探討激光氣體分析系統在冶金熱爐氣凈化中的應用

王心量

（山信軟件股份有限公司萊蕪自動化分公司，山東 濟南 271104）

我國經濟正處于高速增長，作為經濟主要構成的工業，已經社會各個群體關注對象。工業生產不僅需要消耗大量原材料，其在生產中產生各類廢氣廢物，對于自然環境則是更為長遠影響。在社會影響下，工業開始對廢物廢氣排放進行處理，較為典型當屬冶金熱爐氣的凈化工作。而負責檢測凈化質量的激光氣體分析系統，旨在采用合適方式全面研究。

1 激光氣體分析系統在冶金熱爐氣凈化中的應用意義

1.1 應用案例

某企業擁有1套每年60萬噸生產能力搗固焦爐，并在后續根據業務需求，改擴為每年130萬噸生產能力。在冶金過程中會產生大量煙氣，熱爐氣是煙氣主要成分，而氫氣占總氣體含量55%至60%，甲烷則是占總氣體含量23%至28%，CO僅有5%至8%。爆炸范圍從5%至30%不等，一旦煙氣混入空氣，則會形成易燃易爆圍巖氣體。冶金熱爐氣擁有每立方米16.74至18.83兆焦耳的發熱值。為在冶金過程中降低能源消耗，提升環保質量，實現負能冶金，需要將冶金熱爐氣作為研究對象，進行充分凈化與積極回收，將其二次應用在鍋爐、制甲醇工業生產設備中，讓其可以作為化工原料二次使用[1]。冶金熱爐氣回收利用流程如圖1所示。

圖1 冶金熱爐氣回收流程圖

1.2 應用意義

在工業冶金時，會產生較多熱爐氣，對其進行凈化時，要確保實時收集數據信息，而對于焦油器的出口位置，需要嚴格檢測氧氣含量，因為熱爐氣的氧氣含量一旦超標，將會造成嚴重安全問題。其工作原理可以理解為熱爐氣在進入設備后，會進入電場空間內，而高壓電場創造高壓環境，會讓氣體分子發生電離現象。又因為熱爐氣內含焦油微粒，大多數是已經攜帶負電荷，而這些電荷會沿著電力線的方向，產生吸附現象，在將電荷釋放后，則構成不攜帶任何電荷的油粒，而油霧粒子會通過這種方法增加數量與規模，從而全部凝聚在極板位置。而作為最后產物的油滴，在會重力吸引下，流淌到設備最下方，最后通過排污口從設備中流出，通過泵把油滴打入澄清槽[2]。而焦油器則是通過具有高壓條件的電場，讓氣體分子產生電離，所以會在作業時出現火花，如果熱爐氣內部氧含量與混合氣體爆炸極限相接近，就極易產生爆炸危險，對于一線員工人身安全以及設備都會造成嚴重影響。如果僅通過人工方式檢測熱爐氣的氧含量，不僅會造成時間、人力等資源浪費，在實踐應用重要也會存在危險性，同時因測量結果是較為滯后，無法確保測量數據，所以需要應用全自動化科學檢測裝置，實現熱爐氣含氧量檢測。本文以湖北銳意自控系統有限公司自主生產的GasTDL-3100在線氣體分析儀，作為檢測熱爐氣的含氧量工具使用。

2 GasTDL-3100分析儀構成和測量原理

2.1 構成簡述

GasTDL-3100分布式半導體激光在線氣體分析儀，可以實現在多種高溫、粉塵、以及強腐蝕諸多惡劣條件下進行現場測量并分析氣體濃度。該分析儀使用高集成化設計方案，整體由各個功能模塊組成。該系統重要模塊由數據處理、激光發射、激光接收三個單元構成。同時，系統增加配氮氣吹掃環節，可以使用機械風將光學元件充分吹掃，有效避免灰塵對系統造成污染，降低焦油凝結概率。可以使用圖2內容表達其真實結構。

圖2 GasTDL-3100結構示意圖

通過發射單元，對激光發射器產生驅動動作，并發射具有預設頻率激光束，將其穿過待測氣體，通過接收單元對激光信號光電轉換，從而構成檢測信號，再把檢測信號重新發射單元，發射單元則負責把發射與檢測信號全部傳輸至數據處理單元，通過對照光譜，進行數據處理與分析，從而獲得實際測量。

而本文應用該分析儀使用原位安裝，發射與接收單元可以借助連接單元，將其直接安裝于過程管道，而數據處理單元則要安裝于不會因氣體影響的安全區域。

2.2 測量原理

該儀器測量原理為根據激光吸收光譜，對于氣體完成分析測量工作，并借助氣體分子對激光完成篩選工作，從而以選擇性方式吸收，構成吸收光譜，從而對氣體濃度科學測量[3]。而激光器將激光束向外發射，這種具有特定波長作為特點的激光是只會被待測氣體充分吸收，從而避免產生光束損耗。而激光穿過氣體，其強度則會逐漸衰弱，但是卻和待測氣體的實際濃度構建相應函數關系。所以，可以借助通過研究激光強度在穿過氣體后產生衰減情況測量，從而反向獲得待測氣體真實濃度。而該氣體分析儀，發射單元向待測煙道發射激光束，而接收單元則會接收激光束，而數據處理單元則可以針對接收對測量信號采用數據采集，并做好數據分析。因為光強度實際衰減值會和探測光路內待測氣體含量保持正比關系，可以借助整理激光衰減情況，反向計算待測氣體真實濃度。

