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在鋼鐵企業中的應用
1. 引言
鋼鐵行業在我國的國民經濟中，占有舉足輕重的地位。作為全球制造業中心，中國的工業化發展的潛力很大，經濟的持續增長，會為鋼鐵行業的發展提供動力。而今，中國的鋼鐵行業正經歷著兼并重組，淘汰落后產能，優化產業布局，發展循環經濟，實現節能減排的過程。鋼鐵行業健康穩步的發展，關系重大。
鋼鐵的冶煉過程實質上是原材料、燃料和成品的流轉過程，在流轉中伴隨著大量氣體產生，而在線檢測分析這些過程氣體是冶金工業生產工藝優化控制、安全和環保監控必不可少的關鍵技術之一。西門子公司是中國鋼鐵工業的合作伙伴，一直致力于推動中國鋼鐵工業自動化水平的不斷提高。西門子 分析儀 器 能夠應用于鋼鐵行業中的煉鋼、煉鐵及燒結等各個裝置，對降低能源消耗、保證生產安全等起著十分重要的作用，還對鋼鐵企業增大產能，提高產品質量有積極的效果。
2. 分析儀簡介
西門子分析 儀器 含蓋了 氣體分析儀 的各類產品，可以為客戶提供各種各樣的解決方案。西門子分析儀器包括在線色譜分析儀、紅外分析儀、 氧分析儀 、熱導分析儀和激光分析儀等。
其中，MAXUM II在線色譜分析儀憑借其強大的功能，可以用于分析測量各種復雜樣品中的各個氣體組分含量，比如高爐煤氣中的CO、CO2、N2、H2，焦爐煤氣中的CO、CO2、H2、CH4、O2、N2和微量H2S等。再加上西門子強大的EZChrom色譜工作站軟件，還可以用于實驗室分析。
多組分非分光紅外分析儀ULTRAMAT 6/23 通過分析被測氣體對測量光束的吸收獲得被測氣體濃度，由于其較寬的 光源 ，可以同時測量CO、CO2、SO2等多個組分。OXYMAT 6磁壓氧分析儀則通過測量含氧混合氣的體積磁化率得到混合氣中氧氣的濃度，快速的響應時間使其能夠用于安全控制和優化控制。
激光分析儀LDS 6和SITRANS SL可以在線原位測量，實時獲取數據。較低的維護成本，最低1s的響應時間使其逐步代替部分傳統分析儀，成為鋼鐵行業應用中的新寵。下一章節就具體介紹這些分析儀分別在鋼鐵行業中各個裝置的應用。
3. 西門子分析儀在鋼鐵行業中的應用
3.1. 煉鐵中的應用
高爐冶煉是當今煉鐵工藝中最主要的煉鐵方法。時事檢測出高爐煤氣中各組分的含量可以及時反應出爐內狀況，指導高爐的操作，從而保證了高爐穩定順利的運行，同時為提高產品質量、產量起著十分重要的作用。
西門子MAXUM II色譜分析儀可以在線檢測高爐煤氣中N2、CO、CO、H2的含量，每一個周期自動向高爐控制中心提供一組準確、可靠的高爐煤氣中各組份的百分含量。通過計算CO2/ (CO+CO2) 的比值來判斷煤氣利用率，控制焦煤比，一般在焦炭負荷不變的情況下比價降低，說明煤氣利用率降低，預示著高爐轉涼；通過觀察H2的含量判斷風口中小套高壓水及爐身冷卻壁常壓水是否漏水，如果H2值增加，說明存在漏水，為防止爆炸，需盡快解決；通過對N2含量的檢測，可推測出高爐的泄漏率。一般采樣點選在重力 除塵器 后，布袋除塵前的煤氣水平管道上。由于西門子色譜分析儀擁有多檢測器、并行色譜、無閥切換、 電子 壓力控制等諸多技術優勢，提高了測量的響應時間，保證了測量數據的可靠性。還有，分析儀表可以幫助測量熱風爐出口的O2含量，優化高爐燃燒，提高產品質量。
另外，為了提高煉鐵的經濟性，降低成本，國內許多高爐采用噴煙煤或參噴煙煤完成煉鐵工藝。由于煙煤揮發性和可燃性比較高，在磨煤機磨煤時，進入過多的氧氣易引起爆炸，所以在磨煤機前的熱風管道上以及磨煤機之后的布袋除塵器之后都要檢測氧的含量，若氧含量過高，則要報警。在煤粉倉中，還要檢測CO的含量，當CO含量過高時，需要及時沖氮，防止事故發生。
