一种应用于火电厂燃煤化验的红外测硫仪

张世云，侍所平

（华能云南滇东能源有限责任公司，云南 曲靖 655000）

0 引言

在火电燃煤化验领域，化验燃煤含硫量的方法有艾氏卡重量法、库伦法、高温燃烧综合法、红外测硫法[1]。在每种测硫试验方法的更进过程中，红外测硫法是当下最受推广的方法之一，其原理对于生产实践有着高度的可适性，受到电力、煤化工许多单位的普遍认可和推广。红外吸收法是根据SO2、H2O、CO2、SO3等气体分子的性质，按朗伯－比尔吸收定律吸收红外光与气体单色光的比例，只要测量气体吸收前后的强度，就可以完全解析出气体浓度[2]。试样燃烧后的气体被气泵抽送至特定的气室中，当红外光射入气室时，红外光吸收量转换为光、电信号，由此信号的强弱经计算机程控系统换算出气体浓度，再由浓度、试样样重计算出燃煤含硫量[3]。文中介绍一种用于入厂燃煤化验用的5E红外测硫仪，该测硫仪适用于测定入厂煤中的全硫含量。

1 仪器概述

5E红外测硫仪其主要部件为计算机、测硫仪主机，配套设备由单项调压模块、电子天平、打印机、氧气气源、单相调压器和附件等组成。红外测硫仪硬件主要分为电路、气路模块，其中电路担负着控制逻辑及高温炉升温的功能，气路除了给试样提供助燃的功能外，还肩负着给仪器局部的配件提供动力角色。在仪器的高温炉内，由内、外燃烧管构成，平时做实验时称量一定质量的试样放置在特制的磁舟里，由推拉杆将其送至高温炉内燃烧管燃烧，充分释放出煤内的硫化气体，再经过抽气泵将待检测的气体送至气室内，由红外池提供特定的分析电压，以间接地检测其中燃煤的含硫量。其技术参数规范见表1。

1.1 主机

如图1所示5E红外测硫仪主机包括供氧气系统、高温炉、分析气路、测量及控制电路、电源等。

图1 5E红外测硫仪主机图Fig.1 Host diagram of 5E infrared sulfur analyzer

1）供氧气系统。氧气的流向是：氧气源→仪器背部的“氧气进口”→电磁阀→调节阀→氧气流量计→吹氧管→内燃烧管。

2）高温炉。由炉体、硅碳管、燃烧管部件、测温热电偶等组成。

3）分析气路。分析气体的走向是：内燃烧管→堵头→内外燃烧管的间隙→集气室→连接部件→干燥管→过滤器1→真空泵→过滤器2→流量控制器→抽气流量计→红外气体传感器（即红外池）→排气口。其中，干燥剂用来吸收气体中的水分，真空泵和流量控制器用于定量抽取燃烧气体，过滤器用于除灰，红外池用于检测气体的浓度，红外池被置于恒温室中，由单片机控制加热器产生46℃～50℃的恒温，温度传感器为AD590。

4）测量、控制电路。其主要包括测量板（KY7.820.035）、主板（KY7.820.034）、驱动板（KY7.820.123）及一些外围元件和开关电源。

测量板：含炉温检测电路（热偶信号放大器、12位A/D转换器、超温保护及报警电路）、恒温室温度检测电路（AD590信号电路、12位A/D转换器）等。

主板：含16位单片机（N80C196KC）、程序存储器、MAX232通信接口。

电路、控制电路（控制高温炉加热、恒温室加热、真空泵、电磁阀、启动按钮等）、红外池信号放大器和16位A/D转换器等。

驱动板：有两个固态继电器，用于控制恒温室加热和氧气电磁阀。

开关电源1：提供+5V、±12V。

开关电源2：提供真空泵电源。

5）交流电源。其交流电源有两组电源，分别是控制电源和加热电源。

控制电源为AC220V，经“控制电源”插座、保险管（3A），连接至机箱风扇、开关电源1、开关电源2及固态继电器（控制恒温室加热器、氧气电磁阀）。加热电源电压为AC110V左右，负载电流为10A左右，由AC220V经调压器降压后提供。该电源自“加热电源”插座分别进入“加热开关”（漏电断路器）、电源滤波器、保护继电器、60A固态继电器、硅碳管等。漏电断路器具有过载保护（20A）和漏电保护（15mA）功能，过载或漏电时自动跳闸切断电源，具有漏电指示。一般情况下，要拨动加热开关，做完试验也不要关闭，但要关掉总电源。其中，“加热指示灯”用于指示高温炉的工作状态。

