新型高精度快速高炉煤气取样机分析系统.doc

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新型高精度快速高炉煤气取样机分析系统
摘要：介绍了一种高炉煤气取样机分析系统，该系统具有分析精度高、反应速度快的特点，采用红外分析仪分析CO与CO2，热导分析仪分析H2，系统已成功得到应用。
关键词：高炉，煤气，取样，分析系统

The Analyzing System with High Accuracy and Fast Response for the Blast Furnace Coal Gas Sampling Machine
Zhang Kehong Pan Anjun
Baoshan Iron and Steel Co.Ltd.,Shanghai 201900

Abstract: A type of sampling and analyzing system for the blast furnace coal gas has been introduced. The system possesses the high accuracy and the fast response. The infrared analyzer is used to analyzing CO and CO2. The thermal conductivity analyzer is used to analyzing H2. The system has been putted into operation successfully.
Key words:: Blast furnace, Coal gas, Sampling，Analyzing system

1．概述
高炉炉身煤气取样机用于高精度、全自动化地对高炉炉身煤气进行取样和分析。快速、准确地探测炉身上部径向煤气（CO、CO2、H2）成份和温度分布状况，为高炉生产操作和调整工艺，特别是布料提供重要的依据，是指导高炉生产的重要检测设备。
分析系统在工作时，可以在前进时进行气体取样，也可以在后退时进行气体取样。每次取样需要沿炉身径向方向等距离取出若干位置的煤气样气与温度值。煤气样气经预处理后送入分析仪，分析仪将分析得到的煤气成份值和温度测量值传送至主工艺计算机控制系统。以上的逐点测量过程一般应在30分钟周期内完成，因此对分析系统不仅要求取样速度快，而且要求相邻点的测量互不影响，确保在每一个取样位置所取的样气必须唯一地代表该位置的煤气成份和温度。因此，分析点数多、分析周期短、分析精度高是高炉煤气取样分析系统的几大特点，同时也是设计中的几大难点。
本文介绍的分析系统成功地解决了以上问题，已顺利投入运行。
2．系统组成
分析系统如图1所示。图中PV1～PV9是气动球阀，SV1～SV8是电磁阀。本系统由预处理系统与仪表系统两部分构成，为方便检修，预处理系统为开放式机架安装。分析系统的取样口与测温口经不锈钢管与取样机本体连接。取样机与分析系统由PLC集中控制。
在取样开启后，样气由取样口经气动球阀PV1、PV2进入预处理系统。样气在预处理系统经两级过滤器、减压阀、冷凝器、干燥器、薄膜过滤器完成除湿和二次除尘，冷凝器分离的水由排水罐排出。采用一台双组份红外分析仪与一台热导式氢分析仪对上述处理过的样气进行分析。样气由电磁阀SV1、SV3控制进入分析仪，不进入分析仪的样气由排放管线排向大气。

图1 煤气取样分析系统

3．系统特点
3．1 提高成份分析的精度与反应速度
为提高成份分析的精度与反应速度，系统具有以下功能：
取样管氮气排放：在待机状态，从取样头直至分析系统取样口的数十米取样管内充满氮气，这些氮气在取样前必须快速排放，否则严重影响系统的反应速度。本系统在取样前，利用炉气的正压，通过气动球阀PV1、PV4将取样管内的氮气迅速排放，从而提高了系统反应速度。
反吹氮气排放：在取样时，由于炉气压力小于管道氮气压力，为保证测量精度，必须确保聚集在反吹管道中的氮气不进入取样管道。为此，本系统在取样时，开启电磁阀SV6，不仅能将氮气排放，而且由于SV6通向大气，即使管道氮气存在一定泄漏，也不会进入取样管路，保证了样气的纯度。
分析仪清零：在切换取样点时，为保证当前测量不受前一测量值的影响，通过电磁阀SV5将氮气引入分析仪实现测量前清零。
3．2 提高温度测量的精度与反应速度
为提高温度测量的精度与反应速度，系统具有以下功能：
传感器降温：切换测点时，为保证当前测量不受前一测量值的影响，通过气动球阀PV8引入氮气，实现温度传感器在本次测量前的降温处理。
排放降温氮气：测量时，通过气动球阀PV7将氮气迅速排放，以提高温度测量的反应速度。
3．3 保证管道畅通的三种反吹
反吹气体选用现场管道氮气。
微量反吹：在待机时，为避免具有正压的炉气进入分析系统，堵塞取样管与测温管道，将压力高于炉气的氮气引入进行微量反吹，由电磁阀SV7、气动球阀PV5、PV9实现，氮气流量通过流量计调节。
脉冲大量反吹：工作中，在两次取样之间探头前进或后退时，对取样管进行大气量脉冲反吹，为下一位置的取样清洗管道。氮气经电磁阀SV7、气动球阀PV3、PV1实现反吹。
过滤器反吹：当结束一周期多点测量时，对一级过滤器进行单独反吹，以确保其除尘效果，反吹经电磁阀SV7、气动球阀PV6、PV4实现。
3．4 四级温控与四级过滤
气体分析系统除需保证测量精度与反应速度外，还要保证进入分析仪的样气是干燥清洁的气体。因此预处理系统要解决样气的分段温度控制，使其在冷凝器前不析出水份，在分析仪前达到干燥。样气的清洁则靠多级除尘与过滤实现。
四级温控：在取样机本体与分析系统之间的不锈钢取样管采用蒸气伴热。在预处理机架内的重要管道采用电伴热，图1中 的伴热管路两侧加画虚线表示。经两级伴热后确保样气在进入冷凝器前无冷凝水析出。经一级过滤后的样气进入电子冷凝器进行一次冷却除湿，其冷凝水定时经电磁阀SV8排放。经二级过滤后的样气经干燥器进行二次冷却除湿，其冷凝水经半渗透管进入干燥器外套管随流动的压缩氮气排放。经两级冷却除湿后确保样气在进入分析仪时达到干燥要求。
四级过滤：在取样机本体上进行初级除尘过滤。在冷凝器前进行一级过滤，不锈钢烧结滤芯，过滤精度为20μ。在干燥器前进行二级过滤，高分子滤芯，过滤精度为5μ。在分析仪前进行三级过滤，玻璃纤维滤纸，过滤精度为0.2μ。经四级过滤后确保样气在进入分析仪时达到清洁要求。
4．气体分析原理
根据煤气取样分析的组分与浓度，系统选择红外分析仪分析CO与CO2的浓度，选择热导分析仪分析H2的浓度。
4．1红外气体分析原理
红外气体分析原理基于物质吸收红外线辐射后将产生能级跃迁的现象，由于不同物质在能级跃迁时具有不同的量子化特性，因此物质对红外线辐射的吸收是有选择性的，某种物质只能吸收某些波长的红外线辐射。

