專利名稱：基于紅外差分光譜法沼氣檢測與提純控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于紅外差分光譜法沼氣檢測與提純控制系統。
背景技術：
沼氣是一種清潔能源，在國際能源需求大幅增加的大背景下，沼氣的生產和利用有著極其重要的意義。我國是一個農業大國，沼氣生產原材料充足，同時沼氣經過凈化提純后可高效地用于工業生產，所以沼氣的生產和高效利用是聯系我國工、農業的重要節點，對我國經濟發展有著極其重要的作用。沼氣是一種可燃性混合氣體，一般含甲烷、二氧化碳、硫化氫、水蒸氣以及少量氨氣、氫氣和一氧化碳等，不同原料制成的沼氣中各組分含量有所不同。沼氣中的H2S (硫化 氫)是一種腐蝕性很強的化合物，在空氣中及潮濕的環境下都會對管道及設備產生腐蝕作用；H2S燃燒后產生的SO2對空氣污染極大，是酸雨的主要成分，對人體健康危害很大，所以在沼氣在利用時必須除去H2S。我國環保標準嚴格規定沼氣作為一種能源使用時，其中H2S的氣體含量不得超過20mg/m3。沼氣中H2S含量一般為l_12g/m3，遠高于我國環保標準的規定值，所以脫除H2S是沼氣高效利用不可或缺的一步。沼氣由厭氧消化裝置產生，因此攜帶大量水分具有較高的濕度。沼氣中的水分和H2S產生硫酸腐蝕管道和設備；沼氣中的水分會降低沼氣燃燒的熱值，增大管路的氣流阻力，還會凝聚在管路的檢查閥、安全閥、流量計等設備的膜片上影響其準確性；因此脫除沼氣中的水分對沼氣的高效利用很關鍵。沼氣中的二氧化碳含量一般在25% — 50%。當沼氣用作內燃機燃料時，二氧化碳的存在能起到抑制“爆燃”的作用，使沼氣較甲烷具有更好的抗爆性，使發動機獲得較大功率。但若二氧化碳含量過大，會影響到發動機燃料的燃燒熱值等，從而影響到發動機的輸出功率。所以當沼氣作為內燃機燃料時，需脫除一部分CO2使之處于一個合理范圍(20%-40%)，這樣可以達到沼氣高效利用的目的。同時高純度二氧化碳是一種工業原料，可以采用變壓吸附方法分離甲烷和二氧化碳，分離出的甲烷和二氧化碳都具有廣泛的用途。目前沼氣脫硫主要有濕法脫硫、干法脫硫和生物氧化法。濕法脫硫是使沼氣逆流通過特定溶劑，硫化氫和特定溶劑接觸反應而脫除，溶劑可以通過再生后重新進行吸收。干法脫硫是通過氧化物和硫化氫發生氧化反應，將硫化氫氧化成硫或者硫氧化物而脫除硫化氫的一種方法。生物氧化法是在有氧的條件下，通過光合細菌、反硝化細菌和無色硫細菌等的代謝作用將硫化氫轉化為單質硫或硫酸鹽的一種脫硫方法。由于沼氣量大而且水分含量很高，一般采用生石灰吸收沼氣中的水分；而且生石灰吸水后變成氫氧化鈣弱堿物，對沼氣中的硫化氫和二氧化碳也有一定的吸收作用。沼氣脫除二氧化碳的方法主要有變壓吸附法、吸收法和膜分離法。變壓吸附法是利用吸附劑對沼氣中各組份的吸附能力隨壓力變化而呈現差異的特性，從沼氣中分離提純需要的氣體組份或進行氣體混合物凈化的技術。變壓吸附法主要用來分離沼氣中的甲烷和二氧化碳。吸收法是利用氣態混合物中的一種或多種組分溶解于選定的液體吸收劑中，或者與吸收劑中的組分發生選擇性化學發應，從而從氣流中分離出來的方法。目前工業上采用石灰水溶液吸收法脫除沼氣中的二氧化碳，主要利用二氧化碳與氫氧化鈣水溶液生成碳酸鈣沉淀，從而去除沼氣中的二氧化碳。氣體膜分離法是在壓力驅動下，借助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜內溶解一擴散上的差異，即滲透速率差來進行分離的方法。傳統的沼氣凈化提純方法中，脫硫、脫水和除去二氧化碳的工藝眾多，但大多數只是某一種組分的脫除，未能將脫硫、脫水和除去二氧化碳的工藝綜合考慮形成一套完善的沼氣凈化提純系統。而且不能根據沼氣處理量來改變相應試劑的用量及設備的運行，也不能統籌沼氣凈化提純工藝的各個環節，造成資源的浪費。另外，沼氣凈化提純的各個工藝中，大多采用傳感器來控制凈化提純產品的規格，沒有相應的檢測控制系統。脫硫、脫水和除去二氧化碳的工藝中，每道工藝都獨立采用自己的傳感器控制，未能將三道凈化工藝有機的結合為一個凈化提純系統，未能實現多個組分的同時檢測與控制的結合
