钢铁行业中灵活应用西门子在线分析仪器

引言

钢铁行业在我国的国民经济中，占有举足轻重的地位。作为全球制造业中心，中国的工业化发展的潜力很大，经济的持续增长，会为钢铁行业的发展提供动力。而今，中国的钢铁行业正经历着兼并重组，淘汰落后产能，优化产业布局，发展循环经济，实现节能减排的过程。钢铁行业健康稳步的发展，关系重大。

钢铁的冶炼过程实质上是原材料、燃料和成品的流转过程，在流转中伴随着大量气体产生，而在线检测分析这些过程气体是冶金工业生产工艺优化控制、安全和环保监控必不可少的关键技术之一。西门子公司是中国钢铁工业的合作伙伴，一直致力于推动中国钢铁工业自动化水平的不断提高。西门子分析仪器能够应用于钢铁行业中的炼钢、炼铁及烧结等各个装置，对降低能源消耗、保证生产安全等起着十分重要的作用，还对钢铁企业增大产能，提高产品质量有积极的效果。

1. 分析仪简介

西门子分析仪器含盖了气体分析仪的各类产品，可以为客户提供各种各样的解决方案。西门子分析仪器包括在线色谱分析仪、红外分析仪、氧分析仪、热导分析仪和激光分析仪等。

其中，MAXUM II在线色谱分析仪凭借其强大的功能，可以用于分析测量各种复杂样品中的各个气体组分含量，比如高炉煤气中的CO、CO2、N2、H2，焦炉煤气中的CO、CO2、H2、CH4、O2、N2和微量H2S等。再加上西门子强大的EZChrom色谱工作站软件，还可以用于实验室分析。

多组分非分光红外分析仪ULTRAMAT 6/23 通过分析被测气体对测量光束的吸收获得被测气体浓度，由于其较宽的光源，可以同时测量CO、CO2、SO2等多个组分。OXYMAT 6磁压氧分析仪则通过测量含氧混合气的体积磁化率得到混合气中氧气的浓度，快速的响应时间使其能够用于安全控制和优化控制。

激光分析仪LDS 6和SITRANS SL可以在线原位测量，实时获取数据。较低的维护成本，最低1s的响应时间使其逐步代替部分传统分析仪，成为钢铁行业应用中的新宠。下一章节就具体介绍这些分析仪分别在钢铁行业中各个装置的应用。

2. 西门子分析仪在钢铁行业中的应用

2.1. 炼铁中的应用

高炉冶炼是当今炼铁工艺中最主要的炼铁方法。时事检测出高炉煤气中各组分的含量可以及时反应出炉内状况，指导高炉的操作，从而保证了高炉稳定顺利的运行，同时为提高产品质量、产量起着十分重要的作用。

西门子MAXUM II色谱分析仪可以在线检测高炉煤气中N2、CO、CO、H2的含量，每一个周期自动向高炉控制中心提供一组准确、可靠的高炉煤气中各组份的百分含量。通过计算CO2/ （CO+CO2） 的比值来判断煤气利用率，控制焦煤比，一般在焦炭负荷不变的情况下比价降低，说明煤气利用率降低，预示着高炉转凉；通过观察H2的含量判断风口中小套高压水及炉身冷却壁常压水是否漏水，如果H2值增加，说明存在漏水，为防止爆炸，需尽快解决；通过对N2含量的检测，可推测出高炉的泄漏率。一般采样点选在重力除尘器后，布袋除尘前的煤气水平管道上。由于西门子色谱分析仪拥有多检测器、并行色谱、无阀切换、电子压力控制等诸多技术优势，提高了测量的响应时间，保证了测量数据的可靠性。还有，分析仪表可以帮助测量热风炉出口的O2含量，优化高炉燃烧，提高产品质量。

另外，为了提高炼铁的经济性，降低成本，国内许多高炉采用喷烟煤或参喷烟煤完成炼铁工艺。由于烟煤挥发性和可燃性比较高，在磨煤机磨煤时，进入过多的氧气易引起爆炸，所以在磨煤机前的热风管道上以及磨煤机之后的布袋除尘器之后都要检测氧的含量，若氧含量过高，则要报警。在煤粉仓中，还要检测CO的含量，当CO含量过高时，需要及时冲氮，防止事故发生。

