高爐煤氣主要有害成分及煤氣熱值在線監(jiān)測系統(tǒng)

高爐煤氣常見的有害元素有硫、氯、氟、氰等，一般還含有少量的氨和芳香烴等[5]。主要來源于高爐煉鐵過程使用的燃料、鐵礦石、熔劑等爐料，在高爐煉鐵過程中經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)***以不同的化學(xué)物成分進(jìn)入到高爐煤氣中。不同的有害元素含量不同，對(duì)設(shè)備和大氣的影響也不一樣。隨著環(huán)保要求的不斷提高，對(duì)高爐煤氣中的有害成分關(guān)注越來越多。

高爐煤氣中的硫可分為有機(jī)硫和無機(jī)硫2大類。有機(jī)硫主要成分有：羰基硫(COS)、二硫化碳(CS2)、甲硫醇(CH4S)、乙硫醇(C2H6S)、噻吩(C4H4S)等;無機(jī)硫主要成分有：硫化氫(H2S)、二氧化硫(SO2)等[6-7]。表2是某鋼廠高爐煤氣取樣分析測試不同硫成分的平均值，可以看出不同化學(xué)成分的硫其含量差別較大，但都是在煤氣的百萬分率的量級(jí)上。由于現(xiàn)階段大部分高爐煤氣***都是通過各種方式的燃燒利用，因此煤氣中的硫***終都是以二氧化硫或三氧化硫的方式排放到大氣中。

高爐煤氣中的氯來源比較廣，主要有高爐使用煤和焦炭中的有機(jī)氯以及所含灰分中的無機(jī)氯;礦石或礦石攜帶水分中所含的氯鹽(KCl、NaCl、MgCl、CaCl等);爐料所使用的各種添加劑以及燒結(jié)礦噴灑的氯化鈣等，目前國內(nèi)煉鐵燒結(jié)礦噴灑氯化鈣已經(jīng)很少。不同的氯化合物在高爐內(nèi)高溫、煤氣和氫氣的還原氣氛中反應(yīng)，***終超過80%以HCl的方式進(jìn)入到高爐煤氣中。

氟與氯的性質(zhì)類似，在煤、焦炭、鐵礦石等爐料中都可以檢測出氟的存在，中國煤炭中氟質(zhì)量比為17～1100mg/kg，平均質(zhì)量比為208mg/kg

煤中的氟含量與灰分含量成正比關(guān)系，灰分越高，氟含量越高，煤中的氟主要以氟磷灰石(3Ca3(PO4)-CaF2)類無機(jī)礦物的形式存在。礦石也是高爐煤氣中氟的主要來源，例如，中國包頭白云鄂博鐵礦中氟含量就處于較高水平。在高爐冶煉過程中爐料中的氟幾乎全部揮發(fā)出來，極少量的氟以氟化氫(HF)和四氟化硅(SiF4)的形式隨爐內(nèi)上升氣流進(jìn)入到高爐煤氣中，大部分以氟化鈉(NaF)、氟化鈣(CaF2)粉塵的 形 式 在 高 爐 內(nèi) 循 環(huán)，*** 終 以 爐 渣 形 式 排出爐外。

高爐煤氣中的氰來源主要有2個(gè)方面，一是高爐中煤和焦炭中有機(jī)氰的揮發(fā)，由于成煤的植物堿、葉綠素和其他各種組織都含有氮，***終以比較穩(wěn)定的有機(jī)氮的狀態(tài)賦存在煤中，在高爐冶煉過程中以的形式揮發(fā)進(jìn)入到高爐煤氣中[17];***就是在高爐內(nèi)反應(yīng)生產(chǎn)的無機(jī)。高爐內(nèi)鉀、鈉等堿金屬化合物被還原后形成蒸氣，堿金屬蒸氣在高爐內(nèi)與固定碳和氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)生成(KCN)和(NaCN)[16]。堿金屬以粉塵的形式跟隨高爐煤氣進(jìn)入除塵系統(tǒng)，經(jīng)過濕法除塵或煤氣中的水蒸氣冷凝還可以進(jìn)一步形成(HCN)、鐵(k3[Fe(CN)6、Na3[Fe(CN)6])和 重金屬離子絡(luò)合物，其中，可以跟隨煤氣進(jìn)入高爐煤氣使用的各個(gè)環(huán)節(jié)。

