探討激光氣體分析系統(tǒng)在冶金熱爐氣凈化中的應(yīng)用

王心量

（山信軟件股份有限公司萊蕪自動(dòng)化分公司，山東 濟(jì)南 271104）

我國經(jīng)濟(jì)正處于高速增長，作為經(jīng)濟(jì)主要構(gòu)成的工業(yè)，已經(jīng)社會(huì)各個(gè)群體關(guān)注對象。工業(yè)生產(chǎn)不僅需要消耗大量原材料，其在生產(chǎn)中產(chǎn)生各類廢氣廢物，對于自然環(huán)境則是更為長遠(yuǎn)影響。在社會(huì)影響下，工業(yè)開始對廢物廢氣排放進(jìn)行處理，較為典型當(dāng)屬冶金熱爐氣的凈化工作。而負(fù)責(zé)檢測凈化質(zhì)量的激光氣體分析系統(tǒng)，旨在采用合適方式全面研究。

1 激光氣體分析系統(tǒng)在冶金熱爐氣凈化中的應(yīng)用意義

1.1 應(yīng)用案例

某企業(yè)擁有1套每年60萬噸生產(chǎn)能力搗固焦?fàn)t，并在后續(xù)根據(jù)業(yè)務(wù)需求，改擴(kuò)為每年130萬噸生產(chǎn)能力。在冶金過程中會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，熱爐氣是煙氣主要成分，而氫氣占總氣體含量55%至60%，甲烷則是占總氣體含量23%至28%，CO僅有5%至8%。爆炸范圍從5%至30%不等，一旦煙氣混入空氣，則會(huì)形成易燃易爆圍巖氣體。冶金熱爐氣擁有每立方米16.74至18.83兆焦耳的發(fā)熱值。為在冶金過程中降低能源消耗，提升環(huán)保質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)負(fù)能冶金，需要將冶金熱爐氣作為研究對象，進(jìn)行充分凈化與積極回收，將其二次應(yīng)用在鍋爐、制甲醇工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，讓其可以作為化工原料二次使用[1]。冶金熱爐氣回收利用流程如圖1所示。

圖1 冶金熱爐氣回收流程圖

1.2 應(yīng)用意義

在工業(yè)冶金時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多熱爐氣，對其進(jìn)行凈化時(shí)，要確保實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)信息，而對于焦油器的出口位置，需要嚴(yán)格檢測氧氣含量，因?yàn)闊釥t氣的氧氣含量一旦超標(biāo)，將會(huì)造成嚴(yán)重安全問題。其工作原理可以理解為熱爐氣在進(jìn)入設(shè)備后，會(huì)進(jìn)入電場空間內(nèi)，而高壓電場創(chuàng)造高壓環(huán)境，會(huì)讓氣體分子發(fā)生電離現(xiàn)象。又因?yàn)闊釥t氣內(nèi)含焦油微粒，大多數(shù)是已經(jīng)攜帶負(fù)電荷，而這些電荷會(huì)沿著電力線的方向，產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，在將電荷釋放后，則構(gòu)成不攜帶任何電荷的油粒，而油霧粒子會(huì)通過這種方法增加數(shù)量與規(guī)模，從而全部凝聚在極板位置。而作為最后產(chǎn)物的油滴，在會(huì)重力吸引下，流淌到設(shè)備最下方，最后通過排污口從設(shè)備中流出，通過泵把油滴打入澄清槽[2]。而焦油器則是通過具有高壓條件的電場，讓氣體分子產(chǎn)生電離，所以會(huì)在作業(yè)時(shí)出現(xiàn)火花，如果熱爐氣內(nèi)部氧含量與混合氣體爆炸極限相接近，就極易產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)，對于一線員工人身安全以及設(shè)備都會(huì)造成嚴(yán)重影響。如果僅通過人工方式檢測熱爐氣的氧含量，不僅會(huì)造成時(shí)間、人力等資源浪費(fèi)，在實(shí)踐應(yīng)用重要也會(huì)存在危險(xiǎn)性，同時(shí)因測量結(jié)果是較為滯后，無法確保測量數(shù)據(jù)，所以需要應(yīng)用全自動(dòng)化科學(xué)檢測裝置，實(shí)現(xiàn)熱爐氣含氧量檢測。本文以湖北銳意自控系統(tǒng)有限公司自主生產(chǎn)的GasTDL-3100在線氣體分析儀，作為檢測熱爐氣的含氧量工具使用。

