红外线CO2气体分析仪在碳化生产中的应用

吴海源

（广东南方碱业股份有限公司，广东 广州 510760）

在氨碱法纯碱生产工艺中，石灰窑窑气和煅烧炉炉气分别经压缩机提压，供碳化岗位作为中段气（CO2浓度≥38%，压力0.30MPa）和下段气（CO2浓度≥70%，压力0.38MPa）进行制碱生产之用。所以在碳酸化的生产过程中，中、下段气CO2浓度的准确测量非常重要。

南碱公司采用红外线气体分析仪对CO2浓度进行动态测量，对其故障及日常维护的探讨很有必要。

1 工作原理

红外线CO2气体分析仪的测量依据是朗伯—比尔定律［1］。

假定被测气体为一个无限薄的平面，强度为k的红外线垂直穿透它，则能量衰减的量为：

式中：E——被介质吸收的辐射强度；

E0——红外线通过介质前的辐射强度；

K——待分析组分对辐射波段的吸收系数；

C——待分析组分的气体浓度；

L——气室长度（待测气体层的厚度）。

对于一台制造好了的红外线气体分析仪，其测量组分已定，即待分析组分对辐射波段的吸收系数K一定；红外光源已定，即红外线通过介质前的辐射强度E0一定；气室长度L一定。从比尔定律可以看出：通过测量辐射能量的衰减E，就可确定待分析组分的浓度C了。

其物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。待分析组分的浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能使得检测器里的温度升高不同，动片薄膜两边所受的压力不同，从而产生一个电容检测器的电信号。这样，就可间接测量出待分析组分的浓度。

由光源发出的红外线经反射镜分成两束能量相等的平等光束，各自通过两个气室，一个是充以不断流过的被测气体的测量室，另一个是充以无吸收性质的背景气体的参比室。工作时，当测量室内被测气体浓度变化时，吸收的红外线光量发生相应的变化，而基准光束（参比室光束）的光量不发生变化。从工作室不断通过待测气样，气样中的实测成分吸收了对应波长的一部分红外光，这样，到达检测电容器的左右两检测气室的红外光能量E0和E就不相等，能量差即为ΔE。采用光声式检测器（又称检测电容或微音器）把能量差ΔE变为温度差，又把温度差变为压力差，压力差转变为电容量差，最后把电容量的变化参数转换成电压信号，经放大、整流滤波，电气零位调整，线性校正，以电流在指示表头显示出实测气体所含某成分的浓度值。

2 我公司CO2分析仪的使用情况

由于各种原因，1993年由德国进口的GXH－101型CO2气体分析仪一直达不到预期的使用效果。为此，我司于2007年购进两台由佛山分析仪厂生产的FQ－B型红外线气体分析仪（测量浓度分别为50%和100%），分别用于测量碳酸化工序中的中段气和下段气的CO2浓度。使用之初，由于待测气体预处理系统不完善，造成两台仪表测量浓度值显示波动大，不具参考价值。2009年开始由笔者接手进行这两台分析仪表的整改工作。笔者通过多方面的分析观察，红外线气体分析仪是根据不同的气体吸收不同的波长的原理来进行气体分析的，中、下段气主要含有CO、CO2、NH3、硫、水分等成分，在待测气体进入分析仪表之前，必须去除能被红外线吸收的CO2以外的杂质，所以待测气体的预处理是解决问题的关键。

3 CO2分析仪待测气体预处理

图1 待测气体预处理系统步骤

3.1 除氨的处理

水封是利用液体静压强来密封气体的一种装置，起到降低及稳定气压的作用，同时水封内的水能吸收待测气体中的氨气成分，起到除氨的作用。原水封设计体积过小，所装的水容量有限，且由于没有自动加水装置，只依靠每天人工加水，当加水的时候水压的瞬间增大，违背了分析表对样气气压平稳这一点的要求；水中氨浓度增大，影响水封的除氨作用，必然影响气体的测量结果。

重新设计水封将原水封罐改为溢流水封，把直流水管接入水封，并增加一个溢流口，使水封保持一定的液位，并有小量直流水溢出，保证了水压的稳定，水封内氨浓度较低，确保了水封内的水起到去氨气的作用。如图2。

