激光气体分析系统在煤气回收中的应用

1、毕业设计(论文)任务书课题名称激光气体分析系统在煤气回收中的应用学 院 安徽工业大学继续教育学院专业班级电气自动化姓 名吴明旺学 号1421203003002 指导教师签字： 安徽工业大学 激光气体分析系统在煤气回收中的应用摘 要钢铁工业发展至今，各钢铁公司不断深入挖掘经济效益，节能降耗是永恒的主题。本文针对磁氧式气体煤气分析仪故障率高、分析数据不稳定的现状，采用免维护的激光式气体分析仪进行技术升级改造。介绍了激光气体分析技术在煤气回收分析中的应用情况，利用半导体激光吸收光谱气体分析测量技术对煤气含氧量进行精确的在线测量，数据稳定，维护简单，确保了分析仪投运率100%和煤气回收设备的安全生产。

2、系统自投用以来，性能稳定，满足了工艺设备要求，提高了系统可靠性，实现了先进技术与适用性的有效结合。关键词：煤气回收;激光气体分析仪;测量原理AbstractFor magneto-oxygen gas analyzer, failure rate is high and analyzed data is unstable. There fore, a new maintenance-free laser gas analyrer has been used to upgrade. Application of laser gas analysis technology in gas recov

3、ery is intxoduced.Absorption spectrum gas ana lysis technology with semiconductor laser is applied to precise and online measurement of oxygen content in gas. lts measuring data is stable,maintenance is simple,and 100% operation of analyzer and safe produceion of gas recovery equipment are ensured.

4、Since the system was put into running, performance is stable, it meets the need of process and equipment, reliability is improved, and effective combination between advanced technique and applicability is achieved.Key words: gas recovery; laser gas analyzer; measuring principle目录1绪论11.1引言11.2课题的意义11

5、.3国内应用情况12激光气体分析系统32.1激光气体分析系统工作原理32.1.1谱线展宽自动修正技术32.1.2激光频率扫描技术32.1.3单线光谱测量技术32.2激光气体分析系统组成42.2.1系统组成52.2.2系统特点62.3激光气体分析与采样气体分析系统的比较73维护及故障处理93.1检查和调整吹扫气体的流量93.2非停电原因掉电93.3检查和清洁光学元件93.4仪表显示异常93.5分析仪激光器温度低104总结11致 谢11参考文献12III安徽工业大学 激光气体分析系统在煤气回收中的应用1 绪论1.1 引言 随着我国石化、冶金、电力等工业装置的大型化和整体技术装备水平的提升，对节能降

6、耗、提高质量、治污减排和安全生产的日益追求，在线分析仪器的重要性和使用量与日俱增。例如，为了追求更大经济效益，采用以多变量预估控制为代表的先进控制技术、以过程实时优化为核心的优化控制技术来提高生产装置的操作、控制水平，已成为当今国内外冶金企业的热门课题。而这些控制手段都离不开质量参数，这些质量参数则来源于在线分析提供的成分数据。 与世界发达工业国家相比，我国新建在冶金企业的在线分析仪的配置已接近国际先进水平。在线分析仪，以取代实验室的仪器已被广泛应用于国外，以提高自动化水平，降低劳动力成本，实现生产精细化管理。不少企业仍处于过程行业在中国被赋予优先与实验室分析，体力劳动量大，数据实时性，不能优

7、化生产控制，以提高效率。一些公司已经意识到这些问题，正在逐步增加在线分析仪输入的比例。1.2 课题的意义激光气体分析系统的应用，改变了人工采样滞后以前的状态，缩短价值分析的周期分析，提高了测量的精度，减轻了工人的劳动强度，提高了自动化控制水平。在实时并准确地测量气体CO2、CO和H2浓度，可以操作减少由于失明的信息滞后，提供了准确的检测信息，且在不采样的前提下运行调整，测量气体的成分和温度，反应迅速，在过程中，几乎无需维护，无冲击提高了安全性和工作效率，具有技术和成本的降低进度，会得到更广泛的应用。1.3 国内应用情况我们国内的在线分析仪器应用情况较为低下，仪器的维修人员普遍技术素质偏低，仪器

8、在运行时表现并不是很理想，它的作用和效果尚未完全运用出，使得国内业主信心不足，为它的应用程序到一定程度上影响了它的推广。 (1)我国在线分析仪器基础研究力量薄弱，制造水平较低，产品品种少，自有和原创技术更少，除少数产品外，大部分市场被国外产品占据。据报道，目前己有40余家国外在线分析仪器公司进入中国，占领了我国80%的市场。 其实，我国在线分析仪器工业起步并不晚，初期与国际先进水平差距也不大，只是由于种种原因落后了，一直差距越来越大。造成这种状况的原因是多方面的，就制造企业自身来说，开发力量不足和研制经费太少是两个主要原因。世界发达国家的在线分析仪器生产厂，研发人员占总人数的50%以上，研制经

