-
高炉生产中高炉炉顶煤气成份是直接反映冶炼过程的状态参数，是高炉操作调节负荷的主要依据，同时反映冶炼过程煤气利用情况，对高炉负荷平衡致关重要。因此，国内外高炉冶炼生产都想及时了解掌握高炉炉顶煤气成分，以获取最佳的技术经济指标，指导高炉生产。高炉煤气成分中CO、CO2和H2的成分含量是三个最重要的参数，通过分析这三个参数，可以准确地判断炉况。
2 高炉炉顶煤气在线分析对高炉生产的指导意义
通过CO和CO2含量的测量可以实时计算出煤气利用率，煤气利用率也称之为CO利用率，用公式表示为:
式中，CO2、CO分别表示高炉炉顶煤气中的CO2、CO的含量[1]。
提高煤气利用率，是降低综合燃料比，降低生铁成本，提高出铁率的的重要途径。据国外经验，煤气利用率每增加1％，每吨铁就能降低8公斤的焦炭耗量，并且铁水的收得率增加3.5％。国内也有直接用CO2的含量间接表示煤气利用率的方法。国内相关数据是：高炉煤气中C02％每提高1％，焦比降低20kg/t，炼铁工序能耗下降17kgce/t[3]。
煤气中CO2和CO的比例还了反应高炉内整个体系的能量平衡情况，高炉炉况发生变化，炉顶煤气成分能很快反映出来，同时煤气中H2含量的变化可判断冷却设备漏水的程度和喷煤在不同时间段的均匀程度。因此连续在线分析CO、CO2、H2的成分含量，可以帮助工长及时判断炉况，采取相应的措施，保证高炉顺行高产。
3 高炉炉顶煤气成分分析的二种模式
高炉炉顶煤气主要成分为有：CO、CO2、H2、N2、CH4、O2等。含量范围为H2：l％~3％；CO：20％~30％；C02：15％~30％；N2：50％~60％；目前有高炉炉顶煤气在线分析系统有两种基本的成分分析模式。一种是三气体分析的模式，即仅分析三个最重要气体的成分，即CO、CO2、H2，而N2通过计算得出。这种方式适合大部分的应用，投入成本也相对较低。另一种是全成分分析的方法，既将煤气中所有的6种成分全部分析出来。这种方式主要适用于对高炉物料平衡和热平衡计算精度要求较高的应用（如高炉专家系统），成本较高。
物料平衡计算需要精确了解风量、煤气成分和数量来计算物料的质量，从而编制物料平衡表，是了解冶炼过程的物理化学反应的重要手段。在三气体分析系统中，煤气成分只有三个参数，CO、CO2、H2，而N2的量用归一算法：N2=1－（CO+C02+H2）来计算。对于一般性应用，这种用法基本满足要求，但实际上，由于忽略了CH4、O2的含量，以及测量的误差，使得N2的成分计算并不精确。如果氮气的成分有1％的误差，就能导致质量平衡的计算产生3％的误差。对应焦比误差~5kg/t，鼓风量误差~10000m3/h。对于对物料平衡计算要求较高的应用，尤其是有高炉专家系统的高炉，这种误差就不可忽视了。
另外，有些高炉模型将热平衡变成以高炉煤气的成分变化为变量的计算公式，来提前预测铁水中硅的量。以WU系数来表示。因此在这个模型中，对高炉炉顶煤气的成分分析的精度要求很高，1%的误差是完全不允许的。
4 高炉炉顶煤气在线分析系统的构成及原理
高炉炉顶煤气在线分析系统的基本原理是将高炉炉顶煤气通过采样并经预处理系统净化后，将洁净的煤气输入气体分析系统进行连续分析。系统由样气预处理系统、气体分析系统、计算机控制系统三大部分组成，系统构成如图1。样气预处理系统分为三级，第一级由采样探头和前置过滤器组成，主要负责从炉顶煤气管道中采集样气，并进行粗过滤，防止样气传输到地面分析小屋之间的管道堵塞。第二级是预处理过滤器，进行更高精度的过滤；第三级是精过滤装置，包括精密过滤器、冷凝器等，经过第三级处理后的洁净、干燥的样气就可以直接进入到气体分析系统中。
图1 高炉炉顶煤气在线分析系统组成原理图（双线单表型）
气体分析系统包含多个气体分析模块，样气依次进入各分析模块时，模块将检测相应气体的成分含量，并将检测信号传输给计算机进行计算分析。
