红外线二氧化碳气体分析器在碳酸盐生产中应用

高程达，柴卫东

（1.北京市华云分析仪器研究所有限公司，北京100044；2.北京农学院）

化工分析与测试

红外线二氧化碳气体分析器在碳酸盐生产中应用

高程达1，2，柴卫东1

（1.北京市华云分析仪器研究所有限公司，北京100044；2.北京农学院）

提出在碳酸盐生产中应用在线式红外线二氧化碳气体分析器测定生产过程中的二氧化碳浓度（仪器法）。介绍了仪器法的原理和特点，与传统的吸收瓶法相比较各自的优缺点。建议将在线式二氧化碳气体分析器安装在煅烧工序的窑气净化和压缩后，即安装在二氧化碳气体压缩罐的附近，或者安装在碳化工序前面的位置。仪器法测定生产过程中的二氧化碳浓度相对于传统的吸收瓶法具有原位、在线、无损、测定速度快、精度高、误差小等优点。

在线式红外线气体分析器；二氧化碳；监测；碳酸盐；工艺调节和控制

中国钙镁资源丰富，碳酸盐产量高、用途广、发展前景广阔，是碳酸盐行业的优势，但是，工艺落后、资源和能源消耗大、对环境污染严重，是该行业的发展瓶颈［1-2］。在碳酸盐生产中应用在线式红外线二氧化碳分析仪监测和控制制造流程，将有利于企业节能、降耗、高效、环保、低碳，提高碳酸盐的质量和企业生产效益。在碳酸盐的生产实践中，首要工序是将各种含钙、镁元素的不同岩石煅烧，产生钙镁等的氧化物和多种化学气体，其中从煅烧窑出来的气体（窑气）包括CO2、N2、O2、CO、SO2、H2O等，二氧化碳为主要气体成分（体积分数为35%左右）［3］。这些气体如果排放到大气，将会污染环境；而大部分生产商将窑气净化处理后，通入碳化塔，进行资源化利用。因此，从煅烧窑出来的窑气中的二氧化碳浓度大小，不仅关系到岩石的煅烧程度，更重要的是影响下游碳酸钙、碳酸镁等产品的质量高低及其质量的稳定性，以及窑气排空后对环境的影响。目前，绝大部分生产商没有在生产流程中配备二氧化碳等气体的监测仪器和设备；有些企业采用传统的吸收瓶法，间接地测定过程中的二氧化碳浓度，但是，取得数据慢，不能及时和直接掌握数据，也难以及时调整和控制工艺参数。

1 红外线CO2气体分析器的原理和特点

红外线气体分析器是利用红外线对所检测的气体具有特殊吸收的原理进行分析测量的仪器［4］。待测气体组分的浓度与红外线吸收的辐射能存在密切的相关关系，气体组分的浓度不同，红外线吸收辐射能不同，剩余的辐射能在检测器上温度升高的程度不同，动片薄膜两边所受的压力不同，从而产生电容检测器电信号，达到获得待测气体组分的浓度大小之目的。

红外线气体分析器可用来分析各种双原子气体，如CH4、C2H4、C2H2、C2H5OH、C3H6、C3H8、NH3、CO2、CO、SO2、N2O以及水蒸气等，其中CO2、CO和SO2为碳酸盐生产中窑气的主要成分，即红外线对这些气体具有特殊吸收。但是，红外线不能分析同一种原子构成的多原子气体和惰性气体，如N2、Cl2、He、Ne、Ar等［5］。

红外线气体分析器具有精度和灵敏度高、测量范围宽、响应速度快、选择性好、稳定性和可靠性高、寿命长、低成本等特点［6-7］，可以实现多组分气体同时测量、连续或间断分析等自动化控制。红外线二氧化碳气体分析器是诸多红外线气体分析器的一种。

