專利名稱：連續(xù)快速分析氣體混合物的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體混合物的連續(xù)分析，特別是對那些載有灰塵或任何雜質(zhì)的氣體，例如煙道氣，尤其是從煉鋼廠、焚燒爐、燒結(jié)生產(chǎn)線等出來的煙道氣。
氣體分析傳統(tǒng)上是用可測定構(gòu)成氣體混合物的一種或多種氣體含量的分析儀來進(jìn)行的。例如，在由電弧爐組成的電煉鋼廠，傳統(tǒng)上用氣體分析儀來分析燃燒后吸入該爐配備的收集裝置的煙道氣中殘余氧的含量。從而能夠監(jiān)測該燃燒過程。
這樣的分析儀，有例如氧化鋯型分析儀，如由“Servomex”公司市場銷售的“700B系列”。這種分析儀包括一個包含測氧的氧化鋯電池的探頭。該探頭直接裝在待分析煙道氣的輸送管上。由取樣管從該輸送管取出氣體樣品，經(jīng)位于探頭里的過濾器，進(jìn)入氧化鋯電池。這樣的過濾器有，例如多孔不銹鋼過濾器。取樣是經(jīng)位于氧化鋯電池下游的抽吸裝置進(jìn)行抽吸而進(jìn)行的。
其它類型的氣體分析儀也可用于分析不同的氣體組分，例如紅外分析儀、熱導(dǎo)分析儀、順磁分析儀、質(zhì)譜分析儀、濕度分析儀等。
在許多情況下，特別是在分析象電弧爐之類的冶金反應(yīng)器中燃燒產(chǎn)生的煙道氣時，盡可能快地進(jìn)行分析是至關(guān)重要的，這樣當(dāng)需要時就可以快速調(diào)整燃燒的設(shè)定參數(shù)。可是因取樣線路的原因，即使是最高性能的分析裝置，也必然要有相對長的響應(yīng)時間。從煙道氣排出管的取樣點(diǎn)起到分析儀的入口止為取樣線路，將其定義為“死體積”，即對應(yīng)于煙道氣樣品在分析前必須進(jìn)行的凈化和制備處理等系列操作。氣流經(jīng)過此死體積所需的時間常常是分析響應(yīng)時間的決定因素。然而在載有灰塵的煙道氣的連續(xù)分析時，觀察到分析的響應(yīng)時間特別取決于裝于探頭里的過濾器的堵塞程度。
由電弧爐產(chǎn)生的煙道氣通常含有一定量粒徑小于100μm的灰塵，其含量可達(dá)30g/Nm3氣體。在這些情況下，分析儀的過濾器很快堵住了而且分析的響應(yīng)時間也就隨過濾器的堵塞而逐漸增加。從電弧爐收集時進(jìn)行的測試表明過濾器在爐子運(yùn)行24小時就可能堵住了，從而得進(jìn)行更換。而更換過濾器就需要分析儀長時間停止工作。因?yàn)檫@一操作需要人工干預(yù)，所以必須等恒溫在840℃正常運(yùn)行的探頭冷卻下來后才能更換過濾器，然后檢查密封情況，將分析儀開關(guān)重新打開，在分析儀重新運(yùn)行前必須使探頭恢復(fù)到正常的工作溫度并重新進(jìn)行校正。除了上述所花的時間和過濾器的成本外，分析儀停止工作必然導(dǎo)致可達(dá)4小時的分析工作的中止。在這段時間內(nèi)，由于分析結(jié)果不再提供給收集調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)就可能對爐的運(yùn)行和安全造成不當(dāng)。
已知有一些響應(yīng)時間較短的分析裝置，這些分析裝置是基于取樣流速大大高于分析流速，從而保證由取樣線路組成的“死體積”被快速注滿。但該裝置之一，例如在DE-A-3,339,073中所述，似乎僅能應(yīng)用于停留短的連續(xù)分析，因此過濾器的逐漸堵塞并未形成實(shí)際上的阻礙。另一裝置在EP-A-0,208,438中有說明，它不過是通過采用兩條平行的取樣線路，交換運(yùn)行，從而能進(jìn)行連續(xù)分析。
