在线分析仪表在有色冶炼过程中的应用,分析仪性能特点

分析仪表应用之难，从事自动化仪表应用者都深有体会。尤其是在有色冶炼工业中，过程分析面对的困难与问题很多：高温、高粉尘、高水份、负压及结晶、腐蚀性等恶劣气体条件；预处理装置的有效性差；过程、预处理及分析仪等环节导致的大滞后；防尘、防溅、防腐等防护的高要求；较高的自动化程度与较少的维护工作量等等。这些都对过程成分分析和环保监测分析仪表(系统)的应用带来了很多困难。

1、气体成分分析的特点及要解决的问题

在有色冶炼工业中，*重要也是用得*多的是气体成分的分析测量。根据气体成分分析仪工作试验方法的不同，大致可分为两种测量方式：一是直接测量方式，即将探头安装在过程气体管道中直接测量(测量、变送装置在探头内)，如红外线、紫外线和激光气体分析器等；一是间接(取样)测量方式，即将过程气体抽出进行除尘等处理后送至分析仪表进行测量(测量、变送装置在仪表内)。

对于采用间接分析测量的仪表来说，由于受冶炼过程气体高温、高粉尘、高水份、负压及腐蚀性等恶劣气体条件影响，面对的*大困难就是怎样获得适合仪表测试条件的样气。惟一的方法就是采用预处理装置对样气进行处理。由于一些进口的分析仪本身技术的发展已比较成熟，可以满足工业分析的需要。因此，选用(制作)能适应工艺条件的、性能稳定可靠的预处理装置是解决分析仪表使用问题的关键。对于采用直接分析测量的仪表来说，由于它采用了*新光学技术，能在不影响被测气体本身状态的情况下进行测量，具有测量准确、反应迅速的优点。尤其是它不需预处理装置，省去了在自动吹扫装置上的投资，与传统的热导式气体分析仪相比有很大的优势。但也存在一些问题：1)价格昂贵；2)不适用于含尘粒度较大的气体；3)对工作光波不敏感的气体无能为力等。

2、部分在线分析仪表的应用

韶关冶炼厂是采用密闭鼓风炉(ISP)工艺进行铅锌冶炼的企业，在物料烧结制粒、制酸、密闭鼓风炉熔炼、煤气生产、余热发电等工艺流程中使用了不少过程分析仪表，如CO、CO2、SO2气体分析仪，H2SO4浓度计和pH计，红外线水分计，热值仪等。下面介绍部分分析仪的应用情况。

2.1OMM3000红外水分分析仪

用于测量烧结混合物料的湿度。由于物料湿度对烧结块的质量有重要影响，选用精度高、稳定可靠的水分分析仪对实现物料湿度的自动精确控制极为重要。该厂早期采用的是IRS-MO-Ⅲ型红外水分分析仪，近两年逐步改成了OMM3000(前者的换代产品)。该仪表*大的优点是取消了二次仪表，实现了测变一体化，与PC连接即可随时进行校验、标定、设定、诊断等操作，使操作更加简便。该仪表本身性能较好，但由于现场条件较差(高温、高湿、高腐蚀)，在使用过程中还存在不少问题。为此，笔者同厂家一起，对该分析仪的使用作了以下几项改进：1)制作不锈钢保护箱，使用压缩空气隔离现场空气，提高仪表的抗腐蚀性能；2)请厂家提高仪表防护等级；3)请厂家将光路套筒由硬性改为软性，避免大块物料对仪表及安装支架的冲击；4)采用新的内部冷却结构，根除冷却气源中的油、水对光学器件的损害；5)在现场仪表周围安装遮光罩，避免日光对仪表的影响。通过以上改进，提高了该仪表的适应性和可用性。

2.2 炉气成分分析仪

鼓风炉冶炼过程所产生的炉气成分很复杂，主要含有SO2、SO3、CO、CO2、H2、水蒸汽、尘、铅锌蒸汽等，其中CO、CO2及H2的含量是衡量炉内物料反应状态的重要参数，工艺要求对CO、CO2及H2进行实时测量。由于在早期还没有成熟的能用于复杂条件下的成套分析系统采用的是国内某厂的热导式气体分析仪，只分析测量CO、CO2的含量，预处理装置是自制的两级过滤罐。由于炉气含尘量大、过滤装置处理能力差和仪表本身性能差等原因，炉气成分分析一直没能用好，给生产造成极大不便。在炉气分析方面已有几种较成熟的分析仪表(系统)目前正抓紧选型和考察工作，以尽快解决厂里鼓风炉炉气分析这个难题。

2.3 873 pH值分析仪

该厂在制酸工艺中使用了10套美国FOXBRO公司的873 pH计，用于93%、98%H2SO4冷却器循环水的pH值测量，以便及时发现设备漏酸事故。该仪表性能稳定、精度高、维护量很小，在93%酸冷却器上使用很成功。但在98%酸冷却器上使用不太理想，传感器非常容易坏。经对照93%酸冷却器的使用条件认真研究分析，确定了98%酸冷却器出口循环水温度过高，使传感器的玻璃电极破裂，是传感器损坏的根本原因。为此，专为传感器设计制作了冷却器安装于传感器前方，彻底解决了问题。