在高爐噴煤的應用中，西門子的OXYMAT 6磁壓氧分析儀、ULTRAMAT 6/23非分光紅外分析儀LDS 6和SLTRANS SL激光分析儀都有很好的應用。其中，激光分析儀比起傳統的抽取式的分析儀有他本身自有的優勢。首先，激光分析儀采用原位式安裝，直接安裝于工藝管道上，省去了采樣 探頭 、采樣管線和預處理系統。其次，激光分析儀維護起來非常簡便，降低了維護費用。最后，激光分析儀的響應時間最低可達1秒，為安全保護系統及時提供數據，可以勝任關鍵點的測量。值得一提的是，雖然激光分析儀有諸多優勢，但其不能完全代替傳統的分析儀表。在一些測量點上，比如磨煤機出口，煤粉倉等，由于含塵量非常大，激光的透光率會受到很大的影響，從而使得測量效果變差。這個時候只能采用傳統抽取式分析儀來測量。
浦鋼搬遷羅涇工程項目被列為上海市“世博”搬遷工程第二號重點工程，同時也是世界首座年產150萬噸鐵水的COREX C3000 煉鐵新技術示范工程，深受業內及公眾關注，而在此項目中，西門子分析儀表分別在其煤粉倉CO含量測量，爐氣H2分析上有所應用。
在鋼鐵行業中，西門子憑借其齊全的產品線，可以提供完全的解決方案，如下圖1所示是西門子分析儀在高爐煉鐵工藝中的應用。
圖1. 西門子分析儀在煉鐵上的應用
3.2. 轉爐煤氣回收中的應用
轉爐煉鋼的特點是吞吐量大、周期短、冶煉強度高，轉爐生產中易產生大量煙氣，其主要成分是煤氣，其中CO約占60％～70％．它是一種有毒、有害、易燃、易爆的危險性氣體．也是一種很好的化工原料和工業生產能源。因此，對轉爐煤氣的凈化與回收是煉鋼中不可忽視的重要部分。過去對煉鋼所產生的氣體都采用直接放散，它不僅污染大氣，破壞了自然環境，還白白浪費了許多能源。實現轉爐煤氣最大限度回收，對降耗增效，減少大氣污染，節能環保有著巨大的經濟和社會效益。
分析儀在其中測量CO/CO2和O2的值，分別在二次除塵后，煙道排放前以及氣柜出口，電除塵前的位置。CO/CO2的檢測是保證回收到最有價值的煤氣，O2的檢測是避免煤氣中的氧氣含量過高導致在回收或使用中發生爆炸。
這兩個測量點，采用維護方便，響應時間短的LDS 6和SITRANS SL激光分析儀是一個比較好的選擇。其IP65的防護等級，1區的防爆設計以及自動標定的功能完全可以滿足現場惡劣的工況，保證有效安全的回收煤氣。
在鋼鐵行業的煤氣回收中，包括高爐煤氣、COREX爐煤氣、焦爐煤氣等，會對煤氣中H2S的含量有一定的要求，分析儀在煤氣回收中還有一個應用電就是采用色譜分析儀測量煤氣中硫的含量。
3.2.1. 項目簡介
天津天鐵冶金集團是天津市重點支持的大型企業集團， 2006 年新發布的中國企業500 強中排名第152 位，在中國制造業500 強中排名第72 位。現有年產生鐵350 萬噸、鋼坯350 萬噸、鋼材257 萬噸的綜合生產能力，在國內外享有較高的知名度。近年來，天鐵集團與世界知名鋼鐵公司不斷開展合作，學習先進技術。在奧鋼聯參與的熱軋工程與工藝改建中，采用西門子LDS6 激光氣體分析儀，用于實時監測轉爐氣體中CO、CO2 的含量，參與工藝控制；以及轉爐氣體回收中與安全相關的氧含量監測。
