激光在線氣體分析儀在太鋼成功應(yīng)用

國(guó)內(nèi)煉鋼廠的煤氣回收系統(tǒng)，較多使用在線取樣分析儀系統(tǒng)進(jìn)行回收，但在線取樣分析儀的取樣管易腐蝕、堵塞； 響應(yīng)時(shí)間滯后；維護(hù)和標(biāo)定工作量大；溶解和吸附導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)偏小；只能檢測(cè)“點(diǎn)”氣體濃度，檢測(cè)信息不完整； 受背景氣體、粉塵干擾，測(cè)量數(shù)據(jù)偏小； 單參數(shù)測(cè)量，只能測(cè)量氣體濃度，不能同時(shí)測(cè)量溫度、流速等原因，使得影響轉(zhuǎn)爐煤氣回收率。太鋼使用NEOM(挪威)激光（LaserGas）氣體分析儀系統(tǒng)進(jìn)行煤氣回收，激光分析儀的使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便，減少了影響煤氣回收系統(tǒng)的故障和維護(hù)量，提高了煤氣回收率。

    一、工藝目的

    鋼鐵工業(yè)中的基本工藝為間接熔融冶煉法。其生產(chǎn)過(guò)程包括：鋼鐵冶煉、焦炭冶煉、軋鋼系統(tǒng)等生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生大量的可回收的能源氣體，分析檢測(cè)這些氣體的含量，具有非常重要的作用。

    圖1 鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的可回收能源氣體

    鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)生成氣體進(jìn)行分析的主要目的有以下幾點(diǎn)：

    1、優(yōu)化生產(chǎn)工藝：如高爐爐氣分析系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐/電爐/精煉爐爐氣分析系統(tǒng)等；
    2、能源氣回收利用：如轉(zhuǎn)爐煤氣回收分析系統(tǒng)、焦?fàn)t煤氣分析系統(tǒng)等；
    3、環(huán)保節(jié)能：如熱風(fēng)爐后煙道氣分析系統(tǒng)、燒結(jié)/石灰窯煙道氣分析系統(tǒng)；
    4、能源利用率：如通過(guò)分析儀系統(tǒng)，受PLC程序聯(lián)鎖控制，使得所回收的氣體熱值得到保障；
    5、安全控制分析：如高爐噴煤分析系統(tǒng)、電捕焦安全分析系統(tǒng)、電除塵安全分析系統(tǒng)，煤氣回收系統(tǒng)安全保障等。

    二、激光(LaserGas)分析儀的工作原理

    激光氣體現(xiàn)場(chǎng)在線分析儀采用單吸收線光譜技術(shù)，基于在近紅外區(qū)域內(nèi)對(duì)被測(cè)氣體單吸收線的挑選。首先通過(guò)對(duì)所選吸收線進(jìn)行光譜分析，使得在所選吸收線波長(zhǎng)內(nèi)無(wú)其它氣體的吸收線（無(wú)交叉吸收干涉）。然后，通過(guò)調(diào)節(jié)固態(tài)激光器溫度和驅(qū)動(dòng)電流，將固態(tài)激光器頻率調(diào)整對(duì)應(yīng)到氣體的單吸收線。激光掃描光譜寬度相應(yīng)調(diào)整到比被測(cè)氣體單吸收線光譜寬度更窄。通過(guò)改變固態(tài)激光器的電流，包含單吸收線的激光波長(zhǎng)被掃描發(fā)射出來(lái)。

    在激光掃描發(fā)射期間，作為波長(zhǎng)的一個(gè)特性，接收單元探測(cè)到的光強(qiáng)度將發(fā)生變化，且此變化只是來(lái)自發(fā)射單元（Transmitter）內(nèi)部的激光器與接收單元（Receiver）之間的標(biāo)定管或轉(zhuǎn)爐氣體煙道管內(nèi)被測(cè)氣體分子對(duì)光線強(qiáng)度的吸收。探測(cè)到的單吸收線的形狀和尺寸（見(jiàn)圖2）用來(lái)計(jì)算發(fā)射單元和接收單元之間的氣體含量。而其它氣體的吸收線不會(huì)出現(xiàn)在所選波長(zhǎng)范圍內(nèi)，因此不會(huì)對(duì)單吸收線產(chǎn)生干擾，從而影響氣體含量測(cè)量。激光氣體現(xiàn)場(chǎng)在線分析儀工作時(shí)，把煙道一側(cè)發(fā)射單元上的紅外激光發(fā)射到煙道另一側(cè)上的接收單元上，其測(cè)量技術(shù)正是基于用煙道內(nèi)存在的氣體分子測(cè)量對(duì)光的吸收量。

