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：傳統在線分析系統主要有：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。隨著產業的升級和發展，對傳統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。而這些傳統分析系統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進行前處理，使系統測量響應時間遲滯（至少增加30秒以上）。預處理系統還會增加系統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。與傳統流程工業在線分析儀器比較，激光氣體分析系統有諸多優勢。見下表1。

表1 激光吸收光譜氣體分析系統和傳統在線氣體分析系統的比較

一、原位測量原理

圖2為傳統的在線采樣測量系統的框圖，過程氣體經采樣探頭后，還要經過進一步的降溫、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，提高了整個分析系統的成本和維護量，降低了系統運行的可靠性，延長了系統響應時間；另外預處理系統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，調節激光到沒有氣體吸收的頻率，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實現現場原位測量。

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

安裝時只需將發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，即可實現在線實時煙氣分析。發射單元發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。分析系統同時配置有吹掃系統、防爆系統等輔助設備，見圖3。吹掃系統控制工業用氮氣對發射、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。防爆系統使儀器滿足防爆要求，可安裝在爆炸性工業現場環境。維護時只需將發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

高爐煉鐵生產過程中的工藝控制，節能環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。傳統上高爐煉鐵過程中有些采用紅外和磁氧氣體分析儀。生產實踐中發現由采樣探頭，預處理系統和分析儀器組成的次采樣方式氣體分析系統存在諸多不足：1.采樣和預處理系統容易堵塞，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.系統響應時間長（同城大于25s）,不能滿足一些工業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采樣氣體分析系統的不足，基本滿足了高爐煉鐵過程中連續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，用于監控熱風爐燃燒狀態和優化燃燒效率；氣體檢測點3和4分別為磨機入口布袋出口氣體分析，監控氣體中O2含量是否超限，起安全監測和控制作用；氣體檢測點5監控煤粉倉內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具有現場原位測量、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展，激光氣體分析系統通過采樣和原位測量等多種測量形式，已經在全國的鋼鐵企業中得到了廣泛的應用。為流程工業自動化系統提供準確、快速的工藝過程數據，對提高工藝效率，優化過程控制有重要意義。