磨机入口O2/布袋出口O2/煤粉仓CO激光分析系统技术方案

    1.系统设计思路

高炉喷煤，特别是喷吹高挥发性、强爆炸性的烟煤时，安全性差。因此必须采用先进的安全保护措施。实时响应的气体在线分析仪的应用可确保高炉喷煤系统的安全，分析系统通过对高炉喷煤系统中的煤磨机入口的O₂浓度进行在线检测，以保证煤磨机的安全；通过对布袋除尘出口O₂浓度进行检测，以实时反映煤磨机与布袋出口间的管道泄漏信息；通过对煤粉仓的CO₂浓度进行实时的监测，从而反映煤粉仓CO的聚集信息并提供相应的安全操作控制依据。

考虑到项目的上述需求，我们采用2套SLAS-100型激光式氧气在线分析系统分别在线分析磨煤机入口和布袋出口的O₂的浓度。采用1套SLAS-100型激光式一氧化碳在线分析系统，在线分析煤粉仓的CO浓度。SLAS-100- O₂可原位安装、实时测量，SLAS-100-CO在经过简单预处理后，进入分析处理阶段，因此很好的解决了响应速度、测量精度和维护标定等问题，是一个高性价比的解决方案。

2.技术来源

SLAS-100型半导体激光在线分析系统系新泽仪器研发设计制造。 所提供设备的技术来源于中国科学院、中国工程院、英国剑桥大学、德国海德堡大学的科研成果，有相当成熟的专业生产分析仪的实践应用经验，系统采用原装进口与国产相结合，分析系统和分析仪具有国际领先水平。

新泽仪器有一批懂技术、熟悉现场、工作效率高的工程技术人员和现场服务人员，并能长期保障所供设备（国内、国外）备品备件的供应，有效地解决了用户的后顾之忧。有着国内外各行业的供货业绩和丰富的现场投运经验。

3. 系统测量原理

SLAS-100型半导体激光气体分析系统，基于国际领先的半导体激光吸收光谱技术（DLAS），即“单线光谱”测量技术。具体来说，就是通过测量具有某一特定吸收谱线的激光束在穿过被测气体时发生的衰减信息，并根据激光强度衰减与被测气体含量间的正比关系，分析获得被测气体的浓度。

与非分光红外气体分析技术相同,DLAS技术也是一种吸收光谱技术，它利用Beer-Lambert关系来定量分析半导体激光能量被被测气体选择吸收产生的衰减来获得气体的浓度。与传统非分光红外分析技术使用谱宽很宽且固定波长的红外光源不同，DLAS技术使用谱宽非常小(也就是单色性非常好) 且波长可调谐的半导体激光器作为光源。因此，DLAS技术具有传统非分光红外分析技术无法实现的一些性能优点。

n 不受背景气体交叉干扰

半导体激光器发射的激光谱宽小于0.0001nm，是红外光源谱宽的1/10⁶，远小于红外光源谱宽和被测气体单吸收谱线宽度，其频率调制扫描范围也仅包含被测气体单吸收谱线（半导体激光吸收光谱技术也因此被称为单线光谱技术），因此成功消除了背景气体交叉干扰影响。

n 不受粉尘和视窗污染干扰

非分光红外气体分析仪在分析粉尘含量较大的气体时，粉尘和被污染的光学元件会引起气室透光率的变化，而固定波长的光源又无法区别气体和粉尘的吸收，因此无法自动修正粉尘对光学元件的污染影响。而半导体激光的波长可通过调制工作电流而被扫描，使激光波长既扫描过有气体吸收的区域，也扫描过没有气体吸收的区域。DLAS技术通过激光波长扫描技术修正了粉尘和视窗污染对测量的影响。

n 不受被测气体环境参数变化干扰

被测气体环境参数—温度或压力变化通常导致谱线强度和展宽发生变化，对温度或压力信号不加修正就会影响测量结果。而DLAS技术是对被测气体单一吸收谱线进行分析，因此可较容易地对温度、压力效应进行修正。为此SLAS-100型系统内置了温度和压力自动修正功能，能根据实际测量得到的被测气体温度和压力对气体成分测量值进行自动修正，从而可实现精确的在线气体分析。

