1 、前言 
    水泥工(gong)業的節能減排已經成為降(jiang)低我國(guo)GDP能耗的一個重要方(fang)面(mian)，新型干法水泥生產(chan)(chan)線必將(jiang)逐步(bu)取代老式的立(li)窯(yao)生產(chan)(chan)方(fang)式。但是根(gen)據我國(guo)的實際(ji)情(qing)況(kuang)，立(li)窯(yao)與(yu)新型干法水泥生產(chan)(chan)企(qi)業并存的狀況(kuang)在(zai)未來5年內得不到根本改變。因(yin)此水(shui)泥(ni)行業的節能減(jian)排必須同時考(kao)慮這兩方面的工(gong)作。實踐(jian)表明，通過(guo)對水(shui)泥(ni)窯的廢氣檢(jian)測，可以指(zhi)導水(shui)泥(ni)的能耗，穩定熱(re)工(gong)制度， 對(dui)于降低水(shui)泥能耗和排放具有重要意義。 
    對(dui)于立(li)窯，科(ke)學的熱工標定對(dui)于降低熱耗十分重要(yao)。立(li)窯煙氣中的CO2、CO2、O2含量(liang)是獲取(qu)(qu)化學不(bu)完全燃燒熱(re)的重要依(yi)據。對于新(xin)型(xing)干法，窯尾(wei)煙室氣體(ti)分析儀是通(tong)過(guo)在線連續提取(qu)(qu)、處理(li)和分析窯尾(wei)煙室中(zhong)的O2、CO和NO的百分含量或(huo)PPM含(han)量，來實時(shi)監測水泥回(hui)轉(zhuan)窯內(nei)的煅(duan)燒狀況(kuang)。因(yin)為水泥回(hui)轉(zhuan)窯內(nei)的煅(duan)燒情況(kuang)直接(jie)關系到水泥熟料的產(chan)量、質量、原燃料的消耗(hao)和綜(zong)合成本。

    如(ru)(ru)果窯(yao)內(nei)煅(duan)(duan)(duan)燒溫度過高(gao)或熱工振蕩(dang)過大，不僅(jin)會大量消耗燃煤(mei)，甚至還會損害(hai)窯(yao)襯；如(ru)(ru)果煅(duan)(duan)(duan)燒溫度過低，就會造成(cheng)熟料(liao)的(de)夾生料(liao)，嚴(yan)重(zhong)影響水(shui)泥熟料(liao)的(de)質量。一方面，窯(yao)尾(wei)煙室氣體分析儀的(de)合理使(shi)用，可以幫助中控操作(zuo)人(ren)員實時了(le)解窯(yao)內(nei)的(de)煅(duan)(duan)(duan)燒狀況和燃煤(mei)的(de)完全燃燒狀況，指導操作(zuo)人(ren)員及(ji)時采取(qu)相應措施：如(ru)(ru)根(gen)據(ju)CO的(de)(de)含量(liang)，實(shi)時(shi)調節窯頭(tou)的(de)(de)噴(pen)煤(mei)量(liang)和送風量(liang)，以便(bian)使(shi)燃煤(mei)完(wan)全燃燒，獲得最大限度的(de)(de)熱效率，節省能源消耗；也(ye)可根據NO的PPM含量合理調節(jie)窯頭(tou)噴煤量的(de)(de)大小，以(yi)防止窯內的(de)(de)熱(re)工異常現象。另一方面，窯尾煙室氣體分(fen)析(xi)儀還有利于中控操作人員(yuan)對(dui)整個(ge)煅燒過程(cheng)信息做出整體的(de)(de)了解(jie)和綜合判斷，從而指導下(xia)一步的(de)(de)具體操作。 
    在我國(guo)的立窯(yao)企(qi)業，奧氏氣體分析儀仍然是獲取煙氣中CO、CO2、O2的(de)(de)重(zhong)要手段。我(wo)國新型干法水泥生產(chan)過程(cheng)的(de)(de)氣體(ti)檢測大(da)都只能采用(yong)昂貴的(de)(de)進口儀(yi)器(qi)，這也限制(zhi)了氣體(ti)分析(xi)(xi)指(zhi)導(dao)水泥生產(chan)技術在(zai)我(wo)國的(de)(de)推廣(guang)。