CN104267158B - 一种钢渣有压热闷气体成分在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有压热闷气体成分在线监测装置及方法，在热闷过程中将有压热闷罐1内气体按一定流速抽出，抽出气体经冷凝器4冷凝去除水蒸气得到干气体，继而测量干气体的温度、压力、流量并引入气体分析仪9实时监测干气体成分；同时将水蒸气冷凝水收集，通过称重的方式确定冷凝水的质量，从而确定水蒸气的实时流量，结合所测干气体实时气体成分，可以实现实时监测有压热闷罐内气体成分；本发明优点是实现了有压热闷罐处理钢渣过程中热闷气体的监测，监测装置安装操作简单，与PLC***兼容性强，可实现有压热闷气体成分的在线监测，有利于热闷过程中罐内可燃气体含量的控制，在排除安全隐患方面起到重要作用。

Description

一种钢渣有压热闷气体成分在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种钢渣有压热闷气体成分在线监测装置及方法，特别是一种含有水蒸气的气体成分在线监测的装置及方法。

背景技术

每生产1吨钢约产生0.12～0.14吨的钢渣，2013年我国钢渣产生量约为1.01亿吨，利用率为30％，大量钢渣没有资源化利用，占用土地、污染环境。

传统的钢渣处理工艺为池式热闷加破碎磁选，而有压热闷***相比池式热闷，提高了钢渣处理效率和自动化程度，但热闷过程高温钢渣和水反应产生一定量的可燃气体，造成了安全隐患。因此，实现有压热闷生产过程中，罐内可燃气体成分的实时监测对保证安全生产至关重要。

有压热闷过程会产生大量水蒸气，而目前的流量计和气体分析仪对测量介质的要求都是不含水蒸气的纯气相，很难实现在含有大量水蒸气的条件下测量可燃气体成分，在线实时监测更是难上加难。

因此，解决含有大量水蒸气的复杂条件下可燃气体成分的在线实时监测的问题，不仅可以保证有压热闷的安全生产，也为其他行业类似工况的监测提供思路。

发明内容

本发明的技术方案如下：

一种有压热闷气体成分在线监测装置，其包括：有压热闷罐、阀、引气管、冷凝器、水箱、质量传感器、温度、压力和流量传感器、支气管、气体分析仪、PLC控制***以及计算和显示***；引气管包括第一引气管、第二引气管和第三引气管；有压热闷罐排气管的开口通过第一引气管连接阀的入口端，阀的出口端通过第一引气管连接冷凝器，冷凝器连接水箱，冷凝器对流经冷凝器的样气冷凝脱水，去除样气中的水蒸气得到干气体，水蒸气冷凝后得到冷凝水，冷凝水流入水箱，在水箱底部安装质量传感器，水箱上部通过第二引气管连接温度、压力和流量传感器，在温度、压力和流量传感器后的第三引气管一侧开支气管，气体分析仪从该支气管抽取干气体进行成分分析，得到干气体的各气体组成以及各气体的体积分数并且将分析结果传送到计算和显示***，其中，质量传感器以及温度、压力和流量传感器将监测结果传送到PLC控制***，得到冷凝水的实时质量流量以及干气体实时质量流量，计算和显示***连接PLC控制***，并从中读取冷凝水的实时质量流量以及干气体实时质量流量，并结合干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，分析得到有压热闷罐内各气体的体积分数，并在计算和显示***上进行显示。

其中，所述装置还包括气泵，温度、压力和流量传感器通过第三引气管连接气泵。其中，计算和显示***为计算机显示平台。其中，所述阀为电动调节阀。

本发明涉及一种钢渣有压热闷气体成分在线监测的方法，在热闷过程中将有压热闷罐内气体按一定流速抽出，抽出气体经冷凝器冷凝去除水蒸气得到干气体，继而测量干气体的温度、压力、流量并引入气体分析仪实时监测气体成分；同时将水蒸气冷凝水收集，通过称重的方式确定冷凝水的质量，从而确定水蒸气的实时流量，结合干气体所测实时气体成分，可以实现实时监测有压热闷罐内气体成分。