计算机系统包含工业控制计算机和PLC系统，是整个分析系统的分析及控制中心。负责将分析模块传输来的数据进行分析计算，得出煤气中每种成分的含量，并将数据传输至高炉计算机控制系统。该系统还负责整个分析系统的控制及协调，以及故障分析、数据记录报警、报表生成等工艺管理职能。
5 高炉炉顶煤气在线分析系统关键技术
由于高炉炉顶煤气杂质含量高，成分复杂，高炉炉顶煤气在线分析系统是否能够正常运行，样气预处理技术是关键。高炉炉顶荒煤气中含有铁粉、矿石、焦炭、石灰等固体颗粒物，同时还含有一定的水分、硫等。当这些粉尘和冷凝后的水分混合后，极易形成致密的像混凝土一样坚硬的物质，极难处理。针对这种情况，最新的技术是采用“海绵合金过滤器”、“水稀释处理法”，以及“多级过滤、就地排放”的预处理方法。其中最核心的技术是“海绵合金过滤器”。
5.1 新型的“海绵合金过滤器”
高炉炉顶煤气分析预处理系统的关键部件是过滤器。传统的过滤器采用的虑芯一般的形式有：烧结陶瓷、烧结不锈钢、多层不锈钢烧结网等形式。这些滤芯针对某一种介质的过滤效果比较好，但针对高炉炉顶煤气这么多种粉尘混合在一起，同时含有水汽的复杂情况，这些过滤器都无法正常工作。
专利产品“海绵合金过滤器”就可以很好地解决这个问题。“海绵合金过滤器”采用有很强吸附能力，又有很好的自洁能力的耐高温、耐腐蚀的合金材料。通过特定的方式进行层叠定型，形成一种像海绵一样的过滤芯。这种过滤芯有较大的孔隙和很大的吸附表面。当含杂质的煤气通过过滤器时，由于过滤芯有较大的孔隙，其中的杂质并没有被挡在过滤芯外，而是随着煤气一起进入过滤芯。在通过过滤芯时，由于海绵合金材料具有很强的吸附能力，可以将粉尘、水汽等杂质吸附在合金表面，从而使得荒煤气得以净化。吸附在过滤芯上的杂质通过定时的水洗和高压气体的吹扫，可以很容易的被清除，这也是这种“海绵合金滤芯”的一个自洁的特性。因此新型“海绵合金过滤器”采用的是“疏导、吸附、清除”的过滤方式，这种过滤器对于像高炉煤气这样杂质含量高，成分复杂的气体的过滤效果很好，再生能力很强。
5.2 非常规的“水稀释处理法”
根据对高炉荒煤气杂质特点的研究发现：高炉烟尘中含有的石灰粉尘与水作用后生成Ca(OH)2，氢氧化钙在高温、高压下极易干固凝结，是致堵的重要原因。在常规的样气处理过程中，系统为防止水、尘凝结导致系统致堵，大都从取样探头开始，对所有传输管路采取外包拌热处理，严防水汽凝结，这反而增加了氢氧化钙干固凝结的可能。这也是常规预处理系统用于高炉煤气处理时极易堵塞的重要原因之一。通过大量现场观察和实验，系统采用了非常规的创新举措—“水稀释处理法”。将氢氧化钙稀释后排除。这是系统的重要创新点之一。而要实现这个功能，系统必须具有水洗能力，以保证通过水的稀释冲洗后既减少了Ca(OH)2干涸结垢，又能将清洗后残存的水全部排出。而全新研制的“海绵合金过滤器”就是在这种创新的思路下诞生的。
5.3 多级过滤、就地排放
由于高炉荒煤气含有大量的杂质，成分又及其复杂，要想通过一次就处理干净，很容易造成预处理系统失效。因此系统采用了“多级过滤、就地排放”的基本的预处理系统结构。由于系统采用的“海绵合金过滤器”通过调整滤芯的层叠方式，就可以很方便地调整过滤器的过滤精度。在样气处理系统中，采用了三种不同过滤精度的过滤器，从前置处理到精处理，过滤精度逐步提高，这样每一级过滤系统均没有太大压力。而且每级过滤系统均采用独立清洗，就地排放的设计。这种设计使得的每级过滤系统的过滤和再生能力都很均衡，不会造成局部的短板。
6 结语
高炉炉顶煤气在线分析系统在高炉生产实践中对提高煤气利用率，提高出铁率降低具有重要作用。而采用适当的预处理技术，是保证系统长期稳定工作的关键。
7 参考文献
[1] 刘竹林等．炼铁理论与工艺．
[2] 王平等．高炉炉顶煤气连续分析系统的开发与应用．
[3] 田德林等．宣钢8号高炉提高煤气利用率的生产实践．
