级激光分析仪实现燃烧控制中的节能

采用量子串级激光分析仪实现燃烧控制中的节能关键词锅炉效率，燃烧控制，烟气分析仪，量子串级激光，燃料优化摘要针对电力、工业锅炉厂、石化、炼厂和其他工业的加热炉和锅炉的燃烧控制，形成了一项新的分析技术。分析仪采用一个量子串级激光（QCL）来直接测量燃烧烟气中的CO（ppm）、H2O（%）和CO2(%)含量。这个固定安装的分析仪提供实时的燃烧组成分析，在确保CO处于安全水平的条件下，为燃料效率最大化创造了条件。本文将讨论分析仪在能源效率优化、安全监测、温室气体组成和低排放物上的应用。详细讨论在公用工程系统中发电厂锅炉上安装该仪器来实现低过剩空气和燃烧物CO间平衡的好处。集成到安全仪器系统（SIS）中时，分析仪可用作高CO（易燃物）和低过剩空气（O2）的监测仪。采用专利运算法则，O2测量不受空气泄漏和可能的错误读数的影响。本文将详细讨论量子串级激光技术如何在高温、腐蚀、气体压力波动和颗粒干扰这样一个工业燃烧环境中，实现对气体进行快速分析、不需要调校、无漂移和高可靠性的测量。引言-背景工业锅炉、加热炉和熔炉上燃烧控制技术的改进促进分析仪向高可靠、低维护和快速反应的方向发展。RobertJ.Bambeck董事长，CEOBambeckSystemsInc.桑塔阿那风，美国加州JasonMooney工艺管理经理休斯顿Valero炼厂休斯顿，德克萨斯这项技术主要的燃烧控制方法和主要应用是采用CO作为燃烧过程的控制变量来达到接近理论燃烧的状态。高效的燃烧过程会产生微量的CO，分析CO并进行控制就能优化燃烧过程，在企业生产上实现节能。过剩空气（在完全燃烧所需理论空气基础上的过剩量）用来确保燃料完全燃烧。如果能基于CO的自动燃烧控制能确保完全燃烧，就不需要过剩空气了。当前CO控制的成功技术是采用“发光源-气室滤光”来测CO，采用探针分析仪来测O2。现在量子光束技术也是可行的。新的分析仪是基于量子光束来开发的，可以无干扰地测量燃烧产物中的多种气体组成，并且达到直接控制CO的工业应用标准。量子光束分析仪是一项创新的高效技术，代替了通常的红外线技术，一台分析仪就可识别多种气体的特性。分析仪设计成常压状态下测量燃烧物的气体体积组成。烟气中主要是N2、CO2和H2O，少量O2，以及微量的CO以和NO，还有从助燃空气中带来的少量水蒸气。知道了助燃空气的湿度和未燃烧燃料的量，即使不知道燃料组成，也能很准确地计算出烟气中的O2。与O2分析仪采用同样的光束来测量CO是非常重要的，这样有助于操作工熟悉和接受理论配比燃烧控制技术。另外，也能给O2测量增加信心，因为O2测量是传统的烟气测量项。实践证明，CO和O2测量对燃烧过程中的微调非常有用，是加热炉和锅炉燃烧调整、帮助达到NOx排放标准的非常有价值的分析工具。分析技术采用激光技术通过光束横穿烟道或烟囱来测量燃烧气组成是一项非常适合的技术。面对苛刻的工业环境，测量必须准确可靠。唯一能满足需求的是量子串级激光，它发射的中红外正好是CO都能吸收的波长范围（4.5-4.9um），CO2和H2O的吸收波长也在此区间内。量子激光为多气体分析仪的产生奠定了基础。如何使对燃烧气体期望的测量水平与吸收强度相匹配是一个挑战，另外一个挑战是如何保证它能在高温和随机波动的工业环境中在线运行。将量子串级激光设计到一个分析仪中，能安装在类似加热炉炉管或烟囱这样的工业环境中，一般装在炉体顶部或能得到代表性样品的地方。分析原理激光器是“受激辐射式光频放大器”（激光器）的原理。当用一个外部电源对激光煤质的电子进行激发（量子能级）时，就可以自发发射信号了。信号不断地在低能量的水平上进行衰减、传递，以光量子的形式释放能量。辐射受激发射是量子效应，当电子受到外来近似波段的光子的激发，就会产生相同波段的光子和能量，放大输入的辐射源并以相同的方向运行。改变能量的电子发射一个光子。外来光子激发一个受激电子来进行传输并发射一个额外的光子。传统的半导体二极管激光器传统的半导体二极管激光器是两极的、通过电子空穴对来发出电磁辐射。