紅外線CO2氣體分析儀在碳化生產(chǎn)中的應(yīng)用

吳海源

（廣東南方堿業(yè)股份有限公司，廣東 廣州 510760）

在氨堿法純堿生產(chǎn)工藝中，石灰窯窯氣和煅燒爐爐氣分別經(jīng)壓縮機(jī)提壓，供碳化崗位作為中段氣（CO2濃度≥38%，壓力0.30MPa）和下段氣（CO2濃度≥70%，壓力0.38MPa）進(jìn)行制堿生產(chǎn)之用。所以在碳酸化的生產(chǎn)過(guò)程中，中、下段氣CO2濃度的準(zhǔn)確測(cè)量非常重要。

南堿公司采用紅外線氣體分析儀對(duì)CO2濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，對(duì)其故障及日常維護(hù)的探討很有必要。

1 工作原理

紅外線CO2氣體分析儀的測(cè)量依據(jù)是朗伯—比爾定律［1］。

假定被測(cè)氣體為一個(gè)無(wú)限薄的平面，強(qiáng)度為k的紅外線垂直穿透它，則能量衰減的量為：

式中：E——被介質(zhì)吸收的輻射強(qiáng)度；

E0——紅外線通過(guò)介質(zhì)前的輻射強(qiáng)度；

K——待分析組分對(duì)輻射波段的吸收系數(shù)；

C——待分析組分的氣體濃度；

L——?dú)馐议L(zhǎng)度（待測(cè)氣體層的厚度）。

對(duì)于一臺(tái)制造好了的紅外線氣體分析儀，其測(cè)量組分已定，即待分析組分對(duì)輻射波段的吸收系數(shù)K一定；紅外光源已定，即紅外線通過(guò)介質(zhì)前的輻射強(qiáng)度E0一定；氣室長(zhǎng)度L一定。從比爾定律可以看出：通過(guò)測(cè)量輻射能量的衰減E，就可確定待分析組分的濃度C了。

其物理意義是當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸收層厚度成正比。待分析組分的濃度不同，吸收的輻射能不同，剩下的輻射能使得檢測(cè)器里的溫度升高不同，動(dòng)片薄膜兩邊所受的壓力不同，從而產(chǎn)生一個(gè)電容檢測(cè)器的電信號(hào)。這樣，就可間接測(cè)量出待分析組分的濃度。

由光源發(fā)出的紅外線經(jīng)反射鏡分成兩束能量相等的平等光束，各自通過(guò)兩個(gè)氣室，一個(gè)是充以不斷流過(guò)的被測(cè)氣體的測(cè)量室，另一個(gè)是充以無(wú)吸收性質(zhì)的背景氣體的參比室。工作時(shí)，當(dāng)測(cè)量室內(nèi)被測(cè)氣體濃度變化時(shí)，吸收的紅外線光量發(fā)生相應(yīng)的變化，而基準(zhǔn)光束（參比室光束）的光量不發(fā)生變化。從工作室不斷通過(guò)待測(cè)氣樣，氣樣中的實(shí)測(cè)成分吸收了對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一部分紅外光，這樣，到達(dá)檢測(cè)電容器的左右兩檢測(cè)氣室的紅外光能量E0和E就不相等，能量差即為ΔE。采用光聲式檢測(cè)器（又稱檢測(cè)電容或微音器）把能量差ΔE變?yōu)闇囟炔?，又把溫度差變?yōu)閴毫Σ睿瑝毫Σ钷D(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘坎?，最后把電容量的變化參?shù)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大、整流濾波，電氣零位調(diào)整，線性校正，以電流在指示表頭顯示出實(shí)測(cè)氣體所含某成分的濃度值。

2 我公司CO2分析儀的使用情況

由于各種原因，1993年由德國(guó)進(jìn)口的GXH－101型CO2氣體分析儀一直達(dá)不到預(yù)期的使用效果。為此，我司于2007年購(gòu)進(jìn)兩臺(tái)由佛山分析儀廠生產(chǎn)的FQ－B型紅外線氣體分析儀（測(cè)量濃度分別為50%和100%），分別用于測(cè)量碳酸化工序中的中段氣和下段氣的CO2濃度。使用之初，由于待測(cè)氣體預(yù)處理系統(tǒng)不完善，造成兩臺(tái)儀表測(cè)量濃度值顯示波動(dòng)大，不具參考價(jià)值。2009年開始由筆者接手進(jìn)行這兩臺(tái)分析儀表的整改工作。筆者通過(guò)多方面的分析觀察，紅外線氣體分析儀是根據(jù)不同的氣體吸收不同的波長(zhǎng)的原理來(lái)進(jìn)行氣體分析的，中、下段氣主要含有CO、CO2、NH3、硫、水分等成分，在待測(cè)氣體進(jìn)入分析儀表之前，必須去除能被紅外線吸收的CO2以外的雜質(zhì)，所以待測(cè)氣體的預(yù)處理是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