3 GasTDL-3100特點與應用

在GasTDL-3100激光氣體分析儀于該企業應用以來，保持良好運行狀態，而且在對坡年使用與維護中逐漸積累豐富經驗，現將其進行整理。

3.1 設備特點

該分析儀借助單線光譜應用技術，所以真實應用激光光譜較窄，相較于待測氣體實際吸收譜線要小，從有效避免因背景氣體組分造成被測氣體出現交叉干擾，相較于以往紅外測量應用技術，更具有使用優勢。同時，通過原位測量，對于管道內部待測目標氣體可以做到直接測量其濃度，舍去以往復雜操作采樣方法，從而大幅度降低極大采樣時間，提升工作效率，也可以有效提升設備使用靈敏度，提高響應速度。而其數據處理單元則以待測氣體當前溫度與實時壓力，及時修正測量結果，有效避免在外界因素影響下，造成測量結果負面影響。同時，該分析儀具有較強智能化，并采用模塊化優化設計，無論是實際操作還是后期維護都具有便利性。

3.2 實際應用

3.2.1 透過率

作為測量儀器應用具有重要意義測量參數，透過率是該分析儀重點關注內容，測量要求設備擁有90%以上透過率[4]。可以實際使用條件下，被測熱爐氣會中有較多焦油、灰塵，以及部分容易發生結晶反應化學物質，極易附著于測量元件。而在長時間不斷積累中，會對測量光路造成堵塞，讓從激光穿過熱爐氣真實透過率下降，進而產生較為嚴重測量誤差。針對這種情況，該分析儀為測量儀器增加吹掃功能，通過具有穩定化學性質的氮氣，將儀表進行，而且氮氣作為與測量無關的背景氣體，并不會影響測量結果。而且保持合適壓力與流量的吹掃氣體，可以穩定保障光路通暢，進而提升透過率。如果待測環境相對惡劣，就要求具有較大壓力與流量的吹掃氣體大。而吹掃裝置也提供壓力與流量調節條件，通常情況下，氮氣流量控制在每分鐘55升至65升，而壓力則控制在0.1兆帕至0.3兆帕。

3.2.2 準確性

因為熱爐氣管道實際待測氣體無論是壓力還是溫度，都會發生實時變化，使用通常測量方法難以保證實際結果。所以，為提升測量準確，需要將待測氣體壓力與溫度信號一并增加至數據處理單元，利用相關計算公式，以待測氣體實際濃度測量采用適合的溫壓補償，確保測量結果具有較高準確性。也需要考慮到儀器標定是否具備準確性，對測量準確性產生直接影響，所以要選擇符合測量要求多種濃度標準氣體完成測量儀器的標定工作。通過純度99.99 %氮氣，對測量儀器標定零點，并使用2%含氧量標準氣體標定上限。為提升檢測結果精度，則要使用人工檢測和儀器檢測進行簡單對比，確認二者是否可以具備相似測量結果，產生誤差是否在實際允許范圍。

3.2.3 報警功能

該分析儀所有探頭均具有報警功能。報警繼電器需要由用戶根據實際生產需要預先設定氣體報警濃度的上下限，當分析儀在檢測中發現氣體濃度已經超出設定報警濃度限值時，通過自動釋放繼電器，激活報警，提醒相關工作人員現在氣體濃度已經越限。同時，為了提升焦油器生產的安全性，則要針對焦油器控制系統，和分析儀測量氧氣濃度數據信號構建聯鎖關系。例如在分析儀檢測氧氣濃度已達0.8%，系統在自動報警，而氧氣濃度超過原設定值的1.0%，分析儀則會和焦油器觸發以前設定聯鎖控制系統，由系統對焦油器停止當前所有活動，并通過聲光報警器，提示相關人員當前氧氣濃度已經超標，讓維修人員在最短時間內叨叨現場，將問題控制在較小范圍內，從而確保焦油器可以順利運行。

4 結論

激光氣體分析系統可以穩定提升冶金熱爐氣含氧量檢測準確性，并提升檢測穩定性，從而有效穩定生產，減少冶金熱爐氣對環境污染系統。但是企業在實際應用中仍需要提升一線工作人員專業素質，從而降低在應用中出現人為失誤，造成監測準確率下降。并在工作中不斷總結經驗，針對系統故障問題做好處理與記錄，進而提高分析系統應用價值。