【干貨】|山東新澤淺析在線氣體分析系統(tǒng)關(guān)于計算煤氣熱值

【摘要】在冶金行業(yè)的燃?xì)鈴S里，為了充分利用能源及減少大氣污染，把高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混合后輸送給下游的各個煤氣用戶，那么混合煤氣的熱值直接影響到下游加熱爐的燃燒狀況，熱值數(shù)據(jù)的獲得將顯得尤為重要，但是傳統(tǒng)的熱值儀測量存在很多弊端，諸如響應(yīng)時間長、測量范圍窄、易冰堵等現(xiàn)象，為了解決這個矛盾，本文將介紹通過測量混合煤氣組份體積百分含量來計算熱值的在線氣體分析成套系統(tǒng)。

       1. 引言節(jié)能環(huán)保是當(dāng)今發(fā)展的主題，為了充分利用能源，節(jié)能減排，在眾多鋼鐵企業(yè)的燃?xì)鈴S里，通常是把高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混合后輸送給下游的各個煤氣用戶使用，混合煤氣熱值數(shù)據(jù)的獲得將顯 得十分重要，因為這直接影響到以混合煤氣為燃料的加熱爐的燃燒狀況，對它控制的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和能源的有效利用。傳統(tǒng)的熱值儀存在成本高、響應(yīng)時間長、測量范圍窄、易冰堵停機(jī) 等現(xiàn)象，而在線氣體分析成套系統(tǒng)（以下簡稱分析系統(tǒng))通過測量相應(yīng)的氣體組份的百分比濃度來計 算出熱值的方法能快速、準(zhǔn)確、連續(xù)地獲得混合煤氣的熱值，下面將對應(yīng)用于煤氣熱值計算的分析系統(tǒng)做詳細(xì)介紹。

       2.  熱值儀在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用中存在的問題煤氣熱值儀是應(yīng)用熱平衡原理對燃?xì)鉄嶂颠M(jìn)行連續(xù)測量的，但在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用中存在如下問題。

(1)   熱值儀檢測要求煤氣潔凈程度較高，否則節(jié)流孔板易被雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致氣路受阻，煤氣差壓不 能恒定，熱值運算精度降低；

(2)   煤氣處理過程中使用醋酸鉛飽和溶液脫硫、去除焦油等腐蝕物，使實際處理綜合反應(yīng)時間長， 煤氣成分易發(fā)生變化，發(fā)熱量檢出與熱量計測量值相差較大，醋酸鉛飽和溶液失效，頻繁更換不僅造成熱值檢測中斷，而且工作量大，原料浪費也較大。

(3)   熱值儀電源裝置、電氣線路、儀表本身處于腐蝕環(huán)境中，長久造成電氣元件腐蝕，線路電纜老化引起短路，儀器接點易生銹、粘結(jié)或斷裂，而溫控儀、點火器、檢測元件均采用非標(biāo)準(zhǔn)件，訂貨困難，因此不可能得到及時維護(hù)，造成檢測控制中斷，不能及時點火燃燒等現(xiàn)狀。由于存在上述問題，使得熱值儀應(yīng)用困難重重，而煤氣熱值計算的分析系統(tǒng)能自動、連續(xù)、可 靠地進(jìn)行樣品采集、處理、分析、計算、顯示，維護(hù)量很小。