奧氏氣體(ti)分析(xi)(xi)作為一種經典的(de)(de)化學式手動分析(xi)(xi)器(qi),具(ju)有價格便(bian)宜的優(you)點,但該(gai)方法是(shi)手動操作，精度低、速(su)度慢，已不能(neng)(neng)適(shi)應工業發展需要(yao)(yao)。近年來色(se)譜分(fen)(fen)(fen)析(xi)儀得到(dao)推廣(guang)，但是(shi)色(se)譜分(fen)(fen)(fen)析(xi)儀需要(yao)(yao)對氣體(ti)進(jin)行分(fen)(fen)(fen)離后(hou)再檢測，很難(nan)實現實時在(zai)線。紅(hong)外氣體(ti)分(fen)(fen)(fen)析(xi)儀在(zai)我國使用多年，但是(shi)以往技術往往只能(neng)(neng)在(zai)一套分(fen)(fen)(fen)析(xi)儀器分(fen)(fen)(fen)析(xi)單一組分(fen)(fen)(fen)，不僅價格(ge)昂(ang)貴(gui)，維修(xiu)復雜，而且氣體(ti)之(zhi)間的相(xiang)互干(gan)擾也沒法消除。因此有必(bi)要(yao)(yao)研制一種高效、準確(que)、價格(ge)合理的分(fen)(fen)(fen)析(xi)儀器用于(yu)氣體(ti)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)的多組分(fen)(fen)(fen)快速(su)或在(zai)線監測。本文介紹一種采用新型的電(dian)調制紅(hong)外多組分(fen)(fen)(fen)紅(hong)外氣體(ti)分(fen)(fen)(fen)析(xi)方法，長壽命電(dian)化學(xue)O2傳(chuan)感器開(kai)發(fa)的(de)集(ji)成化多組分氣體分析儀。 
2 、多組分氣體分析儀原理 
2．1紅外線多組分氣體分析（CO2、CO、NO、SO2） 
    當紅外(wai)光通過待測氣體(ti)時,這些氣體分(fen)子對特定波(bo)長的紅(hong)外光有吸收(shou),其(qi)吸收關系服(fu)從朗伯(bo)--比(bi)爾(Lambert-Beer)吸收(shou)定律。設入射光(guang)是平(ping)行光(guang),其強度為I0,出射光的強度為I,氣體介質的厚度為L。當由氣體介(jie)質中的分子數(shu)dN的吸收所造成(cheng)的光強減弱為dI時,根據朗伯--比爾吸收(shou)定律: dI/I=-KdN，式中K為(wei)比例常數。 
經積(ji)分得:lnI=-KN+α (1) ， 
式中:N為吸收氣體介(jie)質的分(fen)子總數; 
α為積分常數。顯然有N∝cl,c為氣(qi)體濃(nong)度。 
則式(1)可(ke)寫(xie)成: 
I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2) 
式(2)表明,光強在(zai)氣體介質中隨濃度(du)c及厚度(du)L按指數規律衰(shuai)減。吸(xi)收系數取決于氣體特(te)性(xing),各種氣(qi)體的吸收系數μ互不相同(tong)(tong)。對(dui)同(tong)(tong)一氣體,μ則隨入射波長而變。若吸收介質中含i種吸(xi)收(shou)氣體, 
則式(2)應(ying)改為: 
I=I0exp(-l∑μi ci) (3) 
    因(yin)此對于(yu)多(duo)種(zhong)混合(he)氣體，為了(le)分析特定(ding)組分，應該在傳(chuan)感器或紅外光源前(qian)安裝一個適(shi)合(he)分析氣體吸(xi)收(shou)波(bo)長(chang)的(de)窄帶濾(lv)光片，使傳(chuan)感器的(de)信號(hao)變(bian)化只(zhi)反映被測氣體濃(nong)度變(bian)化。 
