磨機入口O2/布袋出口O2/煤粉倉CO激光分析系統技術方案

    1.系統設計思路

高爐噴煤，特別是噴吹高揮發性、強爆炸性的煙煤時，安全性差。因此必須采用先進的安全保護措施。實時響應的氣體在線分析儀的應用可確保高爐噴煤系統的安全，分析系統通過對高爐噴煤系統中的煤磨機入口的O₂濃度進行在線檢測，以保證煤磨機的安全；通過對布袋除塵出口O₂濃度進行檢測，以實時反映煤磨機與布袋出口間的管道泄漏信息；通過對煤粉倉的CO₂濃度進行實時的監測，從而反映煤粉倉CO的聚集信息并提供相應的安全操作控制依據。

考慮到項目的上述需求，我們采用2套SLAS-100型激光式氧氣在線分析系統分別在線分析磨煤機入口和布袋出口的O₂的濃度。采用1套SLAS-100型激光式一氧化碳在線分析系統，在線分析煤粉倉的CO濃度。SLAS-100- O₂可原位安裝、實時測量，SLAS-100-CO在經過簡單預處理后，進入分析處理階段，因此很好的解決了響應速度、測量精度和維護標定等問題，是一個高性價比的解決方案。

2.技術來源

SLAS-100型半導體激光在線分析系統系新澤儀器研發設計制造。 所提供設備的技術來源于中國科學院、中國工程院、英國劍橋大學、德國海德堡大學的科研成果，有相當成熟的專業生產分析儀的實踐應用經驗，系統采用原裝進口與國產相結合，分析系統和分析儀具有國際領先水平。

新澤儀器有一批懂技術、熟悉現場、工作效率高的工程技術人員和現場服務人員，并能長期保障所供設備（國內、國外）備品備件的供應，有效地解決了用戶的后顧之憂。有著國內外各行業的供貨業績和豐富的現場投運經驗。

3. 系統測量原理

SLAS-100型半導體激光氣體分析系統，基于國際領先的半導體激光吸收光譜技術（DLAS），即“單線光譜”測量技術。具體來說，就是通過測量具有某一特定吸收譜線的激光束在穿過被測氣體時發生的衰減信息，并根據激光強度衰減與被測氣體含量間的正比關系，分析獲得被測氣體的濃度。

與非分光紅外氣體分析技術相同,DLAS技術也是一種吸收光譜技術，它利用Beer-Lambert關系來定量分析半導體激光能量被被測氣體選擇吸收產生的衰減來獲得氣體的濃度。與傳統非分光紅外分析技術使用譜寬很寬且固定波長的紅外光源不同，DLAS技術使用譜寬非常小(也就是單色性非常好) 且波長可調諧的半導體激光器作為光源。因此，DLAS技術具有傳統非分光紅外分析技術無法實現的一些性能優點。

n 不受背景氣體交叉干擾

半導體激光器發射的激光譜寬小于0.0001nm，是紅外光源譜寬的1/10⁶，遠小于紅外光源譜寬和被測氣體單吸收譜線寬度，其頻率調制掃描范圍也僅包含被測氣體單吸收譜線（半導體激光吸收光譜技術也因此被稱為單線光譜技術），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，粉塵和被污染的光學元件會引起氣室透光率的變化，而固定波長的光源又無法區別氣體和粉塵的吸收，因此無法自動修正粉塵對光學元件的污染影響。而半導體激光的波長可通過調制工作電流而被掃描，使激光波長既掃描過有氣體吸收的區域，也掃描過沒有氣體吸收的區域。DLAS技術通過激光波長掃描技術修正了粉塵和視窗污染對測量的影響。

n 不受被測氣體環境參數變化干擾

被測氣體環境參數—溫度或壓力變化通常導致譜線強度和展寬發生變化，對溫度或壓力信號不加修正就會影響測量結果。而DLAS技術是對被測氣體單一吸收譜線進行分析，因此可較容易地對溫度、壓力效應進行修正。為此SLAS-100型系統內置了溫度和壓力自動修正功能，能根據實際測量得到的被測氣體溫度和壓力對氣體成分測量值進行自動修正，從而可實現精確的在線氣體分析。

