红外沼气分析仪的研制

红外沼气分析仪的研制红外沼气分析仪的研制【摘要】介绍一种采用新型非分光红外NDIR 以及电化学传感器的沼气成分分析仪器。该分析仪通过采用基于新型电调制红外光源的多通道红外气体探测技术，配合长寿命电化学O2、H2S 传感器，可以在一台仪器中实现对垃圾填埋场、污水处理厂、发酵过程等沼气成分中 CO2、CH4、O2、H2S 等气体的实时快速测量。 1．前言随着我国工业化进程的推进，城市垃圾处理水平得到提高，垃圾处理方式正从堆放向填埋方式过渡，填埋技术也将由传统走向卫生、经济、高效。垃圾填埋产生大量的沼气，...

红外沼气分析仪的研制【摘要】介绍一种采用新型非分光红外NDIR 以及电化学传感器的沼气成分分析仪器。该分析仪通过采用基于新型电调制红外光源的多通道红外气体探测技术，配合长寿命电化学O2、H2S 传感器，可以在一台仪器中实现对垃圾填埋场、污水处理厂、发酵过程等沼气成分中 CO2、CH4、O2、H2S 等气体的实时快速测量。 1．前言随着我国工业化进程的推进，城市垃圾处理水平得到提高，垃圾处理方式正从堆放向填埋方式过渡，填埋技术也将由传统走向卫生、经济、高效。垃圾填埋产生大量的沼气，如果不加以回收和利用，在造成污染环境的同时也极大地浪费了资源。目前，国家环保部门已开始关注这一问题，并着手在试点城市进行研究，并拟定促进城市垃圾填埋气体回收利用的国家行动MATCH_ word _1714128336087_1。据推算，2005年我国垃圾产生量为1.33亿吨，其中70％采用填埋处置方式，按每千克垃圾产生0.064～ 0.44立方米垃圾填埋气体计算，这些垃圾将会产生60～408亿立方米的垃圾填埋气体，其热值相当于12～83亿立方米的天然气。同时，对于污水处理厂产生的大量污泥也需要通过发酵实现减容化和资源化，污泥消化过程也产生大量的沼气。此外近年来，为推动农村经济的可持续发展，国家大力鼓励在农村开展沼气工程，有些都列入了国债项目。农村沼气工程的建设也需要大量的沼气分析设备。以上分析表明，无论是垃圾填埋场，还是污水处理厂污泥处理，或者农村沼气工程，沼气成分分析仪器都是不可缺少的。沼气成分分析一般需要测量CH4、CO2、O2、H2S 等四项指标，目前我国还没有专业的仪器对沼气组分进行测量，常规测量一般采用奥氏气体分析或者气相色谱以及单组分的红外线气体分析器。奥氏气体分析仪作为一种经典的化学式手动分析器,具有价格便宜、操作方便、维修容易等优点,但是该方法是一种手动操作，精度低、速度慢，已经不能适应发展需要。近年来色谱分析仪得到推广，但是色谱分析仪需要对气体进行分离后再检测，很难实现实时在线。红外气体分析器在我国使用多年，但是以往技术往往只能在一台仪器分析单一组分，沼气中的 O2、H2S 需要单独仪器进行测量。以往红外气体分析仪器价格昂贵，维修复杂，通过仪器的组合其成本甚至膏腴国外仪器。因此有必要研制一种高效、准确、价格合理的分析仪器用于沼气成分的多组分快速或在线监测。本文介绍一种采用新型的电调制红外多组分红外气体分析方法，配合长寿命电化学O2、H2S 传感器开发的集成化多组分沼气分析仪。 2．多组分沼气分析仪原理 2． 1红外线多组分气体分析（CO2、CH4）当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。图1为 NDIR 红外气体分析原理图：以 CO2分析为例，红外光源发射出1-20um 的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26um 波长红外光的强度，以此表示 CO2气体的浓度，如果在探测器端放置一种具备三元的探测器，并配备三种不同波长的滤光片，如 CO2、CH4以及参考的滤光片，则在一台仪器内就可以完成对沼气成分中CO2、CH4的同时测量。