作者:太鋼二煉鋼第二電氣點檢站 張建偉
國內煉鋼廠的煤氣回收系統，較多使用在線取樣分析儀系統進行回收，但在線取樣分析儀的取樣管易腐蝕、堵塞； 響應時間滯後；維護和標定工作量大；溶解和吸附導致測量數據偏小；只能檢測「點」氣體濃度，檢測信息不完整； 受背景氣體、粉塵幹擾，測量數據偏小； 單參數測量，只能測量氣體濃度，不能同時測量溫度、流速等原因，使得影響轉爐煤氣回收率。太鋼使用NEOM(挪威)雷射（LaserGas）氣體分析儀系統進行煤氣回收，雷射分析儀的使用維護簡單方便，減少了影響煤氣回收系統的故障和維護量，提高了煤氣回收率。
一、工藝目的
鋼鐵工業中的基本工藝為間接熔融冶煉法。其生產過程包括：鋼鐵冶煉、焦炭冶煉、軋鋼系統等生產工藝，在生產過程中將產生大量的可回收的能源氣體，分析檢測這些氣體的含量，具有非常重要的作用。
圖1 鋼鐵生產過程中產生的可回收能源氣體
鋼鐵工業生產過程中對生成氣體進行分析的主要目的有以下幾點：
1、優化生產工藝：如高爐爐氣分析系統、轉爐/電爐/精煉爐爐氣分析系統等；
2、能源氣回收利用：如轉爐煤氣回收分析系統、焦爐煤氣分析系統等；
3、環保節能：如熱風爐後煙道氣分析系統、燒結/石灰窯煙道氣分析系統；
4、能源利用率：如通過分析儀系統，受PLC程序聯鎖控制，使得所回收的氣體熱值得到保障；
5、安全控制分析：如高爐噴煤分析系統、電捕焦安全分析系統、電除塵安全分析系統，煤氣回收系統安全保障等。
二、雷射(LaserGas)分析儀的工作原理
雷射氣體現場在線分析儀採用單吸收線光譜技術，基於在近紅外區域內對被測氣體單吸收線的挑選。首先通過對所選吸收線進行光譜分析，使得在所選吸收線波長內無其它氣體的吸收線（無交叉吸收幹涉）。然後，通過調節固態雷射器溫度和驅動電流，將固態雷射器頻率調整對應到氣體的單吸收線。雷射掃描光譜寬度相應調整到比被測氣體單吸收線光譜寬度更窄。通過改變固態雷射器的電流，包含單吸收線的雷射波長被掃描發射出來。
在雷射掃描發射期間，作為波長的一個特性，接收單元探測到的光強度將發生變化，且此變化只是來自發射單元（Transmitter）內部的雷射器與接收單元（Receiver）之間的標定管或轉爐氣體煙道管內被測氣體分子對光線強度的吸收。探測到的單吸收線的形狀和尺寸（見圖2）用來計算發射單元和接收單元之間的氣體含量。而其它氣體的吸收線不會出現在所選波長範圍內，因此不會對單吸收線產生幹擾，從而影響氣體含量測量。雷射氣體現場在線分析儀工作時，把煙道一側發射單元上的紅外雷射發射到煙道另一側上的接收單元上，其測量技術正是基於用煙道內存在的氣體分子測量對光的吸收量。
測量原理被稱為：紅外單線吸收光譜。它是基於這樣一個事實：大多數氣體只吸收特定波長的光。吸收量是煙道內氣體含量的一個直接反映。二極體雷射波長通過掃描被選定的吸收線得到，由於二極體雷射器和探測器光路上的特定氣體分子的吸收，探測光由於雷射波長的作用而變化。為增加其敏感性，採用了所謂的波長調製技術：當掃描吸收線時，雷射波長會被輕微調節。探測器信號被光譜分解為雷射調製頻率和聲學下的頻率元件。第二諧波信號通常用於測量吸收氣體的濃度。既然在特定的波長下，其它氣體的吸收線並不存在，所以不存在來自其它氣體的直接幹擾。被測量氣體的濃度與吸收線的振幅是成比例的。
圖2 雷射(LaserGas)分析儀的測量原理
