可調諧激光硫化氫分析系統在天然氣、高爐、焦爐煤氣中的分析

硫化氫具有強烈的毒性和腐蝕性，在一些工業生產如采礦、含硫石油開采與提煉、天然氣開采與運輸過程中，均存在硫化氫產生與泄漏的風險。為了控制硫化氫氣體泄漏可能對人體健康及環境造成的污染威脅，研究一種高靈敏度的監測方法具有十分重要的研究意義和應用價值。現有的標準檢測方法中滴定顯色法需要取樣，并對樣氣進行預處理，過程繁瑣，定量精度差，而且得到的數據嚴重滯后于工業現場的氣質變化；電化學傳感器響應時間較長，使用壽命較短，并且監測范圍小，因此，以上方法均不滿足高靈敏度硫化氫在線監測需要。有限的幾種從國外進口的在線分析儀器，由于價格昂貴，目前僅限于少數氣井和集氣站使用，而且還在不同程度上存在著使用維護困難，易受現場環境及各種污染物干擾二不夠穩定可靠等問題。 光學檢測方法在氣體在線監測領域應用廣泛，主要包括差分吸收激光雷達法（DIAL）、非色散紅外法（NDIR）、傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）、差分光學吸收色譜法（DOAS）和可調諧激光吸收光譜法（TDLAS）等。由于硫化氫含量相對較低，并且常與其他氣體混合存在，因此要求監測方法具有較高的靈敏度，以及較強特異性。DIAL與NDIR法檢測靈敏度相對較低，FTIR方法需要比較復雜的建模處理方法，DOAS方法往往針對紫外波段范圍內吸收明顯的氣體有效，在硫化氫氣體檢測領域應用受到一定限制，而TDLAS技術具有實時在線、操作簡單、反應快速和**穩定的特點，能夠彌補現有測量方法的不足。 氣體分子的內在結構決定了其特有的自然振動頻率。當入射光束剛好滿足被測分子的自然振動頻率時，該分子便會吸收入射光束的能量。當局有該選定頻率的一定強度的光束通過樣品池時，由于被測氣體的吸收作用，光束的強度會產生衰減。為了進一步提高濃度測量的信噪比，在實際的測量中采用波長調制技術。其原理是在原有的激光驅動型號中加載一個高頻正弦信號，產生的激光信號經過氣體介質吸收后，利用鎖相放大器解調制，得到其二次諧波信號。 TDLAS技術基于激光調諧與鎖相放大技術，光源采用可調諧激光器，利用溫度或者電流調諧方式使激光器波長掃過待測氣體特征吸收峰，并采用鎖相方法提起吸收信號中二次諧波分量，根據吸收峰強度計算氣體濃度。該方法具有速度快、靈敏度高、檢測范圍大、信號抗干擾能力強等優點，在各種氣體在線監測領域應用廣泛。 TDLAS檢測核心技術是激光二極管調諧與鎖相檢測技術，系統組成如圖所示： 檢測系統主要組成包括激光器調諧電路與激光器單元、檢測器與鎖相放大模塊以及數據處理單元。激光器調諧電路通過溫度與電流調諧兩種方式對激光器輸出波長進行調諧。溫度調諧范圍較大，可以保證激光器輸出波長范圍覆蓋硫化氫氣體吸收范圍，電流調諧速率較快，可以提高測定精度與靈敏度。首先采用溫度調諧方式確定工作波長區間，然后用正弦電流驅動信號對激光器進行調諧。鎖相檢測部分利用激光調諧電路輸出正弦信號作為參考信號，結合相敏檢波原理，從光電檢測單元測量到的氣體吸收信號中提取二次諧波分量，并擬合獲得硫化氫氣體吸收線型，穿輸入數據處理單元，根據吸收峰強度可建模處理計算硫化氫氣體濃度。

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