    測(cè)量原理被稱為：紅外單線吸收光譜。它是基于這樣一個(gè)事實(shí)：大多數(shù)氣體只吸收特定波長(zhǎng)的光。吸收量是煙道內(nèi)氣體含量的一個(gè)直接反映。二極管激光波長(zhǎng)通過(guò)掃描被選定的吸收線得到，由于二極管激光器和探測(cè)器光路上的特定氣體分子的吸收，探測(cè)光由于激光波長(zhǎng)的作用而變化。為增加其敏感性，采用了所謂的波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)：當(dāng)掃描吸收線時(shí)，激光波長(zhǎng)會(huì)被輕微調(diào)節(jié)。探測(cè)器信號(hào)被光譜分解為激光調(diào)制頻率和聲學(xué)下的頻率元件。第二諧波信號(hào)通常用于測(cè)量吸收氣體的濃度。既然在特定的波長(zhǎng)下，其它氣體的吸收線并不存在，所以不存在來(lái)自其它氣體的直接干擾。被測(cè)量氣體的濃度與吸收線的振幅是成比例的。

    圖2 激光(LaserGas)分析儀的測(cè)量原理

    Transmitter:發(fā)射單元   Receiver:接收單元   Transmission:傳輸率   Absorption line: 吸收線   

    三、激光分析儀和傳統(tǒng)分析儀的比較

    國(guó)內(nèi)煉鋼廠的煤氣回收系統(tǒng)，較多使用在線取樣分析儀系統(tǒng)進(jìn)行回收，但在線取樣分析儀的取樣管易腐蝕、堵塞； 響應(yīng)時(shí)間滯后；維護(hù)和標(biāo)定工作量大；溶解和吸附導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)偏?。恢荒軝z測(cè)“點(diǎn)”氣體濃度，檢測(cè)信息不完整； 受背景氣體、粉塵干擾，測(cè)量數(shù)據(jù)偏??； 單參數(shù)測(cè)量，只能測(cè)量氣體濃度，不能同時(shí)測(cè)量溫度、流速等原因，使得影響轉(zhuǎn)爐煤氣回收率。太鋼使用NEOM(挪威)激光（LaserGas）氣體分析儀系統(tǒng)進(jìn)行煤氣回收，激光分析儀的使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便，減少了影響煤氣回收系統(tǒng)的故障和維護(hù)量，提高了煤氣回收率。

    LaserGas激光現(xiàn)場(chǎng)氣體在線分析儀能滿足高粉塵、高水分、高溫、高腐蝕等惡劣環(huán)境下用戶對(duì)氣體成分現(xiàn)場(chǎng)、直接、快速測(cè)量需要。它是最新一代分析儀，是氣體分析儀升級(jí)換代產(chǎn)品，代表了此領(lǐng)域發(fā)展方向，正在世界各地取代傳統(tǒng)分析儀，已在全球五十多個(gè)國(guó)家使用。它采用在近紅外光譜范圍內(nèi)的“單吸收線”光譜技術(shù)，徹底避免了“交叉干擾”。

    四、激光現(xiàn)場(chǎng)氣體在線分析儀的優(yōu)點(diǎn)

    激光現(xiàn)場(chǎng)氣體在線分析儀具有傳統(tǒng)分析儀無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：

     連續(xù)、現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量
     高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定度
     快速響應(yīng)（時(shí)間小于1秒）
     可選的測(cè)量范圍
     可選的輸出信號(hào)
     容易安裝
     極少而又簡(jiǎn)單的維護(hù)
     內(nèi)置重標(biāo)定機(jī)構(gòu)（一般若干年后才需重標(biāo)定一次）
     無(wú)需進(jìn)行氣體采樣預(yù)處理
     不受交叉干擾影響
     測(cè)量不受粉塵、水分、背景組分等影響
     全固態(tài)設(shè)計(jì)，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)易損件，無(wú)周期性消耗替換件
     結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、堅(jiān)固耐用
     通過(guò)德國(guó)TUV測(cè)試，國(guó)際品質(zhì)
     美國(guó)、歐洲、日本等全球50多個(gè)國(guó)家廣泛使用

