株洲冶炼厂有12台煤气发生炉供给全厂冶炼生产用气。由于煤气成分是人工取样化验，间隔时间长(一般2h化验一次)，所测的煤气成分不能及时反映炉子生产情况，且误差大，致使煤气热值提不高，生产成本上升。1996年我厂应用冶金部自动化研究院生产的KF-100型煤气热值仪，对煤气发生炉所产煤气进行不间断的全自动检测，瞬时数字显示，并配合一系列仪表对煤气发生炉生产工艺参数进行控制，从而保证了煤气质量，降低了生产成本。
1 工艺流程及误差分析
1.1生产工艺
在煤气发生炉中煤气的生成过程是一个分层进行的一系列化学反应过程。大体上可分为4层，即灰层、燃烧层(火层、氧化层)、煤层(还原层和干燥层或第1还原层和第2还原层)和空层，如图1所示。所产生的煤气成分有可燃部分：CO、H2、CH4、少量的CnHm和H2S，与不可燃烧部分：CO2、N2、H2O和O2。
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1.2误差分析
1.2.1化验误差
考虑到化验人员的人身安全、方便等因素，煤气化验取样点设在通风、环境较好的地方。所取样不能完全代表炉子产气质量，再说每隔2h(一次全化验所需时间)化验一次，它不能作为当时司炉的依据。
煤气分析采用一台半自动气体分析器。全分析项为CO2、CnHm、O2、CO、CH4、H2和N2，前4项用吸收法测定，CH4、H2用燃烧法测定，剩余气体视为N2的体积。最后通过经验公式Q=K1·V(CO)＋K2·V(H2)＋K3·V(CH4)算得煤气热值(其中K1、K2、K3为经验系数)。
这样化验过程就产生了人工取样误差、时间滞后操作误差、人工读数视觉误差和人工计算误差等。这些都是不可去除的误差。
1.2.2自动检测误差
用KF-100型热值仪测量热值代替人工抽样化验所计算的煤气热值。将热值仪取样管定位在煤气发生炉出口处(图1中A点)，此点取样真实地反映了炉子产气质量，杜绝了取样误差。由于KF-100型热值仪是一种全自动燃气计量仪表，它具有测量范围宽、反应灵敏、精度高，并运用微机自动点火、自动补正运算以及数字显示等功能。这样又杜绝了操作误差、视觉误差和计算误差，且显示数据能及时作为司炉依据。它的系统误差小于满量程的1.5％。
2 KF-100型热值仪的工作原理
图2为热值仪的结构图。取样煤气和仪表空气通过输送管道经过滤、稳压、恒温后，再经节流孔板进入燃烧装置。在燃烧装置内空气被分成3路，一路与取样燃气混合后在燃烧嘴上部燃烧。第2路作为补充，使未燃尽的燃气进一步燃烧。第3路空气与燃烧释放的热量搅拌、混合、稀释。混合后气体温度升高，经气流反转筒外边向上，最后从外筒顶端排出。燃烧装置安放了两套热电偶，一套为冷端热电偶，安装在空气入口处；一套叫热端热电偶，放置在排出气体温度最高的一点。两套热电偶测得的温度之差，即由于煤气燃烧的热量使得排放气体温度的升高ΔT，ΔT为
ΔT=Q.Fg／(Cps.Fs)
式中 Q——煤气的热量(热值)；Fg——煤气的流量；Fs——煤气燃烧稀释后排放气体的流量；Cps——燃烧稀释后排放气体的定压比热。
把空气流量Fa与煤气流量Fg的比例加大成Fa∶Fg=(100～200)∶1，则空气的定压比热Cpa≈Cps，Fs=Fa＋Fg≈Fa，那么
ΔT=Q·Fg／Cpa.Fa
用孔板测得的空气流量Fa和煤气流量Fg分别为
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式中 ΔPa、ΔPg——孔板前后空气、煤气的差压；ρa、ρg——空气、煤气的密度；Ka、Kg——空气、煤气的孔板常数。
将(3)式代入(2)式，经过运算后得煤气热值为
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式中[img]200582293049524.gif[/img]，在仪表标定时确定。
将测得参数ΔT、ΔPg、ΔPa、ρg与标定值K送入进行运算，最后得出煤气热值，以数字方式显示出来。
3 将煤气热值引入调节系统
从第2节中热值的化学方程式，煤气热值Q=K1.V(CO)＋K2.V(H2)＋K3.V(CH4)和第3节中热值的物理方程式Q=K.ΔT.[img]200582294910353.gif[/img]中可知，煤气的产生不仅与煤种有关而且与鼓入炉底的空气、蒸汽混合物的大小、温度有着密切的关系。通过摸索将测得的煤气热值对鼓入炉底的空气、蒸气混合物进行调节，又能进一步提高煤气热值。如图3所示。图中TE、FE分别为鼓入炉底空气、蒸汽混合物温度(简称饱和温度)和流量(简称鼓风流量)；D／Q为电－气转换器，它将电信号转换为气信号控制气动调节阀；I／I为电流转换，即将一路电流信号转换为两路电流信号，分别作为饱和温度和鼓风流量调节的参比量。
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4 结束语
煤气热值仪投入运行后，工作正常，生产成本迅速下降。对同一台煤气发生炉手动操作(包括人工化验)与自动控制(微机测试、煤气热值参与自动调节)的产气率、煤气热值、CO2含量的对比如表1、表2所示。
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从两表中可知，采用自动控制煤气的平均热值为5213kJ/m3，变化平稳，用人工操作煤气平均热值为5019kJ/m3,变化较大，自动控制比人工操作平均热值增高194kJ/m3。自动控制情况下产气率平均为4.0m3／kg，手工操作时平均为3.95m3／kg，提高产气率0.05m3／kg。
