CN105424885B - 一种焦炉煤气成分在线监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种焦炉煤气成分在线监测方法及装置，该方法步骤包括：1）采用薄膜氢气传感器实时采集待分析焦炉煤气中氢气的浓度信号、以及采用一个以上的红外气体传感器分别实时采集待分析焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号输出；2）实时接收氢气的浓度信号、所需监测气体的浓度信号，并转换为各气体对应的浓度输出；该装置包括薄膜氢气传感器、一个以上的红外气体传感器以及信号处理模块。本发明具有实现操作简单、能够实现焦炉煤气成分的实时监测且监测精度、效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及焦炉煤气检测技术领域，尤其涉及一种焦炉煤气成分在线监测方法及装置。
背景技术
焦炉煤气是在炼焦过程中在产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体，是炼焦过程的副产品，通常生产一吨焦炭可产生焦炉煤气约450m3，焦炉煤气净煤气热值较高，可达17600kJ/m3，其主要成分为氢气、甲烷、一氧化碳等。我国焦炭产量居世界第1位，但大部分经燃烧后直接排空，不仅浪费了能源，而且还会造成环境污染。由于煤质以及工艺的变化，煤气成分也会发生变化，因而为了尽可能高效、合理地利用焦炉煤气，最大限度提高焦炉煤气的利用效率、提高企业利用焦炉煤气的积极性，可以通过实时获取焦炉煤气中各气体成分的精确含量来实时指导燃烧调整，如发电或者直接用于加热时，通过测量煤气成分可以指导调整燃烧；甲醇工艺中通过严格检测原料气的组成可便于进行调整。
目前针对焦炉煤气的成分检测、分析均是基于离线分析，缺少对于焦炉煤气成分的在线检测、分析技术，离线分析即是定期采样数据后进行离线分析，因而无法对燃烧进行实时指导，不能最大限度的实现成分检测、分析的功能。对于焦炉煤气的全成分分析中，目前通常也只是通过单一组分气体传感器或气相色谱等手段获得，因而存在以下问题：
1）单一组分分析很难确保测量准确性，特别是CH4的测量，由于受到其它碳氢气体的影响，CH4的误差在50%以上；
2）由于焦炉煤气中同时包含多种气体成分，目前常用的如电化学传感器、催化燃烧传感器、半导体传感器等选择性差，均不适用于焦炉煤气的成分检测、分析中，其中电化学气体传感器除了与特定气体发生化学反应外，可能还会与其它杂质气体发生反应，比如测量H2的电化学传感器对CO也会产生响应，且电化学气体传感器还需要定期标定以及填充电解液，使用较为复杂；催化燃烧气体传感器对所有可燃性气体都有可能发生反应，并且某些杂质气体还可能使传感器催化剂中毒，导致传感器失效；半导体传感器对所有还原性气体都会产生响应；
3）针对氢气成分检测、分析中，目前所采用的传感器类型主要包括热导式、催化燃烧式和电化学式等，但这些氢气传感器都存在对环境要求高、抗干扰性差、气体选择性差以及安全性能差等缺点，因此也不适用直接测量焦炉煤气中氢气成分。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种有实现操作简单、能够实现焦炉煤气成分的实时监测且监测精度、效率高的焦炉煤气成分在线监测方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种焦炉煤气成分在线监测方法，步骤包括：
1）采用薄膜氢气传感器实时采集待分析焦炉煤气中氢气的浓度信号、以及采用一个以上的红外气体传感器分别实时采集待分析焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号输出；
2）实时接收所述氢气的浓度信号、所需监测气体的浓度信号，并转换为各气体对应的浓度输出。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤1）中具体采用一氧化碳红外气体传感器、二氧化碳红外气体传感器以及甲烷红外气体传感器中一种或多种的红外气体传感器。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤2）中接收到所述浓度信号时，还包括对所述浓度信号依次进行滤波、放大以及AD转换的预处理步骤。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤1）还包括实时采集待分析焦炉煤气的压力、温度信号输出的步骤；所述步骤2）还包括根据所述压力、温度信号对接收到的所述浓度信号进行补偿校正步骤。