由高爐煉鐵、氧氣轉爐煉鋼、最后經軋機軋制組成的“長流程”是當今鋼鐵行業的主要生產流程，超過三分之二的鋼材由長流程生產。鐵礦石經高爐煉制形成鐵水，在鐵水中包含大量的碳和雜質（如硫、磷等），為了得到高質量的鋼材，鐵水必須經進一步處理，去除碳和雜質。氧氣轉爐（BOF）是普遍的煉鋼設備，將鐵水注入轉爐，由水冷噴頭向轉爐內吹入高壓氧氣。吹入的氧與鐵水中的碳經過氧化結合生成CO和CO2，并以爐氣的形式與鐵水脫離、排放。整個轉爐煉鋼的工藝流程約15 至20 分鐘。爐氣中的CO 和CO2 可以作為反映轉爐工作狀態的參數組，通過監測爐氣中CO、CO2 的含量，可以提高轉爐的工作效率。LDS6 的快速相應能夠精確地確定整個工藝的結束時間，節約大量的氧氣與能量，優化整個流程。
轉爐氣體中含有大量的CO，可以作為可燃煤氣回收，此類高CO 氣體的回收處理需特別注重防爆安全。測量快速、準確、無干擾是LDS6 原位式激光氣體分析儀的特點之一，使用LDS6 監測轉爐回收煤氣中的氧含量可以增強安全性。
圖2. 西門子分析儀在煉鋼上的應用
3.2.2. 系統構成
LDS6 激光氣體分析儀采用原位測量（in-situ）方式，無需采樣與樣氣處理系統，直接在安裝點完成分析。整個系統由中央處理單元、發射探頭、接收探頭與復合光纜組成。 激光光源 位于中央處理單元中，所發激光由光纜傳至發射探頭，激光穿過被測氣體后被接收探頭檢測。檢測信號傳回中央處理單元進行處理、分析與顯示。中央處理單元還承擔人機工作界面和輸入輸出的功能。LDS6 的發射探頭與接收探頭直接安裝于現場分析管線的兩側（見圖3）。兩者均采用模塊化設計，絕大多數硬件可以互換。天鐵轉爐氣體監測項目*采用兩套LDS6 設備，分別在電除塵后監測轉爐煤氣中的CO、CO2，和O2。前者用于轉爐工藝的優化與控制后者出于煤氣回收安全目的。
兩套LDS6 用于CO、CO2，以及O2 的測量西門子LDS6 激光分析儀選擇使用光纜傳輸信號，可以利用光纜的模式選擇進一步確保信號“純凈”，提高測量系統的抗電磁干擾能力、惡劣環境的適應能力。同時，中央處理單元利用復合光纜內集成的 雙絞線 完成對探頭的供電，無需
現場再對探頭提供 電源 。光纜外部的保護層使得其滿足工業現場的使用要求。
圖3.激光分析儀LDS 6在煉鋼上的應用
3.2.3. 系統完成的功能
由鐵礦石煉鋼需經過高爐煉鐵與轉爐煉鋼兩步，鐵礦石由高爐熔成鐵水，因為鐵水里含有氧、硫、磷等雜質，需要進一步去除。煉鋼的過程就是脫碳（脫氣）、去硫去磷，以及后期脫氧和升溫的過程。最常用的煉鋼設備就是氧氣頂吹轉爐。氧氣由水冷噴頭吹入，鐵水中的碳在反應區直接氧化成CO 氣泡，在碳低時是由于部分碳反應生成CO2。轉爐氣體中含有大量的CO，少量CO2 及微量的其他成分高溫氣體。氣體分析儀在轉爐氣體的分析中主要監測CO 和CO2，它們的含量以及變化趨勢可以作為重要信息直接反饋：（1）轉爐脫碳的工藝進程與結束時間；（2）鋼水的溫度等信息；（3）造渣過程的情況。由于整個轉爐煉鋼過程只有15-20 分鐘，要求分析儀表除卻準確的分析結果，更要具有快速的響應時間。否則對于整個工藝的控制與優化沒有實際意義。
轉爐氣體中含有大量的可燃成分，可以回收進行再次利用，在回收過程中須注意防爆。如果煤氣中的氧含量過高，易使氣體超過爆炸下限，對設備及人員安全十分不利，必須在煤氣回收過程中時刻監測其中的氧含量，一旦超出某一設定值，必須迅速采取措施，以防事故發生。對于煤氣中的氧含量監測也必須達到準確、快速的要求，既可以在生產安全的前提下盡可能多地回收氣體，又能在危情發生之際迅速報警，避免人員物力的損失。
在天鐵的轉爐煤氣監測、回收的應用中，分析儀的安裝選點位于電除塵之后，分析轉爐氣體的CO、CO2 和O2 含量。CO、CO2 的含量用于反映轉爐的脫碳信息。CO、O2 的含量用于煤氣回收的判別依據，分析結果控制一個三閥組。
