激光氣體分析儀煉鋼轉(zhuǎn)爐煙氣的監(jiān)測應(yīng)用講解

1、LasIR TM -R系列激光氣體分析儀在煉鋼轉(zhuǎn)爐煙氣的監(jiān)測應(yīng)用Con trol # 669 -Air & Waste Man ageme nt Association 103rd Ann ual Co nference &Exhibiti on Ju ne 22-25, 2010 Calgary, Alberta CANADAUn isearch Associates Inc., 96 Bradwick Drive, Co ncord, Ont. Ca nada L4K 1K8關(guān) 鍵詞(Key Words)可調(diào)二極管激光光譜(Tunable Diode Laser Spect

2、roscopy, NH3, HF, CO, CO2排 放監(jiān)測(emission monitoring),過程控制(process contro),鋼廠(steel smelter) 氧氣轉(zhuǎn)爐(BOF),氣體分析儀(gas analyze).引言基于可調(diào)二極管激光吸收光譜(TDLAS )技術(shù)的激光光譜氣體分析系統(tǒng)已經(jīng) 迅速應(yīng)用到對于靈敏度、響應(yīng)時間、背景氣體免干擾等有較高要求的各種氣體監(jiān)測 領(lǐng)域。TDLAS的技術(shù)優(yōu)勢在于實現(xiàn)了實時的原地測量，避免了氣體抽樣測量帶來 的一些問題。Uni search公司基于近紅外可調(diào)諧二極管技術(shù)開發(fā)了LasIR TM氣體分析系統(tǒng)，整套系統(tǒng)耐用且易于安裝，LasIR

3、 TM氣體分析系統(tǒng)特別適用于眾多工業(yè) 領(lǐng)域氣體排放監(jiān)測和過程控制，例如：燃煤發(fā)電廠、鋁廠、鋼鐵廠、冶煉廠、核電 站、垃圾發(fā)電站、水泥廠和化工廠等等，本篇論文闡述了部分行業(yè)的氣體監(jiān)測應(yīng) 用。光學發(fā)射一套基本的LasIR TM氣體分析系統(tǒng)配置包括一個內(nèi)置可調(diào)諧激光源 的分析儀、端、光學接收端?？烧{(diào)諧二極管激光器被調(diào)諧發(fā)射出特定氣體吸收線的激光， 光束穿過被測氣體，由于被測氣體的吸收引起光強的衰減，通過檢測器檢測光強信 號計算出氣體濃度。除氣體濃度之外，其他的一些參數(shù)，例如：氣體溫度、氣體壓 力等也可以通過檢測透射光光強的變化來加以測定。TDLAS技術(shù)相對與其他氣體測量技術(shù)的優(yōu)勢在于其快速的響應(yīng)時間

4、、極低的檢測下限(可達ppb級)及完全不存在其他氣體分子的交叉干擾。LasIR TM氣體分析系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在能源和原料存儲領(lǐng)域，在工藝過程控制 上，使用LasIR TM氣體分析系統(tǒng)優(yōu)化了工藝控制，幫助制造出質(zhì)量更好的產(chǎn)品。 我們已經(jīng)有過氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐（basic oxygen furnaces, BOF的煙氣監(jiān)測應(yīng)用，BOF 是鋼鐵廠最主要的設(shè)備之一，被廣泛用做把富碳的生鐵冶煉成鋼。鋼中含碳量越 高，硬度越大，但是也更加易碎且缺乏韌性。通過往熔融的生鐵里面鼓入氧氣，以此來降低鋼鐵的碳含量，冶煉出低碳 鋼，并且通過更多深處理使這種鋼材適合諸如汽車制造以及其他的對低碳鋼有需求 的應(yīng)用。過量向熔融的生鐵

