图1 LDS6激光气体分析仪系统示意。

激光分析仪与传统的抽取法气体分析仪相比，具备采样更有代表性、测量更迅速、测量所受的干扰更小等诸多优点，正越来越多地被用于过程控制与工艺优化应用中。本文将从基本原理、系统构成和实际应用等方面对激光分析仪做简单介绍。

什么是激光分析仪

半导体激光与TDLAS技术

激光气体分析仪以半导体激光器作为光源，并采用TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱技术）技术对信号进行调制。

半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、效率高、不需要高压供电。这些特点使得半导体激光器成为工业应用最广泛的激光器。

TDLAS技术将激光源所发光的波长调制等于混合气体中某一成分的特定吸收波长，当光透过后会产生吸收，依据比尔·兰姆波特定律分析接收信号就可得到该成分的浓度。

激光气体分析仪的基本构成

激光气体分析仪采用的是原位式（或称直插式）测量技术，在被测工艺管线上直接进行测量。与传统的抽取式气体分析不同，原位式分析并不需采样管路抽取、输送样气，更无需对样品进行预处理。这样，激光分析仪的基本配置较抽取式分析仪简化了许多，以西门子公司的激光气体分析仪LDS6为例，主要分为中央处理单元、发射探头、接收探头、信号光缆及附件，系统如图1所示。

激光分析仪的应用特点

激光气体分析仪无需采样装置、样品输送管线和样品预处理系统，具有系统简单、采样典型、测量迅速、维护简便、不受干扰等特点，特别适合用于环境恶劣、要求快速响应以及待测成分易受传输系统影响的应用。

响应时间是在线分析仪表的重要参数之一，甚至成为选用分析仪表的最重要依据。影响整个分析仪系统响应时间的不仅是仪表的本身性能，还包括样品传输与处理耗时。激光气体分析仪直接在待测点完成测量，无需样品采集、输送及预处理，尽可能地缩短响应时间。

传统的抽取式气体分析仪应用时需要了解待测介质的组成，考虑各成分之间可能存在的相互干扰，以此判断与选择适合的分析仪种类。激光气体分析仪发出的激光波长被调制精确等于某种特定气体的吸收线，所发的单色激光只被扫描光谱范围内具有特定吸收谱线的特定成分有选择地吸收，测量过程中没有任何交叉干扰。相对比传统分析方法具有更高的精确度。激光分析仪的吸收谱线也可被称为“单线吸收谱”。

图2 激光分析仪用于SNCR过程监测试验（数据提供：西门子公司）。

在实际使用过程中，待测介质可能含有粉尘，影响信号的强度，不利于信号的检测。某些待测气体中的粉尘含量不仅高，而且还存在动态变化的情况。粉尘对激光信号有遮挡，会影响到信号强度，甚至完全阻挡激光传输与接收；粉尘动态变化则造成信号不稳定，这些都需要激光分析仪有针对性地进行处理。西门子LDS6型激光分析仪采用其特有的专利“二次谐波处理”方法和“自动增益控制”技术，专用于滤除粉尘影响及粉尘动态变化的情况。

应用实例

激光气体分析仪的测量无干扰、高选择性，快速响应等一系列优点使其近年来在流程工业中越来越得到重视，在钢铁冶金、化工、环保等行业中也逐渐得到推广。

激光气体分析仪响应迅速，采样更具代表性，特别适合工艺连锁、安全监测的应用

储煤仓煤料自燃威胁到设备与操作人员的安全，但煤料自燃取决于若干条件，很难做出预判，必须在储煤仓的顶部进行CO浓度测量。一旦CO含量上升，必须快速施行防范措施，警示操作人员并向仓内输入惰性气体。测量值与安全因素相关联，快速响应和准确分析是关键，任何延误都会不必要地延长危险状态。迅速无误的分析不仅确保装置与人员安全，并且可相应抬高报警阈值，以减少报警持续时间与相应的措施。在测量值的代表性上，从某点取样测量远无法与测量路径穿越煤仓的方法相提并论。激光分析仪的发射探头与接收探头相距数米，进行“线”采样，可最大限度反映整个煤仓内CO的真实含量。使用激光分析仪监测煤粉仓，可增强安全防护，报警快速准确，降低成本。

