CN102872689B - 基于红外差分光谱法沼气检测与提纯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于红外差分光谱法沼气检测与提纯控制系统。目的是提供的系统具有检测精度高、成本低以及使用寿命长的效果。技术方案是：一种基于红外差分吸收光谱法的沼气检测与提纯控制系统，包括一控制中心及处理单元，其特征在于该系统的结构还包括：A、沼气罐通过管道依序连通脱水塔、脱硫塔、脱碳塔及储气罐；B、分别在脱水塔、脱硫塔、脱碳塔和甲烷储气罐的管道进口设置采样口，每个采样口都通过气管依序连通预处理装置以及红外检测中心的气室；C、全波段红外光源对所述气室发射对气体进行检测的红外光，然后由红外探测器接收并探测检测后的红外光，随后将获得的信息输送至所属处理单元进行数据处理，最后输往控制中心。

Description

基于红外差分光谱法沼气检测与提纯控制系统

技术领域

本发明涉及基于红外差分光谱法沼气检测与提纯控制系统。

背景技术

沼气是一种清洁能源，在国际能源需求大幅增加的大背景下，沼气的生产和利用有着极其重要的意义。我国是一个农业大国，沼气生产原材料充足，同时沼气经过净化提纯后可高效地用于工业生产，所以沼气的生产和高效利用是联系我国工、农业的重要节点，对我国经济发展有着极其重要的作用。

沼气是一种可燃性混合气体，一般含甲烷、二氧化碳、硫化氢、水蒸气以及少量氨气、氢气和一氧化碳等，不同原料制成的沼气中各组分含量有所不同。沼气中的H₂S（硫化氢）是一种腐蚀性很强的化合物，在空气中及潮湿的环境下都会对管道及设备产生腐蚀作用；H₂S燃烧后产生的SO₂对空气污染极大，是酸雨的主要成分，对人体健康危害很大，所以在沼气在利用时必须除去H₂S。我国环保标准严格规定：沼气作为一种能源使用时，其中H₂S的气体含量不得超过20mg/m³。沼气中H₂S含量一般为1-12g/m³，远高于我国环保标准的规定值，所以脱除H₂S是沼气高效利用不可或缺的一步。

沼气由厌氧消化装置产生，因此携带大量水分具有较高的湿度。沼气中的水分和H₂S产生硫酸腐蚀管道和设备；沼气中的水分会降低沼气燃烧的热值，增大管路的气流阻力，还会凝聚在管路的检查阀、安全阀、流量计等设备的膜片上影响其准确性；因此脱除沼气中的水分对沼气的高效利用很关键。

沼气中的二氧化碳含量一般在25%一50%。当沼气用作内燃机燃料时，二氧化碳的存在能起到抑制“爆燃”的作用，使沼气较甲烷具有更好的抗爆性，使发动机获得较大功率。但若二氧化碳含量过大，会影响到发动机燃料的燃烧热值等，从而影响到发动机的输出功率。所以当沼气作为内燃机燃料时，需脱除一部分C0₂使之处于一个合理范围(20%-4O%)，这样可以达到沼气高效利用的目的。同时高纯度二氧化碳是一种工业原料，可以采用变压吸附方法分离甲烷和二氧化碳，分离出的甲烷和二氧化碳都具有广泛的用途。

目前沼气脱硫主要有湿法脱硫、干法脱硫和生物氧化法。湿法脱硫是使沼气逆流通过特定溶剂，硫化氢和特定溶剂接触反应而脱除，溶剂可以通过再生后重新进行吸收。干法脱硫是通过氧化物和硫化氢发生氧化反应，将硫化氢氧化成硫或者硫氧化物而脱除硫化氢的一种方法。生物氧化法是在有氧的条件下，通过光合细菌、反硝化细菌和无色硫细菌等的代谢作用将硫化氢转化为单质硫或硫酸盐的一种脱硫方法。

由于沼气量大而且水分含量很高，一般采用生石灰吸收沼气中的水分；而且生石灰吸水后变成氢氧化钙弱碱物，对沼气中的硫化氢和二氧化碳也有一定的吸收作用。

沼气脱除二氧化碳的方法主要有变压吸附法、吸收法和膜分离法。变压吸附法是利用吸附剂对沼气中各组份的吸附能力随压力变化而呈现差异的特性，从沼气中分离提纯需要的气体组份或进行气体混合物净化的技术。变压吸附法主要用来分离沼气中的甲烷和二氧化碳。吸收法是利用气态混合物中的一种或多种组分溶解于选定的液体吸收剂中，或者与吸收剂中的组分发生选择性化学发应，从而从气流中分离出来的方法。目前工业上采用石灰水溶液吸收法脱除沼气中的二氧化碳，主要利用二氧化碳与氢氧化钙水溶液生成碳酸钙沉淀，从而去除沼气中的二氧化碳。气体膜分离法是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内溶解－扩散上的差异，即渗透速率差来进行分离的方法。