综上所述，单线光谱技术、激光波长扫描技术和环境参数自动修正技术使DLAS技术可以被用于实现气体的原位分析，因此比非分光红外等传统采样气体分析系统具备更强的环境适应性。并且由于激光气体分析系统省却了采样预处理装置，结构简单、无运动部件，维护标定方便、可靠性高，响应速度快而准确，大大提升了在线过程气体检测的水平。

4. 系统结构介绍

发射单元：由激光发射装置、光学部件、发射箱体等组成。主要功能是发射调制激光束，该激光束通过被测气体到达接收单元。

接收单元：由光电传感器、光学部件、信号放大板、接收箱体等组成。光电传感器接收通过气体环境的激光束，并将激光强度信息实时传送给PLC或DCS系统。

机械连接单元：由根部阀、焊接法兰、仪器法兰等组成。其作用是通过法兰和锁箍连接将发射单元和接收单元安装在过程气体管道上。

吹扫系统：由精密过滤器、减压阀、流量计、箱体等组成。通过向机械连接单元管道内吹入高纯工业氮气，在光学视窗前形成气幕保护，从而防止光学视窗被过程气体污染，保证仪器正常运行。

5. 磨机入口和布袋出口O₂分析系统

根据该项目要求，磨机入口和布袋出口O₂分析系统采用山东新泽仪器有限公司的SLAS-100型原位在线式激光过程气体分析系统检测O₂含量。SLAS-100型原位在线式激光过程气体分析系统是结合多年的激光气体分析产品的开发和应用经验，集成半导体激光吸收光谱、激光器波长自适应、一体化防爆、GPRS等多项创新技术，推出的新一代激光过程气体分析产品。该系统的发射和接收单元直接安装在工业管道上，整个系统由于无预处理及运动部件，使得其相对于传统红外等分析系统，运行的稳定性和可靠性大大增强，响应时间快，并且维护标定工作量和运行费用大大降低。

6. 煤粉仓CO分析系统

煤粉仓CO分析系统是由一套取样探头、一整套预处理系统、一套SLAS-100-CO分析仪、及辅助附件组成，预处理系统安装在一个标准机柜内。

煤粉仓过程气体在射流泵的抽取下，经采样探头去除大颗粒粉尘、经精密过滤器过滤小颗粒粉尘后直接送入旁路测量管，测量管一端的发射单元发射出特定频率的激光，穿过测量管并被另一端的接收单元接收。接收单元在接收到衰减的激光后，通过对测量信号的分析处理，得到被测气体浓度并输出，样气高空排放，或排至其它安全区域。

系统方案图

煤粉仓CO在线分析系统图

7.系统特点

n 无需采样，现场测量

n 隔爆防爆 (ExdIICT5), 比较正压防爆系统安全系数更高,

n 响应速度快（<1s），测量精度高（≤±1%）

n 检测气体的温度可以高达1500℃

n 操作维护方便，运行费用低

n 不受复杂背景气体交叉干扰

n 工作环境温度：-30℃～80℃

n 激光频率扫描技术，自动修正粉尘及光学视窗污染对测量浓度的影响

n 结构简单紧凑、可靠性高

n 模块化设计，可现场更换所有功能模块

n 安装方便,安装时系统自动对焦,效率及准确度高

n 环境参数变化自动修正技术,消除气体环境参数(温度和压力等）变化对测量的影响

n 数字通讯包括RS485、CAN、或可选GPRS等

技术指标

智能化网络

SLAS-100型激光过程气体分析系统, 集成多项数据通讯技术，用户即可通过GPRS模块与掌上电脑等无线数据终端进行无线通讯，也可以通过探头内置的RS485、CAN接口，通过选配的信号传输单元或中央控制单元实现多探头的集中管理和远程无线通讯功能，实现激光过程气体分析系统的多测点、多组份的网络化管理。

8. 激光现场在线气体分析系统技术难点与创新

在国内，研发的半导体激光在线分析系统, 在技术上超越了，还没有第三家公司有实力去研发生产激光现场在线气体分析系统。作为全球领先的激光在线气体分析系统的开发和供应商，新泽仪器公司解决了以下技术难点：

