CN113295504A - 一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统 - Google Patents

一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，属于检测控制技术领域。本发明的在线监测系统，包括煤气预处理单元、分析单元、尾气排放净化单元、校准单元和自动控制单元，所述的煤气预处理单元对煤气进行脱除杂质，分析单元分析煤气的成分，尾气排放净化单元对煤气进行催化燃烧；所述的校准单元对分析单元进行校准定标；所述的自动控制单元对各单元进行控制和监控，并对检测数据进行传输。对煤气采用液态清洗剂洗涤+固态吸附剂吸附+下进上出式逆流冷却脱水干燥技术进行处理，有效的脱除焦炉煤气中的焦油、苯、萘等有机物，避免其结晶对管路造成堵塞。

Description

一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统
技术领域
本发明涉及检测控制技术领域，更具体地说，涉及一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统。
背景技术
就钢铁生产而言，冶金过程副产煤气包括高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气等，目前已被再利用于钢铁生产过程，用途包括燃烧加热、化工原料、工艺需求等。
冶金过程副产煤气主要特点：①差异性大，各种煤气成分及含量完全不同；②波动性大，同种煤气不同炉窑，同一炉窑不同时间均存在较大差异；③杂质多，就焦炉煤气而言不仅湿度大，而且含有焦油、苯、萘、硫化氢、粉尘等杂质。就利用方式而言，经常采用掺混调配使用，必要时，需要配入天然气等其它气源。因此，精确的在线煤气监测是保证煤气高效、安全利用的前提。
目前，冶金过程副产煤气成分分析主要采用离线人工取样、离线分析方式，测量结果的实时性、代表性、精确性难以保证。相比燃烧法热值仪(华白指数仪)，成分法更能了解煤气组成，实现煤气的精确调配及利用。成分法分为在线抽取法及原位激光法，煤气中水汽、粉尘及测量成分少等问题困扰，制约了原位激光法的使用范围；而焦炉煤气带来的焦油、萘等物质造成取样管路堵塞问题，直接影响到在线抽取法分析系统的运行稳定性。因此，开发一套适用范围广、精确、稳定、可靠的成分法煤气在线监测系统，实时、持久、可靠地满足能源精确管控及现场使用精确控制要求意义重大。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
鉴于对煤气进行成分法进行分析，会被煤气中水汽、粉尘及测量成分少等问题困扰，且焦炉煤气带来的焦油、萘等物质造成取样管路堵塞问题，会影响到在线抽取法分析系统的运行稳定性，本发明提供了一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，解决了上述问题，能够实时、持久、可靠地满足能源精确管控及现场使用精确控制。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，包括煤气预处理单元、分析单元、尾气排放净化单元、校准单元和自动控制单元，所述的煤气预处理单元对煤气进行脱水除尘，分析单元分析煤气的成分，尾气排放净化单元对煤气进行催化燃烧；所述的校准单元对分析单元进行校准定标；所述的自动控制单元对各单元进行控制和监控，并对检测数据进行传输。
更进一步地，所述的煤气预处理单元包括取样球阀、除水罐、清洗罐、汽水分离罐、冷凝器冷腔、第一过滤器和吸附器；所述的取样球阀一端与进气管连接，另一端与除水罐连通，所述的除水罐、清洗罐、第一过滤器和吸附器通过管道依次连通；所述的吸附器同时与两个汽水分离罐连接，每个汽水分离罐均连接一个冷凝器冷腔；所述的冷凝器冷腔经校准单元接入分析单元。
更进一步地，所述的清洗罐和吸附器设置为两级串联；所述的冷凝器冷腔为逆流式，煤气从冷凝器冷腔下端进入，从冷凝器冷腔上端排出。
