Действие лазерного газоанализатора Yokogawa TDLS200 основывается на методе диодной лазерной абсорбционной спектроскопии. Этот прибор характеризуется высокой селективностью и долговременной стабильностью, обеспечивает быстрый «in-situ» (непосредственно в трубе) анализ газов с коррозионно-агрессивными компонентами или высокой температурой. Каков принцип работы этого прибора и где он находит свое применение?
Лазерный газоанализатор использует метод абсорбционной спектроскопии на основе перестраиваемого лазерного диода (TDLAS) и обладает возможностью измерения концентрации в пробе газа с высокой селективностью и без непосредственного контакта – только путем облучения пробы газа излучением перестраиваемого лазерного диода. Таким образом, могут выполняться быстрые и точные «in-situ» измерения в газоходах техпроцесса при различных условиях. Например, измерения могут проводиться при температуре вплоть до 1500°C, а также в средах с пульсирующим давлением. Лазерный газоанализатор Yokogawa TDLS200 также может проводить измерения при наличии коррозионно-агрессивных или токсичных газов. Точные аналитические сигналы, формируемые анализатором, имеют минимальное время отклика, что способствует увеличению выхода продукта, повышает энергоэффективность и безопасность в различных производственных технологических процессах. Простота конструкции (отсутствие движущихся деталей и компонентов с ограниченным сроком службы) гарантирует эксплуатацию и управление практически без технического обслуживания.
Лазерный газоанализатор Yokogawa TDLS200 представляет собой новый тип лазерных газоанализаторов, используемых для промышленных измерений. Применение метода интегрирования площади пика устраняет погрешности измерения, вызванные изменением давления и присутствием других газов в пробе. Он также позволяет выполнять точное определение концентрации компонентов газа даже при одновременном изменении его температуры и других показателей. Настоящая статья представляет обзор лазерного газоанализатора TDLS200, его функций и принципа измерений, а также рассматривает примеры его применения.
ИНСТАЛЛЯЦИЯ И КОНФИГУРАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА TDLS200
На рисунке 1 показан пример установки лазерного газоанализатора TDLS200. Газоанализатор имеет блок излучения и блок детектирования, которые обычно размещаются напротив друг друга на противоположных сторонах (поперёк) газохода, через который проходит поток газа техпроцесса. Подобный вариант применяется для газоходов шириной до 20 м.
Оптические окна отделяют внутренние части анализатора от измеряемой среды. Излучение полупроводникового лазера проходит через оптическое окно блока излучения, измеряемый газ, оптическое окно блока детектирования и достигает фотодетектора. Фотодетектор регистрирует лазерный луч и преобразует его энергию в электрический сигнал. Вычислительное устройство блока излучения определяет спектр поглощения измеряемого компонента, вычисляет площадь пика спектра, преобразует её в концентрацию компонента и выводит в качестве аналогового сигнала 4…20 мА.
Механизм юстировки имеет гофрированную конструкцию, которая позволяет упростить регулировку угла оптической оси, сохраняя герметичность трубопровода, что особенно важно для технологических процессов в промышленности. Соединение блока излучения и блока детектирования с помощью устройства регулировки оптической оси упрощает настройку оптической оси не только для стандартной конфигурации, (два блока размещаются с двух сторон трубы, как показано на рисунке 1), но и для других вариантов установки (рисунок 2). Данное техническое решение позволяет выбрать тот способ инсталляции прибора, который наилучшим образом подходит для измеряемых компонентов и технологического оформления процесса, и в то же время гарантирует оптимальные условия измерений.
ПРИНЦИП ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЛАЗЕРНЫМ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОМ TDLS200
TDLS200 использует метод диодной лазерной абсорбционной спектроскопии (TDLAS). Метод основан на измерении спектра поглощения излучения (инфракрасная/ближняя инфракрасная область), свойственного молекулам вещества вследствие колебательной и вращательной энергий перехода молекул в измеряемом компоненте. Источником излучения для формирования спектра служит полупроводниковый лазер с крайне узкой шириной спектральной линии. Оптический спектр поглощения, свойственный для основных молекул, таких как O2, NH3, H2O, CO и CO2, находится в области от инфракрасной до ближней инфракрасной. Измерение величины поглощенного излучения при определенной длине волны (спектральная абсорбционная способность) делает возможным вычисление концентрации измеряемого компонента.
ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ В ИНФРАКРАСНОЙ И БЛИЖНЕЙ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ, ВОЗНИКАЮЩИЙ БЛАГОДАРЯ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАНИЙ И ВРАЩЕНИЯ МОЛЕКУЛ
На рисунке 3 показаны виды колебаний и вращения молекул, на рисунке 4 показан типовой спектр поглощения CO2 в инфракрасной и ближней инфракрасной области. Молекулы, состоящие из двух и более атомов, поглощают излучение на частотах, характерных для мод колебания и вращения при движении типа растяжение, «ножницы» и др., как показано на рисунке 3. Ширина полосы поглощения для CO2, представленная на рисунке 4, составляет порядка 10 нм, а ширина спектральной линии каждого пика поглощения в этой полосе примерно 0,05 нм.
КОМПОНЕНТНАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ КАК ОТЛИЧИТЕЛЬНАЯ ЧЕРТА ДИОДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
На рисунке 5 показан спектр поглощения для CO2 и H2O. Разрешающая способность обычных спектрометров в инфракрасной/ближней инфракрасной части спектра составляет по длине волны примерно от 0,3 до 3 нм. Это значение больше или равно расстоянию между пиками поглощения различных газов (0,5 нм или меньше), что делает невозможным идентификацию данных пиков. Яркий пример – измерение концентрации CO2 в присутствии H2O. Спектры CO2, полученные с помощью традиционного спектрометра, будут интерферировать со спектрами H2O. Для устранения интерференции, необходимо до проведения измерений подготовить пробу, а именно – удалить интерферирующие газы.
