激光气体分析仪在钢铁企业烟气监测中的应用

杜增荣

（忻州市环境监测站，山西忻州 034000）

激光气体分析仪在钢铁企业烟气监测中的应用

杜增荣

（忻州市环境监测站，山西忻州 034000）

基于可调二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术的激光光谱气体分析技术已经被广泛运用到众多工业领域气体排放监测和过程控制中，其具有灵敏度高、响应时间短、背景气体抗干扰能力强等技术优势，在实际的钢铁厂烟气测量、监测方面具有较强的实用性，避免了气体抽样测量带来的一些问题。

排放监测 环境保护 钢铁企业 气体分析仪

激光气体分析仪系统作为一种在实践中应用广泛的技术，在烟气监测等方面和传统方式相比较有着明显的优势。特别是在工作环境恶劣的冶金企业中的应用，极大地节约了人力物力，提高了效率，提升了对钢铁企业的实时监测能力，在污染刚刚出现的时候，即予以预警和控制，提高环境保护的反应速度和效率。

在钢铁企业的各项生产环节中，烧结、球团、炼焦、炼铁、炼钢、轧钢等工序的烟粉尘、SO2、氮氧化物产生、排放对大气造成极大的污染。在治理中需要找到设备在运行中存在的问题，在运行状态下对烟气的产生和净化进行监测、监控。

1 激光气体分析仪工作原理

该系统是以朗伯·比尔定律（Beer-Lambert Law）为仪器工作的原理，同时也是比色分析法、吸光光度法和光电比色法等多种方法的定量基础，描述为光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。使用TDLAS技术测量的气体浓度实际上是光束在穿过的区域上测得的平均浓度[1]，该系统相比较于传统探头采样来讲，采样点位均匀，可以全面反映烟气生成的全过程。特别是气体浓度和成分不均匀分布和排放过程时，通过原地测量光径上的气体浓度平均值则更好的代表了过程气体的一个整体浓度值。

当一束频率为v的光束穿过吸收物质后，在其穿过的光径上的光强变化为：

式中：I（v）为光束穿过一个光程距离l的被测气体介质后的透射光强度；I0（v）为入射光强度；σ（v）为被测气体的吸收横截面；c为被测气体的浓度；l为光程。

2 激光气体分析仪功能及应用

2.1 激光气体分析仪的功能实现

气体分析系统一般包括设置有内置可调谐激光源分析仪以及一套光学接发装置。可调谐二极管激光器被调谐发射出特定气体吸收线的激光，当光束从发射装置发出穿过被监测气体，由于被测气体的吸收引起光强的衰减，通过检测器检测光强信号计算出气体浓度。除气体浓度之外，其他的一些参数，例如：气体温度、气体压力等也可以通过检测透射光的光强变化来加以测定。TDLAS技术相对与其他气体测量技术的优势在于其快速的响应时间、极低的检测下限（可达ppb级）及完全不存在其他气体分子的交叉干扰。

在分析仪各项功能中，在分析控制器内部光纤耦合激光器通过光多路器可以实现气体的多点监测，分析仪系统能够做到使用单台分析控制器同时做1～16个不同点的同步监测，另外，在激光器可调谐范围之内，当不同的气体吸收谱线非常接近时，一台分析控制器也可以对多种气体进行同时监测。无电源要求的光学传感单元能非常容易的满足有防爆要求的检测场合（可以配置发射端和接受端都使用光纤传输），其工作原理如下页图1所示。系统包含了适当的硬件和软件，是无需校正的系统，所以在现场无需使用标气瓶对系统进行校正。系统考核有两种选择，一是在光路上通入浓度已知的气体进行考核，二是使用我们可选的考核模块进行在线（in line）或离线（offline）考核。LasIRTM系统快速、实时原地对气体浓度进行监测，检测线性达到动态5级（10-5，即ppm级到%级），适合于各种不同工业气体的监测[2]。

单通道气体分析仪到能同时监测多达16不同监测点以及某些多气体组分，对于多通道来说，各个通道的控制相互之间都是独立的，因此，单台多通道分析控制器能同时对管道/烟道、长光程环境空气、抽取池样品等不同浓度级别的气体进行同时监测，这些光学传感单元可以在一个分析系统中任意组合，各个通道非常大的浓度差别都不存在相互的干扰。系统精简之后的配置仅有一部光学部件和电子部件一体式设计，其轻便（小于5 kg）而节能（功率小于20 W），可以安装在一个三脚架上使用，如使用多反射镜阵列，可以在光径长达几百米的开放式环境中对不同气体浓度进行监测[3]。数据采集到之后可以通过光纤或者电缆将信号传输到分析控制器（分析仪），分析过程可以脱离开采集区的恶劣环境在数千米之外的控制室进行整理计算。计算结果和原始数据保存在分析仪的内部存储或者外接电脑上，数据信息也可以实时传递到环境检测部门。