更进一步地，所述的校准单元包括切换阀和标气罐，所述的切换阀为三通阀，标气罐通过切换阀接入分析单元。
更进一步地，所述的分析单元包括控制器、流量计、第一分析仪、第二分析仪和第三分析仪；所述的控制器与流量计连接，流量计分两路，分别接入第一分析仪以及串联连接的第二分析仪和第三分析仪。
更进一步地，所述的第一分析仪为C、H分析仪，第二分析仪为H2分析仪，第三分析仪为O2分析仪。
更进一步地，所述的校准单元和分析单元之间还连接有切断阀和第二过滤器。
更进一步地，所述的分析单元与尾气排放净化单元连接，尾气排放净化单元包括催化燃烧装置，对煤气进行催化燃烧后排空。
更进一步地，所述的自动控制单元包括控制仪、温度传感器和泄漏报警仪；所述的控制仪通过信号线与系统的各个部件电连接；所述的温度传感器监测环境温度，泄漏报警仪监测环境中CO含量，温度传感器和泄漏报警仪同样与控制仪电连接。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)鉴于对煤气进行成分法进行分析时，焦炉煤气带来的焦油、萘等物质造成取样管路堵塞问题，会影响到在线抽取法分析系统的运行稳定性，本发明的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，对煤气采用液态清洗剂洗涤+固态吸附剂吸附+下进上出式逆流冷却脱水干燥技术进行处理，有效的脱除焦炉煤气中的焦油、苯、萘等有机物，避免其结晶对管路造成堵塞。
(2)本发明的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，采用可调滤波光谱技术检测CO、CO2、CH4、CnHm(丙烷、乙烷、乙烯、乙炔)等成分，相比传统的电化学法和非分光红外法(NDIR)，具有可识别及测量的组分更多，精度、稳定、可靠、系统简单、低维护等诸多优势。
(3)本发明的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，采用催化燃烧技术对检测后外排煤气进行净化处理，实现安全、环保效果；同时本发明的系统简约，维护量低，不需要设置增压气泵及反吹系统，对采样过程干扰更少、安全性更高、故障率更低。
(4)本发明的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，设置两级串联清洗罐和两级串联吸附器，将煤气中的焦油、苯、萘等有机物充分吸收，再利用两级并联的冷凝器冷腔，将残余萘晶体排除，有效防止管路堵塞。
附图说明
图1为本发明系统的整体安装示意图。
图中标号说明：
1、进气管；2、压力传感器；3、取样球阀；4、除水罐；5、清洗罐；6、手动球阀；7、汽水分离罐；8、排水阀；9、冷凝器冷腔；10、第一过滤器；11、吸附器；12、切换阀；13、标气罐；14、切断阀；15、第二过滤器；16、控制器；17、流量计；18、第一分析仪；19、第二分析仪；20、第三分析仪；21、催化燃烧装置；22、信号线；23、控制仪；24、温度传感器；25、泄漏报警仪。
具体实施方式
本发明的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，采用直接采样分析方式，通过气体分析仪器进行分析检测，即：煤气采样管来的正压煤气经过汽水分离、洗涤、冷却干燥、脱硫除尘稳流后，进入气体分析仪分析。
值得说明的是：1、本发明中，煤气处理采用液态清洗剂洗涤+固态吸附剂吸附+下进上出式逆流冷却脱水干燥技术，有效解决的采样管路堵塞问题：液态清洗剂洗涤：采用液体石蜡清洗剂对煤气中焦油、苯、萘等有机物进行物理吸附清洗；固态吸附剂吸附：采用吸附剂为活性氧化铝颗粒，进行干燥的同时对煤气中焦油、苯、萘等有机物进行进一步物理吸附，不对原煤气成分产生变化影响；下进上出式逆流冷却脱水干燥技术：经过洗涤、吸附处理后的煤气从冷凝器冷腔下部进入，与煤气冷凝水逆向流动，残余的萘晶体随冷凝水排出，防止煤气中萘在冷腔中冷却结晶，造成堵塞。2、采用可调滤波光谱技术检测CO、CO2、CH4、CnHm(丙烷、乙烷、乙烯、乙炔)等成分，相比传统的电化学法和非分光红外法(NDIR)，具有可识别及测量的组分更多，精度、稳定、可靠、系统简单、低维护等诸多优势。3、采用催化燃烧技术对检测后外排煤气进行净化处理，实现安全、环保效果。4、系统简约，维护量低：不需要设置增压气泵及反吹系统，对采样过程干扰更少、安全性更高、故障率更低。
