CN205120584U - 一种管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，该装置包括激光发射系统、激光接收系统和两个焊接法兰安装单元，所述激光发射系统和激光接收系统分别通过一个焊接法兰安装单元固定在管道的对射两侧；所述激光发射系统包括第一壳体、设置在第一壳体内部的调制信号发生板、激光器驱动电源板和激光器以及安装在第一壳体上的光束扩束准直透镜；所述激光接收系统包括第二壳体、设置在第二壳体内部的探测器、前置放大电路板、锁相放大器板、信号处理板和显示屏驱动板以及安装在第二壳体上的光束汇聚透镜和显示屏。本实用新型具有结构简单、操作方便、响应快速、测量结果准确、稳定性高、非旁路监测等优点。

Description

一种管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置

技术领域

本实用新型涉及管道氨逃逸气体分析技术领域，具体是一种管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置。

背景技术

在大规模燃烧矿物燃料的领域，例如燃煤发电厂，都安装了前燃或后燃NO_X控制技术的脱硝装置，后燃NO_X控制技术可以是选择性催化还原法，也可以是选择性非催化还原法，但是无论应用哪种方法，基本原理都是一样的，即都是通过往反应器内注入氨与氮氧化物发生反应，产生水和N₂。注入的氨可以直接以NH₃的形式，也可以先通过尿素分解释放得到NH₃再注入的形式，无论何种形式，控制好氨的注入总量和氨在反应区的空间分布便可以最大化地降低NO_X排放。氨注入的过少，就会降低还原转化效率，氨注入的过量，不能不能减少NO_X排放，反而因为过量的氨导致NH₃逃逸出反应区，逃逸的NH₃会与工艺流程中产生的硫酸盐发生反应生成硫酸铵盐，且主要都是重硫酸铵盐。铵盐会在锅炉尾部烟道下游固体部件表面上沉淀，例如沉淀在空气预热器扇面上，会造成严重的设备腐蚀，并因此带来昂贵的维护费用。在反应区注入的氨分布情况与NO和NO₂的分布不匹配时也会出现氨逃逸现象，高氨量逃逸的情况伴随着NO_X转化效率降低是一种非常糟糕的现象和很严重的问题。逃逸掉的NH₃不仅造成资金的浪费，环境污染，还将腐蚀催化剂模块，造成催化剂失效和堵塞，大大缩短催化剂寿命。同时逃逸的NH₃会与空气中的SO₃生成硫酸铵盐(具有腐蚀性和粘结性)，导致位于脱硝下游的空气预热器蓄热元件堵塞与腐蚀。因此，准确实时在线监测氨逃逸浓度是非常有必要的。

常用的氨逃逸气体在线测量装置，如下：

(1)如中国实用新型专利ZL201310085119.9提到的将电除尘器第一电场灰斗的飞灰与水混合，得到待测样品溶液，控制水灰比为(20～100):1和待测样品溶液的pH值为6.0～6.8，使飞灰中的氨绝大部分甚至全部溶于水中，且不会发生氨逃逸，从而得到氨逃逸的结果。该方法不能实时获取氨逃逸结果，容易造成控制的滞后性，对实时控制氨气比例，减少环境污染存在一定的缺陷。

(2)抽取式催化还原法氨逃逸测量装置：通常采用伴热式抽取氨气，将NH₃先转化为NO，采用化学荧光分析法检测微量NO，再转换成氨的测量值，存在转换器转换效率问题。另外，在样气取样及传输过程存在水分对微量氨的吸收等影响因素，使得抽取分析法测量微量氨很困难，准确度也难于保证。

(3)激光原位测量：无需采样，直接测量氨逃逸浓度，没有样气取样及传输带来的影响和粉尘干扰，也不存在转换器的转换效率问题造成二次污染。采用激光分析原位测量微量氨逃逸，更具有代表性。

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy，TDLAS)作为激光光谱的典型代表具有很多显著的优点，如：(1)利用半导体激光良好的单色性，采用“单线光谱”技术避免背景气体吸收的干扰；(2)利用半导体激光波长的可调谐性解决粉尘、视窗污染对测量的影响；(3)无需采样预处理，响应速度快，便于对生产过程进行控制；(4)实地测量，气体信息不易失真，测量值为管道内气体的在线平均浓度；(5)仪器无运动器件，可靠性高，维护方便，运行费用接近于零(仅为电费)；(6)可自动修正环境温度、压力变化对测量的影响；(7)非接触测量，有非常强的高温、高粉尘和强腐蚀等恶劣工业环境的适应能力。因此，可调谐二极管激光吸收光谱技术为电厂、化工企业、水泥企业等的氨逃逸气体分析领域的自动在线原位测量的可行性奠定了基础。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，克服常用的氨逃逸测量装置需要样品采样、预处理等不足之处，以满足电厂、化工企业、水泥企业等厂矿企业所需要的氨逃逸实时在线原位测量与报警的需求。