9、费占销售额的10%以上，而我国厂家的研发力量尚未形成一定规模，开发工作缺乏系统性和长期连续性。(2)在线分析仪器能否用好，除了分析仪自身，还取决于样品处理系统的完善程度和可靠性。因为分析仪无论如何先进和精密，分析精度也要受到样品的代表性、实时性和物理状态的限制。事实上，样品处理系统使用中遇到的问题往往比分析仪还要多，样品处理系统的维护量也往往超过分析仪本身。样品处理系统的设计、制造难度在于:它涉及多种物化技术和材料科学;它的专用性很强，几乎没有哪两套系统是完全一样的，没有批量性可言;它依赖于手工制作和装配，不可能形成自动流水线作业;它的测试和调整需要在现场进行，制造厂和实验室不具备模拟样品条件

10、。 国外对样品处理技术的研究比较深入，有关标准和专著已有多种。样品处理系统的制造已经专业化，已有多家专业生产样品处理部件和系统的厂家。我国对此一直未能给予足够重视。迄今为止，国内样品处理技术研究和样品处理系统设计、制造方面仍然比较落后，缺乏具有自主知识产权的成套设备，技术含量也较低。 (3)工业在线分析并不追求高精度，更重要的是可靠性和稳定性。据对在线色谱仪现场调查，国产和国外仪器的测量精度确实存在一定差距，但主要问题是国产色谱仪运行不够稳定，故障率高，维护量大。 样品处理系统的追求目标应当是简单化，多一个样品处理环节或部件就多一个故障隐患点，多一份维护工作量。最简化的系统时滞最小，故障率和维

11、护量也最小，应当是最好的系统，但也是最难设计的系统。 应当重视在线分析技术和在线分析仪器的研究开发工作，建立专业化的研究机构和开发队伍，保证足够的经费来源和持续的投入，逐步形成一批我国的独立技术和知名品牌。会出现这种情况是由于很多种原因，如果仅仅在技术上去分类，那么大致有以下三种：1.使用维护人员缺乏系统培训。大，中专院校在我国一直没有开通网上分析仪专业教学，使用维修人员业务水平起点低。许多不同种类的在线分析仪器，分析仪图书匮乏，有的只是简单的介绍了在线分析仪，所以相关资料数据是非常稀缺的，因此很多的用户无法满足其自学。2.样品处理系统不健全，可靠性差。在国外，在线分析成套系统的价格结构，分析

12、仪系统和配套设施，样品价格为1:2-1:3，在国内，甚至达不到1:1。3.常规仪器与之相比较，在线分析仪器的维护工作量多，也比较复杂，一些保养项目需要厂商进行合作或参与，目前大量的国外产品进入中国，大多数国外厂商的售后服务体系尚未建立，零配件供应很难及时跟进，售后维修服务无法做到及时跟进。2 激光气体分析系统原理及组成2.1 激光气体分析系统工作原理激光气体分析仪基于二极管激光吸收光谱(DLAS)创新气体分析测试技术,能有效解决现有传统的气体分析技术问题。采掘分析仪需要现场处理气体分析仪,取样管很容易堵塞,影响分析仪的使用寿命。而不是一个激光气体分析仪的光学散射相对严重,不能满足接收功率测量对

13、角线测量精度。半导体激光吸收光谱（DLAS）技术采用的激光能量被形成在吸收光谱测量气体体积分数的原理气体分子“选频”吸收。激光束的特定波长由激光二极管发射的通过气体被测量，激光强度的衰减和气体的体积分数被测试成一定的函数关系，因此，通过测量接收可测气体吸收）可以分析在激光强度衰减的信息来获得的气体的体积分数被测量。与传统的磁氧表相比，基于半导体激光吸收光谱技术的q体积分数分析仪:1）不被测量的背景气体交叉干扰的情况发生;2）不被灰尘对测量的影响的情况发生;3）具有对等突出优点的影响测量正确的温度和压力的变化，使得它的温度和转炉煤气的压力被测量，水分含量和灰尘没有特殊要求。所以没有必要使用采样预

