激光气体分析仪在转炉煤气节能回收中的应用

转炉煤气是炼钢生产过程中的副产品，主要成分是CO，无色、无味、无臭，毒性极强。转炉煤气回收是冶金企业典型的节能和安全环保项目。转炉煤气回收的安全性由氧气含量确定，略有疏忽，将酿成严重的火灾和爆炸事故。因此，使用精密可靠的气体分析仪器对其进行密切监测是保证转炉煤气安全回收的重要环节。新兴铸管股份有限公司对环保和节能减排工作非常重视，炼钢部对生产过程的烟气净化和放散进行了严格控制。在煤气回收系统，激光气体分析仪作为气体含量检测的重要工具，以其灵敏度高、响应速度快的特点，发挥了很强的优势。本文重点介绍半导体激光气体分析仪的组成、测量原理和在转炉煤气节能回收和治理事故隐患方面的应用。

一、半导体激光气体分析仪组成与安装

半导体激光气体分析仪主要由发射装置、接收装置、中央分析仪器和吹扫装置四大部分构成。（见图1）

1、发射装置由激光发射模块、光学视窗和精密光路调整机构等组成，安装在CO气体管道上。主要功能是发射准直激光束。

2、接受装置由光传感器、信号处理电路、光学视窗和精密光路调整机构等组成， 安装在CO气体管道与发射装置相对应的一面。主要功能是接收发射装置发出的，通过被测气体后的激光信息，并实现光电转换和信号处理。

3、中央分析仪器是仪器的核心部分。主要包括半导体激光器、驱动、信号处理、锁相放大、接口电路和人机界面等部分。通过光纤与发射装置连接。由激光发射模块发出的激光束，穿过管道中的被测气体介质，被安装在直径相对方向上接收装置中的光电传感模块的探测器接收，接收装置传回的电信号经信号处理和锁相放大后，模数转化成数字信号送至以微处理器为核心的信号处理与控制电路，经过一系列数据处理后，得到被测气体介质的浓度值。

4、吹扫装置是为防止被测环境中粉尘对发射和接收装置上的光学视窗造成污染的设备单元。吹扫装置可连续提供干燥压缩氮气，对发射装置和接收装置上的气体接口持续吹扫，使光学视窗前形成一层清洁气幕，从而对视窗起到清洁保护作用。

二、半导体激光气体分析仪的测量原理

半导体激光气体分析仪的测量原理基于朗伯-比尔定律，即Lambert定律：光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关；在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光。Beer定律：光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。

由于半导体激光器发射出特定波长的激光束，在穿过被测气体时，被测气体分子将选频吸收光源发出的光能量，表现为光电传感模块探测到的激光透过率发生了衰减，而此衰减程度与被测气体的浓度具有强相关的正比函数关系，因此，通过测量激光强度衰减信号就可以分析推算出被测气体介质的浓度值。

三、半导体激光气体分析仪的性能特点

转炉煤气分析仪由于采用了半导体激光吸收光谱技术，从根本上解决了采样预处理带来的响应滞后、维护频繁、易堵易漏、易损件多和运行费用高等各种问题，与传统的气体分析测试仪相比具有如下明显优点：

1、仪器一体化设计，结构紧凑，实现了高度智能化的自控自检，系统运行安全平稳，检测灵敏度高，数据可靠。

2、仪器采用光学原理，对介质进行非接触测量，能够适应高温、高粉尘、高水分、高流速、强腐蚀等恶劣环境，操作方便。大大减少了设备维护工作量。

3、现场原位实时随机测量，避免复杂的气体采样和预处理，响应速度快，运行成本低，生产效率高。

4、吹扫系统可防止光学视窗污染，不受背景气体交叉干扰。

5、模块化设计，可现场更换所有功能模块；可通过网络无线数据传输实现气体分析仪运行状态的远程监控。

6、独有激光机设计，减小风机振动带来影响。无有害气体排放，有利于安全生产职业健康和环境保护。

四、浓度值换算及对回收杯阀的设置与控制

炼钢部转炉采用干法除尘，煤气中含有大量的饱和水蒸气，并且水蒸气在煤气中的比例不是固定的，所以被煤气分析仪检测到的煤气中的一氧化碳含量值是被称为湿态一氧化碳的含量，不具直接引用价值。必须去掉水蒸气得到标准状态下（一个标准大气压，0摄氏度）的所谓干态下一氧化碳含量值。并以此换算出来的一氧化碳值来控制阀门的动作。

煤气回收的阀门采用两个进口液压杯阀，一个是DN1800放散杯阀，一个是DN2600回收杯阀。在回收侧杯阀后还有一个液压眼镜阀。在检修煤气冷却器时可将这个阀门关闭，防止煤气泄露。为了回收的安全性，阀门设计为在自动情况下，放散侧杯阀为开，回收侧杯阀为关。阀台带有蓄能器，如果油泵发生问题，可保证阀门正常动作1-2次。

当一氧化碳含量超过12%并且氧含量小于1%时，放散侧杯阀先关25%，升高回收侧杯阀前的压力，直到回收侧杯阀的前后压差为正0.3Kpa，这时，回收侧杯阀以正常速度打开。这个称之为升压过程，目的是防止回收侧杯阀后的煤气倒流到管道中。当回收杯阀全开后，放散侧杯阀则正常关闭。

当一氧化碳含量小于10%时，两个阀同时动作，直到放散侧全开，回收侧全关。在事故状态下，液压阀台上的电磁阀全部失电，阀门依靠本身自重，快速动作。

五、使用效果

自从半导体激光气体分析仪在线检测转炉煤气回收项目投用以来，与传统采样预处理分析相比，激光检测系统响应速度快了15-30秒，提升生产效率3-5%。同时避免了因维护仪表影响煤气回收问题，进一步提高回收效率。有效实现了炼钢区域的降本增效，为公司的整体节能降耗做出了贡献。