«Опыт использования масс-спектрометрической системы «Гранат» для контроля состава газовых потоков на доменной печи»
Доменное производство — ХХI век. Труды Международного конгресса доменщиков..-Москва.,2010.- c.465-472
Паринов С.П. (к.т.н., ООО «ЦФТИ «Аналитик»)
Газовые потоки доменной печи составляют существенную долю в материальном балансе доменной плавки. При этом информация о составах потребляемых и производимых газов важна не только для технологического контроля и управления доменной плавкой, но и для решения энергетических и экологических проблем.
При газоаналитическом обеспечении доменной печи возможно использование большого числа автономных газоанализаторов, либо применение универсальных средств измерения. Первый подход имеет единственное неоспоримое преимущество — выход одного газоанализатора из строя не приводит к потери информации о большей части газовых компонентов. В то же время универсальные средства измерений обладают более широкими функциональными возможностями. В условиях значительного повышения надёжности аналитического оборудования промышленного назначения и высокого уровня квалификации обслуживающего персонала, с одной стороны, и повышения требований к алгоритмическому обеспечению систем технологического, энергетического и экологического контроля, с другой стороны, считаем перспективным развитие универсальных газоаналитических средств измерения на базе масс-спектрометрических систем.
В отличие от использования набора различных по физическому принципу работы однокомпонентных и двухкомпонентных газоанализаторов применение одного масс-спектрометра обеспечивает однородность измерений по метрологическим характеристикам, что позволяет снизить до минимума динамические погрешности расчёта комплексных технологических показателей. Это касается как показателей теплового состояния доменной печи, определяемого по составу общего колошникового газа, так и расчёта калорийности газообразного топлива, идущего на обогрев воздухонагревателей.
Следует отметить еще одно преимущество масс-спектрометрических измерений. Они позволяют определять, помимо основных компонент (Н2, СО, СО2, СН4), содержание N2, Ar в газовых потоках. Поскольку эти нейтральные элементы не участвуют в химических реакциях, то по их концентрациям в колошниковом газе (при наличии данных о расходе и составе дутья) можно рассчитывать значения расхода газов на выходе доменной печи, составляя баланс азота и аргона:
В качестве окончательной оценки расхода газов может быть использована либо одна из этих оценок, либо среднее значение двух оценок, взятых с весовыми коэффициентами, отражающими достоверность измерений азота и аргона в дутье и в колошниковых газах.
Полагаем также, что знания содержаний азота и аргона в пробах, отбираемых по радиусу колошника над шихтой либо под шихтой, могут оказаться полезными при идентификации процессов газообразования в доменной печи.
С 1995 г. ООО «ЦФТИ «Аналитик» активно работает на российском газоаналитическом рынке, специализируясь на поставках соответствующего оборудования для предприятий черной металлургии. Основной выпускаемой фирмой продукцией является масс-спектрометрическая система «Гранат». Аналитический модуль этой системы представляет из себя малогабаритный вариант время-пролётного масс-спектрометра — масс-рефлектрон, оснащенный магниторазрядным вакуумным насосом. Выбор «неприхотливого» к условиям эксплуатации магниторазрядного насоса был обусловлен необходимостью обеспечить работоспособность аналитического оборудования в непростых условиях реального производства. В газоаналитической стойке «Гранат» размещается аналитический модуль и крейты с модулями блоков питания и системы регистрации масс-спектра. Измерительный процесс, включая калибровку аналитического модуля, полностью автоматизирован. Система пробоотбора и пробоподготовки изготавливается специалистами ООО ЦФТИ «Аналитик» с использованием стандартного набора устройств отбора, фильтрации, охлаждения и осушки газовых проб. Для транспортировки газовых проб, по желанию заказчика, могут поставляться обогреваемые импульсные линии.
Начало работ по оснащению доменных печей системами «Гранат» приходится на 1997 год. За последующие 13 лет были изготовлены и поставлены в доменные цеха России, Украины и Пакистана 33 газоаналитические масс-спектрометрические системы «Гранат». Системами «Гранат» оснащены все доменные печи ОАО «Северсталь», а также большая часть доменных печей ОАО «НЛМК» и ОАО «ММК».
Одной масс-спектрометрической системой «Гранат» принципиально возможно контролировать все газовые потоки доменной печи, поочерёдно подавая на вход масс-спектрометра автоматически отбираемые газовые пробы. Но уже первый опыт работы показал, что система должна быть доукомплектована другими газоанализаторами, так как анализ ряда газовых потоков должен выполняться непрерывно. Это относится, в первую очередь, к анализу дутья и отходящих газов воздухонагревателей. Для контроля этих газовых потоков нами используются различные модификации газоанализаторов серии «Аналитик», изготавливаемых ООО «ЦФТИ «Аналитик». Чувствительными датчиками газоанализаторов «Аналитик» являются электрохимические ячейки и (или) оптические модули. В зависимости от назначения газоанализатора используется определённый комплект чувствительных датчиков. В настоящее время выпускается несколько модификаций газоанализаторов «Аналитик». Наглядным примером удачного сочетания масс-спектрометра с более простыми газоанализаторами «Аналитик» является газоаналитический комплекс, реализованный на доменной печи № 1 ОАО «КМЗ».