本仪器红外测量部分技术在一体化的三元探测器上安装有三个不同的滤光片（CO2、CH4、参考），实现对CO2、CH4的同时测量（如图2）。 2． 2电化学 O2、H2S 分析在沼气成分分析中，O2是一个安全参数，H2S 是厌氧发酵过程中的重要有毒气体。这些气体对红外吸收很弱。因此本仪器采用了一种长寿命（6年）的电化学 O2传感器和专门针对沼气开发的高量程H2S 传感器，该传感器实际上是一种微型电流发生器，配合高精度的前置放大电路，直接输出与浓度对应的电压进入仪器测控系统。通过电化学气体传感器的配合，可以将沼气的4种气体测量集中在一套仪器内。 3 红外沼气成分分析仪特点红外多组分沼气分析仪的构成如图3：图3：红外多组分沼气分析仪结构示意图仪器包括用于 CO2、CH4的 NDIR 红外气体探测器，以及电化学O2、 H2S 探测器；ADUC842测控系统及软件：包括LCD、键盘、打印机、气泵、以及报警等外部装置。 3． 1仪器测控系统为了实现对气体浓度的测量、控制以及自动标定等功能，需要一个合适的微控制器来管理传感器。本研究采用ADI 公司最新推出的 ADuc842系统。ADuc842是一个全集成的12位数据采集控制系统，除含有8路12为 A/D 外，还具有2路 D/A、8052内核、64K 程序储存器以及 UART、I²C、SPI 等串行 I/O 等功能。ADuc842通过采集参考和测量三路红外气体分析信号，以及两路电化学传感器信号，通过测量标准气体曲线，采用非线性校正算法可以直接得到测量气体的浓度，并通过 ADuc842系统的串口每1秒向外部设备发送测量浓度数据。ADuc842多余的数据线和地址线基础上，设计了液晶显示驱动模块、打印驱动模块、键盘输入模块、气泵控制、报警等接口，以便操作分析仪器。通过采用以上技术，在一台分析仪器内实现了CH4、CO2、O2、H2S 的同时测量。 3． 2电调制红外光源传统红外气体分析仪采用镍锘丝、硅碳棒等红外加热元件,由于其热容量大，通常采用切光片对光源进行调制。其缺点在于存在机械转动。抗振性差，攻耗大，不适合于便携设备；其次为保证调制的频率，还需要严格同步的电机以及驱动电路，系统复杂化，成本高。本研究采用了一种类金刚石镀膜红外光源。该光源采用导电不定型碳（CAC）多层镀膜技术，热容量很低，因此升降温速度很快，其调制频率最高可以达到200Hz，新型电调制光源的使用，使得红外气体分析技术在仪器体积、成本、性能等方面都有实质性的提高。 3． 3气体预处理由于沼气在发酵过程中伴随有大量的水气，如果发生冷凝，将致使测量不准确。本仪器设置了双头气泵进样系统，一路用于将气体抽取到测量管路，在测量管路的前断安装有水分离器，在另一气泵的作用下，样气中的水分得到分离并通过气泵排空。通过以上技术的采用，红外多组分沼气分析仪可以实现以下组分和精度的测量（表1：），并已经在湖北、湖南、江苏、重庆、四川、山东、河南、广东等地方的垃圾填埋场、污水处理厂等领域得到应用，取得了良好的成绩。表1：红外多组分沼气分析仪技术参数 4. 结论（1）通过采用新型电调制红外光源，省却了以往红外气体分析器复杂和昂贵的电机调制系统,降低了系统成本和功耗。实现了 CO2、CH4 的同时测量。（2）通过采用长寿命的O2、H2S 电化学气体传感器与红外气体测量的组分，实现了沼气多组分的同时在线测量。

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