為了有效、安全地回收轉爐煤氣，在煤氣柜前安裝了三閥組，可以控制煤氣的回收或放散。判斷的依據有三點：（1）O2 含量低于2%。過多的氧氣會使煤氣柜內氣體接近爆炸下限，使整個氣柜乃至廠區處于非常危險的境地，必須嚴格控制回收氣體內的氧氣含量，一旦高于2%，三閥組將氣體放散。（2）CO 含量大于35%。回收轉爐煤氣是為了利用其中大量的可燃成分（主要是CO），分析CO 的含量，可以確保回收高質量的氣體作為二次能源。（3）氣柜內仍有空間存放煤氣。對于整個煤氣的回收控制，O2、CO 的分析結果至關重要，必須滿足準確、快速的要求，這不僅是從工藝控制優化的角度出發，更關系到安全生產。
LDS6 原位式激光氣體分析儀直接在待側管線分析，無需采樣、樣氣輸送、預處理系統等，響應速度可達1 秒。圖4 為傳統抽取式紅外分析儀與LDS6 激光氣體分析儀的分析結果比對圖。從圖中不難發現：（1）LDS6 響應速度遠優于抽取式分析儀，數十秒鐘的差異對于整個工藝過程（15-20分鐘）有著天壤之別。（2）LDS6 的結果更能體現工藝過程中氣體含量變化的細節。LDS6 激光氣體分析儀是激光分析儀是典型的線 測量儀 表，激光束所穿過區域內的氣體均參與分析。比傳統抽取式分析的點采樣方式更能反映待測成分的真正濃度。 LDS6 基于TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption SpeCTRos copy，可調諧 二極管 激光吸收譜）技術，以譜吸收原理為基本，實現快速的高精檢測。激光區別于普通光源的最重要特性之一是它良好的單色性能。單色性能越好，光源的頻譜線寬越窄。因為激光卓越的單色性能，激光吸收譜又被稱為單線吸收譜，從根本上排除了傳統氣體吸收譜技術測量某一氣體成分時受到氣體中其它成分吸收譜干擾的可能，更能反映待側成分的實際含量及微小變化。
同樣，快速的響應與更能反映待側成分真實濃度的線測量方式對轉爐氣體回收中氧含量的監測也具有重要意義。
圖4. 激光分析儀與傳統分析儀響應時間的比較
LDS6 分析儀內置了標定單元，將分析儀器常需的人工外部標定工作內置在分析儀內部，由分析儀自動在每個測量周期都執行一次標定和校準工作。此功能設計從根本上減輕了LDS6 的維護工作量，也確保LDS6 每時每刻均被校準與糾正，提高分析儀的測量精度。傳統的人工標定是一個周期性的工作（例如：每三個月標定一次），只有在每次標定時，使用者才可以確認儀表的偏差情況。在標定的間隙，使用者對于儀表的偏差情況根本無從考證，這對于痕量分析而言，誤差可能是巨大的。LDS6 每個測量周期都在自我校準，每秒鐘進行數十次。可以確保每個測量數據都是“真實的”。每個歷史數據均可被放心用于性能對比研究，無需擔心儀表漂移等帶來的影響。LDS6 的內置參比池自標定技術已獲得德國TUV、美國EPA 等權威機構的認可。準確無漂的分析值對于轉爐氣體實時監測CO、CO2 含量，以及O2 含量監測等涉及工藝優化控制、安全監控等應用意義重大。
西門子LDS6 激光分析儀采用了自動增益控制（AGC）技術，可對粉塵進行動態補償，亦可適用于氣體組分劇烈變化的應用。無論是粉塵含量變化還是氣體組分變化，或是探頭對準度發生一定偏差的情況下，AGC 技術都可以自動根據接收的信號強度控制增益，使得中央處理單元接收到的信號經光纜傳輸后不至失真，為進一步信號處理提供足夠強度的信號。在轉爐氣體實時監測過程中，CO、CO2 的含量隨著脫碳進程而不斷快速、劇烈變化，AGC技術可以確保LDS6 激光氣體分析儀可以完全適應整個轉爐脫碳過程以及轉爐煤氣回收的分析要求。
