1. 鋼鐵冶金過(guò)程中煙氣在線監(jiān)測(cè)的必要性
1.1 有利于資源再利用，降低企業(yè)成本
一般來(lái)說(shuō)，每生產(chǎn)1t粗鋼約需2.1×107kJ的能量，約能產(chǎn)生4.2×106kJ的高爐煤氣、4.2×106kJ的焦?fàn)t煤氣及1.0×104kJ的轉(zhuǎn)爐煤氣，副產(chǎn)煤氣約占鋼鐵企業(yè)能源總收入的30%-40%。因此，實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)煤氣的回收再利用可以極大地降低鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)的成本，實(shí)現(xiàn)資源的有效利用。而煤氣是否有回收的價(jià)值，取決于煤氣中CO等能源氣體的濃度，CO和O2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是測(cè)量氣體濃度的關(guān)鍵。
1.2 保證生產(chǎn)行為的安全性
高爐和焦?fàn)t煤氣中的CO濃度較高，它在空氣中的混合爆炸極限為12.5%～74%，只要濃度達(dá)到爆炸極限，遇到明火極容易發(fā)生爆炸。一氧化碳的危害性和爆炸可能性均與其濃度相關(guān)，因此必須采用先進(jìn)的技術(shù)對(duì)煤氣中的CO和O2進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
1.3 環(huán)境保護(hù)的需要
目前我國(guó)現(xiàn)有20余家年產(chǎn)鋼量400-2000萬(wàn)噸的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，其中相當(dāng)一部分企業(yè)高爐煤氣排放量為10-30萬(wàn)m3/H。按照這樣的排放量來(lái)推理可知冶金企業(yè)可以嚴(yán)重影響周圍數(shù)公里的空氣質(zhì)量，造成大氣污染。嚴(yán)重的空氣污染不僅危害著周圍居民的身體健康，同時(shí)惡化了生態(tài)環(huán)境?？傊苯鹌髽I(yè)周邊環(huán)境的質(zhì)量的優(yōu)劣與其排放的CO的濃度關(guān)系密切。
2. 煙氣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀
目前在國(guó)內(nèi)煤氣的非分光紅外氣體檢測(cè)和電化學(xué)檢測(cè)等方法和光譜吸收型激光傳感技術(shù)。其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1：
表1 煙氣在線監(jiān)測(cè)已有技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較
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優(yōu)點(diǎn)
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缺點(diǎn)
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電化學(xué)檢測(cè)法
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體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便
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傳感器性能比較穩(wěn)定，耗電少
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溫度適應(yīng)性比較寬(有時(shí)可以在-40℃到50℃間工作)
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電解液的壽命有限，一般為1年左右
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可測(cè)量范圍窄，在氣體濃度超量程時(shí)探測(cè)器容易受到永久性損壞
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容易受到其他氣體的交叉影響
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非分光紅外氣體檢測(cè)法
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測(cè)量準(zhǔn)確
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待測(cè)氣體交叉影響小
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受水汽和粉塵影響大，需要預(yù)處理，使維護(hù)難度和成本上升
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系統(tǒng)反映時(shí)間長(zhǎng)（通常大于20秒）
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可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)
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待測(cè)氣體的吸收光譜具有高分辨率、高選擇性，不受粉塵、水汽和其他氣體的影響
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速度快、靈敏度高、無(wú)需預(yù)處理
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價(jià)格相對(duì)較高
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3. 鋼鐵冶金行業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)方案
3.1 監(jiān)測(cè)儀器選擇及儀器原理
選取以基于可調(diào)諧二極管（TDLAS）激光吸收光譜技術(shù)的激光在線氣體分析儀（圖1）為本方案中所需的監(jiān)測(cè)設(shè)備。
圖1 天瑞儀器激光在線氣體分析儀GALAS 6V示意圖
這項(xiàng)技術(shù)的基本原理是Lamber-Beer定律（圖2），氣體吸收激光的強(qiáng)度與其濃度成正比，通過(guò)測(cè)量氣體吸收激光強(qiáng)度可計(jì)算出氣體濃度。大多數(shù)氣體只吸收特定波長(zhǎng)的光。激光的發(fā)射波長(zhǎng)隨二極管溫度和電流的變化而改變，激光二極管安裝了半導(dǎo)體制冷器和溫度傳感器使得發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定。
3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)組成
根據(jù)鋼鐵冶金的過(guò)程以及實(shí)際監(jiān)測(cè)需要，安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)由3個(gè)部分組成，分別為轉(zhuǎn)爐煤氣監(jiān)測(cè)、高爐煤氣監(jiān)測(cè)和焦?fàn)t煤氣監(jiān)測(cè)。
3.2.1 轉(zhuǎn)爐煤氣監(jiān)測(cè)
如圖2可見(jiàn)，在回收側(cè)盅形閥/分散側(cè)盅形閥前布設(shè)煙氣在線分析儀，只有當(dāng)通過(guò)CO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得轉(zhuǎn)爐煤氣中的CO濃度在30%以上時(shí)，才打開(kāi)氣體切換站的回收側(cè)盅形閥進(jìn)入煤氣柜儲(chǔ)存，否則通過(guò)分散側(cè)盅形閥通過(guò)放散塔點(diǎn)火燃燒。在煤氣柜前布設(shè)煙氣在線分析儀，只有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)分析保證煤氣柜內(nèi)O2含量不會(huì)超標(biāo)（控制在1%以下）才允許焦煤煤氣進(jìn)入煤氣柜，否則啟動(dòng)停止回收，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
圖2 天瑞儀器激光在線氣體分析儀GALAS 6V在轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)
3.2.2 高爐煤氣監(jiān)測(cè)
如圖3所示，根據(jù)工藝生產(chǎn)和安全要求，高爐煤氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)點(diǎn)位布設(shè)分為以下幾個(gè)部分：
