LasIRTM-R系列激光气体分析仪在电解铝厂HF监测的应用

上一篇 / 下一篇  2010-12-13 15:05:13

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LasIRTM-R系列激光气体分析在电解铝厂HF监测的应用

 

Unisearch Associates Inc.,96 Bradwick Drive,Concord, Ont.Canada L4K 1K8

优胜光分仪器南京有限公司Unisearch Instruments Nanjing Inc.

关键词(Key Words

可调二极管激光光谱(Tunable Diode Laser Spectroscopy), NH3, HF, CO, CO2,排放监测(emission monitoring,过程控制process control,铝厂(aluminum smelter,气体分析仪(gas analyzer.

引言

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系统已经迅速应用到对于灵敏度、响应时间、背景气体免干扰等有较高要求的各种气体监测领域。TDLAS的技术优势在于实现了实时的原地测量,避免了气体抽样测量带来的一些问题。Unisearch公司基于近红外可调谐二极管技术开发了LasIRTM气体分析系统,整套系统耐用且易于安装,LasIRTM气体分析系统特别适用于众多工业领域气体排放监测和过程控制,例如:燃煤发电厂、铝厂、钢铁厂、冶炼厂、核电站、垃圾发电站、水泥厂和化工厂等等,本篇论文阐述了部分行业的气体监测应用。

一套基本的LasIRTM气体分析系统配置包括一个内置可调谐激光源的分析仪、光学发射端、光学接收端。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,光束穿过被测气体,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光强的变化来加以测定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。

LasIRTM气体分析系统也被广泛应用到世界各地的电解铝厂的HF气体监测。铝在熔炼的过程中,HF气体也随之产生并被排放,为了避免HF气体泄漏在工作区域,电解槽都有专用的槽板罩住,产生的HF气体被捕获收集,经过净化系统处理后再排放。HF气体具有剧毒,对电解槽车间工人的身体健康和周边的环境都有很大的伤害和影响,另外,铝厂对氟化物回收可以节约能源,增加经济效益。可调谐二极管激光技术目前已经在世界各地的几百个电解铝厂做为净化系统的控制设备得以应用。

 

LasIRTM系统

   LasIRTM系统包括内置可调谐激光器的分析仪、发射激光光束并穿过被测介质的光学发射端、安装在被测介质另一端接收透射光的接收端。分析控制器(分析仪)自身可以安置在远离现场监测点1km之外的控制室内,现场光学传感系统与分析控制器之间通过光纤和同轴电缆连接,测量的数据被保存在LasIRTM系统的分析控制器内的闪存卡或外部电脑上,外部电脑通过以太网网口或RS232端口与分析控制器连接,数据信息也可以传送到企业的数据库。

LasIRTM系统的定量分析是以Beer-Lambert定律为基础,Beer-Lambert定律指出了光吸收与光穿过被检测的物质之间的关系,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:

I(v)=I0(v)exp[-σ(v)CL]

I(v)  光束穿过一个光程距离为L的被测气体介质后的透射光强度

I0(v)入射光强度

σ(v)被测气体的吸收横截面

C    被测气体的浓度

L    光程

 

   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,LasIRTM系统的原地测量远远优于使用采样探头在烟道/管道一个点上抽取测量的方式,尤其是在气体浓度呈梯度性变化或非均匀分布存在时,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。

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,LasIRTM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)。

2010年,Unisearch公司开发了新一代LasIRTM-R气体分析系统,LasIRTM-R符合欧盟RoHS认证,有机架安装式和台式两种形式的分析控制器。Unisearch公司开发的这些高性价比气体分析系统不仅体积紧凑、结实耐用,而且能够提供从便携的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的全系列产品。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,LasIRTM系统可能的配置如下图1所示。LasIRTM系统还有一款光学部件和电子部件一体式设计的便携式气体分析仪,其轻便(小于5kg)而节能(功率小于20W),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。

 

图1. LasIRTM系统分析控制器与各种光学传感单元通过光纤与同轴电缆连接的配置示意图

    

LasIRTM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。为了某些用户仪器管理规程的需要,我们可以提供手持式小巧的考核模块,当需要时,用户可以使用这个考核模块对整个系统(分析控制器和光学传感单元)进行考核,也可以使用自动考核功能对系统进行自动考核,自动考核的结果将被保存并显示在屏幕上。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(inline)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(105,即ppm级到%级),是真正适合于各种不同工业气体监测的气体分析系统。

 

电解铝厂过程控制中HF气体监测

铝厂通常使用电解法从铝矾土中提炼金属铝,即Hall-Héroult工艺,铝电解需要耗用大量的电力,因此一般铝厂都位于大容量的发电厂附近。

原铝采用电解还原铝矾土(Al2O3),获得,铝矾土(Al2O3),中含有冰晶石(Na3AlF6)AlF3,电解过程中产生的HF气体经电解槽上罩板集气送往净化设备处理后再排放。HF气体具有剧毒,对电解槽车间里工人的身体健康和周边的环境都有很大的伤害和影响,另外,铝厂对氟化物回收也有其经济效益。干法除尘净化技术在世界范围内的铝厂被广泛使用,氧化铝作为净化系统中的吸附剂与HF气体发生反应生成AlF3,生成的AlF3再重新输送到电解槽,因而回收利用了相对昂贵的氟化物。控制好加入到净化系统中的氧化铝量就能很好的控制HF气体的排放。因此,连续地、原地实时地监测HF排放对于优化干式净化设备中加入的氧化铝数量起到了积极效果。

7是一幅氧化铝投料控制曲线图。当减少向除尘器加入氧化铝后,HF浓度将变得越来越高,短短的几分钟内,LasIRTM气体分析系统监测到HF浓度从0.47mg/Nm3增加到0.8mg/Nm3,又过了几分钟后,LasIRTM气体分析系统监测到HF浓度趋于一个稳定状态。第二次减少氧化铝的投入后,HF浓度上升到约1.8mg/Nm3。为了评估除尘器工作的响应速度,所有的参数都被正常设置。可以看出一旦氧化铝投料系统满负荷投入,HF的排放将会呈现指数式衰减。

 

 

7.LasIRTM气体分析系统监测到的随加入到干式除尘器内氧化铝的变化,HF排放量也随之变化曲线图。

 

当除尘器的布袋发生泄漏或饱和时,其除尘效率将会恶化。

许多LasIRTM气体分析系统被安装用来监测除尘器的除尘效率。典型的应用就是安装一套LasIRTM气体分析系统监测除尘器进出口的HF浓度。8显示了对一套新安装的除尘器进出口监测曲线图。曲线图表明新的除尘设备能除去99.8%以上的HF

 

8.干式除尘器进出口的HF监测,可看出净化效率可达99.8%以上。

在铝生产中,电力的消耗是最大一块资金投入。维持电解槽处于最佳温度是达到电力消耗最小化的重要条件,电解槽温度与其上部的整个槽罩板效能有着直接关系。工艺过程中更换阳极块或用真空抬包抽出液态金属铝时(bath siphoning),都需要打开槽罩板,这样一来就势必降低电解槽温度从而降低了电能效率。这样的一些工艺操作或电解槽罩板上任何一点的泄漏都会使得HF气体逸出到电解车间内,最后从电解车间屋顶排出。通过对电解车间内HF气体

TAG: 气体分析仪 激光 过程控制 铝厂 hf在线分析

unisearchcn 引用 删除 unisearchcn   /   2010-12-13 15:25:46
 

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