3.2.4. 項目運行
兩套LDS6 系統于 2007 年4 月調試投運，總體運行情況良好。在運行初期曾出現吹掃效果不佳的現象，經過對探頭吹掃管改進，問題已得到妥善解決。LDS6 的測量分析結果準確，響應快速。
3.2.5. 應用體會
相比于傳統的抽取式分析儀，原位測量的激光氣體分析儀LDS6 響應快速，測量準確。十分適合轉爐氣體監測和煤氣含氧量監測等對分析儀響應時間有高要求的應用。
傳統的抽取式紅外分析儀受到采樣、傳輸以及預處理的時間限制，整個系統的分析周期遠比原位式激光分析儀長。在類似天鐵轉爐氣體監測、回收的應用中，要求系統的分析周期小于20 秒，這就決定了抽取式分析儀必須就近安裝，也意味著在現場必須考慮土建、公用工程等著多方面的因素，從工程角度上增加了施工量與成本。而LDS6 激光分析儀探頭在現場直接安裝，只需考慮探頭采用氮氣吹掃以保護透光鏡片、減少維護量，其余方面并無更多要求，簡化現場的施工及成本要求。
引用LDS6 的分析結果參與工藝優化和控制，可起到提高效率，降低成本，增加安全性等一系列作用，使用戶得到切實的利益。
3.3. 焦化廠中的應用
電捕焦油器在焦化廠回收系統中起著重要的作用，電捕焦油器可以回收焦爐煤氣中的焦油，不但有著可觀的經濟收入，而且保證了后續工段的正常生產。但是電捕焦油器是安裝在鼓風機關，為了保證其在負壓下的安全運行，必須對焦爐煤氣中的含氧量進行在線檢測，并在含氧量過高時對其進行聯鎖停機。
在以前的應用中，都采用傳統的抽取式OXYMAT 6磁壓氧分析儀。由于焦爐煤氣中含有大量焦油、苯、萘等高粘、易結晶物質，所以一般采用蒸汽噴射泵把樣品氣引入，然后再進行水洗。用蒸汽引入使得焦油不易凝固堵塞取樣管道，用水洗可以有效的去除各類雜志。最后，干凈的樣品進入分析儀，得出氧的含量。在實際應用中，這類方法也得到了廣泛的認可。
而今，西門子新推出的SITRANS SL激光氧分析儀，由于其快速的響應時間可以更好的滿足這個測量點實時的要求。實際的應用點推薦應用在電捕焦后的測點上，避免過大含塵含油量影響測量的準確性。其擁有的自動標定技術和自動增益技術（AGC）更可以幫助分析儀應用在透光率不高的場合。
圖5. 西門子激光分析儀在焦爐煤氣上的應用
3.4. 其它應用
在鋼鐵行業中還有諸如空分測量單組分，煤氣發電測量熱值等其他應用。還有，《鋼鐵產業調整和振興規劃》（國發［ 2009 ］6號）明確提出，未來三年內，鋼鐵行業要實施鋼鐵產業技術進步與技術改造專項，對燒結煙氣脫硫等循環經濟和節能減排工藝技術，給予重點支持，并對重點大中型鋼鐵企業節能減排提出了明確的指標要求。目前，鋼鐵行業二氧化硫主要由燒結球團煙氣產生，燒結球團煙氣產生的二氧化硫占鋼鐵企業排放總量70%以上，個別企業達到90%左右。
西門子煙氣連續排放測量系統（CEMS），在世界范圍內得到廣泛認可與應用，已經在國內諸多脫硫項目上有著良好的應用業績，幫助監測脫硫的效果，控制脫硫的過程。所以，煙氣分析也是也是相當重要的一塊應用領域。
4. 結束
本文主要介紹了西門子分析儀表在鋼鐵行業中的應用，詳細描述了其中一個項目，對于想了解分析儀的同行來說，讀了這篇文章可以有一個簡單的認識。其實，不單單在鋼鐵行業，西門子的分析儀表在其他各個行業中，特別是石化和化工行業中有著相當廣泛的應用。在未來，隨著中國各行業自動化水平的不斷提高，分析儀表的應用會變得越來越多，相信憑借著西門子的優質產品和豐富的經驗，一定能夠再創佳績，為中國的工業發展做出貢獻。
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