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紅外測(cè)溫儀案例 ETG－BJ030001

項(xiàng)目單位：某鋼鐵有限公司 儀器設(shè)備：Kleiber 315K

一、背景應(yīng)用

焦化爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，又稱(chēng)煉焦?fàn)t，是用于煤煉焦的設(shè)備。是焦化技術(shù)中的關(guān)鍵。煤焦化技術(shù)的應(yīng)用已有200多年的歷 史，其爐子的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了許多變化。初期煉焦仿造燒木炭的過(guò)程 采用成堆干餾。18世紀(jì)中期，開(kāi)始演變成磚砌的半封閉式長(zhǎng)窯爐。

1763年開(kāi)始采用全封閉式圓窯即蜂窩爐。成堆干餾和窯爐干餾共同的特點(diǎn)是內(nèi)部加熱，即炭化和燃燒在一起，靠燃燒一部分煤和干餾煤 氣直接加熱其余的煤而干餾成焦。19世紀(jì)中期，焦?fàn)t技術(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)折 性變革，從窯爐發(fā)展到外部加熱的炭化室煉焦階段，出現(xiàn)倒焰爐。這 種焦?fàn)t是將成焦的炭化室和加熱的燃燒室用墻隔開(kāi)，在隔墻上部設(shè)有 通道，炭化室內(nèi)煤的干餾氣經(jīng)此通道直接流入燃燒室，與來(lái)自燃燒室 頂部風(fēng)道的空氣混合，自上而下地流動(dòng)燃燒，這種爐子已經(jīng)具備了現(xiàn) 代焦?fàn)t基本的特征。19世紀(jì)70年代，建成了回收化學(xué)產(chǎn)品的焦?fàn)t， 使煉焦走向生產(chǎn)多種產(chǎn)品的重要階段。此后不久，1883年建成了利 用煙氣廢熱的蓄熱式焦?fàn)t，至此，焦?fàn)t在總體上基本定型。

現(xiàn)代焦?fàn)t（見(jiàn)彩圖）爐體由炭化室、燃燒室和蓄熱室三個(gè)主要部 分構(gòu)成(圖1)。一般，炭化室寬0.4～0.5m、長(zhǎng)10～17m、高4～7.5m，頂部設(shè)有加煤孔和煤氣上升管(在機(jī)側(cè)或焦側(cè))，兩端用爐門(mén) 封閉。燃燒室在炭化室兩側(cè)，由許多立火道構(gòu)成。蓄熱室位于爐體下 部，分空氣蓄熱室和貧煤氣蓄熱室。

現(xiàn)代化焦?fàn)t主要部分用硅磚砌筑，火道溫度可達(dá)到1400℃。成 焦時(shí)間因炭化室寬度和火道溫度不同，一般為  13～18h。焦?fàn)t機(jī)械 有裝煤車(chē)、推焦車(chē)、導(dǎo)焦車(chē)和熄焦車(chē)等（圖2）。由裝煤車(chē)把煤裝入炭 化室，煉成的焦炭用推焦車(chē)推出，赤熱的焦炭經(jīng)導(dǎo)焦車(chē)落入熄焦車(chē)內(nèi)， 經(jīng)水熄或回收熱能的干法熄焦（見(jiàn)彩圖）。熄過(guò)的焦炭放到焦臺(tái)上。 焦炭經(jīng)過(guò)篩選后作為產(chǎn)品外送。

為了改善煉焦生產(chǎn)條件，現(xiàn)代焦?fàn)t操作除了機(jī)械化、自動(dòng)化之外， 還建有防治煙塵和處理污水裝置。電子計(jì)算機(jī)也已開(kāi)始用于焦?fàn)t操 作。爐子向大型化發(fā)展，炭化室有效容積增加到50m3。為了提高焦 爐生產(chǎn)能力，采取降低爐墻厚度和選用導(dǎo)熱性能好的爐墻磚等措施， 將是發(fā)展的趨勢(shì)。

