磁氧分析仪在喷煤制粉系统中的应用与研究

沈立春

(上海梅山钢铁股份有限公司炼铁厂，江苏 南京 210039)

0 引言

在高炉的冶炼过程中，向高炉炉内喷吹具有良好可燃性的煤粉是现代高炉工艺操作过程中的一项重要工艺环节。它一方面可以改善高炉的操作环境，降低冶金焦炭的使用量;另一方面可以大幅度降低炼铁生产成本。在高炉喷煤制粉工艺中，由于烟煤比无烟煤更具有可磨性及更好的经济效益，因此，目前的高炉喷煤都以大量喷吹烟煤为目标，以降低无烟煤的用量。但是烟煤存在易爆炸性，除了温度以外，促使烟煤发生爆炸的一个重要因素就是制粉系统中O2的含量。这是烟煤制粉过程中必须解决的技术问题。

随着现代电子科技的发展，磁氧式氧气分析仪已广泛应用于各种制粉工艺系统中，用于制粉系统O2浓度的检测，为制粉系统的安全提供了保障［1］。梅山炼铁厂2#高炉于2004年4月建成投产，其配套的制粉系统共有A系列和B系列两个系列。这两个系列的制粉系统分别用于磨煤机出口、布袋除尘器出口及煤粉仓的O2浓度检测，其使用的磁氧式氧气分析仪为日本YOKOGAWA公司的MG8G系列产品。

1 系统组成及工作原理

在梅山2#高炉制粉系统中，磁氧式氧气分析系统主要由标定系统、吹扫装置、PLC控制系统、样气过滤及处理系统、PLC控制系统、样气处理单元等组成。氧气分析系统的结构框图如图1所示。

图1 氧气分析系统结构图Fig.1 Structure of the oxygen analysis system

1.1 样气采样及吹扫系统

1.1.1 样气采样系统

在MG8G型磁氧式氧气分析系统中，其样气采样系统配置双探头取样分析系统。双探头取样是指:其中一只探头取样，另一只探头吹扫，两只取样探头交替取样和吹扫，以保证系统进行不间断采样分析。吹扫过程中不存在检测盲区［2］。系统采用全不锈钢双取样探头，采样探头内置特殊设计的高效过滤器。该探头是根据高炉喷煤制粉系统的工况进行特殊设计和制造的，探头设计新颖，具有伴热和保温功能;过滤芯更换方便且可清洗重复使用。在正常的工作过程中，样气中的粉尘可在探头的内置过滤器中得到充分过滤和分离，经过过滤的样气进入样气处理系统。

1.1.2 样气吹扫系统

由于制粉系统中的样气含有大量煤粉，长期使用容易堵塞采样探头的过滤器。为了保证取样探头长期使用的稳定性和可靠性，必须对采样探头进行定期吹扫，吹扫功能由PLC控制系统实现。系统吹扫方式分为自动和手动两种，由选择开关来完成，并由人工根据采样探头的实际工况来选择。正常运行时使用自动方式，只有当某一个采样探头出现故障时，才使用手动方式。采用自动方式时，PLC程序按照设定的时间定期自动吹扫取样探头，其中一只探头取样，另一只探头吹扫，以保证检测系统的连续性;采用手动方式时，由人工选择需要进行吹扫的采样探头［3］。样气采样及吹扫管路如图2所示。

图2 样气采样及吹扫管路图Fig.2 The layout of gas sampling and purging piping

1.2 样气的过滤及处理系统

经过采样探头预处理的样气进入样气处理系统。该样气还含有少量的煤粉和水分，必须进行再次过滤和脱水才能进入分析仪表。在MG8G型磁氧式氧气分析系统中，样气的过滤及处理系统主要由采样泵、过滤除水装置、样气调节单元三个部分组成。采样泵是分析系统在样气为负压状态下必不可少的系统部件之一。当被检测气体为负压时，通过采样泵抽取样气送入分析仪表进行分析，本系统中采样泵选用日本进口隔膜泵。除水装置采用压缩机式冷凝器，并自动排水。样气经过脱水后，再经金属过滤器、膜式过滤器过滤，过滤后的样气进入样气调节单元。样气调节单元主要是对合格的样气进行压力和流量的控制，以满足MG8G型磁氧式氧气分析仪的要求［4］，保证分析仪的稳定性和精度。

