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姚建铨院士:激光用于烟气测量是革命性的举措

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关键词:姚建铨 激光技术 烟气测量

2017-10-12

秋冬季节,进入雾霾高发期,对于雾霾形成机理的研究与争议重又成为人们关注的焦点。近来有媒体援引专家意见称:火力发电行业对排放烟气采用湿法脱硫是导致环境污染的罪魁祸首。对此,也有专家认为没有足够数据支撑上述论点。无论该争议最终结论如何,可以肯定的是,对污染气体实现实时监测是进行雾霾形成机理研究以及大气环境监控的基础。而在对气体实施监测的过程中,湿度测量又是一个关键值,尤其是高温条件下的烟气湿度测量,从技术实现上来讲最为困难。近日,一项旨在高温环境中进行湿度测量的重大科学仪器研制计划正式启动。

9月19日,国家科技部重大科学仪器设备开发专项——“面向复杂工况的激光高温湿度传感器研制及产业化”项目启动仪式在北京召开。该项目专家组负责人、我国著名激光和非线性光学专家、中科院院士姚建铨教授在接收媒体采访时称,用激光对水气以及各种气体进行检测,可以说是一项革命性的技术。

那么,相比于传统、常规的测量方式,用激光进行高温湿度测量究竟有何优势?激光测量气体技术,未来的应用前景又如何?对此,姚建铨院士进行了相关分析和介绍。

湿度测量的重要性

据姚院士介绍,该研制项目的主要任务是研发面向复杂工况条件下的激光高温湿度传感器。“这个项目是测湿度的,也就是含水量。湿度对人类生活、工业生产、大气环保、科学研究、文物保护等各个领域里都至关重要。”据他介绍,人类生产和生活很多方面都离不开湿度测量,例如研究雾霾的形成及防治,湿度的测量就非常关键。在环保领域,排放气体的湿度测量直接影响到环保排放测算的准确性。“工业锅炉排放的污染物浓度采用标准状态下干气采样体积计算。而干气采样体积测算又需要测量烟气湿度,因此烟气含湿量测量的准确性直接影响排放总量的计算准确度,影响国家环保指标考核。”

不仅环保领域,在工业生产领域中,对温度、压力、湿度等方面的测量也非常重要的。姚院士介绍,工业生产领域可通过检测湿度调整工艺,提高反应效率,实现节能减排。“比如化工领域氨气合成、天然气交接计量与贸易结算等,还有航空航天军工领域的雷达定位、卫星导航等,都将湿度作为一个充分参数。”

激光测湿度 技术优势明显

湿度测量如此重要,但现有湿度测量方式却存在很多弊端。

姚院士介绍,常用湿度测试方法存在易失效、不准确、测试时间长等缺点,如干湿球法、阻容法受原理限制,存在高湿测量不准确;冷凝法和重量法存在测试时间长,不能在线连续监测的缺点。采用非接触光学测量方法能够解决传统传感器问题,如非分散红外分析、紫外差分吸收光谱等,但存在气体交叉干扰等问题。

此次启动的激光高温湿度传感器的研制,是基于TDLAS技术(可调谐半导体激光吸收光谱技术的简称)来实现对湿度的测量。采访时,姚院士言简意赅地介绍了该项目运用的技术原理及优势。“用激光测量湿度这项技术,是基于气体的一个特性,也就是每种气体都会吸收特定波长的光这一基本特性。通过激光照射气体,气体吸收对应波长使之强度变弱,进而通过测量激光变弱的程度探测出气体浓度。”

据姚院士介绍,用激光测湿气或其他气体,具有很多优点。首先,激光不会影响被测气体的组分和形态;其次,它能够对危险气体进行远程非接触式测量,保证测试人员安全;再者,它的测量精度非常高,测量下限可能达到PPM量级;第四,每种气体的监测对应特定激光波长,不存在交叉干扰,易于检测混合气体中的特定成分;第五,传感器完全采用光学结构,本质安全,传感端不易受到电磁辐射的干扰,不产生火花 ;最后,激光的响应速度非常快,可以达到毫秒量级。姚院士提出,“尤其是激光的反应速度,相比较于传统测量仪器响应速度慢的问题,在实验室中采用激光检测甚至能达到毫秒、微秒量级,从这点上来说,这也是一项革命性的技术创新。”

众所周知,湿度测量很多时候都处于极端条件下,这增加了监测的难度,比如高温高压环境的湿度测量就是个难点。相比于传统常用测量方式,使用激光在高温条件下进行湿度测量,具有无交叉干扰、测量范围大、精度高、实时测量的优势,可实现高温条件下的湿度实时监测。“这个激光高温湿度传感器一旦研制成功,可提升我国湿度监测水平,提高环保排放测算准确性、降低工业过程排放。未来,这个技术还能延展到对各种气体进行检测,应用前景非常广泛!”

TDLAS技术测试气体 应用前景广阔

激光高温湿度传感器的研发所基于的TDLAS技术,是一种新型气体浓度测量技术。也就是说,不仅仅是测量湿度,它还能检测其他各种气体。同时,由于激光气体分析技术环境适应性极好的特性,使得它的应用范围会非常广泛,“以往的气体测量方式,有的不适合野外使用,或者无法在极端的环境下使用,比如高温、高压、高腐蚀或者易燃易爆以及毒气环境下。用TDLAS技术不仅能进行湿度测量,还能延展到测量其他各种气体。”

姚院士随口提及该技术可应用的范围和领域,其广度和深度确实不可小觑。比如,在化工领域,合成氨气,氯碱生产、天然气交接计量与贸易结算、烟气脱硝连续监测等方面都需要进行各类气体监测分析,能应用到该项技术;环保领域中,火电厂、石油化工、钢铁等企业的气体排放必须符合国家环要求,该技术对烟气中的多种气体可以进行连续实时监测;在火力发电领域的锅炉热效率和排放物处理两个方面都需要对过程气体进行监测,不仅需监测部位很多,同时监测气体种类也很多样,TDLAS激光传感器采用纯光学不接触测量,速度快、灵敏度高、测量精准;航空航天军工领域中,导弹、卫星、武器的研发、实验、制造过程中,大量需要高精度气体测量,激光探测气体技术也有着用武之地;工业生产过程中,许多生产车间厂房或者生产工艺流程中,都处于高温高压或者易燃易爆、高腐蚀有毒害的环境条件,对气体进行监测是生产安全工作的重要内容。还有文物保护领域,墓葬等文物环境都是高湿度的环境,应用该技术可以实现实时数据采集与评估文物保存环境的温湿度变化。诸如此类,都可以看出TDLAS技术对于湿气及其他各种气体测量的高环境适应性。

“因此,基于TDLAS技术的激光高温湿度传感器研制仅仅只是这个技术应用研发的开端,未来的延展和空间会非常大!”姚建铨院士谈及TDLAS技术应用前景十分有信心。他同时指出,要达到这一步,还需要经过一个过程。“刚刚启动的这个项目,只是研制高温环境中的激光湿度测试传感器,就需要花费两年时间,这个周期还算快的。但这对TDLAS技术的广泛应用来说,是个非常好的苗头。我相信,只要项目牵头单位和参与单位能密切协作配合,不仅该项目研制会成功,未来还会形成一系列的应用产品。这绝对是利国利民功在千秋的好事!”