5、鼓入氧氣去把含碳量降的更低是沒有必要的，這樣做反 而惡化了鋼鐵的品質(zhì)。因此，快速、實時地對轉(zhuǎn)爐尾氣進行監(jiān)測是非常重要的，它 能直接或間接地確定噴氧截止時間（cut-off period ）。LasIR TM 系統(tǒng)LasIR TM系統(tǒng)包括內(nèi)置可調(diào)諧激光器的分析儀、發(fā)射激光光束并穿過被測介 質(zhì)的光學發(fā)射端、安裝在被測介質(zhì)另一端接收透射光的接收端。分析控制器（分析 儀）自身可以安置在遠離現(xiàn)場監(jiān)測點1km之外的控制室內(nèi)，現(xiàn)場光學傳感系統(tǒng)與分析控制器之間通過光纖和同軸電纜連接，測量的數(shù)據(jù)被保存在LasIR TM系統(tǒng)的分析控制器內(nèi)的閃存卡或外部電腦上，外部電腦通過以太網(wǎng)網(wǎng)口或RS232端口與分析控制器連接

6、，數(shù)據(jù)信息也可以傳送到企業(yè)的數(shù)據(jù)庫。LasIR TM系統(tǒng)的定量分析是以Beer-Lambert定律為基礎(chǔ)，Beer-Lambert定律 指出了光吸收與光穿過被檢測的物質(zhì)之間的關(guān)系，當一束頻率為 V的光束穿過吸 收物質(zhì)后，在其穿過的光徑上的光強變化為：1（V）= Io（V）嚴":光束穿過一個光程距離為:入射光強度:被測氣體的吸收橫截面:被測氣體的濃度:光程使用TDLAS技術(shù)測量的氣體濃度實際上是光束在穿過的區(qū)域上測得的平均濃 度，尤其LasIR TM系統(tǒng)的原地測量遠遠優(yōu)于使用采樣探頭在煙道 /管道一個點上抽 取測量的方式，是在氣體濃度呈梯度性變化或非均勻分布存在時，通過原地測量光徑上的

7、氣體 濃度平均值則更好的代表了過程氣體的一個整體濃度值。在分析控制器內(nèi)部，光纖耦合激光器通過光多路器可以實現(xiàn)氣體的多點監(jiān)測， LasIRTM的被測氣體介質(zhì)后的透射光強度系統(tǒng)能夠做到使用單臺分析控制器同時做 116個不同點的同步監(jiān)測，另外， 在激光器可調(diào)諧范圍之內(nèi)，當不同的氣體吸收譜線非常接近時，一臺分析控制器也 可以對多種氣體進行同時監(jiān)測。無電源要求的光學傳感單元能非常容易的滿足有防 爆要求的檢測場合（可以配置發(fā)射端和接受端都使用光纖傳輸）。2010年，Uni search公司開發(fā)了新一代 LasIR TM -R氣體分析系統(tǒng)，LasIR TM -R符合歐盟RoHS認證，有機架安裝式和臺式兩種形

8、式的分析控制器。Uni search公司開發(fā)的這些高性價比氣體分析系統(tǒng)不僅體積緊湊、結(jié)實耐用，而且能夠提供從 便攜的單通道氣體分析儀到能同時監(jiān)測多達16不同監(jiān)測點以及某些多氣體組分的全系列產(chǎn)品。對于多通道來說，各個通道的控制相互之間都是獨立的，因此，單臺 多通道分析控制器能同時對管道/煙道、長光程環(huán)境空氣、抽取池樣品等不同濃度 級別的氣體進行同時監(jiān)測，這些光學傳感單元可以在一個分析系統(tǒng)中任意組合，各 個通道非常大的濃度差別都不存在相互的干擾，LasIR TM系統(tǒng)可能的配置如下圖1所示。LasIR TM系統(tǒng)還有一款光學部件和電子部件一體式設(shè)計的便攜式氣體分 析儀，其輕便（小于5kg ）而節(jié)能（功

9、率小于20W ），可以安裝在一個三腳架上 使用，如使用多反射鏡陣列，可以在光徑長達幾百米的開放式環(huán)境中對不同氣體濃 度進行監(jiān)測。圖1. LasIR TM系統(tǒng)分析控制器與各種光學傳感單元通過光纖與同軸電纜連接 的配置示意圖LasIR TM系統(tǒng)包含了適當?shù)挠布蛙浖?，是無需校正的系統(tǒng)，所以在現(xiàn)場無 需使用標氣瓶對系統(tǒng)進行校正。為了某些用戶儀器管理規(guī)程的需要，我們可以提供 手持式小巧的考核模塊，當需要時，用戶可以使用這個考核模塊對整個系統(tǒng)（分析 控制器和光學傳感單元）進行考核，也可以使用自動考核功能對系統(tǒng)進行自動考 核，自動考核的結(jié)果將被保存并顯示在屏幕上。系統(tǒng)考核有兩種選擇，一是在光路 上通入濃度