綜上所述，單線光譜技術、激光波長掃描技術和環境參數自動修正技術使DLAS技術可以被用于實現氣體的原位分析，因此比非分光紅外等傳統采樣氣體分析系統具備更強的環境適應性。并且由于激光氣體分析系統省卻了采樣預處理裝置，結構簡單、無運動部件，維護標定方便、可靠性高，響應速度快而準確，大大提升了在線過程氣體檢測的水平。

4. 系統結構介紹

發射單元：由激光發射裝置、光學部件、發射箱體等組成。主要功能是發射調制激光束，該激光束通過被測氣體到達接收單元。

接收單元：由光電傳感器、光學部件、信號放大板、接收箱體等組成。光電傳感器接收通過氣體環境的激光束，并將激光強度信息實時傳送給PLC或DCS系統。

機械連接單元：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射單元和接收單元安裝在過程氣體管道上。

吹掃系統：由精密過濾器、減壓閥、流量計、箱體等組成。通過向機械連接單元管道內吹入高純工業氮氣，在光學視窗前形成氣幕保護，從而防止光學視窗被過程氣體污染，保證儀器正常運行。

5. 磨機入口和布袋出口O₂分析系統

根據該項目要求，磨機入口和布袋出口O₂分析系統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檢測O₂含量。SLAS-100型原位在線式激光過程氣體分析系統是結合多年的激光氣體分析產品的開發和應用經驗，集成半導體激光吸收光譜、激光器波長自適應、一體化防爆、GPRS等多項創新技術，推出的新一代激光過程氣體分析產品。該系統的發射和接收單元直接安裝在工業管道上，整個系統由于無預處理及運動部件，使得其相對于傳統紅外等分析系統，運行的穩定性和可靠性大大增強，響應時間快，并且維護標定工作量和運行費用大大降低。

6. 煤粉倉CO分析系統

煤粉倉CO分析系統是由一套取樣探頭、一整套預處理系統、一套SLAS-100-CO分析儀、及輔助附件組成，預處理系統安裝在一個標準機柜內。

煤粉倉過程氣體在射流泵的抽取下，經采樣探頭去除大顆粒粉塵、經精密過濾器過濾小顆粒粉塵后直接送入旁路測量管，測量管一端的發射單元發射出特定頻率的激光，穿過測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，通過對測量信號的分析處理，得到被測氣體濃度并輸出，樣氣高空排放，或排至其它安全區域。

系統方案圖

煤粉倉CO在線分析系統圖

7.系統特點

n 無需采樣，現場測量

n 隔爆防爆 (ExdIICT5), 比較正壓防爆系統安全系數更高,

n 響應速度快（<1s），測量精度高（≤±1%）

n 檢測氣體的溫度可以高達1500℃

n 操作維護方便，運行費用低

n 不受復雜背景氣體交叉干擾

n 工作環境溫度：-30℃～80℃

n 激光頻率掃描技術，自動修正粉塵及光學視窗污染對測量濃度的影響

n 結構簡單緊湊、可靠性高

n 模塊化設計，可現場更換所有功能模塊

n 安裝方便,安裝時系統自動對焦,效率及準確度高

n 環境參數變化自動修正技術,消除氣體環境參數(溫度和壓力等）變化對測量的影響

n 數字通訊包括RS485、CAN、或可選GPRS等

技術指標

智能化網絡

SLAS-100型激光過程氣體分析系統, 集成多項數據通訊技術，用戶即可通過GPRS模塊與掌上電腦等無線數據終端進行無線通訊，也可以通過探頭內置的RS485、CAN接口，通過選配的信號傳輸單元或中央控制單元實現多探頭的集中管理和遠程無線通訊功能，實現激光過程氣體分析系統的多測點、多組份的網絡化管理。

