寶鋼工程技術(shù)集團有限公司 朱亞同

作為上海世博會重大配套工程，寶鋼集團將下屬浦鋼鋼廠整體搬遷至上海寶山羅涇地區(qū)。搬遷后的羅涇工廠采用了世界上最清潔、最先進的COREX熔融還原煉鐵工藝，是世界上首座COREX3000型熔融還原爐。其煉鐵工藝輸出的COREX煤氣作為重要的燃料氣供給全廠用戶循環(huán)利用。COREX煤氣是一種高利用價值的煤氣，熱值達到7.5～9.0 MJ/m3，類似于轉(zhuǎn)爐煤氣。其輸出煤氣的成分根據(jù)煉鐵生產(chǎn)使用的煤種成分的不同有所變化。為了合理生產(chǎn)和有效利用煤氣能源，能源部需要對COREX煤氣中各組分進行實時分析測定。

傳統(tǒng)的檢驗手段是采用化學分析專用儀器對煤氣中各組分進行分析測定(化學吸收法)，分析誤差大，重現(xiàn)性差，操作繁瑣，污染環(huán)境。而氣相色譜法具有分析靈敏度高、結(jié)果準確、重現(xiàn)性好、操作簡便等特點，本文就氣相色譜法在COREX煤氣組分分析中的設計利用進行探討。

1 氣相色譜法分析工藝原理

1.1 分離原理分析

利用色譜柱對各種氣體的吸附力不同，將樣氣中的各種氣體分離。色譜柱為分子篩吸附劑，依靠吸附能力的差異，對于通過其中的氣體組分進行分離。

當樣氣由載氣帶入色譜柱后，由于吸附劑對不同組分有不同的吸附能力，隨著載氣的流動，各個成分從色譜柱分離出的時間是不同的。吸附能力強的組分停留時間長,吸附能力差的組分停留時間短，從而達到分離的目的。色譜分析的分離原理如圖1所示。

圖1 色譜分析分離原理

1.2 檢測器的原理

TCD熱導檢測器(thermal conductivity detector)具有四個熱敏元件的孔，側(cè)面另有孔與氣路相通。當含有樣氣組分的載氣流過元件周圍時，由于載氣和樣氣中各成分的熱導率存在不同，橋路產(chǎn)生的電壓信號就對應各成分的檢測濃度輸出信號。各成分含量是由波峰面積而定。TCD工作原理如圖2所示。

圖2 TCD熱導檢測器工作原理

1.3 色譜分析儀的工作原理

色譜分析儀工作原理是采用色譜柱進行氣體分離，然后用TCD熱導法進行成分分析。

采用高可靠性的定量閥，色譜儀可以長期連續(xù)使用。色譜分析儀的工作原理如圖3所示。

圖3 色譜分析儀工作原理

2 應用案例

以浦鋼搬遷羅涇工程COREX煤氣色譜分析為例，介紹其在設計上的實際應用。

2.1 工藝流程

COREX煤氣經(jīng)過取樣和預處理裝置后的樣品，利用流路切換閥可以經(jīng)過旋轉(zhuǎn)切換把計量管里定量的樣氣通過載氣的推動，送入到色譜柱里進行分離，色譜柱利用氣體組分在色譜柱中的吸附系數(shù)不同進行分離后依次進入熱導式檢測器(TCD)。根據(jù)物質(zhì)熱導率差異轉(zhuǎn)化為熱敏元件電阻差值信號放大處理。最后以4～20 mA模擬信號輸出給PLC。溫度控制器對恒溫箱溫度進行控制。如此完成一個周期的分析。

2.2 樣氣條件和測量量程

(1)測量成份范圍:

2.3 技術(shù)性能

2.4 選用分析儀的特點

氣相色譜儀具有良好的穩(wěn)定性和良好的重復性，在冶金企業(yè)各種檢測工況中被廣泛地使用，本項目采用的氣相色譜儀特點如下:

(1)色譜柱制造的獨特技術(shù)。其色譜柱獨有的親水型設計非常適合應用在COREX煤氣這種高含水量的檢測場合。

(2)微處理器的應用技術(shù)。本項目采用的成熟技術(shù)的微處理器已有30多年的歷史。

(3)豐富的專業(yè)應用技術(shù)。色譜柱和預處理采樣系統(tǒng)已普遍應用于各行業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)中。