14、处理系统，而在分析仪上的气体直接安装，连续在线测量仪，没有移动部件，保养周期长，方便，成本低，仅限于洗涤的光学窗口;仪器响应速度。2.1.1 谱线展宽自动修正技术在气体温度和压力发生变化时，气体被测量光谱展宽和高度将有相应的变化，从而影响测量的精度。通过输入420毫安方式的温度和压力信号，激光气体分析仪可以在气体体积分数计量的影响自动地正确的温度和压力的变化，以确保在测量数据的精度。2.1.2 激光频率扫描技术激光气体分析仪通过激光频率的调制使周期性地扫描测量气体吸收线，激光频率扫描范围被设定为比所述测气体吸收线的宽度大，因此在一个频率扫描范围包含衰减“I”不是由气体管线区吸收及由气体线路衰减

15、“”部分中，如图1所示。从的灰尘和视窗被测信号透光率的“I”区域可以从所测量的信号的“II”区域来获得可以得到被测气体尘埃和视窗以及Tgd=TdTg中的总光线透射通过的Tg与Tg的用于气体的透光率被测量。其结果是，通过在上的“I”的激光频率扫描周期激光场在线气体分析系统。并在同一时间测量，可以准确地获得的Tg= TGD/ Td的向对气体体积分数计量灰尘和视窗污染强度衰减效应自动校正。图1 单线光谱测量原理图2.1.3 单线光谱测量技术单线光谱测量技术采用激光光谱较窄，远小于所测气体线路特征的吸收光谱中，选择一个位于在特定波长的吸收光谱线，使得邻近的吸收线没有措施其他气体组成选择的波长吸收线中的

16、环境，从而避免气体的背景气体组成被测定交叉吸收干扰。2.2 激光气体分析系统组成2.2.1 系统组成激光气体分析仪由三个基本单元组成:发射单元、接收单元和中央分析器，见图2：图2激光气体分析仪组成示意图激光发射模块通过所测量的烟道（或管道）的激光束被安装在感测模块中的光电检测器，控制模块，以获得测量信号的数据采集和分析的相对直径方向，获得测得的气体体积分数。在扫描激光波长时，光电传感器来检测模块的激光透射率会发生变化，并且改变刚刚从激光强度的衰减中的光电传感器模块和测量的气体分子之间的激光的光路是。光强度衰减，并检测光路之间是被测量正比于气体的体积分数。因此，通过测量激光强度衰减可以被分析，以

17、获得所测量的气体的体积分数。发射通过人机界面，激光器模块，中央处理模块中，半导体激光器和精密光学元件，以及其他部分，主要实现半导体激光器发射的，光谱数据处理和人机交互驱动的激光式气体分析仪单元的等功能。激光式气体分析仪接收由光电传感器，信号处理模块，电源模块和精密光学元件，和其他部件单元，所述接收单元的主要功能是接收传感器信号，并且光谱吸收信号传输到用于处理发射单元，数据中央分析器的采集和分析功能是基于由本身编译钢厂的实际需要以气体回收分析。系统还配备有氮气吹扫装置，主要用于吹扫光学窗口组件，防止灰尘污染。2.2.2 系统特点激光气体分析仪随着半导体激光吸收光谱（DLAS）技术，从根本上解决了

18、样品预处理带来如反应滞后，极易堵塞，导致的维修工作量大，易损配件和经营成本上涨的各种问题，并具有以下特点：（1）灵敏度高;（2）结构紧凑，可靠性强;（3）功能模块可随时进行更换;（4）智能化程度高。2.3 激光气体分析与采样气体分析系统的比较传统的用于制备样品的一组分析系统的转换器的气体分析系统一般由两部分组成，该预处理系统和分析仪。预处理系统，包括取样探头，吹扫，过滤，冷却，脱水等一系列工序和分离设备，分析仪器，即氧和碳含量一氧化碳气体分析仪。使用分析系统的取样方法有以下缺点：在预处理系统容易发生结垢和泄漏，腐蚀，取样系统和滞后长期分析器数据;复杂疑难预处理系统，处理和分析仪器必须定期校准，

19、维护工作量庞大，复杂，远远不够取样和地方气体浓度分析近点法取样，测量环境不能准确反映气体浓度的大局。分析器半导体激光器不会通过测量气体气氛中的激光束所需要的样品预处理气体。最大的好处是，可以实现实时，现场分析，长寿命和系统的高精度，不需要校准，维修及易于管理。相对于传统的红外分析仪，激光二极管的波长的激光的范围很窄，半导体激光技术可以有效的防止剖各种气体混合物。为了准确的分析。 指标激光分析仪传统在线光谱仪响应速度原位光谱检测，可实现毫秒级响应系统响应时间受样气传输、预处理时间制约，响应速度慢安全性响应速度即时性，如果煤气管道O2一日超标，可以立即连锁反应，刘阀门或者其他设各进行自动化控制，从