3 CO2分析儀待測(cè)氣體預(yù)處理

圖1 待測(cè)氣體預(yù)處理系統(tǒng)步驟

3.1 除氨的處理

水封是利用液體靜壓強(qiáng)來(lái)密封氣體的一種裝置，起到降低及穩(wěn)定氣壓的作用，同時(shí)水封內(nèi)的水能吸收待測(cè)氣體中的氨氣成分，起到除氨的作用。原水封設(shè)計(jì)體積過(guò)小，所裝的水容量有限，且由于沒(méi)有自動(dòng)加水裝置，只依靠每天人工加水，當(dāng)加水的時(shí)候水壓的瞬間增大，違背了分析表對(duì)樣氣氣壓平穩(wěn)這一點(diǎn)的要求；水中氨濃度增大，影響水封的除氨作用，必然影響氣體的測(cè)量結(jié)果。

重新設(shè)計(jì)水封將原水封罐改為溢流水封，把直流水管接入水封，并增加一個(gè)溢流口，使水封保持一定的液位，并有小量直流水溢出，保證了水壓的穩(wěn)定，水封內(nèi)氨濃度較低，確保了水封內(nèi)的水起到去氨氣的作用。如圖2。

待測(cè)氣體經(jīng)水封的直流水吸收了一部分的氨氣外，還含有一定含量的氨氣，新增了氣體濾瓶，裝上70%的稀硫酸，進(jìn)一步去除氨雜質(zhì)，確保CO2氣樣不含氨成分。

圖2 溢流水封

3.2 待測(cè)氣體含水分的處理

水封出來(lái)的待測(cè)氣體尤其是下段氣，含水分極高，不去除水分除了影響測(cè)量結(jié)果外，還會(huì)損壞儀表。用98%的硫酸過(guò)濾并使用干燥劑CaCl2吸收水分，是很好的方法。原預(yù)處理系統(tǒng)所裝硫酸的瓶是容量為300mL的多孔氣體洗瓶，由于容量小，需要每天更換硫酸，否則會(huì)降低硫酸的吸水能力。筆者改用1 000mL的氣體洗瓶，一般三、四天才需要更換一次。經(jīng)硫酸處理后出來(lái)的待測(cè)氣體在原先用CaCl2進(jìn)行二級(jí)吸收水分的基礎(chǔ)上，再用硅膠進(jìn)行三級(jí)過(guò)濾去除水分，并定期更換，確保待測(cè)氣體不含水分。

3.3 待測(cè)氣體含硫雜質(zhì)的處理

待測(cè)氣體中所含硫的成分，與CO2一樣吸收同樣波長(zhǎng)的紅外線，導(dǎo)致紅外線的熱能減少，以致CO2的分析結(jié)果偏低。在原預(yù)處理系統(tǒng)中沒(méi)有采取有效的除硫措施。經(jīng)筆者研究實(shí)踐后認(rèn)為：采用純堿來(lái)過(guò)濾，可以達(dá)到去除所含硫雜質(zhì)的目的。即在硅膠出來(lái)的待測(cè)氣體增加一個(gè)裝有純堿的過(guò)濾瓶以去除硫雜質(zhì)，除硫后儀表測(cè)量值增加8%左右。除硫后的待測(cè)氣體新增一個(gè)過(guò)濾球過(guò)濾粉塵，確保待測(cè)氣體的純度。

3.4 CO2氣體分析儀的調(diào)試

分析表的校驗(yàn)相當(dāng)費(fèi)時(shí)，在反復(fù)的校驗(yàn)調(diào)試中，筆者總結(jié)了以下一些快捷的校驗(yàn)方法：

1）通N2氣，把量程調(diào)到“Ⅰ”檔，調(diào)零旋鈕調(diào)到“最大”，增益調(diào)到“一半”，這時(shí)刻度顯示應(yīng)在20%以下；調(diào)整光亮和平衡旋鈕，使刻度盡可能小，幾乎為零，但一般情況下都會(huì)指示在1%～2%，偏移量＝最小值×3倍，調(diào)整光亮旋鈕至刻度的3倍，如調(diào)整平衡的時(shí)候刻度為2%，則用光亮旋鈕把顯示刻度調(diào)至6%，再調(diào)整調(diào)零電位器把刻度調(diào)到“0”。此時(shí)表后的輸出電流應(yīng)為4mA。

