多組分檢測：讓煤氣分析再簡單一點

煤的氣化是我國煤化工工業的重要組成部分，特別是在石油資源日益緊張的條件下顯得更加重要。煤氣成分的檢測分析是氣化爐優化控制的前提，也是煤化工行業其他工序的重要參數。此外，高爐、轉爐，焦爐以及玻璃，陶瓷等工業領域也經常需要進行煤氣成分的檢測。

本文將詳細介紹一種采用新型的電調制多組分紅外氣體分析方法，配合發展的 MEMS 技術熱導 TCD 氣體傳感器以及長壽命電化學 O₂、H₂S 傳感器開發的集成化多組分煤氣分析儀Gasboard-3100的技術應用。希望對你從事煤氣成分檢測有所裨益。

1.紅外線多組分氣體分析

上圖為 NDIR 紅外氣體分析原理圖：以 CO₂分析為例，紅外光源發射出1-20um的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經過一個4.26μm 波長的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監測透過4.26um 波長紅外光的強度，以此表示 CO₂氣體的濃度，如果在探測器端放置一種具備四元的探測器，并配備四種不同波長的濾光片，如CO₂、CO、CH₄以及參考的濾光片，就可在一臺儀器內完成對煤氣成分中 CO₂、CO、CH₄的同時測量。

煤氣分析儀Gasboard-3100紅外測量部分技術在一體化的四元探測器上安裝有四個不同的濾光片（CO₂、CO、CH₄、參考），可實現對三種氣體的同時測量（如下圖）。

濾光片一體化四元紅外探測器

2.MEMS 技術熱導 TCD分析

目前國內 H₂分析大都采用雙鉑絲熱敏元件制成的熱導元件，體積大精度低，傳感器的死區（Dead space）大。煤氣分析儀Gasboard-3100采用了發展的基于MEMS技術的TCD氣體傳感器，只需要加上合適的電壓就可以輸出一個與濃度對應的毫伏級信號。

3.電化學氧氣、硫化氫分析

在煤氣成分分析中，O₂是一個安全參數，有些時候 H₂S 也是一個重要參數。煤氣分析儀Gasboard-3100采用了一種長壽命（6年）的電化學 O₂傳感器和 H₂S 傳感器，該傳感器實際上是一種微型電流發生器，配合高精度的前置放大電路，直接輸出與濃度對應的電壓進入儀器測控系統。

4.多組分煤氣分析儀特點

煤氣分析儀Gasboard-3100包括用于 CO、CO₂、CH₄的 NDIR 紅外氣體探測器，測量 H₂的 TCD 熱到探測器，O₂、H₂S 探測器；ADUC842測控系統及軟件； LCD、鍵盤、打印機、氣泵、以及報警等外部裝置。

電調制紅外光源

傳統的紅外氣體分析儀采用連續紅外熱輻射型光源，如鎳锘絲、硅碳棒等紅外加熱元件,其發出紅外光的波長在2～15μｍ之間，由于其熱容量大，通常采用切光片對光源進行調制。因此需要一個同步電機帶動切光片旋轉，其缺點在于存在機械轉動。抗振性差，攻耗大，不適合于便攜設備。

其次為保證調制的頻率，還需要嚴格同步的電機以及驅動電路，使得系統復雜化，成本也大大增加。煤氣分析儀Gasboard-3100采用了上研制的一種類金剛石鍍膜紅外光源。該光源采用導電不定型碳（CAC）多層鍍膜技術，熱容量很低，因此升降溫速度很快，其調制頻率zui高可以達到200Hz，新型電調制光源的使用，使得紅外氣體分析技術在儀器體積、成本、性能等方面都有實質性的提高。

氣體干擾校正

從原理上講，CO，CO₂，CH4之間由于采用了特征波長，彼此測量間沒有相互干擾，但是由于受當前濾光片生產工藝的限制，濾光片具有一定的帶寬，CO 與CO₂，以及 CO₂與參考通道之間具有一定的干擾,因此成分之間具有一定的干擾，如果不加以校準，測量的誤差將達到10% 以上，很難達到工業應用的要求，如按照單一標準氣體 CO₂標定后，如果通入不含 CO₂的70%的 CO 進入儀器，CO₂讀數將達到7%左右。為了消除紅外分析氣體之間的相互干擾，煤氣分析儀Gasboard-3100設置了10點標定程序，采用計算機算法得到了氣體干擾校正方法，通過該方法的使用，可使CO、CO₂、CH₄的精度達到2%以上。

研究表明，采用以往單一組分紅外氣體分析儀組成的煤氣分析系統，如果直接采用測量讀數，將可能得到不準確的測量結果。同時，煤氣成分中的 CO、CH₄、N₂、O₂對 H₂的測量準確性影響不大，主要是CO₂的影響。通過大量實踐證明，CO₂對 H₂的影響是線性的，每1%含量的CO₂將降低 H₂含量為0.08%, 如果沒有 CO₂數據的校準，當 CO₂含量達到40%，則H₂的誤差將超過3%。這也充分說明，要想得到準確的煤氣成分分析結果，各組分必須同時測量。

測量流量控制

雖然紅外以及電化學氣體分析在一定程度上受測量流量影響較少，但是對于 TCD 熱導 H₂分析來說，氣體流量的穩定直接關系到 H₂的測量精度。為了保證測量流量的穩定，煤氣分析儀Gasboard-3100采用了微型的柱塞氣泵，將測量氣體壓縮到0.2Mpa, 通過氣體穩壓和穩流閥后進入氣體分析儀，這樣可以將整個氣體的測量流量維持在1L/min。流量的穩定在一定程度上，也提高了紅外以及電化學氣體測量的精度和穩定性。通過以上技術的采用，多組分煤氣分析儀可以實現以下組分和精度的測量（表1），并已經應用在包括高爐、轉爐、煤氣發生爐等工業現場，取得了良好的成績。

表1：多組分煤氣分析儀技術參數

結論

（1）通過采用新型電調制紅外光源，省卻了以往紅外氣體分析儀器復雜和昂貴的電機調制系統,大大降低了系統成本和功耗。實現了 CO、CO₂、CH₄的同時測量。

（2）通過采用 MEMS 技術的 TCD 熱導，以及長壽命的 O₂、H₂S 電化學氣體傳感器與紅外氣體測量的組分，實現了煤氣多組分的同時在線測量。

（3）紅外測量組分間由于受濾光片帶寬的限制，存在一定的相互干擾，通過計算機校正算法可以將組分的測量精度提高到2%以上，這也說明，以往單一組分的紅外氣體分析儀直接用于煤氣分析，很可能造成測量數據不準確。

（4）TCD 熱導 H₂分析必須進行 CO₂氣體的校準，否則將可能造成超過3%的誤差。因此如果僅僅采用單一 H₂分析儀而沒有其他氣體氣體的校準，以往組合式的煤氣成分監測系統很可能得不到準確的測量數據。