LasIRTM-R系列激光气体分析仪在炼钢转炉烟气的监测应用

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LasIRTM-R系列激光气体分析仪在炼钢转炉烟气的监测应用Unisearch Associates Inc., 96 Bradwick Drive, Concord, Ont. Canada  L4K 1K8
优胜光分仪器南京有限公司Unisearch Instruments Nanjing Inc.
关键词（Key Words）
可调二极管激光光谱(Tunable Diode Laser Spectroscopy), NH3, HF, CO, CO2, 排放监测（emission monitoring）, 过程控制（process control）,钢厂（ steel smelter）, 氧气转炉（BOF）, 气体分析仪（gas analyzer）.

引言
基于可调二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术的激光光谱气体分析系统已经迅速应用到对于灵敏度、响应时间、背景气体免干扰等有较高要求的各种气体监测领域。TDLAS的技术优势在于实现了实时的原地测量，避免了气体抽样测量带来的一些问题。Unisearch公司基于近红外可调谐二极管技术开发了LasIRTM气体分析系统，整套系统耐用且易于安装，LasIRTM气体分析系统特别适用于众多工业领域气体排放监测和过程控制，例如：燃煤发电厂、铝厂、钢铁厂、冶炼厂、核电站、垃圾发电站、水泥厂和化工厂等等，本篇论文阐述了部分行业的气体监测应用。
一套基本的LasIRTM气体分析系统配置包括一个内置可调谐激光源的分析仪、光学发射端、光学接收端。可调谐二极管激光器被调谐发射出特定气体吸收线的激光，光束穿过被测气体，由于被测气体的吸收引起光强的衰减，通过检测器检测光强信号计算出气体浓度。除气体浓度之外，其他的一些参数，例如：气体温度、气体压力等也可以通过检测透射光光强的变化来加以测定。TDLAS技术相对与其他气体测量技术的优势在于其快速的响应时间、极低的检测下限（可达ppb级）及完全不存在其他气体分子的交叉干扰。
LasIRTM气体分析系统已经应用在能源和原料存储领域，在工艺过程控制上，使用LasIRTM气体分析系统优化了工艺控制，帮助制造出质量更好的产品。我们已经有过氧气顶吹转炉（basic oxygen furnaces ，BOF)的烟气监测应用， BOF是钢铁厂最主要的设备之一，被广泛用做把富碳的生铁冶炼成钢。钢中含碳量越高，硬度越大，但是也更加易碎且缺乏韧性。通过往熔融的生铁里面鼓入氧气，以此来降低钢铁的碳含量，冶炼出低碳钢，并且通过更多深处理使这种钢材适合诸如汽车制造以及其他的对低碳钢有需求的应用。过量向熔融的生铁鼓入氧气去把含碳量降的更低是没有必要的，这样做反而恶化了钢铁的品质。因此，快速、实时地对转炉尾气进行监测是非常重要的，它能直接或间接地确定喷氧截止时间（cut-off period）。
LasIRTM系统
    LasIRTM系统包括内置可调谐激光器的分析仪、发射激光光束并穿过被测介质的光学发射端、安装在被测介质另一端接收透射光的接收端。分析控制器（分析仪）自身可以安置在远离现场监测点1km之外的控制室内，现场光学传感系统与分析控制器之间通过光纤和同轴电缆连接，测量的数据被保存在LasIRTM系统的分析控制器内的闪存卡或外部电脑上，外部电脑通过以太网网口或RS232端口与分析控制器连接，数据信息也可以传送到企业的数据库。
LasIRTM系统的定量分析是以Beer-Lambert定律为基础，Beer-Lambert定律指出了光吸收与光穿过被检测的物质之间的关系，当一束频率为V的光束穿过吸收物质后，在其穿过的光径上的光强变化为：
I(v)=I0(v)exp[-σ(v)CL]
I(v)：   光束穿过一个光程距离为L的被测气体介质后的透射光强度
I0(v)： 入射光强度
σ(v)： 被测气体的吸收横截面
C：     被测气体的浓度
L：     光程