2 GasTDL-3100分析儀構(gòu)成和測量原理

2.1 構(gòu)成簡述

GasTDL-3100分布式半導(dǎo)體激光在線氣體分析儀，可以實(shí)現(xiàn)在多種高溫、粉塵、以及強(qiáng)腐蝕諸多惡劣條件下進(jìn)行現(xiàn)場測量并分析氣體濃度。該分析儀使用高集成化設(shè)計(jì)方案，整體由各個(gè)功能模塊組成。該系統(tǒng)重要模塊由數(shù)據(jù)處理、激光發(fā)射、激光接收三個(gè)單元構(gòu)成。同時(shí)，系統(tǒng)增加配氮?dú)獯祾攮h(huán)節(jié)，可以使用機(jī)械風(fēng)將光學(xué)元件充分吹掃，有效避免灰塵對系統(tǒng)造成污染，降低焦油凝結(jié)概率?？梢允褂脠D2內(nèi)容表達(dá)其真實(shí)結(jié)構(gòu)。

圖2 GasTDL-3100結(jié)構(gòu)示意圖

通過發(fā)射單元，對激光發(fā)射器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，并發(fā)射具有預(yù)設(shè)頻率激光束，將其穿過待測氣體，通過接收單元對激光信號光電轉(zhuǎn)換，從而構(gòu)成檢測信號，再把檢測信號重新發(fā)射單元，發(fā)射單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)把發(fā)射與檢測信號全部傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，通過對照光譜，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，從而獲得實(shí)際測量。

而本文應(yīng)用該分析儀使用原位安裝，發(fā)射與接收單元可以借助連接單元，將其直接安裝于過程管道，而數(shù)據(jù)處理單元?jiǎng)t要安裝于不會(huì)因氣體影響的安全區(qū)域。

2.2 測量原理

該儀器測量原理為根據(jù)激光吸收光譜，對于氣體完成分析測量工作，并借助氣體分子對激光完成篩選工作，從而以選擇性方式吸收，構(gòu)成吸收光譜，從而對氣體濃度科學(xué)測量[3]。而激光器將激光束向外發(fā)射，這種具有特定波長作為特點(diǎn)的激光是只會(huì)被待測氣體充分吸收，從而避免產(chǎn)生光束損耗。而激光穿過氣體，其強(qiáng)度則會(huì)逐漸衰弱，但是卻和待測氣體的實(shí)際濃度構(gòu)建相應(yīng)函數(shù)關(guān)系。所以，可以借助通過研究激光強(qiáng)度在穿過氣體后產(chǎn)生衰減情況測量，從而反向獲得待測氣體真實(shí)濃度。而該氣體分析儀，發(fā)射單元向待測煙道發(fā)射激光束，而接收單元?jiǎng)t會(huì)接收激光束，而數(shù)據(jù)處理單元?jiǎng)t可以針對接收對測量信號采用數(shù)據(jù)采集，并做好數(shù)據(jù)分析。因?yàn)楣鈴?qiáng)度實(shí)際衰減值會(huì)和探測光路內(nèi)待測氣體含量保持正比關(guān)系，可以借助整理激光衰減情況，反向計(jì)算待測氣體真實(shí)濃度。

3 GasTDL-3100特點(diǎn)與應(yīng)用

在GasTDL-3100激光氣體分析儀于該企業(yè)應(yīng)用以來，保持良好運(yùn)行狀態(tài)，而且在對坡年使用與維護(hù)中逐漸積累豐富經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將其進(jìn)行整理。

3.1 設(shè)備特點(diǎn)

該分析儀借助單線光譜應(yīng)用技術(shù)，所以真實(shí)應(yīng)用激光光譜較窄，相較于待測氣體實(shí)際吸收譜線要小，從有效避免因背景氣體組分造成被測氣體出現(xiàn)交叉干擾，相較于以往紅外測量應(yīng)用技術(shù)，更具有使用優(yōu)勢。同時(shí)，通過原位測量，對于管道內(nèi)部待測目標(biāo)氣體可以做到直接測量其濃度，舍去以往復(fù)雜操作采樣方法，從而大幅度降低極大采樣時(shí)間，提升工作效率，也可以有效提升設(shè)備使用靈敏度，提高響應(yīng)速度。而其數(shù)據(jù)處理單元?jiǎng)t以待測氣體當(dāng)前溫度與實(shí)時(shí)壓力，及時(shí)修正測量結(jié)果，有效避免在外界因素影響下，造成測量結(jié)果負(fù)面影響。同時(shí)，該分析儀具有較強(qiáng)智能化，并采用模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，無論是實(shí)際操作還是后期維護(hù)都具有便利性。

