基于高溫蒸汽射流技術的焦爐煤氣可調諧半導體激光測氧系統(tǒng)研究

郭亮亮

摘要：基于高溫蒸汽射流技術的焦爐煤氣可調諧半導體激光測氧系統(tǒng)是專門為電捕焦油器氣體成分在線連續(xù)檢測O2含量而設計的配套系統(tǒng)，采用可調諧半導體激光吸收光譜技術，實現氣體的快速、精確、高靈敏度抽取測量。該系統(tǒng)可實時檢測焦化生產過程中產生的有害氣體，根據檢測結果對生產過程進行控制和優(yōu)化，提高資源利用率，降低有害氣體的排放量，保護大氣環(huán)境。

關鍵詞：高溫蒸汽;可調諧半導體;激光測氧

0 引言

隨著我國經濟不斷發(fā)展，煤化工行業(yè)呈現出較強的增長勢頭，但是煤化工生產過程中存在著一些安全隱患。為更好地凈化所需煤氣，避免堵塞、腐蝕后序工藝設備及煤氣管道等，現階段國內大型焦化企業(yè)普遍采用電捕焦油器清除焦油霧。電捕焦油過程中如果氧含量和煤氣的混合比例達到爆炸極限時，就會發(fā)生爆炸，所以研究一套先進的、可靠的測氧系統(tǒng)尤為必要。

可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術利用激光能量被氣體分子“選頻”吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體濃度。由半導體激光器發(fā)射出的特定波長的激光束（僅能被被測氣體吸收）穿過被測氣體時，激光強度的衰減與被測氣體的濃度成一定的函數關系。因此，人們通過測量激光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度。TDLAS技術可實現對O2、CO、CO2等多種氣體的自動檢測，適用于鋼鐵、焦化、石化、環(huán)保、生化、航天等各領域。

1 焦爐煤氣可調諧半導體激光測氧系統(tǒng)構成

基于高溫蒸汽射流技術的焦爐煤氣可調諧半導體激光測氧系統(tǒng)是專門為電捕焦油器氣體成分在線連續(xù)檢測O2含量而設計配套的測量系統(tǒng)。它集機、電、儀于一體，具有較高的可靠性。高精度傳感器與先進的測量技術和精良的取樣預處理相結合，組成了功能完善、安全可靠、維護量小、操作簡便、使用壽命長的過程分析系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要包括高溫蒸汽射流系統(tǒng)、可調諧半導體激光測氧系統(tǒng)、反吹系統(tǒng)、超限報警系統(tǒng)。激光測氧系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.1? ? 高溫蒸汽射流系統(tǒng)

（1）采樣探頭。在氣體測量預處理系統(tǒng)中，采樣探頭是樣氣處理系統(tǒng)最重要和最關鍵的樣氣處理部件，根據不同工業(yè)生產過程中差別巨大的取樣條件，就一定有不同的針對性極強的采樣探頭。煉焦過程中會產生大量的焦油、萘等物質，它們在常溫狀態(tài)下屬于黏稠物質，并且萘易結晶，如果采樣過程中溫度過低，會形成油狀黏稠物附著在探頭上，堵塞探頭。本系統(tǒng)針對焦爐特有的工況，采用高溫蒸汽射流探頭，能提高樣氣溫度，大大減少黏稠物質附著在探頭上。

（2）水洗裝置。焦油、萘等物質通過采樣探頭后，必須將焦油和萘去除，否則會堵塞采樣系統(tǒng)或者分析儀器。本系統(tǒng)設計的水洗裝置，不僅可以高效去除焦油和萘等黏稠物，還能降低氣體溫度。

（3）制冷過濾裝置。本系統(tǒng)主要采用電子制冷方式，降低樣氣溫度，去除樣氣中的水分，再通過膜式過濾器過濾掉所有雜質及水，保證通入分析儀的氣體是潔凈的，不含水及顆粒物雜質。

1.2? ? 可調諧半導體激光測氧系統(tǒng)