10、已知的氣體進行考核，二是使用我們可選的考核模塊進行在線（inline ）或離線（offline ）考核。LasIR TM系統(tǒng)快速、實時原地對氣，是真正適合于各種不體濃度進行監(jiān)測，檢測線性達到動態(tài)5級（105，即ppm級到級）同工業(yè)氣體監(jiān)測的氣體分析系統(tǒng)。煉鋼行業(yè)過程控制中的煙氣監(jiān)測鋼是碳含量低于1% （通常情況下）的鐵合金，低碳鋼被最廣泛應(yīng)用在汽車制 造和一些建筑工業(yè)領(lǐng)域，鋼可以應(yīng)用戶需要被鑄造成鋼筋、鋼板、電線、鋼條、管 材等多種樣式的產(chǎn)品。在20世紀，煉鋼工藝有了很大的改變 4,這種工藝改變主要是由于社會、政 治和大氣環(huán)境等因素的驅(qū)動。20世紀中期，受市場對高質(zhì)量鋼材的需求不斷增 加，煉鋼

11、產(chǎn)業(yè)在此刺激下產(chǎn)量日益增長。在美國，建立了高投入的綜合性煉鋼企業(yè) 6,這些企業(yè)通過數(shù)道工序精煉鐵礦石制鋼，通過對鋼的化學成分的良好控制煉制 出滿足市場需要的高質(zhì)量的鋼材。在最近的二十年里，由于能源危機的出現(xiàn)，提高熱效率成為了鋼鐵企業(yè)優(yōu)先考 慮的事情。綜合性的鋼廠使用熔爐煉鋼，是效率非常高的方式，但是在實際生產(chǎn)中 還需要做很多的改進。20世紀五六十年代，大型綜合性的鋼鐵企業(yè)都趨向于從工 藝開始到結(jié)束分批對鐵礦石進行冶煉，這就導(dǎo)致了某些設(shè)備運行時其他一些設(shè)備卻 處于閑置狀態(tài)。為了降低能源消耗，連續(xù)性的制造工藝因此得到了發(fā)展，不過各道 工序需要做到協(xié)調(diào)一致，以降低能源消耗，減少產(chǎn)品生產(chǎn)的時間。環(huán)境問

12、題同時也成為了高污染行業(yè)重點關(guān)注的問題。隨著時間的推移，環(huán)境保 護法令變得越來越嚴厲，這也再次改變了鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)工藝。在過去的二十年 里，隨著市場的萎縮和人工成本更加低廉的進口鋼材出現(xiàn)，使得競爭越來越激烈。 激烈的競爭迫使發(fā)達國家的許多煉鋼設(shè)備必須降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在鋼鐵冶煉中，來自于高爐的碳含量約4%的鐵水送進氧氣轉(zhuǎn)爐（basic oxidefurnace ,BOF）進一步精煉出鋼。為生產(chǎn)出高等級、高品質(zhì)的鋼材，向轉(zhuǎn)爐吹 進高純度的氧氣，消耗鐵水中的碳元素與硅元素，使得鋼鐵碳含量從4%降低到1%以下。根據(jù)鋼等級以及質(zhì)量要求，轉(zhuǎn)爐（BOF出來的的鋼將被再次精煉以及添加合金后做 成最終的

13、產(chǎn)品。在轉(zhuǎn)爐內(nèi)若想使鐵水碳含量大大低于1%是做不到的，過量吹進氧氣不會更多地降低碳含量反而會惡化鋼鐵的品質(zhì)。因此，確定一個停止往轉(zhuǎn)爐內(nèi)鐵 水吹進氧氣的合適截止時間（cut-off time對于煉鋼企業(yè)來說是非常關(guān)鍵和重要 的。（cut-off time進行優(yōu)LasIR TM系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于確定停止向轉(zhuǎn)爐吹進氧氣 的截止時間化的工藝中，在轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水碳燃燒消耗期間，濃度高達幾十個百分比含量的 CO和CO 2也隨之產(chǎn)生，一個典型的運行周期大約是 20分鐘，在某個時間段后（典型的是10分鐘后），CO的濃度開始趨于穩(wěn)定，隨著繼續(xù)消耗鋼水中的碳， CO濃度開始下降，因此可以基于 CO濃度開始下降的時間