焦化爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，是否安全運(yùn)行直接影響到焦化裝置的長(zhǎng)周期生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。由于延遲焦化裝置的原料為重質(zhì)渣 油，密度大、黏度高、加熱過(guò)程中易結(jié)焦。為了避免管內(nèi)嚴(yán)重結(jié)焦， 必須在流速快、熱強(qiáng)度較高的操作條件下，使油品在加熱爐中能迅速 達(dá)到所需溫度。而熱強(qiáng)度大又會(huì)導(dǎo)致管壁溫度升高而引起結(jié)焦，所以 必須采取措施減小熱強(qiáng)度不均勻性，降低管壁局部溫度。但如何 準(zhǔn)確掌握爐膛及爐管溫度場(chǎng)情況一直是難以解決的問(wèn)題，傳統(tǒng)的方法 是在爐膛和爐管的不同部位安裝熱電偶，但熱電偶在高溫環(huán)境中極易損壞或漂移，給工藝操作控制帶來(lái)了極大困難。使用紅外熱像技術(shù)監(jiān) 測(cè)爐管溫度場(chǎng)，可準(zhǔn)確了解加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)，給提高煉量提供了可 靠保證，能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3  焦?fàn)t外觀

圖4  焦?fàn)t外觀

二、焦化爐使用紅外測(cè)溫的注意事項(xiàng)

確定測(cè)溫范圍 確定測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。因此，用戶的被測(cè)溫度范圍 一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過(guò)窄，也不要過(guò)寬。根據(jù)黑體輻射定 律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過(guò)由發(fā)射率誤 差所引起的輻射能量的變化，因此，測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號(hào)分辨率越高，精度可靠 性容易解決。測(cè)溫范圍過(guò)寬，會(huì)降低測(cè)溫精度。確定目標(biāo)尺寸 紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀（輻射比色測(cè)溫儀）。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀 視場(chǎng)。建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小 于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù)，造 成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測(cè)溫儀的視場(chǎng)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量 區(qū)域外面的背景影響。對(duì)于比色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng) 帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小，不充滿視場(chǎng)， 測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不對(duì)測(cè) 量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)，比色測(cè)溫儀是較好選擇。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、 阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）。

雙色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái) 確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小，沒(méi)有充滿現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量通路上存在煙霧、 塵埃、阻擋對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。甚至 在能量衰減了95%的情況下，仍能保證要求的測(cè)溫精度。對(duì)于目標(biāo)細(xì) 小，又處于運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)之中的目標(biāo)；有時(shí)在視場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，或可能部分 移出視場(chǎng)的目標(biāo)，在此條件下，使用雙色測(cè)溫儀是較好選擇。如果測(cè)溫儀和目標(biāo)之間不可能直接瞄準(zhǔn)，測(cè)量通道彎曲、狹小、受阻等情況 下，雙色光纖測(cè)溫儀是較好選擇。這是由于其直徑小，有柔性，可以 在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量，因此可以測(cè)量難以接 近、條件惡劣或靠近電磁場(chǎng)的目標(biāo)。

確定波長(zhǎng)范圍 目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì)于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測(cè)量金屬材料的較好波長(zhǎng)是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長(zhǎng)上是透明的，紅外能 量會(huì)穿透這些材料，對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長(zhǎng)。如測(cè)量玻璃內(nèi)部 溫度選用1.0μm，2.2μm和3.9μm（被測(cè)玻璃要很厚，否則會(huì)透過(guò)）波 長(zhǎng)；測(cè)玻璃表面溫度選用5.0μm；測(cè)低溫區(qū)選用8～14μm為宜。如測(cè) 量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm，聚酯類(lèi)選用4.3μm或7.9μm，厚度超 過(guò)0.4mm的選用8-14μm。如測(cè)火焰中的CO用窄帶4.64μm，測(cè)火焰中 的NO2用4.47μm。

