激光在线气体分析仪在太钢的应用

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国内炼钢厂的煤气回收系统，较多使用在线取样分析仪系统进行回收，但在线取样分析仪的取样管易腐蚀、堵塞； 响应时间滞后；维护和标定工作量大；溶解和吸附导致测量数据偏小；只能检测“点”气体浓度，检测信息不完整； 受背景气体、粉尘干扰，测量数据偏小； 单参数测量，只能测量气体浓度，不能同时测量温度、流速等原因，使得影响转炉煤气回收率。太钢使用NEOM(挪威)激光（LaserGas）气体分析仪系统进行煤气回收，激光分析仪的使用维护简单方便，减少了影响煤气回收系统的故障和维护量，提高了煤气回收率。
+ Y& e3 G1 A8 F2 N9 L% `. X一、工艺目的
& D5 D* o% B% M# t4 p, z- ]' a钢铁工业中的基本工艺为间接熔融冶炼法。其生产过程包括：钢铁冶炼、焦炭冶炼、轧钢系统等生产工艺，在生产过程中将产生大量的可回收的能源气体，分析检测这些气体的含量，具有非常重要的作用。

图1 钢铁生产过程中产生的可回收能源气体
* O" F: z' N  F( _7 X8 x钢铁工业生产过程中对生成气体进行分析的主要目的有以下几点：
1、优化生产工艺：如高炉炉气分析系统、转炉/电炉/精炼炉炉气分析系统等；
) |2 o' H8 J: T" O$ ~& i( ?$ |% l# O! }2、能源气回收利用：如转炉煤气回收分析系统、焦炉煤气分析系统等；
3、环保节能：如热风炉后烟道气分析系统、烧结/石灰窑烟道气分析系统；
7 Z" F6 d+ t# ^% B: W, a4 Z4、能源利用率：如通过分析仪系统，受PLC程序联锁控制，使得所回收的气体热值得到保障；
5、安全控制分析：如高炉喷煤分析系统、电捕焦安全分析系统、电除尘安全分析系统，煤气回收系统安全保障等。
  l) H- g0 [; |; V5 |二、激光(LaserGas)分析仪的工作原理
2 F! B3 W" m4 E  E激光气体现场在线分析仪采用单吸收线光谱技术，基于在近红外区域内对被测气体单吸收线的挑选。首先通过对所选吸收线进行光谱分析，使得在所选吸收线波长内无其它气体的吸收线（无交叉吸收干涉）。然后，通过调节固态激光器温度和驱动电流，将固态激光器频率调整对应到气体的单吸收线。激光扫描光谱宽度相应调整到比被测气体单吸收线光谱宽度更窄。通过改变固态激光器的电流，包含单吸收线的激光波长被扫描发射出来。
' u4 R: I4 B9 D7 o0 _在激光扫描发射期间，作为波长的一个特性，接收单元探测到的光强度将发生变化，且此变化只是来自发射单元（Transmitter）内部的激光器与接收单元（Receiver）之间的标定管或转炉气体烟道管内被测气体分子对光线强度的吸收。探测到的单吸收线的形状和尺寸（见图2）用来计算发射单元和接收单元之间的气体含量。而其它气体的吸收线不会出现在所选波长范围内，因此不会对单吸收线产生干扰，从而影响气体含量测量。激光气体现场在线分析仪工作时，把烟道一侧发射单元上的红外激光发射到烟道另一侧上的接收单元上，其测量技术正是基于用烟道内存在的气体分子测量对光的吸收量。
. }+ q8 Z' {) b) R测量原理被称为：红外单线吸收光谱。它是基于这样一个事实：大多数气体只吸收特定波长的光。吸收量是烟道内气体含量的一个直接反映。二极管激光波长通过扫描被选定的吸收线得到，由于二极管激光器和探测器光路上的特定气体分子的吸收，探测光由于激光波长的作用而变化。为增加其敏感性，采用了所谓的波长调制技术：当扫描吸收线时，激光波长会被轻微调节。探测器信号被光谱分解为激光调制频率和声学下的频率元件。第二谐波信号通常用于测量吸收气体的浓度。既然在特定的波长下，其它气体的吸收线并不存在，所以不存在来自其它气体的直接干扰。被测量气体的浓度与吸收线的振幅是成比例的。