3.2 實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 透過率

作為測量儀器應(yīng)用具有重要意義測量參數(shù)，透過率是該分析儀重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，測量要求設(shè)備擁有90%以上透過率[4]?？梢詫?shí)際使用條件下，被測熱爐氣會(huì)中有較多焦油、灰塵，以及部分容易發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)化學(xué)物質(zhì)，極易附著于測量元件。而在長時(shí)間不斷積累中，會(huì)對測量光路造成堵塞，讓從激光穿過熱爐氣真實(shí)透過率下降，進(jìn)而產(chǎn)生較為嚴(yán)重測量誤差。針對這種情況，該分析儀為測量儀器增加吹掃功能，通過具有穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)的氮?dú)?，將儀表進(jìn)行，而且氮?dú)庾鳛榕c測量無關(guān)的背景氣體，并不會(huì)影響測量結(jié)果。而且保持合適壓力與流量的吹掃氣體，可以穩(wěn)定保障光路通暢，進(jìn)而提升透過率。如果待測環(huán)境相對惡劣，就要求具有較大壓力與流量的吹掃氣體大。而吹掃裝置也提供壓力與流量調(diào)節(jié)條件，通常情況下，氮?dú)饬髁靠刂圃诿糠昼?5升至65升，而壓力則控制在0.1兆帕至0.3兆帕。

3.2.2 準(zhǔn)確性

因?yàn)闊釥t氣管道實(shí)際待測氣體無論是壓力還是溫度，都會(huì)發(fā)生實(shí)時(shí)變化，使用通常測量方法難以保證實(shí)際結(jié)果。所以，為提升測量準(zhǔn)確，需要將待測氣體壓力與溫度信號一并增加至數(shù)據(jù)處理單元，利用相關(guān)計(jì)算公式，以待測氣體實(shí)際濃度測量采用適合的溫壓補(bǔ)償，確保測量結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性。也需要考慮到儀器標(biāo)定是否具備準(zhǔn)確性，對測量準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接影響，所以要選擇符合測量要求多種濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體完成測量儀器的標(biāo)定工作。通過純度99.99 %氮?dú)?，對測量儀器標(biāo)定零點(diǎn)，并使用2%含氧量標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定上限。為提升檢測結(jié)果精度，則要使用人工檢測和儀器檢測進(jìn)行簡單對比，確認(rèn)二者是否可以具備相似測量結(jié)果，產(chǎn)生誤差是否在實(shí)際允許范圍。

3.2.3 報(bào)警功能

該分析儀所有探頭均具有報(bào)警功能。報(bào)警繼電器需要由用戶根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要預(yù)先設(shè)定氣體報(bào)警濃度的上下限，當(dāng)分析儀在檢測中發(fā)現(xiàn)氣體濃度已經(jīng)超出設(shè)定報(bào)警濃度限值時(shí)，通過自動(dòng)釋放繼電器，激活報(bào)警，提醒相關(guān)工作人員現(xiàn)在氣體濃度已經(jīng)越限。同時(shí)，為了提升焦油器生產(chǎn)的安全性，則要針對焦油器控制系統(tǒng)，和分析儀測量氧氣濃度數(shù)據(jù)信號構(gòu)建聯(lián)鎖關(guān)系。例如在分析儀檢測氧氣濃度已達(dá)0.8%，系統(tǒng)在自動(dòng)報(bào)警，而氧氣濃度超過原設(shè)定值的1.0%，分析儀則會(huì)和焦油器觸發(fā)以前設(shè)定聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)對焦油器停止當(dāng)前所有活動(dòng)，并通過聲光報(bào)警器，提示相關(guān)人員當(dāng)前氧氣濃度已經(jīng)超標(biāo)，讓維修人員在最短時(shí)間內(nèi)叨叨現(xiàn)場，將問題控制在較小范圍內(nèi)，從而確保焦油器可以順利運(yùn)行。

4 結(jié)論

激光氣體分析系統(tǒng)可以穩(wěn)定提升冶金熱爐氣含氧量檢測準(zhǔn)確性，并提升檢測穩(wěn)定性，從而有效穩(wěn)定生產(chǎn)，減少冶金熱爐氣對環(huán)境污染系統(tǒng)。但是企業(yè)在實(shí)際應(yīng)用中仍需要提升一線工作人員專業(yè)素質(zhì)，從而降低在應(yīng)用中出現(xiàn)人為失誤，造成監(jiān)測準(zhǔn)確率下降。并在工作中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，針對系統(tǒng)故障問題做好處理與記錄，進(jìn)而提高分析系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值。