传统的沼气净化提纯方法中，脱硫、脱水和除去二氧化碳的工艺众多，但大多数只是某一种组分的脱除，未能将脱硫、脱水和除去二氧化碳的工艺综合考虑形成一套完善的沼气净化提纯系统。而且不能根据沼气处理量来改变相应试剂的用量及设备的运行，也不能统筹沼气净化提纯工艺的各个环节，造成资源的浪费。另外，沼气净化提纯的各个工艺中，大多采用传感器来控制净化提纯产品的规格，没有相应的检测控制系统。脱硫、脱水和除去二氧化碳的工艺中，每道工艺都独立采用自己的传感器控制，未能将三道净化工艺有机的结合为一个净化提纯系统，未能实现多个组分的同时检测与控制的结合。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种沼气净化提纯检测控制系统，该系统应能实现对沼气中多组分浓度的检测，根据多组分浓度的检测进而控制净化提纯过程，具有检测精度高、成本低以及使用寿命长的效果。

本发明提供的技术方案是：一种基于红外差分吸收光谱法的沼气检测与提纯控制系统；包括一控制中心及处理单元，其特征在于该系统的结构还包括：

A、沼气罐通过装有自动调节阀以及耐腐蚀泵的管道依序连通脱水塔、脱硫塔、脱碳塔以及储气罐；

B、分别在脱水塔、脱硫塔、脱碳塔和甲烷储气罐的管道进口设置采样口，每个采样口都通过配置流量计和单向阀的气管依序连通预处理装置以及红外检测中心的气室；

C、全波段红外光源对所述气室发射对气体进行检测的红外光，然后由红外探测器接收并探测检测后的红外光，随后将获得的信息输送至所述处理单元进行数据处理，最后输往控制中心。

D、数据处理单元对数据的处理主要有两种方式：1，采集脱水塔、脱硫塔和脱碳塔的进出气口处的采样口的图谱数据，既第一采样口、第二采样口、第三采样口和第四采样口的图谱数据，此时不采用滤波而采用全波段检测，至少采集不同浓度的20组数据。将采集后各采样口的20组数据经过数据预处理、建立多组分PLS模型，最后得到沼气的组分和浓度，达到定性定量分析。通过脱水塔、脱硫塔和脱碳塔的出气口气体的定性定量检测分析可以判断各净化设备单元是否将各自的杂质气体去除彻底。2，在脱水塔、脱硫塔和脱碳塔的进出气口设置的采样口，通过检测各采样口气体，收集红外吸收图谱，此时采用滤波装置，滤选出对应去除杂质气体的吸收波长用来检测相应设备的进出口的采样口气体。由于采用了滤波装置，沼气红外光特征吸收峰的变化是由某一组分浓度变化而引起的，因而根据红外光检测的沼气特征吸收面积的变化或峰高的变化可以得知气体浓度的变化并得到净化效率，进而控制净化设备单元。

F、内标、外标法标定系统，校准误差。内标法是将一定浓度的纯物质作为内标物加到一定量的被分析样品混合物中，然后对含有内标物的样品进行红外光谱分析，分别测定内标物和待测组分的峰面积（或峰高）及相对校正因子，按照相应公式和相应方法即可求出被测组分在样品中的百分含量。并根据内标物添加量的变化红外检测光谱相应的变化，用来标定系统的。外标标定时，在检测其他气体前先通入标定气体，比如氮气（不吸收红外，故理论上是接近直线的），测量其红外吸收峰，所测红外吸收峰和标准的峰值相同时证明检测系统正常可以进行其他气体的检测。

上述自动调节阀、耐腐蚀泵均通过数据线接通控制中心。

上述沼气净化提纯系统还配置一报警系统；该报警系统包括安装在车间内的甲烷探头、安装在甲烷罐内的氧气探头以及安装在各管道上的压力传感器；这些甲烷探头、氧气探头以及压力传感器均通过数据线连通控制中心。

