基于高温蒸汽射流技术的焦炉煤气可调谐半导体激光测氧系统研究

郭亮亮

摘要：基于高温蒸汽射流技术的焦炉煤气可调谐半导体激光测氧系统是专门为电捕焦油器气体成分在线连续检测O2含量而设计的配套系统，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术，实现气体的快速、精确、高灵敏度抽取测量。该系统可实时检测焦化生产过程中产生的有害气体，根据检测结果对生产过程进行控制和优化，提高资源利用率，降低有害气体的排放量，保护大气环境。

关键词：高温蒸汽;可调谐半导体;激光测氧

0 引言

随着我国经济不断发展，煤化工行业呈现出较强的增长势头，但是煤化工生产过程中存在着一些安全隐患。为更好地净化所需煤气，避免堵塞、腐蚀后序工艺设备及煤气管道等，现阶段国内大型焦化企业普遍采用电捕焦油器清除焦油雾。电捕焦油过程中如果氧含量和煤气的混合比例达到爆炸极限时，就会发生爆炸，所以研究一套先进的、可靠的测氧系统尤为必要。

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度。由半导体激光器发射出的特定波长的激光束（仅能被被测气体吸收）穿过被测气体时，激光强度的衰减与被测气体的浓度成一定的函数关系。因此，人们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。TDLAS技术可实现对O2、CO、CO2等多种气体的自动检测，适用于钢铁、焦化、石化、环保、生化、航天等各领域。

1 焦炉煤气可调谐半导体激光测氧系统构成

基于高温蒸汽射流技术的焦炉煤气可调谐半导体激光测氧系统是专门为电捕焦油器气体成分在线连续检测O2含量而设计配套的测量系统。它集机、电、仪于一体，具有较高的可靠性。高精度传感器与先进的测量技术和精良的取样预处理相结合，组成了功能完善、安全可靠、维护量小、操作简便、使用寿命长的过程分析系统。

该系统主要包括高温蒸汽射流系统、可调谐半导体激光测氧系统、反吹系统、超限报警系统。激光测氧系统流程如图1所示。

1.1    高温蒸汽射流系统

（1）采样探头。在气体测量预处理系统中，采样探头是样气处理系统最重要和最关键的样气处理部件，根据不同工业生产过程中差别巨大的取样条件，就一定有不同的针对性极强的采样探头。炼焦过程中会产生大量的焦油、萘等物质，它们在常温状态下属于黏稠物质，并且萘易结晶，如果采样过程中温度过低，会形成油状黏稠物附着在探头上，堵塞探头。本系统针对焦炉特有的工况，采用高温蒸汽射流探头，能提高样气温度，大大减少黏稠物质附着在探头上。

（2）水洗装置。焦油、萘等物质通过采样探头后，必须将焦油和萘去除，否则会堵塞采样系统或者分析仪器。本系统设计的水洗装置，不仅可以高效去除焦油和萘等黏稠物，还能降低气体温度。

（3）制冷过滤装置。本系统主要采用电子制冷方式，降低样气温度，去除样气中的水分，再通过膜式过滤器过滤掉所有杂质及水，保证通入分析仪的气体是洁净的，不含水及颗粒物杂质。

1.2    可调谐半导体激光测氧系统

TDLAS技术是通过改变激光的温度或电流进行激光波长的调谐，获得被测气体的吸收光谱，从而对气体浓度进行分析测量的技术。本系统采用激光波长调谐光谱分析技术（WMS），通过分析气体的“二次谐波”实现气体浓度分析。系统通过温度控制技术将激光波长控制在某个“基线”，然后通过施加“斜坡电流”信号扫描气体吸收线，扫描信号包含一定频率的正弦波载波信号，探测器端接收到气体的吸收信号，通过提取载波信号的二次谐波来实现气体浓度的测量。系统测量功能框图如图2所示。

本系统采用激光光谱吸收原理，利用可调谐半导体激光器的激光光源发出的光束通过含有待测样气的测量气室，出射光通过聚焦透镜后，右探测器接受并转化为光电信号，经过放大电路、谐波电路等，计算出氧气的含量。

可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种快速、精确、应用广泛的气体检测技术，基本原理是一束可調谐光束经校准后直接穿过测量区域，在特定波长处由于气体的吸收，光束强度发生变化，在探测端通过得到的探测吸收信号计算测量区域气体的浓度。可调谐激光吸收光谱技术主要包括两个方面：波长扫描直接吸收技术和波长调制技术。

（1）波长扫描直接吸收技术。

波长扫描直接吸收测量是基本的TDLAS测量方法，半导体激光器在激光控制器作用下输出频率位于气体特征谱线附近的光束，在激光控制器上加载一定频率的扫描电压，周期性地改变输入激光控制器的电流，使激光器连续扫描，形成调谐光束。在探测端，通过探测器得到经气体吸收后的光强信号，通过光强信号计算测量区域气体的浓度。

系统通过光谱吸收探测到的吸收信号可以直接计算出测量区域的气体浓度值，不需要对测量结果进行标定，结果形象直观。在结果拟合过程中，合理确定激光强度对探测结果精度影响很大，通常情况下利用无气体吸收时的激光信号进行多项式拟合计算。探测得到的吸收信号横坐标是时域单位，实际拟合计算时需要在频域单位上进行计算，因此测量时通常在相同的仪器参数设定情况下，通过标准干涉仪进行时域和频域转换计算。

（2）波长调制光谱基本原理。

在激光器的驱动电流上叠加一个慢扫描信号和一个快变的调制信号，对激光器的输出波长进行调制。当光束通过样品池时，在有吸收线的频率上，光电信号可以利用锁相放大器进行谐波检测，获得气体吸收的信息。