本实用新型的技术方案为：

一种管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，该装置包括激光发射系统、激光接收系统和两个焊接法兰安装单元，所述激光发射系统和激光接收系统分别通过一个焊接法兰安装单元固定在管道的对射两侧；

所述激光发射系统包括第一壳体、设置在第一壳体内部的调制信号发生板、激光器驱动电源板和激光器以及安装在第一壳体上的光束扩束准直透镜；所述激光接收系统包括第二壳体、设置在第二壳体内部的探测器、前置放大电路板、锁相放大器板、信号处理板和显示屏驱动板以及安装在第二壳体上的光束汇聚透镜和显示屏；

所述调制信号发生板和激光器驱动电源板的输出端与激光器的输入端连接，所述光束扩束准直透镜设置在激光器的输出光路上，用于对激光器输出的调制激光进行扩束准直，形成激光准直光束；

所述光束汇聚透镜用于对经管道内部的待测气体氨气吸收后的激光准直光束进行汇聚，形成光斑投射到探测器上进行光电转换，所述探测器的输出端通过前置放大电路板与锁相放大器板的输入端连接，所述锁相放大器板的输入端与调制信号发生板的输出端连接，所述锁相放大器板的输出端与信号处理板的输入端连接，所述信号处理板的输出端通过显示屏驱动板与显示屏的输入端连接。

所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，该装置还包括氮气吹扫单元，所述氮气吹扫单元的出气口通过铜管分别与激光发射系统、激光接收系统以及焊接法兰安装单元的进气口连通；

所述第一壳体内部还设有正压启动保护装置和第一电源转换板，所述第一电源转换板通过正压启动保护装置与电源连接，用于当正压启动保护装置处于闭合状态时，将电源电压转换为调制信号发生板和激光器驱动电源板的工作电压；

所述第二壳体内部还设有第二电源转换板，所述第二电源转换板与电源连接，用于将电源电压转换为前置放大电路板、锁相放大器板、信号处理板和显示屏驱动板的工作电压。

所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，所述焊接法兰安装单元包括锁箍、内置清洁玻璃的窗片玻环、光学窗口镜片、仪器法兰、O型橡胶密封圈、安装焊接法兰、螺栓、螺母、单向阀门和不锈钢管，所述锁箍用于将第一壳体或第二壳体与仪器法兰固定在一起，所述窗片玻环安装在激光发射系统的出射端或激光接收系统的入射端，所述光学窗口镜片安装在仪器法兰上，所述仪器法兰与安装焊接法兰通过螺栓和螺母固定连接，并采用O型橡胶密封圈进行密封，所述安装焊接法兰通过不锈钢管固定在管道上，所述单向阀门设置在安装焊接法兰与不锈钢管之间。

所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，所述管道内部设有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器的输出端与信号处理板的输入端连接。

所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，所述第一壳体和第二壳体均为由铸铝材料制备而成的袋盖箱式密封壳体。

所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，所述调制信号发生板包括低频30Hz锯齿波信号发生单元和高频10KHz正弦波信号发生单元，所述激光器驱动电源板包括驱动激光器正常工作的温度控制器和电流控制器，所述激光器采用中心输出波长为1.53um的可调谐半导体激光器。

所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，所述锁相放大器板的输入端与调制信号发生板的输出端通过多芯同轴屏蔽电缆连接。

所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，所述正压启动保护装置采用压力开关，所述压力开关用于当第一壳体内部为氮气正压状态时，保持闭合，当第一壳体内部气压小于等于外界大气压时，保持断开。

所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，所述电源采用DC-24V电源。

所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，所述清洁玻璃采用CaF₂制备而成，设置在激光发射系统出射端和激光接收系统入射端的清洁玻璃与激光准直光束之间的夹角均为30度，且两端的清洁玻璃为非平行安装结构。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型在测量过程中可以实现对管道内部气体的实时在线原位监测，保证了测量的准确性，并且可以快速地反映管道内部氨逃逸浓度的变化，为实时控制氨气供给量奠定了基础。