發明內容

本發明的目的是克服上述背景技術的不足，提供一種沼氣凈化提純檢測控制系統，該系統應能實現對沼氣中多組分濃度的檢測，根據多組分濃度的檢測進而控制凈化提純過程，具有檢測精度高、成本低以及使用壽命長的效果。本發明提供的技術方案是一種基于紅外差分吸收光譜法的沼氣檢測與提純控制系統；包括一控制中心及處理單元，其特征在于該系統的結構還包括A、沼氣罐通過裝有自動調節閥以及耐腐蝕泵的管道依序連通脫水塔、脫硫塔、脫碳塔以及儲氣te；B、分別在脫水塔、脫硫塔、脫碳塔和甲烷儲氣罐的管道進口設置采樣口，每個采樣口都通過配置流量計和單向閥的氣管依序連通預處理裝置以及紅外檢測中心的氣室；C、全波段紅外光源對所述氣室發射對氣體進行檢測的紅外光，然后由紅外探測器接收并探測檢測后的紅外光，隨后將獲得的信息輸送至所述處理單元進行數據處理，最后輸往控制中心。D、數據處理單元對數據的處理主要有兩種方式1，采集脫水塔、脫硫塔和脫碳塔的進出氣口處的采樣口的圖譜數據，既第一采樣口、第二采樣口、第三采樣口和第四采樣口的圖譜數據，此時不采用濾波而采用全波段檢測，至少采集不同濃度的20組數據。將采集后各采樣口的20組數據經過數據預處理、建立多組分PLS模型，最后得到沼氣的組分和濃度，達到定性定量分析。通過脫水塔、脫硫塔和脫碳塔的出氣口氣體的定性定量檢測分析可以判斷各凈化設備單元是否將各自的雜質氣體去除徹底。2，在脫水塔、脫硫塔和脫碳塔的進出氣口設置的采樣口，通過檢測各采樣口氣體，收集紅外吸收圖譜，此時采用濾波裝置，濾選出對應去除雜質氣體的吸收波長用來檢測相應設備的進出口的采樣口氣體。由于采用了濾波裝置，沼氣紅外光特征吸收峰的變化是由某一組分濃度變化而引起的，因而根據紅外光檢測的沼氣特征吸收面積的變化或峰高的變化可以得知氣體濃度的變化并得到凈化效率，進而控制凈化設備單元。F、內標、外標法標定系統，校準誤差。內標法是將一定濃度的純物質作為內標物加到一定量的被分析樣品混合物中，然后對含有內標物的樣品進行紅外光譜分析，分別測定內標物和待測組分的峰面積(或峰高)及相對校正因子，按照相應公式和相應方法即可求出被測組分在樣品中的百分含量。并根據內標物添加量的變化紅外檢測光譜相應的變化，用來標定系統的。外標標定時，在檢測其他氣體前先通入標定氣體，比如氮氣(不吸收紅外，故理論上是接近直線的)，測量其紅外吸收峰，所測紅外吸收峰和標準的峰值相同時證明檢測系統正?？梢赃M行其他氣體的檢測。上述自動調節閥、耐腐蝕泵均通過數據線接通控制中心。上述沼氣凈化提純系統還配置一報警系統；該報警系統包括安裝在車間內的甲烷探頭、安裝在甲烷罐內的氧氣探頭以及安裝在各管道上的壓力傳感器；這些甲烷探頭、氧氣探頭以及壓力傳感器均通過數據線連通控制中心。所述紅外光從近紅外光源發出，依次通過分光鏡、反光鏡、濾光片轉盤后射入所述的檢測氣室。
