杜增榮

（忻州市環(huán)境監(jiān)測站，山西忻州 034000）

激光氣體分析儀在鋼鐵企業(yè)煙氣監(jiān)測中的應(yīng)用

杜增榮

（忻州市環(huán)境監(jiān)測站，山西忻州 034000）

基于可調(diào)二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)的激光光譜氣體分析技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到眾多工業(yè)領(lǐng)域氣體排放監(jiān)測和過程控制中，其具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、背景氣體抗干擾能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢，在實(shí)際的鋼鐵廠煙氣測量、監(jiān)測方面具有較強(qiáng)的實(shí)用性，避免了氣體抽樣測量帶來的一些問題。

排放監(jiān)測 環(huán)境保護(hù) 鋼鐵企業(yè) 氣體分析儀

激光氣體分析儀系統(tǒng)作為一種在實(shí)踐中應(yīng)用廣泛的技術(shù)，在煙氣監(jiān)測等方面和傳統(tǒng)方式相比較有著明顯的優(yōu)勢。特別是在工作環(huán)境惡劣的冶金企業(yè)中的應(yīng)用，極大地節(jié)約了人力物力，提高了效率，提升了對鋼鐵企業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，在污染剛剛出現(xiàn)的時(shí)候，即予以預(yù)警和控制，提高環(huán)境保護(hù)的反應(yīng)速度和效率。

在鋼鐵企業(yè)的各項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序的煙粉塵、SO2、氮氧化物產(chǎn)生、排放對大氣造成極大的污染。在治理中需要找到設(shè)備在運(yùn)行中存在的問題，在運(yùn)行狀態(tài)下對煙氣的產(chǎn)生和凈化進(jìn)行監(jiān)測、監(jiān)控。

1 激光氣體分析儀工作原理

該系統(tǒng)是以朗伯·比爾定律（Beer-Lambert Law）為儀器工作的原理，同時(shí)也是比色分析法、吸光光度法和光電比色法等多種方法的定量基礎(chǔ)，描述為光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目。使用TDLAS技術(shù)測量的氣體濃度實(shí)際上是光束在穿過的區(qū)域上測得的平均濃度[1]，該系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)探頭采樣來講，采樣點(diǎn)位均勻，可以全面反映煙氣生成的全過程。特別是氣體濃度和成分不均勻分布和排放過程時(shí)，通過原地測量光徑上的氣體濃度平均值則更好的代表了過程氣體的一個(gè)整體濃度值。

當(dāng)一束頻率為v的光束穿過吸收物質(zhì)后，在其穿過的光徑上的光強(qiáng)變化為：

式中：I（v）為光束穿過一個(gè)光程距離l的被測氣體介質(zhì)后的透射光強(qiáng)度；I0（v）為入射光強(qiáng)度；σ（v）為被測氣體的吸收橫截面；c為被測氣體的濃度；l為光程。

2 激光氣體分析儀功能及應(yīng)用

2.1 激光氣體分析儀的功能實(shí)現(xiàn)

氣體分析系統(tǒng)一般包括設(shè)置有內(nèi)置可調(diào)諧激光源分析儀以及一套光學(xué)接發(fā)裝置?？烧{(diào)諧二極管激光器被調(diào)諧發(fā)射出特定氣體吸收線的激光，當(dāng)光束從發(fā)射裝置發(fā)出穿過被監(jiān)測氣體，由于被測氣體的吸收引起光強(qiáng)的衰減，通過檢測器檢測光強(qiáng)信號(hào)計(jì)算出氣體濃度。除氣體濃度之外，其他的一些參數(shù)，例如：氣體溫度、氣體壓力等也可以通過檢測透射光的光強(qiáng)變化來加以測定。TDLAS技術(shù)相對與其他氣體測量技術(shù)的優(yōu)勢在于其快速的響應(yīng)時(shí)間、極低的檢測下限（可達(dá)ppb級）及完全不存在其他氣體分子的交叉干擾。