(2)本实用新型的激光发射系统与激光接收系统采用对射式安装于管道两侧，避免了旁路式和抽取式安装无法反映整个管道内部氨逃逸情况的缺点，提高了测量的准确性。

(3)本实用新型将相关激光发射部件和激光接收部件均置于壳体内部进行密封，并使整个壳体内部保持正压状态，既满足了电气安全性的要求，也可以用于防燃、防爆等场合，扩大了本实用新型的应用领域。

(4)本实用新型采用二次谐波与一次谐波比值消元法消除因粉尘、激光器功率起伏等光强波动对测量结果的影响。

(5)本实用新型根据温度、压力变化对测量结果进行修正，进一步提高了测量准确性。

(6)本实用新型各部分分别集成封装，结构简单，操作方便、响应快速、稳定性高。

附图说明

图1是本实用新型的装置结构示意图；

图2是本实用新型的激光发射系统壳体内部部件示意图；

图3是本实用新型的激光接收系统壳体内部部件示意图；

图4是本实用新型的焊接法兰安装单元分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本实用新型。

如图1～图4所示，一种管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，包括激光发射系统1、激光接收系统2、氮气吹扫单元3、焊接法兰安装单元4。激光发射系统1和激光接收系统2分别通过焊接法兰安装单元4连接后安装在管道5的对射两侧。

激光发射系统1包括壳体10、正压启动保护装置11、电源转换板12、调制信号发生板13、激光器驱动电源板14、DFB激光器15和光束扩束准直透镜16。壳体10采用密封式袋盖箱式铸铝材料加工而成，正压启动保护装置11、电源转换板12、调制信号发生板13、激光器驱动电源板14和DFB激光器15置于壳体10内部并有序安装摆放，光束扩束准直透镜16安装在壳体10上。

正压启动保护装置11包括压力开关，其正常工作状态为氮气正压状态，压力开关保持闭合，激光发射系统1处于工作状态；当气压小于等于外界大气压时，压力开关保持断开，激光发射系统1处于非工作状态。电源转换板12通过正压启动保护装置11与DC-24V电源连接，其作用是将输入的24V电源电压转换为调制信号发生板13和激光器驱动电源板14所需要的工作电压。调制信号发生板13包括低频30Hz锯齿波信号发生单元和高频10KHz正弦波信号发生单元，其中低频30Hz锯齿波信号发生单元使DFB激光器15的输出波长扫描过氨气中心吸收波长，高频10KHz正弦波信号发生单元共同作用于DFB激光器15上，使DFB激光器15产生调制激光。激光器驱动电源板14包括驱动DFB激光器15正常工作的温度控制器和电流控制器。DFB激光器15为可调谐半导体激光器，中心输出波长为1.53um。光束扩束准直透镜16的作用是将DFB激光器15发射的激光进行扩束准直，形成光斑直径约为2cm的激光准直光束6射向对面激光接收系统2。

激光接收系统2包括壳体20、电源转换板21、光束汇聚透镜22、InGaAs探测器23、前置放大电路板24、锁相放大器板25、信号处理板26、LCD显示屏驱动板27和LCD显示屏28，壳体20采用密封式袋盖箱式铸铝材料加工而成，电源转换板21、InGaAs探测器23、前置放大电路板24、锁相放大器板25、信号处理板26和LCD显示屏驱动板27置于壳体20内部并有序安装摆放，光束汇聚透镜22和LCD显示屏28安装在壳体20上。

电源转换板21与DC-24V电源连接，其作用是将输入的24V电源电压转换为前置放大电路板24、锁相放大器板25、信号处理板26和LCD显示屏驱动板27的工作电压。光束汇聚透镜22的作用是将接收到的直径约为2cm的激光准直光束汇聚成面积小于1mm²的小光斑，投射在InGaAs探测器23上进行光电信号转换。锁相放大器板25所需要的参考正弦信号是由调制信号发生板13产生的，锁相放大器板25与调制信号发生板13通过多芯同轴屏蔽电缆9连接。锁相放大器板25的积分时间、放大倍数、相位均可通过指令进行调节。信号处理板26对锁相放大器板25产生的一次谐波信号和二次谐波信号进行光强修正处理，根据处理后的结果反演气体浓度，同时还采集安装在管道5内部的温度传感器和压力传感器测量的管道5内部的温度和压力值，以修正管道5内部温度和压力对气体浓度的影响。