Рассмотрим некоторые аспекты практического применения системы «Гранат» для анализа основных газовых потоков доменной печи.
1. Общий «грязный» колошниковый газ.
Для обеспечения достоверности газовых проб два отборных зонда устанавливаются на прямолинейном участке газохода между пыльником и скруббером. При непрерывном анализе состава колошникового газа в базовом варианте исполнения системы пробоотбора и пробоподготовки (СПиП) предусмотрена работа каждого из зондов в двух режимах: отбор проб колошникового газа и очистка фильтров и зонда от пыли посредством подачи сжатого осушенного азота. Когда один из зондов работает в режиме отбора проб, другой — в режиме очистки. Переключение зондов с одного режима на другой производится автоматически по заданной программе.
Для объектов, на которых отсутствует возможность подвода к отборным устройствам сжатого осушенного азота, разработана специализированная СПиП с отбором проб одним зондом. Второй зонд находиться в резерве. При забивании первого зонда предусмотрено переключение системы на отбор газовых проб из второго зонда. По опыту эксплуатации таких систем на ОАО «ЧерМК», двух зондов хватает на непрерывную работу систем в течение 3-4 лет, после чего необходимо менять фильтры грубой очистки.
Измерения состава колошникового газа необходимы для
— контроля эффективности использования газа;
— оценки теплового состояния печи (на основании трендов СО и СО2);
— распознавания прогара холодильников (по величине Н2).
2. Общий «чистый» колошниковый газ.
По уровню технической реализации система отбора «чистого» газа более проста, чем аналогичная система для «грязного» колошникового газа. Этим можно объяснить тот факт, что на ряде предприятий ограничиваются анализом чистого колошникового газа, полагая, что динамика состава «чистого» газа идентична изменению концентраций «грязного» газа, а разница в абсолютных значениях может быть устранена за счёт коррекции значений состава «чистого» газа. Сопоставление данных анализов «грязного» и «чистого» колошникового газа показывает, что в составе последнего отмечается систематическое занижение содержания СО2. Величина расхождений данных газового анализа по каждому из этих компонентов не постоянна во времени и, как следствие этого, не может быть полностью скомпенсирована за счёт определённой коррекции состава «чистого» газа. Считаем, что для контроля технологических процессов доменной печи следует использовать данные анализа состава «грязного» колошникового газа. Контроль же состава «чистого» газа необходим только для расчёта его калорийности, если в дальнейшем доменный газ будет использоваться в качестве топлива.
3. Дутьё.
Непрерывное измерение содержания кислорода в дутье выполняется газоанализатором «Аналитик». Анализ дутья на масс-спектрометре рассматривается как резервный (с подключением в случае обнаружения сбоев в работе газоанализатора «Аналитик»), либо как дублирующий контур измерения (для дискретного контроля достоверности показаний автономного газоанализатора). Использование масс-спектрометра позволяет контролировать не только содержание кислорода, но и определять концентрации инертных газов — азота, аргона.
4. Природный и смешанный газ.
Контроль состава смешанного газа (Н2, СО, CO2 , CH4 ,С2Н6 , С3Н8 , N2) и расчёт его калорийности осуществляется с определённой периодичностью. При этом отбор проб осуществляется в автоматическом режиме. Что касается природного газа, его анализ для последующего расчета калорийности выполняется на основе вручную отобранных проб. Эти данные используются на газосмесительной станции для регулирования калорийности смешанного газа.
5. Отходящие газы воздухонагревателей.
Отбор проб отходящих газов каждого воздухонагревателя производится за дымовым клапаном (до общего борова). Анализ этих проб выполняется масс-спектрометром и (или) газоанализатором «Аналитик» в зависимости от решаемой задачи. Для контроля эффективности сжигания топлива и регулирования коэффициента избытка воздуха измеряется содержание СО, О2, СО2, СН4. При экологическом мониторинге, который все чаще проводится на металлургических предприятиях, возникает необходимость дополнительных измерений NO, NO2, SO2. Использование комплекса «Гранат» позволяет решить эти задачи следующим образом: СО, О2, NO, NO2, SO2 измеряются на газоанализаторе «Аналитик», а СО2, СН4, если в этом возникает необходимость, на масс-спектрометре. При этом измерения СО, О2, NO, NO2, SO2 выполняются непрерывно на каждом воздухонагревателе, в период их работы на нагрев, тогда как СО2, СН4 контролируются с помощью масс-спектрометра периодически.
