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摘 要：介绍仕富梅气体分析仪如何完成干熄焦循环气体成份的检测，以保证干熄焦工艺安全、可靠稳定运行。着重介绍了取样系统的设计、分析仪的构成和工作原理。
关键词：干熄焦；气体分析仪；取样系统；工作原理
干熄焦是采用惰性气体将红焦冷却的一种方法。干熄焦装置具有工艺先进、环保、节能效益显著的特点。相对于水熄焦，可提高焦炭质量，提高高炉生产能力；又能通过锅炉系统产生蒸汽获得直接的经济效益。从环保的角度看，干熄焦装置相对于水熄焦可以减少有害物质和粉尘污染。
在干熄焦过程中，1000℃的红焦经提升机从干熄炉顶部装入， 130℃的低温惰性循环气体由循环风机鼓入干熄炉冷却段红焦层内，吸收红焦显热，冷却后的焦炭从干熄炉底部排出。干熄炉环形烟道出来的高温惰性气体流经干熄焦锅炉进行热交换，锅炉产生蒸汽，冷却后的惰性气体由循环风机重新鼓入干熄炉，惰性气体在封闭的系统内循环使用（如图1）。
一、循环气体分析的目的
干熄焦循环气体的主要成分是N2。在生产过程中，气体循环系统负压段会吸入一定量的空气，空气中的O2与红焦发生一系列的反应，产生CO、CO2、H2、CH4等可燃成分。当循环气体中的H2、CO等达到一定浓度，与空气中的O2混合会形成爆炸气体。因此，必须对干熄焦循环气体中的可燃成分浓度进行有效控制。同时，如果进入干熄炉内O2过多，会使焦炭燃烧，将影响熄焦质量。而且，从CO，H2的含量情况可以间接检查锅炉系统是否有泄漏现象。
所以有必要引入综合气体分析系统，对进入干熄炉循环气体成分进行分析。
二、分析仪表选型及测量原理
（一）仪表选型
通常干熄焦气体分析的采样点设置在循环风机出口（如图2）。采样点处循环气体的温度约为180℃～260℃，压力为6kPa，粉尘含量为每立方米1g。我们采用英国仕富梅综合气体分析系统，主要用来检测CO、CO2、H2、O2含量。
该系统主要由采样预处理单元和气体分析单元两部分组成（如图3）。其中采样预处理单元包括蒸汽引射器、水引射装置、水过滤器、气水分离器、旋风制冷器、样气过滤器、流量控制单元等。气体分析单元由检测氧含量的顺磁氧分析仪、检测 CO/CO2含量的红外分析仪、检测H2含量的热导式氢分析仪组成。
（二）分析仪工作原理
1.预处理系统
在线气体分析仪器一般要求样气是干净、干燥的，也就是要求提供给分析仪的样气要为不含油、不含水、不含有粉尘甚至不含腐蚀性成份的样气，同时要求对气体的压力和流量进行控制，所以采用有效的样气预处理系统是在线气体分析仪器完成可靠測量的关键。
在取样点，Servomex的预处理系统采用蒸汽射流器。用蒸汽射流取样的优点是采用蒸汽既做为引射动力又与样气混合，运载样气和冲刷取样管路。避免管路的灰尘沉积和堵塞，大大降低维护量。
最为关键的顺磁氧分析仪器测量室被加热到60℃，2550红外分析仪测量室被加热到80℃，当小于40℃的被测样气进入测量池时，使得样气中的水泡和水蒸汽不会在测量室内冷凝，以保证测量精度。
2.红外线分析仪工作原理
测CO、CO2含量的红外线分析仪主要是利用多原子组成的气体分子能够吸收定波长的红外光能的原理制成。红外光源产生红外光，经过切光马达上两个不同的滤光片可以选择不同的被测组分，一个滤光片为参比光的滤光片，光源通过该滤光片后产生一个特定的、单一的波长光束，这个波长的能量不被测量室内任何气体吸收。另一个滤光片为测量滤光片，光源通过该滤光片后产生一个单一的、特定的波长的光束，该光束的能量只能被测量室内要测量的气体成分吸收。切光马达带动这两个滤光片实现测量光束与参比光束的切换，而能量检测器可以连续不断地检测到两个能量，根据其差值大小从而计算出气体组分中所含CO 、CO2的百分含量（如图4）。