所述氣室內安裝著用于延長紅外光射程的多個反射鏡。所述氣室包括檢測氣室和對比氣室。所述紅外光的波段中，檢測甲烷選擇特征吸收波長3. 31 μ m，檢測二氧化碳選擇特征吸收波長4. 28 μ m,檢測硫化氫選擇特征吸收波長7. 46 μ m,檢測水蒸氣選擇特征吸收波長 I. 39 μ m。所述濾光片轉盤的轉速由控制中心控制。本發明的有益效果是I、本發明同時結合脫硫、脫水和脫除二氧化碳的工藝，形成了一套完善的沼氣凈化提純系統，分別獲得高純的CO2和CH4產品。2、由于采用了紅外差分光學吸收光譜法(DOAS)(即利用紅外光線在沼氣中傳輸時各種氣體分子在不同的波段對其有不同的差分吸收的特性來反演這些氣體在沼氣中濃度的一種方法)對凈化提純后的沼氣成分進行了檢測，通過內標、外表標定后，因而檢測結果既精確又高效，能夠實時掌握沼氣產品的品質；另外，采用紅外光線進行檢測，還具有耐腐蝕、成本低以及使用壽命長的效果。3、由于配置了報警系統，在檢測到濃度超過設定標準后能夠及時報警和提醒技術人員采取措施，能夠確保安全生產。4、由于本發明還配有根據紅外光檢測結果進行自動控制的控制中心，因而能夠大幅提高生產效率，降低操作人員的勞動強度。


圖I是本發明中的系統配置結構示意圖。圖2是本發明中的各凈化提純設備的連接關系示意圖。圖3是本發明中的檢測光路結構示意圖。圖4是檢測光路中的濾光片轉盤結構示意圖。圖5是本發明中的氣室的結構示意圖。圖6是采用紅外光對沼氣凈化前后進行檢測獲得的光譜輪廓示意圖。圖7是本發明中的檢測氣室的管路系統結構示意圖。
具體實施例方式本發明統籌了沼氣中各組分的去除方法，實現聯動與整體化控制。控制系統中，應用紅外技術專門設計的檢測光路和檢測氣路，能實現分別檢測各組分的濃度，以及分離各組分，檢測結果既能對系統有保證作用，又對凈化設備的具有調控作用，使沼氣的凈化標準達到我國天然氣的技術指標。凈化設備中安裝相應檢測探頭及傳感器，實現在線檢測；同時在儀器設備周圍和車間適當位置安裝相應傳感器，能實現凈化設備在線檢測，并對設備泄露或事故予以報警，再達到凈化設備正常運行控制和環境事故的報警。節省了能源和原材料，提聞脫硫效率，提聞了安全性以及實現自動化生廣與控制。以下結合附圖所示的實施例進一步說明。圖I所示的沼氣凈化提純系統，包括一控制中心4及處理單元，還包括A、通過管道依序連通的沼氣罐I、脫水塔16、脫硫塔13、脫碳塔11以及儲氣罐6 ；前述每兩個裝置之間的管道中均安裝有自動調節閥8以及耐腐蝕泵； B、在脫水塔、脫硫塔、脫碳塔和甲烷儲氣罐的管道進氣口分別設置第一采樣口 21、第二采樣口 17、第三采樣口 14以及第四采樣口 9;，每個采樣口都通過配置流量計、單向閥以及預處理裝置的氣管連通紅外檢測中心的氣室；C、全波長近紅外光源對所述氣室中的氣體發出進行檢測的紅外光，然后由紅外探測器接收并探測檢測后的紅外光，隨后將獲得的信息輸送至所述處理單元進行數據處理，最后輸往控制中心。上述自動調節閥、耐腐蝕泵均通過數據線接通控制中心。DOAS的基本原理為L amb e r t — B e e r吸收定律。讓一束紅外光在沼氣中傳播一段距離；由于沼氣中氣體組分能對紅外光線的某些波段作選擇性吸收，所以將吸收后的光譜輪廓與吸收前的光譜輪廓相比較(如圖6所示)，結合各氣體成分在單位濃度和光程下的標準光譜輪廓，結合偏最小二乘法就可以獲得沼氣的成分組成及濃度信息。紅外光經過沼氣組分的選擇性波段吸收后形成的光譜，既具有各自的特征吸收峰，又會在各組分的吸收峰之間發生重疊。為了便于紅外檢測，需要選擇各組分的特征吸收峰并且各自間的重疊峰盡量小。我們選用近遠紅外波段對沼氣進行檢測，近遠紅外波段中選擇甲烷的特征吸收波長3. 31 μ m，二氧化碳特征吸收波長4. 28 μ m,硫化氫的特征吸收波長7. 46 μ m,水蒸氣的特征吸收波長1.39μπι。本發明設計的凈化提純工藝，一步步逐個脫除沼氣中的各組分雜質氣體，在各凈化提純設備的進口設置采樣口，通過對各采樣口的氣體組分和濃度的分析來檢測凈化提純效率，并由此實現對凈化提純設備的控制。