8.煤气分析仪在煤气成份测量上的应用

煤气分析仪在煤气成份测量上的应用

摘要：煤气的成份、热值、氧含量等数据的测量，对钢铁制造行业里极为重要。根据测试目的的不同，可分为工艺控制、安全监控、热值测量和燃烧监控等。实际应用中的气体分析系统中，大多是采用红外气体分析仪测量煤气成分中的CO、CO2、CH4、CnHm的浓度，采用热导氢分析仪测量煤气成分中的H2浓度，采用电化学或顺磁氧分析仪测量测量煤气成分中的O2浓度。

关键词：分析仪；煤气成分；煤气热值

0 引言

钢铁厂在生产过程中产生的各种煤气可充分回收利用，煤气经过加压、压缩、除焦、混合等工艺处理后，再输送到其他需要煤气的区域使用，以实现节能减排的目的。而煤气的成份、热值以及氧含量等各种数据，是煤气的精确配比、存储、安全使用的保证。其中高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气是煤气分析的主要测量对象。

1 正文

1.1 气体分析仪介绍

1.1.1 Gasboard-3100煤气分析仪

Gasboard-3100煤气分析仪是武汉四方光电科技有限公司自主研发和生产的气体分析仪。该分析仪一次最多能够测量六种气体组分，可集成红外、热导、电化学等三种测量原理的气体传感器。仪器可实现空气自动调零，降低了标定校准频率；可自动修正大气压力变化，保证测试精度；可根据气体成分自动计算煤气热值，替代燃烧法热值仪；仪器还具备数字和模拟输出功能，可充分满足现场连续监测的要求。

1.1.2 准确可靠的H2测量

Gasboard-3100煤气分析仪采用了热导传感器测量煤气成分中H2的浓度。热导测试方法主要用于二元气体或准二元气体混合物中氢气的定量分析。钢铁厂产生的煤气主要有高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气，这些煤气成分复杂，必须考虑其他气体对H2测量的干扰影响。

不同气体的热导系数差异较大，影响也就不同。常见气体的热导系数如下表所示：

气体类型

热导系数分子量K(0ºC) mW/Km K(25ºC) mW/Km M Kg/kmol

CO2 14 16.4 44.0

CH4 30 34 16.0

H2 174 180 2.0

O2 25 26.2 32.0

N2 24 26.0 28.8

CO 23 25.8 28

从上表可以看出，煤气主要成分中CO、O2 与背景气N2的热导系数相当，对H2的测量结果影响不大，但是CO2 、CH4 对H2测量影响明显。通过理论分析及实验表明，如果气体

成分中含有CO2，会使H2的测量读数偏低；如果气体成分中含有CH4，会使H2的测量读数偏高。因此为了得到准确的H2含量，应对H2浓度进行CO2 、CH4的浓度校正。GASBOARD-3100煤气分析仪对煤气的各气体成分进行分析，并将各种气体的相互影响进行了浓度修正和补偿，消除煤气中其他成分对H2的影响，保证了H2测量值的准确性。

此外由于热导传感器的基本原理是通过对气体流动带走的热量进行换算，如果采用直接流通式的热导检测池，很难控制气流，流量大小直接影响H2的读数；GASBOARD-3100煤气分析仪采用了专利的旁流扩散式的热导检测池（见热导专利ZL200620098454.3），流量在0.3―1.5L/min 的范围内变化对热导的测量没有影响，减少了因流量波动造成H2测量的误差影响。

1.1.3 准确可靠的CH4测量

为了得到精确的煤气热值，煤气分析仪还必须实现CH4、CnHm 精确测量。大多数红外分析仪仅以CH4为测试对象，折合成碳氢化合物总量计算热值。煤气成份中，特别是焦炉煤气，除甲烷外，还含有其他碳氢化合物等成分。根据红外吸收原理，如图1，乙烷等碳氢化合物在甲烷的特征波长3.3um 左右有明显吸收干扰。当煤气中其他碳氢化合物含量较大时，CH4的测试值会明显偏大，导致热值测试不准，其热值测试值也无法保证精度。

00.05

0.10.150.20.250.30.353.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

甲烷乙烷丙烷丁烷

图1：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的红外吸收光谱

GASBOARD-3100红外煤气分析仪采用了特殊的气体滤波技术，可实现无干扰的CH4测量，能准确反应混合煤气中CH4和CnHm 成分的实际变化，有利于煤气成分和热值的准确分析。

1.2 在线气体分析系统

1.2.1 系统构成

在煤气测量领域，仅仅有气体分析仪器是无法单独完成测量任务的，这是因为煤气中除了含有CO 、CH 4、C 3H 8、H 2、O 2等气体成份外，还含有少量的焦油，粉尘，以及以气态形式存在的水蒸气等杂质，如果在气体进入分析仪器前不能及时有效的将其中包含的这些杂质除去， 气体分析仪器的传感器将很快被污染，其结果是气体分析仪器损坏。因此在气体进入分析仪器前对气体进行有效的净化处理是十分必要的，这一部分被称为气体分析系统的预处理单元。

一套在线气体分析系统通常由四个单元构成，分别是取样及输送单元，预处理单元，气体分析单元，控制及通信单元。预处理单元，气体分析单元，控制及通信单元集成在一个分析机柜中。如下图1-2-1所示。

图1-2-1 在线气体分析系统构成总图

1.2.2 取样及输送单元

取样探头如图1-2-2-1所示，通过DN50法兰与工艺管道连接，其关键部件是其中安装的陶瓷滤芯，样气经由此滤芯后方可进入伴热采样管，滤芯过滤精度为5um，可滤除样气中大于5um的杂质。但是样气中的气态焦油可能凝结在滤芯表面造成堵塞，气态水也可能液化而使滤芯表面更易沾结灰尘，解决办法是在外层加装加热装置，温度控制在180℃上下，使焦油及气态水仍以气态形式通过。探头箱中还装有电磁阀，用于定期接入反吹压缩气对探头滤芯进行吹扫，电磁阀的动作时序由分析机柜中的控制单元决定。

伴热采样管用于将样气传送至分析机柜，传送介质采用聚偏氟乙烯管，规格6mm。与采样管伴随敷设电伴热带，并在其外包裹保温材料，使焦油及水蒸气仍以气态形式通过，而不会凝结在管内，造成管路堵塞。其截面图如图1-2-2-2。

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图1-2-2-1 取样探头图1-2-2-2 伴热采样管截面图