CN1321882A - 多组份气体红外监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明多组份气体红外监测系统涉及的是一种可同时连续监测烟气、窑气、炉气、半水煤气等混合气体中CO、CO2、SO2、NOx、CH4、O2等一种或多种气体成分含量的监测系统。系统由防堵塞气体采集探头、多路速冻气体除水部分、多组分异核气体红外分析仪、PLC程控逻辑和通讯模块(控制器)组成,防堵塞气体采集探头包括耐高温耐磨损刚玉陶瓷抽气管、高精细炭化硅过滤器,多路速冻气体除水部分包括若干个热交换器、电磁阀、制冷压缩机、真空发生器、气泵等。
Description
本发明多组份气体红外监测系统涉及的是一种可同时连续监测烟气、窑气、炉气、半水煤气等混合气体中CO、CO2、SO2、NOX、CH4、O2等一种或多种气体成分含量的监测系统。
SO2气体要实现可靠的在线连续监测是全世界目前面临的世界性难题。
目前，国内用于SO2气体分析的主要分析仪器有电容式红外微音探头分析仪和紫外分析仪。SO2气体是易燃、强腐蚀性的酸性气体。电容式红外微音探头是经不起酸性气体腐蚀的，因此，不能长期连续工作。紫外分析仪世界上许多国家都有，其特长是适用于大气中低浓度SO2气体的分析，原因有两个：(1)紫外分析仪器分析仓的窗片是一种透光率极高但怕潮解的材料，如遇水汽沾污，便会降低透光率，影响分析结果的准确性；如长期有水汽沾污，极易造成分析仓的损坏。因此，被测气体必须干燥洁净。(2)紫外分析仪器分析仓一般是由铝管内壁涂金构成的，涂金的目的主要有两个：一是减少SO2气体对分析仓铝管内壁的腐蚀，二是用于折射紫外光，不被铝管内壁所吸收。因此，被测气体不能是高浓度SO2气体。
测试常量的SO2气体，全世界都没有很好的分析仪器。现有气体分析系统基本处于中低档的技术水平，主要表现为：(1)技术档次低，自动化水平差，不能满足工业自动化控制的需要；(2)响应速度慢，实时性差，不能满足实时控制的需要；(3)产品质量不高，性能不稳定，一致性较差，使用寿命短，故障率高；(4)开放性差，难以组成网络式在线监控系统；(5)系统集成与配套能较低，不能适应广泛的需要；(6)现有仪器基本上是实验室仪器或便携式仪器，不能满足工业生产的在线要求。
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种多组份气体红外监测系统，应用了红外激光技术、电真空技术、红外吸收分析技术、计算机控制、显示和网络通讯技术、速冻制冷除水技术、耐高温、耐腐蚀、防磨损、防堵塞气体采样技术，攻克了SO2气体红外监测这一世界性难题，并实现了多组份气体红外检测，为气体分析向实时化、网络化、智能化、自动化和系统化开辟了通道。
多组份气体红外监测系统是采取以下方案实现的：为获得精确并且稳定的分析结果，进入IRGA多组份异核气体红外分析仪的气体必须干燥、无灰尘和无水份，气体温度也须稳定。因此，被测气体首先需经过气体采集探头过滤除尘，然后进行快速霜冻除水处理。快速霜冻除水部分为多路快速霜冻除水装置，保证气体除水处理连续进行，程控逻辑和通讯模块则确保气体采集探头和除水部分按照预定的要求或程序运行，使进入IRGA多组份异核气体红外分析仪的被测气体干燥无尘，并且温度稳定在规定的范围内，不受气候四季变化的影响。
多组份气体红外监测系统主要由防堵塞气体采集探头、多路速冻气体除水部分、多组分异核气体红外分析仪、PLC程控逻辑和通讯模块(控制器)组成。
防堵塞气体采集探头包括耐高温耐磨损刚玉陶瓷抽气管、高精细炭化硅过滤器、电加热保温器和不锈钢外套组成。由气体采集探头除尘以后的洁净气体经耐腐蚀管路送到多路速冻气体除水部分。