本發(fā)明的目的是解決上述問題，特別是防止會導(dǎo)致分析工作長期中止的分析儀過濾器的經(jīng)常性堵塞，同時盡可能長地延長兩次對分析裝置進(jìn)行維修干預(yù)之間的時間，并在這段時間內(nèi)保證不間斷地有一分析的最小響應(yīng)時間。
由于本發(fā)明有上述目的，本發(fā)明的主題為連續(xù)快速分析氣體混合物的方法。該方法是使從上述氣體混合物中取得的樣品通過氣體分析儀，利用位于取樣探針下游和泵上游的過濾裝置來凈化混合物樣品，所述混合物以大于分析儀入口所需的流速的高流速通過上述過濾裝置，并將該氣體混合物以上述所需的入口流速引入分析儀，剩余的氣流構(gòu)成不通過分析儀而排出的泄流。該方法的特征在于調(diào)節(jié)分析儀入口的流速，測量排出的泄流的流速，并在測量的流速達(dá)到一預(yù)定最小閾值時，執(zhí)行一個通過用干凈氣體反沖所述過濾裝置而清洗該過濾裝置的程序。
本發(fā)明的基本思路理解為把明顯高于分析流速的過濾過的取樣流速與在連續(xù)分析過程中當(dāng)用于將分析流速設(shè)定為一恒定值的泄流流速顯示出因過濾器的逐漸堵塞而使取樣流速太接近于分析流速時通過反沖對過濾器的自動清洗結(jié)合起來。
如前所述，分析的響應(yīng)時間尤其取決于從煙道氣輸送管取出的樣品到達(dá)分析儀的分析室所需的時間。因此，對于一給定的取樣線路(給定的死體積)，響應(yīng)時間依賴于氣體混合物樣品的流速。當(dāng)線路的其它特征不變時，流速越高，樣品達(dá)到分析儀也就越快。但是，通過分析儀的氣流當(dāng)然受分析儀的實(shí)際構(gòu)造限制。
根據(jù)本發(fā)明，通過調(diào)節(jié)泵上游線路中的元件和泵本身的大小而得到比能通過分析儀的氣流高的流速和通過從泵的出口排出過量氣體，縮短所取樣品氣體的傳送時間，同時可以以分析儀所需的相對低的流速將氣流送到分析儀。
此外，由于分析儀的過濾器因取樣氣流上游所進(jìn)行的過濾而不再堵塞或堵塞得不快，所以當(dāng)取樣氣流的過濾裝置逐漸堵塞時分析流速亦可以長久地位于一預(yù)定最小閾值之上，只有過量氣流(泄流)可能下降。
嚴(yán)格來說，應(yīng)能理解泄流流速可以達(dá)到零而不會損害分析的有效性。然而這種情況下分析流速將等于取樣流速，其結(jié)果是分析響應(yīng)時間長，或者對需要這種分析的上述工業(yè)過程的適當(dāng)控制而言就是多余的情況。
實(shí)際上，開始時因過濾器干凈響應(yīng)時間最短，然后響應(yīng)時間因?yàn)闉楸３址治隽魉俸愣殰p小泄流的流速而逐漸增加。
按照本發(fā)明的一個有利實(shí)施，通過反沖而清洗過濾器的程序在泄流流速到達(dá)零以前將很好地開啟，該開啟閾值必須確定為上述工業(yè)使用上可接受的最大響應(yīng)時間的函數(shù)。
為了更具體一點(diǎn)，以120噸電弧爐為例，其最大響應(yīng)時間選為15秒。這種情況下死體積約為1.5升，分析儀在恒定為200升/小時的名義流速下運(yùn)行，以800升/小時抽吸(泄流流速此時設(shè)定為600升/小時)時干凈線路上得到的響應(yīng)時間約為7秒。隨著過濾器的逐漸堵塞，響應(yīng)時間增至11秒，這時取樣流速已降到600升/小時，泄流流速設(shè)定在400升/小時。由于分析時響應(yīng)時間超過10秒是不大希望的，故將此400升/小時選定為開啟逆流清洗的閾值。