图2 红外气体分析原理图
图2表示红外气体分析仪的基本原理与组成。两路红外线光源发出的红外线经抛物面聚光后形成平行光束，射入两个相同的滤光气室。滤光气室内充满被测气体中的干扰组分气体，比如测量CO时充以CO2与CH4，这些气体将光源中含有的干扰组分气体的特征吸收谱线全部吸收掉，使经过滤光气室后的红外线不再和干扰组分发生作用。从滤光气室射出的两束红外线一束进入参比气室，另一束进入测量气室，参比气室一般通以纯氮气。当测量气室中的样气中不含有被测组分时，进入薄膜电容接受器两个气室的测量光束与参比光束辐射通量相同，电容器没有输出，显示器指零。当样气中含有被测组分气体时，测量光束中的红外线将被部分吸收，使得进入薄膜电容器的测量光束的辐射通量减小，电容器两侧气室产生压力差使电容器电容发生变化，显示器输出相应的被测组分的浓度。直接测量电容器的电容变化量是困难的，为此，利用微型步进电机带动切光片转动，使得两束红外线周期性地进入滤光气室，实现对两束红外线的调制。因此，电容器的输出是与调制频率相同频率的正弦量，被测组分的浓度与电容器电容振幅的增量成正比。
红外气体分析仪适于分析一些具有非对称结构极性分子的气体浓度，如CO、CO2、CH4等。不能分析O2、H2等对称非极性分子的气体浓度。
4．2 热导气体分析原理

图3 热导气体分析原理图
热导气体分析原理基于不同气体具有不同的导热率。当被测组分的导热率与混合气体中其它组分的导热率相差很大时，混合气体的导热率与被测组分的体积百分含量存在线形关系。
图3中，测量气室中与参比气室中的铂电阻与气室外的两只固定电阻构成惠斯登电桥，在供桥电流作用下，铂电阻达到100℃左右的工作温度。当进行零点校准时，测量气室中通入与参比气室中相同的气体（通常用纯氮气）,此时两气室中气体的导热率相同，两铂电阻温度与阻值相同，电桥输出为零。当样气通入测量气室时，测量气室中的导热率发生变化，使该气室中的铂电阻温度与阻值发生变化，电桥产生输出电压，该输出电压随样气中被测组分的浓度而改变，从而达到测量目的。
热导分析仪的测量条件是被测组分的导热率与混合气体中其它组分的导热率相差足够大。由于氢气的导热率在一般工业气体中是最高的，且比其它常见工业气体（如氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳等）的导热率高很多倍。因此热导式分析仪成功地用于氢气浓度测量。
5．运行效果
系统投入运行后，达到了生产所要求的分析速度与测量精度，为指导高炉生产提供了重要的工艺数据。

参考文献
[1] 朱良漪等，分析仪器手册，北京，化学工业出版社，1997.5
[2] 张宏勋，过程分析仪器，北京，冶金工业出版社，1984.11
[3] 叶江祺等，热工仪表和控制设备的安装，北京，水利电力出版社，1983.7

(文章来源：中国冶金装备网 )
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