紅外技術(shù)在二氧化碳檢測研技術(shù)的應(yīng)用

     二氧化碳是引起全球氣候變化的主要因素之一。對二氧化碳的檢測、捕集、處理以及二氧化碳檢測儀研發(fā)等技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)科研的主要方向之一。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率是合理利用能源、開發(fā)能源，做到節(jié)能減排的主要方法。然而，目前人部分燃料資源，尤其是石油、煤炭，燃燒過程中沒有被充分利用，部分資源在中問環(huán)節(jié)被浪費(fèi)。因此對能源利用效率的檢測是了解能源利片j效率，提高利用效率的前提。對石油、煤炭燃燒后排放的氣體和燃燒后的粉塵進(jìn)行二氧化碳檢測和殘余碳分析能夠計(jì)算出燃燒的利用效率。從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳的減排和大氣環(huán)境的治理。
1 二氧化碳在線檢測
     對環(huán)境中二氧化碳的檢測要求檢測方式必須是在線式的，這樣才能夠及時(shí)得到環(huán)境中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)的變化做出快速的響應(yīng)，盡快的采取措施。采用紅外技術(shù)檢測二氧化碳含量正是實(shí)現(xiàn)在線測量的主要手段之一。
1．1 紅外吸收型氣體傳感器原理
     紅外吸收犁二氧化碳?xì)怏w傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。不同氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對不同波長的紅外輻射的吸收程度就不同。因此， 不同波長的紅外輻射依次照射劍樣赫物質(zhì)時(shí)，某些波長的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而變?nèi)酰�產(chǎn)生紅外吸收光譜，故當(dāng)知道某種物質(zhì)的紅外吸收光譜時(shí)，便能從中獲得該物質(zhì)在紅外區(qū)的吸收峰。同一種物質(zhì)不同濃度時(shí)，在同一吸收峰位置有不同的吸收強(qiáng)度，吸收強(qiáng)度與濃度成正比關(guān)系。即不同氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對應(yīng)于不同的吸收光譜，而每種氣體在其光譜中，對特定波長的光有較強(qiáng)的吸收。通過檢測氣體對光的波K和強(qiáng)度的影響。
1．2 傳感器設(shè)計(jì)
     紅外二氧化碳傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖l所示。是由紅外光源、測量氣室、可調(diào)干涉濾光鏡、光探測器、光調(diào)制電路、放大系統(tǒng)等組成。空氣中非待測組分，如甲烷、一氧化碳、水蒸氣等影響測定結(jié)果。紅外線濾光片的波長為4．26um，二氧化碳對該波長有強(qiáng)烈的吸收；而一氧化碳和甲烷等氣體不吸收。因此，一氧化碳和甲烷的干擾可以忽略不計(jì)；但水蒸氣對測定二氧化碳有干擾，它可以使氣室反射率下降，從而使儀器靈敏度降低，影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，必須使空氣樣品經(jīng)干燥后，再進(jìn)入儀器。在氣室中，二氧化碳吸收光源發(fā)出特定波長的光，經(jīng)探測器檢測則可顯示出二氧化碳對紅外線的吸收情況。干涉濾光鏡是可調(diào)的，調(diào)節(jié)他可改變其通過的光波波段，從而改變探測器探測到信號(hào)的強(qiáng)弱。紅外探測器為薄膜電容，吸收了紅外能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致氣室內(nèi)壓力增大，電容兩極問的距離就要改變，電容值隨之改變。C02氣體的濃度愈大，電容值改變也就愈大。
