二氧化碳是引起全球氣候變化的主要因素之一。對二氧化碳的檢測、捕集、處理以及二氧化碳檢測儀研發(fā)等技術已經(jīng)成為21世紀科研的主要方向之一。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率是合理利用能源、開發(fā)能源，做到節(jié)能減排的主要方法。然而，目前人部分燃料資源，尤其是石油、煤炭，燃燒過程中沒有被充分利用，部分資源在中問環(huán)節(jié)被浪費。因此對能源利用效率的檢測是了解能源利片j效率，提高利用效率的前提。對石油、煤炭燃燒后排放的氣體和燃燒后的粉塵進行二氧化碳檢測和殘余碳分析能夠計算出燃燒的利用效率。從而實現(xiàn)二氧化碳的減排和大氣環(huán)境的治理。
1 二氧化碳在線檢測
     對環(huán)境中二氧化碳的檢測要求檢測方式必須是在線式的，這樣才能夠及時得到環(huán)境中的實時數(shù)據(jù)，并能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)的變化做出快速的響應，盡快的采取措施。采用紅外技術檢測二氧化碳含量正是實現(xiàn)在線測量的主要手段之一。
1．1 紅外吸收型氣體傳感器原理
     紅外吸收犁二氧化碳氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。不同氣體分子化學結(jié)構(gòu)不同，對不同波長的紅外輻射的吸收程度就不同。因此， 不同波長的紅外輻射依次照射劍樣赫物質(zhì)時，某些波長的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而變?nèi)�，產(chǎn)生紅外吸收光譜，故當知道某種物質(zhì)的紅外吸收光譜時，便能從中獲得該物質(zhì)在紅外區(qū)的吸收峰。同一種物質(zhì)不同濃度時，在同一吸收峰位置有不同的吸收強度，吸收強度與濃度成正比關系。即不同氣體分子化學結(jié)構(gòu)不同，對應于不同的吸收光譜，而每種氣體在其光譜中，對特定波長的光有較強的吸收。通過檢測氣體對光的波K和強度的影響。
1．2 傳感器設計
     紅外二氧化碳傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖l所示。是由紅外光源、測量氣室、可調(diào)干涉濾光鏡、光探測器、光調(diào)制電路、放大系統(tǒng)等組成�？諝庵蟹谴郎y組分，如甲烷、一氧化碳、水蒸氣等影響測定結(jié)果。紅外線濾光片的波長為4．26um，二氧化碳對該波長有強烈的吸收；而一氧化碳和甲烷等氣體不吸收。因此，一氧化碳和甲烷的干擾可以忽略不計；但水蒸氣對測定二氧化碳有干擾，它可以使氣室反射率下降，從而使儀器靈敏度降低，影響測定結(jié)果的準確性，因此，必須使空氣樣品經(jīng)干燥后，再進入儀器。在氣室中，二氧化碳吸收光源發(fā)出特定波長的光，經(jīng)探測器檢測則可顯示出二氧化碳對紅外線的吸收情況。干涉濾光鏡是可調(diào)的，調(diào)節(jié)他可改變其通過的光波波段，從而改變探測器探測到信號的強弱。紅外探測器為薄膜電容，吸收了紅外能量后，氣體溫度升高，導致氣室內(nèi)壓力增大，電容兩極問的距離就要改變，電容值隨之改變。C02氣體的濃度愈大，電容值改變也就愈大。
     檢測電路設計的原理框圖如圖2所示。檢測電路由紅外二氧化碳傳感器、數(shù)字濾波電路、放大電路、穩(wěn)流電路、單片機系統(tǒng)等組成。設計的基本原理是紅外二氧化碳傳感器將檢測到的二氧化碳氣體濃度轉(zhuǎn)換成相應的電信號，輸出的電信號分別經(jīng)過濾波、放大處理，輸入到單片機系統(tǒng)，并經(jīng)溫度和氣壓補償?shù)忍幚砗�，由單片機系統(tǒng)輸出，送顯示裝置顯示其測量值。

1．3 技術性能
     紅外吸收型二氧化碳傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。它通過積分濾波處理，配合溫度補償、放大等電路，將二氧化碳濃度或體積分數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號，并經(jīng)過放人后輸出。該傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單、體積小、精度高、選擇性好、溫度系數(shù)低、安裝與攜帶方便等特點，可廣泛應用丁環(huán)境監(jiān)測及各類環(huán)境惡劣現(xiàn)場的二氧化碳實時遙測和控制。
2 粉塵的殘余碳檢測
     將燃燒后殘留的粉末或者空氣中的粉塵收集起來，檢測粉塵中的有機碳含量可以了解粉塵的性質(zhì)，對環(huán)境狀況有更充分的了解。對燃燒系統(tǒng)而言，能夠計算山燃燒設備的燃燒效率。
2．1 檢測原理
     殘余碳分析參考了石油勘探中的殘余碳分析原理，將巖石樣品進行分析后可以計算出該巖石樣品的總有機碳含鼙。檢測原理是通入空氣，將樣品在600"C高溫卜．充分氧化后，測量產(chǎn)生的C02濃度。化學反應可表示為：
                             C+02→C02
     根據(jù)實時濃度數(shù)據(jù)n(t)的積分處理進而換算出相應的殘余碳含量，其中p為換算系數(shù)。
2．2 儀器設計
     圖3是殘余碳分析儀器的設計原理圖。該儀器主要通過單片機進行控制，由溫度檢測、輸出電壓調(diào)節(jié)實現(xiàn)對加熱爐的高精度溫度控制，由紅外傳感器和外圍采集電路實現(xiàn)二氧化碳濃度的在線式采集，由流量的檢測與閥控制電路實現(xiàn)流量的自動控制。此外通過與計算機的連接，由計算機來完成后期的數(shù)據(jù)處理，從而得到準確的殘余碳數(shù)據(jù)。