所述红外光从近红外光源发出，依次通过分光镜、反光镜、滤光片转盘后射入所述的检测气室。

所述气室内安装着用于延长红外光射程的多个反射镜。

所述气室包括检测气室和对比气室。

所述红外光的波段中，检测甲烷选择特征吸收波长3.31μm，检测二氧化碳选择特征吸收波长4.28μm，检测硫化氢选择特征吸收波长7.46μm，检测水蒸气选择特征吸收波长1.39μm。

所述滤光片转盘的转速由控制中心控制。

本发明的有益效果是：

1、本发明同时结合脱硫、脱水和脱除二氧化碳的工艺，形成了一套完善的沼气净化提纯系统，分别获得高纯的CO₂和CH₄产品。

2、由于采用了红外差分光学吸收光谱法（DOAS）（即利用红外光线在沼气中传输时各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性来反演这些气体在沼气中浓度的一种方法）对净化提纯后的沼气成分进行了检测，通过内标、外表标定后，因而检测结果既精确又高效，能够实时掌握沼气产品的品质；另外，采用红外光线进行检测，还具有耐腐蚀、成本低以及使用寿命长的效果。

3、由于配置了报警系统，在检测到浓度超过设定标准后能够及时报警和提醒技术人员采取措施，能够确保安全生产。

4、由于本发明还配有根据红外光检测结果进行自动控制的控制中心，因而能够大幅提高生产效率，降低操作人员的劳动强度。

附图说明

图1是本发明中的系统配置结构示意图。

图2是本发明中的各净化提纯设备的连接关系示意图。

图3是本发明中的检测光路结构示意图。

图4是检测光路中的滤光片转盘结构示意图。

图5是本发明中的气室的结构示意图。

图6是采用红外光对沼气净化前后进行检测获得的光谱轮廓示意图。

图7是本发明中的检测气室的管路系统结构示意图。

具体实施方式

本发明统筹了沼气中各组分的去除方法，实现联动与整体化控制。控制系统中，应用红外技术专门设计的检测光路和检测气路，能实现分别检测各组分的浓度，以及分离各组分，检测结果既能对系统有保证作用，又对净化设备的具有调控作用，使沼气的净化标准达到我国天然气的技术指标。净化设备中安装相应检测探头及传感器，实现在线检测；同时在仪器设备周围和车间适当位置安装相应传感器，能实现净化设备在线检测，并对设备泄露或事故予以报警，再达到净化设备正常运行控制和环境事故的报警。节省了能源和原材料，提高脱硫效率，提高了安全性以及实现自动化生产与控制。

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

图1所示的沼气净化提纯系统，包括一控制中心4及处理单元，还包括：

A、通过管道依序连通的沼气罐1、脱水塔16、脱硫塔13、脱碳塔11以及储气罐6；前述每两个装置之间的管道中均安装有自动调节阀8以及耐腐蚀泵；

B、在脱水塔、脱硫塔、脱碳塔和甲烷储气罐的管道进气口分别设置第一采样口21、第二采样口17、第三采样口14以及第四采样口9；，每个采样口都通过配置流量计、单向阀以及预处理装置的气管连通红外检测中心的气室；

C、全波长近红外光源对所述气室中的气体发出进行检测的红外光，然后由红外探测器接收并探测检测后的红外光，随后将获得的信息输送至所述处理单元进行数据处理，最后输往控制中心。

上述自动调节阀、耐腐蚀泵均通过数据线接通控制中心。

DOAS的基本原理为Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ吸收定律。让一束红外光在沼气中传播一段距离；由于沼气中气体组分能对红外光线的某些波段作选择性吸收，所以将吸收后的光谱轮廓与吸收前的光谱轮廓相比较（如图6所示），结合各气体成分在单位浓度和光程下的标准光谱轮廓，结合偏最小二乘法就可以获得沼气的成分组成及浓度信息。红外光经过沼气组分的选择性波段吸收后形成的光谱，既具有各自的特征吸收峰，又会在各组分的吸收峰之间发生重叠。为了便于红外检测，需要选择各组分的特征吸收峰并且各自间的重叠峰尽量小。我们选用近远红外波段对沼气进行检测，近远红外波段中选择甲烷的特征吸收波长3.31μm，二氧化碳特征吸收波长4.28μm，硫化氢的特征吸收波长7.46μm，水蒸气的特征吸收波长1.39μm。