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例
结合图1，本实施例的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，包括煤气预处理单元、分析单元、尾气排放净化单元、校准单元和自动控制单元，所述的煤气预处理单元对煤气进行脱水除尘，分析单元分析煤气的成分，尾气排放净化单元对煤气进行催化燃烧；所述的校准单元对分析单元进行校准定标；所述的自动控制单元对各单元进行控制和监控，并对检测数据进行传输。
煤气预处理单元包括取样球阀3、除水罐4、清洗罐5、汽水分离罐7、冷凝器冷腔9、第一过滤器10和吸附器11；所述的取样球阀3一端与进气管1连接，另一端与除水罐4连通，所述的除水罐4、清洗罐5、第一过滤器10和吸附器11通过管道依次连通；所述的吸附器11同时与两个汽水分离罐7连接，每个汽水分离罐7均连接一个冷凝器冷腔9；所述的冷凝器冷腔9经校准单元接入分析单元。所述的清洗罐5和吸附器11设置为两级串联；所述的冷凝器冷腔9为逆流式，煤气从冷凝器冷腔9下端进入，从冷凝器冷腔9上端排出。除水罐4及汽水分离罐7产生的冷凝水通过排水阀8自动排出。手动球阀6位于清洗罐5下方，便于清洗罐5清洗更换清洗液。
其中进气管1用于传输煤气，采用不锈钢材质，内径不小于6mm。进气管1上设置压力传感器2，监测进入系统煤气压力，信号向控制仪23传输。除水罐4利用重力原理，脱出煤气中的机械水，罐内有一定高度的溢流管(液位低于300mm)，罐内直径不小于200mm，起到一定的水洗除尘效果。清洗罐5中清洗液为液体石蜡，罐内直径不小于200mm、液位低于300mm。汽水分离罐7采用进气管短、出气管长的垂直布置方式。排水阀8利用机械式、重力浮球原理，当阀内水位升到一定高度时，自动排水；当阀内水位降到一定高度时，阀门关闭。冷凝器冷腔9通过冷却的方式干燥煤气，满足分析仪测试要求。将煤气气温度降低到3～5℃，使样气中的饱和水充分析出。煤气进去方式为下进上出垂直布置方式，腔内螺旋冷却方式。第一过滤器10为保护性过滤器，滤芯过滤精度为0.2um，密封罩采用透明材质。吸附器11中吸附剂为活性氧化铝颗粒，吸附剂直径小于0.5mm，长度约5mm。脱除样气中水分及焦油、苯、萘等有机物，对二氧化硫有吸附作用。
校准单元包括切换阀12和标气罐13，所述的切换阀12为三通阀，标气罐13通过切换阀12接入分析单元。其中切换阀12为“工作—校对”切换阀，当分析仪器需要校对时将此阀切换到“校对”位置。标气罐13内为标准气体，即标定气体分析仪的标准物质。
分析单元包括控制器16、流量计17、第一分析仪18、第二分析仪19和第三分析仪20；所述的控制器16与流量计17连接，流量计17分两路，分别接入第一分析仪18以及串联连接的第二分析仪19和第三分析仪20。所述的第一分析仪18为C、H分析仪，第二分析仪19为H2分析仪，第三分析仪20为O2分析仪。
其中，控制器16由电路板、传感器、进出气管道接头、分流器管道、机壳、调节阀等部件组成。可保证分析仪入口样气流量不受系统压力波动影响、自动恒流(准确度<0.5％)进入气体分析仪，保证分析精度。流量计17为转子流量计，调节各分析仪流量分配。第一分析仪18采用可调滤波光谱技术分析CO、CO2、CH4、CnHm(丙烷、乙烷、乙烯、乙炔)等成分。第二分析仪19采用热导原理分析H2，第三分析仪20采用顺磁原理分析O2。
校准单元和分析单元之间还连接有切断阀14和第二过滤器15。切断阀14和第二过滤器15起到保护作用，必要时，利用切断阀14将煤气预处理系统与分析仪切断。第二过滤器15为膜式阻水过滤器，过滤膜过滤精度0.1um，可有效防止液态水进入分析仪。