待测气体经水封的直流水吸收了一部分的氨气外，还含有一定含量的氨气，新增了气体滤瓶，装上70%的稀硫酸，进一步去除氨杂质，确保CO2气样不含氨成分。

图2 溢流水封

3.2 待测气体含水分的处理

水封出来的待测气体尤其是下段气，含水分极高，不去除水分除了影响测量结果外，还会损坏仪表。用98%的硫酸过滤并使用干燥剂CaCl2吸收水分，是很好的方法。原预处理系统所装硫酸的瓶是容量为300mL的多孔气体洗瓶，由于容量小，需要每天更换硫酸，否则会降低硫酸的吸水能力。笔者改用1 000mL的气体洗瓶，一般三、四天才需要更换一次。经硫酸处理后出来的待测气体在原先用CaCl2进行二级吸收水分的基础上，再用硅胶进行三级过滤去除水分，并定期更换，确保待测气体不含水分。

3.3 待测气体含硫杂质的处理

待测气体中所含硫的成分，与CO2一样吸收同样波长的红外线，导致红外线的热能减少，以致CO2的分析结果偏低。在原预处理系统中没有采取有效的除硫措施。经笔者研究实践后认为：采用纯碱来过滤，可以达到去除所含硫杂质的目的。即在硅胶出来的待测气体增加一个装有纯碱的过滤瓶以去除硫杂质，除硫后仪表测量值增加8%左右。除硫后的待测气体新增一个过滤球过滤粉尘，确保待测气体的纯度。

3.4 CO2气体分析仪的调试

分析表的校验相当费时，在反复的校验调试中，笔者总结了以下一些快捷的校验方法：

1）通N2气，把量程调到“Ⅰ”档，调零旋钮调到“最大”，增益调到“一半”，这时刻度显示应在20%以下；调整光亮和平衡旋钮，使刻度尽可能小，几乎为零，但一般情况下都会指示在1%～2%，偏移量＝最小值×3倍，调整光亮旋钮至刻度的3倍，如调整平衡的时候刻度为2%，则用光亮旋钮把显示刻度调至6%，再调整调零电位器把刻度调到“0”。此时表后的输出电流应为4mA。

2）通CO2气体，把量程档调至“Ⅲ”档，把增益调至中间，调整量程电位器把刻度调到与标准气相对应的刻度（因购回的标准气不可能达所要求的浓度）。就调整测量中段气50%的分析表为例，通入浓度46.7%的标准气，指示输出应为93%，电流输出应为18.94mA。

3）反复通入N2和CO2标气调整零位和增益，直至不用调零和增益，使指示和输出为相应的数值为止，再锁死旋钮。按下校正杆，表头指示数值应在50%～70%的范围内，如超过就重新校验。

4）校验完后通入被测气体，并要求化验人员实验分析，看结果与指示值是否相符。

3.5 输出信号接入DCS的处理

输出表头显示正常后，由于没有实时记录曲线，还是难以对测量结果进行连续性的监测。笔者利用原有碳化岗位DCS的备用模块，把分析仪表输出信号（4～20mA DC）接入AI模块通道，利用动态趋势曲线就能清晰的监测分析表的实时测量情况。

3.6 干扰信号的处理

有了DCS趋势曲线记录监测，笔者发现分析表显示时有波动，而且没有规律，经多方面分析，是附近干扰信号所致，原因是分析表的接地线与检修用焊机共用一条接地线，当检修工使用焊机时，产生了干扰仪表的信号。经笔者提议，重新独立设置了一条接地线，有效地隔离了干扰源后，仪表显示曲线平稳。

4 日常维护

1）红外线气体分析仪检测过程需要在恒定的温度下进行。环境温度发生变化将直接影响红外光源的稳定，影响红外辐射的强度，直接影响仪表的测量结果。

2）每天定期用绸布擦两气室镜面，并保持仪表箱内的清洁。

3）分析表要每天通零气调零，每半个月定期用零气和标气标定。

4）要定期用吹耳球检查两气室是否有漏气，用肥皂水检查引气管道是否有漏气。

5）定期检查电机的运转情况及定期加油润滑，定期检查切片是否有松动，如切片松动下移会导致测量结果偏低。

6）定期检查分析仪排气孔及排气管有否堵塞，如有堵塞的情况，会导致测量气室的浓度偏高，使测量结果偏高。

7）每天要检查待测气体进入分析表的流量值，一般流量控制在35m3／h，如果流量偏小，应检查引气气路是否有堵塞。

5 结束语

经过以上的处理，CO2浓度的测量准确，中段气一般显示在38%～42%之间，下段气一般显示在70%～74%之间，每天碳化塔倒塔，CO2的浓度的显示变化反应很快，既对生产起着重要的作用，又免去了操作人员的不停取样化验的繁琐。

［1］ 武晓利，张广军.红外二氧化碳传感器动态特性校准与改进研究［J］.北京航空航天大学学报，2003（1）

［2］ 陈学勤.氨碱法纯碱工艺［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1989