每一個凈化提純設備用來脫除沼氣中的某一組分雜質氣體，通過檢測該設備進出口的氣體組分及濃度的變化可以測得凈化提純效率，進而控制設備凈化提純過程。沼氣紅外光特征吸收峰的變化是由某一組分濃度變化而引起的，因而根據紅外光檢測的沼氣特征吸收面積的變化可得知某一組分的濃度變化，并且可以根據吸收峰的變化得到該組分凈化提純前后的濃度值(具體可通過相關軟件分析處理后獲得)。沼氣凈化提純工藝中要先后除去沼氣中的水蒸氣、硫化氫和二氧化碳。沼氣從厭氧發酵裝置產出時攜帶著大量的水分；當沼氣在管路中流動時，由于溫度、壓力的變化使露點降低導致水蒸氣冷凝，增加了沼氣在管路中流動的阻力；水蒸氣的存在，還降低了沼氣的熱值，而且水與沼氣中的硫化氫共同作用，加速了金屬管道、閥門及流量計的腐蝕和堵塞。進行紅外檢測時，水分的紅外光吸收峰與其他氣體組分的紅外光吸收峰會產生疊加，因此先脫除水分有利于紅外檢測的進行。另外，沼氣中的硫化氫會對管道及設備產生腐蝕作用，應該盡早脫除有利于維護設備節約成本。在脫除水蒸氣和硫化氫后，沼氣中剩下甲烷和二氧化碳以及少量的雜質，因此最后分離或脫除二氧化碳，即得到高純度甲烷。在三個凈化設備之間我們設置四個采樣口(如圖I所示)，各采樣口分別通過配置流量計、單向閥以及預處理裝置的氣管連通氣室的進氣口 ；預 處理裝置包括流量、壓力、溫度、濕度等處理裝置(預處理中主要采用流量調節閥控制流量，壓力調節閥控制壓力，溫度調節閥控制溫度，這些均為常規裝置，可全部外購獲得)。由于各采樣口采集的樣品均連通到檢測氣室的進氣口，因此選擇檢測哪個樣品可以根據需要決定。圖2中顯示四個采樣口分別設在脫水塔、脫硫塔(脫硫化氫)、脫碳塔(脫二氧化碳)和甲烷儲氣罐的管道進氣口處，分別為第一采樣口 21、第二采樣口 17、第三采樣口 14和第四采樣口 9。每個采樣口連通的管道上都設有流量計、單向閥以及預處理裝置，采樣口采集的樣品再輸送至檢測氣室進行檢測。由于四個采樣口采集的樣品氣體全部連通到檢測氣室的進氣口，所以可根據檢測需要進行不同組合的連通方法。例如開通第一采樣口 21、第四采樣口 9的進氣閥，通過紅外差分吸收光譜法檢測可以得到整個凈化提純系統的凈化效率；開通第一采樣口 21、第二采樣口 17的進氣閥則可以得到脫水設備的凈化效率；開通第二采樣口 17、第三采樣口 14的進氣閥則可以得到脫硫設備的凈化效率；開通第三采樣口14、第四采樣口 9的進氣閥則可以得到變壓吸附分離二氧化碳的效果。通過紅外光檢測不同采樣口采集的樣品，既可以得到整個凈化提純系統的凈化效率，也可以得到每個凈化設備的效率，便于整體系統的控制與單個凈化設備的控制相結合。檢測光路結構示意圖如圖3所示，所述紅外光源是近紅外光源3-1，發出的光束經過分光鏡3-2、反光鏡3-3后分成兩束，還需經過濾光片進行濾光，選出檢測所需要的波長的紅外光。其中，濾光片轉盤3-4 (圖4所示)的轉動中心位于兩束光的對稱中心，并且濾光片轉盤中對稱安裝著若干對濾光片，其中對稱布置在濾光片轉盤同一直徑上的兩個濾光片(一對濾光片)完全相同，這樣兩束光就能進行相同的濾光處理；第一濾光片2-1是白光片(空白的濾光片)，不具有濾光效果；選定該濾光片時，用來空白對照或不濾光直接檢驗沼氣中全部組分；第二濾光片2-2可濾出波長為I. 39 μ m紅外光，選定該濾光片時是用來檢測沼氣中的水蒸氣；第三濾光片2-3可濾出波長為3. 31 μ m的紅外光，選定該濾光片是用來檢測CH4濃度；第四濾光片2-4可濾出波長4. 28 μ m紅外光的濾光片，用來測定C02的濃度；第五濾光片2-5可濾出7. 46 μ m紅外光的濾光片，用來測定H2S的濃度。