红外技术在二氧化碳检测技术中的应用

二氧化碳是引起全球气候变化的主要因素之一。对二氧化碳的检测、捕集、处理以及二氧化碳检测仪研 发等技术已经成为21世纪科研的主要方向之一。优化能源结构、提高能源利用效率是合理利用能源、开发能源，做到节能减排的主要方法。然而，目前人部分燃料资源，尤其是石油、煤炭，燃烧过程中没有被充分利用，部分资源在中问环节被浪费。因此对能源利用效率的检测是了解能源利片效率，提高利用效率的前提。对石油、煤炭燃烧后排放的气体和燃烧后的粉尘进行二氧化碳检测和残余碳分析能够计算出燃烧的利用效率。从而实现二氧化碳的减排和大气环境的治理。

1 二氧化碳在线检测

对环境中二氧化碳的检测要求检测方式必须是在线式的，这样才能够及时得到环境中的实时数据，并能够对环境参数的变化做出快速的响应，尽快的采取措施。采用红外技术检测二氧化碳含量正是实现在线测量的主要手段之一。

1．1 红外吸收型气体传感器原理

红外吸收犁二氧化碳气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同。因此， 不同波长的红外辐射依次照射剑样赫物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获 得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。即不同气体分子化学结构不同，对应于不 同的吸收光谱，而每种气体在其光谱中，对特定波长的光有较强的吸收。通过检测气体对光的波K和强度的影响。

1．2 传感器设计

红外二氧化碳传感器探头结构如图l所示。是由红外光源、测量气 室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。空气中非待测组分，如甲烷、一氧化碳、水蒸气等影响测定结果。红外线滤光片的波长为4．26um，二氧化碳对该波长有强烈的吸收；而一氧化碳和甲烷等气体不吸收。因此，一氧化碳和甲烷的干扰可以忽略不计；但水蒸气对测定二氧化碳有干扰， 它可以使气室反射率下降，从而使仪器灵敏度降低，影响测定结果的准确性，因此，必须使空气样品经干燥后，再进入仪器。在气室中，二氧化碳吸收光源发出特定 波长的光，经探测器检测则可显示出二氧化碳对红外线的吸收情况。干涉滤光镜是可调的，调节他可改变其通过的光波波段，从而改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容，吸收了红外能量后，气体温度升高，导致气室内压力增大，电容两极问的距离就要改变，电容值随之改变。C02气体的浓度愈大，电容值改变也就愈大。

检测电路设计的原理框图如图2所示。检测电路由红外二氧化碳传感器、数字滤波电路、放大电路、稳流电路、单片机系统等组成。设计的基本原理是红外二氧化碳 传感器将检测到的二氧化碳气体浓度转换成相应的电信号，输出的电信号分别经过滤波、放大处理，输入到单片机系统，并经温度和气压补偿等处理后，由单片机系 统输出，送显示装置显示其测量值。

1．3 技术性能

红外吸收型二氧化碳传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。它通过积分滤波处理，配合温度补偿、放大等电路，将二氧化碳浓度或体 积分数转换为电压信号，并经过放人后输出。该传感器具有结构紧凑、构造简单、体积小、精度高、选择性好、温度系数低、安装与携带方便等特点，可广泛应用丁 环境监测及各类环境恶劣现场的二氧化碳实时遥测和控制。

2 粉尘的残余碳检测

将燃烧后残留的粉末或者空气中的粉尘收集起来，检测粉尘中的有机碳含量可以了解粉尘的性质，对环境状况有更充分的了解。对燃烧系统而言，能够计算山燃烧设备的燃烧效率。

2．1 检测原理

残余碳分析参考了石油勘探中的残余碳分析原理，将岩石样品进行分析后可以计算出该岩石样品的总有机碳含鼙。检测原理是通入空气，将样品在600"C高温卜．充分氧化后，测量产生的C02浓度。化学反应可表示为：
                             C+02→C02
根据实时浓度数据n(t)的积分处理进而换算出相应的残余碳含量，其中p为换算系数。

2．2 仪器设计

图3是残余碳分析仪器的设计原理图。该仪器主要通过单片机进行控制，由温度检测、输出电压调节实现对加热炉的高精度温度控制，由红外传感器和外围采集电路 实现二氧化碳浓度的在线式采集，由流量的检测与阀控制电路实现流量的自动控制。此外通过与计算机的连接，由计算机来完成后期的数据处理，从而得到准确的残余碳数据。

