國內(nèi)煉鋼廠的煤氣回收系統(tǒng)，較多使用在線取樣分析儀系統(tǒng)進行回收，但在線取樣分析儀的取樣管易腐蝕、堵塞； 響應(yīng)時間滯后；維護和標定工作量大；溶解和吸附導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)偏小；只能檢測“點”氣體濃度，檢測信息不完整； 受背景氣體、粉塵干擾，測量數(shù)據(jù)偏小； 單參數(shù)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(zhuǎn)爐煤氣回收率。太鋼使用NEOM(挪威)激光（LaserGas）氣體分析儀系統(tǒng)進行煤氣回收，激光分析儀的使用維護簡單方便，減少了影響煤氣回收系統(tǒng)的故障和維護量，提高了煤氣回收率。
一、工藝目的
鋼鐵工業(yè)中的基本工藝為間接熔融冶煉法。其生產(chǎn)過程包括：鋼鐵冶煉、焦炭冶煉、軋鋼系統(tǒng)等生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)過程中將產(chǎn)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(chǎn)過程中產(chǎn)生的可回收能源氣體
鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中對生成氣體進行分析的主要目的有以下幾點：
1、優(yōu)化生產(chǎn)工藝：如高爐爐氣分析系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐/電爐/精煉爐爐氣分析系統(tǒng)等；
2、能源氣回收利用：如轉(zhuǎn)爐煤氣回收分析系統(tǒng)、焦爐煤氣分析系統(tǒng)等；
3、環(huán)保節(jié)能：如熱風爐后煙道氣分析系統(tǒng)、燒結(jié)/石灰窯煙道氣分析系統(tǒng)；
4、能源利用率：如通過分析儀系統(tǒng)，受PLC程序聯(lián)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(tǒng)、電捕焦安全分析系統(tǒng)、電除塵安全分析系統(tǒng)，煤氣回收系統(tǒng)安全保障等。
二、激光(LaserGas)分析儀的工作原理
激光氣體現(xiàn)場在線分析儀采用單吸收線光譜技術(shù)，基于在近紅外區(qū)域內(nèi)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(nèi)無其它氣體的吸收線（無交叉吸收干涉）。然后，通過調(diào)節(jié)固態(tài)激光器溫度和驅(qū)動電流，將固態(tài)激光器頻率調(diào)整對應(yīng)到氣體的單吸收線。激光掃描光譜寬度相應(yīng)調(diào)整到比被測氣體單吸收線光譜寬度更窄。通過改變固態(tài)激光器的電流，包含單吸收線的激光波長被掃描發(fā)射出來。
在激光掃描發(fā)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(fā)生變化，且此變化只是來自發(fā)射單元（Transmitter）內(nèi)部的激光器與接收單元（Receiver）之間的標定管或轉(zhuǎn)爐氣體煙道管內(nèi)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(fā)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(xiàn)在所選波長范圍內(nèi)，因此不會對單吸收線產(chǎn)生干擾，從而影響氣體含量測量。激光氣體現(xiàn)場在線分析儀工作時，把煙道一側(cè)發(fā)射單元上的紅外激光發(fā)射到煙道另一側(cè)上的接收單元上，其測量技術(shù)正是基于用煙道內(nèi)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。它是基于這樣一個事實：大多數(shù)氣體只吸收特定波長的光。吸收量是煙道內(nèi)氣體含量的一個直接反映。二極管激光波長通過掃描被選定的吸收線得到，由于二極管激光器和探測器光路上的特定氣體分子的吸收，探測光由于激光波長的作用而變化。為增加其敏感性，采用了所謂的波長調(diào)制技術(shù)：當掃描吸收線時，激光波長會被輕微調(diào)節(jié)。探測器信號被光譜分解為激光調(diào)制頻率和聲學(xué)下的頻率元件。第二諧波信號通常用于測量吸收氣體的濃度。既然在特定的波長下，其它氣體的吸收線并不存在，所以不存在來自其它氣體的直接干擾。被測量氣體的濃度與吸收線的振幅是成比例的。