分析单元与尾气排放净化单元连接，尾气排放净化单元包括催化燃烧装置21，对煤气进行催化燃烧后排空。自动控制单元包括控制仪23、温度传感器24和泄漏报警仪25；所述的控制仪23通过信号线22与系统的各个部件电连接；所述的温度传感器24监测环境温度，泄漏报警仪25监测环境中CO含量，温度传感器24和泄漏报警仪25同样与控制仪23电连接。
其中，催化燃烧装置21主要由电加热腔及催化过滤套组成，煤气经过电加热腔加热到约200℃，经过含有催化剂的催化过滤套催化燃烧处理后，外排。
本实施例的系统工作时，煤气经进气管1正压进入煤气预处理单元：经过取样球阀3，进入除水罐4脱除机械水，进入两级串联清洗罐5进行吸附洗涤，后经过第一过滤器10除尘后，经过下进上出式两级串联吸附器11吸附，再经过双套并联汽水分离罐7、以下进上出逆流式进入冷凝器冷腔9，再经过切换阀12、切断阀14、第二过滤器15和控制器16进入分析系统，经流量计17分两路分别进入第一分析仪18以及串联连接的第二分析仪19和第三分析仪20。
分析后的煤气汇集进入催化燃烧装置21，经过催化燃烧处理后排空。除水罐4及汽水分离罐7产生的冷凝水通过排水阀8自动排出。
气体分析仪的校准通过对切换阀12切换实现：当三通切换阀切换在“标定”位置时，接入标气罐13，实现气体分析仪的在线人工标定。
控制仪23通过信号线22连接C、H分析仪、H2分析仪及O2分析仪、压力传感器2、取样球阀3、冷凝器冷腔9、控制器16、温度传感器24、泄漏报警仪25，完成对测试数据采集、传输及对运行状态的监控。
目前，该系统已在马钢四钢轧2250加热炉正常使用超过半年，充分验证了其科学性、准确性、适用性效果，同时充分体现出其适用范围广、安装方便、使用成本低、维护量少、投资省等显著优势。
本实施例中，分析仪技术参数要求、测量组分、范围及标气选择：
表1分析仪技术参数要求表
Figure BDA0003092189980000061
表2测量参数及量程范围
Figure BDA0003092189980000062
采用混合标气对各分析仪器进行标定，仪器标气选择如下：
表3仪器标气选择表
Figure BDA0003092189980000063
本实施例系统运行的要点：
该系统要求布置在分析小屋室内，催化燃烧装置布置在室外。分析小屋内设有空调。
该系统在正常运行工况下，样气在大于7kp正压力的作用下，经过采集、重力脱水、洗涤、垂直逆流冷却干燥、脱硫除尘，分析流量控制器稳流后，再分配进入气体分析仪分析，分析后的煤气汇集进入尾气排放净化单元，经过催化燃烧处理后排空。技术工艺参数规定如下：
1)除水罐4内的溢流管控制的液位高度在200～300mm；
2)两级串联清洗罐5内的洗涤液体为液体石蜡(分析纯)，液位高度在200～300mm；
3)冷凝器冷腔9控制温度在3～5℃，煤气进出方式为下进上出垂直布置、腔内盘管螺旋冷却方式。
4)保护性过滤器10滤芯采用玻纤材质，滤芯过滤精度为0.2um，密封罩采用透明材质。
5)吸附器11内吸附剂为活性氧化铝颗粒，长条型，直径小于0.5mm，长度约5mm。
6)分析流量控制器16控制流量为700ml/min，分配进入CH分析仪进气量为500ml/min，H2及O2分析仪串联、进气量为200ml/min。
运行监控措施
为保证安全稳定运行，但监控到如下参数发生异常时，自动关闭电动取样球阀3及切断分析仪电源，并且发出报警信号：
1)进气压力传感器2检测到煤气压力<5Kpa或>15Kpa时；
2)环境温度传感器24检测到环境温度高于40℃时；
3)煤气泄漏报警仪25检测到环境中CO浓度大于50ppm，时长5min以上；
4)分析流量控制器16检测到分析流量小于600ml/min时；
5)催化燃烧装置21检测到加热温度低于100℃，时长5min以上。
系统维护
除系统出现故障报警时，需要及时处理外，正常情况的维护工作如下：
1)每90天，更换一次两级串联清洗罐5内的液体石蜡(分析纯)洗涤液；