根據(jù)一具體方案，為了將本方法應(yīng)用于從電弧爐收集的煙道氣的快速分析，取樣線路(以及死體積)被設(shè)計(jì)為只有當(dāng)爐子斷開或其頂部打開時才能進(jìn)行過濾裝置的清洗以及分析儀的重新校正。因此，當(dāng)爐子的電力供應(yīng)切斷(或其頂部打開)時，通過系統(tǒng)地控制過濾裝置的清洗，就可能避免在鋼熔化階段得去清洗過濾裝置，因?yàn)榇虽撊刍A段產(chǎn)生大量載有灰塵的煙道氣而且需要連續(xù)快速分析燃燒后煙道氣中殘余的氧以便對煙道氣的收集進(jìn)行調(diào)控。這就提供了在這些階段快速和連續(xù)的正確分析，該分析只有在可以沒有任何危險地省去收集調(diào)控時才能在這些階段中中止。
本發(fā)明的另一主題是一種連續(xù)快速分析氣體混合物的裝置，它包括氣體分析儀、包含取樣探針的取樣線路，將由探針取得的氣體混合物樣品輸送到分析儀的泵和位于探針下游的過濾裝置。上述泵位于過濾裝置的下游，其出口一方面經(jīng)連接管與分析儀相連，另一方面經(jīng)排出管與一排出口相連。該裝置的特征在于它包括一個位于泵下游以在連接管中提供基本恒定的氣體混合物流速的流速控制器、與過濾裝置的下游相接以使干凈氣體逆流流過過濾裝置的所述干凈氣體注入裝置、測量排出管中流速的裝置和當(dāng)上述排出管中的流速到達(dá)預(yù)定最小閾值時控制干凈氣體注入的控制裝置。
過濾裝置優(yōu)選包括一個用以擋住尺寸大于預(yù)定粒徑的顆粒的初級過濾器和一個位于初級過濾器下游的冷凝器。初級過濾器可以除去煙道氣樣品中的大多數(shù)灰塵，而冷凝器用來冷卻經(jīng)預(yù)過濾的煙道氣，從而將其含有的蒸汽冷凝，同時擋住酸性氣溶膠、蒸氣和能通過初級過濾器的細(xì)小塵粒。
根據(jù)補(bǔ)充方案，該裝置包括位于過濾裝置上游和用來把探針與管路分離的管路分離裝置和給該管路注入標(biāo)準(zhǔn)氣體的裝置。注入標(biāo)準(zhǔn)氣體如含有定好含量待分析氣體的混合物能使該分析儀定期地得以重新校正，例如在每次清洗初級過濾器以后。
此外，通過使標(biāo)準(zhǔn)氣體，在這種情況下優(yōu)選為惰性氣體如氮?dú)饬鬟^過濾裝置，且通過事先用該相同氣體清洗整個管路，并使分析儀投入工作，這時就可以檢查位于泵上游的取樣線路的密封情況。任何密封缺陷均會導(dǎo)致外界氣體混合物進(jìn)入該管路，這樣不是標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣體混合物的組分會被分析儀檢測出來。
本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將在下述裝置及其使用方法的說明中得到體現(xiàn)。該裝置用于連續(xù)快速分析煉鋼電弧爐釋放出來的煙道氣中氧的含量。
參照附圖
，該單一的圖為安裝在爐子的煙道氣收集管上的該裝置示意圖。
電弧爐包括容器1和可移動的頂部2，該頂部2被煙道氣出口3穿透，出口3與煙道氣收集輸送管4相連，以便把煙道氣導(dǎo)入到未畫出的過濾單元。
該分析裝置包含氧分析儀21和取樣線路，該取樣線路包括下列依次按煙道氣流動方向連接的元件…取樣探針5，它是由用凸緣6固定于輸送管4并且穿透該管的鋼管組成。
…將探針5與管路的其它部件分開的裝置，例如分離閥7，…過濾裝置10，它包含一個初級過濾器11和一個位于該初級過濾器下游的冷凝器12，…含有一個易處理的過濾盒14和泵15的箱13，該箱13的出口一方面與裝有流速控制器17和閾值型流量計(jì)18的排出管16相接，另一方面與包括有第二流量計(jì)20的連接管19相接。
基于氧化鋯固體電解質(zhì)的氧分析儀21與連接管19相連。