經過優選的紅外光同時進入兩個氣室，兩氣室的進氣口可以根據檢測要求選擇連通不同的采樣口以及標樣口(分別配有高純樣品H2S、C02、CH4和N2，可以用來和四個采樣口采集的氣體作對比；并且可以稀釋標樣作不同氣體，不同濃度的對照)，通過濾光片的選擇(控制中心通過驅動電機3-5可選擇所需要的濾光片)以及氣路的切換可以得到沼氣各組分的凈化效率。例如，在檢測脫硫設備的運行情況時，可以使檢測氣室3-6的進氣口 3-9接通第一采樣口(檢測氣室還設有出氣口 3-10)，對比氣室3-7的進氣口 3-11接通第二采樣口(對比氣室還設有出氣口 3-12)，并且啟動電機3-5轉動濾光片轉盤，使第五濾光片2-5對準兩束光，這兩束光經過濾光片過濾后的波長是7. 46 μ m ;過濾后的兩束光分別穿越過兩個氣室后，由兩個紅外探測器3-8接收，再經過處理單元3-17的信號處理及計算可以得出H2S的脫除效果。檢測結果還可以與設定值進行對比，控制中心根據差值，對凈化設備的進出料、PH值、噴淋強度等進行調節，從而實現檢測與控制的一體化(圖3中還設有4個準直透鏡
3-13)。以甲烷的檢測作為實例；首先調整紅外光源，使氣室、紅外光探測器在同一光軸上；由于甲烷在波長3. 31 μ m處吸收最強，所以通常選擇波長為3. 31 μ m的中紅外吸收譜線來檢測甲烷氣體的體積分數。轉動濾光片轉盤，選定濾光波長為3. 31 μ m的濾光片，經過分光鏡分光作用的兩束紅外光分別經過相同的濾光片(同一直徑上設置的兩個相同的濾光片)濾光后分別進入檢測氣室和對比氣室，然后從兩個氣室出來后由紅外探測器接收；信號依次經過處理單元、計算機軟件處理后，最后輸出氣體濃度的測量數值；測量數值還可用于聯動控制。由于沼氣中各組分含量不同，有的濃度含量高，比如甲烷；有的含量低，比如硫化 氫；為了使沼氣中各組分的檢查精度不因濃度含量高低而不同，本發明在光路中設計了延長光程的氣室(如圖5所示)，還添加了稀釋系統。圖5中，氣室由不同的細小擋板5-3間隔開，氣體從氣室下方進口 5-5進入，沿著擋板自下而上從出氣口 5-2流出。同時紅外光從氣室上方進入，氣室里的反射鏡5-4將紅外光來回反射增加了光程，進而增加了光與氣體的接觸。由于增加了光程，增加了光與氣體的接觸時間，所以能夠提高低濃度氣體的檢查精度。當沼氣中某組分濃度過高時，引起檢測器中毒，為了準確地檢查濃度，也可按比例充入氮氣將氣體稀釋，達到最佳的檢查濃度范圍(以實現低濃度延長光路，高濃度稀釋)。沼氣中組分多，對紅外光有選擇性吸收的主要是CH4、C02、H2S和H20 ;為了能單獨得到這些有選擇性吸收組分的濃度變化，可通過光路和氣路的切換，一一得到各組分的濃度及其變化。按照設計需要，所述的氣室采用雙氣室(圖7所示)。圖7所示的雙氣室氣路中配置有兩個檢測氣室；通過分光鏡分光作用，可將一束紅外光均分為兩束相同的檢測光同時對兩個檢測氣室進行檢測。雙檢測氣室的設計，增加了對比性，可以快速、同時檢測出不同樣品的吸收譜圖，再經紅外差分吸收光譜法計算可以得到氣體濃度數值以及凈化效率數值；還能根據獲得的檢測值對設備進行控制，有目的地改變氣路之間的連通與關閉(各氣路可通過不同的連接配合紅外光的檢測)，可實現對不同沼氣組分的檢測。例如，通過對第四采樣口以及配制的純甲烷的樣品的同時紅外檢測，可以得出整個系統對沼氣的凈化效率。首先打開單向閥vl、v2、v3、v4、vll、vl2、vl3和vl4,然后流量計P9打開，氮氣進入檢測氣室及管路中，一段時間后，真空泵tl和t2將各自氣室及相關氣路中的氮氣抽成真空。測量出背景光譜后，關閉所有氣閥，先打開單向閥v2、v3和v7，通過流量計p5將第四采樣口中的氣體充入檢測氣室，關閉v2、v3和v7。再打開v5，通過流量計p4甲烷樣品充入對比氣室。經過紅外差分吸收光譜法得出檢測效率。