为了保证装置的安全性，满足防爆要求，激光发射系统1和激光接收系统2均处于氮气正压状态。氮气吹扫单元3使用压缩氮气为气源，现场安装时可使用螺栓固定在激光发射系统1与激光接收系统2之间的位置，并将气源通过8mm铜管7接到每一部分的进气口8，保持内部正压(激光发射系统1和激光接收系统2)，防止灰尘和其它污染物对光学窗口镜片42的污染(焊接法兰安装单元4)。

焊接法兰安装单元4包括锁箍40、内置清洁玻璃410的窗片玻环41、光学窗口镜片42、DN50仪器法兰43、O型橡胶密封圈44、DN50安装焊接法兰45、螺栓46、螺母47、DN50单向阀门48和Φ50不锈钢管49。锁箍40用于将壳体10、20与DN50仪器法兰43相连接固定。窗片玻环41分别安装在激光发射系统1的出射端和激光接收系统2的入射端。光学窗口镜片42安装在DN50仪器法兰43上。DN50仪器法兰43与DN50安装焊接法兰45通过螺栓46和螺母47固定连接，并采用O型橡胶密封圈44进行密封。DN50安装焊接法兰45通过Φ50不锈钢管49固定在管道5上。

清洁玻璃410的制备材料为CaF₂，可承受压力最高为5bar(绝对压力)。两端的清洁玻璃410与激光准直光束6之间的倾角均为30度，且两端的清洁玻璃410为非平行安装结构，用于消除两端的光学窗口镜片42由于平行设置所引起的干涉条纹。DN50单向阀门48设置在DN50安装焊接法兰45与Φ50不锈钢管49之间，DN50单向阀门48在壳体10、20安装过程中处于关闭状态，待壳体10、20安装好之后，打开DN50单向阀门48即可进行光路的对准和氨逃逸浓度的在线实时监测。

本实用新型的工作原理：

激光发射系统1和激光接收系统2分别通过焊接法兰安装单元4固定于管道5的同轴对射两侧，其偏差角度小于2度。氮气吹扫单元3安装于激光发射系统1与激光接收系统2之间，外接工厂氮气供应总管或压缩空气泵，然后通过8mm铜管7分别与激光发射系统1、激光接收系统2、焊接法兰安装单元4的进气口8相连，保持壳体10、20内部为正压状态，使正压启动保护装置11处于闭合状态，接通DC-24V电源，同时，为防止管道5内部粉尘附着光学窗口镜片42干扰测量结果，使用正压氮气通过进气口8实时对光学窗口镜片42进行吹扫。

接通电源后，激光器驱动电源板14处于工作状态，驱动DFB激光器15正常工作，调制信号发生板13产生低频锯齿信号波和高频正弦信号波，叠加到DFB激光器15上，使DFB激光器15输出波长为氨气中心吸收波长的调制激光束。DFB激光器15输出的调制激光束经光束扩束准直透镜16扩束和准直后，得到直径约为2cm的激光准直光束6。激光准直光束6经过管道5内部的待测气体氨气吸收以后，到达激光接收系统2。

激光接收系统2内部的光束汇聚透镜22将激光准直光束6会聚到InGaAs探测器23的光敏面上，其会聚光斑大小约小于1mm²。经过InGaAs探测器23光电转换后的信号通过多芯同轴屏蔽电缆9送入前置放大电路板24，经过放大以后的电压信号送入锁相放大器板25进行解调，获得相应的一次谐波信号和二次谐波信号。信号处理板26对一次谐波信号和二次谐波信号进行数据采集、光强修正、信号处理和氨气浓度的实时反演；同时通过连接在激光接收系统2的电缆接头采集安装在管道5内部的温度传感器和压力传感器输出的4～20mA的温度值和压力值电流信号，用于对温度和压力的影响进行氨气浓度的修正。反演修正后的氨气浓度结果通过十六进制格式发送给LCD显示屏驱动板27在LCD显示屏28上显示，最终实现管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量。

本实用新型的技术原理：

本实用新型的基本原理是基于测量管道内的气体分子对近红外“指纹区”特定吸收线的吸收，即Beer-Lambert定律来测量痕量气体浓度的。激光器发出强度为I₀、频率为υ的单色激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端的强度I为：

I(υ)＝I₀(υ)exp(-σ(υ)cL)