圖2 激光(LaserGas)分析儀的測量原理
Transmitter:發(fā)射單元 Receiver:接收單元 Transmission:傳輸率 Absorption line: 吸收線
三、激光分析儀和傳統(tǒng)分析儀的比較
國內(nèi)煉鋼廠的煤氣回收系統(tǒng)，較多使用在線取樣分析儀系統(tǒng)進行回收，但在線取樣分析儀的取樣管易腐蝕、堵塞； 響應(yīng)時間滯后；維護和標定工作量大；溶解和吸附導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)偏小；只能檢測“點”氣體濃度，檢測信息不完整； 受背景氣體、粉塵干擾，測量數(shù)據(jù)偏小； 單參數(shù)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(zhuǎn)爐煤氣回收率。太鋼使用NEOM(挪威)激光（LaserGas）氣體分析儀系統(tǒng)進行煤氣回收，激光分析儀的使用維護簡單方便，減少了影響煤氣回收系統(tǒng)的故障和維護量，提高了煤氣回收率。
LaserGas激光現(xiàn)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(huán)境下用戶對氣體成分現(xiàn)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(chǎn)品，代表了此領(lǐng)域發(fā)展方向，正在世界各地取代傳統(tǒng)分析儀，已在全球五十多個國家使用。它采用在近紅外光譜范圍內(nèi)的“單吸收線”光譜技術(shù)，徹底避免了“交叉干擾”。
四、激光現(xiàn)場氣體在線分析儀的優(yōu)點
激光現(xiàn)場氣體在線分析儀具有傳統(tǒng)分析儀無法比擬的優(yōu)點：
連續(xù)、現(xiàn)場直接測量
高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定度
快速響應(yīng)（時間小于1秒）
可選的測量范圍
可選的輸出信號
容易安裝
極少而又簡單的維護
內(nèi)置重標定機構(gòu)（一般若干年后才需重標定一次）
無需進行氣體采樣預(yù)處理
不受交叉干擾影響
測量不受粉塵、水分、背景組分等影響
全固態(tài)設(shè)計，無運動部件、無易損件，無周期性消耗替換件
結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、堅固耐用
通過德國TUV測試，國際品質(zhì)
美國、歐洲、日本等全球50多個國家廣泛使用
五、激光氣體分析儀的發(fā)射器和接收器吹掃系統(tǒng)
對于發(fā)射單元和接收單元需要吹掃的應(yīng)用，吹掃流的方向在圖3中有說明。既然在這些單元里面有光學(xué)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(fā)射器被這樣的空氣吹掃，不久之后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里過壓。如果吹掃流被阻塞，接收單元和發(fā)射單元能夠在一小時期間保持氣體好于99.5%。
圖3 激光氣體分析儀的發(fā)射單元和接收單元吹掃系統(tǒng)
六、激光氣體分析儀在太鋼的應(yīng)用
轉(zhuǎn)爐是煉鋼廠的重要組成部分。轉(zhuǎn)爐冶煉燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的爐氣具有周期變化的特征，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(chǎn)生的爐氣中含有較高的CO，其回收利用具有很高的經(jīng)濟價值，一般每噸鋼可回收煤氣80-160m3，其回收的關(guān)鍵在于回收時間和煤氣熱值的控制。國內(nèi)鋼廠較多使用在線取樣分析儀系統(tǒng)進行煤氣回收，太鋼采用了LT法除塵設(shè)備，并使用NEOM激光氣體分析儀系統(tǒng)進行煤氣回收。轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煙氣溫度高達1200℃左右，經(jīng)蒸發(fā)冷卻器（EC系統(tǒng)）、電除塵器(ESP系統(tǒng))除塵，再通過煤氣冷卻器(GC系統(tǒng))降溫后才可回收利用。轉(zhuǎn)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(cè)盅形閥進入煤氣柜儲存，否則經(jīng)過放散側(cè)盅形閥通過放散塔點火燃燒；煤氣柜前的O2激光分析保證煤氣柜內(nèi)O2含量超標后啟動應(yīng)急預(yù)案，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性， 煤氣柜中合格的煤氣才可送給用戶使用。