     檢測電路設(shè)計(jì)的原理框圖如圖2所示。檢測電路由紅外二氧化碳傳感器、數(shù)字濾波電路、放大電路、穩(wěn)流電路、單片機(jī)系統(tǒng)等組成。設(shè)計(jì)的基本原理是紅外二氧化碳傳感器將檢測到的二氧化碳?xì)怏w濃度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，輸出的電信號(hào)分別經(jīng)過濾波、放大處理，輸入到單片機(jī)系統(tǒng)，并經(jīng)溫度和氣壓補(bǔ)償?shù)忍幚砗�，由單片機(jī)系統(tǒng)輸出，送顯示裝置顯示其測量值。

1．3 技術(shù)性能
     紅外吸收型二氧化碳傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。它通過積分濾波處理，配合溫度補(bǔ)償、放大等電路，將二氧化碳濃度或體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并經(jīng)過放人后輸出。該傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單、體積小、精度高、選擇性好、溫度系數(shù)低、安裝與攜帶方便等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用丁環(huán)境監(jiān)測及各類環(huán)境惡劣現(xiàn)場的二氧化碳實(shí)時(shí)遙測和控制。
2 粉塵的殘余碳檢測
     將燃燒后殘留的粉末或者空氣中的粉塵收集起來，檢測粉塵中的有機(jī)碳含量可以了解粉塵的性質(zhì)，對環(huán)境狀況有更充分的了解。對燃燒系統(tǒng)而言，能夠計(jì)算山燃燒設(shè)備的燃燒效率。
2．1 檢測原理
     殘余碳分析參考了石油勘探中的殘余碳分析原理，將巖石樣品進(jìn)行分析后可以計(jì)算出該巖石樣品的總有機(jī)碳含鼙。檢測原理是通入空氣，將樣品在600"C高溫卜．充分氧化后，測量產(chǎn)生的C02濃度�；瘜W(xué)反應(yīng)可表示為：
                             C+02→C02
     根據(jù)實(shí)時(shí)濃度數(shù)據(jù)n(t)的積分處理進(jìn)而換算出相應(yīng)的殘余碳含量，其中p為換算系數(shù)。
2．2 儀器設(shè)計(jì)
     圖3是殘余碳分析儀器的設(shè)計(jì)原理圖。該儀器主要通過單片機(jī)進(jìn)行控制，由溫度檢測、輸出電壓調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對加熱爐的高精度溫度控制，由紅外傳感器和外圍采集電路實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度的在線式采集，由流量的檢測與閥控制電路實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)控制。此外通過與計(jì)算機(jī)的連接，由計(jì)算機(jī)來完成后期的數(shù)據(jù)處理，從而得到準(zhǔn)確的殘余碳數(shù)據(jù)。

2．3 技術(shù)指標(biāo)
     殘余碳的檢測使用高精度的控制系統(tǒng)，保證溫度控制精度為±1℃，流量控制可達(dá)2％FS，保證了粉塵采集的一致性。粉塵的殘余碳分析考慮了粉塵的自動(dòng)收集，同時(shí)將樣品充分氧化后可以準(zhǔn)確的測量出粉塵、粉末的碳含量。
3 在石油勘探中的應(yīng)用
     該方案雖然還沒有正式應(yīng)用于對環(huán)境監(jiān)測和燃燒物的殘余碳分析中，但是對物質(zhì)的殘余碳分析已經(jīng)成功的應(yīng)用到石油勘探行業(yè)中。在行油勘探中，主要分析各類巖層樣品的烴類化合物含量。對烴類物質(zhì)含量的研究可以有效地計(jì)算、測量出地卜各個(gè)層位的性質(zhì)、石油大然氣儲(chǔ)備情況、油氣的品質(zhì)。通過對地下各個(gè)巖層的巖屑樣品進(jìn)行殘余碳分析，可以計(jì)算出樣品的總有機(jī)碳含鼉。而通過總有機(jī)碳含量的分析，又可以計(jì)算出生油巖的生油潛力，對地-F巖層的巖性、油氣的品質(zhì)、油氣含量等指標(biāo)的評價(jià)起到至關(guān)重要的作用。從而達(dá)劍石油勘探發(fā)現(xiàn)油氣藏、評價(jià)油氣儲(chǔ)量的目的。通過國標(biāo)樣品的分析在樣品為100mg時(shí)，殘余碳值人于2mg/g時(shí)可以充分保證分析的準(zhǔn)確度和線性度。
