气相色谱技术在COREX煤气全组分分析中的设计应用

宝钢工程技术集团有限公司 朱亚同

作为上海世博会重大配套工程，宝钢集团将下属浦钢钢厂整体搬迁至上海宝山罗泾地区。搬迁后的罗泾工厂采用了世界上最清洁、最先进的COREX熔融还原炼铁工艺，是世界上首座COREX3000型熔融还原炉。其炼铁工艺输出的COREX煤气作为重要的燃料气供给全厂用户循环利用。COREX煤气是一种高利用价值的煤气，热值达到7.5～9.0 MJ/m3，类似于转炉煤气。其输出煤气的成分根据炼铁生产使用的煤种成分的不同有所变化。为了合理生产和有效利用煤气能源，能源部需要对COREX煤气中各组分进行实时分析测定。

传统的检验手段是采用化学分析专用仪器对煤气中各组分进行分析测定(化学吸收法)，分析误差大，重现性差，操作繁琐，污染环境。而气相色谱法具有分析灵敏度高、结果准确、重现性好、操作简便等特点，本文就气相色谱法在COREX煤气组分分析中的设计利用进行探讨。

1 气相色谱法分析工艺原理

1.1 分离原理分析

利用色谱柱对各种气体的吸附力不同，将样气中的各种气体分离。色谱柱为分子筛吸附剂，依靠吸附能力的差异，对于通过其中的气体组分进行分离。

当样气由载气带入色谱柱后，由于吸附剂对不同组分有不同的吸附能力，随着载气的流动，各个成分从色谱柱分离出的时间是不同的。吸附能力强的组分停留时间长,吸附能力差的组分停留时间短，从而达到分离的目的。色谱分析的分离原理如图1所示。

图1 色谱分析分离原理

1.2 检测器的原理

TCD热导检测器(thermal conductivity detector)具有四个热敏元件的孔，侧面另有孔与气路相通。当含有样气组分的载气流过元件周围时，由于载气和样气中各成分的热导率存在不同，桥路产生的电压信号就对应各成分的检测浓度输出信号。各成分含量是由波峰面积而定。TCD工作原理如图2所示。

图2 TCD热导检测器工作原理

1.3 色谱分析仪的工作原理

色谱分析仪工作原理是采用色谱柱进行气体分离，然后用TCD热导法进行成分分析。

采用高可靠性的定量阀，色谱仪可以长期连续使用。色谱分析仪的工作原理如图3所示。

图3 色谱分析仪工作原理

2 应用案例

以浦钢搬迁罗泾工程COREX煤气色谱分析为例，介绍其在设计上的实际应用。

2.1 工艺流程

COREX煤气经过取样和预处理装置后的样品，利用流路切换阀可以经过旋转切换把计量管里定量的样气通过载气的推动，送入到色谱柱里进行分离，色谱柱利用气体组分在色谱柱中的吸附系数不同进行分离后依次进入热导式检测器(TCD)。根据物质热导率差异转化为热敏元件电阻差值信号放大处理。最后以4～20 mA模拟信号输出给PLC。温度控制器对恒温箱温度进行控制。如此完成一个周期的分析。

2.2 样气条件和测量量程

(1)测量成份范围:

2.3 技术性能

2.4 选用分析仪的特点

气相色谱仪具有良好的稳定性和良好的重复性，在冶金企业各种检测工况中被广泛地使用，本项目采用的气相色谱仪特点如下:

(1)色谱柱制造的独特技术。其色谱柱独有的亲水型设计非常适合应用在COREX煤气这种高含水量的检测场合。

(2)微处理器的应用技术。本项目采用的成熟技术的微处理器已有30多年的历史。

(3)丰富的专业应用技术。色谱柱和预处理采样系统已普遍应用于各行业的生产系统中。

(4)简单的操作和友好的界面。在LCD上显示分析数据，运行状态显示，色谱图显示等等，无论是维护还是操作都非常方便。

(5)机械设计技术。各种机械阀门寿命长，维护性强，检测器灵敏度高。

2.5 系统组成介绍

气相色谱煤气分析系统包括如下几部分:

取样装置、预处理装置，PLC顺控箱和色谱分析仪。

2.5.1 取样装置

采用D34的蒸汽伴热探头，插入直径DN3 400的COREX煤气管道作为取样装置。采用蒸汽伴热探头的目的是预防样气中的水凝结在管道内沉积堵塞管道。

2.5.2 预处理装置

由于在分析取样点处的样气内含尘量较高，湿度高，环境恶劣，因此需要设置预处理装置。预处理装置包括:

(1)反吹系统:由于工艺取样点粉尘很多，在预处理系统中设置了对采样头部的过滤器进行吹扫的系统。对探头进行定时反吹，保持采样探头的通畅；特别设计的探头结构，大大提高了吹扫的效率。另外还采用多种吹扫方式(脉冲吹、内吹、外吹、复合吹、环流吹)，确保了吹扫的效果，保证系统的连续运行。

(2)多级过滤系统:这部分是采取三级过滤措施，将样气中的粉尘过滤掉，确保分析系统连续正常工作。其中第一级采用20 μm不锈钢过滤器，第二级采用5 μm不锈钢过滤器，第三级是0.2 μm滤纸过滤。我们的不锈钢过滤器采用的是大容尘多层不锈钢滤网方式，过滤效果好，可反复再生使用。

(3)旁通系统:由于样气管道较长，为了加快响应分析系统的响应速度而采取旁通排放的系统。

(4)脱湿系统:由于样气中的水分存在要影响分析系统的正常工作，因此采取多次脱湿措施，包括大容量脱水器、电子制冷器、高分子膜制冷器等多种脱湿措施。电子制冷器是一种先进的制冷方式，它采用半导体冷端和热端的原理，特点是体积小、温度控制精确，无需除霜，免维护。高分子膜制冷器是样气进入分析仪之前的最后一道制冷措施，利用高分子膜特殊的渗透性原理，它能够把样气的露点温度降低到-20～-40 ℃，充分满足色谱分析仪的需要。

(5)校正系统:为了确保分析系统的准确运行，在本装置中采用了校正系统，可以方便的对色谱仪的工作点进行校正。

(6)稳压系统:在预处理装置中设置增压、减压和稳压装置。以保证进入到色谱仪样气压力稳定。

2.5.3 PLC控制系统

为了保证预处理装置各种电气设备的根据系统的要求进行工作，在本装置中采用了先进的PLC控制系统，速度快、体积小，且适合于在恶劣的工作环境下长期稳定运行。同时对根据色谱仪的检测成分计算出标况下COREX煤气成分及计算热值。

先测出煤气中各组分气体的含量，再利用组分气体的单位热值数，乘上对应体积百分数后算出煤气的热值。

3 实际使用效果

本项目采用的的COREX煤气全组分气相色谱分析系统自2007年投入运行以来，效果良好。检测的煤气成分、热值数据除了现场显示外，还上传到能源中心在线实时地查看。作为煤气利用、监测的重要手段之一，有效地节约了煤气能源，为能源中心的能源管理和煤气能源平衡提供决策依据，在节能降耗方面发挥了重要作用。

4 结语

气相色谱分析技术作为一项成熟进步的检测技术，具有连续可靠稳定运行、精度保证等显著优点。气相色谱分析系统在COREX煤气中的成功应用也为其在其他项目和领域的应用提供了理论和实践经验。