為防止取樣線路的污染，分離閥7和初級過濾器11直接安裝在探針5的出口處。
初級過濾器11為任一已知型，優(yōu)選為由孔隙率約20微米的陶瓷制成的管組成，為防止在過濾器中發(fā)生冷凝，把其安裝在加熱到約60℃的不銹鋼過濾器主體中。為防止過濾器堵塞過快，有意使陶瓷管的孔隙率大。
該管的里面與探針5相連。過濾器主體經(jīng)螺旋閥52與以連接22代表的用于提供例如7巴的加壓氮?dú)獾木€路相連，因而當(dāng)螺旋閥52打開時，氮?dú)庖耘c煙道氣樣品的流動方向(箭頭F)相反的方向流進(jìn)過濾器，將沉積在過濾器里面的灰塵沖洗出去從而疏通過濾器。
冷凝器12包括一個位于容器24里的內(nèi)部鍍鉻的水冷式蛇形銅管23。經(jīng)過蛇形管的煙道氣因此而冷卻，煙道氣中所含的蒸汽冷凝下來，然后流入容器24的底部，并經(jīng)回收釜25收集。操作過程中，短時間以后在回收釜25中的冷凝物的液面可以使離開蛇形管下部的煙道氣鼓泡(Sparge)，這樣冷凝物就可能捕獲酸性氣溶膠、蒸氣以及經(jīng)過初級過濾器的細(xì)小塵粒。冷凝器還能夠捕獲經(jīng)初級過濾器后殘留在煙道氣中的細(xì)小粒子的約90％?；厥崭溆新菪懦鲩y53，它可以周期性清洗冷凝器和將冷凝物排出。
位于泵上游的過濾盒14的可過濾性約為1微米，它可使煙道氣中的灰塵除得更干凈。但由于經(jīng)過過濾盒的煙道氣中灰塵已經(jīng)很少，故其堵塞慢，只須在爐子長時間停止時進(jìn)行偶爾更換。
名義流速例如為800升/小時的泵15優(yōu)選為干隔膜壓縮機(jī)型，設(shè)計(jì)為能承受通過該泵的煙道氣的更高溫度。煙道氣離開泵15后，用流速控制器17分為兩股氣流。流速控制器17的作用是保持連接管19和分析儀21中的氣流流速恒定，例如可恒定在約200升/小時。因此流經(jīng)排出管16的多余氣流的流速隨取樣線路的堵塞程度而變化，而堵塞程度影響實(shí)際泵送的流體量。閾值流量計(jì)18可觀察多余氣流的流速。當(dāng)該多余氣流流速起始為600升/小時，由于從泵出來的實(shí)際流速(因而還有取樣流速)降低的結(jié)果而變得太低，例如約400升/小時時，閾值流量計(jì)18就產(chǎn)生隨后能見到的電信號，控制取樣管路的沖洗以及初級過濾器11的疏通。
為防止蒸汽的可能冷凝，煙道氣的溫度必須高于露點(diǎn)。為保持該溫度，箱13用電阻元件26加熱，同樣位于箱13和分析儀21之間的連通管19也用電阻元件27加熱，該組件恒溫在約60℃。
本發(fā)明裝置還包括一個組合有能手動或自動地給分析儀提供用來控制和校正該分析儀的空氣或標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣壓調(diào)節(jié)器29、30調(diào)節(jié)器31、流量計(jì)32、33以及螺旋閥58的控制箱28。
該控制箱還包括閥34，該閥與氮?dú)夤?yīng)源35相接，同時經(jīng)位于分離閥7和初級過濾器11間的管36與取樣線路相接。該管路清洗后，用來給取樣線路供給氮?dú)?，以檢查其密封是否適當(dāng)。為此，關(guān)閉分離閥7后，該裝置就投入正常運(yùn)行，泵上游的任何密封缺陷均導(dǎo)致能由分析儀21檢測出的空氣的吸入。
通過經(jīng)管38與壓力設(shè)定在1.2巴的壓力調(diào)節(jié)器29相接的油分離過濾器37給箱28提供壓縮空氣。該壓力調(diào)節(jié)器的出口經(jīng)管39與螺旋閥57相接。螺旋閥57與連于含氧0.3％的標(biāo)準(zhǔn)氣體的供給線路40的三通螺旋閥58相接。該螺旋閥58還與調(diào)節(jié)器31相接。該調(diào)節(jié)器的出口經(jīng)帶有流量計(jì)32的管41與裝在連接管19上的第二個三通螺旋閥56相接。
