摘要:介绍一种采用新型非分光红外NDIR以及电化学传感器的多组分水泥窑废气成分快速分析仪器。该分析仪通过采用基于新型电调制红外光源的多通道红外气体探测技术，配合长寿命电化学O2传感器，可以在一台仪器中实现气体成分中CO2、CO、NO、SO2、O2等气体的实时快速测量。
1、前言
水泥工业的节能减排已经成为降低我国GDP能耗的一个重要方面，新型干法水泥生产线必将逐步取代老式的立窑生产方式。但是根据我国的实际情况，立窑与新型干法水泥生产企业并存的状况在未来5年内得不到根本改变。因此水泥行业的节能减排必须同时考虑这两方面的工作。实践表明，通过对水泥窑的废气检测，可以指导水泥的能耗，稳定热工制度， 对于降低水泥能耗和排放具有重要意义。
对于立窑，科学的热工标定对于降低热耗十分重要。立窑烟气中的CO2、CO2、O2含量是获取化学不完全燃烧热的重要依据。对于新型干法，窑尾烟室气体分析仪是通过在线连续提取、处理和分析窑尾烟室中的O2、CO和NO的百分含量或PPM含量，来实时监测水泥回转窑内的煅烧状况。因为水泥回转窑内的煅烧情况直接关系到水泥熟料的产量、质量、原燃料的消耗和综合成本。如果窑内煅烧温度过高或热工振荡过大，不仅会大量消耗燃煤，甚至还会损害窑衬；如果煅烧温度过低，就会造成熟料的夹生料，严重影响水泥熟料的质量。一方面，窑尾烟室气体分析仪的合理使用，可以帮助中控操作人员实时了解窑内的煅烧状况和燃煤的完全燃烧状况，指导操作人员及时采取相应措施：如根据CO的含量，实时调节窑头的喷煤量和送风量，以便使燃煤完全燃烧，获得最大限度的热效率，节省能源消耗；也可根据NO的PPM含量合理调节窑头喷煤量的大小，以防止窑内的热工异常现象。另一方面，窑尾烟室气体分析仪还有利于中控操作人员对整个煅烧过程信息做出整体的了解和综合判断，从而指导下一步的具体操作。
在我国的立窑企业，奥氏气体分析仪仍然是获取烟气中CO、CO2、O2的重要手段。我国新型干法水泥生产过程的气体检测大都只能采用昂贵的进口仪器，这也限制了气体分析指导水泥生产技术在我国的推广。奥氏气体分析作为一种经典的化学式手动分析器,具有价格便宜的优点,但该方法是手动操作，精度低、速度慢，已不能适应工业发展需要。近年来色谱分析仪得到推广，但是色谱分析仪需要对气体进行分离后再检测，很难实现实时在线。红外气体分析仪在我国使用多年，但是以往技术往往只能在一套分析仪器分析单一组分，不仅价格昂贵，维修复杂，而且气体之间的相互干扰也没法消除。因此有必要研制一种高效、准确、价格合理的分析仪器用于气体成分的多组分快速或在线监测。本文介绍一种采用新型的电调制红外多组分红外气体分析方法，长寿命电化学O2传感器开发的集成化多组分气体分析仪。
2、多组分气体分析仪原理
2．1红外线多组分气体分析（CO2、CO、NO、SO）
当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。设入射光是平行光,其强度为I0,出射光的强度为I,气体介质的厚度为L。当由气体介质中的分子数dN的吸收所造成的光强减弱为dI时,根据朗伯--比尔吸收定律: dI/I=-KdN，式中K为比例常数。
经积分得:lnI=-KN+α (1) ，
式中:N为吸收气体介质的分子总数;
α为积分常数。显然有N∝cl,c为气体浓度。
则式(1)可写成:
I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2)
式(2)表明,光强在气体介质中随浓度c及厚度L按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性,各种气体的吸收系数μ互不相同。对同一气体,μ则随入射波长而变。若吸收介质中含i种吸收气体,
则式(2)应改为:
I=I0exp(-l∑μi ci) (3)
因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。
以CO2分析为例，红外光源发射出1-20um的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26um波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度，如果在探测器端放置一种具备四元的探测器，并配备四种不同波长的滤光片，则在一台仪器内就可以完成对气体成分中CO2、CO、SO2、NO的同时测量2．3 电化学O2分析
O2是一个安全参数，也是过剩空气系数的一个重要参数。本仪器采用了一种长寿命（6年）的电化学O2传感器，该传感器实际上是一种微型电流发生器，配合高精度的前置放大电路，直接输出与浓度对应的电压进入仪器测控系统。
3 多组分气体分析仪特点
仪器包括用于 CO、CO2等的NDIR红外气体探测器，以及O2探测器。
3．1 仪器测控系统
为了实现对气体浓度的测量、控制以及自动标定以及对不同组分的干扰校正等功能，需要一个合适的微控制器来管理传感器。本研究采用ADI公司最新推出的ADuc842系统。ADuc842是一个全集成的12位数据采集控制系统，除含有8路12为A/D外，还具有2路D/A、8052内核、64K程序储存器以及UART、I2C、SPI等串行I/O等功能。ADuc842集如此强大的模拟与数字功能与一体，作为多组分气体分析仪测控系统具有体积小、功耗低、性价比高等优势。