2.4 CW95 digital热值仪

使用德国UNION的CW95 digital成套系统对自产煤气热值进行测量。该系统的预处理装置不能说不好，因为它在钢铁、化工等其它行业用得还可以。但由于自产煤气质量太差，含水、焦油、煤灰等杂质较多，使得该系统的预处理装置对其无能为力。由于热值仪使用条件恶劣，使得预处理部分经常堵塞，过滤芯、阀易损坏，使得维护费用高(部分易耗件昂贵)、维护工作量大，严重影响了煤气热值的分析测量及液化气的掺混调节。针对这种情况，专门成立了攻关小组对此进行攻关。经过认真分析研究和反复不断的试验，*后对原处理装置进行了两方面的改进：1)在原预处理装置中增加自制的过滤器：过滤器分为两层。下层为水洗室，装有两层钻有细孔的不锈钢板，尽可能让煤气在水中形成的气泡*小，达到充分洗涤的效果，从而去除绝大部分的油及灰尘杂质；上层为玻璃纤维过滤器，用来进一步除去煤气中的杂质。该自制过滤器还具备自动冲洗功能，可以不断地将水洗室中的杂质带出罐外，大大延长了过滤器的使用周期，减少了维护量。2)将仪表用压缩空气经进一步的除尘、除水处理后，送至热值仪底箱，隔离现场空气，保证燃烧空气的质量。经过改进后，在维护人员的精心维护下，该套分析系统已能长期正常运行。

2.5 MW31－1 SO2浓度分析仪

该装置用于监测收尘烟气排放SO2浓度。分析仪采用紫外线作为检测光源，通过测量光线经过测量管段的衰减来测量SO2的浓度，由于传感器采用插入式安装，不需对气样进行预处理，因此测量实时、准确且维护量小。在使用一段时间后，又发现该套装置还存在两点不太理想的地方：1)吹扫空气单元的效果不好，镜片很容易脏；2)探头太笨重(5 kg 以上)，给反射镜片的清洁造成极大不便。针对以上情况采取了两项措施：1)引入压缩空气，经进一步净化后取代原吹扫空气单元；2)安装方式改为伸出式，使探头前端伸出工艺管道(测量段仍在过程管道内)，以方便反射镜片的清洁。改进后取得了很好的效果，基本上实现了免维护。

3、分析仪表(系统)选型应注意的问题

分析仪表(系统)的选型是应用成功的关键，选型不当会造成仪表不能正常使用或是增加维护的难度。不少企业都遇到过因选型不当造成仪表不好用甚至不能用的情况，故而选型时应注意以下几点：

(1) 工艺条件与仪表的适用条件是否一致

工艺方面必须提供*详细的被测对象的特征(以气体成分分析为例)：组成成分、温度、湿度、含尘粒度、结晶情况及腐蚀性等，以便厂家研究设计与生产工艺条件相匹配、相适应的分析检测仪表并予以集中解决。如果对对象考虑不全，就可能出现意想不到的情况。如前文提到的MW31－1分析仪，*初是用于制酸工艺尾吸塔出口排放烟气SO2浓度的测量，但由于对尾气中含有(NH4)2SO4结晶的重视不够，导致安装后因探头产生结晶而不能工作，造成选型上的失误。

(2) 预处理装置的处理能力与可靠性

预处理部分是分析系统的重要组成部分，其重要程度不亚于仪表本身，因为分析仪表(系统)90%以上的故障都发生在预处理部分。好的预处理装置不但要处理能力强，还要有很好的可靠性，否则会大大增加备件成本或维护工作量。

(3) 仪表技术的先进性与厂家的后续开发、服务能力

采用了先进技术的分析仪表往往是针对同类仪表的某些缺陷或不足而推出的，选型时可重点考虑。大型的、有实力的厂家或代理公司在分析仪表的维修、维护及备件供应等方面较有保证。

(4) 在经济条件允许的情况下尽可能选用进口仪表

不可否认，进口分析仪表的性能的确比较好。因此，对重要生产过程中的成分分析应尽量选用进口分析仪表，而预处理装置*好选用国内产品，因国内厂家的预处理装置比较有针对性，可以根据用户的具体要求和现场情况进行设计。

(5) 实例考察不可少

不同厂家的分析仪表(系统)都有自己优点，有的预处理装置做得很成功，有的是采样及分析部分好，但几乎没有厂家的各个部分都是*好的。因此，选定一、两种仪表(系统)再去它的用户进行考察，能够获得*真实的信息，有助于*后的定型。