14、確定停止吹進氧氣的截 止時間。圖4是一家煉鋼廠的一座轉(zhuǎn)爐在一個典型的運行周期吹入氧氣后生成CO和CO 2的曲線圖，測量間隔時間是1秒，光程是1米。圖4.轉(zhuǎn)爐內(nèi)富碳熔融生鐵燃耗產(chǎn)生的 CO和CO 2曲線圖圖5.轉(zhuǎn)爐（BOF）內(nèi)氧氣與鐵水中碳反應(yīng)后排放出 CO趨勢圖。紅色曲線和 藍色曲線分別代表LasIRTM原地直接安裝的氣體分析系統(tǒng)和抽取式分析系統(tǒng)的測 量曲線。很顯然，使用LasIRTM原地安裝氣體分析系優(yōu)化了氧氣的截止時間，至 少提前了 15秒。圖5和圖6顯示了轉(zhuǎn)爐（BOF內(nèi)鐵水含碳量從4%下降到1%后 CO和CO2的釋放趨勢曲 線。CO濃度從一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)開始下降，這可以為 吹入氧氣的截

15、止時間提供了一個參 照標準，應(yīng)當注意的是圖4和圖5顯示的不是 同一個時間段的測量結(jié)果。圖6.截止吹入氧氣后，轉(zhuǎn)爐內(nèi)CO2排放曲線圖。綠色和藍色曲線分別表示LasIRTM原地氣 體分析系統(tǒng)和抽取式分析系統(tǒng)的測量曲線。 為了達到一個相互比較的目的，LasIRTM原地實時氣體分析系統(tǒng)和采樣點抽取式 分析系 統(tǒng)彼此靠近安裝，對CO和CO2進行同時監(jiān)測。很明顯的可以看出 LasIRTM原地實時氣體分析系統(tǒng)的響應(yīng)時間顯著加快，至少比點抽取式分析系統(tǒng) 提前了 15秒，從而對降低氧的消耗 有著積極的作用。結(jié)論作為一種可以原地對煙氣排放和 基于可調(diào)諧二極管激光技術(shù)的LasIRTM 氣體分析系統(tǒng)，工藝流程氣體監(jiān)測

16、的測量工具，已經(jīng)在各個工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光 譜(TDLAS )技術(shù)在測量目標氣體濃度時完全不受 背景氣體的交叉干擾，具有極快的響應(yīng)時間，精準的讀數(shù)。LasIRTM氣體分析系統(tǒng)特別適用于工藝流程中的過程控制，其體積小巧、無需校準、堅固而耐用、幾乎不需要任何的維護，安裝和操作都非常簡單便捷。通過光纖連接可以把分析控制器安置在一個適宜的環(huán)境區(qū)域，遠離實際的現(xiàn)場監(jiān)測點。此外，光學多路技術(shù)可以實現(xiàn)一臺分析控制器同時對數(shù)個監(jiān)測點進行監(jiān)測，因而整套系統(tǒng)的性價比非常 高，全光纖系統(tǒng)可以滿足在防爆區(qū)的氣體監(jiān)測要求。LasIRTM氣體分析系統(tǒng)監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)被用做對各種與工藝生產(chǎn)過程相關(guān)的參數(shù)

17、進行控制和優(yōu)化，從而提高了能源的使用效率、縮短產(chǎn) 品生產(chǎn)時間、改善了產(chǎn)品的質(zhì)量。 References 1. H. A.Gamble, J. T. Pisa no, A. Cha nda, C. Saur, G. I. Mackay and H. I. Schiff,“ Measurerof NH3 in gas and coalfired power plants” , Seventeenth International Forum ProcessAn alytical Chemistry, Scottsdale, AZ (2003. 2. H. A. Gamble, J. T. Pisa

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