20、而避免了安个隐患的发生。滞后性大约30秒，当知道煤气管道煤气O2超标时，已经足30秒之后的事情了，安个隐患很难避免。经济效益性传统仪表至少有30秒的滞后，激光分析仪的响应时间足0.6秒，即时即收无滞后性。采用抽样式测量,所以仪表从气体的抽取到数据的显示，通常需要30秒的时间，那么此时气体在管道甲已经流过了500m左右的距离，这些煤气小能回收将会产牛很大的资源浪费。环境适应性可在各类高温、高压、高流速、强腐蚀环境卜进行实时检测只能在恒温、恒压、干燥、无尘的环境下进行检测测量方式实时、连续的原位测量, 无样气排放、安全无污染采样预处理后进行的间断测量,探头反吹时无法测量，有样气排放污染问题准确性原

21、位检测气体信息小失真，测量不受背景气体、粉尘及温度、压力变化影响，高代表性的气体线平均浓度测量。采样系统的样品在处理环节容易信息失真;数位仪为探头局部位置浓度;环境变化严重影响测量的准确性。可靠性系统集成度高、无运动部件，高可靠性核心器件确保系统高可靠性预处理系统庞大复杂、含运动部件，仪表环境要求高，系统可靠性差标定维护激光光谱分析，测量稳定，漂移小，只需半年标定一次每月需要标定2-3次，需经常性维护运行费用无易耗件，运行费用低需较多备品备件，年维护费用为系统成本的15%-20%3 维护及故障处理3.1 检查和调整吹扫气体的流量吹扫装置中设计有稳流部件，即使清洗气体源的压力变化也可以提供吹扫气

22、体流。然而，如果吹扫气体源包含在过滤器中更多的灰尘或其他颗粒物质将在一段时间后发生堵塞排水。从而减少净化气体流量的速率。当在现金流量表中观察到的净化率显示了可调节的清洗针阀的下降增加流量。如果不能调整，以使流量达到规定的流量需替换过滤元件。3.2 非停电原因掉电在使用过程中，氧分析仪有时候会出现自动掉电现象，主要是由于氮气压力过低造成（正压保护氮气压力低于500Pa）。及时调整正压氮气压力，正常时以七个格（700Pa）为宜。当正压保护氮气压力设定好，稳定十五分钟后氧分析仪会自动起机投入使用。3.3 检查和清洁光学元件吹扫装置中设计有稳流部件，即使在宽范围的清洗气体源中的压力可以提供一个稳定的流

23、量可靠地净化气体。然而，如果吹扫气体源包含在过滤器中更多的灰尘或其他颗粒物质将在一段时间后发生堵塞排水。从而减少净化气体流量的速率。当在现金流量表中观察到的净化率显示了可调节的清洗针阀的下降增加流量。如果不能调整，以使流量达到规定的流量替换过滤元件。3.4 仪表显示异常隔离器零点偏低或偏高也会对主控室显示数据产生影响，如果仪表一切正常，主控室显示数据与现场氧分析仪发射单元表头显示数据不相符的时候可以怀疑是隔离器出现问题。3.5 分析仪激光器温度低此种情况常发生在冬天气温非常低的情况下，氧分析仪显示面板显示激光氧分析仪激光器温度低，此时可以讲激光氧分析仪表头盖子打开，将内部电路板中5安培处短路片

24、拔下，插到10安培处，可不再出现这种情况，但此动作会多少影响氧分析仪电路板的使用寿命，到期后可更换电路板。4 总结通过这次研究，深入了解了目前激光气体分析系统在煤气回收中的发展近况，增强了相关理论知识与实践能力。可以看出激光式分析系统在煤气回收系统中使用效果很好，具有操作简单、维护方便、检测准确度较高、故障率低等优点，是转炉煤气安全可靠、高质量回收转炉煤气不可缺少的重要设备。共 10 页 第 14 页致 谢首先感谢导师。感谢老师在整个毕业设计过程中对我的督促和指导。从毕业设计开始的选题一直到最终完成，刘辉老师都始终给我细心的指导和不懈的支持。老师严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，平易近人的人格魅力对我影响深远。并且在整个毕业设计中给了我很大的鼓励。同时感谢答辩组对本毕业设计的考核，如果能够得到各位老师的认可将对我的学习和工作给予极大的鼓励。你们客观的评价和建议我将牢记在心，在今后的工作中扬长避短，更加努力的严格要求自己。同样感谢我的室友和同学们，在毕业设计的这一段时间，他