2．3 技術指標
     殘余碳的檢測使用高精度的控制系統(tǒng)，保證溫度控制精度為±1℃，流量控制可達2％FS，保證了粉塵采集的一致性。粉塵的殘余碳分析考慮了粉塵的自動收集，同時將樣品充分氧化后可以準確的測量出粉塵、粉末的碳含量。
3 在石油勘探中的應用
     該方案雖然還沒有正式應用于對環(huán)境監(jiān)測和燃燒物的殘余碳分析中，但是對物質(zhì)的殘余碳分析已經(jīng)成功的應用到石油勘探行業(yè)中。在行油勘探中，主要分析各類巖層樣品的烴類化合物含量。對烴類物質(zhì)含量的研究可以有效地計算、測量出地卜各個層位的性質(zhì)、石油大然氣儲備情況、油氣的品質(zhì)。通過對地下各個巖層的巖屑樣品進行殘余碳分析，可以計算出樣品的總有機碳含鼉。而通過總有機碳含量的分析，又可以計算出生油巖的生油潛力，對地-F巖層的巖性、油氣的品質(zhì)、油氣含量等指標的評價起到至關重要的作用。從而達劍石油勘探發(fā)現(xiàn)油氣藏、評價油氣儲量的目的。通過國標樣品的分析在樣品為100mg時，殘余碳值人于2mg/g時可以充分保證分析的準確度和線性度。
     通過紅外二氧化碳檢測可以有效地對井下二氧化碳氣層進行識別與評價，根據(jù)二氧化碳與周圍環(huán)境(巖性、孔隙度等)的關系確定氣層解釋結(jié)果。通過殘余碳分析技術可以有效地對井下生油巖的生油能力進行評價，根據(jù)殘余碳數(shù)據(jù)與其他勘探手段(熱解分析、色譜分析、氣測分析等)結(jié)合確定層位的類型和含油級別等信息。通過多年的現(xiàn)場探索，紅外二氧化碳檢測技術已成功的應用于石油勘探中。
4 石油、煤炭燃燒系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測方案設計
     對石油、煤炭燃燒系統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)測，可以利用一個二氧化碳傳感器實現(xiàn)二氧化碳的在線監(jiān)測和燃燒粉塵的殘余碳檢測兩個功能。實現(xiàn)了傳感器的復用，這樣大大的降低了檢測成本得到了更多的檢測參數(shù)。
     該方案是將燃燒排放的尾氣通過樣品抽氣泵引入二氧化碳檢測器，再由計算機或者數(shù)據(jù)采集儀將實時數(shù)據(jù)采集并記錄下來。在樣品抽氣泵前加裝一個氣體過濾裝置，用于收集采樣氣體的粉塵顆粒，再由儀器將粉塵分析處理并計算出粉塵的殘余碳含量值。如圖4：

      在實際的生產(chǎn)過程中�？梢韵葘θ紵�物本身通過儀器進行總有機碳(TOC)分析得到單位燃燒物中含有的有機碳含量A(mg/g)，生產(chǎn)中對排放的尾氣濃度進行實時采集得到實時的采集濃度C(％)．通過殘余碳分析得到不同燃燒狀態(tài)(開火、進料等)下粉塵殘余碳含量RC(me/g)或燃燒后的石油殘渣或者煤炭的粉煤灰殘余碳值RC’(mg/g)�？梢酝ㄟ^有機碳含量A與殘余碳值RC或RC’的關系來衡量燃燒系統(tǒng)的燃燒效率：
             n=RC/Ax 100％——不同燃燒狀態(tài)下的燃燒效率
             n'=RC’/Ax 100％——整個燃燒過程中的燃燒效率
      也可以根據(jù)實時二氧化碳濃度和當時的殘余碳值來總結(jié)歸納二氧化碳濃度C與燃燒效率礓的關系n=f(C)，將燃燒效率數(shù)據(jù)與二氧化碳數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。實現(xiàn)燃燒效率實時檢測，從而達到及時檢測及時處理、提高燃燒效率、減少二氧化碳排放的目的。
5 結(jié)束語
       用紅外技術的二氧化碳在線檢測和粉塵殘余碳分析不僅可以應用于燃燒系統(tǒng)的效率檢測中，還可以實現(xiàn)生活小區(qū)、工業(yè)園區(qū)等區(qū)域內(nèi)的大氣環(huán)境監(jiān)測。也可以在該方案的基礎上增加更多的檢測元件(如，一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等氣體檢測元件)實現(xiàn)更多綜合環(huán)境指標的監(jiān)測。該方案是基于多年石油勘探分析技術的基礎上衍生出的環(huán)境檢測方案，盡管做了大量的工作但仍需完善并有待實踐的檢驗。希望廣大專家、學者給與我們更多的指點和幫助。通過大家的努力來更好的檢測燃燒系統(tǒng)的燃燒效率，實現(xiàn)二氧化碳的減排。