多路速冻气体除水部分由若干个热交换器、进气电磁阀、出气电磁阀、制冷压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管、冷媒电磁阀、气泵(压缩机)、真空发生器、气体过滤器、流量计、调压阀组成。进气电磁阀与防堵塞气体采集探头相连，出气电磁阀经过气体滤器和流量计与多组分异核气体红外分析仪相连，连结管路为耐腐蚀管。
多组分异核气体红外分析仪由红外光源、气体分析仓、采样探头、切光片、切光电机、信号采集、信号处理和信号显示与输出等部件组成。多路速冻气体除水部分去除水份后的干燥气体经再次过滤和流量恒定以后在多组分异核气体红外分析仪中进行分析，分析结果在分析仪上进行显示并输出4～20mA信号。
PLC程控逻辑和通讯模块(控制器)具有若干路开关量输入和若干路开关量输出，模块之间可以相互通讯。PLC程控逻辑和通讯模块的作用是对多路速冻气体除水部分中的各电磁阀进行逻辑控制，使电磁阀按逻辑运行，保证各热交换器能顺序工作。
气泵(压缩机)的作用是产生高压空气，一方面高压空气经调压阀到真空发生器，使真空发生器产生负压，将气体从防堵塞气体采集探头抽入，经过滤和除水到分析仪器中分析，废气经真空发生器随高压空气排出；另一方面，在PLC程控逻辑的控制下，对防堵塞气体采集探头进行反吹，保证防堵塞气体采集探头气孔畅通。
多组份气体红外监测系统充分开发和应用了多项现代高科技技术：红外激光技术、电真空技术、红外吸收分析技术、计算机控制、显示和网络通讯技术、速冷制冷除水技术、耐高温、耐腐蚀、防磨损、防堵塞气体采样技术，是光机电一体化的高科技技术结晶。实现该系统可同时监测烟气、窑气、炉气、半水煤气等混合气体中CO、CO2、SO2、NOX、CH4、O2等一种或多种气体成分的含量。
多组份气体红外监测系统主要特点是：(1)依据经典的郎伯特-比耳红外光谱定律，采用物理方法分析；(2)光路设计独特，不用微音检测器检测，采用固体红外检测器，不怕噪声干扰，可适应各种场合；不用分光器分光，采用最新的非接触式红外相关检测法；(3)性能稳定，使用寿命长，无需经常校验或校标，不需维护人员经常调整光路和零点，具有系统自诊断功能和故障报警功能，实现智能“傻瓜”机；(4)多组分异核气体同时在线检测；(5)不怕水份，耐高温，抗腐蚀，防磨损；(6)测量精度高，SO2气体可精确到1PPM，并可以直接测量高浓度百分含量的SO2气体，填补了世界上没有直接测量高浓度百分含量SO2气体的红外分析仪器的空白；(7)紧贴气源安装，无需甩水和化学试剂，无需电加热保温和空气稀释，大大减少了日常维护工作，运行费用降到最低；(8)在线实时性强，10秒内获得分析结果，可实时反馈指导工艺控制，提高工厂生产效率或污染防治效率；(9)有实时数据显示、历史数据显示、曲线显示等功能；(10)系统开放性好，自身容易实现网络化系统或与其它系统相连；(11)可作为现场设备24小时全自动工作。
多组份气体红外监测系统与国内外同类产品相比较，设计思想新颖，系统特点明显，克服了现有产品难以逾越的许多障碍，为气体分析向实时化、网络化、智能化、自动化和系统化开辟了通道。
多组份气体红外监测系统可以广泛用于电力、环保、石油、化工、化肥、制气、冶金、建材、煤矿、垃圾焚化等工业部门，也可用于医疗及其他科学实验场合，是高效节能、产品质量、环境保护和安全防范的重要监测手段。
以下将结合附图对本发明作进一步说明。
图1是多组份气体红外监测系统示意图。
参照附图1，多组份气体红外监测系统主要由防堵塞气体采集探头、GDFD多路速冻气体除水部分、IRGA多组分异核气体红外分析仪、PLC程控逻辑和通讯模块(控制器)组成。气体分析系统是由防堵塞气体采集探头，多路速冻气体除水部分、多组分异核气体红外分析仪、PLC程控逻辑和通讯模块组成。
防堵塞气体采集探头包括耐高温耐磨损刚玉陶瓷抽气管1、高精细炭化硅过滤器2、电加热保温器和不锈钢外套组成。在气体采集探头前端装置有耐高温耐磨损刚玉陶瓷抽气管1，作采集管，耐高温耐磨损刚玉陶瓷抽气管后部装有高精细炭化硅过滤器2，高精细炭化硅过滤器外部装置有不锈钢外套，不锈钢外套外部装置有电加热保温器。由气体采集探头除尘以后的洁净气体由烟气入口经耐腐蚀管路送到多路速冻气体除水部分。
