浅谈激光二氧化碳分析仪在纯碱生产中的应用

李 臣，李 凯，吴 宏，袁岩江

(山东海化股份有限公司纯碱厂，山东 潍坊 262737 )

二氧化碳是氨碱法制纯碱工艺的主要原料之一，其主要来源于石灰工序的窑气和煅烧工序的炉气。窑气浓度(CO2含量)一般控制在40%左右，炉气浓度(CO2含量)一般控制在90%左右，这两项参数的稳定与否，直接影响整个纯碱生产系统的稳定。随着科技的进步与发展以及新材料新技术在分析仪表上的不断应用和推广，寻求一种响应速度快，误差小，稳定性高且安装简单，维护方便的在线分析仪表，来实现对CO2浓度的在线连续检测成为可能。

1 生产中二氧化碳来源介绍

1.1 窑气的制备过程

石灰石(主要成分CaCO3)和焦炭(主要成分C)以适当的比例混合均匀后在石灰窑内经过高温煅烧分解成CaO和CO2,这一过程化学方程式如下：CaCO3=CaO+CO2-178.3 kJ/mol。CaO从窑底出灰转盘卸出，窑气从窑顶由管道引出经除尘系统除去大小不一的粉尘后，送往下一工序。

1.2 炉气的制备过程

来自于重碱车间滤过工序的湿重碱(主要成分NaHCO3)由皮带送入煅烧炉内，经加热分解成Na2CO3和CO2及部分水，其反应化学方程式如下：2NaHCO3(s)=Na2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)-128.448 MJ/(k·mol)。Na2CO3经出碱室由出碱星形卸料器卸出，炉气经出气管线，进入湿法除尘器去除碱尘，再经母液联合塔除氨后，送往压缩工序。

2 现用二氧化碳气体分析仪器

2.1 人工奥氏气体分析仪

公式:V0——样气体积,mL；

V1——样气经氢氧化钠吸收液吸尽二氧化碳后的体积读数，mL。

1.量气管及水套管 2.二氧化碳吸收瓶(装30% NaOH溶液) 3.氧气吸收瓶(装焦性没食子酸钾溶液) 4.一氧化碳吸收瓶(装氨性氯化亚铜溶液) 5.水准瓶(内装CO2饱和过的甲基橙染色的10%H2SO4封闭液) 图1 奥氏分析仪器装置

奥氏气体分析仪在实际应用中存在的不足：

1)必须对气体进行人工取样，然后送至实验室进行分析，取样器皿置换干净与否及分析人员的操作技能高低对分析的精确度有很大影响。

2)该方法是手工分析仪，操作烦琐，分析费时、响应速度慢，效率低，不能实现在线分析，而且分析人员需频繁的取样分析，劳动强度大。

2.2 带预处理系统的红外线分析仪

目前，我公司对于CO2浓度的在线检测采用的是带预处理系统的红外线分析仪，被检气体经抽气泵引入预处理系统，进入水洗器除去粉尘，再经冷冻除水器和物理除水器除去水分后，由转子流量计调节至适当的流量后送入分析仪进行分析检测，检测后的气体再排入生产系统，检测信号上传至DCS系统。

图2 预处理系统气路流程图

该分析系统从取样点至分析仪本体中间环节多，只要任何一个环节不正常就会影响测量的准确性，而且还存在着易堵易漏、易损件多，维护频繁、运行费用高等弊端，已不能满足我公司精细化生产操作的要求。

3 激光二氧化碳分析仪

3.1 工作原理

激光二氧化碳分析仪运用的是可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的原理，利用了激光的单色性，在穿过被检测气体时其部分能量被气体吸收，激光强度的减弱与被检气体的浓度存在一定的函数关系，通过分析计算激光减弱程度即可得到被检气体的浓度。即：

公式:A2——吸收函数的二次谐波分量;

I0——光强;

L——测量光程;

ρ——测量气体的体积分数，一般单位为ppm；

σ——吸收截面函数，与吸收线强、线性函数有关；

δ——调制幅度;

v——调制频率。

3.2 结构组成及各部件功能

发射端：由使用者界面、激光驱动单元、数据处理系统，光路调节装置、半导体激光器和精密光学元件等部分组成。主要实现检测激光发射，光谱数据分析处理和参数的设定及测量浓度的显示和对外输出等功能。

接收端：由光电转换器、信号处理模块、电源模块等部分组成。主要功能是接收发射端发出的信号，并将光谱吸收信号传送至发射端数据处理系统进行分析处理。

吹扫装置：由过滤器、减压阀、稳流装置等组成，吹扫气体调整至最佳压力和流量后从镜片后的吹扫口接入，经维护球阀排入工艺管道内，这样就在视窗镜片前形成了一个稳定的气幕，将被检测气体中夹杂的粉尘等隔离在光路通道之外，保证了视窗镜片和内测棒的清洁。避免了因视窗镜片污染和内测棒积尘造成透光率低而导致测量浓度偏差，提高准确性。

图3 激光二氧化碳分析仪安装结构

3.3 与带采样预处理系统分析仪对比的优点及特点

激光二氧化碳分析仪运用的是可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，而且采用的是原位安装，从根源上解决了带采样预处理系统分析仪存在的诸如响应滞后、维护频繁、易堵易漏、易损件多和运行费用高等问题，并具有以下特点:

1)测量不受其他气体和粉尘的干扰，测量结果更精确。

2)响应速度快，误差小，稳定性高:响应时间<1 s，线性误差≤±1% F.S(测量范围)，量程漂移≤±1% F.S(测量范围)，零点漂移≤±1% F.S(测量范围)。

3)灵敏度高，测量范围广，量程可在0～100%之间调节。

4)整机采用防爆设计，可适合防爆要求高的场合。

5)直接安装在工艺管道上进行测量，不需要气体采集、传输、预处理系统，能够实现对现场的实时检测。

6)维护周期长，维护成本低：维护周期<2次/年，标定周期<2次/年。

3.4 故障与维护

激光二氧化碳分析仪直接安装在工艺管道上对CO2的浓度进行检测，省去了复杂的采样预处理系统等中间环节，安装简单、维护方便。内部参数设置通过红外遥控控制面板进行操作，简单易行。设备安装完毕，检查气源、电源、接地电阻符合要求，系统上电后仅需设置基础参数、浓度参数、气体参数等即可进行测量。

由于激光二氧化碳分析仪没有使用易磨损的运动部件和其他需要经常更换的部件，后期的维护工作量非常小，特殊情况下的维护工作主要有以下几项：

1)分析仪停止对气体浓度的测量，保持当前值不变化：出现这种情况的原因一般是没有透过率或透过率很低，这时需要拆下设备表头检查镜片是否脏污，如果镜片有污垢，将镜片擦拭干净，故障即可消除。

2)测量数值偏高或偏低：此时需检查吹扫气装置的转子流量计指示值是否变小或变得太大，如果有变化适当调大或调小即可，若仍偏高或偏低，需用标气对仪器的零点和量程进行标定。

3)分析仪显示器黑屏，主控室没有数据传入：首先检查电源电压输出是否正确，如果电压正常，再检查信号线有无断点及各接线端子是否松动；电源电压及信号线都没有问题仍无数据传入则分析仪损坏的可能性大，需要及时联系厂家处理。

表1 故障信息及处理

4 结 语

激光二氧化碳分析仪纯碱生产中的成功应用不仅提高了对CO2浓度检测的准确性和连续性，同时也大大降低了仪表维护人员的维护工作量。为石灰窑生产过程中配煤比、风量的调整以及碳化塔配气量的及时调整提供准确可靠的数据支持，提高了纯碱产品质量，稳定了生产。