本发明设计的净化提纯工艺，一步步逐个脱除沼气中的各组分杂质气体，在各净化提纯设备的进口设置采样口，通过对各采样口的气体组分和浓度的分析来检测净化提纯效率，并由此实现对净化提纯设备的控制。每一个净化提纯设备用来脱除沼气中的某一组分杂质气体，通过检测该设备进出口的气体组分及浓度的变化可以测得净化提纯效率，进而控制设备净化提纯过程。沼气红外光特征吸收峰的变化是由某一组分浓度变化而引起的，因而根据红外光检测的沼气特征吸收面积的变化可得知某一组分的浓度变化，并且可以根据吸收峰的变化得到该组分净化提纯前后的浓度值（具体可通过相关软件分析处理后获得）。

沼气净化提纯工艺中要先后除去沼气中的水蒸气、硫化氢和二氧化碳。沼气从厌氧发酵装置产出时携带着大量的水分；当沼气在管路中流动时，由于温度、压力的变化使露点降低导致水蒸气冷凝，增加了沼气在管路中流动的阻力；水蒸气的存在，还降低了沼气的热值，而且水与沼气中的硫化氢共同作用，加速了金属管道、阀门及流量计的腐蚀和堵塞。进行红外检测时，水分的红外光吸收峰与其他气体组分的红外光吸收峰会产生叠加，因此先脱除水分有利于红外检测的进行。另外，沼气中的硫化氢会对管道及设备产生腐蚀作用，应该尽早脱除有利于维护设备节约成本。在脱除水蒸气和硫化氢后，沼气中剩下甲烷和二氧化碳以及少量的杂质，因此最后分离或脱除二氧化碳，即得到高纯度甲烷。在三个净化设备之间我们设置四个采样口（如图1所示），各采样口分别通过配置流量计、单向阀以及预处理装置的气管连通气室的进气口；预处理装置包括流量、压力、温度、湿度等处理装置（预处理中主要采用流量调节阀控制流量，压力调节阀控制压力，温度调节阀控制温度，这些均为常规装置，可全部外购获得）。由于各采样口采集的样品均连通到检测气室的进气口，因此选择检测哪个样品可以根据需要决定。

图2中显示：四个采样口分别设在脱水塔、脱硫塔（脱硫化氢）、脱碳塔（脱二氧化碳）和甲烷储气罐的管道进气口处，分别为第一采样口21、第二采样口17、第三采样口14和第四采样口9。每个采样口连通的管道上都设有流量计、单向阀以及预处理装置，采样口采集的样品再输送至检测气室进行检测。由于四个采样口采集的样品气体全部连通到检测气室的进气口，所以可根据检测需要进行不同组合的连通方法。例如：开通第一采样口21、第四采样口9的进气阀，通过红外差分吸收光谱法检测可以得到整个净化提纯系统的净化效率；开通第一采样口21、第二采样口17的进气阀则可以得到脱水设备的净化效率；开通第二采样口17、第三采样口14的进气阀则可以得到脱硫设备的净化效率；开通第三采样口14、第四采样口9的进气阀则可以得到变压吸附分离二氧化碳的效果。通过红外光检测不同采样口采集的样品，既可以得到整个净化提纯系统的净化效率，也可以得到每个净化设备的效率，便于整体系统的控制与单个净化设备的控制相结合。

检测光路结构示意图如图3所示，所述红外光源是近红外光源3-1，发出的光束经过分光镜3-2、反光镜3-3后分成两束，还需经过滤光片进行滤光，选出检测所需要的波长的红外光。其中，滤光片转盘3-4（图4所示）的转动中心位于两束光的对称中心，并且滤光片转盘中对称安装着若干对滤光片，其中对称布置在滤光片转盘同一直径上的两个滤光片（一对滤光片）完全相同，这样两束光就能进行相同的滤光处理；第一滤光片2-1是白光片（空白的滤光片），不具有滤光效果；选定该滤光片时，用来空白对照或不滤光直接检验沼气中全部组分；第二滤光片2-2可滤出波长为1.39μm红外光，选定该滤光片时是用来检测沼气中的水蒸气；第三滤光片2-3可滤出波长为3.31μm的红外光，选定该滤光片是用来检测CH4浓度；第四滤光片2-4可滤出波长4.28μm红外光的滤光片，用来测定CO2的浓度；第五滤光片2-5可滤出7.46μm红外光的滤光片，用来测定H2S的浓度。经过优选的红外光同时进入两个气室，两气室的进气口可以根据检测要求选择连通不同的采样口以及标样口（分别配有高纯样品H2S、CO2、CH4和N2，可以用来和四个采样口采集的气体作对比；并且可以稀释标样作不同气体，不同浓度的对照），通过滤光片的选择（控制中心通过驱动电机3-5可选择所需要的滤光片）以及气路的切换可以得到沼气各组分的净化效率。