在高炉喷煤的应用中，西门子的OXYMAT 6磁压氧分析仪、ULTRAMAT 6/23非分光红外分析仪LDS 6和SLTRANS SL激光分析仪都有很好的应用。其中，激光分析仪比起传统的抽取式的分析仪有他本身自有的优势。首先，激光分析仪采用原位式安装，直接安装于工艺管道上，省去了采样探头、采样管线和预处理系统。其次，激光分析仪维护起来非常简便，降低了维护费用。最后，激光分析仪的响应时间最低可达1秒，为安全保护系统及时提供数据，可以胜任关键点的测量。值得一提的是，虽然激光分析仪有诸多优势，但其不能完全代替传统的分析仪表。在一些测量点上，比如磨煤机出口，煤粉仓等，由于含尘量非常大，激光的透光率会受到很大的影响，从而使得测量效果变差。这个时候只能采用传统抽取式分析仪来测量。

浦钢搬迁罗泾工程项目被列为上海市“世博”搬迁工程第二号重点工程，同时也是世界首座年产150万吨铁水的COREX C3000炼铁新技术示范工程，深受业内及公众关注，而在此项目中，西门子分析仪表分别在其煤粉仓CO含量测量，炉气H2分析上有所应用。

在钢铁行业中，西门子凭借其齐全的产品线，可以提供完全的解决方案，如下图1所示是西门子分析仪在高炉炼铁工艺中的应用。

图1. 西门子分析仪在炼铁上的应用

2.2. 转炉煤气回收中的应用

转炉炼钢的特点是吞吐量大、周期短、冶炼强度高，转炉生产中易产生大量烟气，其主要成分是煤气，其中CO约占60％～70％．它是一种有毒、有害、易燃、易爆的危险性气体．也是一种很好的化工原料和工业生产能源。因此，对转炉煤气的净化与回收是炼钢中不可忽视的重要部分。过去对炼钢所产生的气体都采用直接放散，它不仅污染大气，破坏了自然环境，还白白浪费了许多能源。实现转炉煤气最大限度回收，对降耗增效，减少大气污染，节能环保有着巨大的经济和社会效益。

分析仪在其中测量CO/CO2和O2的值，分别在二次除尘后，烟道排放前以及气柜出口，电除尘前的位置。CO/CO2的检测是保证回收到最有价值的煤气，O2的检测是避免煤气中的氧气含量过高导致在回收或使用中发生爆炸。

这两个测量点，采用维护方便，响应时间短的LDS 6和SITRANS SL激光分析仪是一个比较好的选择。其IP65的防护等级，1区的防爆设计以及自动标定的功能完全可以满足现场恶劣的工况，保证有效安全的回收煤气。

在钢铁行业的煤气回收中，包括高炉煤气、COREX炉煤气、焦炉煤气等，会对煤气中H2S的含量有一定的要求，分析仪在煤气回收中还有一个应用电就是采用色谱分析仪测量煤气中硫的含量。

2.2.1. 项目简介

天津天铁冶金集团是天津市重点支持的大型企业集团，2006 年新发布的中国企业500 强中排名第152 位，在中国制造业500 强中排名第72 位。现有年产生铁350 万吨、钢坯350 万吨、钢材257 万吨的综合生产能力，在国内外享有较高的知名度。近年来，天铁集团与世界知名钢铁公司不断开展合作，学习先进技术。在奥钢联参与的热轧工程与工艺改建中，采用西门子LDS6 激光气体分析仪，用于实时监测转炉气体中CO、CO2 的含量，参与工艺控制；以及转炉气体回收中与安全相关的氧含量监测。