螺旋閥51位于初級過濾器11與冷凝器12之間的取樣線路上。被供給7巴氮?dú)獾穆菪y59連接于冷凝器12上游的取樣線路上。螺旋閥54位于冷凝器12下游的取樣線路上，第三個三通螺旋閥55插在過濾器14之前，且其第三個通道與大氣相通。
本發(fā)明裝置的運(yùn)行是通過能控制不同螺旋閥和泵的操作的控制器來控制的，以保證長時間如一周不需要人工干預(yù)而連續(xù)運(yùn)行。而這絕對需要初級過濾器11、冷凝器12和取樣管路的管道經(jīng)常進(jìn)行清洗。同時還必須周期性注入標(biāo)準(zhǔn)氣體來檢查分析儀的任何可能的偏差，以保證測量真實(shí)。這些操作通過控制器來管理，每當(dāng)爐斷開或者其頂部打開，以及閾值流量計(jì)18顯示出取樣管路堵塞到煙道氣樣品流速不足以提供所需的短的響應(yīng)時間的危險程度時，該控制器就開啟清洗和檢查循環(huán)。
下表表示分析儀清洗和檢查的順序，該表中對于每一步驟O和C分別表示螺旋閥的打開或關(guān)閉狀態(tài)，同時該表還顯示泵15是運(yùn)轉(zhuǎn)還是停止。該表中螺旋閥55和56在讓煙道氣流過時指示為開O，螺旋閥58在讓含氧0.3％的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過時指示為開。
步驟1對應(yīng)于該裝置的正常操作，即對煙道氣進(jìn)行取樣和分析。
步驟2是由閾值流量計(jì)18自動開啟的。在該步驟中氮?dú)饨?jīng)閥52回吹從而清洗初級過濾器11，通過經(jīng)閥59注入氮?dú)獠⑴趴栈厥崭?5從而將冷凝器進(jìn)行清洗，而且含氧0.3％的標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)閥58、調(diào)節(jié)器31、閥56和連接管19進(jìn)入分析儀21，以對分析儀21進(jìn)行校正。
在步驟3中，繼續(xù)清洗初級過濾器，經(jīng)閥59注入的氮?dú)鈩t通過冷凝器并清洗該管道，直至閥55，并由閥55放到大氣中，與此同時將干凈空氣送入分析儀以校正之，該空氣經(jīng)過油分離過濾器37、壓力調(diào)節(jié)器29、閥57和58，從而再加入分析儀中。
在步驟4中，該裝置恢復(fù)到正常分析操作狀態(tài)。
在步驟4的末尾，通過檢測閾值流量計(jì)的狀態(tài)，控制器就可檢查清洗的效果。如果通過該閾值流量計(jì)的流速不夠高，清洗循環(huán)重新開始。如果流速合適，控制器給操作員發(fā)出測量數(shù)據(jù)真實(shí)的信號。
上面所說明的裝置及其使用方法可得到低于10秒即很短的氧分析響應(yīng)時間，并且爐子可長期保持運(yùn)行而不需要人工干預(yù)。此外，分析儀的自動控制能保證在測量氧含量時分析準(zhǔn)確率為1％。
本發(fā)明并不局限于上述實(shí)例所說明的裝置和方法。更具體地說，為提高系統(tǒng)的可靠性，避免在清洗和過濾器清洗時分析的終止，可以使用平行安裝的兩個初級過濾器和兩個取樣探針，并通過一個探針加上過濾器組件對煙道氣進(jìn)行取樣，而另一過濾器處于清洗過程。分析儀也可以是有別于氧化鋯電池型的其它分析儀，且為了測量氧以外的氣體的含量，也可以選擇別的分析儀。
權(quán)利要求