    五、激光氣體分析儀的發(fā)射器和接收器吹掃系統(tǒng)

    對(duì)于發(fā)射單元和接收單元需要吹掃的應(yīng)用，吹掃流的方向在圖3中有說(shuō)明。既然在這些單元里面有光學(xué)表面，必須要保證氣體的清潔，因此額外的過(guò)濾器可能是必要的。注意所謂的“儀表空氣”可能包含一些油和水。如果接收器和發(fā)射器被這樣的空氣吹掃，不久之后它們會(huì)被永久地?fù)p壞。因此推薦使用氮?dú)庾鳛榇祾邭怏w。吹掃流不能過(guò)高以防止這些單元里過(guò)壓。如果吹掃流被阻塞，接收單元和發(fā)射單元能夠在一小時(shí)期間保持氣體好于99.5%。

    圖3 激光氣體分析儀的發(fā)射單元和接收單元吹掃系統(tǒng)

    六、激光氣體分析儀在太鋼的應(yīng)用

    轉(zhuǎn)爐是煉鋼廠的重要組成部分。轉(zhuǎn)爐冶煉燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的爐氣具有周期變化的特征，每爐次冶煉的周期為半小時(shí)左右，其中冶煉中期的10分鐘左右產(chǎn)生的爐氣中含有較高的CO，其回收利用具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，一般每噸鋼可回收煤氣80-160m3，其回收的關(guān)鍵在于回收時(shí)間和煤氣熱值的控制。國(guó)內(nèi)鋼廠較多使用在線取樣分析儀系統(tǒng)進(jìn)行煤氣回收，太鋼采用了LT法除塵設(shè)備，并使用NEOM激光氣體分析儀系統(tǒng)進(jìn)行煤氣回收。轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煙氣溫度高達(dá)1200℃左右，經(jīng)蒸發(fā)冷卻器（EC系統(tǒng)）、電除塵器(ESP系統(tǒng))除塵，再通過(guò)煤氣冷卻器(GC系統(tǒng))降溫后才可回收利用。轉(zhuǎn)爐煤氣中的CO達(dá)到一定濃度，一般是28%以上，即打開(kāi)氣體切換站的回收側(cè)盅形閥進(jìn)入煤氣柜儲(chǔ)存，否則經(jīng)過(guò)放散側(cè)盅形閥通過(guò)放散塔點(diǎn)火燃燒；煤氣柜前的O2激光分析保證煤氣柜內(nèi)O2含量超標(biāo)后啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性， 煤氣柜中合格的煤氣才可送給用戶使用。

    圖4 TISCO轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)流程

    七、激光氣體分析儀的操作和維護(hù)

    激光分析儀的操作很容易，它包含一個(gè)監(jiān)測(cè)和控制儀器所有基本功能的微信息處理器。維護(hù)人員應(yīng)該在安裝期間，使用一臺(tái)連接到儀器的個(gè)人電腦，為激光分析儀提供一次一些必要的氣體參數(shù)。然后斷開(kāi)個(gè)人電腦連接，激光氣體分析儀將繼續(xù)操作并測(cè)量氣體濃度。激光分析儀不包含運(yùn)動(dòng)部件，因此沒(méi)有必要定期替換部件。

    因此激光分析儀的維護(hù)量被縮減到一個(gè)最小值，主要維護(hù)項(xiàng)目包括目視檢查和清潔光學(xué)視窗，并且在這些維護(hù)之后沒(méi)有必要重新校準(zhǔn)系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)表明：對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，維護(hù)間隔大于三個(gè)月是可以接受的。在這部分描述的維護(hù)操作會(huì)保證分析儀持續(xù)、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。為了預(yù)防激光氣體分析儀連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，建議每六個(gè)月定期調(diào)整校準(zhǔn)，這取決于操作環(huán)境。另外，應(yīng)該同時(shí)檢查其它的因素，像腐蝕，滲漏等等。在正常操作期間每個(gè)月做一次內(nèi)部?jī)x器狀態(tài)報(bào)告。報(bào)告應(yīng)該足以去評(píng)價(jià)特殊維修工作的需要。