例如，在检测脱硫设备的运行情况时，可以使检测气室3-6的进气口3-9接通第一采样口（检测气室还设有出气口3-10），对比气室3-7的进气口3-11接通第二采样口（对比气室还设有出气口3-12），并且启动电机3-5转动滤光片转盘，使第五滤光片2-5对准两束光，这两束光经过滤光片过滤后的波长是7.46μm；过滤后的两束光分别穿越过两个气室后，由两个红外探测器3-8接收，再经过处理单元3-17的信号处理及计算可以得出H2S的脱除效果。检测结果还可以与设定值进行对比，控制中心根据差值，对净化设备的进出料、pH值、喷淋强度等进行调节，从而实现检测与控制的一体化（图3中还设有4个准直透镜3-13）。

以甲烷的检测作为实例；首先调整红外光源，使气室、红外光探测器在同一光轴上；由于甲烷在波长3.31μm处吸收最强，所以通常选择波长为3.31μm的中红外吸收谱线来检测甲烷气体的体积分数。转动滤光片转盘，选定滤光波长为3.31μm的滤光片，经过分光镜分光作用的两束红外光分别经过相同的滤光片（同一直径上设置的两个相同的滤光片）滤光后分别进入检测气室和对比气室，然后从两个气室出来后由红外探测器接收；信号依次经过处理单元、计算机软件处理后，最后输出气体浓度的测量数值；测量数值还可用于联动控制。

由于沼气中各组分含量不同，有的浓度含量高，比如甲烷；有的含量低，比如硫化氢；为了使沼气中各组分的检查精度不因浓度含量高低而不同，本发明在光路中设计了延长光程的气室（如图5所示），还添加了稀释系统。

图5中，气室由不同的细小挡板5-3间隔开，气体从气室下方进口5-5进入，沿着挡板自下而上从出气口5-2流出。同时红外光从气室上方进入，气室里的反射镜5-4将红外光来回反射增加了光程，进而增加了光与气体的接触。由于增加了光程，增加了光与气体的接触时间，所以能够提高低浓度气体的检查精度。当沼气中某组分浓度过高时，引起检测器中毒，为了准确地检查浓度，也可按比例充入氮气将气体稀释，达到最佳的检查浓度范围（以实现低浓度延长光路，高浓度稀释）。

沼气中组分多，对红外光有选择性吸收的主要是CH4、CO2、H2S和H2O；为了能单独得到这些有选择性吸收组分的浓度变化，可通过光路和气路的切换，一一得到各组分的浓度及其变化。按照设计需要，所述的气室采用双气室（图7所示）。

图7所示的双气室气路中配置有两个检测气室；通过分光镜分光作用，可将一束红外光均分为两束相同的检测光同时对两个检测气室进行检测。双检测气室的设计，增加了对比性，可以快速、同时检测出不同样品的吸收谱图，再经红外差分吸收光谱法计算可以得到气体浓度数值以及净化效率数值；还能根据获得的检测值对设备进行控制，有目的地改变气路之间的连通与关闭（各气路可通过不同的连接配合红外光的检测），可实现对不同沼气组分的检测。例如，通过对第四采样口以及配制的纯甲烷的样品的同时红外检测，可以得出整个系统对沼气的净化效率。首先打开单向阀v1、v2、v3、v4、v11、v12、v13和v14，然后流量计p9打开，氮气进入检测气室及管路中，一段时间后，真空泵t1和t2将各自气室及相关气路中的氮气抽成真空。测量出背景光谱后，关闭所有气阀，先打开单向阀v2、v3和v7，通过流量计p5将第四采样口中的气体充入检测气室，关闭v2、v3和v7。再打开v5，通过流量计p4甲烷样品充入对比气室。经过红外差分吸收光谱法得出检测效率。纯甲烷不同浓度的红外吸收轮廓代表甲烷浓度值，通过轮廓面积的计算来代表甲烷的浓度，配置好不同浓度的标准甲烷，得到这些标准甲烷的吸收轮廓，与第四采样口的气体红外吸收轮廓比较，并根据偏最小二乘法可以得出第四采样口处甲烷的浓度，进而得到沼气净化后的纯度，进而得到净化效率并控制相应设备。同理，其他气体的浓度计算也可以采用同样的方法，通过光路、气路的切换得到各自的浓度以及净化效率并对相应设备的控制。图7中还有单向阀v6、v8、v9、v10，流量计p2、p3、p6、p7、p8、p9、）。

