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天瑞仪器：钢铁冶金行业安全气体(CO、O2)监测方案

天瑞俱乐部

2015/03/10

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厂商论坛

钢铁冶金行业安全气体(CO、O₂)监测方案

1. 钢铁冶金过程中烟气在线监测的必要性
1.1 有利于资源再利用，降低企业成本
一般来说，每生产1t粗钢约需2.1×10⁷kJ的能量，约能产生4.2×10⁶kJ的高炉煤气、4.2×10⁶kJ的焦炉煤气及1.0×10⁴kJ的转炉煤气，副产煤气约占钢铁企业能源总收入的30%-40%。因此，实现副产煤气的回收再利用可以极大地降低钢铁冶金产业的成本，实现资源的有效利用。而煤气是否有回收的价值，取决于煤气中CO等能源气体的浓度，CO和O₂在线监测系统是测量气体浓度的关键。
1.2 保证生产行为的安全性
高炉和焦炉煤气中的CO浓度较高，它在空气中的混合爆炸极限为12.5%～74%，只要浓度达到爆炸极限，遇到明火极容易发生爆炸。一氧化碳的危害性和爆炸可能性均与其浓度相关，因此必须采用先进的技术对煤气中的CO和O₂进行实时监测。
1.3 环境保护的需要
目前我国现有20余家年产钢量400-2000万吨的钢铁联合企业，其中相当一部分企业高炉煤气排放量为10-30万m³/H。按照这样的排放量来推理可知冶金企业可以严重影响周围数公里的空气质量，造成大气污染。严重的空气污染不仅危害着周围居民的身体健康，同时恶化了生态环境。总之冶金企业周边环境的质量的优劣与其排放的CO的浓度关系密切。
2. 烟气在线监测技术现状
目前在国内煤气的非分光红外气体检测和电化学检测等方法和光谱吸收型激光传感技术。其优缺点对比如表1：

表1 烟气在线监测已有技术优缺点比较

	优点	缺点
电化学检测法	体积小、操作简单、携带方便传感器性能比较稳定，耗电少温度适应性比较宽(有时可以在-40℃到50℃间工作)	电解液的寿命有限，一般为1年左右可测量范围窄，在气体浓度超量程时探测器容易受到永久性损坏容易受到其他气体的交叉影响
非分光红外气体检测法	测量准确待测气体交叉影响小	受水汽和粉尘影响大，需要预处理，使维护难度和成本上升系统反映时间长（通常大于20秒）
可调谐二极管激光吸收光谱技术	待测气体的吸收光谱具有高分辨率、高选择性，不受粉尘、水汽和其他气体的影响速度快、灵敏度高、无需预处理	价格相对较高

3. 钢铁冶金行业安全生产监测系统建设方案
3.1 监测仪器选择及仪器原理
选取以基于可调谐二极管（TDLAS）激光吸收光谱技术的激光在线气体分析仪（图1）为本方案中所需的监测设备。

图1 天瑞仪器激光在线气体分析仪GALAS 6V示意图

这项技术的基本原理是Lamber-Beer定律（图2），气体吸收激光的强度与其浓度成正比，通过测量气体吸收激光强度可计算出气体浓度。大多数气体只吸收特定波长的光。激光的发射波长随二极管温度和电流的变化而改变，激光二极管安装了半导体制冷器和温度传感器使得发射波长稳定。
3.2 监测系统建设组成
根据钢铁冶金的过程以及实际监测需要，安全生产监测系统建设由3个部分组成，分别为转炉煤气监测、高炉煤气监测和焦炉煤气监测。
3.2.1 转炉煤气监测
如图2可见，在回收侧盅形阀/分散侧盅形阀前布设烟气在线分析仪，只有当通过CO在线监测系统测得转炉煤气中的CO浓度在30%以上时，才打开气体切换站的回收侧盅形阀进入煤气柜储存，否则通过分散侧盅形阀通过放散塔点火燃烧。在煤气柜前布设烟气在线分析仪，只有在线监测系统测分析保证煤气柜内O₂含量不会超标（控制在1%以下）才允许焦煤煤气进入煤气柜，否则启动停止回收，以保证系统的稳定性和安全性。

图2 天瑞仪器激光在线气体分析仪GALAS 6V在转炉系统中监测点的布设

3.2.2 高炉煤气监测
如图3所示，根据工艺生产和安全要求，高炉煤气监测系统点位布设分为以下几个部分：
（1）监测点1：高炉煤气分析，CO和CO₂，控制高炉炉况和回收能源气；
（2）监测点2：分析热风炉烟气中O₂，监控热风炉燃烧状态和优化燃烧效率；
（3）监测点3、4：分别为磨机入口和布袋出口，监测O₂是否超限，起安全检测和控制作用；
（4）监测点5：监控煤粉仓内CO是否超限，避免煤粉仓内煤粉自燃。

图3 天瑞仪器激光在线气体分析仪GALAS 6V在高炉系统中监测点的布设

3.2.3 焦炉煤气监测
如图4所示，根据工艺生产和安全要求，焦炉煤气监测系统点位布设位于电捕捉器中，分析控制电捕焦油器中的O₂，防止煤气与O₂混合达到一定比例爆炸。

图4 天瑞仪器激光在线气体分析仪GALAS 6V在焦炉系统中监测点的布设

4. 天瑞仪器激光在线气体分析仪GALAS 6V系统概述
4.1 性能特点
GALAS 6V系列激光气体分析仪由于采用了激光半导体二极管吸收光谱（TDLAS）技术，从根本上解决了采样预处理带来的诸如响应滞后、维护频繁、易堵易漏、易损件和运行费用高等各种问题。
4.2 GALAS 6V系列的主要技术指标

表2 天瑞仪器激光在线气体分析仪GALAS 6V测量指标

测量气体	O₂	CO	H₂O
测量范围（标准环境）	0-100%	0-2%	0-20%
最低的检测限制	100ppm-v	1ppm-v	5ppm-v
准确性（包括噪音，线性和重复性）	±2%/100ppm	±2%/1ppm	±2%/10ppm
分辨率	100ppm-v	1ppm	5ppm
响应时间（T90）	< 2 s	< 4 s	< 4 s
吹扫气	0.3~0.8Mpa工业氮气	0.3~0.8Mpa工业氮气	0.3~0.8Mpa工业氮气
待测气体压力范围	0.8bar~5bar（绝压）	0.8bar~2bar（绝压）	0.8bar~2bar（绝压）
待测气体的温度范围	<80℃
取样速率	1s
漂移	可以忽略（在每个测量周期小于测量范围的2%）
预热时间	通常<1分钟
工作温度范围	探杆工作温度范围 (在线安装) ：-20 ~ +55℃ （-4~131oF）光学端工作温度：-40 ~+70 ℃（-40~+158oF）（不结露）
防护等级	IP66

4.3 现场谱图数据

下图为宁夏某钢铁厂实际应用GALAS 6V测量CO和O₂的工作图谱：

图5 氧气不炼钢时谱图

图6 一氧化碳炼钢时谱图

图7 炼钢历史数据