多组分检测：让煤气分析再简单一点

煤的气化是我国煤化工工业的重要组成部分，特别是在石油资源日益紧张的条件下显得更加重要。煤气成分的检测分析是气化炉优化控制的前提，也是煤化工行业其他工序的重要参数。此外，高炉、转炉，焦炉以及玻璃，陶瓷等工业领域也经常需要进行煤气成分的检测。

本文将详细介绍一种采用新型的电调制多组分红外气体分析方法，配合发展的 MEMS 技术热导 TCD 气体传感器以及长寿命电化学 O₂、H₂S 传感器开发的集成化多组分煤气分析仪Gasboard-3100的技术应用。希望对你从事煤气成分检测有所裨益。

1.红外线多组分气体分析

上图为 NDIR 红外气体分析原理图：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，如CO₂、CO、CH₄以及参考的滤光片，就可在一台仪器内完成对煤气成分中 CO₂、CO、CH₄的同时测量。

煤气分析仪Gasboard-3100红外测量部分技术在一体化的四元探测器上安装有四个不同的滤光片（CO₂、CO、CH₄、参考），可实现对三种气体的同时测量（如下图）。

滤光片一体化四元红外探测器

2.MEMS 技术热导 TCD分析

目前国内 H₂分析大都采用双铂丝热敏元件制成的热导元件，体积大精度低，传感器的死区（Dead space）大。煤气分析仪Gasboard-3100采用了发展的基于MEMS技术的TCD气体传感器，只需要加上合适的电压就可以输出一个与浓度对应的毫伏级信号。

3.电化学氧气、硫化氢分析

在煤气成分分析中，O₂是一个安全参数，有些时候 H₂S 也是一个重要参数。煤气分析仪Gasboard-3100采用了一种长寿命（6年）的电化学 O₂传感器和 H₂S 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。

4.多组分煤气分析仪特点

煤气分析仪Gasboard-3100包括用于 CO、CO₂、CH₄的 NDIR 红外气体探测器，测量 H₂的 TCD 热到探测器，O₂、H₂S 探测器；ADUC842测控系统及软件； LCD、键盘、打印机、气泵、以及报警等外部装置。

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。煤气分析仪Gasboard-3100采用了上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zui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。

气体干扰校正

从原理上讲，CO，CO₂，CH4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,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，煤气分析仪Gasboard-3100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，可使CO、CO₂、CH₄的精度达到2%以上。

研究表明，采用以往单一组分红外气体分析仪组成的煤气分析系统，如果直接采用测量读数，将可能得到不准确的测量结果。同时，煤气成分中的 CO、CH₄、N₂、O₂对 H₂的测量准确性影响不大，主要是CO₂的影响。通过大量实践证明，CO₂对 H₂的影响是线性的，每1%含量的CO₂将降低 H₂含量为0.08%, 如果没有 CO₂数据的校准，当 CO₂含量达到40%，则H₂的误差将超过3%。这也充分说明，要想得到准确的煤气成分分析结果，各组分必须同时测量。

测量流量控制

虽然红外以及电化学气体分析在一定程度上受测量流量影响较少，但是对于 TCD 热导 H₂分析来说，气体流量的稳定直接关系到 H₂的测量精度。为了保证测量流量的稳定，煤气分析仪Gasboard-3100采用了微型的柱塞气泵，将测量气体压缩到0.2Mpa, 通过气体稳压和稳流阀后进入气体分析仪，这样可以将整个气体的测量流量维持在1L/min。流量的稳定在一定程度上，也提高了红外以及电化学气体测量的精度和稳定性。通过以上技术的采用，多组分煤气分析仪可以实现以下组分和精度的测量（表1），并已经应用在包括高炉、转炉、煤气发生炉等工业现场，取得了良好的成绩。

表1：多组分煤气分析仪技术参数

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、CH₄的同时测量。

（2）通过采用 MEMS 技术的 TCD 热导，以及长寿命的 O₂、H₂S 电化学气体传感器与红外气体测量的组分，实现了煤气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煤气分析，很可能造成测量数据不准确。

（4）TCD 热导 H₂分析必须进行 CO₂气体的校准，否则将可能造成超过3%的误差。因此如果仅仅采用单一 H₂分析仪而没有其他气体气体的校准，以往组合式的煤气成分监测系统很可能得不到准确的测量数据。