Стационарные абсорбционные газоанализаторы УФ диапазона для контроля концентраций технологических газов

Актуальность темы

Технологические газы традиционно играют важную роль в промышленности. Здесь под термином «технологические газы» понимаются любые газы, используемые в различных технологических процессах или получаемые в результате этих процессов. В огромных количествах они используются в качестве исходного сырья или топлива и в еще больших количествах образуются в виде отходов при горении и других технологических процессах, при этом часто выбрасываются в воздух производственных помещений и нижние слои воздушного бассейна городов и промышленных комплексов. Интенсивное развитие промышленности характеризуется возрастающей сложностью технологических процессов, что способствует увеличению объемов технологических газов и расширению их ассортимента. С другой же стороны наблюдается ужесточение законодательства в сфере охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности населения. В этих условиях возрастает роль автоматических газоанализаторов для непрерывной диагностики параметров технологических газов и соответственно повышается интерес к разработкам таких газоанализаторов.

В настоящее время для диагностики технологических газов используются газоанализаторы, работа которых основана на самых разнообразных физико-химических методах газоанализа: электрохимическом, абсорбционном, хроматографическом, хемилюминесцентном и ряде других. В последнее время широкое распространение получили портативные электрохимические газоанализаторы, благодаря своим миниатюрным размерам, невысокой стоимости и небольшому энергопотреблению. Однако такие газоанализаторы часто непригодны для продолжительной работы в непрерывном режиме. Наиболее перспективными для диагностики технологических газов в непрерывном режиме являются абсорбционные газоанализаторы. Такое выделение абсорбционных газоанализаторов обусловлено рядом причин, из которых важнейшими являются чрезвычайно высокая селективность к сорту молекул и высокая оперативность газоанализа. Перечисленные преимущества абсорбционных газоанализаторов наряду с высокой концентрационной чувствительностью, конструктивной простотой и сравнительно невысокой стоимостью делают их особо привлекательными для работы в условиях промышленных производств.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили стационарные абсорбционные газоанализаторы ИК диапазона. Поглощение света в видимой и УФ областях спектра используется для создания стационарных абсорбционных газоанализаторов значительно реже. Это связано с тем, что спектры поглощения молекул в видимой и УФ областях содержат кроме участков, состоящих из наборов отдельных спектральных линий, и участки непрерывного поглощения. Первые обусловлены переходами между отдельными электронно-колебательно-вращательными состояниями молекул, а вторые обусловлены переходами в диссоциирующие возбужденные электронные состояния молекул. В результате этого по селективности спектры электронного поглощения молекул уступают колебательно-вращательным ИК спектрам. Однако сечения поглощения электронных полос превышают, по крайней мере, на порядок, сечения поглощения колебательно-вращательных полос, что обеспечивает более высокую чувствительность газоанализа. Другим важным достоинством УФ области спектра является то, что она наиболее перспективна для диагностики технологических газов, поскольку основные компоненты атмосферы (N2, О2,.

СОг и Н2О), в отличие от большинства технологических газов, не имеют в ближней УФ области спектра интенсивных полос поглощения. Несмотря на это, уровень развития стационарных абсорбционных газоанализаторов УФ диапазона в России и странах бывшего СССР значительно уступает мировому. В связи с этим является актуальной проблема разработки таких газоанализаторов.

Цель диссертационной работы — разработка стационарных газоанализаторов на основе метода дифференциального поглощения в УФ области спектра для непрерывного измерения концентраций технологических газов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— исследовать возможности применения метода дифференциального поглощения при перекрывании электронно-колебательно-вращательных полос поглощения технологических газов в УФ области спектра;

— разработать однокомпонентные газоанализаторы для измерения содержания окиси азота и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций;

— разработать двухкомпонентные газоанализаторы для одновременного измерения содержания как окиси азота, так и и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций;

— разработать двухкомпонентный газоанализатор для измерения содержания кислорода и паров воды в водороде, азоте и инертных газах.

Научные положения, выносимые на защиту: 1. Оптимизация режима работы дейтериевой лампы ЛД2(Д) путем уменьшения ее тока разряда до 20 мА, увеличения ее тока накала до 2,3 А и вентиляции отсека лампы позволяет увеличить срок службы лампы в газоанализаторах серии ДОГ не менее чем в 18 раз за счет уменьшения как металлизации внутренней поверхности окна лампы, так и замутнения внешней поверхности окна, вызванного фотохимическими реакциями материала окна лампы с образующимися радикалами ОН и молекулами 03.