    以 CO2分析為例，紅外光源(yuan)發射(she)出1-20um的紅外光，通過一定(ding)長度的氣室吸收后，經(jing)過一個4.26μm波長(chang)的(de)窄帶濾光片后(hou)，由紅外傳(chuan)感(gan)器監測透(tou)過4.26um波長紅(hong)外光的強度，以此表示CO2氣體的(de)濃度，如果在探測器(qi)端(duan)放置一種具備(bei)四元(yuan)的(de)探測器(qi)，并配備(bei)四種不同(tong)波長的(de)濾(lv)光(guang)片，則在一臺儀器(qi)內就可以完成(cheng)對氣體成(cheng)分中CO2、CO、SO2、NO的同(tong)時測量2．3 電化學O2分(fen)析 
    O2是一(yi)個安全參數(shu)，也(ye)是過(guo)剩空氣系數(shu)的一(yi)個重要參數(shu)。本(ben)儀器采用了一(yi)種長壽命(ming)（6年）的電化學O2傳感器，該傳感器實際上是一種微型電流發生器，配(pei)合(he)高精度(du)的前置放(fang)大電路，直(zhi)接(jie)輸出與濃度(du)對應(ying)的電壓進入儀器測(ce)控系(xi)統。 
3 多組分氣體分析儀特點 
儀器包括用于 CO、CO2等的NDIR紅外氣體探測(ce)器，以及O2探(tan)測器(qi)。 
3．1 儀器測控系統 
    為了實現(xian)對(dui)氣體濃度(du)的測量、控(kong)制(zhi)以(yi)及自動標定(ding)以(yi)及對(dui)不同(tong)組分的干擾校正等功能，需要一個合(he)適的微控(kong)制(zhi)器來管理傳感器。本研(yan)究采用ADI公司最(zui)新推出的ADuc842系統。ADuc842是一個全集成的12位(wei)數(shu)據采集控制(zhi)系統，除含(han)有8路(lu)12為(wei)A/D外，還(huan)具有2路D/A、8052內核(he)、64K程序儲存器以(yi)及UART、I2C、SPI等串行I/O等功能。ADuc842集如此強大的模擬與(yu)數字功能(neng)與(yu)一體，作為多組分(fen)氣體分(fen)析儀測控(kong)系統具有體積小、功耗低、性(xing)價(jia)比高等優(you)勢(shi)。 
    ADuc842通過采集(ji)參考(kao)和測量四(si)路紅外(wai)信號，一(yi)路TCD熱(re)導(dao)H2傳感器(qi)信號，以及2路電化學傳感器信號，通過(guo)測量標準氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得(de)到測量氣體的(de)濃度，并通過(guo)ADuc842系統的串口每(mei)1秒向(xiang)外部設(she)備發送測量濃(nong)度(du)數據。在ADuc842多(duo)余的數據(ju)線和地址線基(ji)礎上(shang)，設計(ji)了液晶顯示驅(qu)動模(mo)塊(kuai)、打印驅(qu)動模(mo)塊(kuai)、鍵盤(pan)輸(shu)入模(mo)塊(kuai)、氣泵(beng)控制、報警(jing)等接口，以便操作分析儀(yi)器。通過(guo)采用(yong)以上(shang)技術，在(zai)一臺分析儀(yi)器內實現(xian)了以往需要6臺分析儀才可(ke)完成的工作。 
3．2 電調制(zhi)紅外光源 
  ;  傳統的紅(hong)(hong)外(wai)氣體分析儀采用(yong)連續紅(hong)(hong)外(wai)熱(re)(re)輻射型光(guang)源，如鎳锘絲、硅碳(tan)棒等紅(hong)(hong)外(wai)加(jia)熱(re)(re)元件(jian),其發出(chu)紅(hong)外光(guang)的波長在2～15μｍ之間，由(you)于(yu)其熱容量(liang)大(da)(da)(da)，通常(chang)采(cai)用(yong)切光片(pian)對光源(yuan)進(jin)行(xing)調(diao)制。因此(ci)需(xu)要一個同(tong)步電機(ji)帶動切光片(pian)旋轉，其缺點(dian)在(zai)于(yu)存在(zai)機(ji)械轉動。抗振(zhen)性(xing)差，攻耗大(da)(da)(da)，不(bu)適合于(yu)便攜(xie)設(she)備；其次為保證調(diao)制的頻(pin)率(lv)，還(huan)需(xu)要嚴格同(tong)步的電機(ji)以及驅動電路，使得(de)系(xi)統復(fu)雜化，成本也大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)增(zeng)加。