西安博純科技有限公司多組分熱值分析儀，用于在線測量煤氣中CH4/CO/CO2（選配）/H2/CnHm(選配)氣體濃度，并可實(shí)時(shí)計(jì)算煤氣熱值，是提高氣化爐煤氣利用效率、節(jié)能降耗、保證安全生產(chǎn)***的檢測裝置。測試數(shù)據(jù)可通過4-20mA輸出接口或MUDBUS RTU傳輸?shù)缴霞?jí)集中控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測、工藝調(diào)整提供實(shí)時(shí)依據(jù)。

預(yù)處理單元

在本系統(tǒng)中，樣氣在抽氣泵作用下通過防爆采樣探頭粗過濾后隨著自限溫采樣管輸送至水洗器底部，在樣氣上升的過程中，樣氣在水洗器中與水充分接觸，由于水的冷卻效果及對(duì)焦油的一定的溶解能力，從而將大多數(shù)的焦油由樣氣中分離出來， 同時(shí)也分離出樣氣中攜帶的大量粉塵。。經(jīng)過水洗器洗滌的樣氣還存有少量焦油，為清除這部分焦油，在水洗器后加裝了一級(jí)活性炭過濾器，利用活性炭多孔吸附特性，吸附焦油。經(jīng)過以上處理，樣氣得到了初步的凈化，焦油粉塵含量明顯減少，同時(shí)樣氣的待測成分得以完整保留。在進(jìn)一步的凈化中，系統(tǒng)采用了一級(jí)過濾精度為3um的氣水分離器，過濾樣氣的同時(shí)分離樣氣中的液態(tài)水，隨后樣氣進(jìn)入雙路壓縮機(jī)冷凝器進(jìn)行冷凝除水（冷凝水通過蠕動(dòng)泵自動(dòng)排水），除水后的樣氣再經(jīng)過一級(jí)活性炭除焦，***經(jīng)二級(jí)過濾精度為0.1um的***過濾器作為樣氣進(jìn)入分析儀表前的***一級(jí)過濾元件，保證樣氣達(dá)到分析儀表使用要求。為去除樣氣中含有的氣態(tài)水，系統(tǒng)采用了一套壓縮機(jī)冷凝器，另外，系統(tǒng)采用一臺(tái)抽氣能力為6L/min的采樣泵提供系統(tǒng)樣氣的輸送動(dòng)力。為保證儀表的安全運(yùn)行，系統(tǒng)配置了一套濕度報(bào)警模塊，與***過濾器配套使用，當(dāng)系統(tǒng)除水功能意外失效時(shí)，信號(hào)反饋到PLC，PLC將切斷系統(tǒng)運(yùn)行，關(guān)閉閥門，并在現(xiàn)場及向遠(yuǎn)端控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

具體技術(shù)指標(biāo)：

（1） 機(jī)柜：正壓防爆機(jī)柜，防爆等級(jí)≥ExdⅡCT4，防護(hù)等級(jí)：IP65；尺寸為2000*800*650mm。

（2）控制系統(tǒng)：采用CPU224XP PLC，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)采樣、反吹、排水。

（3）氣泵：采用進(jìn)口氣泵，樣氣抽取量≤6L/min,可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，確保系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間

（4）除塵、焦油過濾：采樣水洗裝置，可洗去樣氣中的大部分焦油及粉塵；再經(jīng)過一級(jí)煤氣過濾***過濾器（1um精度）

（5）除水：經(jīng)氣水分離器分離樣氣中的液態(tài)水后，樣氣進(jìn)入冷凝器中，快速脫除樣氣中的氣態(tài)水，并采用蠕動(dòng)泵自動(dòng)排水；在冷凝器之后加裝一級(jí)吸附劑罐，進(jìn)一步保證脫水及除焦效果。

分析單元PUE-100在線熱值分析儀