1.2 计算机系统

计算机系统控制测量过程，提供各种操作界面，包括计算机（PC机））、显示器、打印机、5E红外测硫仪软件，计算机与主机之间用RS232通信线连接。

1.3 电子天平

用于称取试样。它与计算机之间可用RS232通信线连接，可将重量从天平传送到计算机。

1.4 氧气源

氧气用于助燃。氧气瓶由用户自备。

2 工作原理

2.1 红外吸收法原理

红外吸收法原理如图2所示。这种方法是根据SO2气体吸收红外光的性质，根据朗伯－比尔定律（吸收定律），气体吸收单色光的程度（吸光度）与该气体的浓度成正比，数学表达式如式（1）：

图2 红外池原理示意图Fig.2 Schematic diagram of infrared cell principle

式（1）中：I0为发射光的强度（吸收前）；I为接收光的强度（吸收后）；K为吸光系数，是与波长和气体性质有关的常数；L为气室的长度，常数；C为气体的浓度。

从吸收定律可以看出，只要能测出红外光被吸收前后的强度I0和I，就可以计算出被测气体的浓度，进而计算出被测元素的浓度。

2.2 仪器测量原理

测试开始后，将样品插入燃料管以进行自动测量过程。样品在高温氧气流中完全燃烧，样品中各种形态的硫分解成SO2和少量SO3[4]。从燃烧气体中去除水和灰尘，真空泵将气体定量去除并送入红外线池，红外线检测器将气体浓度转换成电压信号。红外电池的实际输出电压与气体浓度成反比，即气体浓度越高，输出电压越低；反之，气体浓度越低，输出电压越高。氧分子几乎不吸收红外光，输出电压为气室中的纯氧，最高电压约8.5V，计算机定时采集红外池输出电压，计算气体浓度，采集硫浓度，测量时间超过最短时限且气体浓度低于预定参考水平，或测量时间达到最长时限，将自动完成并打印最终结果[5]。5E红外测硫仪气路原理如图3。

图3 5E红外测硫仪气路原理图Fig.3 Schematic diagram of the gas circuit of the 5E infrared sulfur analyzer

3 硫测量方法

3.1 分析样品

1）检查干燥剂是否有缺陷，及时更换变色、结块的干燥剂。

2）打开氧气吹扫和真空泵，检查氧气压力、氧气流量和抽气流量是否符合要求，若不符合则进行调整。每次测量时氧压、氧流量、抽气流量必须保持一致，不能有明显差异，特别是抽气流量不允许有明显跳动或缓慢升降。

3）检查红外电池输出电压是否稳定，正常情况下电压波动应小于10mV。

4）检查系统的气密性。

5）等待高温炉和恒温箱温度升至设定值（约0.5h），保温1h以上后开始试验。

3.2 称量样品

用土坩埚称量样品，样品重量通常为30mg，称量为0.1mg。作为确保完全燃烧的先决条件，增加样品的重量有利于获得更准确的结果。废样无需称量，可调整至300mg左右。待天平稳定后，将样品的重量发送至计算机，此时计算机应连接天平并打开测试界面，否则会保存重量值，然后从键盘输入。充分摇晃样品，避免在坩埚的某一部分堆积，将称量好的样品依次排列。

3.3 添加样本

将样品加入运行测试界面，待天平稳定后，一边转移重量一边加入样品。添加样品后，屏幕显示样品表，可以输入编号、名称、重量、方法、水分等数据。

3.4 分析

准备开始分析。该设备读取零电压几秒钟，然后将样品推入炉内。此时，操作员用进样杆将样品土坩埚慢慢向前推入燃料管中，直至堵头为止。如果开机时没有打开氧气系统提示稍等，系统会自动打开氧气电磁阀和真空泵，用氧气吹扫1min，然后将样品推入炉内。测硫仪开始自动检测，当检测到气体浓度有微小变化时，报警信号消失，屏幕显示浓度曲线、累计硫含量值、红外输出电压。当测量时间超过规定的最短时限且气体浓度低于参考水平，或测量时间达到规定的最长时间时，分析过程自动结束，并显示或打印结果。分析结束后，用送样棒将取样土坩埚从炉内拉出，放在平台上。

4 结束语

综上所述，文中所介绍的燃煤化验用5E红外测硫仪是一种优质、多种抗干扰设计的全自动智能仪器。在长期使用过程中，为了能够保证仪器所检测的燃煤含硫量的化验精度，还需做好日常维护，如更换干燥剂，清除积灰，检查气密性，更换过滤器等。