    八、激光氣體分析儀的校準(zhǔn)(Calibration)

    NEMO所有生產(chǎn)的激光分析儀都在出廠前校準(zhǔn)的。因此，用戶在使用時(shí)不需要去校準(zhǔn)激光分析儀（也可已通上標(biāo)氣進(jìn)行校驗(yàn)它的精度）。然而，在使用了一段時(shí)間以后，由于二極管激光器的老化，激光分析儀參數(shù)可能會(huì)改變。這種情況下，有必要進(jìn)行一次新的校準(zhǔn)。必須使用一種被鑒定過(guò)的測(cè)試氣體(標(biāo)定氣體)和所提供的氣體單元每年做一次儀器校準(zhǔn)確認(rèn)。被鑒定過(guò)的測(cè)試氣體必須是氮?dú)夂捅粶y(cè)量氣體的混合物。一臺(tái)O2激光氣體分析儀或CO激光分析儀，應(yīng)該使用干燥的空氣或僅僅室內(nèi)空氣被測(cè)試和校準(zhǔn)。

    應(yīng)該注意的是，激光分析儀的校準(zhǔn)是一個(gè)非常負(fù)責(zé)的程序，它會(huì)影響所有的進(jìn)一步的測(cè)量。因此應(yīng)該確定一次新的校準(zhǔn)確實(shí)是必需的。如果激光分析儀的讀數(shù)在推薦的濃度水平已表明低的范圍之內(nèi)，偏離正常值小于2.5 % - 3 %，是不推薦進(jìn)行校準(zhǔn)的。對(duì)于激光氣體分析儀來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)典型的絕對(duì)精度。應(yīng)該考慮用于校準(zhǔn)確認(rèn)的氣體混合物的精度，對(duì)于O2激光氣體分析儀或CO激光分析儀，如果單元壓力和溫度值在儀器中被正確地設(shè)定，其偏離值不應(yīng)該超過(guò)0.2% vol。

    遵循以下描述的步驟執(zhí)行激光（LaserGas）分析儀的確認(rèn)和校準(zhǔn)：

    1. 在執(zhí)行確認(rèn)和校準(zhǔn)之前讓激光分析儀至少運(yùn)轉(zhuǎn)1小時(shí)。
    2. 如圖5所示，把發(fā)射單元和接收單元連接到測(cè)試單元，運(yùn)行服務(wù)程序。
    3. 確保光路長(zhǎng)度參數(shù)被正確地設(shè)置，法蘭長(zhǎng)度或濃度應(yīng)該被設(shè)定到零。檢查手動(dòng)設(shè)置的溫度和壓力參數(shù)是正確的，或者氣體溫度和壓力的PLC 輸入?yún)?shù)是正確的。
    4. 把校準(zhǔn)氣體輸入到單元內(nèi)。一直等到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定水平。
    5. 如果需要，執(zhí)行“全面”校準(zhǔn)。
    6.把新的激光分析儀的參數(shù)設(shè)置保存到一個(gè)文件。
    7. 重新設(shè)置光路參數(shù)、壓力和溫度的參數(shù)。
    8. 激光分析儀現(xiàn)在可以被安裝回到它的測(cè)量位置。     

 圖5 激光(LaserGas)分析儀的校準(zhǔn)單元連接

    九、激光氣體分析儀校準(zhǔn)時(shí)所選的標(biāo)定氣體濃度表（下表只供參考）

    為了在使用所提供的0.712m長(zhǎng)的標(biāo)定單元時(shí)獲得最適宜的信噪比，推薦下列氣體濃度：

     圖6 激光（LaserGas）分析儀標(biāo)定氣體濃度參照表

 
    Measured gas：測(cè)量氣體  Recommended concentration range：推薦濃度范圍

    應(yīng)選用氮?dú)馀c上面任何一種氣體混合物，使其混合氣體中測(cè)量氣體含量（如:HF與N2混合后，在混合氣體中的HF含量為50ppm），達(dá)到以上指定數(shù)值的校準(zhǔn)氣體混合物系統(tǒng)，為的是避免條件下的測(cè)量結(jié)果接近飽和。不推薦太低的濃度，因?yàn)闇y(cè)量可能會(huì)受到噪音、單元和電子管中吸收和解吸收過(guò)程的影響。