探讨激光气体分析系统在冶金热炉气净化中的应用

王心量

（山信软件股份有限公司莱芜自动化分公司，山东 济南 271104）

我国经济正处于高速增长，作为经济主要构成的工业，已经社会各个群体关注对象。工业生产不仅需要消耗大量原材料，其在生产中产生各类废气废物，对于自然环境则是更为长远影响。在社会影响下，工业开始对废物废气排放进行处理，较为典型当属冶金热炉气的净化工作。而负责检测净化质量的激光气体分析系统，旨在采用合适方式全面研究。

1 激光气体分析系统在冶金热炉气净化中的应用意义

1.1 应用案例

某企业拥有1套每年60万吨生产能力捣固焦炉，并在后续根据业务需求，改扩为每年130万吨生产能力。在冶金过程中会产生大量烟气，热炉气是烟气主要成分，而氢气占总气体含量55%至60%，甲烷则是占总气体含量23%至28%，CO仅有5%至8%。爆炸范围从5%至30%不等，一旦烟气混入空气，则会形成易燃易爆围岩气体。冶金热炉气拥有每立方米16.74至18.83兆焦耳的发热值。为在冶金过程中降低能源消耗，提升环保质量，实现负能冶金，需要将冶金热炉气作为研究对象，进行充分净化与积极回收，将其二次应用在锅炉、制甲醇工业生产设备中，让其可以作为化工原料二次使用[1]。冶金热炉气回收利用流程如图1所示。

图1 冶金热炉气回收流程图

1.2 应用意义

在工业冶金时，会产生较多热炉气，对其进行净化时，要确保实时收集数据信息，而对于焦油器的出口位置，需要严格检测氧气含量，因为热炉气的氧气含量一旦超标，将会造成严重安全问题。其工作原理可以理解为热炉气在进入设备后，会进入电场空间内，而高压电场创造高压环境，会让气体分子发生电离现象。又因为热炉气内含焦油微粒，大多数是已经携带负电荷，而这些电荷会沿着电力线的方向，产生吸附现象，在将电荷释放后，则构成不携带任何电荷的油粒，而油雾粒子会通过这种方法增加数量与规模，从而全部凝聚在极板位置。而作为最后产物的油滴，在会重力吸引下，流淌到设备最下方，最后通过排污口从设备中流出，通过泵把油滴打入澄清槽[2]。而焦油器则是通过具有高压条件的电场，让气体分子产生电离，所以会在作业时出现火花，如果热炉气内部氧含量与混合气体爆炸极限相接近，就极易产生爆炸危险，对于一线员工人身安全以及设备都会造成严重影响。如果仅通过人工方式检测热炉气的氧含量，不仅会造成时间、人力等资源浪费，在实践应用重要也会存在危险性，同时因测量结果是较为滞后，无法确保测量数据，所以需要应用全自动化科学检测装置，实现热炉气含氧量检测。本文以湖北锐意自控系统有限公司自主生产的GasTDL-3100在线气体分析仪，作为检测热炉气的含氧量工具使用。

2 GasTDL-3100分析仪构成和测量原理

2.1 构成简述

GasTDL-3100分布式半导体激光在线气体分析仪，可以实现在多种高温、粉尘、以及强腐蚀诸多恶劣条件下进行现场测量并分析气体浓度。该分析仪使用高集成化设计方案，整体由各个功能模块组成。该系统重要模块由数据处理、激光发射、激光接收三个单元构成。同时，系统增加配氮气吹扫环节，可以使用机械风将光学元件充分吹扫，有效避免灰尘对系统造成污染，降低焦油凝结概率。可以使用图2内容表达其真实结构。

图2 GasTDL-3100结构示意图

通过发射单元，对激光发射器产生驱动动作，并发射具有预设频率激光束，将其穿过待测气体，通过接收单元对激光信号光电转换，从而构成检测信号，再把检测信号重新发射单元，发射单元则负责把发射与检测信号全部传输至数据处理单元，通过对照光谱，进行数据处理与分析，从而获得实际测量。

而本文应用该分析仪使用原位安装，发射与接收单元可以借助连接单元，将其直接安装于过程管道，而数据处理单元则要安装于不会因气体影响的安全区域。

2.2 测量原理

该仪器测量原理为根据激光吸收光谱，对于气体完成分析测量工作，并借助气体分子对激光完成筛选工作，从而以选择性方式吸收，构成吸收光谱，从而对气体浓度科学测量[3]。而激光器将激光束向外发射，这种具有特定波长作为特点的激光是只会被待测气体充分吸收，从而避免产生光束损耗。而激光穿过气体，其强度则会逐渐衰弱，但是却和待测气体的实际浓度构建相应函数关系。所以，可以借助通过研究激光强度在穿过气体后产生衰减情况测量，从而反向获得待测气体真实浓度。而该气体分析仪，发射单元向待测烟道发射激光束，而接收单元则会接收激光束，而数据处理单元则可以针对接收对测量信号采用数据采集，并做好数据分析。因为光强度实际衰减值会和探测光路内待测气体含量保持正比关系，可以借助整理激光衰减情况，反向计算待测气体真实浓度。