一种采用上述的装置对有压热闷气体成分在线监测的方法，包括如下步骤：

(1)在有压热闷罐排气管上开口，通过阀调节开度引出样气；

(2)样气经过冷凝器冷凝脱水，去除样气中的水蒸气得到干气体，水蒸气冷凝后得到冷凝水，冷凝水流入水箱，通过水箱底部安装的质量传感器，质量传感器将冷凝水质量监测结果传送到PLC控制***，计算得到冷凝水的实时质量流量；

(3)通过温度、压力和流量传感器测量去除水蒸气后的干气体的温度、压力和流量，并将监测结果传送到PLC控制***，计算得到干气体的实时质量流量；

(4)在温度、压力及流量传感器后的第三引气管一侧开支气管，气体分析仪从该支气管抽取干气体进行成分分析，得到干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，并且将分析结果传送到计算和显示***；

(5)计算和显示***连接PLC控制***，并从其数据库中读取步骤(2)中的冷凝水的实时质量流量以及步骤(3)中的干气体实时质量流量，并结合干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，分析得到有压热闷罐内各气体的体积分数，并在计算和显示***上进行显示。

其中，所述装置还包括气泵，温度、压力和流量传感器通过第三引气管连接气泵，后期罐内压力不足时，启动气泵抽取样气；并且多余样气经引气管及气泵排出。

其中，一次热闷过程结束后，排空水箱中的水。

本发明优点是装置上和方法上实现含有大量水蒸气的气体成分实时监测，安装操作简单，不影响PLC***的独立运行，并与PLC***兼容性强，技术上实现了有压热闷气体成分的在线监测，对生产过程中及时控制罐内可燃气体成分，排除安全隐患起到重要作用。

附图说明

图1有压热闷气体成分在线监测装置示意图

具体实施方式

一种有压热闷气体成分在线监测装置如附图1所示，有压热闷气体成分在线监测装置，其包括：有压热闷罐1、电动调节阀2、引气管3、冷凝器4、水箱5、质量传感器6、温度、压力和流量传感器7、支气管8、气体分析仪9、气泵10、PLC控制***11以及计算和显示***12；引气管3包括第一引气管、第二引气管和第三引气管；有压热闷罐1排气管的开口通过第一引气管3连接阀2的入口端，阀2的出口端通过第一引气管3连接冷凝器4，冷凝器4连接水箱5，冷凝器4对流经冷凝器4的样气冷凝脱水，去除样气中的水蒸气得到干气体，水蒸气冷凝后得到冷凝水，冷凝水流入水箱5，在水箱5底部安装质量传感器6，水箱上部通过第二引气管3连接温度、压力和流量传感器7，在温度、压力和流量传感器7后的第三引气管一侧开支气管8，气体分析仪9从该支气管抽取干气体进行成分分析，得到干气体的各气体组成以及各气体的体积分数并且将分析结果传送到计算和显示***12，其中，质量传感器6以及温度、压力和流量传感器7将监测结果传送到PLC控制***，得到冷凝水的实时质量流量以及干气体实时质量流量，计算和显示***12连接PLC控制***，并从中读取冷凝水的实时质量流量以及干气体实时质量流量，并结合干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，分析得到有压热闷罐1内各气体的体积分数，并在计算和显示***12上进行显示。其中温度、压力和流量传感器7包括分别对应上述温度测量、压力测量以及流量测量的三种功能的三个传感器，为了便于表示，统一采用标记7表示。温度、压力和流量传感器7通过第三引气管3连接气泵10，其中，根据有压热闷生产前期罐内压力大，后期罐内压力小的特点，在引气管终端安装抽气泵，在后期气量不足时启动。并且多余样气经引气管及气泵排出。，计算和显示***为计算机显示平台12。