由高炉炼铁、氧气转炉炼钢、最后经轧机轧制组成的“长流程”是当今钢铁行业的主要生产流程，超过三分之二的钢材由长流程生产。铁矿石经高炉炼制形成铁水，在铁水中包含大量的碳和杂质（如硫、磷等），为了得到高质量的钢材，铁水必须经进一步处理，去除碳和杂质。氧气转炉（BOF）是普遍的炼钢设备，将铁水注入转炉，由水冷喷头向转炉内吹入高压氧气。吹入的氧与铁水中的碳经过氧化结合生成CO和CO2，并以炉气的形式与铁水脱离、排放。整个转炉炼钢的工艺流程约15 至20 分钟。炉气中的CO 和CO2 可以作为反映转炉工作状态的参数组，通过监测炉气中CO、CO2 的含量，可以提高转炉的工作效率。LDS6 的快速相应能够精确地确定整个工艺的结束时间，节约大量的氧气与能量，优化整个流程。

转炉气体中含有大量的CO，可以作为可燃煤气回收，此类高CO 气体的回收处理需特别注重防爆安全。测量快速、准确、无干扰是LDS6 原位式激光气体分析仪的特点之一，使用LDS6 监测转炉回收煤气中的氧含量可以增强安全性。

图2. 西门子分析仪在炼钢上的应用

2.2.2. 系统构成

LDS6 激光气体分析仪采用原位测量（in-situ）方式，无需采样与样气处理系统，直接在安装点完成分析。整个系统由中央处理单元、发射探头、接收探头与复合光缆组成。激光光源位于中央处理单元中，所发激光由光缆传至发射探头，激光穿过被测气体后被接收探头检测。检测信号传回中央处理单元进行处理、分析与显示。中央处理单元还承担人机工作界面和输入输出的功能。LDS6 的发射探头与接收探头直接安装于现场分析管线的两侧（见图3）。两者均采用模块化设计，绝大多数硬件可以互换。天铁转炉气体监测项目*采用两套LDS6 设备，分别在电除尘后监测转炉煤气中的CO、CO2，和O2。前者用于转炉工艺的优化与控制后者出于煤气回收安全目的。

两套LDS6 用于CO、CO2，以及O2 的测量西门子LDS6 激光分析仪选择使用光缆传输信号，可以利用光缆的模式选择进一步确保信号“纯净”，提高测量系统的抗电磁干扰能力、恶劣环境的适应能力。同时，中央处理单元利用复合光缆内集成的双绞线完成对探头的供电，无需

现场再对探头提供电源。光缆外部的保护层使得其满足工业现场的使用要求。

图3.激光分析仪LDS 6在炼钢上的应用

2.2.3. 系统完成的功能

由铁矿石炼钢需经过高炉炼铁与转炉炼钢两步，铁矿石由高炉熔成铁水，因为铁水里含有氧、硫、磷等杂质，需要进一步去除。炼钢的过程就是脱碳（脱气）、去硫去磷，以及后期脱氧和升温的过程。最常用的炼钢设备就是氧气顶吹转炉。氧气由水冷喷头吹入，铁水中的碳在反应区直接氧化成CO 气泡，在碳低时是由于部分碳反应生成CO2。转炉气体中含有大量的CO，少量CO2 及微量的其他成分高温气体。气体分析仪在转炉气体的分析中主要监测CO 和CO2，它们的含量以及变化趋势可以作为重要信息直接反馈：（1）转炉脱碳的工艺进程与结束时间；（2）钢水的温度等信息；（3）造渣过程的情况。由于整个转炉炼钢过程只有15-20 分钟，要求分析仪表除却准确的分析结果，更要具有快速的响应时间。否则对于整个工艺的控制与优化没有实际意义。

转炉气体中含有大量的可燃成分，可以回收进行再次利用，在回收过程中须注意防爆。如果煤气中的氧含量过高，易使气体超过爆炸下限，对设备及人员安全十分不利，必须在煤气回收过程中时刻监测其中的氧含量，一旦超出某一设定值，必须迅速采取措施，以防事故发生。对于煤气中的氧含量监测也必须达到准确、快速的要求，既可以在生产安全的前提下尽可能多地回收气体，又能在危情发生之际迅速报警，避免人员物力的损失。