2. Применение узкополосного интерференционного УФ светофильтра, снабженного устройством его поворота с возможностью фиксации в заданных положениях в конструкции газоанализатора, использующего метод дифференциального поглощения, позволяет достичь чувствительности 10 мг/м, необходимой при измерении концентраций молекул N0 и SO2 в дымовом газе.

3. Предложенный и реализованный способ последовательной спектральной селекции полос УФ поглощения молекул N0 и S02 на основе призменного монохроматора и устройства сдвига изображения полос поглощения с помощью поворота кварцевой пластины позволяет улучшить долговременную стабильность метрологических характеристик газоанализатора по сравнению с газоанализатором, использующим узкополосный интерференционный светофильтр, не менее чем в 3 раза для N0 и не менее чем в 7 раз для SO2.

4. Газоанализатор, включающий в себя источник излучения со спектральной полушириной 1 нм и перестраиваемый в диапазоне 150 -170 нм на основе совмещения вакуумного монохроматора с источником широкополосного ВУФ излучения, позволяет измерять микропримеси О2 и Н20 в водороде, азоте и инертных газах с чувствительностью 3−10″ 4%, достаточной для технологий микроэлектроники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан способ газоанализа многокомпонентных газовых сред методом дифференциального поглощения с помощью перестраиваемого узкополосного светофильтра в УФ области спектра.

2. Предложены и реализованы оригинальные конструкции стационарных светофильтровых газоанализаторов (ДОГ-1, ДОГ-1М, ДОГ-2 и ДОГ-3) для определения содержания окиси азота и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций (Патент РФ № 2 029 288 и Свидетельство РФ на полезную модель № 19 169).

3. Предложена конструкция стационарного газоанализатора дисперсионного типа с оригинальным устройством сканирования спектра (ДОГ-4) для определения содержания окиси азота и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций (Патент РФ № 2 244 291).

4. Впервые предложена конструкция высокочувствительного двухкомпонентного дисперсионного газоанализатора, использующего метод дифференциального поглощения в области вакуумного ультрафиолета, для технологий производства полупроводниковых изделий.

Практическая ценность работы.

1. Разработан газоанализатор ДОГ-1 (ДОГ-1М), предназначенный для измерения концентрации окиси азота в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на природном газе. Налажено мелкосерийное производство этих газоанализаторов и выпущено свыше 70 приборов. Газоанализатор занесен в Государственный реестр средств измерений.

2. Разработан и изготовлен газоанализатор ДОГ-2, предназначенный для измерения концентрации двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций, сжигающих уголь и мазут.

3. Разработаны и изготовлены газоанализаторы ДОГ-3 и ДОГ-4, предназначенные для одновременного измерения концентраций как окиси азота, так и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на любом виде органического топлива. Газоанализатор ДОГ-4 прошел производственные испытания на Томской ГРЭС-2 и подготовлен к сертификации.

4. Разработан и изготовлен высокочувствительный газоанализатор ВУФ диапазона, предназначенный для измерения содержания кислорода и паров воды в инертных газах, водороде и азоте.

Внедрение результатов работы.

Разработанные газоанализаторы ДОГ-1 и ДОГ-1М размещены на всех крупных теплоэлектростанциях Тюменского региона в качестве штатного средства контроля выбросов оксидов азота в атмосферу, что подтверждается справкой, представленной в Приложении диссертации.

Достоверность результатов подтверждается:

— хорошей согласованностью показаний газоанализаторов серии ДОГ с показаниями переносных газоанализаторов TESTO-33 и TESTO-342, полученными в ходе производственных испытаний газоанализаторов ДОГ на Тюменской ТЭЦ-1 и Томской ГРЭС-2 (акты испытаний приведены в Приложении);

— сертификатом об утверждении типа средств измерений, выданным Государственным комитетом Российской Федерации по стандартизации и метрологии (см. Приложение).

Публикации и апробация работы. Содержание диссертации опубликовано в 26 работах, из них: 1 опубликована в коллективной монографии, 6 — в отечественных журналах, 3 — в патентах России, 16 — в материалах конференций и сборниках тезисов и докладов.

Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях: II межреспубликанская конференция «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск, 1993 г.), 9-ое отраслевое совещание «Проблемы и перспективы развития Томского нефтехимического комбината» (Томск, 1995 г.), Семинар РАО ЕЭС России «Проблемы приборного обеспечения природоохранной деятельности в электроэнергетике» (Екатеринбург, 1995 г.), Международная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995 г.), I, II, III, IV, V международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006 гг.), VI международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1999 г.), Конференция «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориальных комплексов Западной Сибири» (Горно-Алтайск, 2000 г.), IV и V сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001, 2003 гг.), 6-ая международная конференция по судостроению, судоходству, оборудованию морских платформ и обеспечивающих их работу плавсредств, морская техника для освоения океана и шельфа «НЕВА 2001» (Санкт-Петербург, 2001 г.), I международная научно-практическая конференция «Управление отходами — основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе» (Новокузнецк, 2005 г.).

Газоанализаторы серии ДОГ демонстрировались на российских и международных выставках и награждены дипломами на 3-ей международной выставке-конгрессе «Энергосбережение» (Томск, 2000 г.), на IV международном салоне промышленной собственности «Архимед-2001» .

Москва, 2001 г.) и на VII международной специализированной выставке «Уралэнерго-2001» (Уфа, 2001 г.).

Личный вклад. В диссертации автор обобщает свой 16-летний опыт разработки абсорбционных методов и технических средств для диагностики многокомпонентных технологических газов. Лично автору принадлежат результаты разработки оптических схем и узлов всех представленных газоанализаторов, оптимизация режимов работы газоразрядной лампы ЛД2(Д), являющейся источником УФ излучения в газоанализаторах серии ДОГ, для увеличения ресурса ее работы, а также результаты испытаний газоанализаторов ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-4 на Тюменской ТЭЦ-1 и Томской ГРЭС-2. При непосредственном творческом участии автора разработаны аналоговые части систем обработки и управления газоанализаторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения общим объемом 121 страница и содержит 27 рисунков, 5 таблиц и 63 наименования в списке литературы.

4.4. Выводы.

1. Впервые разработан и изготовлен двухкомпонентный газоанализатор дисперсионного типа на основе метода дифференциального поглощения в ВУФ области спектра. Газоанализатор позволяет в непрерывном автоматическом режиме измерять микропримеси молекул НгО и 02 в азоте, водороде и инертных газах с чувствительностью 3−10″ 4%, достаточной для технологий производства микроэлектронных изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Метод дифференциального поглощения развит для случая перекрывающихся молекулярных полос поглощения технологических газов в УФ области спектра.

2. Проведена оптимизация режима работы газоразрядной лампы ЛД2(Д) -источника УФ излучения в газоанализаторах серии ДОГ, что позволило уменьшить металлизацию внутренней поверхности окна лампы и уменьшить замутнение внешней поверхности окна лампы. Оптимизация режима работы лампы привела к увеличению продолжительности ее непрерывной работы в газоанализаторах ДОГ до 1,5 лет (в 18 раз).

3. Разработан оригинальный светофильтровый газоанализатор ДОГ-1 (ДОГ-1М), позволяющий в непрерывном режиме проводить измерения концентраций молекул N0 в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на природном газе. Газоанализатор зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений, выпускается малыми сериями и используется на всех крупных газовых теплоэлектростанциях Тюменского региона.

4. Разработан оригинальный светофильтровый газоанализатор ДОГ-2, позволяющий в непрерывном режиме проводить измерения концентраций молекул S02 в дымовых газах теплоэлектростанций, сжигающих серосодержащие виды топлива (уголь, мазут).

5. Разработан двухкомпонентный светофильтровый газоанализатор ДОГ-3, который позволяет в непрерывном автоматическом режиме одновременно проводить измерения концентраций молекул N0 и S02 в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на любых видах органического топлива.

6. Разработан двухкомпонентный газоанализатор ДОГ-4 дисперсионного типа, который позволяет в непрерывном автоматическом режиме одновременно проводить измерения концентраций молекул N0 и S02 в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на любых видах органического топлива. Показано, что дисперсионный газоанализатор ДОГ-4 обладает улучшенной долговременной стабильностью метрологических характеристик по сравнению с светофильтровым газоанализатором ДОГ-3. Газоанализатор

ДОГ-4 успешно прошел производственные испытания на Томской ГРЭС-2 и подготовлен к сертификации.

7. Впервые разработан и изготовлен двухкомпонентный газоанализатор дисперсионного типа на основе метода дифференциального поглощения в ВУФ области спектра. Газоанализатор позволяет в непрерывном автоматическом режиме измерять микропримеси молекул Н20 и 02 в азоте, водороде и инертных газах с чувствительностью 3-Ю" 4%, достаточной для технологий производства микроэлектронных изделий.