TDLAS技術是通過改變激光的溫度或電流進行激光波長的調諧，獲得被測氣體的吸收光譜，從而對氣體濃度進行分析測量的技術。本系統(tǒng)采用激光波長調諧光譜分析技術（WMS），通過分析氣體的“二次諧波”實現氣體濃度分析。系統(tǒng)通過溫度控制技術將激光波長控制在某個“基線”，然后通過施加“斜坡電流”信號掃描氣體吸收線，掃描信號包含一定頻率的正弦波載波信號，探測器端接收到氣體的吸收信號，通過提取載波信號的二次諧波來實現氣體濃度的測量。系統(tǒng)測量功能框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)采用激光光譜吸收原理，利用可調諧半導體激光器的激光光源發(fā)出的光束通過含有待測樣氣的測量氣室，出射光通過聚焦透鏡后，右探測器接受并轉化為光電信號，經過放大電路、諧波電路等，計算出氧氣的含量。

可調諧半導體激光吸收光譜技術是一種快速、精確、應用廣泛的氣體檢測技術，基本原理是一束可調諧光束經校準后直接穿過測量區(qū)域，在特定波長處由于氣體的吸收，光束強度發(fā)生變化，在探測端通過得到的探測吸收信號計算測量區(qū)域氣體的濃度?？烧{諧激光吸收光譜技術主要包括兩個方面：波長掃描直接吸收技術和波長調制技術。

（1）波長掃描直接吸收技術。

波長掃描直接吸收測量是基本的TDLAS測量方法，半導體激光器在激光控制器作用下輸出頻率位于氣體特征譜線附近的光束，在激光控制器上加載一定頻率的掃描電壓，周期性地改變輸入激光控制器的電流，使激光器連續(xù)掃描，形成調諧光束。在探測端，通過探測器得到經氣體吸收后的光強信號，通過光強信號計算測量區(qū)域氣體的濃度。

系統(tǒng)通過光譜吸收探測到的吸收信號可以直接計算出測量區(qū)域的氣體濃度值，不需要對測量結果進行標定，結果形象直觀。在結果擬合過程中，合理確定激光強度對探測結果精度影響很大，通常情況下利用無氣體吸收時的激光信號進行多項式擬合計算。探測得到的吸收信號橫坐標是時域單位，實際擬合計算時需要在頻域單位上進行計算，因此測量時通常在相同的儀器參數設定情況下，通過標準干涉儀進行時域和頻域轉換計算。

（2）波長調制光譜基本原理。

在激光器的驅動電流上疊加一個慢掃描信號和一個快變的調制信號，對激光器的輸出波長進行調制。當光束通過樣品池時，在有吸收線的頻率上，光電信號可以利用鎖相放大器進行諧波檢測，獲得氣體吸收的信息。

各次諧波與吸收氣體濃度均成正比，因而每個分量都可以作為檢測信號用以反饋氣體濃度，但商用的鎖相放大器通常具有一次和二次諧波分量檢測功能，并且信號幅值隨諧波階數增加而減小，故通常選擇二次諧波分量（2f ）作為檢測信號，不選擇一次諧波分量的原因是其峰值位置偏離中心波長，且受幅度調制影響較大。

1.3? ? 反吹系統(tǒng)

可調諧半導體激光測氧系統(tǒng)的主要功能是準確測量氧氣的含量，但是管道內氣體成分比較復雜，抽取式測量氧氣的探頭、管路和氣室運行一段時間后都會有粉塵、焦油殘留在探頭、管路和氣室壁上。如果長時間不清理，就會造成采樣探頭、管路和氣室堵塞，對測量造成嚴重影響，為了減少系統(tǒng)維護量，設置反吹系統(tǒng)是必不可少的。電捕焦測量氧氣的反吹系統(tǒng)不能用空氣作為反吹的動力源，因為空氣中含有1/5的氧氣，用壓縮空氣會提高管道中的氧含量，對管道煤氣產生二次污染，所以必須用潔凈的氮氣。

1.4? ? 超限報警系統(tǒng)

電捕焦對氧氣的含量要求不能超過0.6%，當測量氧氣的值接近這個限值時，分析系統(tǒng)就會發(fā)出聲光報警。過程分析系統(tǒng)可同時輸出4～20 mA信號至工廠的DCS系統(tǒng)，工程師可實時對氧含量進行觀察。