圖4 TISCO轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)流程
七、激光氣體分析儀的操作和維護
激光分析儀的操作很容易，它包含一個監(jiān)測和控制儀器所有基本功能的微信息處理器。維護人員應(yīng)該在安裝期間，使用一臺連接到儀器的個人電腦，為激光分析儀提供一次一些必要的氣體參數(shù)。然后斷開個人電腦連接，激光氣體分析儀將繼續(xù)操作并測量氣體濃度。激光分析儀不包含運動部件，因此沒有必要定期替換部件。
因此激光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(xué)視窗，并且在這些維護之后沒有必要重新校準系統(tǒng)。經(jīng)驗表明：對于大多數(shù)應(yīng)用來說，維護間隔大于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(xù)、安全運轉(zhuǎn)。為了預(yù)防激光氣體分析儀連續(xù)運轉(zhuǎn)，建議每六個月定期調(diào)整校準，這取決于操作環(huán)境。另外，應(yīng)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(nèi)部儀器狀態(tài)報告。報告應(yīng)該足以去評價特殊維修工作的需要。
八、激光氣體分析儀的校準(Calibration)
NEMO所有生產(chǎn)的激光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激光分析儀（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后，由于二極管激光器的老化，激光分析儀參數(shù)可能會改變。這種情況下，有必要進行一次新的校準。必須使用一種被鑒定過的測試氣體(標定氣體)和所提供的氣體單元每年做一次儀器校準確認。被鑒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激光氣體分析儀或CO激光分析儀，應(yīng)該使用干燥的空氣或僅僅室內(nèi)空氣被測試和校準。
應(yīng)該注意的是，激光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(yīng)該確定一次新的校準確實是必需的。如果激光分析儀的讀數(shù)在推薦的濃度水平已表明低的范圍之內(nèi)，偏離正常值小于2.5 % - 3 %，是不推薦進行校準的。對于激光氣體分析儀來說，這是一個典型的絕對精度。應(yīng)該考慮用于校準確認的氣體混合物的精度，對于O2激光氣體分析儀或CO激光分析儀，如果單元壓力和溫度值在儀器中被正確地設(shè)定，其偏離值不應(yīng)該超過0.2% vol。
遵循以下描述的步驟執(zhí)行激光（LaserGas）分析儀的確認和校準：
1. 在執(zhí)行確認和校準之前讓激光分析儀至少運轉(zhuǎn)1小時。
2. 如圖5所示，把發(fā)射單元和接收單元連接到測試單元，運行服務(wù)程序。
3. 確保光路長度參數(shù)被正確地設(shè)置，法蘭長度或濃度應(yīng)該被設(shè)定到零。檢查手動設(shè)置的溫度和壓力參數(shù)是正確的，或者氣體溫度和壓力的PLC 輸入?yún)?shù)是正確的。
4. 把校準氣體輸入到單元內(nèi)。一直等到系統(tǒng)達到穩(wěn)定水平。
5. 如果需要，執(zhí)行“全面”校準。
6.把新的激光分析儀的參數(shù)設(shè)置保存到一個文件。
7. 重新設(shè)置光路參數(shù)、壓力和溫度的參數(shù)。
8. 激光分析儀現(xiàn)在可以被安裝回到它的測量位置。
圖5 激光(LaserGas)分析儀的校準單元連接
九、激光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 激光（LaserGas）分析儀標定氣體濃度參照表
Measured gas：測量氣體 Recommended concentration range：推薦濃度范圍
應(yīng)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混合后，在混合氣體中的HF含量為50ppm），達到以上指定數(shù)值的校準氣體混合物系統(tǒng)，為的是避免條件下的測量結(jié)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。