在天铁的转炉煤气监测、回收的应用中，分析仪的安装选点位于电除尘之后，分析转炉气体的CO、CO2 和O2 含量。CO、CO2 的含量用于反映转炉的脱碳信息。CO、O2 的含量用于煤气回收的判别依据，分析结果控制一个三阀组。

为了有效、安全地回收转炉煤气，在煤气柜前安装了三阀组，可以控制煤气的回收或放散。判断的依据有三点：（1）O2 含量低于2%。过多的氧气会使煤气柜内气体接近爆炸下限，使整个气柜乃至厂区处于非常危险的境地，必须严格控制回收气体内的氧气含量，一旦高于2%，三阀组将气体放散。（2）CO 含量大于35%。回收转炉煤气是为了利用其中大量的可燃成分（主要是CO），分析CO 的含量，可以确保回收高质量的气体作为二次能源。（3）气柜内仍有空间存放煤气。对于整个煤气的回收控制，O2、CO 的分析结果至关重要，必须满足准确、快速的要求，这不仅是从工艺控制优化的角度出发，更关系到安全生产。

LDS6 原位式激光气体分析仪直接在待侧管线分析，无需采样、样气输送、预处理系统等，响应速度可达1 秒。图4 为传统抽取式红外分析仪与LDS6 激光气体分析仪的分析结果比对图。从图中不难发现：（1）LDS6 响应速度远优于抽取式分析仪，数十秒钟的差异对于整个工艺过程（15-20分钟）有着天壤之别。（2）LDS6 的结果更能体现工艺过程中气体含量变化的细节。LDS6 激光气体分析仪是激光分析仪是典型的线测量仪表，激光束所穿过区域内的气体均参与分析。比传统抽取式分析的点采样方式更能反映待测成分的真正浓度。 LDS6 基于TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectros copy，可调谐二极管激光吸收谱）技术，以谱吸收原理为基本，实现快速的高精检测。激光区别于普通光源的最重要特性之一是它良好的单色性能。单色性能越好，光源的频谱线宽越窄。因为激光卓越的单色性能，激光吸收谱又被称为单线吸收谱，从根本上排除了传统气体吸收谱技术测量某一气体成分时受到气体中其它成分吸收谱干扰的可能，更能反映待侧成分的实际含量及微小变化。

同样，快速的响应与更能反映待侧成分真实浓度的线测量方式对转炉气体回收中氧含量的监测也具有重要意义。

图4. 激光分析仪与传统分析仪响应时间的比较

LDS6 分析仪内置了标定单元，将分析仪器常需的人工外部标定工作内置在分析仪内部，由分析仪自动在每个测量周期都执行一次标定和校准工作。此功能设计从根本上减轻了LDS6 的维护工作量，也确保LDS6 每时每刻均被校准与纠正，提高分析仪的测量精度。传统的人工标定是一个周期性的工作（例如：每三个月标定一次），只有在每次标定时，使用者才可以确认仪表的偏差情况。在标定的间隙，使用者对于仪表的偏差情况根本无从考证，这对于痕量分析而言，误差可能是巨大的。LDS6 每个测量周期都在自我校准，每秒钟进行数十次。可以确保每个测量数据都是“真实的”。每个历史数据均可被放心用于性能对比研究，无需担心仪表漂移等带来的影响。LDS6 的内置参比池自标定技术已获得德国TUV、美国EPA 等权威机构的认可。准确无漂的分析值对于转炉气体实时监测CO、CO2 含量，以及O2 含量监测等涉及工艺优化控制、安全监控等应用意义重大。

西门子LDS6 激光分析仪采用了自动增益控制（AGC）技术，可对粉尘进行动态补偿，亦可适用于气体组分剧烈变化的应用。无论是粉尘含量变化还是气体组分变化，或是探头对准度发生一定偏差的情况下，AGC 技术都可以自动根据接收的信号强度控制增益，使得中央处理单元接收到的信号经光缆传输后不至失真，为进一步信号处理提供足够强度的信号。在转炉气体实时监测过程中，CO、CO2 的含量随着脱碳进程而不断快速、剧烈变化，AGC技术可以确保LDS6 激光气体分析仪可以完全适应整个转炉脱碳过程以及转炉煤气回收的分析要求。

