工業氣體分析技術選型指南

文/ Ruth Lindley，Jeff Gunnell

工業氣體分析技術選型指南

文/ Ruth Lindley，Jeff Gunnell

如何選擇最適合的氣體分析技術？——除了氣相色譜儀外，量子級聯激光氣體分析儀也是工業氣體分析中非常出色的分析儀器。本文對這兩種氣體檢測方法進行了比較分析，并得出了每種氣體檢測分析技術各自最適合的應用。

提高生產能力、控制有害氣體的排放和質量保證都是對過程設備制造商提出的挑戰，也是過程設備生產企業必須每天面對的問題。當出現過程工藝變更、技術規范修訂和操作人員變動時，每一個過程行業的工程師、專家和技術人員都需要尋找性能強大且易于操作使用的新技術，以便能夠提高氣體分析效率改善整個生產運行狀況。

表 氣相色譜儀與量子級聯激光器的適用性能比較

選擇適合具體應用的檢測分析技術非常重要。在氣體分析市場中有很多不同的氣體檢測分析技術，要從中找出一種最適合某種具體應用的檢測分析技術是非常困難的。本文就最受歡迎的兩種氣體檢測分析技術——GC氣相色譜技術和QCL量子級聯激光技術的選擇給出了指導性的建議。這兩種氣體檢測分析技術都提供了很高的檢測靈敏度和檢測精度，但根據具體應用的不同和檢測要求的不同，我們對這兩種分析方法進行了對比。量子級聯激光器氣體分析儀的價格與氣相色譜儀的價格相差不多，兩種檢測分析技術方法都提供了多組分分析能力，因此在這兩種技術方法中進行選擇時，主要考慮的就是具體的應用要求。

氣相色譜分析儀

氣相色譜法是應用最為廣泛的碳氫化合物檢測分析方法。這種方法的優點包括：檢測范圍廣（從ppm到100%）、可對多種組分進行檢測以及檢測結果的再現性。過程氣相色譜是為在過程設備中進行檢測而開發的，在煉油廠、石油化工廠以及環境保護等行業中使用。在這些應用領域中，性能可靠的檢測分析儀器能夠連續并精確地對氣體或者液體進行監控。氣相色譜分析儀是一種多功能的分析儀器，能夠對液體、氣體以及大量的不同分子進行檢測。它能夠把復雜的混合組分逐一分析出來，也可以檢測異構體的濃度，原則上可以對數十種組分進行檢測分析。

量子級聯激光氣體分析儀

量子級聯激光檢測技術是一種相對較新的氣體分析技術。其原理為TDLAS可調諧半導體激光吸收光譜技術在氣體狀態下對物質的組成成分進行檢測分析的技術。量子級聯激光器具有功能強大的中紅外光的光源，因此與半導體激光吸收光譜技術相比也有著更好的性能。量子級聯激光器能夠識別許多特異組分，具有很寬的動態檢測范圍和很高的檢測精度，并且維護工作量小，使用壽命長。一般情況下，量子級聯激光分析儀可以一次完成12種組分的檢測。但這些被測組分必須是小分子氣體組分，例如二氧化碳、氨或者直至C4的烴類。當被測樣品是液體、大分子氣體或者流體中含有的組分量很大時，則氣相色譜法是正確的選擇。

檢測分析速度

在某些應用中，對分析儀的檢測分析速度有著很高的要求。在這種應用情況下，量子級聯激光分析儀比氣相色譜儀更具優勢。用量子級聯激光器進行檢測分析時，被測樣品通過測量池，在測量池中受到激光射束的連續照射和檢測分析。檢測時間的長短取決于檢測單元徹底沖洗的時間長短，一般情況下不到10 s就可以獲得90%的變化信息。它的檢測分析結果是真正的連續性檢測分析結果，顯示檢測分析的實時數據。而氣相色譜法則不同，它的工作原理是先注入樣品再對樣品進行檢測。因此氣相色譜法的檢測分析時間較長，根據檢測分析任務的不同，一個檢測分析周期的時間在1～15 min之間。這樣一來它所檢測到的濃度數據就是周期性的數據而非連續性的數據。當需要快速的、連續性的檢測分析時，量子級聯激光技術是更好的選擇。

靈敏度

在靈敏度和動態范圍方面，量子級聯激光分析儀的性能比氣相色譜儀要好。量子級聯激光分析儀可以對某些濃度只有ppb級（納克級）的混合物進行檢測。另外它的濃度檢測范圍很廣，可以在一臺分析儀中完成從ppb級到百分比級的濃度檢測，只需調整不同的光路路徑長度或者使用不同吸收強度的吸收峰即可。

在檢測樣品全部組成成分時，氣相色譜儀也是經常需要使用的檢測分析儀器。它能夠在ppm（微克級）級的范圍內完成樣品成分的濃度檢測，同時也能對比例最高為100%的主要成分進行測定。為了能夠利用氣相色譜儀完成濃度ppb級的檢測分析，通常情況下需要使用專門的進樣器以及特制的色譜柱，操作更加復雜，成本也更加昂貴。若對靈敏度要求很高，或者需要較大的動態范圍時（例如：提供過程故障可追朔性的在線純度檢測時），量子級聯激光分析儀是理想的選擇。若要檢測分析出被測樣品中的每一種組成成分（包含主要組分濃度）時，氣相色譜儀表現更好。

生命周期費用

一般情況下，量子級聯激光分析儀的使用運行費用比氣相色譜儀低。氣相色譜儀工作時需要載氣，通常是氫氣、氦氣或者是氮氣。而量子級聯激光分析儀工作時則不需要這些氣體。

量子級聯激光器非常堅固耐用，可進行多次驗證，利用被測氣體進行實時的校準標定。因此，利用標氣對量子級聯激光分析儀進行計量檢定的周期就可以是每12個月進行一次，減少頻繁標定。

綜合使其成為可能

將半導體激光分析儀與量子級聯激光分析儀結合在一起的混合型技術解決方案提供了過程工藝檢測分析和有害氣體排放監控檢測的新方案。這一解決方案提供了全面且復雜的檢測分析技術方法。因為它能完成一系列組分在ppm范圍內的濃度檢測，同時它也明顯降低了分析儀操作使用的難度和使用運行的費用。與傳統的連續性氣體檢測分析儀相比，這種混合型分析儀能夠在一臺設備中同時完成最多12種關鍵氣體成分和可能的污染物檢測分析，從而滿足了各項環保要求。

本文作者供職于Emerson公司自動化解決方案業務。