3.氢分析仪工作原理
氢分析仪是利用气体体积的百分比含量与气体导热系数有关系这一物理特性来测量氢含量的。循环气体中，0℃时相对导热系数H2为7.130，O2、CO、N2接近1.000，CO2为0.614。由于CO2的导热系数与其它三种背景气的导热系数相差较大。红外线分析仪测量CO2的含量是为了对H2测量值进行补正。
由金属制成的圆柱形腔体中，垂直悬挂一根热敏电阻元件，为铂丝。电阻元件与金属腔体之间有良好的电绝缘。电阻元件通过两端引线通以电流。样气从热导池下面入口进入，从上面出口流出，气体流量要恒定且很小。热导池中的热敏元件既是加热元件又是测量元件。当在热敏电阻上通过恒定电流时，电阻丝产生的热量会向四周散发，由于气体流速极小，气体直接带走的热量可以忽略，热量只能通过气体导热换热的方式向气室壁传出。当混合气体中氢气含量增加后，混合气体的热导值则会增大，电阻丝产生的热量通过气体传导到热导池壁的热量必然也会增大，由于能量守恒，电阻丝的平衡温度就会下降，这就导致电阻丝电阻值减小。因此完全可以通过热丝阻值的大小来测量氢气的含量（如图5）。
4.顺磁氧分析仪工作原理
顺磁氧分析仪由检测变送单元和显示控制单元组成。
在非均匀磁场中，放置一对内充氦气的小哑铃球，小球外端有电流反馈线圈。两小球的连线中央安置一反光镜片。当非均匀磁场中没有氧气分子时，哑铃球位于非均匀磁场的最强位置，也就是处于平衡状态。当非均匀磁场中有氧气分子通过时，由于氧气分子具有顺磁效应，氧分子在非均匀磁场中会汇聚在磁场最强部分。正是因为氧分子在磁场中最强处汇聚，使得哑铃球受到氧分压的作用，偏离原来的平衡位置。这种平衡位置的偏离，使得电光源所发出的红外光通过中央反射镜片反射到一对光电池上，含氧量不同，哑铃球带动光电板偏移的角度不同，使光电池接收到不同的光强度，产生不同的光电流。该电流通过差动放大器放出后，送到哑铃球的反馈线圈上，该反馈电流产生的磁场与原磁场相反，使得偏离平衡位置的小哑铃球又回到平衡位置（如图6）。
磁场中氧浓度越高，小哑铃球偏离原平衡位置越远，光电池上产生的差动电流也越大，放大器放大后的反馈电流也越大。也就是说，反馈电流的大小正比于磁场中氧气的浓度。
流经线圈的反馈电流作为与样气中含氧量成正比的信号从检测变送单元送入显示控制单元。经过一系列信号处理后在界面上显示样气含氧百分比，同时作为顺磁氧分析仪的输出信号（4-20mA）送入干熄焦中控室PLC系统。
由于这种磁动力式顺磁氧分析仪是一种纯物理量的测量，没有化学物质消耗，所以其寿命可达数年之久，且由于本身不自加热和不接触电源，所以可制造出防爆等级很高的在线分析仪表。具有高灵敏度和精度（达到万分之一），且响应时间快，稳定性好等有点。非常适合焦化生产工况。
三、结束语
选用英国SERVOMEX的顺磁氧分析仪、氢分析仪、红外线分析仪，配以蒸汽引射、水洗水冷、空冷、过滤的样气处理装置组成的干熄焦循环气体分析系统，在实际应用中取得良好的效果。目前本钢板材焦化厂的1#、2#、3#、焦三及焦四干熄焦均应用该套分析系统对生产中循环气体成分进行实时在线监测。分析仪检测数据准确，系统运行安全可靠，维护简单，产生了良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]仕富梅.SERVOMEX操作手册[Z].仕富梅系列氧气分析仪说明书，02210/001A/4.
[2]潘立慧.干熄焦技术[M].冶金出版社，2005.2.
[3]江光灵.在线分析仪表[M].化学工业出版社，2006.9.