В отличие от обычных спектрометров низкого разрешения, TDLS200 использует лазерный луч с крайне узкой шириной спектральной линии. Излучателем служит перестраиваемый лазерный диод, длина волны излучения которого может быть изменена путем настройки температуры лазера и тока возбуждения. Это позволяет выполнять измерения одиночного пика поглощения из нескольких, присутствующих в спектре. Таким образом, как показано на рисунке 6, для измерения может быть выбран один пик поглощения, который не подвергается интерференции со стороны других газов.
Благодаря высокой селективности по длине волны и отсутствию интерференции со стороны других компонентов в газовой смеси, нет необходимости в дополнительной пробоподготовке, что позволяет использовать TDLS200 «in-situ» (непосредственно в процессе).
Рисунок 6 Спектр поглощения, измеренный с помощью TDLS200
ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТА ГАЗОВОЙ СМЕСИ МЕТОДОМ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ПЛОЩАДИ ПИКА
TDLS200 измеряет обособленный спектр поглощения компонента газовой смеси, свободный от воздействия со стороны интерферирующих компонентов. Измерение проводится с помощью развёртки длины волны перестраиваемого лазерного диода вдоль одиночного пика поглощения измеряемого компонента.
Хотя спектр поглощения, измеряемый TDLS200, изолирован от интерферирующих компонентов, форма спектра может изменяться (эффект расширения) в зависимости от температуры газа, давления газа, присутствующих в газовой смеси сторонних компонентов. Для проведения измерений в подобных условиях требуется выполнение компенсации. На рисунке 7 показаны одиночные спектры поглощения O2 (концентрация 10%) в диапазоне 0,76 мкм, при изменении температуры, давления и наличии CO2, N2 или He в качестве фоновых газов соответственно.
Газоанализатор TDLS200 осуществляет развёртку длины волны излучения полупроводникового лазера вдоль линии поглощения измеряемого компонента и вычисляет его концентрацию по спектральной области поглощения методом интегрирования площади пика. Таблица 1 показывает влияние изменения каждого из условий измерения на метод интегрирования площади пика и метод высоты пика/метода 2f(2).
Рисунок 7 Изменения спектра поглощения, вызванные температурой, давлением и сосуществующими газами
ИЗМЕРЕНИЕ ОСТАТОЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ NH3 В ДЫМОВОМ ГАЗЕ
Газоанализатор Yokogawa TDLS200 благодаря возможности быстрого измерения «in-situ» (непосредственно в трубопроводе) может с успехом применяться в действующих техпроцессах как для их высокоскоростного регулирования, когда необходимые для контроля процесса сигналы, содержащие показания концентраций компонента, подаются прямо на РСУ, так и для управления состояниями техпроцесса в реальном времени. Таким образом, TDLS200 может способствовать оптимизации показателей различных промышленных техпроцессов. В этом разделе мы рассмотрим измерение остаточной концентрации NH3 в дымовом газе. Обратите внимание, что применение TDLS200 для оптимизации процесса горения было описано в другой статье компании Yokogawa(3). За подробной информацией обратитесь к этому отчету.
Аммиак (NH3) вводится в дымовой газ с целью удаления NOx (очистка отходящих газов от окислов азота), повышения эффективности пылеуловителей и предотвращения коррозии. Избыток NH3 повышает эксплуатационные расходы и количество остаточного NH3, приводя к появлению гнилостного запаха. Таким образом, количество NH3 в отходящем газе необходимо измерять, контролировать и регулировать. Например, в аппаратуре очистки отходящего газа печи для сжигания от окислов азота применяется процесс DeNOx ИКВ (избирательное каталитическое восстановление), при котором NOx восстанавливается до N2 и H2O с помощью инжекции NH3 и селективного катализа процесса восстановления, а остаточная концентрация NH3 (порядка ppm) в дымовых газах измеряется в реальном времени.
Традиционные приборы для измерения концентрации NH3, использующие косвенные методы измерения NOx (хемилюминесцентный анализ и ионно-электродный метод), имеют большое время отклика, требуют установки пробоотборной линии, включая обогреваемые трубы, чтобы избежать адгезии NH3, и, соответственно, большие затраты на техническое обслуживание таких сложных измерительных систем. С другой стороны, как показано на рисунке 8, лазерный газоанализатор TDLS200 устанавливается прямо в трубопровод техпроцесса и измеряет NH3 напрямую, что значительно уменьшает время отклика и упрощает техобслуживание. Вдобавок, аналитический сигнал концентрации NH3 с быстрым откликом может быть задействован для регулирования и оптимизации инжекции NH3.
На рисунке 9 показаны типовые места установки газоанализатора TDLS200 в технологическом процессе очистки дымовых газов бойлера от окислов азота.
Рисунок 10 показывает изменение объема инжектированного NH3 и показания TDSL200 в случае, когда аппаратура для очистки дымовых газов от окислов азота, пылеулавливания и предотвращения коррозии не снабжена самим газоанализатором. В этом случае TDSL200 устанавливается в точке A на рисунке 9.
Высокая селективность, малое время отклика, простота обслуживания, достигнутые благодаря используемой технологии измерений и конструктивному исполнению анализатора, обеспечивают возможность его применения в широком диапазоне технологических процессов. Варианты применения включают не только измерение NH3, рассмотренное в этой статье, но и определение содержания CO и O2 в оптимизации процессов горения, измерение малого количества воды на установках электролиза и др. Применение таких газоанализаторов может внести значительный вклад в сохранение окружающей среды и снижение эксплуатационных расходов, благодаря его применению для управления технологическими процессами, а не только лишь с целью мониторинга.