1.3 工作原理

MG8G磁氧分析仪主要由信号检测单元和信号转换两部分组成。由于样气的顺磁特性，测量单元不受共存气体的影响，具有高度感应性和快速响应性［5］。分析仪原理示意图如图3所示。

图3 磁氧分析仪工作原理示意图Fig.3 Operational principle of the magnetic-oxygen analyzer

分析仪工作原理介绍如下。

与其他气体相比，氧气具有顺磁特性。在一个不均匀的磁场中，由于其具有顺磁性，样气分子会朝着磁场增强的方向流动，当两种含O2浓度不同的气体在一个磁场中相遇时，在图3所示的微型流量传感器处会产生压差ΔP。参比气通过图3中的参比气入口进入，经过限流器限流，再经过参比气通道进入到样气室。样气通过采样气入口进入到样气室，一部分参比气和样气在顺磁检测区相遇。由于两个通道是相连的，因此在微型流量传感器中会产生压差ΔP，压差ΔP的大小正比于样气中O2的浓度。微型流量传感器检测该流量并将其转换成电信号输出;该电信号被送至信号处理和转换单元进行处理，最终输出标准的4～20 mA电流信号［6］。

1.4 PLC 控制系统

电子技术的发展大幅提高了可编程逻辑控制器PLC的稳定性、可靠性及抗干扰性。PLC广泛应用于工业控制中，完成各种复杂的控制和计算功能［7］。本控制系统采用YOKOGAWA公司F3SP21系列小型PLC系统。该系统由电源模块、CPU、数字量输入/输出模块组成，它能够完成采样、吹扫、标定及故障报警等顺序控制功能。系统结构简单，运行稳定。

1.5 标定系统

在运行使用一段时间后，磁氧分析仪由于外部或仪表本身原因，其零点和线性度会产生漂移，出现显示误差等现象。为了提高仪表检测精度，必须定期对其进行零点和量程的标定［8］。标定系统由标准气、管路系统及各种阀门组成，以完成对分析仪零点和量程的标定。

2 维护及故障排除

在高炉制粉系统中，磁氧分析仪是一个至关重要的检测设备，其运行的稳定性和可靠性直接影响制粉系统的设备安全和人身安全。因此，必须有计划地进行维护，以防止设备发生故障或减小因故障而产生的种种损失。为了在早期发现分析仪系统故障，有必要进行定期的日常检查［9］。

2.1 日常维护

在正常运行过程中，需要对磁氧分析仪进行日常的维护和点检，主要包括以下几个方面。

①显示校验:仪表在运行一段时间后，由于外界或仪表本身的原因，磁氧分析的零点会发生漂移或显示值出现偏差，影响了检测精度，此时需要对其进行零点和量程校验，一般校验周期为3～6个月。

②标准气的检查:检查标准气的压力是否符合要求，更换标准气后，要按照新标准气的参数对分析仪进行重新标定。

③水箱水位检查:要定期对水箱水位进行检查，使其水位保持恒定，以符合要求。

2.2 常见故障的排除

常见故障及其排除方法介绍如下。

①显示波动:检查样气流量范围有无大的变化，分析仪管道是否有泄漏;在维修模式下，检查检测单元恒温室温度是否正常，该温度应维持在60℃。

②标定时显示漂移:当标定过程中显示值发生漂移时，检查标准气流入的压力是否正常，标定气管路压力可以通过减压阀来调节。

③抽气泵不工作:检查分析器是否在取样状态，抽气泵的电源是否正常，PLC是否有输出。

④探头氮气反吹不正常:检查氮气压力是否正常，过滤器是否堵塞，氮气反吹管路是否堵塞，反吹电磁阀工作是否正常。

3 结束语

磁氧分析仪是用来分析气体混合物中O2浓度的仪表，一般包括采样预处理系统、检测单元、信号放大及显示单元和顺序控制系统［10－12］。分析仪在冶金行业中使用领域很广，用量也较多，尤其在高炉制粉系统中，分析仪是高炉制粉系统中一个重要、必不可少的安全环保设备。梅山磁氧分析仪自2004年在高炉制粉系统投用以来，设备运行稳定、可靠，检测精度高。在日常维护中，除了更换过滤网以外，几乎没有故障发生，仪表标定方便，为制粉系统的安全运行提供了可靠的保障。

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