+ V/ C3 G- h; x图2 激光(LaserGas)分析仪的测量原理
Transmitter:发射单元 Receiver:接收单元 Transmission:传输率 Absorption line: 吸收线
0 L0 C+ x1 y( l6 {三、激光分析仪和传统分析仪的比较
国内炼钢厂的煤气回收系统，较多使用在线取样分析仪系统进行回收，但在线取样分析仪的取样管易腐蚀、堵塞； 响应时间滞后；维护和标定工作量大；溶解和吸附导致测量数据偏小；只能检测“点”气体浓度，检测信息不完整； 受背景气体、粉尘干扰，测量数据偏小； 单参数测量，只能测量气体浓度，不能同时测量温度、流速等原因，使得影响转炉煤气回收率。太钢使用NEOM(挪威)激光（LaserGas）气体分析仪系统进行煤气回收，激光分析仪的使用维护简单方便，减少了影响煤气回收系统的故障和维护量，提高了煤气回收率。
LaserGas激光现场气体在线分析仪能满足高粉尘、高水分、高温、高腐蚀等恶劣环境下用户对气体成分现场、直接、快速测量需要。它是最新一代分析仪，是气体分析仪升级换代产品，代表了此领域发展方向，正在世界各地取代传统分析仪，已在全球五十多个国家使用。它采用在近红外光谱范围内的“单吸收线”光谱技术，彻底避免了“交叉干扰”。
* s8 s. ?- T) k0 c! e$ b- b# X6 f四、激光现场气体在线分析仪的优点
激光现场气体在线分析仪具有传统分析仪无法比拟的优点：
) L, {# A) l/ L9 Q4 M9 q* ^连续、现场直接测量
0 y5 m/ r" y7 o2 s0 w# `2 W7 E/ h高灵敏度、高精度、高稳定度
快速响应（时间小于1秒）
可选的测量范围
  W) q0 [( S* X可选的输出信号
容易安装
极少而又简单的维护
$ w6 |3 F% d3 w5 N1 ^" F: Q内置重标定机构（一般若干年后才需重标定一次）
) A9 |+ D1 J' d, t/ w" H, L无需进行气体采样预处理
) g6 d; |8 X  z7 L+ e不受交叉干扰影响
测量不受粉尘、水分、背景组分等影响
8 z5 D/ l9 i* B8 p: a- {! \7 a全固态设计，无运动部件、无易损件，无周期性消耗替换件
结构紧凑、体积小巧、坚固耐用
$ i! n: W; V/ B; ~3 m, N) `0 o通过德国TUV测试，国际品质
美国、欧洲、日本等全球50多个国家广泛使用
五、激光气体分析仪的发射器和接收器吹扫系统
) j2 _% [& I- |对于发射单元和接收单元需要吹扫的应用，吹扫流的方向在图3中有说明。既然在这些单元里面有光学表面，必须要保证气体的清洁，因此额外的过滤器可能是必要的。注意所谓的“仪表空气”可能包含一些油和水。如果接收器和发射器被这样的空气吹扫，不久之后它们会被永久地损坏。因此推荐使用氮气作为吹扫气体。吹扫流不能过高以防止这些单元里过压。如果吹扫流被阻塞，接收单元和发射单元能够在一小时期间保持气体好于99.5%。