對氣體進行定量測量時，通常都是通過測量環(huán)境光譜和“零氣”譜得到。對于開放光路而言很難得到理想背景光譜，尤其是在低濃度時，環(huán)境信號信噪比又比較低，因此在進行進一步的信號處理前，首先要平均信號，提高信噪比。另外，疊加在實際激光電流上的噪聲（包括尖峰、寬帶干擾、漂移）會引起激光頻率變化，解決此問題的方法一種是通過減少輸出帶寬，改善激光電流，但這受系統(tǒng)掃描頻率的限制;另一種方法是修正信號在觀測期間產生的即時偏差，每條光譜的采樣點數越多，則通過修正算法得到的精度越高。

1.5? ? 數據處理

疊加在激光電流上的不連續(xù)頻率干擾會引起信號的漂移，如果直接對信號進行平均處理，會使光譜發(fā)生變化，從而降低系統(tǒng)的性能。激光反復調諧后通過吸收線時，必須對所有波長漂移進行補償，在TDLAS中這個過程稱為“鎖線”。所以需要通過一定的算法處理來減小或消除干擾信號造成的譜線漂移影響。

對于開放光路系統(tǒng)的測量，鎖線算法因為只考慮到整個光譜中有限的一個或幾個點而受到一定的限制，原因是有限的采樣點可能受到光學或電子學噪聲的影響，在確定光譜吸收線中心位置時可能會引起較大的不確定性，利用相關算法，計算譜線的所有采樣點，可以極大地降低測量結果的不確定性。

1.6? ? 自適應算法

對于TDLAS系統(tǒng)，與被測氣體光譜寬度相當的寬度條紋是進行精確測量的最大障礙。采用掃描調制和諧波探測相結合的方法可以提高信噪比，但處理過程容易受到時間變化的干擾。諧波檢測系統(tǒng)減少噪聲、提髙信噪比至少需要3個最基本的要素：首先是控制激光位置，然后是提高信號平均信噪比并對環(huán)境光譜的快速波動進行平滑處理，再將經過處理后的信號送入數字濾波器。在不清楚采樣背景對光譜的影響，以及存在疊加信號隨時間變化等未知的干擾時，可以通過使用自適應算法得到較為準確的測量濃度值。

系統(tǒng)通過自適應算法，可在不清楚干擾噪聲的統(tǒng)計特性的情況下，通過逐次迭代的方式，將自身的工作狀態(tài)自適應地調整到最佳狀態(tài)，對抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲均可達到良好的效果。

2 解決的關鍵問題

2.1? ? 高精度、低噪聲激光波長調諧技術

該系統(tǒng)通過采用精密電子技術，可實現對激光器溫度的精密控制;通過對激光器工作電流的精密控制，可實現對激光波長的精密調諧，使得溫度控制穩(wěn)定度達到10 mK精度。自主研發(fā)設計的核心電路控制系統(tǒng)、激光驅動器和溫度控制電路，具有性能強、控制精度高、安全可靠、成本低的優(yōu)勢。

2.2? ? TDLAS激光光譜分析技術

該系統(tǒng)采用先進的激光波長調制光譜分析技術，可實現對氣體濃度的反演測量，提高系統(tǒng)測量精度，使系統(tǒng)測量精度達到百萬分之一級。

2.3? ? 高性能數字信號處理嵌入式平臺處理技術

焦爐煤氣可調諧半導體激光測氧系統(tǒng)屬于精密光電儀器，需設計一套高速數字信號處理平臺，高速采集測量信號，實現高速數字信號處理、嵌入式軟件設計、支持復雜的數字信號處理、高速數字信號濾波等功能。

3 結語

本文研制了能夠實時檢測焦化生產過程中電捕焦前氧氣含量的分析儀，采用可調諧半導體激光吸收光譜技術，實現氣體的快速、精確、高靈敏度抽取測量。該系統(tǒng)通過對焦化生產過程產生的有害氣體進行實時檢測，根據檢測結果對生產過程進行控制及優(yōu)化，提高資源能源利用率，降低有害氣體的排放量。該系統(tǒng)通過不斷優(yōu)化完善設備性能，已在部分焦化廠進行測試，測試過程中設備運行情況良好，在創(chuàng)造良好社會效益的同時，也為企業(yè)帶來了一定的經濟效益。

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