激光氧分析仪测量结果准确性和溯源性的分析与实践

　　天津天铁冶金集团有限公司是国有资产授权经营的大型钢铁企业集团，随着国家节能减排工作的不断深入，作为转炉炼钢工序能耗重要指标的吨钢转炉煤气回收量是最典型的节能项目，转炉是炼钢的主要装置。转炉冶炼燃烧反应产生的炉气具有周期变化的特征，每炉次冶炼周期中10 min 左右产生的炉气中含有较多的一氧化碳，其回收利用具有很高的经济价值。转炉煤气中一氧化碳的含量是煤气回收的依据，回收时间和煤气质量是回收的关键参数。煤气是燃爆性很强的气体，通过对煤气柜前/ 后和电除尘前的氧气进行分析，可以判断煤气中的氧气浓度，确定回收的安全性。所以必须对转炉煤气中的一氧化碳和氧气浓度进行实时在线分析，公司采用了激光气体分析仪及时准确地提供回收控制的操作参数。

　　1 激光氧分析仪工作原理

　　激光气体分析仪是一台基于可调二极管激光器吸收光谱技术(TDLAS)，在烟道、管道、过程小屋以及类似物内进行连续在线气体监测的光学仪器。激光气体分析仪是利用一个发射器 / 接收器配置去测量通过瞄准线路径的平均气体浓度。测量原理是红外单线吸收光谱法。它基于这样一个事实：每一种气体在特定的波长条件下都有截然不同的吸收线。测量原理在图 1 中有说明。激光波长穿过一条选定的待测气体的吸收线被扫描，吸收线被仔细地选择，以避免来自其他(背景)气体的交叉干扰。由于对发射器和接收器之间光路上的目标气体分子吸收不同，激光波长不同，探测光强随激光波长而变化(如图1所示)。为增加其敏感性，采用了波长调制技术：当扫描吸收线时，激光波长会被轻微调节。第二次谐波信号用于测量吸收气体的浓度。线振幅和线宽都是从第二次谐波线形状中取得的，这使得测得的浓度对于由背景气体导致的线形状变化(线增宽效应)不敏感。

　　2 决定激光分析仪测量结果准确性的各影响分量及相关措施

　　2.1 测量点的选择

　　转炉煤气在管道中作为一种能源流体，通常清洁的液体流过弯头、三通、半开阀时，流速分布湍急而紊乱，称为紊流状态;通过直管段时，流速趋于稳定。这样从湍急到稳定的流动过程中生成界面，此界面被称为压力界面或剪断波界面。在弯头、三通、半开阀等附近(1～2 倍管道内径的长度)，这个界面的速度是不稳定的。当离开弯头、三通、半开阀等(4～5 倍管道内径的长度)时，界面流速与流体的平均流速基本相同。当离开 10倍以上管道内径的长度时，这个界面消失，成为流态稳定的流速分布。基于流体力学理论，足够的直管段可确保其流速分布较稳定，可以获得较高的测量准确度。当决定激光气体分析仪的安装位置时，应在测量点之前选用至少5个烟道直径宽的直的输送管，在测量点之后推荐 2 个烟道直径宽的直的输送管，为保证测量精度，我们选用了前10后7作为流体计量的基本要求。