9 n; E( `# g/ j9 ^- t* w图3 激光气体分析仪的发射单元和接收单元吹扫系统
& c' A) O7 i0 P1 P2 U! i六、激光气体分析仪在太钢的应用
转炉是炼钢厂的重要组成部分。转炉冶炼燃烧反应产生的炉气具有周期变化的特征，每炉次冶炼的周期为半小时左右，其中冶炼中期的10分钟左右产生的炉气中含有较高的CO，其回收利用具有很高的经济价值，一般每吨钢可回收煤气80-160m3，其回收的关键在于回收时间和煤气热值的控制。国内钢厂较多使用在线取样分析仪系统进行煤气回收，太钢采用了LT法除尘设备，并使用NEOM激光气体分析仪系统进行煤气回收。转炉产生的烟气温度高达1200℃左右，经蒸发冷却器（EC系统）、电除尘器(ESP系统)除尘，再通过煤气冷却器(GC系统)降温后才可回收利用。转炉煤气中的CO达到一定浓度，一般是28%以上，即打开气体切换站的回收侧盅形阀进入煤气柜储存，否则经过放散侧盅形阀通过放散塔点火燃烧；煤气柜前的O2激光分析保证煤气柜内O2含量超标后启动应急预案，保证系统的稳定性和安全性， 煤气柜中合格的煤气才可送给用户使用。
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图4 TISCO转炉煤气回收系统流程
七、激光气体分析仪的操作和维护
  s  C+ h  E' D$ G) I+ @激光分析仪的操作很容易，它包含一个监测和控制仪器所有基本功能的微信息处理器。维护人员应该在安装期间，使用一台连接到仪器的个人电脑，为激光分析仪提供一次一些必要的气体参数。然后断开个人电脑连接，激光气体分析仪将继续操作并测量气体浓度。激光分析仪不包含运动部件，因此没有必要定期替换部件。
因此激光分析仪的维护量被缩减到一个最小值，主要维护项目包括目视检查和清洁光学视窗，并且在这些维护之后没有必要重新校准系统。经验表明：对于大多数应用来说，维护间隔大于三个月是可以接受的。在这部分描述的维护操作会保证分析仪持续、安全运转。为了预防激光气体分析仪连续运转，建议每六个月定期调整校准，这取决于操作环境。另外，应该同时检查其它的因素，像腐蚀，渗漏等等。在正常操作期间每个月做一次内部仪器状态报告。报告应该足以去评价特殊维修工作的需要。
八、激光气体分析仪的校准(Calibration)
NEMO所有生产的激光分析仪都在出厂前校准的。因此，用户在使用时不需要去校准激光分析仪（也可已通上标气进行校验它的精度）。然而，在使用了一段时间以后，由于二极管激光器的老化，激光分析仪参数可能会改变。这种情况下，有必要进行一次新的校准。必须使用一种被鉴定过的测试气体(标定气体)和所提供的气体单元每年做一次仪器校准确认。被鉴定过的测试气体必须是氮气和被测量气体的混合物。一台O2激光气体分析仪或CO激光分析仪，应该使用干燥的空气或仅仅室内空气被测试和校准。
1 R, o1 r0 Q( y' ]应该注意的是，激光分析仪的校准是一个非常负责的程序，它会影响所有的进一步的测量。因此应该确定一次新的校准确实是必需的。如果激光分析仪的读数在推荐的浓度水平已表明低的范围之内，偏离正常值小于2.5 % - 3 %，是不推荐进行校准的。对于激光气体分析仪来说，这是一个典型的绝对精度。应该考虑用于校准确认的气体混合物的精度，对于O2激光气体分析仪或CO激光分析仪，如果单元压力和温度值在仪器中被正确地设定，其偏离值不应该超过0.2% vol。
遵循以下描述的步骤执行激光（LaserGas）分析仪的确认和校准：
1. 在执行确认和校准之前让激光分析仪至少运转1小时。
( Z* \* V) p8 k& Z2. 如图5所示，把发射单元和接收单元连接到测试单元，运行服务程序。
3. 确保光路长度参数被正确地设置，法兰长度或浓度应该被设定到零。检查手动设置的温度和压力参数是正确的，或者气体温度和压力的PLC 输入参数是正确的。
4. 把校准气体输入到单元内。一直等到系统达到稳定水平。
- u1 p& A, q2 N3 ^& w5. 如果需要，执行“全面”校准。
6.把新的激光分析仪的参数设置保存到一个文件。
  f2 c. X- c; b# \3 l7. 重新设置光路参数、压力和温度的参数。
8. 激光分析仪现在可以被安装回到它的测量位置。
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图5 激光(LaserGas)分析仪的校准单元连接
* a$ K" c# p5 c* y* d' y4 T" _九、激光气体分析仪校准时所选的标定气体浓度表（下表只供参考）
为了在使用所提供的0.712m长的标定单元时获得最适宜的信噪比，推荐下列气体浓度：
/ i; G3 J9 P* Z! b" Y0 S图6 激光（LaserGas）分析仪标定气体浓度参照表

, D+ E4 @! \' E5 |- }+ H# XMeasured gas：测量气体 Recommended concentration range：推荐浓度范围
应选用氮气与上面任何一种气体混合物，使其混合气体中测量气体含量（如:HF与N2混合后，在混合气体中的HF含量为50ppm），达到以上指定数值的校准气体混合物系统，为的是避免条件下的测量结果接近饱和。不推荐太低的浓度，因为测量可能会受到噪音、单元和电子管中吸收和解吸收过程的影响。
文章关键词： 激光 分析仪 设备