各次谐波与吸收气体浓度均成正比，因而每个分量都可以作为检测信号用以反馈气体浓度，但商用的锁相放大器通常具有一次和二次谐波分量检测功能，并且信号幅值随谐波阶数增加而减小，故通常选择二次谐波分量（2f ）作为检测信号，不选择一次谐波分量的原因是其峰值位置偏离中心波长，且受幅度调制影响较大。

1.3    反吹系统

可调谐半导体激光测氧系统的主要功能是准确测量氧气的含量，但是管道内气体成分比较复杂，抽取式测量氧气的探头、管路和气室运行一段时间后都会有粉尘、焦油残留在探头、管路和气室壁上。如果長时间不清理，就会造成采样探头、管路和气室堵塞，对测量造成严重影响，为了减少系统维护量，设置反吹系统是必不可少的。电捕焦测量氧气的反吹系统不能用空气作为反吹的动力源，因为空气中含有1/5的氧气，用压缩空气会提高管道中的氧含量，对管道煤气产生二次污染，所以必须用洁净的氮气。

1.4    超限报警系统

电捕焦对氧气的含量要求不能超过0.6%，当测量氧气的值接近这个限值时，分析系统就会发出声光报警。过程分析系统可同时输出4～20 mA信号至工厂的DCS系统，工程师可实时对氧含量进行观察。

对气体进行定量测量时，通常都是通过测量环境光谱和“零气”谱得到。对于开放光路而言很难得到理想背景光谱，尤其是在低浓度时，环境信号信噪比又比较低，因此在进行进一步的信号处理前，首先要平均信号，提高信噪比。另外，叠加在实际激光电流上的噪声（包括尖峰、宽带干扰、漂移）会引起激光频率变化，解决此问题的方法一种是通过减少输出带宽，改善激光电流，但这受系统扫描频率的限制;另一种方法是修正信号在观测期间产生的即时偏差，每条光谱的采样点数越多，则通过修正算法得到的精度越高。

1.5    数据处理

叠加在激光电流上的不连续频率干扰会引起信号的漂移，如果直接对信号进行平均处理，会使光谱发生变化，从而降低系统的性能。激光反复调谐后通过吸收线时，必须对所有波长漂移进行补偿，在TDLAS中这个过程称为“锁线”。所以需要通过一定的算法处理来减小或消除干扰信号造成的谱线漂移影响。

对于开放光路系统的测量，锁线算法因为只考虑到整个光谱中有限的一个或几个点而受到一定的限制，原因是有限的采样点可能受到光学或电子学噪声的影响，在确定光谱吸收线中心位置时可能会引起较大的不确定性，利用相关算法，计算谱线的所有采样点，可以极大地降低测量结果的不确定性。

1.6    自适应算法

对于TDLAS系统，与被测气体光谱宽度相当的宽度条纹是进行精确测量的最大障碍。采用扫描调制和谐波探测相结合的方法可以提高信噪比，但处理过程容易受到时间变化的干扰。谐波检测系统减少噪声、提髙信噪比至少需要3个最基本的要素：首先是控制激光位置，然后是提高信号平均信噪比并对环境光谱的快速波动进行平滑处理，再将经过处理后的信号送入数字滤波器。在不清楚采样背景对光谱的影响，以及存在叠加信号随时间变化等未知的干扰时，可以通过使用自适应算法得到较为准确的测量浓度值。

系统通过自适应算法，可在不清楚干扰噪声的统计特性的情况下，通过逐次迭代的方式，将自身的工作状态自适应地调整到最佳状态，对抑制宽带噪声或窄带噪声均可达到良好的效果。

2 解决的关键问题

2.1    高精度、低噪声激光波长调谐技术

该系统通过采用精密电子技术，可实现对激光器温度的精密控制;通过对激光器工作电流的精密控制，可实现对激光波长的精密调谐，使得温度控制稳定度达到10 mK精度。自主研发设计的核心电路控制系统、激光驱动器和温度控制电路，具有性能强、控制精度高、安全可靠、成本低的优势。

2.2    TDLAS激光光谱分析技术

该系统采用先进的激光波长调制光谱分析技术，可实现对气体浓度的反演测量，提高系统测量精度，使系统测量精度达到百万分之一级。

2.3    高性能数字信号处理嵌入式平台处理技术

焦炉煤气可调谐半导体激光测氧系统属于精密光电仪器，需设计一套高速数字信号处理平台，高速采集测量信号，实现高速数字信号处理、嵌入式软件设计、支持复杂的数字信号处理、高速数字信号滤波等功能。

3 结语

本文研制了能够实时检测焦化生产过程中电捕焦前氧气含量的分析仪，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术，实现气体的快速、精确、高灵敏度抽取测量。该系统通过对焦化生产过程产生的有害气体进行实时检测，根据检测结果对生产过程进行控制及优化，提高资源能源利用率，降低有害气体的排放量。该系统通过不断优化完善设备性能，已在部分焦化厂进行测试，测试过程中设备运行情况良好，在创造良好社会效益的同时，也为企业带来了一定的经济效益。

[参考文献]

[1] 袁松，阚瑞峰，何亚柏，等.基于可调谐半导体激光光谱大气CO2监测仪[J].中国激光，2014（12）：170-175.

[2] 信丰鑫，郭金家，孙加运，等.基于可调谐半导体激光吸收光谱技术对开放式长光程大气CO2的测量[J].大气与环境光学学报，2017，12（4）：269-275.

[3] 信丰鑫，郭金家，李杰，等.可调谐半导体激光吸收光谱技术对CO2浓度的测量研究[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2020（8）：137-142.