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用于干熄焦循环气检测的在线激光气体分析仪

2014/11/13 22:59:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘 要:阐述了在焦化厂干熄焦工艺中对循环气进行在线气体分析的重要性。在介绍了DLAS(半导体激光吸收光谱)技术基本原理的基础上,说明了分析仪的性能特点和基本结构,以及在干熄焦循环气在线检测应用中的优势。实际的应用结果表明,基于DLAS技术的激光在线气体分析仪可以有效地满足干熄焦循环气体在线浓度检测应用的要求。

  0 引言

  干法熄焦简称干熄焦CDQ(coke dry quenching),是目前国内外钢铁企业焦化厂广泛应用的一项先进的熄焦技术。在干熄焦工艺中,惰性气体大多采用N2,随着循环过程的进行,循环气体中的H2和CO成分逐渐增多,并很快形成了由H2、CO和CH4等组成的爆炸性气体。正常生产时,循环系统中的O2含量较低,不会引起爆炸,但当设备出现泄漏点或是在循环风机停止运转时,有空气进入就会发生危险,因此,及时、准确地检测循环气体中O2、CO、H2、CH4的浓度,对保证干熄焦工艺安全生产有重大意义。为了保证干熄焦工艺过程的稳定及安全生产,干熄焦循环气的浓度值通常在允许范围内[1],如H2,≤3%; CO, 8% ~12%; CH4,6% ~10%;O2,≤1%。

  如果爆炸性气体浓度超出安全范围,可以采用向干熄炉循环风道内引入空气,使可燃性气体在高温区内燃烧,降低其浓度;另外也可以充入N2,以稳定循环气系统的气体成分。对循环气体的分析点一般位于循环风机后,此处气体温度为180~260℃,压力为6 kPa(表压),粉尘浓度约1 000 mg/m3。

  在干熄焦行业中,对循环气体分析的传统方法主要是采用顺磁氧表和红外式分析仪来测量O2、CO和CO2[2]。磁氧表通过测量含氧混合气的体积磁化率得到O2浓度值,红外式分析仪则通过测量红外波段的吸收光谱得到CO和CO2的浓度[3]。此类分析仪表对被分析气体有较高的要求,需要配套复杂、昂贵的采样装置和预处理系统以保证进入分析仪表的气体洁净、干燥、稳定。复杂的采样预处理过程使得测量无法实时、连续地进行,势必影响对爆炸性循环气浓度测量的响应速度以及连续性监控。由于预处理过程(除尘、除水、冷却等)会不同程度地改变循环气体的原始组分,影响气体浓度测量的准确性,同时复杂的系统增大了分析仪器对使用环境的局限性以及维护费用。另外,因为对于不同气体,其吸收波长各不相同,但也可能有部分重叠,如果红外式分析仪由于测量的气体红外吸收波段较宽,则在测量时容易产生背景气体间的交叉干扰,造成测量数据的不准确。

  与以上传统气体分析技术相比,基于DLAS技术的激光气体分析仪对干熄焦循环气测量具有很大的优势:不受背景气体对分析测量的交叉干扰;不受粉尘和视窗污染等对测量的影响;可自动补偿温度、压力变化对测量结果的影响,因此,气体分析仪不需要采用复杂的预处理系统,而可直接安装在工况现场,拓展了应用环境。同时激光气体分析仪响应速度快(<1 s)、精度高(≤1% F. S. ),从而可以更准确、更及时地对干熄焦循环气中爆炸性气体浓度进行检测。

  1 DLAS技术原理

  DLAS技术实质上是一种吸收光谱技术,该技术通过检测被测气体分子“选频”吸收光源发出的光能量的衰减来测量气体浓度。但与传统非色散红外技术测量多根吸收谱线共同对光能量的衰减不同, DLAS技术通常测量选择某一好的吸收谱线对光能量的衰减。另外,该技术在每次测量时,使激光频率(或波长)扫描过选择的吸收谱线获得“单线吸收光谱”数据,通过分析此“单线吸收光谱”数据得到被测气体浓度。激光穿过被测气体后的光强衰减可用Beer2Lambert关系[4]来表述:

 

  式中:Iv,0和Iv分别为频率为v的激光光束入射光强和穿过压力P、浓度X和光程L的被测气体后的透射光强;S(T)为温度T时气体吸收谱线的谱线强度;g(v-v0)为描述吸收谱线形状的线形函数;v0为吸收谱线的中心频率。DLAS技术通过电流调制半导体激光器的激光频率,使激光频率扫描整条吸收谱线从而获得完整的“单线吸收光谱”数据,并根据式(1)来测量气体浓度。