2）通CO2氣體，把量程檔調(diào)至“Ⅲ”檔，把增益調(diào)至中間，調(diào)整量程電位器把刻度調(diào)到與標(biāo)準(zhǔn)氣相對(duì)應(yīng)的刻度（因購(gòu)回的標(biāo)準(zhǔn)氣不可能達(dá)所要求的濃度）。就調(diào)整測(cè)量中段氣50%的分析表為例，通入濃度46.7%的標(biāo)準(zhǔn)氣，指示輸出應(yīng)為93%，電流輸出應(yīng)為18.94mA。

3）反復(fù)通入N2和CO2標(biāo)氣調(diào)整零位和增益，直至不用調(diào)零和增益，使指示和輸出為相應(yīng)的數(shù)值為止，再鎖死旋鈕。按下校正桿，表頭指示數(shù)值應(yīng)在50%～70%的范圍內(nèi)，如超過(guò)就重新校驗(yàn)。

4）校驗(yàn)完后通入被測(cè)氣體，并要求化驗(yàn)人員實(shí)驗(yàn)分析，看結(jié)果與指示值是否相符。

3.5 輸出信號(hào)接入DCS的處理

輸出表頭顯示正常后，由于沒(méi)有實(shí)時(shí)記錄曲線，還是難以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行連續(xù)性的監(jiān)測(cè)。筆者利用原有碳化崗位DCS的備用模塊，把分析儀表輸出信號(hào)（4～20mA DC）接入AI模塊通道，利用動(dòng)態(tài)趨勢(shì)曲線就能清晰的監(jiān)測(cè)分析表的實(shí)時(shí)測(cè)量情況。

3.6 干擾信號(hào)的處理

有了DCS趨勢(shì)曲線記錄監(jiān)測(cè)，筆者發(fā)現(xiàn)分析表顯示時(shí)有波動(dòng)，而且沒(méi)有規(guī)律，經(jīng)多方面分析，是附近干擾信號(hào)所致，原因是分析表的接地線與檢修用焊機(jī)共用一條接地線，當(dāng)檢修工使用焊機(jī)時(shí)，產(chǎn)生了干擾儀表的信號(hào)。經(jīng)筆者提議，重新獨(dú)立設(shè)置了一條接地線，有效地隔離了干擾源后，儀表顯示曲線平穩(wěn)。

4 日常維護(hù)

1）紅外線氣體分析儀檢測(cè)過(guò)程需要在恒定的溫度下進(jìn)行。環(huán)境溫度發(fā)生變化將直接影響紅外光源的穩(wěn)定，影響紅外輻射的強(qiáng)度，直接影響儀表的測(cè)量結(jié)果。

2）每天定期用綢布擦兩氣室鏡面，并保持儀表箱內(nèi)的清潔。

3）分析表要每天通零氣調(diào)零，每半個(gè)月定期用零氣和標(biāo)氣標(biāo)定。

4）要定期用吹耳球檢查兩氣室是否有漏氣，用肥皂水檢查引氣管道是否有漏氣。

5）定期檢查電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況及定期加油潤(rùn)滑，定期檢查切片是否有松動(dòng)，如切片松動(dòng)下移會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏低。

6）定期檢查分析儀排氣孔及排氣管有否堵塞，如有堵塞的情況，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量氣室的濃度偏高，使測(cè)量結(jié)果偏高。

7）每天要檢查待測(cè)氣體進(jìn)入分析表的流量值，一般流量控制在35m3／h，如果流量偏小，應(yīng)檢查引氣氣路是否有堵塞。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上的處理，CO2濃度的測(cè)量準(zhǔn)確，中段氣一般顯示在38%～42%之間，下段氣一般顯示在70%～74%之間，每天碳化塔倒塔，CO2的濃度的顯示變化反應(yīng)很快，既對(duì)生產(chǎn)起著重要的作用，又免去了操作人員的不停取樣化驗(yàn)的繁瑣。

［1］ 武曉利，張廣軍.紅外二氧化碳傳感器動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)與改進(jìn)研究［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（1）

［2］ 陳學(xué)勤.氨堿法純堿工藝［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1989