在線分析儀在高爐中的應用

孫良驥

（馬鋼煉鐵總廠，安徽 馬鞍山 243000）

引言：傳統(tǒng)在線分析系統(tǒng)主要有：色譜分析儀、紅外光譜氣體分析儀、電化學分析儀、磁氧分析儀等。隨著產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展，對傳統(tǒng)在線分析儀表的測量準確性要求和測量響應速度要求越來越高。而這些傳統(tǒng)分析系統(tǒng)為了減少檢測對象的粉塵、濕度、溫度對測量的準確性和可靠性的影響，常常需要復雜的預處理系統(tǒng)進行前處理，使系統(tǒng)測量響應時間遲滯（至少增加30秒以上）。預處理系統(tǒng)還會增加系統(tǒng)運行的故障率和維護工作量。電化學分析儀雖然能夠原位測量，但電化學傳感器漂移大、壽命短等缺點限制了其應用范圍。

近十年來，激光氣體分析技術代表了在線分析儀表的最新進展。該技術基于可調諧半導體激光吸收光譜氣體分析技術。是一種吸收光譜技術，利用激光能量被氣體分子“選頻”吸收形成高分辨率吸收光譜的原理來進行高精度、可靠的氣體濃度測量。與傳統(tǒng)流程工業(yè)在線分析儀器比較，激光氣體分析系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢。見下表1。

表1 激光吸收光譜氣體分析系統(tǒng)和傳統(tǒng)在線氣體分析系統(tǒng)的比較

一、原位測量原理

圖2為傳統(tǒng)的在線采樣測量系統(tǒng)的框圖，過程氣體經(jīng)采樣探頭后，還要經(jīng)過進一步的降溫、降壓、除塵、除水等預處理過程，對于特定的分析儀表還要除掉干擾氣體。復雜的預處理系統(tǒng)，提高了整個分析系統(tǒng)的成本和維護量，降低了系統(tǒng)運行的可靠性，延長了系統(tǒng)響應時間；另外預處理系統(tǒng)改變了測量氣體的物理、化學性質，降低了測量準確性。

激光氣體分析系統(tǒng)由于不受背景氣體干擾。同時，利用半導體激光頻率可方便地電調諧的特性，調節(jié)激光到?jīng)]有氣體吸收的頻率，測出粉塵和視窗污染對激光的衰減，從而修正粉塵和視窗污染導致的光強衰減對氣體濃度測量的影響。另外，原位激光氣體分析系統(tǒng)中的實時算法，能自動修正溫度、壓力變化對氣體濃度測量的影響，保證了測量結果的精確性。不受背景氣體交叉干擾、不受粉塵和視窗污染的影響、自動修正氣體壓力和溫度對測量的影響等三個技術特點，確保了激光氣體分析系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場原位測量。

激光氣體分析系統(tǒng)則可以直接安裝在管道上，實現(xiàn)真正的非接觸式原位測量，如下圖3。

安裝時只需將發(fā)射單元和接收單元通過標準法蘭對準固定在被測煙氣管道的兩側，即可實現(xiàn)在線實時煙氣分析。發(fā)射單元發(fā)出的激光束穿過被測氣體，被安裝在管道相對方向上的接收單元中的光電探測傳感器接收，獲得的測量信號通過處理得到濃度信息。分析系統(tǒng)同時配置有吹掃系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)等輔助設備，見圖3。吹掃系統(tǒng)控制工業(yè)用氮氣對發(fā)射、接收單元的光學視窗進行吹掃，避免煤氣中粉塵長期污染光學視窗而造成激光透射光強的大幅下降。防爆系統(tǒng)使儀器滿足防爆要求，可安裝在爆炸性工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。維護時只需將發(fā)射和接收兩端玻片上的灰塵和污漬擦凈即可，維護量很小，周期可以達到六個月以上。

二、在高爐及噴煤的應用及指導意義

高爐煉鐵生產(chǎn)過程中的工藝控制，節(jié)能環(huán)保和安全控制都要求對高爐煉鐵過程氣體進行實時分析。提高煤氣利用率，是降低綜合燃料比，降低生鐵成本，提高出鐵率的重要途徑。傳統(tǒng)上高爐煉鐵過程中有些采用紅外和磁氧氣體分析儀。生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)由采樣探頭，預處理系統(tǒng)和分析儀器組成的次采樣方式氣體分析系統(tǒng)存在諸多不足：1.采樣和預處理系統(tǒng)容易堵塞，維護和檢修周期短，維護工作量大且費用不低；2.較多運動部件如泵和電磁閥等容易損壞；3.系統(tǒng)響應時間長（同城大于25s）,不能滿足一些工業(yè)過程實時控制的要求。激光在線氣體分析儀較好地解決了傳統(tǒng)采樣氣體分析系統(tǒng)的不足，基本滿足了高爐煉鐵過程中連續(xù)實時分析過程氣體濃度的需要，對提高煤氣利用率，提高出鐵率降低具有重要作用。

高爐煉鐵工藝流程及相應需要進行氣體分析的監(jiān)測點，如下圖所示。氣體檢測點1位高爐煤氣分析，主要測量氣體為CO、CO2、H2、CH4，可以控制高爐爐況和回收能源氣；氣體檢測點2分析熱風爐煙氣中O2的濃度，用于監(jiān)控熱風爐燃燒狀態(tài)和優(yōu)化燃燒效率；氣體檢測點3和4分別為磨機入口布袋出口氣體分析，監(jiān)控氣體中O2含量是否超限，起安全監(jiān)測和控制作用；氣體檢測點5監(jiān)控煤粉倉內CO氣體含量是否超限，避免煤粉倉內煤粉自燃。

激光在線分析儀無需采樣預處理系統(tǒng)具有現(xiàn)場原位測量、測量精度高、相應速度快、可靠性高和維護成本低等優(yōu)點，能較好地滿足高爐煉鐵過程控制對氣體濃度在線分析的需要，通過近幾年的快速發(fā)展，激光氣體分析系統(tǒng)通過采樣和原位測量等多種測量形式，已經(jīng)在全國的鋼鐵企業(yè)中得到了廣泛的應用。為流程工業(yè)自動化系統(tǒng)提供準確、快速的工藝過程數(shù)據(jù)，對提高工藝效率，優(yōu)化過程控制有重要意義。