激光氣體分析儀在轉(zhuǎn)爐煤氣節(jié)能回收中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐煤氣是煉鋼生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，主要成分是CO，無色、無味、無臭，毒性*。轉(zhuǎn)爐煤氣回收是冶金企業(yè)典型的節(jié)能和安全環(huán)保項目。轉(zhuǎn)爐煤氣回收的安全性由氧氣含量確定，略有疏忽，將釀成嚴(yán)重的火災(zāi)和爆炸事故。因此，使用精密可靠的氣體分析儀器對其進行密切監(jiān)測是轉(zhuǎn)爐煤氣安全回收的重要環(huán)節(jié)。新興鑄管股份有限公司對環(huán)保和節(jié)能減排工作非常重視，煉鋼部對生產(chǎn)過程的煙氣凈化和放散進行了嚴(yán)格控制。在煤氣回收系統(tǒng)，激光氣體分析儀作為氣體含量檢測的重要工具，以其靈敏度高、響應(yīng)速度快的特點，發(fā)揮了很強的優(yōu)勢。本文重點介紹半導(dǎo)體激光氣體分析儀的組成、測量原理和在轉(zhuǎn)爐煤氣節(jié)能回收和治理事故隱患方面的應(yīng)用。

一、半導(dǎo)體激光氣體分析儀組成與安裝

半導(dǎo)體激光氣體分析儀主要由發(fā)射裝置、接收裝置、中央分析儀器和吹掃裝置四大部分構(gòu)成。（見圖1）

1、發(fā)射裝置由激光發(fā)射模塊、光學(xué)視窗和精密光路調(diào)整機構(gòu)等組成，安裝在CO氣體管道上。主要功能是發(fā)射準(zhǔn)直激光束。

2、接受裝置由光傳感器、信號處理電路、光學(xué)視窗和精密光路調(diào)整機構(gòu)等組成， 安裝在CO氣體管道與發(fā)射裝置相對應(yīng)的一面。主要功能是接收發(fā)射裝置發(fā)出的，通過被測氣體后的激光信息，并實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和信號處理。

3、中央分析儀器是儀器的核心部分。主要包括半導(dǎo)體激光器、驅(qū)動、信號處理、鎖相放大、接口電路和人機界面等部分。通過光纖與發(fā)射裝置連接。由激光發(fā)射模塊發(fā)出的激光束，穿過管道中的被測氣體介質(zhì)，被安裝在直徑相對方向上接收裝置中的光電傳感模塊的探測器接收，接收裝置傳回的電信號經(jīng)信號處理和鎖相放大后，模數(shù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號送至以微處理器為核心的信號處理與控制電路，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理后，得到被測氣體介質(zhì)的濃度值。

4、吹掃裝置是為防止被測環(huán)境中粉塵對發(fā)射和接收裝置上的光學(xué)視窗造成污染的設(shè)備單元。吹掃裝置可連續(xù)提供干燥壓縮氮氣，對發(fā)射裝置和接收裝置上的氣體接口持續(xù)吹掃，使光學(xué)視窗前形成一層清潔氣幕，從而對視窗起到清潔保護作用。

二、半導(dǎo)體激光氣體分析儀的測量原理

半導(dǎo)體激光氣體分析儀的測量原理基于朗伯-比爾定律，即Lambert定律：光被透明介質(zhì)吸收的比例與入射光的強度無關(guān)；在光程上每等厚層介質(zhì)吸收相同比例值的光。Beer定律：光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目。

由于半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長的激光束，在穿過被測氣體時，被測氣體分子將選頻吸收光源發(fā)出的光能量，表現(xiàn)為光電傳感模塊探測到的激光透過率發(fā)生了衰減，而此衰減程度與被測氣體的濃度具有強相關(guān)的正比函數(shù)關(guān)系，因此，通過測量激光強度衰減信號就可以分析推算出被測氣體介質(zhì)的濃度值。

三、半導(dǎo)體激光氣體分析儀的性能特點

轉(zhuǎn)爐煤氣分析儀由于采用了半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，從根本上解決了采樣預(yù)處理帶來的響應(yīng)滯后、維護頻繁、易堵易漏、易損件多和運行費用高等各種問題，與傳統(tǒng)的氣體分析測試儀相比具有如下明顯優(yōu)點：

1、儀器一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)了高度智能化的自控自檢，系統(tǒng)運行安全平穩(wěn)，檢測靈敏度高，數(shù)據(jù)可靠。

2、儀器采用光學(xué)原理，對介質(zhì)進行非接觸測量，能夠適應(yīng)高溫、高粉塵、高水分、高流速、強腐蝕等惡劣環(huán)境，操作方便。大大減少了設(shè)備維護工作量。

3、現(xiàn)場原位實時隨機測量，避免復(fù)雜的氣體采樣和預(yù)處理，響應(yīng)速度快，運行成本低，生產(chǎn)效率高。

4、吹掃系統(tǒng)可防止光學(xué)視窗污染，不受背景氣體交叉干擾。

5、模塊化設(shè)計，可現(xiàn)場更換所有功能模塊；可通過網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)氣體分析儀運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6、*激光機設(shè)計，減小風(fēng)機振動帶來影響。無有害氣體排放，有利于安全生產(chǎn)職業(yè)健康和環(huán)境保護。

四、濃度值換算及對回收杯閥的設(shè)置與控制

煉鋼部轉(zhuǎn)爐采用干法除塵，煤氣中含有的飽和水蒸氣，并且水蒸氣在煤氣中的比例不是固定的，所以被煤氣分析儀檢測到的煤氣中的一氧化碳含量值是被稱為濕態(tài)一氧化碳的含量，不具直接引用價值。必須去掉水蒸氣得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，0攝氏度）的所謂干態(tài)下一氧化碳含量值。并以此換算出來的一氧化碳值來控制閥門的動作。

煤氣回收的閥門采用兩個進口液壓杯閥，一個是DN1800放散杯閥，一個是DN2600回收杯閥。在回收側(cè)杯閥后還有一個液壓眼鏡閥。在檢修煤氣冷卻器時可將這個閥門關(guān)閉，防止煤氣泄露。為了回收的安全性，閥門設(shè)計為在自動情況下，放散側(cè)杯閥為開，回收側(cè)杯閥為關(guān)。閥臺帶有蓄能器，如果油泵發(fā)生問題，可閥門正常動作1-2次。

當(dāng)一氧化碳含量過12%并且氧含量小于1%時，放散側(cè)杯閥先關(guān)25%，升高回收側(cè)杯閥前的壓力，直到回收側(cè)杯閥的前后壓差為正0.3Kpa，這時，回收側(cè)杯閥以正常速度打開。這個稱之為升壓過程，目的是防止回收側(cè)杯閥后的煤氣倒流到管道中。當(dāng)回收杯閥全開后，放散側(cè)杯閥則正常關(guān)閉。

當(dāng)一氧化碳含量小于10%時，兩個閥同時動作，直到放散側(cè)全開，回收側(cè)全關(guān)。在事故狀態(tài)下，液壓閥臺上的電磁閥全部失電，閥門依靠本身自重，快速動作。

五、使用效果

自從半導(dǎo)體激光氣體分析儀在線檢測轉(zhuǎn)爐煤氣回收項目投用以來，與傳統(tǒng)采樣預(yù)處理分析相比，激光檢測系統(tǒng)響應(yīng)速度快了15-30秒，提升生產(chǎn)效率3-5%。同時避免了因維護儀表影響煤氣回收問題，進一步提高回收效率。有效實現(xiàn)了煉鋼區(qū)域的降本增效，為公司的整體節(jié)能降耗做出了貢獻。