光路与气路配合方式是:采用图3所示的检测光路，选用图7所示的双气室检测气路（分别为检测气室和对比气室），首先全波段扫描，定性定量的得出沼气的组分和各组分的浓度。首先调整红外光源，使气室中心、红外光探测器在同一光轴上。红外光源经过分光镜3-3分光后一分为二，滤光片转盘3-4旋转到白光片，没有滤光效果，没有经过滤光的全波段红外光进入气室。如图7，此时调节相应的气路，使检测气体进入检测气室。打开所有单向阀，向两个气室和管路中充氮气，一段时间（至少10分钟）后，关闭单向阀v1、v12和v14，真空泵t1、t2将气室和管路中的气体抽空，由红外检测系统检测背景光谱；接着关闭所有单向阀，打开v9、v2、v3和v4，控制好流量计的流量，将第二采样口的气体充满检测气室和对比气室，红外检测系统18得到一组数据。改变流量计的流量，用同样的方法测量20不同浓度的第二采样口的气体浓度。通过20组数据的预处理以及多组分PLS建模定性定量的分析第二采样口沼气组分。通过分析可以得到各组分的浓度，进而判断净化效率。另外，以二氧化碳的脱除为例；首先调整红外光源，使气室中心、红外光探测器在同一光轴上。选择4.28μm红外光（一方面二氧化碳在此处吸收最强，可以很好地反应二氧化碳在沼气中的浓度；另一方面，沼气中其他气体组分在4.28μm处吸收不强，所以可减少干扰；而且在一定浓度范围内沼气中各气体组分对红外光的吸收是独立的，不会相互影响。沼气的吸收峰是可以由沼气中各组分单独的吸收峰线性叠加的。所以通常选择波长为4.28μm的红外波段来检测二氧化碳气体的浓度）；转动滤光片转盘，选定滤光波长为4.28μm的滤光片，经过分光镜分光作用的两束红外光都经过相同的滤光后分别进入检测气室和对比气室。此时调节相应的气路，使检测气体进入检测气室。打开所有单向阀，向两个气室和管路中充氮气，一段时间（至少10分钟）后，关闭单向阀v1、v12和v14，真空泵t1、t2将气室和管路中的气体抽空，由红外检测系统检测背景光谱；接着关闭所有单向阀，打开单向阀v2、v3和v8，经过流量计p6，第三采样口的气体充入检测气室，一段时间后关闭单向阀v2、v3和v8。打开v6，流量计p5将第四采样口的气体充入对比气室，一段时间后关闭v6。光路和气路都调整好后，红外探测器将测得的信号送入处理单元3-17处理（经过数字滤波，线性插值及温度补偿等信号处理；处理单元可直接外购），最后输出气体浓度的测量数值；该测量数值可用于产品的品质控制。

两个气室可以反复利用，每次使用前需通入氮气以排除其他气体对检测结果的干扰；并在一定时间后，用红外光检查气室，直至红外光没有吸收才可，所以理论上没有吸收峰值，检测值为一条直线可以确认气室中原先的气体成分已经排尽，可以开始进行气体的检测分析。而且检测光路可以用来检测每个采用口的样品，只要气室选择连通不同的采样口便可。两个气室可以用来连接不同的采样口，也可以用来将某一采样口的气体样品与特定配制的气样进行对比。光路的设计与气路、采样的设计结合可以实现不同的检测效果，实现单个装置的多功能化。

气室在检测气体前需要用N₂置换成相对真空状态（红外光进行检测时无峰值出现），此时的检测值作为基准值，每次抽成真空后的检测值都需要与基准值进行对比比较；如果有偏差则需要继续对气室进行处理，直到和初始数值一致。这是气室的调零过程，对于消除误差非常重要；或者每次测量出背景光谱，测量其他气体时扣除背景光谱便可。