3 GasTDL-3100特点与应用

在GasTDL-3100激光气体分析仪于该企业应用以来，保持良好运行状态，而且在对坡年使用与维护中逐渐积累丰富经验，现将其进行整理。

3.1 设备特点

该分析仪借助单线光谱应用技术，所以真实应用激光光谱较窄，相较于待测气体实际吸收谱线要小，从有效避免因背景气体组分造成被测气体出现交叉干扰，相较于以往红外测量应用技术，更具有使用优势。同时，通过原位测量，对于管道内部待测目标气体可以做到直接测量其浓度，舍去以往复杂操作采样方法，从而大幅度降低极大采样时间，提升工作效率，也可以有效提升设备使用灵敏度，提高响应速度。而其数据处理单元则以待测气体当前温度与实时压力，及时修正测量结果，有效避免在外界因素影响下，造成测量结果负面影响。同时，该分析仪具有较强智能化，并采用模块化优化设计，无论是实际操作还是后期维护都具有便利性。

3.2 实际应用

3.2.1 透过率

作为测量仪器应用具有重要意义测量参数，透过率是该分析仪重点关注内容，测量要求设备拥有90%以上透过率[4]。可以实际使用条件下，被测热炉气会中有较多焦油、灰尘，以及部分容易发生结晶反应化学物质，极易附着于测量元件。而在长时间不断积累中，会对测量光路造成堵塞，让从激光穿过热炉气真实透过率下降，进而产生较为严重测量误差。针对这种情况，该分析仪为测量仪器增加吹扫功能，通过具有稳定化学性质的氮气，将仪表进行，而且氮气作为与测量无关的背景气体，并不会影响测量结果。而且保持合适压力与流量的吹扫气体，可以稳定保障光路通畅，进而提升透过率。如果待测环境相对恶劣，就要求具有较大压力与流量的吹扫气体大。而吹扫装置也提供压力与流量调节条件，通常情况下，氮气流量控制在每分钟55升至65升，而压力则控制在0.1兆帕至0.3兆帕。

3.2.2 准确性

因为热炉气管道实际待测气体无论是压力还是温度，都会发生实时变化，使用通常测量方法难以保证实际结果。所以，为提升测量准确，需要将待测气体压力与温度信号一并增加至数据处理单元，利用相关计算公式，以待测气体实际浓度测量采用适合的温压补偿，确保测量结果具有较高准确性。也需要考虑到仪器标定是否具备准确性，对测量准确性产生直接影响，所以要选择符合测量要求多种浓度标准气体完成测量仪器的标定工作。通过纯度99.99 %氮气，对测量仪器标定零点，并使用2%含氧量标准气体标定上限。为提升检测结果精度，则要使用人工检测和仪器检测进行简单对比，确认二者是否可以具备相似测量结果，产生误差是否在实际允许范围。

3.2.3 报警功能

该分析仪所有探头均具有报警功能。报警继电器需要由用户根据实际生产需要预先设定气体报警浓度的上下限，当分析仪在检测中发现气体浓度已经超出设定报警浓度限值时，通过自动释放继电器，激活报警，提醒相关工作人员现在气体浓度已经越限。同时，为了提升焦油器生产的安全性，则要针对焦油器控制系统，和分析仪测量氧气浓度数据信号构建联锁关系。例如在分析仪检测氧气浓度已达0.8%，系统在自动报警，而氧气浓度超过原设定值的1.0%，分析仪则会和焦油器触发以前设定联锁控制系统，由系统对焦油器停止当前所有活动，并通过声光报警器，提示相关人员当前氧气浓度已经超标，让维修人员在最短时间内叨叨现场，将问题控制在较小范围内，从而确保焦油器可以顺利运行。

4 结论

激光气体分析系统可以稳定提升冶金热炉气含氧量检测准确性，并提升检测稳定性，从而有效稳定生产，减少冶金热炉气对环境污染系统。但是企业在实际应用中仍需要提升一线工作人员专业素质，从而降低在应用中出现人为失误，造成监测准确率下降。并在工作中不断总结经验，针对系统故障问题做好处理与记录，进而提高分析系统应用价值。