8. 激光現場在線氣體分析系統技術難點與創新

在國內，研發的半導體激光在線分析系統, 在技術上超越了，還沒有第三家公司有實力去研發生產激光現場在線氣體分析系統。作為全球領先的激光在線氣體分析系統的開發和供應商，新澤儀器公司解決了以下技術難點：

①微弱信號檢測技術和電磁兼容技術

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

②高性能半導體激光電流源技術

半導體激光器非常容易被浪涌電流和高頻電磁輻射損壞，為此新澤儀器開發了用于各工業現場的低噪音半導體激光電流源技術，在半導體激光電流源電路中設計大量保護電路模塊來抑制各種原因產生的浪涌電流和電磁輻射。同時，還通過降低激光電流源的噪音來降低激光強度噪音，從而提高系統的檢測靈敏度。

③半導體激光吸收光譜技術

解決包括半導體激光波長鎖定技術（使激光頻率長時間穩定在吸收譜線頻率處）、高靈敏度的調制光譜檢測技術、光學Etalon噪音有效抑制方法等，并建立和完善了重要工業氣體成分的吸收光譜數據庫（吸收譜線位置、不同溫度下的壓力展寬、吸收譜線線強及其與溫度的關系等）等。

④吸收光譜信號分析算法

SLAS-100型激光在線氣體分析系統，實現了從測量獲得的調制光譜信號中直接提取譜線展寬的數字信號處理方法，從而可以準確修正氣體組分變化對氣體濃度測量的影響。很多時候，光學Etalon噪音或其他噪音的頻率與信號頻率接近，而新澤儀器研發的、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的檢測靈敏度和可靠性。

新澤儀器不僅掌握世界尖端科技——激光吸收光譜技術，可以解決和突破以上難點，而且與現有其他分析系統相比，新澤儀器研發生產的激光在線氣體分析系統還實現了以下技術創新：

I、在使用光譜技術測量氣體成分時，如果氣體組成、溫度和壓力發生了變化，則氣體的譜線展寬就會相應變化，從而影響測量的準確性。國外同類產品都是通過測量氣體溫度、壓力，并且估計測量環境中的氣體組成來計算譜線展寬，從而對測量氣體成分進行修正。這種修正策略的難點在于無法準確估計測量環境中的其他氣體組成，從而造成測量誤差。對于此難點，新澤儀器在國際上率先實現了通過數字信號處理的方法直接從檢測的調制光譜信號中準確提取譜線展寬，從而避免了譜線展寬變化導致的測量誤差。

II、開發的半導體激光在線氣體分析系統實現了氣體濃度的現場、連續測量，避免了背景氣體的交叉干擾，自動修正粉塵、視窗污染所帶來的數據誤差。由于采用非接觸式光學測量而適用于強腐蝕、高溫、高壓、高粉塵的惡劣環境，解決了現有常用采樣方式“在線”分析系統的弊病。該技術創新點經鑒定為國內首創、國際先進。

III、國際上現有同類產品一般都只有4～20mA電流、RS485、CAN等數據輸出方式，新澤儀器的激光現場在線氣體分析系統除了以上方式外，還開發了可選配的無線數據傳送模塊GPRS，使本產品具有無線網絡傳輸功能。該無線數據傳輸模塊可以實現：對儀器內嵌程序版本實現無線遠程升級；分析信息、數據的遠程傳輸；遠程收集系統工作狀態，實時設置儀器參數等。

與國內外同類產品比較

與國內外同類產品相比，SLAS-100型系列激光在線分析系統在軟硬件方面也具有明顯優勢：

①SLAS-100型系列產品可選配GPRS無線數據傳輸模塊，通過該模塊，新澤儀器可為用戶提供遠程程序升級、設置和優化分析系統參數等服務。

②具有自動譜線展寬修正功能，分析氣體濃度時不受被測氣體環境中氣體組成變化的影響，可應用于氣體組成有較大變化的場合。

③國外引進關鍵技術和部件，國內進行研發并量身定制，充分考慮了國內用戶的現場工況和供貨需求，為項目的按期、順利實施也提供了有效保障。

4其他比較如下表：