4、结束语

由以上分析可知，大多数分析仪表(系统)不是买回来就能用得好，即使是先进、昂贵的进口分析仪表也常会出现“水土不服”的情况。除了在选型上把好关、注意选用适合自身工艺条件的仪表外，在使用过程中针对现场条件对仪表设备进行适当改进，加强维护工作，是用好在线分析仪表(系统)的关键。 常用气体分析仪的工作试验方法 　　在很多生产过程中，特别是在存在化学反应的生产过程中，仅仅根据温度、压力、流量等物理参数进行自动控制常常是不够的。例如，在合成氨生产中，仅控制合成塔的温度、压力、流量并不能保证*高的合成率，必须同时分析进气的化学成分，控制氢气和氮气的*佳比例，才能获得较高的生产率。又如在锅炉的燃烧控制中除需控制燃料与助燃空气的比例外，还必须在线分析烟道的化学成分，据此改变助燃空气的供给量，使炉子获得*高的热效率。此外，在排出有害气体的工厂中，也必须采用气体分析仪对有害气体进行连续监视，以防止危害工人健康或污染环境或引起爆炸等恶性事故。由于被分析气体的千差万别和分析试验方法的多种多样，气体分析仪的种类繁多。常用的有热导式气体分析仪、电化学式气体分析仪和红外线吸收式分析仪等。

　　1、热导式气体分析仪

　　一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同热传导能力的试验方法，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简单可靠,适用的气体种类较多,是一种基本的分析仪表。但直接测量气体的导热系数比较困难，所以实际上常把气体导热系数的变化转换为电阻的变化，再用电桥来测定。热导式气体分析仪的热敏元件主要有半导体敏感元件和金属电阻丝两类。半导体敏感元件体积小、热惯性小，电阻温度系数大,所以灵敏度高,时间滞后小。在铂线圈上烧结珠形金属氧化物作为敏感元件，再在内电阻、发热量均相等的同样铂线圈上绕结对气体无反应的材料作为补偿用元件（图1）。这两种元件作为两臂构成电桥电路，即是测量回路。半导体金属氧化物敏感元件吸附被测气体时，电导率和热导率即发生变化，元件的散热状态也随之变化。元件温度变化使铂线圈的电阻变化，电桥遂有一不平衡电压输出，据此可检测气体的浓度。热导式气体分析仪的应用范围很广，除通常用来分析氢气、氨气、二氧化碳、二氧化硫和低浓度可燃性气体含量外，还可作为色谱分析仪中的检测器用以分析其他成分。

　　2、红外线吸收式分析仪

　　根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类；测量吸收强度可确定被测气体的浓度。红外线分析仪的使用范围宽，不仅可分析气体成分，也可分析溶液成分，且灵敏度较高，反应迅速,能在线连续指示,也可组成调节系统。工业上常用的红外线气体分析仪的检测部分由两个并列的结构相同的光学系统组成。

　　一个是测量室，一个是参比室。两室通过切光板以一定周期同时或交替开闭光路。在测量室中导入被测气体后，具有被测气体特有波长的光被吸收，从而使透过测量室这一光路而进入红外线接收气室的光通量减少。气体浓度越高，进入到红外线接收气室的光通量就越少；而透过参比室的光通量是一定的，进入到红外线接收气室的光通量也一定。因此，被测气体浓度越高，透过测量室和参比室的光通量差值就越大。这个光通量差值是以一定周期振动的振幅投射到红外线接收气室的。接收气室用几微米厚的金属薄膜分隔为两半部，室内封有浓度较大的被测组分气体，在吸收波长范围内能将射入的红外线全部吸收，从而使脉动的光通量变为温度的周期变化，再可根据气态方程使温度的变化转换为压力的变化，然后用电容式传感器来检测，经过放大处理后指示出被测气体浓度。除用电容式传感器外，也可用直接检测红外线的量子式红外线传感器，并采用红外干涉滤光片进行波长选择和配以可调激光器作光源，形成一种崭新的全固体式红外气体分析仪。这种分析仪只用一个光源、一个测量室、一个红外线传感器就能完成气体浓度的测量。此外，若采用装有多个不同波长的滤光盘，则能同时分别测定多组分气体中的各种气体的浓度。

　　与红外线分析仪试验方法相似的还有紫外线分析仪、光电比色分析仪等，在工业上也用得较多。

　　2、电化学式气体分析仪

　　一种化学类的气体分析仪表。它根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化来测量气体成分。为了提高选择性，防止测量电极表面沾污和保持电解液性能，一般采用隔膜结构。常用的电化学式分析仪有定电位电解式和伽伐尼电池式两种。定电位电解式分析仪（图2）的工作试验方法是在电极上施加特定电位，被测气体在电极表面就产生电解作用，只要测量加在电极上的电位，即可确定被测气体特有的电解电位，从而使仪表具有选择识别被测气体的能力。伽伐尼电池式分析仪是将透过隔膜而扩散到电解液中的被测气体电解，测量所形成的电解电流，就能确定被测气体的浓度。通过选择不同的电极材料和电解液来改变电极表面的内部电压从而实现对具有不同电解电位的气体的选择性。