本研(yan)究(jiu)采(cai)用(yong)了國際(ji)上最新(xin)研(yan)制的一種(zhong)類金剛(gang)石鍍膜紅外光源(yuan)。該(gai)光源(yuan)采(cai)用(yong)導電不(bu)定型(xing)碳（CAC）多層(ceng)鍍膜(mo)技術(shu)，熱容量很低，因此升降溫速度很快，其(qi)調(diao)制頻(pin)率最高(gao)可以達到200Hz，新型電(dian)調制光源的使(shi)用，使(shi)得紅外氣體分析技術(shu)在儀器(qi)體積、成(cheng)本、性能等方面(mian)都(dou)有實質性的提(ti)高。 
3．3 氣(qi)體干擾校正 
    從原理(li)上講，CO，CO2之間由于采用了特征(zheng)波(bo)長，彼此測量(liang) 間沒有(you)(you)相互干擾，但(dan)是由(you)于受當(dang)前濾光片(pian)生產(chan)工藝的限制，濾光片(pian)具有(you)(you)一(yi)定的帶寬(kuan)，CO與CO2，以及(ji)CO2與(yu)參考通道之(zhi)間具有一定(ding)的干擾（Crosstalking, Overlap）,因此成(cheng)分之間具有(you)一(yi)定的干擾，如果不加以校準，測量的誤(wu)差將達到10% 以上，很難達到工業應用的要(yao)求(qiu)， 如按照單(dan)一標準氣(qi)體CO2標(biao)定后，如果通入不含(han)CO2的(de)70%的CO進入(ru)儀器， CO2讀數將達到(dao)7%左右。為了消除紅(hong)外分析氣體之間的相(xiang)互干擾， 本儀器設置了10點標定程(cheng)序，采(cai)用計算機(ji)算法(fa)(fa)得到了(le)氣體干(gan)擾校正方法(fa)(fa)，通過該方法(fa)(fa)的(de)使用，可以使得CO、CO2的精度可以達(da)到2%以上。通過本研究也說明，采(cai)用以往單一組(zu)分(fen)紅(hong)外(wai)氣體分(fen)析(xi)儀組(zu)成(cheng)的氣體分(fen)析(xi)系(xi)統，如果直接采(cai)用測量(liang)讀數，將可能得(de)到(dao)很不準確的測量(liang)結果。 
通過以上技術的采用(yong)，多組分氣體分析(xi)儀(yi)可以實現以下組分和精度的測量(liang) 
水泥廢氣分析儀技術參數 
組分(fen)：CO          CO2         NO       SO2        O2 
量程：2000PPM      5%15%40%  5000PPM   2000PPM    25% 
精度:FS 2%         2%          2%       2%         1% 
漂移(yi):FS1%          1%          1%       1%          1% 

四、 結論 
（1）通過采用新型電(dian)調(diao)制紅外(wai)光源，省卻(que)了(le)以往紅外(wai)氣體(ti)分析儀器復雜和昂貴的電(dian)機調(diao)制系統,大大降低了系統成本和功耗。實現(xian)了CO、CO2、NO、SO2的同時測量。 
（2）通過采用長(chang)壽(shou)命(ming)的O2S電(dian)化學氣體(ti)(ti)傳感(gan)器(qi)與紅外氣體(ti)(ti)測量的組分，實現了氣體(ti)(ti)多組分的同時在線(xian)測量。 
（3）紅外測(ce)量組分間(jian)由于(yu)受(shou)濾光片帶(dai)寬(kuan)的限制，存在一定的相互干擾，通過計(ji)算機校正算法可以將組分的測(ce)量精度提高到2%以上，這也(ye)說明，以往單一組(zu)分(fen)的(de)紅(hong)外氣(qi)體(ti)分(fen)析儀直接(jie)用于氣(qi)體(ti)分(fen)析，很可能造成測量(liang)數據不(bu)準確。