1.連續(xù)快速分析氣體混合物的方法，其中從所述氣體混合物中取出的樣品流經(jīng)氣體分析儀(21)，用位于取樣探針(5)下游和泵(15)上游的過濾裝置(10)來凈化上述混合物樣品，使所述混合物樣品以大于分析儀入口所需的流速的高流速通過所述過濾裝置，并將該氣體混合物以上述所需的入口流速引入分析儀，剩余的氣流構(gòu)成不經(jīng)分析儀而排出的泄流，其特征在于調(diào)節(jié)分析儀(21)入口的流速、測量排出的泄流流速，并在測量的泄流流速達(dá)到預(yù)定最小閾值時執(zhí)行一個用干凈氣體反沖所述過濾裝置(10)從而清洗該過濾裝置(10)的程序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于分析儀(21)的入口流速通過設(shè)定泄流流速而進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，用于對從電弧爐(1)收集的煙道氣進(jìn)行快速分析，其特征在于只有當(dāng)爐子斷開或者其頂部(2)打開時才進(jìn)行過濾裝置(10)的清洗和分析儀(21)的重新校正。
4.連續(xù)快速分析氣體混合物的裝置，它包括氣體分析儀(21)，包含取樣探針(5)的取樣線路、將由探針取得的氣體混合物樣品輸送到分析儀的泵(15)以及位于探針下游的過濾裝置(10)，該泵(15)位于過濾裝置(10)的下游，其出口一方面經(jīng)連接管(19)與分析儀相連，另一方面經(jīng)排出管(16)與一出口相連，其特征在于它包括一個位于泵(15)的下游以在連接管(19)中提供基本恒定的氣體混合物流速的流速控制器(17)、與過濾裝置(11)下游相連以使干凈氣體逆流流過過濾裝置(11)的所述干凈氣體注入裝置(22、52)、測量排出管(16)中流速的測量裝置(18)和當(dāng)排出管(16)中的所述流速達(dá)到預(yù)定最小閾值時控制干凈氣體注入的控制裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其特征在于流速控制器(17)位于排出管(16)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的裝置，其特征在于過濾裝置(10)包括一個用以擋住尺寸大于預(yù)定尺寸的顆粒的初級過濾器(11)和一個位于初級過濾器下游的冷凝器(12)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)的裝置，其特征在于它包括位于過濾裝置(10)上游且用來將探針(5)與管路分離的管路分離裝置(7)和給該管路注入標(biāo)準(zhǔn)氣體的裝置(40，58，31)。
全文摘要
本發(fā)明的裝置包括包含取樣探針(5)的取樣管路、氣體分析儀(21)和把由探針取得的氣體混合物樣品送到分析儀的泵(15)以及位于探針下游的過濾裝置(10)。上述泵(15)位于過濾裝置的下游，其出口一方面經(jīng)連接管(19)與分析儀相連，另一方面經(jīng)泄流管(16)與排出口相連。待分析的氣體混合物以顯著大于分析儀(21)的期望流速的高流速通過過濾裝置(10)，多余的氣流不經(jīng)分析儀而排出。本發(fā)明應(yīng)用于載塵氣體的分析，特別是電煉鋼廠煙道氣的分析。
文檔編號G01N1/22GK1137314SQ94194491
公開日1996年12月4日 申請日期1994年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月14日
發(fā)明者A·加吉奧里, S·菲奧雷里 申請人:于西納·薩西羅公司