響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路 及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms。這要比 接觸式測(cè)溫方法快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的 目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外測(cè)溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)， 會(huì)降低測(cè)量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測(cè)溫 儀。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱慣性時(shí)，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可 以放寬要求了。因此，紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測(cè)目標(biāo)的情 況相適應(yīng)。確定響應(yīng)時(shí)間，主要根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和目標(biāo)的溫度變 化速度。對(duì)于靜止的目標(biāo)或目標(biāo)參在熱慣性，或現(xiàn)有控制設(shè)備的速度 受到限制，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。

環(huán)境條件考慮 測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、 煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻 系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測(cè) 溫儀，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。在確定附件時(shí)，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。當(dāng)在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)或難以接近環(huán)境條件下，或 其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測(cè)量能量信信號(hào)時(shí)，光 纖雙色測(cè)溫儀是較好選擇。比色測(cè)溫儀是較好選擇。在噪聲、電磁場(chǎng)、 震動(dòng)和難以接近的環(huán)境條件下，或其他惡劣條件時(shí)，宜選擇光線比色 測(cè)溫儀。

在密封的或危險(xiǎn)的材料應(yīng)用中（如容器或真空箱），測(cè)溫儀通過(guò)窗口進(jìn)行觀測(cè)。材料必須有足夠的強(qiáng)度并能通過(guò)所用測(cè)溫儀的工作波 長(zhǎng)范圍。還要確定操作工是否也需要通過(guò)窗口進(jìn)行觀察，因此要選擇 合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低溫測(cè)量應(yīng)用中，通 常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見(jiàn)光，人眼不能通過(guò)窗口觀察目標(biāo)。 如操作員需要通過(guò)窗口目標(biāo)，應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光 學(xué)材料，如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如ZnSe 或BaF2等作為窗口材料。

當(dāng)測(cè)溫儀工作環(huán)境中存在易燃?xì)怏w時(shí)，可選用本征安全型紅外測(cè) 溫儀，從而在一定濃度的易燃?xì)怏w環(huán)境中進(jìn)行安全測(cè)量和監(jiān)視。

在環(huán)境條件惡劣復(fù)雜的情況下，可以選擇測(cè)溫頭和顯示器分開(kāi)的 系統(tǒng)，以便于安裝和配置?？蛇x擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號(hào)輸出。
 

三、案例應(yīng)用

Kleiber  315K 是為滿足焦化廠的特殊需求而設(shè)計(jì)的一款特殊的 手持式測(cè)溫儀器，該儀器是與德國(guó)的龍頭焦化爐生產(chǎn)商合作開(kāi)的產(chǎn) 品，這種合作確保了該儀器的可靠性和易用性。

Kleiber  315K采用的是1.58-1.8μ  m，測(cè)溫范圍600-1600度,屬于 短紅外紅外點(diǎn)溫儀，短紅外的特性使得該點(diǎn)溫儀可以透過(guò)鋼化玻璃測(cè) 量爐內(nèi)溫度。

該款儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)可存儲(chǔ)高達(dá) 2000 組含有時(shí)間和日期 的測(cè)試數(shù)據(jù)，確保了所有與控制訪問(wèn)焦化爐有關(guān)的數(shù)據(jù)的完整性；這 樣也就保證了質(zhì)量管理文檔的充分性！可調(diào)焦鏡頭，與透鏡瞄準(zhǔn)方式 相結(jié)合的方式確保了在 12 米處的距離可以測(cè)量 42 毫米的目標(biāo)，也因此可以保證爐內(nèi)測(cè)試時(shí)對(duì)同一測(cè)試區(qū)域的瞄準(zhǔn)更為容易！測(cè)試結(jié)果清晰地顯示在取景器中kG315B 可單手操作，通過(guò)儀器頂部的按鈕完成測(cè)試過(guò)程。通過(guò)儀器的紅外接口，可以在巡檢后將儀器的內(nèi)部存儲(chǔ)信息轉(zhuǎn)移到PC 上；測(cè)試軟件可以顯示測(cè)量結(jié)果且將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為 EXCEL 分析。

四、結(jié)論

kG315B 短波高溫測(cè)溫儀在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試之后成功地完成了客 戶的測(cè)溫要求，得到了客戶的認(rèn)可。