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(xué)分析儀、磁氧分析儀等。隨著產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)在線分析儀表的測(cè)量準(zhǔn)確性要求和測(cè)量響應(yīng)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(cè)對(duì)象的粉塵、濕度、溫度對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性的影響，常常需要復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行前處理，使系統(tǒng)測(cè)量響應(yīng)時(shí)間遲滯（至少增加30秒以上）。預(yù)處理系統(tǒng)還會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行的故障率和維護(hù)工作量。電化學(xué)分析儀雖然能夠原位測(cè)量，但電化學(xué)傳感器漂移大、壽命短等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用范圍。

近十年來，激光氣體分析技術(shù)代表了在線分析儀表的最新進(jìn)展。該技術(shù)基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析技術(shù)。是一種吸收光譜技術(shù)，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(jìn)行高精度、可靠的氣體濃度測(cè)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(shì)。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(cè)量原理

圖2為傳統(tǒng)的在線采樣測(cè)量系統(tǒng)的框圖，過程氣體經(jīng)采樣探頭后，還要經(jīng)過進(jìn)一步的降溫、降壓、除塵、除水等預(yù)處理過程，對(duì)于特定的分析儀表還要除掉干擾氣體。復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)，提高了整個(gè)分析系統(tǒng)的成本和維護(hù)量，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，延長(zhǎng)了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間；另外預(yù)處理系統(tǒng)改變了測(cè)量氣體的物理、化學(xué)性質(zhì)，降低了測(cè)量準(zhǔn)確性。

激光氣體分析系統(tǒng)由于不受背景氣體干擾。同時(shí)，利用半導(dǎo)體激光頻率可方便地電調(diào)諧的特性，調(diào)節(jié)激光到?jīng)]有氣體吸收的頻率，測(cè)出粉塵和視窗污染對(duì)激光的衰減，從而修正粉塵和視窗污染導(dǎo)致的光強(qiáng)衰減對(duì)氣體濃度測(cè)量的影響。另外，原位激光氣體分析系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)算法，能自動(dòng)修正溫度、壓力變化對(duì)氣體濃度測(cè)量的影響，保證了測(cè)量結(jié)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(dòng)修正氣體壓力和溫度對(duì)測(cè)量的影響等三個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，確保了激光氣體分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量。

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

安裝時(shí)只需將發(fā)射單元和接收單元通過標(biāo)準(zhǔn)法蘭對(duì)準(zhǔn)固定在被測(cè)煙氣管道的兩側(cè)，即可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)煙氣分析。發(fā)射單元發(fā)出的激光束穿過被測(cè)氣體，被安裝在管道相對(duì)方向上的接收單元中的光電探測(cè)傳感器接收，獲得的測(cè)量信號(hào)通過處理得到濃度信息。分析系統(tǒng)同時(shí)配置有吹掃系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)等輔助設(shè)備，見圖3。吹掃系統(tǒng)控制工業(yè)用氮?dú)鈱?duì)發(fā)射、接收單元的光學(xué)視窗進(jìn)行吹掃，避免煤氣中粉塵長(zhǎng)期污染光學(xué)視窗而造成激光透射光強(qiáng)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(chǎng)環(huán)境。維護(hù)時(shí)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(hù)量很小，周期可以達(dá)到六個(gè)月以上。

二、在高爐及噴煤的應(yīng)用及指導(dǎo)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(duì)高爐煉鐵過程氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)踐中發(fā)現(xiàn)由采樣探頭，預(yù)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(yù)處理系統(tǒng)容易堵塞，維護(hù)和檢修周期短，維護(hù)工作量大且費(fèi)用不低；2.較多運(yùn)動(dòng)部件如泵和電磁閥等容易損壞；3.系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)（同城大于25s）,不能滿足一些工業(yè)過程實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)分析過程氣體濃度的需要，對(duì)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(yīng)需要進(jìn)行氣體分析的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如下圖所示。氣體檢測(cè)點(diǎn)1位高爐煤氣分析，主要測(cè)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(cè)點(diǎn)2分析熱風(fēng)爐煙氣中O2的濃度，用于監(jiān)控?zé)犸L(fēng)爐燃燒狀態(tài)和優(yōu)化燃燒效率；氣體檢測(cè)點(diǎn)3和4分別為磨機(jī)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(cè)和控制作用；氣體檢測(cè)點(diǎn)5監(jiān)控煤粉倉內(nèi)CO氣體含量是否超限，避免煤粉倉內(nèi)煤粉自燃。

激光在線分析儀無需采樣預(yù)處理系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量、測(cè)量精度高、相應(yīng)速度快、可靠性高和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿足高爐煉鐵過程控制對(duì)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(cè)量等多種測(cè)量形式，已經(jīng)在全國的鋼鐵企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。為流程工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、快速的工藝過程數(shù)據(jù)，對(duì)提高工藝效率，優(yōu)化過程控制有重要意義。