图1  “单线光谱”测量技术原理

激光气体分析技术利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成高分辨率吸收光谱的原理来进行高精度、可靠的气体浓度测量。目前，激光气体分析系统已经在冶金、石化、化工、环保等重要流程工业领域有成熟的应用和解决方案，成为流程工业自动化系统的重要组成部分。

在线分析仪表又称过程分析仪表,是指直接安装在工业生产流程或其他源流体现场，对被测介质的组成成分或物性参数进行自动连续分析的一类仪表。在线分析仪表已经广泛用于石化、化工、冶金、电力、轻工、制药、环保等流程工业领域。为流程工业自动化体系提供最直接的过程工艺数据，其测量准确性、测量响应速度对提高工艺效率，优化过程控制具有重要意义。

传统在线分析系统主要有：色谱分析仪、红外光谱气体分析仪、电化学分析仪、磁氧分析仪等。随着产业的升级和发展，对传统在线分析仪表的测量准确性要求和测量响应速度要求越来越高。而这些传统分析系统为了减少检测对象的粉尘、湿度、温度对测量的准确性和可靠性的影响，常常需要复杂的预处理系统进行前处理，使系统测量响应时间迟滞（至少增加30秒以上）。预处理系统还会增加系统运行的故障率和维护工作量。电化学分析仪虽然能够原位测量，但电化学传感器漂移大、寿命短等缺点限制了其应用范围。

近十年来，激光气体分析技术代表了在线分析仪表的最新进展。该技术基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS，Tunable diode laser absorption spectroscopy）气体分析技术。是一种吸收光谱技术，利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成高分辨率吸收光谱的原理来进行高精度、可靠的气体浓度测量。该技术在20世纪70年代被提出，作为高精度实时分析手段应用于航空航天领域等前沿基础研究领域。20世纪90年代以来，随着光通信技术的迅速发展，半导体激光器性能显著提高，TDLAS技术开始被推广应用于环境监测、工业过程分析、医疗诊断等领域。特别是20世纪90年代以来，TDLAS技术已逐渐发展成为一种非常重要的在线气体分析技术[1]。

与传统流程工业在线分析仪器，如色谱分析仪、电化学分析仪、红外分析仪、磁氧分析仪等比较，激光气体分析系统有诸多优势（见下表1）。　　

目前，激光气体分析系统已经在冶金、石化、化工、环保等重要流程工业领域有成熟的应用和解决方案，成为流程工业自动化系统的重要组成部分。

技术原理

TDLAS技术采用的半导体激光光源的光谱，宽度远小于气体吸收谱线的展宽，得到单线吸收光谱，因此TDLAS技术是一种高分辨率吸收光谱技术。

在选择该吸收谱线时，应保证在所选吸收谱线频率附近约10倍谱线宽度范围内无测量环境中背景气体组分的吸收谱线，从而避免这些背景气体组分对被测气体的交叉吸收干扰，保证测量的准确性。例如，图1中位于6408cm-1频率处的CO吸收谱线附近无H2O吸收谱线，从而测量环境中水分不会对CO的测量产生干扰。

激光束通过长度为L，压力为P，温度为T，浓度为X的气体介质，气体介质对激光的吸收满足Beer-Lambert关系，

I=I0 exp[-S(T)F(v-v0)PXL](1)

其中，I0和I分别是频率为v的入射激光和透射激光强度。吸收的强度是由谱线强度决定的。线形函数决定了吸收谱线的形状。激光强度的衰减与被测气体含量成定量的关系。因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。

图2  传统在线采样方式测量系统框图

TDLAS与相敏检测技术结合,通过快速调制激光频率使其扫过被测气体吸收谱线的一定频率范围，然后采用相敏检测技术测量被气体吸收谱线吸收后的透射激光光强中的谐波分量来分析气体的吸收。调制光谱技术通过有效压缩噪音带宽，可以获得较好的检测灵敏度。

原位测量原理

图2为传统的在线采样测量系统的框图，过程气体经采样探头后，还要经过进一步的降温、降压、除尘、除水等预处理过程，对于特定的分析仪表还要除掉干扰气体。复杂的预处理系统，提高了整个分析系统的成本和维护量，降低了系统运行的可靠性，延长了系统响应时间；另外预处理系统改变了测量气体的物理、化学性质，降低了测量准确性。