Transmitter:發射單元 Receiver:接收單元 Transmission:傳輸率 Absorption line: 吸收線
三、雷射分析儀和傳統分析儀的比較
國內煉鋼廠的煤氣回收系統，較多使用在線取樣分析儀系統進行回收，但在線取樣分析儀的取樣管易腐蝕、堵塞； 響應時間滯後；維護和標定工作量大；溶解和吸附導致測量數據偏小；只能檢測「點」氣體濃度，檢測信息不完整； 受背景氣體、粉塵幹擾，測量數據偏小； 單參數測量，只能測量氣體濃度，不能同時測量溫度、流速等原因，使得影響轉爐煤氣回收率。太鋼使用NEOM(挪威)雷射（LaserGas）氣體分析儀系統進行煤氣回收，雷射分析儀的使用維護簡單方便，減少了影響煤氣回收系統的故障和維護量，提高了煤氣回收率。
LaserGas雷射現場氣體在線分析儀能滿足高粉塵、高水分、高溫、高腐蝕等惡劣環境下用戶對氣體成分現場、直接、快速測量需要。它是最新一代分析儀，是氣體分析儀升級換代產品，代表了此領域發展方向，正在世界各地取代傳統分析儀，已在全球五十多個國家使用。它採用在近紅外光譜範圍內的「單吸收線」光譜技術，徹底避免了「交叉幹擾」。
四、雷射現場氣體在線分析儀的優點
雷射現場氣體在線分析儀具有傳統分析儀無法比擬的優點：
連續、現場直接測量
高靈敏度、高精度、高穩定度
快速響應（時間小於1秒）
可選的測量範圍
可選的輸出信號
容易安裝
極少而又簡單的維護
內置重標定機構（一般若干年後才需重標定一次）
無需進行氣體採樣預處理
不受交叉幹擾影響
測量不受粉塵、水分、背景組分等影響
全固態設計，無運動部件、無易損件，無周期性消耗替換件
結構緊湊、體積小巧、堅固耐用
通過德國TUV測試，國際品質
美國、歐洲、日本等全球50多個國家廣泛使用
五、雷射氣體分析儀的發射器和接收器吹掃系統
對於發射單元和接收單元需要吹掃的應用，吹掃流的方向在圖3中有說明。既然在這些單元裡面有光學表面，必須要保證氣體的清潔，因此額外的過濾器可能是必要的。注意所謂的「儀表空氣」可能包含一些油和水。如果接收器和發射器被這樣的空氣吹掃，不久之後它們會被永久地損壞。因此推薦使用氮氣作為吹掃氣體。吹掃流不能過高以防止這些單元裡過壓。如果吹掃流被阻塞，接收單元和發射單元能夠在一小時期間保持氣體好於99.5%。
圖3 雷射氣體分析儀的發射單元和接收單元吹掃系統
六、雷射氣體分析儀在太鋼的應用
轉爐是煉鋼廠的重要組成部分。轉爐冶煉燃燒反應產生的爐氣具有周期變化的特徵，每爐次冶煉的周期為半小時左右，其中冶煉中期的10分鐘左右產生的爐氣中含有較高的CO，其回收利用具有很高的經濟價值，一般每噸鋼可回收煤氣80-160m3，其回收的關鍵在於回收時間和煤氣熱值的控制。國內鋼廠較多使用在線取樣分析儀系統進行煤氣回收，太鋼採用了LT法除塵設備，並使用NEOM雷射氣體分析儀系統進行煤氣回收。轉爐產生的煙氣溫度高達1200℃左右，經蒸發冷卻器（EC系統）、電除塵器(ESP系統)除塵，再通過煤氣冷卻器(GC系統)降溫後才可回收利用。轉爐煤氣中的CO達到一定濃度，一般是28%以上，即打開氣體切換站的回收側盅形閥進入煤氣櫃儲存，否則經過放散側盅形閥通過放散塔點火燃燒；煤氣櫃前的O2雷射分析保證煤氣櫃內O2含量超標後啟動應急預案，保證系統的穩定性和安全性， 煤氣櫃中合格的煤氣才可送給用戶使用。
圖4 TISCO轉爐煤氣回收系統流程
七、雷射氣體分析儀的操作和維護