2.2.4. 项目运行

两套LDS6 系统于2007 年4 月调试投运，总体运行情况良好。在运行初期曾出现吹扫效果不佳的现象，经过对探头吹扫管改进，问题已得到妥善解决。LDS6 的测量分析结果准确，响应快速。

2.2.5. 应用体会

相比于传统的抽取式分析仪，原位测量的激光气体分析仪LDS6 响应快速，测量准确。十分适合转炉气体监测和煤气含氧量监测等对分析仪响应时间有高要求的应用。

传统的抽取式红外分析仪受到采样、传输以及预处理的时间限制，整个系统的分析周期远比原位式激光分析仪长。在类似天铁转炉气体监测、回收的应用中，要求系统的分析周期小于20 秒，这就决定了抽取式分析仪必须就近安装，也意味着在现场必须考虑土建、公用工程等着多方面的因素，从工程角度上增加了施工量与成本。而LDS6 激光分析仪探头在现场直接安装，只需考虑探头采用氮气吹扫以保护透光镜片、减少维护量，其余方面并无更多要求，简化现场的施工及成本要求。

引用LDS6 的分析结果参与工艺优化和控制，可起到提高效率，降低成本，增加安全性等一系列作用，使用户得到切实的利益。

2.3. 焦化厂中的应用

电捕焦油器在焦化厂回收系统中起着重要的作用，电捕焦油器可以回收焦炉煤气中的焦油，不但有着可观的经济收入，而且保证了后续工段的正常生产。但是电捕焦油器是安装在鼓风机关，为了保证其在负压下的安全运行，必须对焦炉煤气中的含氧量进行在线检测，并在含氧量过高时对其进行联锁停机。

在以前的应用中，都采用传统的抽取式OXYMAT 6磁压氧分析仪。由于焦炉煤气中含有大量焦油、苯、萘等高粘、易结晶物质，所以一般采用蒸汽喷射泵把样品气引入，然后再进行水洗。用蒸汽引入使得焦油不易凝固堵塞取样管道，用水洗可以有效的去除各类杂志。最后，干净的样品进入分析仪，得出氧的含量。在实际应用中，这类方法也得到了广泛的认可。

而今，西门子新推出的SITRANS SL激光氧分析仪，由于其快速的响应时间可以更好的满足这个测量点实时的要求。实际的应用点推荐应用在电捕焦后的测点上，避免过大含尘含油量影响测量的准确性。其拥有的自动标定技术和自动增益技术（AGC）更可以帮助分析仪应用在透光率不高的场合。

图5. 西门子激光分析仪在焦炉煤气上的应用

2.4. 其它应用

在钢铁行业中还有诸如空分测量单组分，煤气发电测量热值等其他应用。还有，《钢铁产业调整和振兴规划》（国发［2009］6号）明确提出，未来三年内，钢铁行业要实施钢铁产业技术进步与技术改造专项，对烧结烟气脱硫等循环经济和节能减排工艺技术，给予重点支持，并对重点大中型钢铁企业节能减排提出了明确的指标要求。目前，钢铁行业二氧化硫主要由烧结球团烟气产生，烧结球团烟气产生的二氧化硫占钢铁企业排放总量70%以上，个别企业达到90%左右。

西门子烟气连续排放测量系统（CEMS），在世界范围内得到广泛认可与应用，已经在国内诸多脱硫项目上有着良好的应用业绩，帮助监测脱硫的效果，控制脱硫的过程。所以，烟气分析也是也是相当重要的一块应用领域。

结束

本文主要介绍了西门子分析仪表在钢铁行业中的应用，详细描述了其中一个项目，对于想了解分析仪的同行来说，读了这篇文章可以有一个简单的认识。其实，不单单在钢铁行业，西门子的分析仪表在其他各个行业中，特别是石化和化工行业中有着相当广泛的应用。在未来，随着中国各行业自动化水平的不断提高，分析仪表的应用会变得越来越多，相信凭借着西门子的优质产品和丰富的经验，一定能够再创佳绩，为中国的工业发展做出贡献。