激光气体分析系统由于不受背景气体干扰。同时，利用半导体激光频率可方便地电调谐的特性，调节激光到没有气体吸收的频率，测出粉尘和视窗污染对激光的衰减，从而修正粉尘和视窗污染导致的光强衰减对气体浓度测量的影响。另外，原位激光气体分析系统中的实时算法，能自动修正温度、压力变化对气体浓度测量的影响，保证了测量结果的精确性。不受背景气体交叉干扰、不受粉尘和视窗污染的影响、自动修正气体压力和温度对测量的影响等三个技术特点，确保了激光气体分析系统实现现场原位测量。

图3   激光气体分析仪组成

激光气体分析系统则可以直接安装在管道上，实现真正的非接触式原位测量（如图3）。

安装时只需将发射单元和接收单元通过标准法兰对准固定在被测烟气管道的两侧，即可实现在线实时烟气分析。发射单元发出的激光束穿过被测气体，被安装在管道相对方向上的接收单元中的光电探测传感器接收，获得的测量信号通过处理得到浓度信息。分析系统同时配置有吹扫系统、防爆系统等辅助设备（如图3）。吹扫系统控制工业用氮气对发射、接收单元的光学视窗进行吹扫，避免煤气中粉尘长期污染光学视窗而造成激光透射光强的大幅下降。防爆系统使仪器满足防爆要求，可安装在爆炸性工业现场环境。维护时只需将发射和接收两端玻片上的灰尘和污渍擦净即可，维护量很小，周期可以达到三个月以上。

激光气体分析系统灵活的测量方式确保了该系统能够在条件多变的流程工业中被广泛应用。

在石化化工行业的应用

激光气体分析系统已在石化化工行业得到大量的应用，比如在氯碱测微量水分析，在流体催化裂化（FCC-Fluid Catalytic Cracking）装置中分析再生烟气组分，在天然气行业检测微量水分和H2S含量，在BDO生产工艺和医药化工行业中测量NH3、C2H2等。目前激光气体分析系统已在镇海炼化、茂名石化和武汉石化等几十家大中型石化化工企业使用。

以FCC中再生烟气分析和氯碱中微量水分析为例说明。

图4  FCC一段再生烟气出口的烟气组分：a) O2浓度；b) CO和CO2浓度

FCC中再生烟气分析

石化工业中，FCC装置的催化剂再生是一个重要的工艺。催化剂再生过程中，再生烟气中的氧含量是控制再生催化剂烧焦深度、计算能耗和优化再生工艺的重要参数。另外，通过O2，CO和CO2浓度的分析，还可以计算生焦量，以此评价原料重油的质量。所以对再生烟气中的O2，CO和CO2浓度快速、准确的测量。

催化裂化装置传统采用氧化锆测氧仪和磁氧分析仪测量再生烟气中的O2含量，采用非分散红外线分析仪或气相色谱仪测量CO和CO2含量。从原理上说，氧化锆具有氧化性，在不完全再生的烟气中含还原性气体CO浓度较高，容易引起铂电极“中毒”，限制了氧化锆测氧仪在不完全再生工艺点的应用。由于再生烟气中含有大量的催化剂颗粒和腐蚀性高温气体，很容易堵塞采样预处理式烟气分析仪的采样系统，高温下腐蚀性气体会腐蚀采样探头，水蒸气的存在会加速这种腐蚀，采样预处理复杂且维护工作量大。

激光气体分析系统可以原位安装测量再生烟气中的O2、CO和CO2含量等，图4给出了激光气体分析仪测量的一段再生烟气中O2、CO和CO2浓度监测记录。

一段是贫氧再生，二段是高温再生，一段烧炭时主风中O2几乎全部耗尽，所以剩余CO浓度较高，O2浓度很低。二段高温再生时剩余的CO发生二次燃烧，再生烟气中O2相对较高。一段烟气的O2浓度必须控制在1%以下，防止一段烟气出现尾燃，损坏三旋分离器。实测显示，O2浓度都在1000ppm以下。