雷射分析儀的操作很容易，它包含一個監測和控制儀器所有基本功能的微信息處理器。維護人員應該在安裝期間，使用一臺連接到儀器的個人電腦，為雷射分析儀提供一次一些必要的氣體參數。然後斷開個人電腦連接，雷射氣體分析儀將繼續操作並測量氣體濃度。雷射分析儀不包含運動部件，因此沒有必要定期替換部件。
因此雷射分析儀的維護量被縮減到一個最小值，主要維護項目包括目視檢查和清潔光學視窗，並且在這些維護之後沒有必要重新校準系統。經驗表明：對於大多數應用來說，維護間隔大於三個月是可以接受的。在這部分描述的維護操作會保證分析儀持續、安全運轉。為了預防雷射氣體分析儀連續運轉，建議每六個月定期調整校準，這取決於操作環境。另外，應該同時檢查其它的因素，像腐蝕，滲漏等等。在正常操作期間每個月做一次內部儀器狀態報告。報告應該足以去評價特殊維修工作的需要。
八、雷射氣體分析儀的校準(Calibration)
NEMO所有生產的雷射分析儀都在出廠前校準的。因此，用戶在使用時不需要去校準雷射分析儀（也可已通上標氣進行校驗它的精度）。然而，在使用了一段時間以後，由於二極體雷射器的老化，雷射分析儀參數可能會改變。這種情況下，有必要進行一次新的校準。必須使用一種被鑑定過的測試氣體(標定氣體)和所提供的氣體單元每年做一次儀器校準確認。被鑑定過的測試氣體必須是氮氣和被測量氣體的混合物。一臺O2雷射氣體分析儀或CO雷射分析儀，應該使用乾燥的空氣或僅僅室內空氣被測試和校準。
應該注意的是，雷射分析儀的校準是一個非常負責的程序，它會影響所有的進一步的測量。因此應該確定一次新的校準確實是必需的。如果雷射分析儀的讀數在推薦的濃度水平已表明低的範圍之內，偏離正常值小於2.5 % - 3 %，是不推薦進行校準的。對於雷射氣體分析儀來說，這是一個典型的絕對精度。應該考慮用於校準確認的氣體混合物的精度，對於O2雷射氣體分析儀或CO雷射分析儀，如果單元壓力和溫度值在儀器中被正確地設定，其偏離值不應該超過0.2% vol。
遵循以下描述的步驟執行雷射（LaserGas）分析儀的確認和校準：
1. 在執行確認和校準之前讓雷射分析儀至少運轉1小時。
2. 如圖5所示，把發射單元和接收單元連接到測試單元，運行服務程序。
3. 確保光路長度參數被正確地設置，法蘭長度或濃度應該被設定到零。檢查手動設置的溫度和壓力參數是正確的，或者氣體溫度和壓力的PLC 輸入參數是正確的。
4. 把校準氣體輸入到單元內。一直等到系統達到穩定水平。
5. 如果需要，執行「全面」校準。
6.把新的雷射分析儀的參數設置保存到一個文件。
7. 重新設置光路參數、壓力和溫度的參數。
8. 雷射分析儀現在可以被安裝回到它的測量位置。
圖5 雷射(LaserGas)分析儀的校準單元連接
九、雷射氣體分析儀校準時所選的標定氣體濃度表（下表只供參考）
為了在使用所提供的0.712m長的標定單元時獲得最適宜的信噪比，推薦下列氣體濃度：
圖6 雷射（LaserGas）分析儀標定氣體濃度參照表
Measured gas：測量氣體 Recommended concentration range：推薦濃度範圍
應選用氮氣與上面任何一種氣體混合物，使其混合氣體中測量氣體含量（如:HF與N2混合後，在混合氣體中的HF含量為50ppm），達到以上指定數值的校準氣體混合物系統，為的是避免條件下的測量結果接近飽和。不推薦太低的濃度，因為測量可能會受到噪音、單元和電子管中吸收和解吸收過程的影響。