  2 性能特点

  2.1 不受背景气体的影响

  DLAS充分利用半导体激光器激光谱宽小于0.000 1 nm的特点,该谱宽远小于红外光源谱宽和被测气体单吸收谱线宽度。同时,激光器频率扫描也控制在非常小的范围,使其仅包含被测气体的单个吸收谱线,因而可以消除被测环境中背景气体交叉干扰影响。

  2.2 不受粉尘与视窗污染的影响

  基于DLAS技术的激光气体分析仪采用调制光谱技术,测量浓度由透过率的二次谐波信号与透射光强的比值决定。激光传输光路中的粉尘或视窗污染会导致两信号等比例下降,所以两信号相比可以消除这种影响。

  2.3 自动修正温度、压力对测量的影响

  在实际测量中被测气体的温度、压力会在一定范围内变化,这将会导致气体吸收谱线的展宽和高度发生相应的变化,从而影响测量结果的准确性。激光气体分析仪可以接收来自测量环境的温度、压力信号,通过特定的温度、压力补偿算法自动修正温度、压力对气体浓度测量的影响,保证了测量的准确性。

  激光气体分析仪所具有的以上性能特点,使其在应用于干熄焦循环气在线浓度分析时无需采样预处理系统、可靠性高、维护费用低;同时该技术不受背景气体的交叉干扰影响,提高了测量准确性;另外,激光气体分析仪可以实时、连续地对干熄焦循环气进行测量,并且测量响应速度快,这样提高了干熄焦工艺的安全保障,所以与传统分析方法相比有明显优势。

  3 仪器基本结构

  激光气体分析仪由发射装置、接收装置、吹扫装置和中央分析仪器组成,发射装置和接收装置直接安装在被测烟气管道的两侧即可实现在线气体的浓度分析。测量激光束由发射装置发出并穿过被测环境后,被安装在接收装置的传感器接收,接收装置将检测信号传送到中央分析仪器,然后由中央分析仪器完成对过程气体的检测分析和输出控制,由此得到被测气体的浓度结果。吹扫装置控制工业用N2对发射、接收装置的光学视窗进行吹扫,避免煤气中粉尘长期污染光学视窗而造成激光透射光强的大幅下降。另外,本分析仪还满足防爆要求,可安装在爆炸性工业现场环境。

  4 现场应用

  激光气体分析仪已经在实际的干熄焦循环气检测系统中得到了成功应用。干熄焦工艺流程如图1所示,从熄焦室出来的高温循环气经过除尘设备以及锅炉(温度降低)后再由鼓风机送入熄焦室底部,气体浓度分析点就位于循环鼓风机的出风口,实时、连续地监控生产过程中循环气浓度成分。当测量发现循环气中爆炸性气体浓度超出安全范围,就可以及时做出处理,使循环气中爆炸性气体浓度始终处于安全范围内。

  图2所示的是干熄焦循环气中用激光气体分析仪测得的CO、CO2和O2气体浓度在生产过程的变化曲线。

 

  从以上现场测量数据可以发现,激光气体分析仪可以实时、准确、快速地测量干熄焦循环气中CO、CO2、O2的浓度变化,为干熄焦工艺提供有效的安全保证。

  5 结束语

  激光气体分析仪无需采样预处理,实际应用的结果表明:系统可靠性高、维护方便;测量不受背景气体的交叉干扰,测量准确性高;可以实时、连续地进行测量,并且响应速度快;不受粉尘与视窗污染的影响,恶劣工业环境适应能力强,所以该分析仪可以满足干熄焦循环气体浓度监测的需要,提高干熄焦工艺生产的安全与可靠性。

  参考文献

  1 贺西绢.干熄焦循环气体成分的分析和控制[J].燃料与化工,2003,34(1):6-7.

  2 王晓生,杨忠旭.气体分析仪技术在干熄焦的应用[J].燃料与化工,2005,36(2):28-29.

  3 徐继红,周长华,在线循环气体分析系统在济钢干熄焦生产中的应用[J].冶金自动化,2001,25(5):68-69.

  4 WANG J, MAIOROVM,BAER D, et a.l In situ combustionmeas2urements ofCOwith diode2laserabsorption near2.3μm[J]. AppliedOptics, 2000,39: 5 579-5 589.

  5 潘立慧,魏松波.干熄焦技术[M].北京:冶金工业出版社,2005.

  第一作者:俞大海,男, 1978年生, 2006年毕业于武汉大学物理系,获硕士学位;主要从事气体浓度分析仪器的研究。

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