純甲烷不同濃度的紅外吸收輪廓代表甲烷濃度值，通過輪廓面積的計算來代表甲烷的濃度，配置好不同濃度的標準甲烷，得到這些標準甲烷的吸收輪廓，與第四采樣口的氣體紅外吸收輪廓比較，并根據偏最小二乘法可以得出第四采樣口處甲烷的濃度，進而得到沼氣凈化后的純度，進而得到凈化效率并控制相應設備。同理，其他氣體的濃度計算也可以采用同樣的方法，通過光路、氣路的切換得到各自的濃度以及凈化效率并對相應設備的控制。圖7中還有單向閥 v6、v8、v9、vlO,流量計 p2、p3、p6、p7、p8、p9、)。光路與氣路配合方式是采用圖3所示的檢測光路，選用圖7所示的雙氣室檢測氣路(分別為檢測氣室和對比氣室)，首先全波段掃描，定性定量的得出沼氣的組分和各組分的濃度。首先調整紅外光源，使氣室中心、紅外光探測器在同一光軸上。紅外光源經過分光鏡3-3分光后一分為二,濾光片轉盤3-4旋轉到白光片,沒有濾光效果,沒有經過濾光的全波段紅外光進入氣室。如圖7，此時調節相應的氣路，使檢測氣體進入檢測氣室。打開所有單向閥，向兩個氣室和管路中充氮氣，一段時間(至少10分鐘)后，關閉單向閥vl、vl2和vl4，真空泵tl、t2將氣室和管路中的氣體抽空，由紅外檢測系統檢測背景光譜；接著關閉所有單向閥，打開v9、v2、v3和v4，控制好流量計的流量，將第二采樣口的氣體充滿檢測氣室和對比氣室，紅外檢測系統18得到一組數據。改變流量計的流量，用同樣的方法測量20不同濃度的第二采樣口的氣體濃度。通過20組數據的預處理以及多組分PLS建模定性定量的分析第二采樣口沼氣組分。通過分析可以得到各組分的濃度，進而判斷凈化效率。另夕卜，以二氧化碳的脫除為例；首先調整紅外光源，使氣室中心、紅外光探測器在同一光軸上。選擇4. 28 μ m紅外光(一方面二氧化碳在此處吸收最強，可以很好地反應二氧化碳在沼氣中的濃度；另一方面，沼氣中其他氣體組分在4. 28 μ m處吸收不強，所以可減少干擾；而且 在一定濃度范圍內沼氣中各氣體組分對紅外光的吸收是獨立的，不會相互影響。沼氣的吸收峰是可以由沼氣中各組分單獨的吸收峰線性疊加的。所以通常選擇波長為4. 28 μ m的紅外波段來檢測二氧化碳氣體的濃度);轉動濾光片轉盤，選定濾光波長為4. 28 μ m的濾光片，經過分光鏡分光作用的兩束紅外光都經過相同的濾光后分別進入檢測氣室和對比氣室。此時調節相應的氣路，使檢測氣體進入檢測氣室。打開所有單向閥，向兩個氣室和管路中充氮氣，一段時間(至少10分鐘)后，關閉單向閥vl、vl2和vl4，真空泵tl、t2將氣室和管路中的氣體抽空，由紅外檢測系統檢測背景光譜；接著關閉所有單向閥，打開單向閥v2、v3和v8，經過流量計p6，第三采樣口的氣體充入檢測氣室，一段時間后關閉單向閥v2、v3和v8。打開v6，流量計p5將第四采樣口的氣體充入對比氣室，一段時間后關閉v6。光路和氣路都調整好后，紅外探測器將測得的信號送入處理單元3-17處理(經過數字濾波，線性插值及溫度補償等信號處理；處理單元可直接外購)，最后輸出氣體濃度的測量數值；該測量數值可用于產品的品質控制。兩個氣室可以反復利用，每次使用前需通入氮氣以排除其他氣體對檢測結果的干擾；并在一定時間后，用紅外光檢查氣室，直至紅外光沒有吸收才可，所以理論上沒有吸收峰值，檢測值為一條直線可以確認氣室中原先的氣體成分已經排盡，可以開始進行氣體的檢測分析。而且檢測光路可以用來檢測每個采用口的樣品，只要氣室選擇連通不同的采樣口便可。兩個氣室可以用來連接不同的采樣口，也可以用來將某一采樣口的氣體樣品與特定配制的氣樣進行對比。光路的設計與氣路、采樣的設計結合可以實現不同的檢測效果，實現單個裝置的多功能化。