2)每90天，更换一次两级串联吸附器11内的活性氧化铝吸附剂颗粒；
3)每90天，更换一次保护性过滤器10用滤芯及膜式阻水过滤器15用滤膜；
4)每半年对分析仪器进行一次标定；
当系统出现故障报警时，及时处理。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，包括煤气预处理单元、分析单元、尾气排放净化单元、校准单元和自动控制单元，其特征在于：所述的煤气预处理单元对煤气进行脱除杂质，分析单元分析煤气的成分，尾气排放净化单元对煤气进行催化燃烧；所述的校准单元对分析单元进行校准定标；所述的自动控制单元对各单元进行控制和监控，并对检测数据进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，其特征在于：所述的煤气预处理单元包括取样球阀(3)、除水罐(4)、清洗罐(5)、汽水分离罐(7)、冷凝器冷腔(9)、第一过滤器(10)和吸附器(11)；所述的取样球阀(3)一端与进气管(1)连接，另一端与除水罐(4)连通，所述的除水罐(4)、清洗罐(5)、第一过滤器(10)和吸附器(11)通过管道依次连通；所述的吸附器(11)同时与两个汽水分离罐(7)连接，每个汽水分离罐(7)均连接一个冷凝器冷腔(9)；所述的冷凝器冷腔(9)经校准单元接入分析单元。
3.根据权利要求2所述的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，其特征在于：所述的清洗罐(5)和吸附器(11)设置为两级串联；所述的冷凝器冷腔(9)为逆流式，煤气从冷凝器冷腔(9)下端进入，从冷凝器冷腔(9)上端排出；所述的清洗罐(5)内填充液体石蜡清洗剂，吸附器(11)中填充活性氧化铝颗粒作为吸附剂，煤气进入吸附器(11)同样为下进上出。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，其特征在于：所述的校准单元包括切换阀(12)和标气罐(13)，所述的切换阀(12)为三通阀，标气罐(13)通过切换阀(12)接入分析单元。
5.根据权利要求4所述的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，其特征在于：所述的分析单元包括控制器(16)、流量计(17)、第一分析仪(18)、第二分析仪(19)和第三分析仪(20)；所述的控制器(16)与流量计(17)连接，流量计(17)分两路，分别接入第一分析仪(18)以及串联连接的第二分析仪(19)和第三分析仪(20)。
6.根据权利要求5所述的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，其特征在于：所述的第一分析仪(18)为C、H分析仪，第二分析仪(19)为H2分析仪，第三分析仪(20)为O2分析仪。
7.根据权利要求6所述的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，其特征在于：所述的校准单元和分析单元之间还连接有切断阀(14)和第二过滤器(15)。
8.根据权利要求7所述的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，其特征在于：所述的分析单元与尾气排放净化单元连接，尾气排放净化单元包括催化燃烧装置(21)，对煤气进行催化燃烧后排空。
9.根据权利要求8所述的一种用于冶金副产煤气的成分法在线监测系统，其特征在于：所述的自动控制单元包括控制仪(23)、温度传感器(24)和泄漏报警仪(25)；所述的控制仪(23)通过信号线(22)与系统的各个部件电连接；所述的温度传感器(24)监测环境温度，泄漏报警仪(25)监测环境中CO含量，温度传感器(24)和泄漏报警仪(25)同样与控制仪(23)电连接。
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