VG PRIMA质谱仪在高炉炼铁工艺中的应用

　　0　前言

　　长期以来对高炉工艺效率的控制一直依赖于准确快速地分析炉顶气体中CO和CO2的浓度来实现。与红外分析技术相比,VG PRIMA质谱仪具有明显的优点:取样分析时间短;可以快速、准确地在不同气体流量中进行多组分分析;通过自动校验提高了测量精度,并且具有长期的稳定性。本文介绍了VG PRIMA质谱仪的原理及其在高炉炼铁工艺中的应用。

　　1　检测原理

　　检测原理[1]:质谱分析仪按照质荷比对物质进行分离。气体分子经过电子轰击而被电离,阳离子以速度v射入磁场,由洛仑兹力公式知,当磁感应强度B的方向与离子的运动速度方向垂直时,带电荷e的运动离子在磁场中所受的作用力为:

　　FM=evB (1)

　　离子从无磁场空间射入均匀磁场空间后做圆周运动,这时磁场对离子的作用力为向心力,它和离心力相平衡:

　　其中　m为离子质量;r为离子运动半径。利用磁场对运动电荷的作用,对离子按质荷比或质量进行分离,这样,仪器的离子探测系统可以选择出不同种类的气体,根据高稳定的能被测量的质谱可以确定气体混合物的成分。

　　2　功能特点

　　2·1　煤气效率[2]

　　高炉生产过程中,若炉顶煤气中CO2的含量过高会导致高炉的热效率降低;若CO浓度过高会造成高炉能量利用率低,焦比增加。气体热效率可以表示为:

　　在恒定直接还原情况下,气体效率每增加1%,每吨铁就能降低8 kg的焦炭耗量,铁水收得率增加3.5%。

　　要实现这些成本收益,分析时间要保持在一个绝对最小值,以便从数据点快速反馈风口燃烧情况。在高炉上使用过程质谱仪后,将此绝对时间从10min缩短到2min。

　　2·2　质量平衡[2]

　　炉顶气体流量的分析对测量冶炼强度、燃料比和生铁产量是必不可少的。在使用离散式分析仪时,煤气中氮的百分含量(对此计算是必不可少的)只能从下式推算:[N2]=1-[CO]+[CO₂]+[H₂]。

　　这要依赖于三台离散的分析仪的精度。VG质谱仪能够测量所有的关键成分,仪表的精度通过与一个已经认证的气体标准的对比而保持恒定。通过物料平衡和热平衡建立的数学模型可用于防止炉缸过热。

　　均匀的铁水质量只有通过炉温闭环控制来保证。对氮气而言,1%的误差能导致质量平衡的预测产生3%的误差。类似地,1%的氮的误差能导致焦比波动5 kg/t、鼓风量波动10 000 m³/h。这些误差的产生是由于假定炉顶气体中的氮为炉中全部氮含量(氮不参加炉内的任何反应)。但质量平衡的最终精度不是独立的,VG PRIMAδB所提供的对氮的分析方法有效地减少了质量平衡的误差。