ADuc842通过采集参考和测量四路红外信号，一路TCD热导H2传感器信号，以及2路电化学传感器信号，通过测量标准气体曲线，采用非线性校正算法可以直接得到测量气体的浓度，并通过ADuc842系统的串口每1秒向外部设备发送测量浓度数据。在ADuc842多余的数据线和地址线基础上，设计了液晶显示驱动模块、打印驱动模块、键盘输入模块、气泵控制、报警等接口，以便操作分析仪器。通过采用以上技术，在一台分析仪器内实现了以往需要6台分析仪才可完成的工作。
3．2 电调制红外光源
传统的红外气体分析仪采用连续红外热辐射型光源，如镍锘丝、硅碳棒等红外加热元件,其发出红外光的波长在2～15μｍ之间，由于其热容量大，通常采用切光片对光源进行调制。因此需要一个同步电机带动切光片旋转，其缺点在于存在机械转动。抗振性差，攻耗大，不适合于便携设备；其次为保证调制的频率，还需要严格同步的电机以及驱动电路，使得系统复杂化，成本也大大增加。本研究采用了国际上最新研制的一种类金刚石镀膜红外光源。该光源采用导电不定型碳（CAC）多层镀膜技术，热容量很低，因此升降温速度很快，其调制频率最高可以达到200Hz，新型电调制光源的使用，使得红外气体分析技术在仪器体积、成本、性能等方面都有实质性的提高。
3．3 气体干扰校正
从原理上讲，CO，CO2之间由于采用了特征波长，彼此测量 间没有相互干扰，但是由于受当前滤光片生产工艺的限制，滤光片具有一定的带宽，CO与CO2，以及CO2与参考通道之间具有一定的干扰（Crosstalking, Overlap）,因此成分之间具有一定的干扰，如果不加以校准，测量的误差将达到10% 以上，很难达到工业应用的要求， 如按照单一标准气体CO2标定后，如果通入不含CO2的70%的CO进入仪器， CO2读数将达到7%左右。为了消除红外分析气体之间的相互干扰， 本仪器设置了10点标定程序，采用计算机算法得到了气体干扰校正方法，通过该方法的使用，可以使得CO、CO2的精度可以达到2%以上。通过本研究也说明，采用以往单一组分红外气体分析仪组成的气体分析系统，如果直接采用测量读数，将可能得到很不准确的测量结果。
通过以上技术的采用，多组分气体分析仪可以实现以下组分和精度的测量
水泥废气分析仪技术参数
组分COCO2NOSO2O2
量程2000PPM 5%，15%40%5000PPM2000PPM25%
精度FS2%2%2%2%3%
漂移FS1%1%1%1%2%
四、 结论
（1）通过采用新型电调制红外光源，省却了以往红外气体分析仪器复杂和昂贵的电机调制系统,大大降低了系统成本和功耗。实现了CO、CO2、NO、SO2的同时测量。
（2）通过采用长寿命的O2S电化学气体传感器与红外气体测量的组分，实现了气体多组分的同时在线测量。
（3）红外测量组分间由于受滤光片带宽的限制，存在一定的相互干扰，通过计算机校正算法可以将组分的测量精度提高到2%以上，这也说明，以往单一组分的红外气体分析仪直接用于气体分析，很可能造成测量数据不准确。
水泥窑废气在线监测技术与设备的发展与应用
当前在水泥工业生产现场使用的废气在线监测系统通常是由采样头、样气预处理系统、分析系统和数据处理与传输系统四大部分构成的。其中采样头和样气预处理系统常常连为一体，统称为取样系统。
1 取样系统
因此取样系统除了采集样气外，还要负责对样品进行降温、除尘和除湿等处理；如果需要滤掉某些干扰组分，也应在取样系统中进行。而且，这些处理过程要尽可能地快，以免延长分析滞后时间。取样系统的技术含量很高。
2 分析系统
分析系统是监测设备的核心，其测量精度和速度决定着监测的效果。同时，由于生产现场条件比较恶劣，只有能够长期稳定工作的过程分析仪器才能用于炉气的在线监测。按照能够同时分析的成分多少，过程分析仪器可分为单指标和多指标两类。
2.1 单指标分析仪器
单指标分析仪器是利用成分的特殊物理或化学性质设计的，通常仅选择性地分析所测定混合气体中的一种成分。普遍的特点是技术成熟、结构简单，同时成本较低。在气化发生炉应用的此类仪器有以下几种：
（1）氧化锆氧量分析仪，
（2）磁式氧分析仪，
（3）热导式氢分析仪，
（4）红外分析仪，
（5）传感器类分析仪。
2.2 多指标分析仪器
绝大多数通过炉气信息实施控制的工艺所涉及的气体种类都不止一种。因此，多指标的分析仪器更有实际应用的价值。常用的多指标分析仪器有以下几类：
（1）工业气相色谱仪：工业气相色谱在炉气分析中应用最多，气体组分按H2、N2、CO和CO2的顺序依次被测定。除了国内少数高炉仍采用该方法之外，工业气相色谱仪逐渐被组合式分析系统或质谱仪代替。
（2）组合式分析系统：适于测定组分数小于4种的工艺过程，其实时性远优于工业气相色谱仪；其成本又远低于质谱仪。因此，对于炉气中CO、CO2和H2的在线监测、煤制粉过程中CO和O2的在线监控等领域应用较广。
（3）工业气体质谱仪：质谱仪以物质离子的质荷比作为判据进行定性和定量分析。气体质谱仪通常采用电子轰击方式离子化，所有物质都有特征的解离方式。因此，从原理上讲，质谱是一种”万能”仪器。
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