磁氧分析儀在噴煤制粉系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究

沈立春

(上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，江蘇 南京 210039)

0 引言

在高爐的冶煉過程中，向高爐爐內(nèi)噴吹具有良好可燃性的煤粉是現(xiàn)代高爐工藝操作過程中的一項重要工藝環(huán)節(jié)。它一方面可以改善高爐的操作環(huán)境，降低冶金焦炭的使用量;另一方面可以大幅度降低煉鐵生產(chǎn)成本。在高爐噴煤制粉工藝中，由于煙煤比無煙煤更具有可磨性及更好的經(jīng)濟(jì)效益，因此，目前的高爐噴煤都以大量噴吹煙煤為目標(biāo)，以降低無煙煤的用量。但是煙煤存在易爆炸性，除了溫度以外，促使煙煤發(fā)生爆炸的一個重要因素就是制粉系統(tǒng)中O2的含量。這是煙煤制粉過程中必須解決的技術(shù)問題。

隨著現(xiàn)代電子科技的發(fā)展，磁氧式氧氣分析儀已廣泛應(yīng)用于各種制粉工藝系統(tǒng)中，用于制粉系統(tǒng)O2濃度的檢測，為制粉系統(tǒng)的安全提供了保障［1］。梅山煉鐵廠2#高爐于2004年4月建成投產(chǎn)，其配套的制粉系統(tǒng)共有A系列和B系列兩個系列。這兩個系列的制粉系統(tǒng)分別用于磨煤機(jī)出口、布袋除塵器出口及煤粉倉的O2濃度檢測，其使用的磁氧式氧氣分析儀為日本YOKOGAWA公司的MG8G系列產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

在梅山2#高爐制粉系統(tǒng)中，磁氧式氧氣分析系統(tǒng)主要由標(biāo)定系統(tǒng)、吹掃裝置、PLC控制系統(tǒng)、樣氣過濾及處理系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、樣氣處理單元等組成。氧氣分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 氧氣分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the oxygen analysis system

1.1 樣氣采樣及吹掃系統(tǒng)

1.1.1 樣氣采樣系統(tǒng)

在MG8G型磁氧式氧氣分析系統(tǒng)中，其樣氣采樣系統(tǒng)配置雙探頭取樣分析系統(tǒng)。雙探頭取樣是指:其中一只探頭取樣，另一只探頭吹掃，兩只取樣探頭交替取樣和吹掃，以保證系統(tǒng)進(jìn)行不間斷采樣分析。吹掃過程中不存在檢測盲區(qū)［2］。系統(tǒng)采用全不銹鋼雙取樣探頭，采樣探頭內(nèi)置特殊設(shè)計的高效過濾器。該探頭是根據(jù)高爐噴煤制粉系統(tǒng)的工況進(jìn)行特殊設(shè)計和制造的，探頭設(shè)計新穎，具有伴熱和保溫功能;過濾芯更換方便且可清洗重復(fù)使用。在正常的工作過程中，樣氣中的粉塵可在探頭的內(nèi)置過濾器中得到充分過濾和分離，經(jīng)過過濾的樣氣進(jìn)入樣氣處理系統(tǒng)。

1.1.2 樣氣吹掃系統(tǒng)

由于制粉系統(tǒng)中的樣氣含有大量煤粉，長期使用容易堵塞采樣探頭的過濾器。為了保證取樣探頭長期使用的穩(wěn)定性和可靠性，必須對采樣探頭進(jìn)行定期吹掃，吹掃功能由PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)。系統(tǒng)吹掃方式分為自動和手動兩種，由選擇開關(guān)來完成，并由人工根據(jù)采樣探頭的實際工況來選擇。正常運行時使用自動方式，只有當(dāng)某一個采樣探頭出現(xiàn)故障時，才使用手動方式。采用自動方式時，PLC程序按照設(shè)定的時間定期自動吹掃取樣探頭，其中一只探頭取樣，另一只探頭吹掃，以保證檢測系統(tǒng)的連續(xù)性;采用手動方式時，由人工選擇需要進(jìn)行吹掃的采樣探頭［3］。樣氣采樣及吹掃管路如圖2所示。

圖2 樣氣采樣及吹掃管路圖Fig.2 The layout of gas sampling and purging piping

1.2 樣氣的過濾及處理系統(tǒng)

經(jīng)過采樣探頭預(yù)處理的樣氣進(jìn)入樣氣處理系統(tǒng)。該樣氣還含有少量的煤粉和水分，必須進(jìn)行再次過濾和脫水才能進(jìn)入分析儀表。在MG8G型磁氧式氧氣分析系統(tǒng)中，樣氣的過濾及處理系統(tǒng)主要由采樣泵、過濾除水裝置、樣氣調(diào)節(jié)單元三個部分組成。采樣泵是分析系統(tǒng)在樣氣為負(fù)壓狀態(tài)下必不可少的系統(tǒng)部件之一。當(dāng)被檢測氣體為負(fù)壓時，通過采樣泵抽取樣氣送入分析儀表進(jìn)行分析，本系統(tǒng)中采樣泵選用日本進(jìn)口隔膜泵。除水裝置采用壓縮機(jī)式冷凝器，并自動排水。樣氣經(jīng)過脫水后，再經(jīng)金屬過濾器、膜式過濾器過濾，過濾后的樣氣進(jìn)入樣氣調(diào)節(jié)單元。樣氣調(diào)節(jié)單元主要是對合格的樣氣進(jìn)行壓力和流量的控制，以滿足MG8G型磁氧式氧氣分析儀的要求［4］，保證分析儀的穩(wěn)定性和精度。