    使用TDLAS技术测量的气体浓度实际上是光束在穿过的区域上测得的平均浓度，LasIRTM系统的原地测量远远优于使用采样探头在烟道/管道一个点上抽取测量的方式，尤其是在气体浓度呈梯度性变化或非均匀分布存在时，通过原地测量光径上的气体浓度平均值则更好的代表了过程气体的一个整体浓度值。
在分析控制器内部，光纤耦合激光器通过光多路器可以实现气体的多点监测， LasIRTM系统能够做到使用单台分析控制器同时做1~16个不同点的同步监测，另外，在激光器可调谐范围之内，当不同的气体吸收谱线非常接近时，一台分析控制器也可以对多种气体进行同时监测。无电源要求的光学传感单元能非常容易的满足有防爆要求的检测场合（可以配置发射端和接受端都使用光纤传输）。
2010年，Unisearch公司开发了新一代LasIRTM-R气体分析系统，LasIRTM-R符合欧盟RoHS认证，有机架安装式和台式两种形式的分析控制器。Unisearch公司开发的这些高性价比气体分析系统不仅体积紧凑、结实耐用，而且能够提供从便携的单通道气体分析仪到能同时监测多达16不同监测点以及某些多气体组分的全系列产品。对于多通道来说，各个通道的控制相互之间都是独立的，因此，单台多通道分析控制器能同时对管道/烟道、长光程环境空气、抽取池样品等不同浓度级别的气体进行同时监测，这些光学传感单元可以在一个分析系统中任意组合，各个通道非常大的浓度差别都不存在相互的干扰，LasIRTM系统可能的配置如下图1所示。LasIRTM系统还有一款光学部件和电子部件一体式设计的便携式气体分析仪，其轻便（小于5kg）而节能（功率小于20W），可以安装在一个三脚架上使用，如使用多反射镜阵列，可以在光径长达几百米的开放式环境中对不同气体浓度进行监测。















图1.  LasIRTM系统分析控制器与各种光学传感单元通过光纤与同轴电缆连接的配置示意图
     
LasIRTM系统包含了适当的硬件和软件，是无需校正的系统，所以在现场无需使用标气瓶对系统进行校正。为了某些用户仪器管理规程的需要，我们可以提供手持式小巧的考核模块，当需要时，用户可以使用这个考核模块对整个系统（分析控制器和光学传感单元）进行考核，也可以使用自动考核功能对系统进行自动考核，自动考核的结果将被保存并显示在屏幕上。系统考核有两种选择，一是在光路上通入浓度已知的气体进行考核，二是使用我们可选的考核模块进行在线（inline ）或离线（offline）考核。LasIRTM系统快速、实时原地对气体浓度进行监测，检测线性达到动态5级（105 ，即ppm级到%级），是真正适合于各种不同工业气体监测的气体分析系统。

炼钢行业过程控制中的烟气监测
    钢是碳含量低于1%（通常情况下）的铁合金，低碳钢被最广泛应用在汽车制造和一些建筑工业领域，钢可以应用户需要被铸造成钢筋、钢板、电线、钢条、管材等多种样式的产品。
在20世纪，炼钢工艺有了很大的改变4，这种工艺改变主要是由于社会、政治和大气环境等因素的驱动。20世纪中期，受市场对高质量钢材的需求不断增加，炼钢产业在此刺激下产量日益增长。在美国，建立了高投入的综合性炼钢企业6，这些企业通过数道工序精炼铁矿石制钢，通过对钢的化学成分的良好控制炼制出满足市场需要的高质量的钢材。
在最近的二十年里，由于能源危机的出现，提高热效率成为了钢铁企业优先考虑的事情。综合性的钢厂使用熔炉炼钢，是效率非常高的方式，但是在实际生产中还需要做很多的改进。20世纪五六十年代，大型综合性的钢铁企业都趋向于从工艺开始到结束分批对铁矿石进行冶炼，这就导致了某些设备运行时其他一些设备却处于闲置状态。为了降低能源消耗，连续性的制造工艺因此得到了发展，不过各道工序需要做到协调一致，以降低能源消耗，减少产品生产的时间。
环境问题同时也成为了高污染行业重点关注的问题。随着时间的推移，环境保护法令变得越来越严厉，这也再次改变了钢铁工业的生产工艺。在过去的二十年里，随着市场的萎缩和人工成本更加低廉的进口钢材出现，使得竞争越来越激烈。激烈的竞争迫使发达国家的许多炼钢设备必须降低成本，提高产品质量。
在钢铁冶炼中，来自于高炉的碳含量约4%的铁水送进氧气转炉（basic oxide furnace ,BOF）进一步精炼出钢。为生产出高等级、高品质的钢材，向转炉吹进高纯度的氧气，消耗铁水中的碳元素与硅元素，使得钢铁碳含量从4%降低到1%以下。根据钢等级以及质量要求，转炉(BOF)出来的的钢将被再次精炼以及添加合金后做成最终的产品。在转炉内若想使铁水碳含量大大低于1%是做不到的，过量吹进氧气不会更多地降低碳含量反而会恶化钢铁的品质。因此，确定一个停止往转炉内铁水吹进氧气的合适截止时间（(cut-off time)对于炼钢企业来说是非常关键和重要的。
LasIRTM系统已经成功应用于确定停止向转炉吹进氧气的截止时间（(cut-off time)进行优化的工艺中，在转炉内的钢水碳燃烧消耗期间，浓度高达几十个百分比含量的CO和CO2也随之产生，一个典型的运行周期大约是20分钟，在某个时间段后（典型的是10分钟后），CO的浓度开始趋于稳定，随着继续消耗钢水中的碳，CO浓度开始下降，因此可以基于CO浓度开始下降的时间确定停止吹进氧气的截止时间。图4是一家炼钢厂的一座转炉在一个典型的运行周期吹入氧气后生成CO和CO2的曲线图，测量间隔时间是1秒，光程是１米。