图1 监测系统原理图

2.2 在炼钢行业过程控制中的烟气监测应用

钢铁行业作为一个传统的高耗能行业，一直以来也是污染大户，在其生产的各个流程和环节都伴随大量烟尘以及气体的产生，而且其中很多物质的直接、间接排放对环境都有影响，因此对炼钢企业的烟气监测和综合处理一直是节能环保的一个重要部分。在钢铁烧结过程中产生的烟气具有量大且流量不稳定的因素，排烟温度高，水分及氧含量高且变化大，粉尘中粗颗粒较多、琢磨性强，SO2和NOx含量波动大并同时含有其它有毒有害污染成份等特点。这些特性在很大程度上增加了监测的难度，通过不断完善监测技术并对烟气成分进行精确的分析比对，才能够统筹兼顾烧结烟气特性，科学合理地选择脱除工艺方法。近年来，随着能源革命和环保压力，提高能源使用效率和资源利用率已经成为钢铁企业优先考虑的因素，大型全流程钢铁企业在实际生产中特别关注在节能环保方面的改进和优化。一方面降低了能源消耗，连续性的制造工艺因此得到了发展，不过各道工序需要做到协调一致，另一方面也降低了环保压力，减少产品生产的时间。加强烟气净化系统的设计、管理水平，切实提高烟气捕集效率，实现更彻底的烟气捕集和净化[4]。

3 结语

随着近几年整个社会对环境保护的重视，各个行业的环境保护逐渐提上日程，特别是传统高污染冶金行业的污染环境问题成为了社会广泛关注的问题。同时随着民众环保意识的不断增强，环境保护各项法律法规逐渐细化到各个生产流程环节，约束也变得逐渐严厉，这些出台的法规也在不同程度的再次改变了钢铁工业的生产业态和工艺，同时强化了环境监测的手段，为进一步加强污染处理和优化流程提供了参考。

作为一种可以实现原地对烟气排放和工艺流程气体监测的测量工具，这一设备已经在工业领域的各个方面获得了广泛的应用。该技术具有不受背景气体交叉影响、响应快速、读数精准等特点，同时该设备易于安装、不需校准、使用寿命长、无后期养护费用。还可以通过光学多路技术实现一台分析仪对应多个测量点，对整个流程有较为宏观的把握，提升监测效率。通过监测收集到的数据可以用作对生产工艺和流程的全程监控，利于取证和提出整改意见，优化环保措施，也提高了能源的使用效率。

[1]郭金城.激光气体分析仪在催化裂化再生烟气测量中的应用[J].石油化工自动化，2009，45（2）：65-66.

[2]高书成.半导体激光分析仪在催化裂化烟气分析上的应用[J].化工安全与环境，2011（8）：11-14.

[3]李金，杨智.固定污染源烟气排放连续监测系统验收测试实例及存在问题[J].环境科学导刊，2015（1）：93-97.

[4]熊国华.对污染源监测质量控制的热点分析[J].资源节约与环保，2013（7）：37.

（编辑：张伟）

Application of Laser Gas Analyzer in Flue Gas Monitoring of Iron and Steel Enterprises

DU Zengrong
（Xinzhou Environmental Monitoring Station,Xinzhou Shanxi 034000）

Based on the principle of laser gas analyzer,this paper discusses the application of laser gas analyzer in flue gas monitoring of iron and steel industry.The laser spectrum gas analysis technology based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)has been widely used in gas emission monitoring and process control of many industrial fields,which has the advantages of high sensitivity,short response time,powerful anti-jamming performance of background gas,and strong practicability of gas measurement and monitoring in iron and steel plant flue,and avoids some problems caused by gas sampling measurement.

emission monitoring,environmental protection,iron and steel enterprise,gas analyzer

文献标识码：A 文章编号：1672-1152（2016）06-0120-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.42

2016-10-

杜增荣（1973—），男，从事环境监测中空气和废气监测、噪声监测的研究工作。