多路速冻气体除水部分由若干个热交换器13、14、进气电磁阀11、12、出气电磁阀26、制冷压缩机9、冷凝器8、过滤器17、毛细管15、16、冷媒电磁阀18、19、气泵(压缩机)7、真空发生器22、气体过滤器25、流量计24、调压阀10。若干热交换器具有内筒体，内筒外部缠置有间隔排列的制冷管(气路管)与冷媒管，冷媒管对制冷管制冷到-20℃，使气体的水份结霜在制冷管的管壁上。制冷管(气路管)进口与进气电磁阀11、12相连，出口与出气电磁阀26、除水电磁阀20相连，冷媒管的进口分别与毛细管15、16相连，冷媒管出口与制冷压缩机9相连，内筒体内设置有电加热圈，用于加热制冷管化霜，内筒体内有温度传感器，用于控制温度，制冷管与冷媒管外部装有保温层(聚氨酯发泡层)，保温层外部装有不锈钢外壳。
制冷压缩机9入口与冷媒管出口相连，制冷压缩机9出口与冷凝器8入口相连，冷凝器8出口与过滤器17入口相连，过滤器17出口与冷媒电磁阀18、19的入口相连，冷媒电磁阀出口分别通过毛细管15、16与热交换器13、14冷媒管进口相连。
气泵7出口与抽气电磁阀6相连，抽气电磁阀为二位三通电磁阀，出口1为常开口，不通电情况下打开，2为常闭口，不通电情况下常闭，常闭口2与烟气反吹管相连。常开口1一路管道经调压阀10与真空发生器22入口相连，真空发生器22产生真空形成负压将烟气(气体)引入热交换器经除尘除水后进入分析仪器。另一路管道经截止电磁阀4与热交换器进气电磁阀12相连，用于热交换器制冷管化霜后吹除水。气泵7出水口连接有放水电磁阀21定期放水。
防堵塞气体采集探头与烟气入口相连，通过耐腐蚀管路经截止电磁阀5与热交换器A、B两进气电磁阀常开口1相连，热交换器的制冷管(气路管)出口一路经出气电磁阀26进入经气体过滤器25、流量计24进入多组份异核气体红外分析仪器23进行气体分析，以4～20mA信号电流输出至连接端子，热交换器的制冷管(气路管)出口另一路经除水电磁阀20至排水出口。热交换器还可以采用其它制冷方式。
多组分异核气体红外分析仪23由红外光源、气体分析仓、采样探头、切光片、切光电机、信号采集、信号处理和信号显示与输出等部件组成。可采用申请人“异核气体分析仪用测试仓”专利号2L97236610.5专利技术制作。多路速冻气体除水部分去除水份后的干燥气体经再次过滤和流量恒定以后在多组分异核气体红外分析仪中进行分析，分析结果在分析仪上进行显示并输出4～20mA信号。
PLC程控逻辑和通讯模块(控制器)具有12路开关量输入和8路开关量输出，模块之间可以相互通讯。PLC程控逻辑和通讯模块(控制器)可采用微型可编程控制器，型号为LOGO！。程控逻辑和通讯模块的作用是对多路速冻气体除水部分中的各电磁阀进行逻辑控制，使电磁阀按逻辑运行，保证各热交换器能顺序工作。
参照附图说明多组份气体红外监测系统具体工作原理：多组份气体红外监测系统接通电源后在PLC程控逻辑和通讯模块(控制器)3的控制下，制冷压缩机9工作，冷媒电磁阀18打开，热交换A13深度制冷，气泵2的压缩空气经置1状态的抽气电磁阀6、调压阀10给真空发生器22加正压，使真空发生器22产生射流真空的负压引力，将防堵塞气体采集探头滤尘后的气体经烟气入口吸入到IRGA多组分异核气体红外分析仪23里分析，并在信号出口端送出分析结果。
气体吸经置通状态的电磁阀5、置1状态的进气电磁阀11、热交换器A13、置1状态的出气电磁阀26、气体过滤器25、流量计24到达IRGA分析仪器23。在PLC程控逻辑和通讯模块(控制器)3的控制下，热交换器B14加热霜化后，气泵7产生的压缩空气经置通状态的电磁阀4、置2状态的进气电磁阀12、置1状态的除水电磁阀20，将水吹出排水口。