(4)簡單的操作和友好的界面。在LCD上顯示分析數(shù)據(jù)，運行狀態(tài)顯示，色譜圖顯示等等，無論是維護還是操作都非常方便。

(5)機械設計技術(shù)。各種機械閥門壽命長，維護性強，檢測器靈敏度高。

2.5 系統(tǒng)組成介紹

氣相色譜煤氣分析系統(tǒng)包括如下幾部分:

取樣裝置、預處理裝置，PLC順控箱和色譜分析儀。

2.5.1 取樣裝置

采用D34的蒸汽伴熱探頭，插入直徑DN3 400的COREX煤氣管道作為取樣裝置。采用蒸汽伴熱探頭的目的是預防樣氣中的水凝結(jié)在管道內(nèi)沉積堵塞管道。

2.5.2 預處理裝置

由于在分析取樣點處的樣氣內(nèi)含塵量較高，濕度高，環(huán)境惡劣，因此需要設置預處理裝置。預處理裝置包括:

(1)反吹系統(tǒng):由于工藝取樣點粉塵很多，在預處理系統(tǒng)中設置了對采樣頭部的過濾器進行吹掃的系統(tǒng)。對探頭進行定時反吹，保持采樣探頭的通暢；特別設計的探頭結(jié)構(gòu)，大大提高了吹掃的效率。另外還采用多種吹掃方式(脈沖吹、內(nèi)吹、外吹、復合吹、環(huán)流吹)，確保了吹掃的效果，保證系統(tǒng)的連續(xù)運行。

(2)多級過濾系統(tǒng):這部分是采取三級過濾措施，將樣氣中的粉塵過濾掉，確保分析系統(tǒng)連續(xù)正常工作。其中第一級采用20 μm不銹鋼過濾器，第二級采用5 μm不銹鋼過濾器，第三級是0.2 μm濾紙過濾。我們的不銹鋼過濾器采用的是大容塵多層不銹鋼濾網(wǎng)方式，過濾效果好，可反復再生使用。

(3)旁通系統(tǒng):由于樣氣管道較長，為了加快響應分析系統(tǒng)的響應速度而采取旁通排放的系統(tǒng)。

(4)脫濕系統(tǒng):由于樣氣中的水分存在要影響分析系統(tǒng)的正常工作，因此采取多次脫濕措施，包括大容量脫水器、電子制冷器、高分子膜制冷器等多種脫濕措施。電子制冷器是一種先進的制冷方式，它采用半導體冷端和熱端的原理，特點是體積小、溫度控制精確，無需除霜，免維護。高分子膜制冷器是樣氣進入分析儀之前的最后一道制冷措施，利用高分子膜特殊的滲透性原理，它能夠把樣氣的露點溫度降低到-20～-40 ℃，充分滿足色譜分析儀的需要。

(5)校正系統(tǒng):為了確保分析系統(tǒng)的準確運行，在本裝置中采用了校正系統(tǒng)，可以方便的對色譜儀的工作點進行校正。

(6)穩(wěn)壓系統(tǒng):在預處理裝置中設置增壓、減壓和穩(wěn)壓裝置。以保證進入到色譜儀樣氣壓力穩(wěn)定。

2.5.3 PLC控制系統(tǒng)

為了保證預處理裝置各種電氣設備的根據(jù)系統(tǒng)的要求進行工作，在本裝置中采用了先進的PLC控制系統(tǒng)，速度快、體積小，且適合于在惡劣的工作環(huán)境下長期穩(wěn)定運行。同時對根據(jù)色譜儀的檢測成分計算出標況下COREX煤氣成分及計算熱值。

先測出煤氣中各組分氣體的含量，再利用組分氣體的單位熱值數(shù)，乘上對應體積百分數(shù)后算出煤氣的熱值。

3 實際使用效果

本項目采用的的COREX煤氣全組分氣相色譜分析系統(tǒng)自2007年投入運行以來，效果良好。檢測的煤氣成分、熱值數(shù)據(jù)除了現(xiàn)場顯示外，還上傳到能源中心在線實時地查看。作為煤氣利用、監(jiān)測的重要手段之一，有效地節(jié)約了煤氣能源，為能源中心的能源管理和煤氣能源平衡提供決策依據(jù)，在節(jié)能降耗方面發(fā)揮了重要作用。

4 結(jié)語

氣相色譜分析技術(shù)作為一項成熟進步的檢測技術(shù)，具有連續(xù)可靠穩(wěn)定運行、精度保證等顯著優(yōu)點。氣相色譜分析系統(tǒng)在COREX煤氣中的成功應用也為其在其他項目和領(lǐng)域的應用提供了理論和實踐經(jīng)驗。