钢铁冶炼过程气体激光原位分析技术的应用

现代仪器(www 1moderni n strs 1org 1cn)二〇〇七年#第三期钢铁冶炼过程气体激光原位分析技术的应用邱历军 赵永平 酆 烽(济南钢铁集团股份有限公司燃气发电厂 济南 250101)摘 要 基于半导体激光吸收光谱技术的激光原位气体分析系统响应速度快且无需采样预处理装置,可较好地满足钢铁行业对过程气体的实时在线检测要求。

在转炉煤气回收系统应用中,激光原位气体分析系统的响应速度比采样气体分析系统快约20s ,从而可以多回收约418%的能源气。

关键词 半导体激光吸收光谱 转炉煤气 在线分析仪钢铁的冶炼过程实质上是原材料、燃料和成品的流转过程,在流转中伴随着大量气体产生,而在线检测分析这些过程气体是冶金工业生产工艺优化控制、安全和环保监控必不可少的关键技术之一,对降低能源消耗、保证生产安全等起着十分重要的作用。

从发展历程来看,气体检测技术经历人工取样分析、在线连续取样分析和实时原位分析三个阶段,其代表产品分别为人工采样的电化学分析仪,需配套采样预处理装置的红外气体分析仪、磁氧表以及可实现实时原位分析的激光气体分析仪。

其中人工采样分析方法因钢铁生产自动化程度的提高,已逐渐被在线分析方式取代。

本文对两种不同在线气体分析技术进行比较,并对聚光科技(杭州)有限公司研发生产的基于半导体激光吸收光谱(DLAS)技术的LGA 系列激光原位气体分析仪在冶金行业的应用作重点阐述。

图1 两种分析系统结构1 两种在线分析技术比较钢铁冶金行业对过程气体的分析方式主要分为连续shape -preser v i n g 采样分析和实时原位分析两种(见表1)。

连续采样分析系统主要包括复杂的采样预处理、分析仪表及仪表盘柜;实时原位分析系统主要包括安装在现场的发射、接收单元及安装在现场或仪控室的中央分析单元。

连续采样分析系统一般采用带预处理装置的红外气体分析仪或磁氧表,实时原位分析系统一般采用激光气体分析系统,其基本结构(见图1)。

激光原位气体分析系统直接安装在过程气体管道,管径相对位置的发射和接收单元通过发射和采集激光信号,并将光信号转化为电信号,通过电缆传输到中央分析仪器进行分析和输出。

整个分析系统无需复杂的采样和预处理系统,结构简单、无运动部件,解决在线采样气体分析系统的众多弊病〔1〕。

尽管原位气体分析系统具有上述性能优势,但是要满足原位测量,就需要解决被测环境中背景气体交叉干扰,被测环境中粉尘干扰和被测环境参数如温度、压力等变化干扰问题。

而DLAS 技术可以很好地解决上述难题,因此可以被广泛应用于过程气体原位分析。

与非分光红外气体分析技术相同,DLAS 技术也是一种吸收光谱技术,它利用B eer -La m bert 〔1〕关系来定量分析半导体激光能量被被测气体选择吸收产生的衰减来获得气体的浓度。

与传统非分光红外分析技术使用谱宽很宽且固定波长的红外光源不同,16二〇〇七年#第三期新技术应用表1 在线光谱分析系统比较指标LGA 系列激光原位气体分析系统在线采样气体分析系统预处理系统无需必需测量方法现场、连续、实时测量采样预处理后间断测量环境适应性恶劣环境适应能力强恒温、恒压、恒流、干燥及干净的气体响应速度快:仅取决于仪表响应时间,小于1s慢:为样品气传输和仪表响应时间总和准确性原位测量,气体信息不失真气体信息失真连续性连续测量间断测量:反吹时无法测量可靠性无运动器件,可靠性高较多运动部件,可靠性低介质干扰不受背景气体交叉干扰;自动修正粉尘及光学视窗污染干扰受背景气体的交叉干扰,无法定量修正粉尘及光学视窗污染干扰样气排放无样气排放,安全无污染有样气排放,危险有污染维护标定维护:1~4次/年;标定:1~2次/年维护:经常;标定:一个月2~3次运行费用无需备品备件;运行费用接近于零需要较多备品备件;年运行费用高DLAS 技术使用谱宽非常小(也就是单色性非常好)且波长可调谐的半导体激光器作为光源。

另外,DLAS 技术使用的单线光谱分析也使修正温度、压力变化等对测量的影响变得较容易〔2〕。

因此,DLAS 技术具有传统非分光红外分析技术无法实现的一些性能优点。

111 背景气体干扰分析非分光红外吸收技术使用的光源谱宽达10~100nm,其谱宽范围除包含被测气体吸收谱线外,还可能包含其他背景气体的吸收谱线,从而导致背景气体交叉干扰。

而半导体激光器发射的激光谱宽小于010001nm,是红外光源谱宽的1/106,远小于红外光源谱宽和被测气体单吸收谱线宽度(见图2),其频率调制扫描范围也仅包含被测气体单吸收谱线(半导体激光吸收光谱技术也因此被称为单线光谱技术),因此成功消除背景气体交叉干扰影响。

另外如果采用磁氧表的话,如果气体中含有其他成分的顺磁性气体,加上现场气体流量的变化、仪器的震动均会引起测量结果产生较大误差。

图2 /单线光谱0测量原理图112 粉尘和视窗污染分析非分光红外气体分析仪在分析粉尘含量较大的气体时,气体中的粉尘和被污染的光学元件会引起气室透光率的变化,而固定波长的光源又无法区别气体和粉尘的吸收,因此非分光红外气体分析仪无法自动修正粉尘对光学元件的污染影响。