氣室在檢測氣體前需要用N2置換成相對真空狀態(紅外光進行檢測時無峰值出現)，此時的檢測值作為基準值，每次抽成真空后的檢測值都需要與基準值進行對比比較；如果有偏差則需要繼續對氣室進行處理，直到和初始數值一致。這是氣室的調零過程，對于消除誤差非常重要；或者每次測量出背景光譜，測量其他氣體時扣除背景光譜便可。由圖I可知，本發明在系統中還配置了包括甲烷探頭、氧氣探頭以及檢測各管道的壓力傳感器的報警系統。甲烷探頭2用來檢測車間內的甲烷的濃度，一般甲烷在空氣中含量5%_15%時極易發生爆炸，9. 5%時最為強烈，所以要在車間安裝甲烷探頭以及超標報警器。傳感器設定的警告報警濃度應該為爆炸下限的10%，危險報警濃度應該為爆炸下限的20%，而某特定氣敏傳感器的爆炸極限是5% (空氣中的百分比)，故報警濃度應為0.5%。當甲烷探頭2檢測到車間的甲烷濃度超過O. 5%時，甲烷報警器3即報警，并且通過控制中心4關閉設備上所有的自動調節閥同時車間排氣系統增加功率排除甲烷，再檢查設備中何處漏氣進行調整。當甲烷罐中的氧氣含量超過1%時會帶來安全危險，所以氧氣探頭7安裝在甲烷罐中；當氧氣探頭檢查獲得甲烷罐中的氧氣濃度達到總含量的1%時，氧氣報警器5即報警，并且通過控制中心4調解沼氣的進氣速率，直至氧氣濃度降低到1%以下，氧氣報警器才停止報警。安裝在各管道上的各壓力傳感器8可以測得各管道的壓力值；設定一個設備正常運行時的壓力值，當壓力傳感器所測得的壓力值與設定值超過一定范圍內的偏差時，通過 控制中心4關閉自動調節閥，并且通過分析每個傳感器的數值確定哪個設備發生泄漏以進行相應的措施。也可將壓力傳感器安裝在紅外檢測儀旁，根據不同級別的產品實現不同的聲光報警顯然，上述報警系統采用的是成熟的常規報警系統。本發明還可根據檢測結果，對沼氣凈化提純系統進行自動控制，其執行部件是自動調節閥和耐腐蝕泵；具體通過自動調節閥10調節沼氣的進氣量，通過耐腐蝕泵20調節輸入脫水塔的物料和氣體流速，通過耐腐蝕泵15調節輸入脫硫塔的物料和噴淋強度，通過耐腐蝕泵12控制脫碳塔壓力的變化，實現不同的變壓吸附分離出產品。紅外檢測中心18負責檢測分析由第一采樣口 21、第二采樣口 17、第三采樣口 14、第四采樣口 9的樣品，并將檢測結果送至控制中心4;控制中心通過與設定值的對比，確定凈化效果?？刂浦行耐ㄟ^調節各自動調節閥10和各耐腐蝕泵12、15、20，調節設備實現凈化目標。PH值儀19用來檢測廢液的pH值，進而通過控制中心來調節耐腐蝕泵的進出物料?？刂浦行?中的控制電路(控制電路外購獲得)包括數字量輸入、輸出模塊，模擬量輸入、輸出模塊，開光量輸入、輸出模塊。各甲烷報警器、各氧氣報警器以及PH值儀將模擬信號輸入到控制中心，各壓力傳感器也是輸入模擬信號至控制中心，各自動調節閥則是輸入開關量；控制中心則通過輸出數字量對各自動調節閥、各耐腐蝕泵以及各凈化設備實現控制。具體的檢測控制方法是通過甲烷探頭2實時監測沼氣凈化提純區域內的沼氣含量，并根據控制中心設定的沼氣含量下限對比；如果沼氣含量偏高則通過甲烷報警器3報警，同時通過控制中心自動控制排風設備及調節沼氣進氣；當凈化提純區域內沼氣的濃度低于O. 5%時甲烷報警器停止報警。通過氧氣探頭7實時監測甲烷罐中氧氣的含量，使甲烷罐中氧氣體積百分比含量低于1% ;如果甲烷罐中氧氣體積百分比含量高于1%時，氧氣報警器即報警，同時由控制中心調節沼氣的進氣量并且監測系統的氣密性，使得沼氣罐中的氧氣含量低于1%。在沼氣凈化提純系統中，以天然氣的技術指標作為沼氣凈化的凈化參數。沼氣中硫化氫含量一般在l_12g/m3需要凈化提純，凈化后的沼氣作為一級天然氣時硫化氫含量應6mg/m3，作為二級天然氣時硫化氫含量應20mg/m3，作為三級天然氣時硫化氫含量應460mg/m3。紅外檢測中心22通過檢測第一采樣口 21、第二采樣口 17處氣體，得到沼氣脫除硫化氫后的紅外吸收譜；再處理單元經過圖譜處理及偏最小二乘方得到沼氣組分的濃度，將圖譜信息轉化為沼氣組分的濃度信息。凈化后的沼氣產品分為一類、二類、三類，各類產品硫化氫含量不一樣；一類產品硫化氫設定值是6mg/m3, 二類產品硫化氫的設定值是20mg/m3,三類產品硫化氫的設定值是460mg/m3。中華人民共和國標準GB17820-1999規定如表I。表I天然氣的技術指標