在分析儀各項(xiàng)功能中，在分析控制器內(nèi)部光纖耦合激光器通過光多路器可以實(shí)現(xiàn)氣體的多點(diǎn)監(jiān)測，分析儀系統(tǒng)能夠做到使用單臺(tái)分析控制器同時(shí)做1～16個(gè)不同點(diǎn)的同步監(jiān)測，另外，在激光器可調(diào)諧范圍之內(nèi)，當(dāng)不同的氣體吸收譜線非常接近時(shí)，一臺(tái)分析控制器也可以對多種氣體進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測。無電源要求的光學(xué)傳感單元能非常容易的滿足有防爆要求的檢測場合（可以配置發(fā)射端和接受端都使用光纖傳輸），其工作原理如下頁圖1所示。系統(tǒng)包含了適當(dāng)?shù)挠布蛙浖菬o需校正的系統(tǒng)，所以在現(xiàn)場無需使用標(biāo)氣瓶對系統(tǒng)進(jìn)行校正。系統(tǒng)考核有兩種選擇，一是在光路上通入濃度已知的氣體進(jìn)行考核，二是使用我們可選的考核模塊進(jìn)行在線（in line）或離線（offline）考核。LasIRTM系統(tǒng)快速、實(shí)時(shí)原地對氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，檢測線性達(dá)到動(dòng)態(tài)5級（10-5，即ppm級到%級），適合于各種不同工業(yè)氣體的監(jiān)測[2]。

單通道氣體分析儀到能同時(shí)監(jiān)測多達(dá)16不同監(jiān)測點(diǎn)以及某些多氣體組分，對于多通道來說，各個(gè)通道的控制相互之間都是獨(dú)立的，因此，單臺(tái)多通道分析控制器能同時(shí)對管道/煙道、長光程環(huán)境空氣、抽取池樣品等不同濃度級別的氣體進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測，這些光學(xué)傳感單元可以在一個(gè)分析系統(tǒng)中任意組合，各個(gè)通道非常大的濃度差別都不存在相互的干擾。系統(tǒng)精簡之后的配置僅有一部光學(xué)部件和電子部件一體式設(shè)計(jì)，其輕便（小于5 kg）而節(jié)能（功率小于20 W），可以安裝在一個(gè)三腳架上使用，如使用多反射鏡陣列，可以在光徑長達(dá)幾百米的開放式環(huán)境中對不同氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測[3]。數(shù)據(jù)采集到之后可以通過光纖或者電纜將信號(hào)傳輸?shù)椒治隹刂破鳎ǚ治鰞x），分析過程可以脫離開采集區(qū)的惡劣環(huán)境在數(shù)千米之外的控制室進(jìn)行整理計(jì)算。計(jì)算結(jié)果和原始數(shù)據(jù)保存在分析儀的內(nèi)部存儲(chǔ)或者外接電腦上，數(shù)據(jù)信息也可以實(shí)時(shí)傳遞到環(huán)境檢測部門。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2.2 在煉鋼行業(yè)過程控制中的煙氣監(jiān)測應(yīng)用

鋼鐵行業(yè)作為一個(gè)傳統(tǒng)的高耗能行業(yè)，一直以來也是污染大戶，在其生產(chǎn)的各個(gè)流程和環(huán)節(jié)都伴隨大量煙塵以及氣體的產(chǎn)生，而且其中很多物質(zhì)的直接、間接排放對環(huán)境都有影響，因此對煉鋼企業(yè)的煙氣監(jiān)測和綜合處理一直是節(jié)能環(huán)保的一個(gè)重要部分。在鋼鐵燒結(jié)過程中產(chǎn)生的煙氣具有量大且流量不穩(wěn)定的因素，排煙溫度高，水分及氧含量高且變化大，粉塵中粗顆粒較多、琢磨性強(qiáng)，SO2和NOx含量波動(dòng)大并同時(shí)含有其它有毒有害污染成份等特點(diǎn)。這些特性在很大程度上增加了監(jiān)測的難度，通過不斷完善監(jiān)測技術(shù)并對煙氣成分進(jìn)行精確的分析比對，才能夠統(tǒng)籌兼顧燒結(jié)煙氣特性，科學(xué)合理地選擇脫除工藝方法。近年來，隨著能源革命和環(huán)保壓力，提高能源使用效率和資源利用率已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)優(yōu)先考慮的因素，大型全流程鋼鐵企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中特別關(guān)注在節(jié)能環(huán)保方面的改進(jìn)和優(yōu)化。一方面降低了能源消耗，連續(xù)性的制造工藝因此得到了發(fā)展，不過各道工序需要做到協(xié)調(diào)一致，另一方面也降低了環(huán)保壓力，減少產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)間。加強(qiáng)煙氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、管理水平，切實(shí)提高煙氣捕集效率，實(shí)現(xiàn)更徹底的煙氣捕集和凈化[4]。