与煤粉仓监测类似的还有煤气监测、电除尘设备的安全监测。激光气体分析仪分析快速、可靠性高，无易损部件，维护量小。高分辨率的单线吸收谱测量原理，无干涉影响，并可适应含尘量动态变化，是安全监测理想的分析仪表。

用于工艺优化

氧气转炉（BOF）是普遍的炼钢设备，将钢水注入转炉，水冷喷头向转炉内吹入高压氧气。吹入的氧与钢水中的碳经过氧化结合生成CO和CO2，并以炉气的形式与钢水脱离、排放。整个转炉炼钢的工艺流程约15~20min。炉气中的CO和CO2可以作为反映转炉工作状态的参数组，通过迅速、准确监测炉气中CO、CO2的含量，可以提高转炉的工作效率，节约大量的氧气与能量，优化整个流程。通过西门子公司在欧洲的大量应用、测试结果，激光分析仪的快速相应能够节省约5%~10%的流程周期，这无疑对提高转炉效率、优化流程、节约能源有着巨大的帮助。

用于烟气排放测量

伴随着现代工业的发展，大气污染愈来愈受到关注。空气中的各类污染物不仅会造成一系列经济损失，更与人类的健康与整个生态环境息息相关。一系列相应环保法规的颁布使得烟气的测量日益成为关注热点。根据烟气的工况，其测量具备诸多特点。烟气高温高尘含量，且含尘量不断变化；烟气中某些成分（如NH3、HF、HCl）具备高化学活性，为了防止样气中这些成分不被“污染”，对样品输送、预处理、标气制备及标定的要求极其苛刻，难以完满实现。

对于烟气脱硝处理（SCR和SNCR）中逃逸氨（NH3）的测量，且不提NH3的高化学活性在样气输送过程中极易被“污染”诸多因素，单就分析方法而言，某些原理的分析仪并不直接测量NH3的浓度，需借助于转换器，经过复杂的变换过程才可分析。一旦转换存在偏差，测量结果必将受到影响，分析精度无法得到保障。激光气体分析仪在原位进行测量，无需样品采集、传输、预处理，分析更快速，更利于效率优化。测量采用“线采样”形式，直接分析待测组分的吸收谱线，无需经过转换，样气不会受到本身化学性质及传输过程影响，分析结果准确。西门子LDS6型激光分析仪采用其特有的专利“二次谐波处理”方法和“自动增益控制”技术，更能确保在此类高粉尘含量应用中的准确分析。

图2为西门子公司提供的德国MVR电厂对LDS激光分析仪应用于SNCR过程监测试验。测试的第一阶段，SNCR工艺流程利用LDS激光分析仪监测的氨逃逸值控制氨的注入量，NOx、NH3的排放量以及氨的消耗量显然受到良好地控制。试验的第二阶段，停止SNCR，不向烟气注入氨，氨的逃逸量也随之降为零。NOx由于没有降解处理，排放量明显增加。在第三阶段，电厂重新开始向烟气注入氨，并未利用LDS激光分析仪的测量值来控制、优化工艺，虽然NOx的排放量得到一定的控制，但并不稳定，并且氨的逃逸量以及氨的消耗量均很高。在试验的最后阶段，LDS6的测量值再次参与工艺流程控制，NOx的排放量趋于稳定，氨的排放与消耗量重新得到控制。由此可见LDS6分析仪对SNCR工艺的控制、优化和成本降低具有优异的成效。

小结

激光气体分析仪的“单线吸收谱”技术和调制光谱技术可以不受背景气体交叉干扰，精度高，响应速度快，能够适应高温、高尘等介质的分析，无需采样预处理系统，维护量低。这些特性使得激光气体测量技术对工艺流程能实现有效控制、优化，显著提高流程效率，在气体在线监测领域应用日益广泛。