1.3 工作原理

MG8G磁氧分析儀主要由信號檢測單元和信號轉(zhuǎn)換兩部分組成。由于樣氣的順磁特性，測量單元不受共存氣體的影響，具有高度感應(yīng)性和快速響應(yīng)性［5］。分析儀原理示意圖如圖3所示。

圖3 磁氧分析儀工作原理示意圖Fig.3 Operational principle of the magnetic-oxygen analyzer

分析儀工作原理介紹如下。

與其他氣體相比，氧氣具有順磁特性。在一個不均勻的磁場中，由于其具有順磁性，樣氣分子會朝著磁場增強(qiáng)的方向流動，當(dāng)兩種含O2濃度不同的氣體在一個磁場中相遇時，在圖3所示的微型流量傳感器處會產(chǎn)生壓差ΔP。參比氣通過圖3中的參比氣入口進(jìn)入，經(jīng)過限流器限流，再經(jīng)過參比氣通道進(jìn)入到樣氣室。樣氣通過采樣氣入口進(jìn)入到樣氣室，一部分參比氣和樣氣在順磁檢測區(qū)相遇。由于兩個通道是相連的，因此在微型流量傳感器中會產(chǎn)生壓差ΔP，壓差ΔP的大小正比于樣氣中O2的濃度。微型流量傳感器檢測該流量并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出;該電信號被送至信號處理和轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行處理，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號［6］。

1.4 PLC 控制系統(tǒng)

電子技術(shù)的發(fā)展大幅提高了可編程邏輯控制器PLC的穩(wěn)定性、可靠性及抗干擾性。PLC廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，完成各種復(fù)雜的控制和計算功能［7］。本控制系統(tǒng)采用YOKOGAWA公司F3SP21系列小型PLC系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電源模塊、CPU、數(shù)字量輸入/輸出模塊組成，它能夠完成采樣、吹掃、標(biāo)定及故障報警等順序控制功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定。

1.5 標(biāo)定系統(tǒng)

在運行使用一段時間后，磁氧分析儀由于外部或儀表本身原因，其零點和線性度會產(chǎn)生漂移，出現(xiàn)顯示誤差等現(xiàn)象。為了提高儀表檢測精度，必須定期對其進(jìn)行零點和量程的標(biāo)定［8］。標(biāo)定系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)氣、管路系統(tǒng)及各種閥門組成，以完成對分析儀零點和量程的標(biāo)定。

2 維護(hù)及故障排除

在高爐制粉系統(tǒng)中，磁氧分析儀是一個至關(guān)重要的檢測設(shè)備，其運行的穩(wěn)定性和可靠性直接影響制粉系統(tǒng)的設(shè)備安全和人身安全。因此，必須有計劃地進(jìn)行維護(hù)，以防止設(shè)備發(fā)生故障或減小因故障而產(chǎn)生的種種損失。為了在早期發(fā)現(xiàn)分析儀系統(tǒng)故障，有必要進(jìn)行定期的日常檢查［9］。

2.1 日常維護(hù)

在正常運行過程中，需要對磁氧分析儀進(jìn)行日常的維護(hù)和點檢，主要包括以下幾個方面。

①顯示校驗:儀表在運行一段時間后，由于外界或儀表本身的原因，磁氧分析的零點會發(fā)生漂移或顯示值出現(xiàn)偏差，影響了檢測精度，此時需要對其進(jìn)行零點和量程校驗，一般校驗周期為3～6個月。

②標(biāo)準(zhǔn)氣的檢查:檢查標(biāo)準(zhǔn)氣的壓力是否符合要求，更換標(biāo)準(zhǔn)氣后，要按照新標(biāo)準(zhǔn)氣的參數(shù)對分析儀進(jìn)行重新標(biāo)定。

③水箱水位檢查:要定期對水箱水位進(jìn)行檢查，使其水位保持恒定，以符合要求。

2.2 常見故障的排除

常見故障及其排除方法介紹如下。

①顯示波動:檢查樣氣流量范圍有無大的變化，分析儀管道是否有泄漏;在維修模式下，檢查檢測單元恒溫室溫度是否正常，該溫度應(yīng)維持在60℃。

②標(biāo)定時顯示漂移:當(dāng)標(biāo)定過程中顯示值發(fā)生漂移時，檢查標(biāo)準(zhǔn)氣流入的壓力是否正常，標(biāo)定氣管路壓力可以通過減壓閥來調(diào)節(jié)。

③抽氣泵不工作:檢查分析器是否在取樣狀態(tài)，抽氣泵的電源是否正常，PLC是否有輸出。

④探頭氮氣反吹不正常:檢查氮氣壓力是否正常，過濾器是否堵塞，氮氣反吹管路是否堵塞，反吹電磁閥工作是否正常。

3 結(jié)束語

磁氧分析儀是用來分析氣體混合物中O2濃度的儀表，一般包括采樣預(yù)處理系統(tǒng)、檢測單元、信號放大及顯示單元和順序控制系統(tǒng)［10－12］。分析儀在冶金行業(yè)中使用領(lǐng)域很廣，用量也較多，尤其在高爐制粉系統(tǒng)中，分析儀是高爐制粉系統(tǒng)中一個重要、必不可少的安全環(huán)保設(shè)備。梅山磁氧分析儀自2004年在高爐制粉系統(tǒng)投用以來，設(shè)備運行穩(wěn)定、可靠，檢測精度高。在日常維護(hù)中，除了更換過濾網(wǎng)以外，幾乎沒有故障發(fā)生，儀表標(biāo)定方便，為制粉系統(tǒng)的安全運行提供了可靠的保障。

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