其中，σ表示吸收截面，c表示吸收介质的浓度。

为了提高装置的监测灵敏度和稳定性，采用波长调制技术实现气体的实时在线测量。其主要过程为：通过在激光器上叠加低频锯齿波信号和高频正弦波信号使激光器输出波长扫描越过气体中心吸收线，由于在二极管激光器和探测器之间的光路上存在特定气体分子的吸收，利用锁相放大器对探测器信号进行解调得到二次谐波信号I_2f和一次谐波信号I_1f，通过二者的比值τ消除光强波动带来的影响，并利用τ与吸收气体浓度的关系实现对管道内部气体浓度的实时在线监测：

$\mathrm{\τ}=\frac{I_{2f}}{I_{1f}}\∝cL$

本实用新型未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：该装置包括激光发射系统、激光接收系统和两个焊接法兰安装单元，所述激光发射系统和激光接收系统分别通过一个焊接法兰安装单元固定在管道的对射两侧；

所述激光发射系统包括第一壳体、设置在第一壳体内部的调制信号发生板、激光器驱动电源板和激光器以及安装在第一壳体上的光束扩束准直透镜；所述激光接收系统包括第二壳体、设置在第二壳体内部的探测器、前置放大电路板、锁相放大器板、信号处理板和显示屏驱动板以及安装在第二壳体上的光束汇聚透镜和显示屏；

所述调制信号发生板和激光器驱动电源板的输出端与激光器的输入端连接，所述光束扩束准直透镜设置在激光器的输出光路上，用于对激光器输出的调制激光进行扩束准直，形成激光准直光束；

所述光束汇聚透镜用于对经管道内部的待测气体氨气吸收后的激光准直光束进行汇聚，形成光斑投射到探测器上进行光电转换，所述探测器的输出端通过前置放大电路板与锁相放大器板的输入端连接，所述锁相放大器板的输入端与调制信号发生板的输出端连接，所述锁相放大器板的输出端与信号处理板的输入端连接，所述信号处理板的输出端通过显示屏驱动板与显示屏的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：该装置还包括氮气吹扫单元，所述氮气吹扫单元的出气口通过铜管分别与激光发射系统、激光接收系统以及焊接法兰安装单元的进气口连通；

所述第一壳体内部还设有正压启动保护装置和第一电源转换板，所述第一电源转换板通过正压启动保护装置与电源连接，用于当正压启动保护装置处于闭合状态时，将电源电压转换为调制信号发生板和激光器驱动电源板的工作电压；

所述第二壳体内部还设有第二电源转换板，所述第二电源转换板与电源连接，用于将电源电压转换为前置放大电路板、锁相放大器板、信号处理板和显示屏驱动板的工作电压。

3.根据权利要求1所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：所述焊接法兰安装单元包括锁箍、内置清洁玻璃的窗片玻环、光学窗口镜片、仪器法兰、O型橡胶密封圈、安装焊接法兰、螺栓、螺母、单向阀门和不锈钢管，所述锁箍用于将第一壳体或第二壳体与仪器法兰固定在一起，所述窗片玻环安装在激光发射系统的出射端或激光接收系统的入射端，所述光学窗口镜片安装在仪器法兰上，所述仪器法兰与安装焊接法兰通过螺栓和螺母固定连接，并采用O型橡胶密封圈进行密封，所述安装焊接法兰通过不锈钢管固定在管道上，所述单向阀门设置在安装焊接法兰与不锈钢管之间。

4.根据权利要求1所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：所述管道内部设有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器的输出端与信号处理板的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：所述第一壳体和第二壳体均为由铸铝材料制备而成的袋盖箱式密封壳体。

6.根据权利要求1所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：所述调制信号发生板包括低频30Hz锯齿波信号发生单元和高频10KHz正弦波信号发生单元，所述激光器驱动电源板包括驱动激光器正常工作的温度控制器和电流控制器，所述激光器采用中心输出波长为1.53um的可调谐半导体激光器。

7.根据权利要求1所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：所述锁相放大器板的输入端与调制信号发生板的输出端通过多芯同轴屏蔽电缆连接。

8.根据权利要求2所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：所述正压启动保护装置采用压力开关，所述压力开关用于当第一壳体内部为氮气正压状态时，保持闭合，当第一壳体内部气压小于等于外界大气压时，保持断开。

9.根据权利要求2所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：所述电源采用DC-24V电源。

10.根据权利要求3所述的管道氨逃逸激光吸收光谱自动在线原位测量装置，其特征在于：所述清洁玻璃采用CaF₂制备而成，设置在激光发射系统出射端和激光接收系统入射端的清洁玻璃与激光准直光束之间的夹角均为30度，且两端的清洁玻璃为非平行安装结构。