（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)1：高爐煤氣分析，CO和CO2，控制高爐爐況和回收能源氣；
（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)2：分析熱風(fēng)爐煙氣中O2，監(jiān)控?zé)犸L(fēng)爐燃燒狀態(tài)和優(yōu)化燃燒效率；
（3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4：分別為磨機(jī)入口和布袋出口，監(jiān)測(cè)O2是否超限，起安全檢測(cè)和控制作用；
（4）監(jiān)測(cè)點(diǎn)5：監(jiān)控煤粉倉(cāng)內(nèi)CO是否超限，避免煤粉倉(cāng)內(nèi)煤粉自燃。
圖3 天瑞儀器激光在線氣體分析儀GALAS 6V在高爐系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)
3.2.3 焦?fàn)t煤氣監(jiān)測(cè)
如圖4所示，根據(jù)工藝生產(chǎn)和安全要求，焦?fàn)t煤氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)點(diǎn)位布設(shè)位于電捕捉器中，分析控制電捕焦油器中的O2，防止煤氣與O2混合達(dá)到一定比例爆炸。
圖4 天瑞儀器激光在線氣體分析儀GALAS 6V在焦?fàn)t系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)
4. 天瑞儀器激光在線氣體分析儀GALAS 6V系統(tǒng)概述
4.1 性能特點(diǎn)
GALAS 6V系列激光氣體分析儀由于采用了激光半導(dǎo)體二極管吸收光譜（TDLAS）技術(shù)，從根本上解決了采樣預(yù)處理帶來(lái)的諸如響應(yīng)滯后、維護(hù)頻繁、易堵易漏、易損件和運(yùn)行費(fèi)用高等各種問(wèn)題。
4.2 GALAS 6V系列的主要技術(shù)指標(biāo)
表2 天瑞儀器激光在線氣體分析儀GALAS 6V測(cè)量指標(biāo)
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測(cè)量氣體
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O2
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CO
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H2O
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測(cè)量范圍（標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境）
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0-100%
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0-2%
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0-20%
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最低的檢測(cè)限制
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100ppm-v
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1ppm-v
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5ppm-v
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準(zhǔn)確性（包括噪音，線性和重復(fù)性）
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±2%/100ppm
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±2%/1ppm
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±2%/10ppm
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分辨率
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100ppm-v
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1ppm
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5ppm
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響應(yīng)時(shí)間（T90）
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< 2 s
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< 4 s
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< 4 s
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吹掃氣
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0.3~0.8Mpa工業(yè)氮?dú)?
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0.3~0.8Mpa工業(yè)氮?dú)?
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0.3~0.8Mpa工業(yè)氮?dú)?
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待測(cè)氣體壓力范圍
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0.8bar~5bar（絕壓）
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0.8bar~2bar（絕壓）
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0.8bar~2bar（絕壓）
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待測(cè)氣體的溫度范圍
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<80℃
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取樣速率
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1s
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漂移
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可以忽略（在每個(gè)測(cè)量周期小于測(cè)量范圍的2%）
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預(yù)熱時(shí)間
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通常<1分鐘
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工作溫度范圍
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探桿工作溫度范圍 (在線安裝) ：-20 ~ +55℃ （-4~131oF）
光學(xué)端工作溫度：-40 ~+70 ℃（-40~+158oF）（不結(jié)露）
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防護(hù)等級(jí)
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IP66
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4.3 現(xiàn)場(chǎng)譜圖數(shù)據(jù)
下圖為寧夏某鋼鐵廠實(shí)際應(yīng)用GALAS 6V測(cè)量CO和O2的工作圖譜：
圖5 氧氣不煉鋼時(shí)譜圖
圖6 一氧化碳煉鋼時(shí)譜圖
圖7 煉鋼歷史數(shù)據(jù)