權利要求
1.一種基于紅外差分吸收光譜法的沼氣檢測與提純控制系統，包括一控制中心(4)及處理單元(3-17)，其特征在于該系統的結構還包括 A、沼氣罐(I)通過裝有自動調節閥(10)以及耐腐蝕泵的管道依序連通脫水塔(16)、脫硫塔(13)、脫碳塔(11)以及儲氣罐(6)； B、分別在脫水塔、脫硫塔、脫碳塔和甲烷儲氣罐的管道進口設置采樣口，每個采樣口都通過配置流量計和單向閥的氣管依序連通預處理裝置以及紅外檢測中心的氣室； C、全波段紅外光源(3-1)對所述氣室發射對氣體進行檢測的紅外光，然后由紅外探測器(3-8)接收并探測檢測后的紅外光，隨后將獲得的信息輸送至所屬處理單元進行數據處理，最后輸往控制中心。
2.根據權利要求I所述的一種基于紅外差分吸收光譜法的沼氣檢測與提純控制系統，其特征在于上述沼氣凈化提純系統還配置一報警系統；該報警系統包括安裝在車間內的甲烷探頭(2)、安裝在甲烷罐內的氧氣探頭(7)以及安裝在各管道上的壓力傳感器(8);這些甲烷探頭、氧氣探頭以及壓力傳感器均通過數據線連通控制中心。
3.根據權利要求2所述的一種基于紅外差分吸收光譜法的沼氣檢測與提純控制系統，其特征在于所述紅外光從近紅外光源發出，依次通過分光鏡(3-2)、反光鏡(3-3)、濾光片轉盤(3-4)后射入所述的氣室。
4.根據權利要求2或3所述的一種基于紅外差分吸收光譜法的沼氣檢測與提純控制系統，其特征在于所述檢測氣室內安裝著用于延長紅外光射程的多個反射鏡(5-4)。
5.根據權利要求4所述的一種基于紅外差分吸收光譜法的沼氣檢測與提純控制系統，其特征在于所述氣室包括檢測氣室和對比氣室。
6.根據權利要求5所述的一種基于紅外差分吸收光譜法的沼氣檢測與提純控制系統，其特征在于所述紅外光的波段中，檢測甲烷選擇特征吸收波段3. 31 μ m，檢測二氧化碳選擇特征吸收波段4. 28 μ m,檢測硫化氫選擇特征吸收波段7. 46 μ m,檢測水蒸氣選擇特征吸收波段I. 39 μ m。
7.根據權利要求6所述的一種基于紅外差分吸收光譜法的沼氣檢測與提純控制系統，其特征在于所述濾光片轉盤的轉速由控制中心控制。
全文摘要
本發明涉及一種基于紅外差分光譜法沼氣檢測與提純控制系統。目的是提供的系統具有檢測精度高、成本低以及使用壽命長的效果。技術方案是一種基于紅外差分吸收光譜法的沼氣檢測與提純控制系統，包括一控制中心及處理單元，其特征在于該系統的結構還包括A、沼氣罐通過管道依序連通脫水塔、脫硫塔、脫碳塔及儲氣罐；B、分別在脫水塔、脫硫塔、脫碳塔和甲烷儲氣罐的管道進口設置采樣口，每個采樣口都通過氣管依序連通預處理裝置以及紅外檢測中心的氣室；C、全波段紅外光源對所述氣室發射對氣體進行檢測的紅外光，然后由紅外探測器接收并探測檢測后的紅外光，隨后將獲得的信息輸送至所屬處理單元進行數據處理，最后輸往控制中心。
文檔編號B01D53/30GK102872689SQ20121036160
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年8月20日
發明者夏鳳毅, 盛成龍, 武小鷹, 李金頁 申請人:中國計量學院