6. Газовые потоки по радиусу колошника.
Преимущества использования масс-спектрометров в наибольшей степени проявляется при контроле распределения газов по радиусу колошника (под шихтой) с помощью передвижных измерительных зондов. Отбор проб осуществляется в 6-8 фиксированных точках радиуса колошника. Задача газового анализа — обеспечить представительность отбираемых проб и достоверность результатов анализа при нахождении зонда в печи ограниченное время (2.5-3 мин.).
Сотрудником нашей фирмы, к.ф.н. Дубенским Б.М., был разработан алгоритм динамического анализа газовых проб, обеспечивающий не только получение результатов газового анализа, но и оценку их достоверности. Этот алгоритм основан на использовании азотных меток. В период перемещения зонда (от одной точки до другой точки) осуществляется продувка зонда сжатым азотом. Подача азота, во-первых, защищает от засорения входные отверстия в головке зонда в период его перемещения, а, во-вторых, отделяет отобранную пробу газа от газовой смеси следующей пробы. При остановке зонда в каждой фиксированной точке радиуса продувка азотом отключается и начинается отбор новой пробы. Таким образом, при транспортировке газов к масс-спектрометру газовые пробы отделены друг от друга азотной меткой. Получаемые от масс-спектрометра данные с дискретностью в 2 сек. позволяют воспроизвести динамику состава отбираемой газовой смеси с момента установки зонда в центре печи (первая точка) до выхода его из печи (рис.1). Спад азота до минимального уровня и стабилизация значений газовых компонентов на максимальных уровнях свидетельствуют о поступлении на вход очередной газовой пробы. С этого момента до прихода очередной азотной метки определяется состав текущей пробы путём усреднения данных измерений. В том случае, если газовые компоненты не выходят на стабильные максимальные уровни до появления очередной азотной метки, анализ не выполняется и выдаётся сообщение о не представительности пробы. Такая ситуация наблюдается тогда, когда времени, отведённого на отбор соответствующей пробы, оказалось не достаточно для промывки зонда и всей системы пробоподготовки отобранной порцией колошникового газа.
Продолжительность отбора проб в каждой из фиксированных точек радиуса может корректироваться по результатам предшествующих измерений. Если заданного времени более чем достаточно для получения представительной пробы в определённой точке радиуса, то при последующем измерении продолжительность отбора в этой точке уменьшается и наоборот.
В каждой пробе колошникового газа определяется содержание Н2, СО, СО2, CH4, N2, Ar. Результаты анализов газов в 8-ми точках радиуса колошника одной из доменных печей представлены на рис 2. Кривые содержания Ar полностью воспроизводят поведение кривых N2 и поэтому на этих рисунках не отображены.
По значениям концентраций СО и СО2 в каждой точке радиуса колошника оценивается на качественном уровне режим движения газов на колошнике доменной печи. На значения N2, Ar особого внимания не обращают. В то же время содержание этих нейтральных компонентов в газовых пробах, отобранных из различных точек радиуса колошника, в определённой степени должны отражать глубину проникновения газов в горне из окислительной зоны к центру печи.
На рис. 2-а, 2-б приведены кривые газового анализа, соответствующие относительно нормальному режиму движения колошниковых газов. В этом случае азот равномерно распределяется по радиусу. Ситуация меняется, когда развитие получает движение газов по центру печи («центральный ход»). При этом наблюдается падение уровня концентраций в N2 в точках, расположенных у центра печи (рис. 2-в). Казалось бы, это закономерно: чем выше концентрация СО в центральной зоне печи по абсолютной величине и по отношению к концентрации СО2, тем больше газов поступает в центр печи из восстановительной зоны и меньше — из окислительной зоны, а следовательно и меньше попадает азота в центр печи. Но в ряде случаях при высокой концентрации СО значимого падения концентрации азота не наблюдается (рис. 2-г). Объяснение этого и других подобных фактов в распределении азота по радиусу колошника позволит, по нашему мнению, получить дополнительную информацию о процессах формирования газовых потоков в доменной печи.