      3.系統(tǒng)的組成及熱值計算原理高爐煤氣是在高爐內(nèi)焦炭與熱風(fēng)爐反應(yīng)生成的氣體，是一種低熱值的氣體燃料，主要成份包括 CO2(11.2%?18.8%)、CO(23.2%?27%)、H2(2%?2.4%)、CH4(0?0.1%)、N2(55.5%?59.8%);焦?fàn)t煤氣是煉焦?fàn)t在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時所得到的可燃?xì)怏w，是一種高熱值氣體燃料，主要成份包括C02(1.5%?3%)、C0(5%?8%)、H2(55%?60%)、CH4(23?27%)、N2 (3%?7%);混合煤氣是 在高爐煤氣中加入焦?fàn)t煤氣而得到的相對熱值較高的氣體燃料，經(jīng)加壓后輸送給各加熱爐以提高綜合利用效率.混合煤氣熱值計算的分析系統(tǒng)（如圖一）是由取樣探頭、取樣伴熱單元、吹掃單元、取樣預(yù)處 理單元、流量調(diào)節(jié)單元、氣路切換單元、氣體分析儀器、PLC程序控制單元、模擬量輸入輸出單元、 顯示單元、標(biāo)氣單元等部份組成，能夠連續(xù)測量被測氣體組份體積百分濃度，計算出混合煤氣熱值的分析系統(tǒng)。分析系統(tǒng)通過取樣探頭把混合煤氣從工藝管道中抽取出來，經(jīng)過一級過濾、穩(wěn)壓、冷凝除水、 精細(xì)過濾獲得能夠滿足氣體分析儀器要求的干燥樣氣，通過流量調(diào)節(jié)進(jìn)入紅外、熱導(dǎo)氣體分析儀器測出混合煤氣中CO，H2，CH4，C02等組份的體積百分含量，系統(tǒng)整個工作過程都通過可編程控制器(PLC)來實現(xiàn)自動控制，各組份體積百分含量對應(yīng)的4?20mA電流信號接入PLC模擬量輸入輸出模塊， 由于C0、CH4、H2各個組份具有不同的熱值，根據(jù)組份體積百分含量與對應(yīng)的單一組份熱值之間存在的關(guān)系，通過搭建數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過數(shù)學(xué)公式運算即可獲得混合煤氣的熱值。熱值的計算過程通過 可編程控制器（PLC)軟件編程實現(xiàn)。各個組份的體積百分含量對應(yīng)的電流信號通過可編程控制器(PLC)從PLC模擬量輸入輸出模塊不斷讀取，經(jīng)過計算得到在線混合煤氣的熱值，熱值量對應(yīng)的模擬4?20mA電流信號通過PLC模擬量輸入輸出模塊傳送到CCR系統(tǒng)中，同時通過液晶顯示屏可直觀地監(jiān) 測到各個組份體積百分含量值及熱值量（KJ/M3)。實踐證明，使用氣體組份體積百分含量計算熱值所得到的結(jié)果與熱值儀測量出的結(jié)果趨勢基本一致，但計算熱值要比熱值儀的測量輸出對過程變化

圖一：氣體分析成套系統(tǒng)的組成框圖

4.實現(xiàn)系統(tǒng)熱值計算的步驟
4.1混合煤氣熱值計算數(shù)學(xué)模型的搭建
分析系統(tǒng)通過紅外、熱導(dǎo)氣體分析儀器可測得混合煤氣中各組份的體積百分濃度值，根據(jù)組份 體積百分濃度與對應(yīng)的單一組份熱值之間存在的關(guān)系，首先搭建數(shù)學(xué)模型，獲得數(shù)學(xué)公式，然后通 過數(shù)學(xué)公式運算即可獲得混合煤氣的熱值。
4.2使用可編程控制器（PLC)計算熱值并輸出
熱值數(shù)學(xué)公式通過可編程控制器（PLC)軟件編程來實現(xiàn)計算功能。
(1)組份含量對應(yīng)的4-20mA電流轉(zhuǎn)換為實際值
PLC可編程控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值低3位和最高位為0，右移3位后，0-20mA的電流對應(yīng) 0-4096 的數(shù)字，因此，4-20mA 對應(yīng) 819-4096。
假設(shè)實際值的零點為ZERO，量程點為SPAN，實際的模數(shù)轉(zhuǎn)換值為COUNT。
           實際值=(SPAN-ZERO) x (COUNT-819)/4096-819

 (2)實際值轉(zhuǎn)換為4-20mA電流 PLC可編程控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換需要的數(shù)字量在數(shù)字的第4-14位，其它位為0，因此，分辯率為11 位，模擬輸出的范圍為0—32000，即2進(jìn)制的0—0000 0111 1101 0000 0000。右移4位后為0-2000， 因此，可以認(rèn)為0-20mA的電流輸出與0-2000對應(yīng)，4-20mA與400-2000對應(yīng)。
      假設(shè)實際值的零點為ZERO，量程點為SPAN，實際值為VALUE。式中將VALUE擴(kuò)大100倍是因為在PLC 中的計算為整數(shù)計算，為提高計算精度！
（2000-400）X（VALUEx100）/(SPAN-ZERO)+400

4.3混合煤氣組份體積百分濃度及熱值（KJ/M3)的顯示通過可編程序控制器（PLC)的編程，把混合煤氣的組份體積百分濃度和熱值量在文本顯示器 上顯示，以使用戶更直觀地監(jiān)測到混合煤氣中各組份的體積百分渡度值和熱值量，更好的控制混合 煤氣的燃燒狀況。

5.結(jié)束語
      混合煤氣熱值計算的分析系統(tǒng)已在湘鋼、漣鋼、新鋼等諸多大型鋼鐵企業(yè)投入使用多套，實踐 證明，本系統(tǒng)響應(yīng)時間短、操作方便，直觀，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，根據(jù)組份體積濃度計算熱值的方法得到廣泛認(rèn)可，完全能替代傳統(tǒng)的熱值儀測量熱值的方式。混合煤氣的有效利用既提高了加熱效率，減少了大氣污染，又增加了經(jīng)濟(jì)效益。