一种焦炉煤气成分在线监测装置，包括：
薄膜氢气传感器，用于实时采集待分析焦炉煤气中氢气的浓度信号；
一个以上的红外气体传感器，用于分别实时采集待分析焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号；
信号处理模块，分别与所述薄膜氢气传感器、红外气体传感器连接，用于实时接收所述氢气的浓度信号、除氢气外所需监测气体的浓度信号，并转换为各气体对应的浓度输出。
作为本发明装置的进一步改进：所述红外气体传感器包括甲烷红外气体传感器、一氧化碳红外气体传感器、二氧化碳红外气体传感器中的一种或多种。
作为本发明装置的进一步改进：所述信号处理模块包括用于对接收到的浓度信号进行预处理的预处理单元，所述预处理单元包括依次连接的滤波电路、放大电路以及AD转换电路。
作为本发明装置的进一步改进：所述信号处理模块还包括补偿校正单元，所述补偿校正单元采集待分析焦炉煤气的压力信号、温度信号，根据所述压力信号、温度信号对各气体浓度信号进行补偿修正。
作为本发明装置的进一步改进：还包括用于显示转换得到的各气体浓度的交互显示屏，所述交互显示屏与所述信号处理模块连接。
作为本发明装置的进一步改进：所述信号处理模块采用单片机。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）本发明采用红外气吸收气体传感器实时采集焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号，可以对焦炉煤气中CO、CO2、CH4等多种成分气体进行测量而不存在选择性问题，可以直接应用于焦炉煤气中监测各种气体成分，且灵敏度、准确性高；
2）本发明采用薄膜式氢气传感器采集待分析焦炉煤气中氢气的浓度信号，能够对红外气吸收气体传感器所不适用的氢气进行精确的检测，且选择性好、安全性高、抗干扰能力强且使用寿命长等；
3）本发明结合红外吸收式气体传感器、薄膜式氢气传感器实时采集待分析焦炉煤气中各气体浓度信号，基于红外气吸收气体传感器的特性采用红外气吸收气体传感器实时采集焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号、以及采用薄膜式氢气传感器采集氢气的浓度信号，解决了传统气体传感器不能够直接应用于焦炉煤气成分检测中的问题，同时实现各气体成分的准确、高效监测，通过各气体浓度的分析即可对焦炉煤气成分进行自动校正以及实时连续监测，从而指导合理、高效的利用焦炉煤气；
4）本发明通过实时采集焦炉煤气中各气体成分的浓度信号，得到各气体的准确浓度数据，可以对焦炉煤气的燃烧进行实时指导，有效提高燃烧效率、节约能源同时降低成本，从而可以提高当前利用焦炉煤气的积极性；
5）本发明接收到浓度信号时，进一步对浓度信号依次进行滤波、放大以及AD转换的预处理，通过通滤波滤除高频干扰成分，再经过放大后输出至AD通道进行AD转换，能够进一步提高监测精度；
6）本发明进一步通过实时采集待分析焦炉煤气的压力、温度信号，根据压力、温度信号进行温漂以及非线性的补偿校正，从而可以在压力、温度变化时仍然获取得到准确的浓度数据。
附图说明
图1是本实施例焦炉煤气成分在线监测方法的实现流程示意图。
图2是本实施例焦炉煤气成分在线监测装置的结构示意图。
图3是本发明焦炉煤气成分在线监测装置在具体实施例中的实现原理示意图。
图4是本发明焦炉煤气成分在线监测装置在具体应用中的结构原理示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例焦炉煤气成分在线监测方法，步骤包括：
1）采用薄膜氢气传感器实时采集待分析焦炉煤气中氢气的浓度信号、以及采用一个以上的红外气体传感器分别实时采集待分析焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号输出；
2）实时接收氢气的浓度信号、所需监测气体的浓度信号，并转换为各气体对应的浓度输出。
本实施例通过实时采集焦炉煤气中各气体成分的浓度信号，得到各气体的准确浓度数据，可以对焦炉煤气的燃烧进行实时指导，有效提高燃烧效率、节约能源同时降低成本，从而可以提高当前利用焦炉煤气的积极性。