图4. 转炉内富碳熔融生铁燃耗产生的CO和CO2曲线图











图5. 转炉（BOF）内氧气与铁水中碳反应后排放出CO趋势图。红色曲线和蓝色曲线分别代表LasIRTM原地直接安装的气体分析系统和抽取式分析系统的测量曲线。很显然，使用LasIRTM 原地安装气体分析系优化了氧气的截止时间，至少提前了15秒。

图5和图6显示了转炉(BOF)内铁水含碳量从4%下降到1%后CO和CO2的释放趋势曲线。CO浓度从一个相对稳定的状态开始下降，这可以为吹入氧气的截止时间提供了一个参照标准，应当注意的是图4和图5显示的不是同一个时间段的测量结果。












图6. 截止吹入氧气后，转炉内CO2排放曲线图。绿色和蓝色曲线分别表示LasIRTM原地气
     体分析系统和抽取式分析系统的测量曲线。

为了达到一个相互比较的目的，LasIRTM原地实时气体分析系统和采样点抽取式分析系统彼此靠近安装，对CO和CO2进行同时监测。很明显的可以看出LasIRTM原地实时气体分析系统的响应时间显著加快，至少比点抽取式分析系统提前了15秒，从而对降低氧的消耗有着积极的作用。

结论
基于可调谐二极管激光技术的LasIRTM气体分析系统，作为一种可以原地对烟气排放和工艺流程气体监测的测量工具，已经在各个工业领域被广泛应用。可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术在测量目标气体浓度时完全不受背景气体的交叉干扰，具有极快的响应时间，精准的读数。LasIRTM气体分析系统特别适用于工艺流程中的过程控制，其体积小巧、无需校准、坚固而耐用、几乎不需要任何的维护，安装和操作都非常简单便捷。通过光纤连接可以把分析控制器安置在一个适宜的环境区域，远离实际的现场监测点。此外，光学多路技术可以实现一台分析控制器同时对数个监测点进行监测，因而整套系统的性价比非常高，全光纤系统可以满足在防爆区的气体监测要求。LasIRTM气体分析系统监测获得的数据被用做对各种与工艺生产过程相关的参数进行控制和优化，从而提高了能源的使用效率、缩短产品生产时间、改善了产品的质量。
References
1.        H. A. Gamble, J. T. Pisano, A. Chanda, C. Saur, G. I. Mackay and H. I. Schiff, “Measurement of NH3 in gas and coal-fired power plants”, Seventeenth International Forum Process Analytical Chemistry, Scottsdale, AZ (2003).        
2.        H. A. Gamble, J. T. Pisano, A. Chanda, C. Saur, G. I. Mackay and H. I. Schiff, “On-line remote sensing in working coal and gas fired power plants for process and environmental control”, 6th annual Electric Utilities Environmental Conference, Loews Ventana Canyon Resort, Tucson, AZ, Jan. 27 – 30 (2003).
3.        W. Dean, “In situ analysis of ammonia slip and water vapour using a tunable diode laser for SCR/SNCR optimization and boiler tube surveillance in power plants”, Instrumentation, Systems, and Automation Society Analysis Division Newsletter 25(1), pp. 10 – 16 (2004).  
4.        L. Sandstrom and D. Malmberg, “On-line and in situ monitoring of oxygen concentration and gas temperature in a reheating furnace utilizing tunable diode laser spectroscopy”, Spectrochimica Acta Part A, 58, pp. 2449 – 2455 (2002).
5.        A. D. Sappey, J. Howell, P. Masterson and H. Hofvander, “Determination of O2, CO, H2O concentrations and gas temperature in a coal fired utility boiler using a wavelength-multiplexed tunable diode laser sensor”, www.zolotech.com/pdf/constituent.pdf (2005).
6.        Chatterjee, Amit. "Recent Developments in Ironmaking and Steelmaking." Iron and Steelmaking. 22:2 (1995), pp. 100-104

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图4

图5



图6