一个电子从半导体传导带上传来，并且和电子带上的空穴进行结合时，光子就被发射。一旦再结合横跨带隙后，传导电子和空穴就失效，也不再能发射任何光子。光子的能量，二极管激光器的发射波长取决于半导体材料的带隙。测量CO和O2的传统激光二极管需要对每种气体设置一个激光器，因为每一种气体的吸收线都相距甚远。量子串级激光（QCL）的适应性量子串级激光从实验室的研究转向工业应用时，其制造已经非常可靠，并且可重复了。在中红外线领域，对吸收光谱法而言，量子串级激光是首选。对燃烧烟气中的气体组成CO、CO2和H2O来说，量子串级激光有非常好的可测量吸收线，而且烟气中不会有干扰吸收线。对量子串级激光器进行加速寿命的测试结果表明，激光器的能量7年里大约减少30%，这样的能量衰减速度达到了分析仪器所要求的性能规格。这样，激光器的最小寿命可望达到7年。QCL技术量子串级激光器是半导体激光器中一种发射中红外光束的独特类型，它是单极的、基于量子理论来运行的。它有能力达到比传统二极管激光更长的波段，能在一个较大范围内进行波段调整。在量子串级激光器中，发射光子的波长取决于几何构造。传统的二极管激光，波长取决于物资本身。QCL结构量子串级激光器的构造与半导体量子的结构不同。设计半导体材料层厚度，用来产生期望的发射波段。在这样一个紧凑的空间，呈现这种性能的电子可以用量子物理学来解释。有限的电子仅在已经定义好波段的某些发射源上摆动。半导体材料由一系列铟镓砷化物的薄层组成，在各薄层之间有铟铝砷化物组成的带隙，形成一个超晶格。超晶格引入一个变化的电势来通过设备。这个一维的多量子阱将允许的能量带与不相关的电子次能带分隔开。这些半导体材料层产生包含电子的量子阱。当一个电子被注入捕获区域时，它会经历在一个量子阱中两个次能级间的第一次跃迁，然后经历一个非辐射跃迁到最低的次能级，然后进入到下一个量子阱的高能级。这样一个电子就改变了波段，就会发出一个光量子。发射的波段由半导体材料层厚度定义的量子限制所决定。分析仪中量子串级激光器的优势是能在一个长周期内确保稳定地产生准确的波段。吸收光谱法分析仪基于直接吸收测量技术来设计，该技术利用了探测波段的基本吸收线来测量气体的性质，采用了比尔-朗伯定律所定义的光吸收与气体性质的对应关系。以下是一个关于光透射、吸收率、气体浓度和光径间的一个对数关系式。T=I/Io=e–acl注：T=透射a=吸收系数，与温度相关大概有超过100层半导体材料，材料厚度大约0.3nm应用在电子领域，所有能量向下趋势的电子产生种类和波段前后一致的光量c=浓度l=路径距离采用吸收光谱法，不用对干扰和漂移做矫正，就能得到气体浓度的绝对值。.使用QCL的测量技术激光控制器适用于10-30毫微秒脉冲的驱动电流给激光器，提供变化的偏流就意味着发射波长的转换。激光控制器需要跟着调整三个气体吸收波长的设置，外加第四个参考波长，这个参考波长是完全穿透不被烟气吸收的。这样的话，要准确知道波长继而进行气体测量是很困难的。由于烟气不透明导致的光束变化被不断地以数字信号的形式进行调整。在每一个分析序列中，完全穿透的程度由于气体不透明度的变化而进行重新设置，这就保证了测量保持在仪器规格内。吸收线的程度对完整穿透程度的比例就可得到气体浓度。在已知温度和压力的情况下，某一种气体的吸收度通过物理学定律得到，不需要进行额外的调校。O2计算的原理在不知道燃料组成、没有周围干扰空气的测量值的情况下，可通过测量燃烧过程中的CO2,波段(µm)与吸收率（%）4.燃烧气体的基本吸收曲线都处于中红外线，这样，量子串级激光器适合自然进行分析。CO和H2O来得到烟气中的O2体积含量。理论配比燃烧燃料主要由C和氢组成。燃烧后，所有的C转化成CO2和CO，所有的H转化成H2O。理论配比燃烧的一般方程式如下：(CmHn+(m+n/4)O2+3.774(m+n/4)N2=mCO2+(n/2)H2O+3.774(m+n/4)N2利用这个方程式，在理论配比燃烧的情况下只有CO2和H2O产生。