Масс-спектрометрическими газоаналитическими системами «Гранат» оснащена большая часть доменных печей России и Украины.В связи с этим хотелось бы остановиться на рассмотрении еще одного вопроса. Исследуя процессы газообразования в горне, петербургский профессор СПбГТУ В.Г.Манчинский проанализировал изменения отношения суммарного кислорода к азоту (m= (0.5*СО +СО2+О2)/ N2) в горновом газе вдоль оси фурмы. При этом он отмечал, что значения этого показателя по мере удаления от фурмы к центру печи на определённом участке падает, а после этого снова возрастает (рис. 3). Объясняется это тем, что в зоне падения показателя m кислород дутья интенсивно расходуется на окисление элементов чугуна. С целью выяснения того, насколько отмеченная закономерность проявляется в распределении газов по радиусу колошника, был проведен анализ поведения показателя m, расчёт которого выполнялся по данным газового анализа колошникового газа. Интересно то, что на значительной части кривых показателя m наблюдается временное снижение уровня на расстоянии от стенки печи, составляющим 30-40% радиуса колошника, и последующий его рост, сменяющийся дальнейшим понижением в центре печи (рис. 2-а, 2-б). Однако в остальных случаях, характер поведения показателя m иной. Обычно это наблюдается в период работы печи, когда имеет место нарушение распределения газовых потоков по сечению печи (рис. 2-в, 2-г). Вышеприведённые наблюдения, естественно, не являются окончательным выводом о возможности использования показателя m, определяемого по данным о распределении газов по радиусу колошника, для контроля процессов газообразования в горне и требуют более тщательных исследований и количественных оценок.
Продолжительный опыт эксплуатации систем «Гранат» показал, что стабильные и точные показания газового анализа могут быть обеспечены при выполнении следующих условий: строгое выполнение регламентных работ; обеспечение стабильной температуры в помещении, где размещается аналитическое оборудование; использование при калибровках эталонных смесей высокой точности приготовления. В реальных условиях производства эти требования не всегда соблюдаются. Учитывая этот факт, ООО «ЦФТИ «Аналитик» разработал комплекс мероприятий, внедрение которых в производство позволит выпускать масс-спектрометрические системы с менее жёсткими требованиями к условиям эксплуатации.
В настоящее время на ряде металлургических комбинатах планируется модернизация отработавших 7-8 лет газоаналитических систем «Гранат» с целью увеличения ресурса их работы и повышения качества работы при снижении расходов на обслуживание. В первую очередь это касается замены магниторазрядных вакуумных насосов на турбомолекулярные насосы. Использование турбомолекулярных насосов позволит повысить стабильность измерений и значительно упростить обслуживание аналитического модуля.
Кроме того, заканчивается разработка новой специализированной масс-спектрометрической системы «Гранат», обеспечивающей более высокую точность и стабильность измерений при снижении требований к условиям эксплуатации. Аналитический модуль новой системы состоит из квадрупольного масс-спектрометра и турбомолекулярного насоса. Квадрупольный масс-спектрометр имеет два детектора. Один из них предназначен для контроля газовых компонентов в диапазоне от 0.1% до 100%, другой — для контроля микропримесей. В список контролируемых газовых компонентов общего «грязного» колошникового газа и дутья включены пары воды. Таким образом, при использовании новой масс-спектрометрической системы появится возможность осуществлять контроль коэффициента использования водорода.
Испытание новой масс-спектрометрической системы «Гранат» в промышленных условиях планируется провести во второй половине этого года, по окончанию которого она будет передана в серийное производство.
Выводы.
- Аналитический модуль системы «Гранат» обеспечивает
— многокомпонентный газовый анализ;
— однородность измерений по метрологическим характеристикам;
— высокую скорость анализа.
3. Одной газоаналитической системы «Гранат», доукомплектованной газоанализаторами «Аналитик», достаточно для контроля всех газовых потоков доменной печи.
4. Необходимо проведение дополнительных исследований по оценке возможностей использования информации о составе отбираемых по радиусу колошника газовых проб, включая данные об N2 и Ar, для идентификации процессов газообразования в доменной печи.
5. Модернизация ранее поставленных в доменные цеха систем «Гранат» и внедрение новой разработки на доменных печах позволят повысить эффективность использования масс-спектрометрических измерений при разработке алгоритмов контроля и управления доменным процессом.
С.П. Паринов, канд.т.н.,
ООО «ЦФТИ «Аналитик»
Опыт использования масс-спектрометрической системы «Гранат» для контроля состава газовых потоков на доменной печи
Аннотация.
Рассматривается опыт использования масс-спектрометрических газоаналитических систем «Гранат» для контроля газовых потоков доменной печи. Даётся описание алгоритма динамического анализа газовых проб, отбираемых из различных точек по радиусу колошника с помощью измерительных зондов. Анализируются результаты измерений, отражающих распределения газов по радиусу колошника.
S.P. Parinov, kand.Tech. Sc.
ZAO TSFTI «Analyst»
Experience of using mass-spectrometric system
«Granat» for control of gas flow content in the furnace
Abstract
The experience of the use of mass-spectrometric gas analytical systems «Granat» to control gas flow content in the furnace. A description of the algorithm of dynamic analysis of gas samples, taken from various points on the radius of top with measuring probes is given. The results of measurements, reflecting the gas distribution along the radius of top are discussed.