集樣氣外，還要負責對樣品進行降溫、除塵和除濕等處理；如果需要濾掉某些干擾組分，也應在取樣系統中進行。而且，這些處理過程要盡可能地快，以免延長分析滯后時間。取樣系統的技術含量很高。

??? 2分析系統

??? 分析系統是監測設備的核心，其測量精度和速度決定著監測的效果。同時，由于生產現場條件比較惡劣，只有能夠長期穩定工作的過程分析儀器才能用于爐氣的在線監測。按照能夠同時分析的成分多少，過程分析儀器可分為單指標和多指標兩類。

??? 2.1單指標分析儀器

??? 單指標分析儀器是利用成分的特殊物理或化學性質設計的，通常僅選擇性地分析所測定混合氣體中的一種成分。普遍的特點是技術成熟、結構簡單，同時成本較低。在氣化發生爐應用的此類儀器有以下幾種：

??? （1）氧化鋯氧量分析儀，

??? （2）磁式氧分析儀，

??? （3）熱導式氫分析儀，

??? （4）紅外分析儀，

??? （5）傳感器類分析儀。

??? 2.2多指標分析儀器

??? 絕大多數通過爐氣信息實施控制的工藝所涉及的氣體種類都不止一種。因此，多指標的分析儀器更有實際應用的價值。常用的多指標分析儀器有以下幾類：

??? （1）工業氣相色譜儀：工業氣相色譜在爐氣分析中應用最多，氣體組分按H2、N2、CO和CO2的順序依次被測定。除了國內少數高爐仍采用該方法之外，工業氣相色譜儀逐漸被組合式分析系統或質譜儀代替。

??? （2）組合式分析系統：適于測定組分數小于4種的工藝過程，其實時性遠優于工業氣相色譜儀；其成本又遠低于質譜儀。因此，對于爐氣中CO、CO2和H2的在線監測、煤制粉過程中CO和O2的在線監控等領域應用較廣。

??? （3）工業氣體質譜儀：質譜儀以物質離子的質荷比作為判據進行定性和定量分析。氣體質譜儀通常采用電子轟擊方式離子化，所有物質都有特征的解離方式。因此，從原理上講，質譜是一種”萬能”儀器。

??? 作者：熊友輝

??? 來源：武漢四方光電科技有限公司