而半导体激光的波长可以通过调制工作电流而被扫描,在一个激光波长扫描范围内使激光波长既扫描过有气体吸收的区域,也扫描过没有气体吸收的区域。

当波长位于有气体吸收区域时可测得包含气体和粉尘在内的总透光率T 总,当波长位于无气体吸收区域时可测得粉尘透光率T 粉尘,从而可准确获得被测气体的透光率T 气体=T 总/T 粉尘。

DLAS 技术通过上述激光波长扫描技术修正粉尘和视窗污染对测量的影响。

113 被测气体环境参数变化的影响被测气体环境参数)温度或压力发生变化通常导致谱线强度和展宽发生变化,对温度或压力信号不加修正就会影响测量结果。

由于DLAS 技术是对被测气体单一吸收谱线进行分析,可较容易地对温度、压力效应进行修正。

在高炉炼铁过程中,高炉炉顶煤气主要由N 2,O 2,CO ,CO 2及少量的H 2组成〔3〕。

LGA 系列激光气体分析系统通过输入4~20mA 的温度和压力信号,自动修正因被测气体环境参数变化导致谱线强度和展宽变化产生的干扰。

而非分光红外气体分析仪测量的是被测气体大量吸收谱线对光源信号衰减的平均效应,它受温度变化的影响较难被准确地修正。

如果被测混合气体中某一组分的在红外线波段内与待测成分有特征吸收峰重叠部分,那么就要对测量结果产生干扰,因此,在对钢铁生产过程气体的分析应用中,为保证非分光红外气体分析系统的测量准确性,一般在仪器前配备样气预处理器,对样气进行除尘、除水、保温、保压等处理。

由于红外气体分析仪对具有对称结构、无极性的双原子分子气体,例如O 2、H 2、N 2等,以及单原子气体例如H e 、N e 、Ar 等,在红外线波段内17现代仪器(www 1moderni n strs 1org 1cn)二〇〇七年#第三期Appli cati on of laser gas analyzer of the process gasQ i u Lij u n Zhao Yongp i n g Feng Feng(Gas -F ired Po w er Station ,Ji n an S tee lG roup I nc 1,Ji n an 250101)Abst ract The laser gas ana l y zer ,based on the technology o f se m iconductor laser absor p ti o n spectrum ,wh ich has a qu ick response speed and w ithout any preprocessi n g ,can satisfy the on li n e i n specti o n requ ire m ent of pr ocess gas i n the field of stee l i n dustry 1I n the application of t h e recovery of LDG,the response speed o f l a ser gas analyzer isfaster than that o f the gas ana l y sis sa m pling syste m for about 20s ,so thatm ore than 418%gas can be recovered 1K ey w ords Se m iconductor laser absorpti o n spectrum LDG On li n e analyzer 没有特征吸收峰,因此红外气体分析仪测量有较大的局限性〔4〕。

综上所述,单线光谱技术、激光波长扫描技术和环境参数自动修正技术使DL AS 技术可以被用于实现气体的原位分析,因此比非分光红外等传统采样气体分析系统具备更强的环境适应性。

并且由于激光气体分析系统省却采样预处理装置,结构简单、无运动部件、维护标定方便、可靠性高、响应速度快而准确,大大提升在线过程气体检测的水平。

114 钢铁冶炼中的应用激光原位气体分析系统因其技术优势,已逐步取代红外气体分析系统,并开始广泛应用于各大钢铁企业的煤气回收分析系统,炉气/烟道气分析系统、电捕焦/电除尘安全分析系统和高炉喷煤、CDQ 循环气和转炉高温端分析系统等。

就济钢来说,现用激光原位气体分析系统中就有以能源气回收为目的的转炉煤气和控制安全的电捕焦安全分析系统、现依据实际使用效果,从转炉炼钢流程出发,就激光原位气体分析系统在转炉煤气回收项目中的应用进行重点阐述。

在转炉炼钢生产过程中,1450~1600e 的转炉烟气通过转炉烟罩降温至1000e ,然后经过一级、二级文氏管除尘、降温。

经降温除尘的净煤气中通常含有微量氧和高浓度的C O 成分,通过回收这些煤气的显热和化学潜能,能够使转炉工序甚至整个炼钢厂实现/负能炼钢0)))即生产过程消耗的能量低于回收的能量。

如宝钢、武钢及济钢等通过转炉煤气回收均实现转炉工序和炼钢厂能源的负消耗。

而为保证有效、安全的回收煤气,就必须实时监测煤气管道中的CO 和O 2的含量(见图3)。

C O 的检测是保证回收到最有价值的煤气,O 2的检测是避免煤气中的氧气含量过高导致在回收或使用中发生爆炸。

济钢转炉煤气柜测氧项目现场安装的LGA 激光原位气体分析系统,实时监测过程管道内煤气中的O2图3 转炉煤气回收工艺中的气体检测点11活动烟罩;21炉口烟道;31斜后烟道;41一次除尘器(饱和塔);51二次除尘器;61弯头脱水器;71湿气分离器;81烟气流量计;91风机;101旁通阀;111三通阀;121烟囱;131水封逆止阀;141V 型阀;151煤气柜;161电除尘器浓度,替代原有的人工采样分析方式。