8煤气分析仪在煤气成份测量上的应用

煤气分析仪在煤气成份测量上的应用摘要：煤气的成份、热值、氧含量等数据的测量，对钢铁制造行业里极为重要。根据测试目的的不同，可分为工艺控制、安全监控、热值测量和燃烧监控等。实际应用中的气体分析系统中，大多是采用红外气体分析仪测量煤气成分中的CO、CO2、CH4、CnHm的浓度，采用热导氢分析仪测量煤气成分中的H2浓度，采用电化学或顺磁氧分析仪测量测量煤气成分中的O2浓度。关键词：分析仪；煤气成分；煤气热值0引言钢铁厂在生产过程中产生的各种煤气可充分回收利用，煤气经过加压、压缩、除焦、混合等工艺处理后，再输送到其他需要煤气的区域使用，以实现节能减排的目的。而煤气的成份、热值以及氧含量等各种数据，是煤气的精确配比、存储、安全使用的保证。其中高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气是煤气分析的主要测量对象。1正文1.1气体分析仪介绍1.1.1Gasboard-3100煤气分析仪Gasboard-3100煤气分析仪是武汉四方光电科技有限公司自主研发和生产的气体分析仪。该分析仪一次最多能够测量六种气体组分，可集成红外、热导、电化学等三种测量原理的气体传感器。仪器可实现空气自动调零，降低了标定校准频率；可自动修正大气压力变化，保证测试精度；可根据气体成分自动计算煤气热值，替代燃烧法热值仪；仪器还具备数字和模拟输出功能，可充分满足现场连续监测的要求。1.1.2准确可靠的H2测量Gasboard-3100煤气分析仪采用了热导传感器测量煤气成分中H2的浓度。热导测试方法主要用于二元气体或准二元气体混合物中氢气的定量分析。钢铁厂产生的煤气主要有高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气，这些煤气成分复杂，必须考虑其他气体对H2测量的干扰影响。不同气体的热导系数差异较大，影响也就不同。常见气体的热导系数如下表所示：气体类型热导系数分子量K(0ºC)mW/KmK(25ºC)mW/KmMKg/kmolCO21416.444.0CH4303416.0H21741802.0O22526.232.0N22426.028.8CO2325.828从上表可以看出，煤气主要成分中CO、O2与背景气N2的热导系数相当，对H2的测量结果影响不大，但是CO2、CH4对H2测量影响明显。通过理论分析及实验表明，如果气体成分中含有CO2，会使H2的测量读数偏低；如果气体成分中含有CH4，会使H2的测量读数偏高。因此为了得到准确的H2含量，应对H2浓度进行CO2、CH4的浓度校正。GASBOARD-3100煤气分析仪对煤气的各气体成分进行分析，并将各种气体的相互影响进行了浓度修正和补偿，消除煤气中其他成分对H2的影响，保证了H2测量值的准确性。此外由于热导传感器的基本原理是通过对气体流动带走的热量进行换算，如果采用直接流通式的热导检测池，很难控制气流，流量大小直接影响H2的读数；GASBOARD-3100煤气分析仪采用了专利的旁流扩散式的热导检测池（见热导专利ZL200620098454.3），流量在0.3―1.5L/min的范围内变化对热导的测量没有影响，减少了因流量波动造成H2测量的误差影响。1.1.3准确可靠的CH4测量为了得到精确的煤气热值，煤气分析仪还必须实现CH4、CnHm精确测量。大多数红外分析仪仅以CH4为测试对象，折合成碳氢化合物总量计算热值。煤气成份中，特别是焦炉煤气，除甲烷外，还含有其他碳氢化合物等成分。根据红外吸收原理，如图1，乙烷等碳氢化合物在甲烷的特征波长3.3um左右有明显吸收干扰。当煤气中其他碳氢化合物含量较大时，CH4的测试值会明显偏大，导致热值测试不准，其热值测试值也无法保证精度。00.050.10.150.20.250.30.353.13.23.33.43.53.63.7甲烷乙烷丙烷丁烷图1：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的红外吸收光谱GASBOARD-3100红外煤气分析仪采用了特殊的气体滤波技术，可实现无干扰的CH4测量，能准确反应混合煤气中CH4和CnHm成分的实际变化，有利于煤气成分和热值的准确分析。1.2在线气体分析系统1.2.1系统构成在煤气测量领域，仅仅有气体分析仪器是无法单独完成测量任务的，这是因为煤气中除了含有CO、CH4、C3H8、H2、O2等气体成份外，还含有少量的焦油，粉尘，以及以气态形式存在的水蒸气等杂质，如果在气体进入分析仪器前不能及时有效的将其中包含的这些杂质除去，气体分析仪器的传感器将很快被污染，其结果是气体分析仪器损坏。因此在气体进入分析仪器前对气体进行有效的净化处理是十分必要的，这一部分被称为气体分析系统的预处理单元。