作者简介：杨韬（1983—），男，本科，助理工程师，主要研究方向：自动化仪表。
关键词：干熄焦；气体分析仪；取样系统；工作原理
干熄焦是采用惰性气体将红焦冷却的一种方法。干熄焦装置具有工艺先进、环保、节能效益显著的特点。相对于水熄焦，可提高焦炭质量，提高高炉生产能力；又能通过锅炉系统产生蒸汽获得直接的经济效益。从环保的角度看，干熄焦装置相对于水熄焦可以减少有害物质和粉尘污染。
在干熄焦过程中，1000℃的红焦经提升机从干熄炉顶部装入， 130℃的低温惰性循环气体由循环风机鼓入干熄炉冷却段红焦层内，吸收红焦显热，冷却后的焦炭从干熄炉底部排出。干熄炉环形烟道出来的高温惰性气体流经干熄焦锅炉进行热交换，锅炉产生蒸汽，冷却后的惰性气体由循环风机重新鼓入干熄炉，惰性气体在封闭的系统内循环使用（如图1）。
一、循环气体分析的目的
干熄焦循环气体的主要成分是N2。在生产过程中，气体循环系统负压段会吸入一定量的空气，空气中的O2与红焦发生一系列的反应，产生CO、CO2、H2、CH4等可燃成分。当循环气体中的H2、CO等达到一定浓度，与空气中的O2混合会形成爆炸气体。因此，必须对干熄焦循环气体中的可燃成分浓度进行有效控制。同时，如果进入干熄炉内O2过多，会使焦炭燃烧，将影响熄焦质量。而且，从CO，H2的含量情况可以间接检查锅炉系统是否有泄漏现象。
所以有必要引入综合气体分析系统，对进入干熄炉循环气体成分进行分析。
二、分析仪表选型及测量原理
（一）仪表选型
通常干熄焦气体分析的采样点设置在循环风机出口（如图2）。采样点处循环气体的温度约为180℃～260℃，压力为6kPa，粉尘含量为每立方米1g。我们采用英国仕富梅综合气体分析系统，主要用来检测CO、CO2、H2、O2含量。
该系统主要由采样预处理单元和气体分析单元两部分组成（如图3）。其中采样预处理单元包括蒸汽引射器、水引射装置、水过滤器、气水分离器、旋风制冷器、样气过滤器、流量控制单元等。气体分析单元由检测氧含量的顺磁氧分析仪、检测 CO/CO2含量的红外分析仪、检测H2含量的热导式氢分析仪组成。
（二）分析仪工作原理
1.预处理系统
在线气体分析仪器一般要求样气是干净、干燥的，也就是要求提供给分析仪的样气要为不含油、不含水、不含有粉尘甚至不含腐蚀性成份的样气，同时要求对气体的压力和流量进行控制，所以采用有效的样气预处理系统是在线气体分析仪器完成可靠測量的关键。
在取样点，Servomex的预处理系统采用蒸汽射流器。用蒸汽射流取样的优点是采用蒸汽既做为引射动力又与样气混合，运载样气和冲刷取样管路。避免管路的灰尘沉积和堵塞，大大降低维护量。
最为关键的顺磁氧分析仪器测量室被加热到60℃，2550红外分析仪测量室被加热到80℃，当小于40℃的被测样气进入测量池时，使得样气中的水泡和水蒸汽不会在测量室内冷凝，以保证测量精度。
2.红外线分析仪工作原理
测CO、CO2含量的红外线分析仪主要是利用多原子组成的气体分子能够吸收定波长的红外光能的原理制成。红外光源产生红外光，经过切光马达上两个不同的滤光片可以选择不同的被测组分，一个滤光片为参比光的滤光片，光源通过该滤光片后产生一个特定的、单一的波长光束，这个波长的能量不被测量室内任何气体吸收。另一个滤光片为测量滤光片，光源通过该滤光片后产生一个单一的、特定的波长的光束，该光束的能量只能被测量室内要测量的气体成分吸收。切光马达带动这两个滤光片实现测量光束与参比光束的切换，而能量检测器可以连续不断地检测到两个能量，根据其差值大小从而计算出气体组分中所含CO 、CO2的百分含量（如图4）。
3.氢分析仪工作原理