分析仪测量烟气中CO2（%）、CO（ppm）和H2O（%）的体积含量。测量环境空气的湿度和温度，就可以确定燃烧空气中的水蒸气。燃烧惰性气体N2、CO2和水蒸气作为变量输入到分析仪中。湿度H2O（%）会从燃烧后的H2O（%）中扣除。既然所有的C和H都来自燃料，那么燃料中的C:H比就是烟气中的C:H比。既然C:H比不会因为稀释而改变，那么被燃烧的燃料中的C:H比就能确定下来。因此，分析烟气中CO、CO2和H2O的比例，就能得到燃料的C:H比。每一个分子不会受温度和压力的影响，都会以同样的比例出现。那么在理论配比燃烧状态下的烟气中CO2的体积百分含量可以适应查尔斯理想气体定律方程式PV=nRT。不管任何时间的任何燃料，化学平衡方程中燃料C:H比产生CO2是理论配比百分含量。比较理论配比的CO2（%）含量和绝对含量CO2，差异由烟气稀释（%FGD）产生。通过烟气稀释（%）来计算O2（%）。%FGD=%O2*100*(1+%H2O湿度+%燃料+比例%+%FI)/(20.947-%O2)注：助燃空气由N2、O2和追踪气体组成，追踪气体和N2一起都是惰性气体，当做是一次通过。%燃料=理论配比燃烧燃料对助燃空气的体积比一般为7.8%比比例%=烟气对输入的空气和燃料体积和的比例一般为1.8%%FI=惰性燃料的体积含量，N2（%）、H2O（%）和CO2（%）一般为2.5%%FGD=%O2(1+%H2O湿度+%燃料+比例%+%FI)/(20.947-%O2)%FGDx(20.947-%O2)=%O2+%O2x%H2O湿度+%O2x%燃料+%O2x比例%+%O2x%FI(%FGDx20.947)-(%O2x%FGD)=%O2+%O2x%H2O湿度+%O2x%燃料+%O2x比例%+%O2x%FI%FGDx20.947=%O2x(1+%FGD+%H2O湿度+%燃料+比例%+%FI)%O2=%FGDx20.947/(1+%FGD+%H2O湿度+%燃料+比例%+%FI)因此，通过测量烟气中CO2、CO和H2O含量得到C/H比，可得到烟气中O2含量。技术优势量子串级激光器的优势在于其长期稳定性，没有漂移，不需要校正。采用一个持续稳定的电流激发时，激光器会产生持续稳定的波段。波段由物资涂层的厚度决定，是不会改变的物理性质。量子串级激光器可以在CO、CO2和H2O的波段间进行调整，是非常可靠的，而且具备一台分析仪测量多个气体的能力。分析仪的特征分析是采用一束从激光器到探测器的横穿烟气的光束来进行测量的。这种固定式的测量是采用红外吸收光谱完全横穿烟道，通过红外吸收光谱来测量气体浓度。多个喷嘴的燃烧是不一致的，这样燃烧产生的烟气自然也会分层。这种技术比单点测试能提供更具有代表性的样品。在烟气中没有探针，因此也不需要气体样品传输线和气体干燥系统。测量就是在一个潮湿的基础上进行的。激光光束不受仪器震动的影响，也不受烟囱或烟道扩展、收缩和移动的影响。有时候铸板凹陷对光束分析仪可能会有影响。这个影响由光学设计通过分散和集中光束来解决，确保充足的光到达探测器。除了空气净化吹风机和仪器内调节温度的风扇之外，仪器内没有移动部件。激光器和探测器都完全是静态设备。不需要氮气吹扫的测O2专利技术，消除了空气中20.947%O2对测量值的部分影响。传统的二极管激光测O2分析仪需要氮气吹扫。将CO用在燃烧控制上，快速的反应时间非常关键。当接近理论配比燃烧时，过剩空气的轻微降低会导致CO的快速增加。面对烟气组成的变化，分析仪必须有快速的反应速度。分析方法在一秒内获得CO信号并更新给控制系统，那么控制系统就会有足够的时间来反应，确保不会出现问题。分析仪描述分析仪由两个分析仪器附件组成，一个是激光器，另一个是探测器，位于烟气测量区域，和传送器处于同一水平线上。每一个仪器组件中都有一个内置的清洗吹风系统，直接面向烟道方向进行安装。他们被强制栓在4-150磅的标准法兰上，法兰被焊接在伸出通过烟道墙的管末端。高温绝热的硬绝缘垫将仪