一种有压热闷气体成分在线监测方法，包括如下步骤：(1)在有压热闷罐1排气管上开口，通过电动调节阀2调节开度引出样气，后期罐内压力不足时，启动气泵10抽取；(2)样气经过冷凝器4冷凝脱水，去除样气中的水蒸气得到干气体，水蒸气冷凝后得到冷凝水，冷凝水流入水箱5，通过水箱5底部安装的质量传感器6，质量传感器将冷凝水质量监测结果传送到PLC控制***11，计算得到冷凝水的实时质量流量；PLC控制***对计算得到冷凝水的实时质量流量进行显示；(3)通过温度、压力和流量传感器7测量去除水蒸气后的干气体的温度、压力和流量，并将监测结果传送到PLC控制***11，计算得到干气体的实时质量流量；PLC控制***对计算得到干气体的实时质量流量进行显示；(4)在温度、压力及流量传感器后的第三引气管一侧开支气管8，气体分析仪9从该支气管抽取干气体进行成分分析，得到干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，并且将分析结果传送到计算和显示***12；各气体的体积分数的数值信号经过信号处理，进入计算和显示***12进行显示，多余样气经引气管及气泵排出；(5)计算和显示***12连接PLC控制***11，并从其数据库中读取步骤2中的冷凝水的实时质量流量以及步骤3中的干气体实时质量流量，并结合干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，分析得到有压热闷罐1内各气体的体积分数，并在计算和显示***(12)上进行显示；(6)一次热闷过程结束后，排空水箱中的水。

其中，通过冷凝器对气样脱水，并将冷凝水收集，通过测量重量的方式实现对水蒸气实时流量的测量。其中，通过对干气体温度、压力、和流量的实时测量，实现干气体实时质量流量的测量。其中，通过读取PLC控制***步骤(5)中提及测量值，并结合干气体气体成分的测量结果，实现有压热闷罐罐内气体成分测量及显示。

监测方法设计基于如下计算公式：

本方法的设计基础为理想状态方程(见式(1))及其变形公式

PV＝nRT (1)

P,压力Pa；V，体积m³；T，温度K；n—气体物质的量，单位mol；R表示气体常数，常取8.314 J/mol·k。

${\mathrm{PQ}}_V=\frac{\mathrm{nRT}}{t}---\left(2\right)$

Q_v，体积流量m³/s；t，时间s；

$Q_n=\frac{{\mathrm{PQ}}_V}{\mathrm{RT}}---\left(3\right)$

Q_n，摩尔流量mol/s；

$Q_{n_1}=\frac{P_1{Q}_{V_1}}{{\mathrm{RT}}_1}---\left(4\right)$

Q_n1，干气体摩尔流量mol/s；P₁，干气体压力Pa；Q_v1，干气体体积流量m³/s；T₁，干气体温度K；其对应步骤(3)的计算得到干气体的实时质量流量。

$Q_{n_1}=\frac{m_{\mathrm{2,1}}-m_{\mathrm{2,0}}}{18\×(t_1-t_0)}---\left(5\right)$

Q_n2，冷凝水摩尔流量mol/s；m_2,0，m_2,1，0时刻和1时刻水箱中对应的冷凝水重量，g；t₀，t₁，0时刻和1时刻对应的时间(时间间隔设定越短，精度越高)，s；其对应步骤(2)的计算得到冷凝水的实时质量流量。

有压热闷罐内干气体的体积百分含量，％

有压热闷罐内待测气体的体积百分含量，％，其中i为待测气体的名称，如H₂，O₂等；气体分析仪测定的待测气体在干气体中的体积百分含量，％；其对应步骤(5)的计算和显示***12从PLC控制***11的数据库中读取步骤2中的冷凝水的实时质量流量以及步骤3中的干气体实时质量流量，并结合干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，分析得到有压热闷罐1内各气体的体积分数。