①微弱信号检测技术和电磁兼容技术

为了提高检测灵敏度，除了降低上面提到的光学Etalon噪音外，还要降低各种电磁干扰噪音。为此研发了高性能的微弱信号检测技术（低噪音设计、采用锁相放大技术）和电磁兼容技术（如良好接地、电缆线屏蔽等）。

②高性能半导体激光电流源技术

半导体激光器非常容易被浪涌电流和高频电磁辐射损坏，为此新泽仪器开发了用于各工业现场的低噪音半导体激光电流源技术，在半导体激光电流源电路中设计大量保护电路模块来抑制各种原因产生的浪涌电流和电磁辐射。同时，还通过降低激光电流源的噪音来降低激光强度噪音，从而提高系统的检测灵敏度。

③半导体激光吸收光谱技术

解决包括半导体激光波长锁定技术（使激光频率长时间稳定在吸收谱线频率处）、高灵敏度的调制光谱检测技术、光学Etalon噪音有效抑制方法等，并建立和完善了重要工业气体成分的吸收光谱数据库（吸收谱线位置、不同温度下的压力展宽、吸收谱线线强及其与温度的关系等）等。

④吸收光谱信号分析算法

SLAS-100型激光在线气体分析系统，实现了从测量获得的调制光谱信号中直接提取谱线展宽的数字信号处理方法，从而可以准确修正气体组分变化对气体浓度测量的影响。很多时候，光学Etalon噪音或其他噪音的频率与信号频率接近，而新泽仪器研发的、适用于这种情况下的噪音抑制算法，大大提高了恶劣工况下激光在线气体分析系统的检测灵敏度和可靠性。

新泽仪器不仅掌握世界尖端科技——激光吸收光谱技术，可以解决和突破以上难点，而且与现有其他分析系统相比，新泽仪器研发生产的激光在线气体分析系统还实现了以下技术创新：

I、在使用光谱技术测量气体成分时，如果气体组成、温度和压力发生了变化，则气体的谱线展宽就会相应变化，从而影响测量的准确性。国外同类产品都是通过测量气体温度、压力，并且估计测量环境中的气体组成来计算谱线展宽，从而对测量气体成分进行修正。这种修正策略的难点在于无法准确估计测量环境中的其他气体组成，从而造成测量误差。对于此难点，新泽仪器在国际上率先实现了通过数字信号处理的方法直接从检测的调制光谱信号中准确提取谱线展宽，从而避免了谱线展宽变化导致的测量误差。

II、开发的半导体激光在线气体分析系统实现了气体浓度的现场、连续测量，避免了背景气体的交叉干扰，自动修正粉尘、视窗污染所带来的数据误差。由于采用非接触式光学测量而适用于强腐蚀、高温、高压、高粉尘的恶劣环境，解决了现有常用采样方式“在线”分析系统的弊病。该技术创新点经鉴定为国内首创、国际先进。

III、国际上现有同类产品一般都只有4～20mA电流、RS485、CAN等数据输出方式，新泽仪器的激光现场在线气体分析系统除了以上方式外，还开发了可选配的无线数据传送模块GPRS，使本产品具有无线网络传输功能。该无线数据传输模块可以实现：对仪器内嵌程序版本实现无线远程升级；分析信息、数据的远程传输；远程收集系统工作状态，实时设置仪器参数等。

与国内外同类产品比较

与国内外同类产品相比，SLAS-100型系列激光在线分析系统在软硬件方面也具有明显优势：

①SLAS-100型系列产品可选配GPRS无线数据传输模块，通过该模块，新泽仪器可为用户提供远程程序升级、设置和优化分析系统参数等服务。

②具有自动谱线展宽修正功能，分析气体浓度时不受被测气体环境中气体组成变化的影响，可应用于气体组成有较大变化的场合。

③国外引进关键技术和部件，国内进行研发并量身定制，充分考虑了国内用户的现场工况和供货需求，为项目的按期、顺利实施也提供了有效保障。

4其他比较如下表：