图5  激光微量水分分析仪现场应用测量数据

CO和CO2测量数据显示，CO浓度在3.5%~5%之间波动，当主风量加大时，CO燃烧完全，CO2/CO比值变大，可以看到CO浓度下降，而CO2浓度上升，烧焦放热变大，再生器内温度很快上升，当温度达到容易导致催化剂水热失活的水平时，需要通过减小主风量进行降温，这时O2分压减小，CO浓度变大，温度过低时再次加大主风量进行升温。

微量水分分析

微量水分在线测量需求广泛存在于化工行业，剧毒、腐蚀性气体或液体中微量水分的准确测量对防止设备被腐蚀、安全监控等具有重要意义。比如在氯碱工业中分析高浓度氯气中的微量水分。传统主要采用电化学露点传感器、红外光谱等在线微量水分分析仪。由于测量环境的特殊性，传统测量技术存在测量精度低、探头易腐蚀损坏、可靠性差、运行成本高等问题，无法满足化工行业的腐蚀性气体或液体中微量水浓度的测量要求。

激光气体分析系统可以从管道中取出分析气体，在线对其中的微量水分进行测量。已成功应用于一些国内PVC生产厂商，例如：福建湄洲湾氯碱厂、山东信发化工厂和内蒙古海吉氯碱化工厂等。图5给出了激光微量水分分析仪安装于氯气干燥塔出口对氯气中微量水分进行测量获得的数据。干燥塔出口中氯气含量通常大于98％，水分含量典型值在20~60ppm范围内。图5中的测量数据快速地反映了过程管道中微量水浓度的变化，该仪器微量水浓度报警值为100ppm，若测量值大于该浓度时仪器自动报警，用户及时停止氯气压缩机等设备的运行，防止设备被腐蚀造成危害，然后对生产设备和输送管道等进行检查和维修。

在环保行业的应用

垃圾焚烧是垃圾无害化处理的重要手段之一，但是焚烧伴随产生的烟气中含有多种大气污染物又会造成二次污染，比如氯化氢（HCl）、氟化氢（HF）、氰化氢（HCN）是其中主要的污染气体。

图6  垃圾焚烧烟气中的HCl浓度数据

以HCl为例，垃圾焚烧烟气中HCl的含量是实施排放控制和工艺过程优化控制的依据。传统采用基于非色散红外（NDIR）气体分析仪器测量HCl，这类气体分析系统通常包括“气体采样－预处理－分析”三部分：首先用采样探头对过程气体采样，样气经过预处理装置处理后，再送入气体分析仪器进行分析。每套分析仪必须配套采样预处理系统，不仅成本高，而且由于HCl气体具有极易溶于水和被管路吸附的性质，在采样和预处理过程中容易损失，造成较大的测量误差；同时HCl还容易腐蚀采样预处理系统的部件，增加维护成本。传统采样方式气体分析系统的这些固有缺陷无法满足垃圾焚烧企业实现过程控制自动化的需求。

原位激光HCl气体浓度分析仪已应用于垃圾焚烧烟气污染物的连续检测，取得了较好的应用效果。图6给出了某垃圾焚烧厂烟气中的HCl含量的一些测量数据，垃圾焚烧炉换炉周期约15分钟，对应图中周期性向下突出的毛刺（如C和D点）的时间间隔。A点之前，HCl的浓度为128mg/Nm3，超过国家规定的排放上限。通过采取更换垃圾种类（减少含氯塑料）和增加吸收剂浓度的工艺措施后，尾气中的HCl浓度逐渐下降，20min后到达B点，浓度为75mg/Nm3，达到排放要求。激光HCl气体浓度分析仪实现了过程气体的实时在线检测，确保了烟气达标排放；同时测量精度高和响应速度快的独特优势又为调整工艺参数提供了依据，提高了垃圾焚烧效率，避免了原料浪费，节约了成本。

结论

通过近几年的快速发展，激光气体分析系统通过采样和原位测量等多种测量形式，已经在流程工业中得到了广泛的应用。为流程工业自动化系统提供准确、快速的工艺过程数据，对提高工艺效率，优化过程控制有重要意义。

【参考文献】

[1] 王健，顾海涛，等. 原位激光气体分析系统在钢铁行业中的应用[J].冶金企业自动化，2007，S1，276-279.

[2] 黄伟，顾海涛，等. 基于DLAS技术的微量水分在线分析仪[J]，化工自动化及仪表，2008，06，38-40.