     通過紅外二氧化碳檢測可以有效地對井下二氧化碳?xì)鈱舆M(jìn)行識(shí)別與評價(jià)，根據(jù)二氧化碳與周圍環(huán)境(巖性、孔隙度等)的關(guān)系確定氣層解釋結(jié)果。通過殘余碳分析技術(shù)可以有效地對井下生油巖的生油能力進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)殘余碳數(shù)據(jù)與其他勘探手段(熱解分析、色譜分析、氣測分析等)結(jié)合確定層位的類型和含油級別等信息。通過多年的現(xiàn)場探索，紅外二氧化碳檢測技術(shù)已成功的應(yīng)用于石油勘探中。
4 石油、煤炭燃燒系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測方案設(shè)計(jì)
     對石油、煤炭燃燒系統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)測，可以利用一個(gè)二氧化碳傳感器實(shí)現(xiàn)二氧化碳的在線監(jiān)測和燃燒粉塵的殘余碳檢測兩個(gè)功能。實(shí)現(xiàn)了傳感器的復(fù)用，這樣大大的降低了檢測成本得到了更多的檢測參數(shù)。
     該方案是將燃燒排放的尾氣通過樣品抽氣泵引入二氧化碳檢測器，再由計(jì)算機(jī)或者數(shù)據(jù)采集儀將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并記錄下來。在樣品抽氣泵前加裝一個(gè)氣體過濾裝置，用于收集采樣氣體的粉塵顆粒，再由儀器將粉塵分析處理并計(jì)算出粉塵的殘余碳含量值。如圖4：

      在實(shí)際的生產(chǎn)過程中�？梢韵葘θ紵�物本身通過儀器進(jìn)行總有機(jī)碳(TOC)分析得到單位燃燒物中含有的有機(jī)碳含量A(mg/g)，生產(chǎn)中對排放的尾氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集得到實(shí)時(shí)的采集濃度C(％)．通過殘余碳分析得到不同燃燒狀態(tài)(開火、進(jìn)料等)下粉塵殘余碳含量RC(me/g)或燃燒后的石油殘?jiān)�或者煤炭的粉煤灰殘余碳值RC’(mg/g)�？梢酝ㄟ^有機(jī)碳含量A與殘余碳值RC或RC’的關(guān)系來衡量燃燒系統(tǒng)的燃燒效率：
             n=RC/Ax 100％——不同燃燒狀態(tài)下的燃燒效率
             n'=RC’/Ax 100％——整個(gè)燃燒過程中的燃燒效率
      也可以根據(jù)實(shí)時(shí)二氧化碳濃度和當(dāng)時(shí)的殘余碳值來總結(jié)歸納二氧化碳濃度C與燃燒效率礓的關(guān)系n=f(C)，將燃燒效率數(shù)據(jù)與二氧化碳數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。實(shí)現(xiàn)燃燒效率實(shí)時(shí)檢測，從而達(dá)到及時(shí)檢測及時(shí)處理、提高燃燒效率、減少二氧化碳排放的目的。
5 結(jié)束語
       用紅外技術(shù)的二氧化碳在線檢測和粉塵殘余碳分析不僅可以應(yīng)用于燃燒系統(tǒng)的效率檢測中，還可以實(shí)現(xiàn)生活小區(qū)、工業(yè)園區(qū)等區(qū)域內(nèi)的大氣環(huán)境監(jiān)測。也可以在該方案的基礎(chǔ)上增加更多的檢測元件(如，一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等氣體檢測元件)實(shí)現(xiàn)更多綜合環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測。該方案是基于多年石油勘探分析技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出的環(huán)境檢測方案，盡管做了大量的工作但仍需完善并有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。希望廣大專家、學(xué)者給與我們更多的指點(diǎn)和幫助。通過大家的努力來更好的檢測燃燒系統(tǒng)的燃燒效率，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的減排。