其中，根据有压热闷生产前期罐内压力大，后期罐内压力小的特点，在引气管3终端安装抽气泵10，在后期气量不足时启动。其中，也可以根据有压热闷生产前期罐内压力大，后期罐内压力小的特点，在引气管上单向阀的前端安装抽气泵，在后期气量不足时启动。

其中，多余样气的排放要经过单向阀，避免外部空气倒流。

其中，本方法和装置适用但不局限于有压热闷生产过程，以及类似工况气体成分的在线测量均适用。

Claims (7)

1.一种有压热闷气体成分在线监测装置，其包括：有压热闷罐(1)、阀(2)、引气管(3)、冷凝器(4)、水箱(5)、质量传感器(6)、温度、压力和流量传感器(7)、支气管(8)、气体分析仪(9)、PLC控制***(11)以及计算和显示***(12)；引气管(3)包括第一引气管、第二引气管和第三引气管；有压热闷罐(1)排气管的开口通过第一引气管连接阀(2)的入口端，阀(2)的出口端通过第一引气管连接冷凝器(4)，冷凝器(4)连接水箱(5)，冷凝器(4)对流经冷凝器(4)的样气冷凝脱水，去除样气中的水蒸气得到干气体，水蒸气冷凝后得到冷凝水，冷凝水流入水箱(5)，在水箱(5)底部安装质量传感器(6)，水箱上部通过第二引气管连接温度、压力和流量传感器(7)，在温度、压力和流量传感器(7)后的第三引气管一侧开支气管(8)，气体分析仪(9)从该支气管抽取干气体进行成分分析，得到干气体的各气体组成以及各气体的体积分数并且将分析结果传送到计算和显示***(12)，其中，质量传感器(6)以及温度、压力和流量传感器(7)将监测结果传送到PLC控制***，得到冷凝水的实时质量流量以及干气体实时质量流量，计算和显示***(12)连接PLC控制***，并从中读取冷凝水的实时质量流量以及干气体实时质量流量，并结合干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，分析得到有压热闷罐(1)内各气体的体积分数，并在计算和显示***(12)上进行显示，所述装置还包括抽气泵(10)，第三引气管的终端安装抽气泵(10)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，计算和显示***为计算机显示平台。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述阀(2)为电动调节阀。

4.一种采用权利要求1-3之一所述的装置对有压热闷气体成分在线监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在有压热闷罐(1)排气管上开口，通过阀(2)调节开度引出样气；

(2)样气经过冷凝器(4)冷凝脱水，去除样气中的水蒸气得到干气体，水蒸气冷凝后得到冷凝水，冷凝水流入水箱(5)，通过水箱(5)底部安装的质量传感器(6)，质量传感器将冷凝水质量监测结果传送到PLC控制***(11)，计算得到冷凝水的实时质量流量；

(3)通过温度、压力和流量传感器(7)测量去除水蒸气后的干气体的温度、压力和流量，并将监测结果传送到PLC控制***(11)，计算得到干气体的实时质量流量；

(4)在温度、压力及流量传感器后的第三引气管一侧开支气管(8)，气体分析仪(9)从该支气管抽取干气体进行成分分析，得到干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，并且将分析结果传送到计算和显示***(12)；

(5)计算和显示***(12)连接PLC控制***(11)，并从其数据库中读取步骤(2)中的冷凝水的实时质量流量以及步骤(3)中的干气体实时质量流量，并结合干气体的各气体组成以及各气体的体积分数，分析得到有压热闷罐(1)内各气体的体积分数，并在计算和显示***(12)上进行显示。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述装置还包括抽气泵(10)，温度、压力和流量传感器(7)通过第三引气管连接抽气泵(10)，后期罐内压力不足时，启动抽气泵抽取样气；并且多余样气经引气管及抽气泵排出。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：一次热闷过程结束后，排空水箱中的水。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：PLC控制***对计算得到冷凝水的实时质量流量进行显示；PLC控制***对计算得到干气体的实时质量流量进行显示。