由图1可知，本发明在系统中还配置了包括甲烷探头、氧气探头以及检测各管道的压力传感器的报警系统。

甲烷探头2用来检测车间内的甲烷的浓度，一般甲烷在空气中含量5%-15%时极易发生爆炸，9.5%时最为强烈，所以要在车间安装甲烷探头以及超标报警器。传感器设定的警告报警浓度应该为爆炸下限的10％，危险报警浓度应该为爆炸下限的20％，而某特定气敏传感器的爆炸极限是5％(空气中的百分比)，故报警浓度应为0.5%。当甲烷探头2检测到车间的甲烷浓度超过0.5%时，甲烷报警器3即报警，并且通过控制中心4关闭设备上所有的自动调节阀同时车间排气系统增加功率排除甲烷，再检查设备中何处漏气进行调整。

当甲烷罐中的氧气含量超过1%时会带来安全危险，所以氧气探头7安装在甲烷罐中；当氧气探头检查获得甲烷罐中的氧气浓度达到总含量的1%时，氧气报警器5即报警，并且通过控制中心4调解沼气的进气速率，直至氧气浓度降低到1%以下，氧气报警器才停止报警。

安装在各管道上的各压力传感器8可以测得各管道的压力值；设定一个设备正常运行时的压力值，当压力传感器所测得的压力值与设定值超过一定范围内的偏差时，通过控制中心4关闭自动调节阀，并且通过分析每个传感器的数值确定哪个设备发生泄漏以进行相应的措施。也可将压力传感器安装在红外检测仪旁，根据不同级别的产品实现不同的声光报警

显然，上述报警系统采用的是成熟的常规报警系统。

本发明还可根据检测结果，对沼气净化提纯系统进行自动控制，其执行部件是自动调节阀和耐腐蚀泵；具体通过自动调节阀10调节沼气的进气量，通过耐腐蚀泵20调节输入脱水塔的物料和气体流速，通过耐腐蚀泵15调节输入脱硫塔的物料和喷淋强度，通过耐腐蚀泵12控制脱碳塔压力的变化，实现不同的变压吸附分离出产品。

红外检测中心18负责检测分析由第一采样口21、第二采样口17、第三采样口14、第四采样口9的样品，并将检测结果送至控制中心4；控制中心通过与设定值的对比，确定净化效果。控制中心通过调节各自动调节阀10和各耐腐蚀泵12、15、20，调节设备实现净化目标。pH值仪19用来检测废液的pH值，进而通过控制中心来调节耐腐蚀泵的进出物料。

控制中心4中的控制电路（控制电路外购获得）包括数字量输入、输出模块，模拟量输入、输出模块，开光量输入、输出模块。各甲烷报警器、各氧气报警器以及pH值仪将模拟信号输入到控制中心，各压力传感器也是输入模拟信号至控制中心，各自动调节阀则是输入开关量；控制中心则通过输出数字量对各自动调节阀、各耐腐蚀泵以及各净化设备实现控制。

具体的检测控制方法是：通过甲烷探头2实时监测沼气净化提纯区域内的沼气含量，并根据控制中心设定的沼气含量下限对比；如果沼气含量偏高则通过甲烷报警器3报警，同时通过控制中心自动控制排风设备及调节沼气进气；当净化提纯区域内沼气的浓度低于0.5%时甲烷报警器停止报警。通过氧气探头7实时监测甲烷罐中氧气的含量，使甲烷罐中氧气体积百分比含量低于1%；如果甲烷罐中氧气体积百分比含量高于1%时，氧气报警器即报警，同时由控制中心调节沼气的进气量并且监测系统的气密性，使得沼气罐中的氧气含量低于1%。

在沼气净化提纯系统中，以天然气的技术指标作为沼气净化的净化参数。

沼气中硫化氢含量一般在1-12g/m3需要净化提纯，净化后的沼气作为一级天然气时硫化氢含量应6mg/m3，作为二级天然气时硫化氢含量应20mg/m3，作为三级天然气时硫化氢含量应460mg/m3。红外检测中心22通过检测第一采样口21、第二采样口17处气体，得到沼气脱除硫化氢后的红外吸收谱；再处理单元经过图谱处理及偏最小二乘方得到沼气组分的浓度，将图谱信息转化为沼气组分的浓度信息。净化后的沼气产品分为一类、二类、三类，各类产品硫化氢含量不一样；一类产品硫化氢设定值是6mg/m3，二类产品硫化氢的设定值是20mg/m3，三类产品硫化氢的设定值是460mg/m3。