一套在线气体分析系统通常由四个单元构成，分别是取样及输送单元，预处理单元，气体分析单元，控制及通信单元。预处理单元，气体分析单元，控制及通信单元集成在一个分析机柜中。如下图1-2-1所示。图1-2-1在线气体分析系统构成总图1.2.2取样及输送单元取样探头如图1-2-2-1所示，通过DN50法兰与工艺管道连接，其关键部件是其中安装的陶瓷滤芯，样气经由此滤芯后方可进入伴热采样管，滤芯过滤精度为5um，可滤除样气中大于5um的杂质。但是样气中的气态焦油可能凝结在滤芯表面造成堵塞，气态水也可能液化而使滤芯表面更易沾结灰尘，解决办法是在外层加装加热装置，温度控制在180℃上下，使焦油及气态水仍以气态形式通过。探头箱中还装有电磁阀，用于定期接入反吹压缩气对探头滤芯进行吹扫，电磁阀的动作时序由分析机柜中的控制单元决定。伴热采样管用于将样气传送至分析机柜，传送介质采用聚偏氟乙烯管，规格6mm。与采样管伴随敷设电伴热带，并在其外包裹保温材料，使焦油及水蒸气仍以气态形式通过，而不会凝结在管内，造成管路堵塞。其截面图如图1-2-2-2。.图1-2-2-1取样探头图1-2-2-2伴热采样管截面图1.2.3预处理单元预处理单元的主要工作是抽取样气并对其进行净化处理，分离样气中的焦油、粉尘、气态及液态水，因此采用了以下预处理元件：1.2.3.1冷凝器：分为电子冷凝器及涡流管冷凝器两种方式，后者在防爆区域使用时具有更好的适用性。样气在进入冷凝器后温度迅速下降，其中的气态水液化后被分离排出。经过冷凝器除湿后的样气露点约在5℃以下。如下图。图1-2-3-1-1电子冷凝器图1-2-3-1-2涡流管冷凝器1.2.3.2过滤器：预处理单元中安装了两级过滤器，分级滤除样气中的杂质，前级过滤精度为3um，后级过滤精度为1um，过滤器一般安装于前面板方便更换滤芯。如图1-2-3-2。1.2.3.3采样泵：用于提供样气传送的动力，空载流量为6L/min，外置的线圈及硅钢片设计，使其具有良好的散热效果，适用于采样过程中的连续不间断运行。如图1-2-3-3。图1-2-3-2安装于前面板的过滤器图1-2-3-3采样泵1.2.4气体分析单元气体分析单元各项技术参数如下表：测量组分测量方法量程分辨率精度重复性误差CO2红外传感器25%0.01%≤1%≤1%CO红外传感器75%0.01%≤1%≤1%CH4红外传感器25%0.01%≤1%≤1%H2热导传感器40%0.01%≤2%≤1%O2电化学传感器25%0.01%≤2%≤1%分析仪具备热值显示功能※气体组分的量程可以根据客户要求定制。气体流量0.7～1.2L/min样气入口压力50KPa样气要求除水（无冷凝）；粉尘过滤（1μm）；有些场合可能需要除油雾响应时间10秒(NDIR)预热时间15分钟通讯接口RS232模拟输出4～20mA工作温度0～50℃相对湿度5～85%大气压力86～108kPa工作电源220V±44V交流50Hz±1Hz外形尺寸433mm×420mm×132mm（宽×长×高）仪器重量约12kg1.2.5控制单元控制单元以西门子S7-200型PLC为核心，采用按钮命令输入方式，通过OMRON小型中间继电器，对系统各电气元件进行控制。控制过程主要包括采样，反吹，排水，标定等，一个包含采样，反吹，排水的循环称为采样循环，采样循环的周期一般被设定为3600s，另外，也可通过按钮手动执行反吹，排水，标定等操作。同时，在气路上安装流量、湿度报警单元，用于对样气状态进行监控，并将报警信号通过信号指示灯显示。如图1-2-5-1及1-2-5-2。系统除可由分析仪表直接将4~20mA模拟信号输出到上端接收设备外，也可选择用S7-200的模拟量模块采集分析仪模拟信号，然后经CPU处理后，通过其它通信方式传输至上端接收设备。这些通信方式包括基于MODBUSRTU协议的RS-485通信方式，基于扩展模块EM277的PROFIBUS-DP现场总线通信方式，基于扩展模块CP243-1的以太网通信方式等。图1-2-5-1现场PLC系统图1-2-5-2控制面板2结论通过对煤气分析仪在煤气成份测量上的应用的研究，并结合现场实际的考察，对煤气的加工、存储、使用、安全等有一定的指导意义。气体分析仪在自动化系统中的应用，大大提高了信息采集的快速性、精确性、实时性和可控性，对实现工业自动化方面有了更加深远的意义。[参考文献][1]廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社，2008-1.[2]孙承志，徐智，等.西门子S7-200/300/400PLC基础与应用技术.机械工业出版社，2009-1.[3]GASBOARD-3100系列红外煤气分析仪使用手册.武汉四方光电科技有限公司，2008-1.