2．3 技术指标

残余碳的检测使用高精度的控制系统，保证温度控制精度为±1℃，流量控制可达2％FS，保证了粉尘采集的一致性。粉尘的残余碳分析考虑了粉尘的自动收集，同时将样品充分氧化后可以准确的测量出粉尘、粉末的碳含量。

3 在石油勘探中的应用

该方案虽然还没有正式应用于对环境监测和燃烧物的残余碳分析中，但是对物质的残余碳分析已经成功的应用到石油勘探行业中。在行油勘探中，主要分析各类岩层样品的烃类化合物含量。对烃类物质含量的研究可以有效地计算、测量出地卜各个层位的性质、石油大然气储备情况、油气的品质。通过对地下各个岩层的岩屑样品 进行残余碳分析，可以计算出样品的总有机碳含鼍。而通过总有机碳含量的分析，又可以计算出生油岩的生油潜力，对地-F岩层的岩性、油气的品质、油气含量等 指标的评价起到至关重要的作用。从而达剑石油勘探发现油气藏、评价油气储量的目的。通过国标样品的分析在样品为100mg时，残余碳值人于2mg/g时可 以充分保证分析的准确度和线性度。

通过红外二氧化碳检测可以有效地对井下二氧化碳气层进行识 别与评价，根据二氧化碳与周围环境(岩性、孔隙度等)的关系确定气层解释结果。通过残余碳分析技术可以有效地对井下生油岩的生油能力进行评价，根据残余碳 数据与其他勘探手段(热解分析、色谱分析、气测分析等)结合确定层位的类型和含油级别等信息。通过多年的现场探索，红外二氧化碳检测技术已成功的应用于石油勘探中。

4 石油、煤炭燃烧系统质量监测方案设计

对石油、煤炭燃烧系统的质量监测，可以利用一个二氧化碳传感器实现二氧化碳的在线监测和燃烧粉尘的残余碳检测两个功能。实现了传感器的复用，这样大大的降低了检测成本得到了更多的检测参数。

该方案是将燃烧排放的尾气通过样品抽气泵引入二氧化碳检测器，再由计算机或者数据采集仪将实时数据采集并记录下来。在样品抽气泵前加装一个气体过滤装置，用于收集采样气体的粉尘颗粒，再由仪器将粉尘分析处理并计算出粉尘的残余碳含量值。如图4：

在实际的生产过程中。可以先对燃烧物本身通过仪器进行总有机碳(TOC)分析得到单位燃烧物中含有的有机碳含量A(mg/g)，生产中对排放的尾气浓度进 行实时采集得到实时的采集浓度C(％)．通过残余碳分析得到不同燃烧状态(开火、进料等)下粉尘残余碳含量RC(me/g)或燃烧后的石油残渣或者煤炭的 粉煤灰残余碳值RC’(mg/g)。可以通过有机碳含量A与残余碳值RC或RC’的关系来衡量燃烧系统的燃烧效率：

n=RC/Ax 100％——不同燃烧状态下的燃烧效率

n'=RC’/Ax 100％——整个燃烧过程中的燃烧效率

也可以根据实时二氧化碳浓度和当时的残余碳值来总结归纳二氧化碳浓度C与燃烧效率礓的关系n=f(C)，将燃烧效率数据与二氧化碳数据联系起来。实现燃烧 效率实时检测，从而达到及时检测及时处理、提高燃烧效率、减少二氧化碳排放的目的。

5 结束语

用红外技术的二氧化碳在线检测和粉尘残余碳分析不仅可以应用于燃烧系统的效率检测中，还可以实现生活小区、工业园区等区域内的大气环境监测。也可以在该方案的基础上增加更多的检测元件(如，一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等气体检测元件)实现更多综合环境指标的监测。该方案是基于多年石油勘探分析技术的基础上衍生出的环境检测方案，尽管做了大量的工作但仍需完善并有待实践的检验。希望广大专家、学者给与我们更多的指点和帮助。通过大家的努力来更好的检测燃烧系统的燃烧效率，实现二氧化碳的减排。