中华人民共和国标准GB17820-1999规定如表1。

表1天然气的技术指标

当需要一类产品时，而红外检测中心检测得知沼气内的硫化氢高于6mg/m³时，控制中心通过控制耐腐蚀泵15的喷淋强度、脱硫塔前后的自动调节阀10的进出气速率，降低使硫化氢的含量，直至硫化氢低于6mg/m³。二类、三类产品的检测与控制同理，只是一般先出三类产品，再出二类、一类产品。

一般在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气的水露点应比最低环境温度低5oC。根据水露点与含水量的换算，可得出天然气含水量。在沼气交接点的压力和温度条件下，沼气中应无游离水（无游离水是指天然气经机械分离设备分离不出游离水）。通过红外检测中心检测第二采样口、第三采样口，可得到脱水后的沼气红外吸收图谱；将图谱经过数据处理得到沼气中的含水量，最后换算成水露点。沼气中的水露点设置成比最低环境温度低5℃，红外检测中心检测得到的水露点高于设定值时，控制中心控制耐腐蚀泵的进出料，同时控制自动调节阀进出气速率，使水露点比最低环境温度低5°C。

由表1可知，天然气中一、二类产品CO2含量3.0%（体积分数），三类产品CO2含量没有要求。通过红外检测中心检测第三采样口、第四采样口，得到沼气除去CO2后的红外吸收图谱，通过图谱分析得到CO2在沼气中的体积分数；若体积分数高于一、二类产品中CO2含量3.0%。控制中心通过控制耐腐蚀泵的控制变压吸附以及自动调节阀调节进出气速率，最后使CO2的含量低于3.0%。

通过各压力传感器8测定净化提纯系统的压力，可以得知系统是否漏气。当某个压力传感器出现异常时，控制中心根据传感器传回的数据判断是否泄漏，若泄漏则关闭自动调节阀，并根据压力值判断出泄漏点，便于维护。pH值仪19可以根据废液的pH值，得知脱硫罐中的反应情况，通过pH的变化控制设备的进出料。

上述图谱分析处理均由计算机及处理单元通过软件实现。

Claims (7)

1.一种基于红外差分吸收光谱法的沼气检测与提纯控制系统，包括一控制中心（4）及处理单元（3-17），其特征在于该系统的结构还包括：

A、沼气罐（1）通过装有自动调节阀（10）以及耐腐蚀泵的管道依序连通脱水塔（16）、脱硫塔（13）、脱碳塔（11）以及储气罐（6）；

B、分别在脱水塔、脱硫塔、脱碳塔和甲烷储气罐的管道进口设置采样口，每个采样口都通过配置流量计和单向阀的气管依序连通预处理装置以及红外检测中心的气室；

C、全波段红外光源（3-1）对所述气室发射对气体进行检测的红外光，然后由红外探测器（3-8）接收并探测检测后的红外光，随后将获得的信息输送至所属处理单元进行数据处理，最后输往控制中心。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外差分吸收光谱法的沼气检测与提纯控制系统，其特征在于：上述沼气净化提纯系统还配置一报警系统；该报警系统包括安装在车间内的甲烷探头（2）、安装在甲烷罐内的氧气探头（7）以及安装在各管道上的压力传感器（8）；这些甲烷探头、氧气探头以及压力传感器均通过数据线连通控制中心。

3.根据权利要求2所述的一种基于红外差分吸收光谱法的沼气检测与提纯控制系统，其特征在于：所述红外光从近红外光源发出，依次通过分光镜（3-2）、反光镜（3-3）、滤光片转盘（3-4）后射入所述的气室。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于红外差分吸收光谱法的沼气检测与提纯控制系统，其特征在于：所述检测气室内安装着用于延长红外光射程的多个反射镜（5-4）。

5.根据权利要求4所述的一种基于红外差分吸收光谱法的沼气检测与提纯控制系统，其特征在于：所述气室包括检测气室和对比气室。

6.根据权利要求5所述的一种基于红外差分吸收光谱法的沼气检测与提纯控制系统，其特征在于：所述红外光的波段中，检测甲烷选择特征吸收波段3.31μm，检测二氧化碳选择特征吸收波段4.28μm，检测硫化氢选择特征吸收波段7.46μm，检测水蒸气选择特征吸收波段1.39μm。

7.根据权利要求6所述的一种基于红外差分吸收光谱法的沼气检测与提纯控制系统，其特征在于：所述滤光片转盘的转速由控制中心控制。

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