氢分析仪是利用气体体积的百分比含量与气体导热系数有关系这一物理特性来测量氢含量的。循环气体中，0℃时相对导热系数H2为7.130，O2、CO、N2接近1.000，CO2为0.614。由于CO2的导热系数与其它三种背景气的导热系数相差较大。红外线分析仪测量CO2的含量是为了对H2测量值进行补正。
由金属制成的圆柱形腔体中，垂直悬挂一根热敏电阻元件，为铂丝。电阻元件与金属腔体之间有良好的电绝缘。电阻元件通过两端引线通以电流。样气从热导池下面入口进入，从上面出口流出，气体流量要恒定且很小。热导池中的热敏元件既是加热元件又是测量元件。当在热敏电阻上通过恒定电流时，电阻丝产生的热量会向四周散发，由于气体流速极小，气体直接带走的热量可以忽略，热量只能通过气体导热换热的方式向气室壁传出。当混合气体中氢气含量增加后，混合气体的热导值则会增大，电阻丝产生的热量通过气体传导到热导池壁的热量必然也会增大，由于能量守恒，电阻丝的平衡温度就会下降，这就导致电阻丝电阻值减小。因此完全可以通过热丝阻值的大小来测量氢气的含量（如图5）。
4.顺磁氧分析仪工作原理
顺磁氧分析仪由检测变送单元和显示控制单元组成。
在非均匀磁场中，放置一对内充氦气的小哑铃球，小球外端有电流反馈线圈。两小球的连线中央安置一反光镜片。当非均匀磁场中没有氧气分子时，哑铃球位于非均匀磁场的最强位置，也就是处于平衡状态。当非均匀磁场中有氧气分子通过时，由于氧气分子具有顺磁效应，氧分子在非均匀磁场中会汇聚在磁场最强部分。正是因为氧分子在磁场中最强处汇聚，使得哑铃球受到氧分压的作用，偏离原来的平衡位置。这种平衡位置的偏离，使得电光源所发出的红外光通过中央反射镜片反射到一对光电池上，含氧量不同，哑铃球带动光电板偏移的角度不同，使光电池接收到不同的光强度，产生不同的光电流。该电流通过差动放大器放出后，送到哑铃球的反馈线圈上，该反馈电流产生的磁场与原磁场相反，使得偏离平衡位置的小哑铃球又回到平衡位置（如图6）。
磁场中氧浓度越高，小哑铃球偏离原平衡位置越远，光电池上产生的差动电流也越大，放大器放大后的反馈电流也越大。也就是说，反馈电流的大小正比于磁场中氧气的浓度。
流经线圈的反馈电流作为与样气中含氧量成正比的信号从检测变送单元送入显示控制单元。经过一系列信号处理后在界面上显示样气含氧百分比，同时作为顺磁氧分析仪的输出信号（4-20mA）送入干熄焦中控室PLC系统。
由于这种磁动力式顺磁氧分析仪是一种纯物理量的测量，没有化学物质消耗，所以其寿命可达数年之久，且由于本身不自加热和不接触电源，所以可制造出防爆等级很高的在线分析仪表。具有高灵敏度和精度（达到万分之一），且响应时间快，稳定性好等有点。非常适合焦化生产工况。
三、结束语
选用英国SERVOMEX的顺磁氧分析仪、氢分析仪、红外线分析仪，配以蒸汽引射、水洗水冷、空冷、过滤的样气处理装置组成的干熄焦循环气体分析系统，在实际应用中取得良好的效果。目前本钢板材焦化厂的1#、2#、3#、焦三及焦四干熄焦均应用该套分析系统对生产中循环气体成分进行实时在线监测。分析仪检测数据准确，系统运行安全可靠，维护简单，产生了良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]仕富梅.SERVOMEX操作手册[Z].仕富梅系列氧气分析仪说明书，02210/001A/4.
[2]潘立慧.干熄焦技术[M].冶金出版社，2005.2.
[3]江光灵.在线分析仪表[M].化学工业出版社，2006.9.
作者简介：杨韬（1983—），男，本科，助理工程师，主要研究方向：自动化仪表。