红外吸收式气体传感器基于朗伯—比尔定律的探测原理，当有红外光照射气体分子时，被测气体分子会吸收自己相应波长（特征吸收频率）的红外光，其中气体的特征吸收频率的红外光是由分子种类决定的；气体吸收红外光能量的多少是与气体浓度相关的，因而可以通过测定红外光被吸收能量的多少来测定气体浓度，红外吸收式气体传感器即是通过分析红外光被气体吸收频率（吸收带）和能量多少来确定气体的成分和浓度，因而红外吸收气体传感器具有很好的选择性。本实施例采用红外气吸收气体传感器实时采集焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号，可以对焦炉煤气中CO、CO2、CH4等多种成分气体进行测量而不存在选择性问题，可以直接应用于焦炉煤气中监测各种气体成分，且具有灵敏度、准确性高的优点。
氢气属于非极性气体，对红外光吸收不强，因此红外吸收式传感器用于检测氢气时并不理想，薄膜式氢气传感器是利用金属钯和钯铬合金对氢气的专一催化原来制成，本实施例采用薄膜式氢气传感器采集待分析焦炉煤气中氢气的浓度信号，能够对红外气吸收气体传感器所不适用的氢气进行精确的检测，且选择性好、安全性高、抗干扰能力强且使用寿命长等。本实施例具体采用美国H2Scan公司基于第三代氢敏技术开发的薄膜式氢气传感器。
本实施例结合红外吸收式气体传感器、薄膜式氢气传感器实时采集待分析焦炉煤气中各气体浓度信号，基于红外气吸收气体传感器的特性采用红外气吸收气体传感器实时采集焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号、以及采用薄膜式氢气传感器采集氢气的浓度信号，解决了传统气体传感器不能够直接应用于焦炉煤气成分检测中的问题，同时实现各气体成分的准确、高效监测，通过各气体浓度的分析即可对焦炉煤气成分进行自动校正以及实时连续监测，从而指导合理、高效的利用焦炉煤气。
本实施例中，步骤1）中具体采用一氧化碳红外气体传感器、二氧化碳红外气体传感器以及甲烷红外气体传感器中一种或多种的红外气体传感器。由一氧化碳红外气体传感器、二氧化碳红外气体传感器以及甲烷红外气体传感器分别单独采集焦炉煤气中CO、CO2、CH4气体的浓度信号，可以实时对焦炉煤气中主要的CO、CO2、CH4成分进行监测。当然在其他实施例中，还可以根据实际需求采用其他红外气体传感器以采集所需监测气体成分。
本实施例中，步骤2）中接收到浓度信号时，还包括对浓度信号依次进行滤波、放大以及AD转换的预处理步骤。本实施例对浓度信号具体进行低通滤波，以滤除高频干扰成分，经过放大后输出至AD通道进行AD模数转换，能够进一步提高监测精度。
本实施例中，步骤1）还包括实时采集待分析焦炉煤气的压力、温度信号输出的步骤；步骤2）还包括根据压力、温度信号对接收到的浓度信号进行补偿校正步骤。本实施例具体设置压力传感器、温度传感器实时采集待分析焦炉煤气的压力、温度信号，通过实时压力、温度信号对AD转换后的浓度信号进行温漂以及非线性补偿的补偿校正，再转换为标准浓度数字信号，得到各气体对应的浓度，从而可以在压力、温度变化时仍然获取得到准确的浓度数据。
如图2所示，本实施例焦炉煤气成分在线监测装置，包括：
薄膜氢气传感器（H2传感器），用于实时采集待分析焦炉煤气中氢气的浓度信号；
一个以上的红外气体传感器，用于分别实时采集待分析焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号；
信号处理模块，分别与薄膜氢气传感器、红外气体传感器连接，用于分别实时接收氢气的浓度信号、除氢气外所需监测气体的浓度信号，并转换为各气体对应的浓度输出。
本实施例红外气体传感器包括甲烷红外气体传感器（CH4传感器）、一氧化碳红外气体传感器（CO传感器）以及二氧化碳红外气体传感器（CO2传感器），各传感器的检测端置于待分析焦炉煤气的管路中，实时采集待分析焦炉煤气中CH4、CO以及CO2的浓度信号。
本实施例中， 信号处理模块具体包括信号接收单元以及浓度转换单元，信号接收单元实时接收氢气的浓度信号、除氢气外所需监测气体（本实施例具体为CH4、CO以及CO2）的浓度信号，输出至浓度转换单元；浓度转换单元根据各气体的浓度信号转换为各气体对应的浓度输出。
本实施例中，信号处理模块还包括用于对接收到的浓度信号进行预处理的预处理单元，预处理单元包括依次连接的滤波电路、放大电路以及AD转换电路，滤波电路具体为低通滤波电路，用于滤除浓度信号中高频成分，经过放大电路的放大后，输出至AD转换电路进行AD转换。