红外线二氧化碳气体分析器作为重要的一类仪器，主要应用于环保、气象、化工、农业、林业、医药、石油、冶金、电厂、水泥、陶瓷、国防等领域［8-10］。目前国内外越来越多地使用红外线气体分析器［11］。红外线二氧化碳气体分析器分为在线式和便携式两种，其中，在线式适合于碳酸盐行业的应用。

2 仪器安装位置

煅烧是碳酸盐生产中最关键的一个反应，它在立窑中进行，碳酸盐产品的最终质量和总的生产成本主要受这一工序影响，其影响量估计占整个流程的50%以上。煅烧工艺过程是将原料岩石、煤炭、空气等送入煅烧立窑，在高温下反应，生成物为窑气和钙镁等的氧化物。对该过程进行调节和控制的主要指标之一是对窑气中CO2浓度的监测分析，可以根据从立窑出来的窑气中CO2浓度的大小，结合其他技术参数，作出生产技术路线的决策，如对立窑的操作参数（原料岩石的加入量、通风量大小和煤炭的加入量等）进行及时调整，从而取得比较理想的产品质量和产量。

碳化是碳酸盐生产中的另一个重要的工序和环节，也是二氧化碳废气资源化的反应过程。二氧化碳是这一工序的反应物，通入反应釜的二氧化碳浓度大小、纯度、流量等，都会直接影响着钙镁碳酸盐产品的质量和产量。因此，在这一工序前测定二氧化碳的浓度是十分必要的。

由于碳酸盐产品种类不同，生产流程和工艺不同。大部分生产流程都有煅烧和碳化工序，或者只有煅烧工序或碳化工序。以碳酸钙或碳酸镁的生产为例：根据碳酸钙或碳酸镁的生产工艺和流程要求，以及仪器的使用条件，建议将红外线二氧化碳气体分析器安装在窑气净化和压缩以后，即安装在压缩罐附近，或者安装在碳化反应釜前面。事实上，由于场地的限制和仪器维护保养的要求，将取样管从压缩罐附近引入到仪器仪表控制室 （但距离不宜长），仪器安放在独立的仪器仪表控制室比较合适。详细的仪器安装位置见图1。

图1 仪器安装位置

3 仪器法与传统气体吸收瓶法的对比

传统的气体吸收瓶法测定过程中的CO2浓度，已经延用多年，该法投资少，为多数生产厂家采用，但是，操作比较麻烦，测定所用的时间比较长，精度低，误差比较大，难以指导和及时调节生产技术指标。仪器法测定生产过程中的CO2浓度是一种原位的、在线的、无损的测定方法，马上测定马上取得数据，测定速度快；仪器一次性安装好以后，不再需要人为干扰，只需读取数据即可，由于智能化引入仪器，不需要人工记录数据，仪器可以随时自动记录和存储数据，随时可以调出历史数据和曲线图象，以便预测趋势和走向，及时地优化和调整生产工艺参数，使产品优质而高产。仪器法与吸收瓶法的对比见表1。

表1 仪器法与吸收瓶法的对比

4 仪器法的作用和预期效果

在线式红外线CO2气体分析器用于碳酸盐的生产流程中，至少可以起到和获得以下作用和效果：1）对煅烧工序的信息反馈和调节控制。从煅烧窑中出来的气体是岩石经过高温加热分解的结果，窑气中的二氧化碳浓度的大小，可以表现煅烧程度和原料配比是否理想，从而根据仪器测量的二氧化碳实时数据，快速调节煅烧窑的火候和原料配比。2）对碳化工序的调节和控制。碳化过程受到通入碳化塔的二氧化碳浓度、流量和时间影响，二氧化碳浓度高，流量大，就会缩短碳化时间，提高效率和产品质量，但是，二氧化碳浓度过高，工艺控制难度增大。一般通入碳化塔的二氧化碳体积分数为25%～45%。安装在线式仪器后，能够随时得知正在通入碳化塔的二氧化碳浓度大小，随时调节和控制二氧化碳的流量大小，及时地调节和控制碳化反应的技术参数，达到控制、优化碳酸盐质量和产量的目的。3）仪器的实时、连续性测定和记录，所提供的数据和图象对于企业成本核算、工艺改善和环境保护等十分有效，对于提升企业自动化生产和管理水平具有重要意义。4）对生产流程中的二氧化碳的在线测定，有利于二氧化碳废气的资源化利用，减少二氧化碳的排放。