气体在引入热交换器A13时，不停地碰撞气路管(制冷管)管壁，气体中的水份被霜冻在气路管(制冷管)管壁上，当气体中的水份被霜冻在气路管管壁上的霜达到一定厚度时，控制器PLC将冷媒电磁阀19打开，热交换器B14开始预制冷半小时，而后将滤尘后的气体切换到B14路工作。气泵的压缩空气经置1状态的抽气电磁阀6、调压阀10、给真空发生器22加正压。使真空发生器22产生射流真空的负压引力，将滤尘后的气体吸入到分析仪器(IRGA)23里分析，并在信号出口端送出分析结果。
气体吸入时经置通状态的电磁阀5、置1状态的进气电磁阀13、热交换器B 13、置2状态的出气电磁阀26、气体过滤器25、流量计24、到达IRGA分析仪器。在控制器PLC的控制下，热交换器A13加热霜化后，压缩空气经置通状态的进气电磁阀4、置2状态的进气电磁阀11、置2状态的除水电磁阀20，将水吹出排水口。
气体在引入热交换器B14时，不停地碰撞气路管(制冷管)管壁，气体中的水份被霜冻在气路管(制冷管)管壁上，当气体中的水份被霜冻在气路管管壁上的霜达到一定厚度时，控制器PLC将冷媒电磁阀18打开，热交换器A13开始预制冷半小时，而后将滤尘后的气体切换回热交换器材A13路。从而气体分析系统完成了一个工作周期。在控制器PLC的控制下，周而复始地工作。
炭化硅陶瓷滤尘器2和刚玉陶瓷抽气管1组成的滤尘装置，工作一段时间后会发生堵塞，所以本系统在控制器PLC的控制下定时反吹，反吹气流由气泵产生的高压气体经置2状态的抽气电磁阀6、电磁阀5断开，反吹到炭化硅陶瓷滤尘器2和刚玉陶瓷抽气管1组成的滤尘装置，将堵塞物吹走。
Claims (3)
1、一种多组份气体红外监测系统，其特征是系统由防堵塞气体采集探头、多路速冻气体除水部分、多组分异核气体红外分析仪、PLC程控逻辑和通讯模块组成，防堵塞气体采集探头包括耐高温耐磨损刚玉陶瓷抽气管、高精细炭化硅过滤器、电加热保温器；多路速冻气体除水部分包括若干个热交换器、进气电磁阀、出气电磁阀、制冷压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管、冷媒电磁阀、气泵、真空发生器、气体过滤器、流量计、调压阀，进气电磁阀与防堵塞气体采集探头相连，出气电磁阀经气体过滤器和流量计与多组分异核气体红外分析仪相连；多组分异核气体红外分析仪包括红外光源、气体分析仓、采样探头、切光片、切光电机、信号采集、信号处理和信号显示与输出部件，多路速冻气体除水部分去除水份后的干燥气体经再次过滤和流量恒定以后在多组分异核气体红外分析仪中进行分析，分析结果在分析仪上进行显示并输出信号；程控逻辑和通讯模块具有若干路开关量输入和若干路开关量输出，模块之间可以相互通讯。
2、根据权利要求1所述的多组份气体红外监测系统，其特征是在防堵塞气体采集探头前端装置有耐高温耐磨损刚玉陶瓷抽气管，耐高温耐磨损刚玉陶瓷抽气管后部装有高精细炭化硅过滤器。
3、根据权利要求1所述的多组份气体红外监测系统，其特征是多路速冻气体除水部分若干个热交换器内筒外部缠置有间隔排列的制冷管与冷媒管，制冷管进口与进气电磁阀相连，出口与出气电磁阀、出水电磁阀相连，冷媒管的进口与毛细管相连，冷媒管出口与制冷压缩机相连，内筒体内设置有电加热圈；制冷压缩机出口与冷凝器入口相连，冷凝器出口与过滤器入口相连，过滤器出口与冷媒电磁阀入口相连，冷媒电磁阀出口通过毛细管与热交换器冷媒管进口相连；气泵出口与抽气电磁阀相连，抽气电磁阀为二位三通电磁阀，抽气电磁阀常闭口与烟气反吹管相连，另一路管道经电磁阀与热交换器进气电磁阀相连；防堵塞气体采集探头与烟气入口相连，通过耐腐蚀管路经电磁阀与热交换器的进气电磁阀相连，热交换器的制冷管出口一路经出气电磁阀进入经气体过滤器、流量计进入多组份异核气体红外分析仪器，进行气体分析，热交换器的制冷管出口另一路经除水电磁阀至排水出口。
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