本实施例中，信号处理模块还包括补偿校正单元，补偿校正单元采集待分析焦炉煤气的压力信号、温度信号，根据压力信号、温度信号对各气体浓度信号进行补偿修正。如图2所示，本实施例还设置有压力传感器以及温度传感器，压力传感器以及温度传感器的检测端置于待分析焦炉煤气的管路中，实时采集待分析焦炉煤气的压力、温度信号，输出给补偿校正单元，由补偿校正单元根据压力、温度信号进行温漂以及非线性的补偿校正。
本实施例中，还包括用于显示转换得到的各气体浓度的交互显示屏，交互显示屏与信号处理模块连接。本实施例交互显示屏具体采用液晶显示屏，包括液晶屏、液晶显示单元电路板以及PC膜按键等，液晶显示屏通过RS485接口与信号处理模块连接，实时将信号处理模块输出的各气体的浓度（本实施例具体为H2、CH4、CO2以及CO气体的浓度）以及压力、温度信号进行显示，便于用于实时观测到各气体的浓度数据。本实施例信号处理模块通过RS485接口还连接上位机，将处理得到的各气体的浓度、压力以及温度信号以modbus标准协议传输给上位机，上位机根据接收到的数据对本实施例在线监测装置进行实时控制。
如图3、4所示，本实施例上述在线监测装置封装在一壳体内，壳体上设置有电源接口以及RS485接口，通过电源接口连接AC220V电源、通过RS485接口分别连接液晶显示屏以及上位机，便于携带以及执行在线监测操作，通过液晶显示屏即可实时获取得到浓度的监测信息。
本实施例中，信号处理模块采用单片机（MCU），各传感器采集的浓度信号以及压力、温度信号经过滤波、放大以及AD转换后输出至MCU主控电路板，由MCU主控电路板通进行补偿校正后转换为标准浓度数字信号，并将得到的浓度数字信号通过RS485接口传输给交互显示屏以及上位机。
传感器供电电压为12V或24V、主控电路板需要12V以及3.3V电源，因此本实施例中在线监测装置还设置有提供各电路所需电源的电源转换模块，电源转换模块包括AC-DC转换单元以及稳压单元，AC-DC转换单元接入AC220V市电，电转换为24VDC输出至稳压单元，稳压单元具体采用三端线性稳压电路，将24VDC分别转换为稳定的12VDC、3.3VDC分别提供给MCU主控电路板等各电路。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种焦炉煤气成分在线监测方法，其特征在于步骤包括：
1）采用薄膜氢气传感器实时采集待分析焦炉煤气中氢气的浓度信号、以及采用一个以上的红外气体传感器分别实时采集待分析焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号输出；
2）实时接收所述氢气的浓度信号、所需监测气体的浓度信号，并转换为各气体对应的浓度输出；
所述步骤1）还包括实时采集待分析焦炉煤气的压力、温度信号输出的步骤；所述步骤2）还包括根据所述压力、温度信号对接收到的所述浓度信号进行补偿校正步骤；
所述红外气体传感器包括甲烷红外气体传感器、一氧化碳红外气体传感器以及二氧化碳红外气体传感器，各传感器的检测端置于待分析焦炉煤气的管路中。
2.根据权利要求1所述的焦炉煤气成分在线监测方法，其特征在于：所述步骤2）中接收到所述浓度信号时，还包括对所述浓度信号依次进行滤波、放大以及AD转换的预处理步骤。
3.一种焦炉煤气成分在线监测装置，其特征在于包括：
薄膜氢气传感器，用于实时采集待分析焦炉煤气中氢气的浓度信号；
一个以上的红外气体传感器，用于分别实时采集待分析焦炉煤气中除氢气外所需监测气体的浓度信号；
信号处理模块，分别与所述薄膜氢气传感器、红外气体传感器连接，用于实时接收所述氢气的浓度信号、除氢气外所需监测气体的浓度信号，并转换为各气体对应的浓度输出；
所述信号处理模块还包括补偿校正单元，所述补偿校正单元采集待分析焦炉煤气的压力信号、温度信号，根据所述压力信号、温度信号对各气体浓度信号进行补偿修正；
所述红外气体传感器包括甲烷红外气体传感器、一氧化碳红外气体传感器以及二氧化碳红外气体传感器，各传感器的检测端置于待分析焦炉煤气的管路中。
4.根据权利要求3所述的焦炉煤气成分在线监测装置，其特征在于：所述信号处理模块包括用于对接收到的浓度信号进行预处理的预处理单元，所述预处理单元包括依次连接的滤波电路、放大电路以及AD转换电路。
5.根据权利要求3或4所述的焦炉煤气成分在线监测装置，其特征在于：还包括用于显示转换得到的各气体浓度的交互显示屏，所述交互显示屏与所述信号处理模块连接。
6.根据权利要求3或4所述的焦炉煤气成分在线监测装置，其特征在于：所述信号处理模块采用单片机。
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