5 结论

在线式红外线二氧化碳分析器在碳酸盐生产中可以得到成功应用。仪器法测定生产过程中的CO2浓度相对于传统的吸收瓶法具有原位、在线、无损、测定速度快、精度高、误差小等优点。在碳酸盐的生产流程中使用在线式红外线CO2气体分析器，对煅烧和碳化工序进行有效的监测、调节、控制，能降低企业成本、改善工艺流程、提升企业自动化生产和管理水平。仪器法的应用，有利于二氧化碳废气的资源化利用，减少二氧化碳的排放。

［1］ 胡庆福，胡晓湘，宋丽英.我国碳酸钙工业生产现状及发展建议［J］.中国非金属矿工业导刊，2010，84（4）：3-4.

［2］ 宋丽英，胡晓湘，胡庆福.中国氢氧化镁生产现状与展望［J］.盐业与化工，2010，39（5）：44-51.

［3］ 颜鑫，王佩良，舒均杰.纳米碳酸钙关键技术［M］.北京：化学工业出版社，2007：59.

［4］ 王玉凤，张宏梅，程书明.红外线气体分析仪原理及应用［J］.辽宁化工，2000，29（6）：370-372.

［5］ 于洋.在线分析仪器［M］.北京：电子工业出版社，2006：101-102，105.

［6］ 王复兴.红外线气体分析仪的发展趋势［J］.分析仪器，1996（4）：2-4.

［7］ 栾辉，曹丽萍，曹昆.CO2分析仪在我公司的应用［J］.纯碱工业，2008（5）：31-33.

［8］ 宋钊，万方，陈晓婷，等.非分散红外线气体法测定生活垃圾填埋气中二氧化碳［J］.环境监测管理与技术，2008，20（3）：47-49.

［9］ 高程达，石莉雯，唐青云.红外线气体分析器在温室气体观测研究中的应用［C］//第三届中国在线分析仪器应用及发展国际论坛暨展览会论文集.北京：中国仪器仪表学会分析仪器分会，2010：270-276.

［10］ 欧建萍，马永祥.鲁奇炉气化生产中在线分析仪器的选择和运用［J］.化肥工业，2009，36（5）：56-60.

［11］ 中国环境保护产业协会环境监测仪器专业委员会.我国环境监测仪器行业2009年发展综述［J］.中国环保产业，2010（5）：14-18.

联系方式：gaochd@bjfu.edu.cn

Application of infrared CO2gas analyzer in carbonate production

Gao Chengda1，2，Chai Weidong1
（1.Institute of Beijing Huayun A nalytical Instruments Co.，Ltd.，Beijing 100044，China；2.Beijing University of A griculture）

Application of on-line infrared CO2gas analyzer（instrument method）in carbonate production to determine the concentration of CO2was presented.The principle and characteristics as well as the advantages and disadvantages of instrument method in comparing with conventional flask absorption method were introduced.It′s suggested that on-line infrared CO2gas analyzer should be installed in the location behind the kiln gas purification and compression of the calcination procedure or before the carbonization procedure，i.e.installed in the vicinity of the CO2gas compression tank.Comparing with the conventional flask absorption method，instrument method has the advantages of in situ，on-line，nondestructiveness，rapid determination speed，high precision，and small error etc.in determining the concentration of CO2during the carbonate production.

on-line infrared gas analyzer；carbon dioxide；monitoring；carbonate；process adjustment and control

TQ127.11

：A

：1006-4990（2012）07-0053-03

2012-01-18

高程达（1964—），博士，高级工程师，主要从事温室气体、环境保护等方面的研究和应用开发工作，已发表论文20余篇，获得国家专利10多项。