3 結(jié)語

隨著近幾年整個(gè)社會(huì)對環(huán)境保護(hù)的重視，各個(gè)行業(yè)的環(huán)境保護(hù)逐漸提上日程，特別是傳統(tǒng)高污染冶金行業(yè)的污染環(huán)境問題成為了社會(huì)廣泛關(guān)注的問題。同時(shí)隨著民眾環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，環(huán)境保護(hù)各項(xiàng)法律法規(guī)逐漸細(xì)化到各個(gè)生產(chǎn)流程環(huán)節(jié)，約束也變得逐漸嚴(yán)厲，這些出臺(tái)的法規(guī)也在不同程度的再次改變了鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)業(yè)態(tài)和工藝，同時(shí)強(qiáng)化了環(huán)境監(jiān)測的手段，為進(jìn)一步加強(qiáng)污染處理和優(yōu)化流程提供了參考。

作為一種可以實(shí)現(xiàn)原地對煙氣排放和工藝流程氣體監(jiān)測的測量工具，這一設(shè)備已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)具有不受背景氣體交叉影響、響應(yīng)快速、讀數(shù)精準(zhǔn)等特點(diǎn)，同時(shí)該設(shè)備易于安裝、不需校準(zhǔn)、使用壽命長、無后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。還可以通過光學(xué)多路技術(shù)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)分析儀對應(yīng)多個(gè)測量點(diǎn)，對整個(gè)流程有較為宏觀的把握，提升監(jiān)測效率。通過監(jiān)測收集到的數(shù)據(jù)可以用作對生產(chǎn)工藝和流程的全程監(jiān)控，利于取證和提出整改意見，優(yōu)化環(huán)保措施，也提高了能源的使用效率。

[1]郭金城.激光氣體分析儀在催化裂化再生煙氣測量中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2009，45（2）：65-66.

[2]高書成.半導(dǎo)體激光分析儀在催化裂化煙氣分析上的應(yīng)用[J].化工安全與環(huán)境，2011（8）：11-14.

[3]李金，楊智.固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)驗(yàn)收測試實(shí)例及存在問題[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2015（1）：93-97.

[4]熊國華.對污染源監(jiān)測質(zhì)量控制的熱點(diǎn)分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2013（7）：37.

（編輯：張偉）

Application of Laser Gas Analyzer in Flue Gas Monitoring of Iron and Steel Enterprises

DU Zengrong
（Xinzhou Environmental Monitoring Station,Xinzhou Shanxi 034000）

Based on the principle of laser gas analyzer,this paper discusses the application of laser gas analyzer in flue gas monitoring of iron and steel industry.The laser spectrum gas analysis technology based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)has been widely used in gas emission monitoring and process control of many industrial fields,which has the advantages of high sensitivity,short response time,powerful anti-jamming performance of background gas,and strong practicability of gas measurement and monitoring in iron and steel plant flue,and avoids some problems caused by gas sampling measurement.

emission monitoring,environmental protection,iron and steel enterprise,gas analyzer

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1152（2016）06-0120-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.42

2016-10-

杜增榮（1973—），男，從事環(huán)境監(jiān)測中空氣和廢氣監(jiān)測、噪聲監(jiān)測的研究工作。