SO2分析仪在硫磺回收装置中的应用

2012-01-12田广

石油化工自动化 2012年5期

田广

（镇海石化工程股份有限公司，浙江宁波315042）

SO2体积分数的测量原理主要有吸收光谱法和发光法两种。吸收光谱法分为不分光红外吸收光谱法、红外差分吸收光谱法、紫外差分吸收光谱法等。发光法分为光致发光（荧光）和化学发光，紫外荧光法属于光致发光（荧光）法［1－2］。鉴于硫磺回收装置烟道排放尾气中含有烟尘、硫磺粉末、水蒸气及其他气体的工况，同时考虑到分析仪的选用应注意以下几个因素：分析仪的测量原理、测量范围、精度等级、响应时间，样品参数，应用的要求，样品预处理系统，性能价格比［3］。如采用不分光红外吸收光谱法SO2分析仪，根据固定源废气监测技术规范，要求其在烟囱采样位置应优先选择垂直管段，应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。采样位置应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径处，并且距上述部件上游方向不小于3倍直径［4］。另外，硫磺回收烟囱直径约为6m，安装在距地面约36m的高空，维护难度极大、费用较高；而紫外差分吸收光谱法SO2分析仪具有安装维护方便、费用低的优点。因此，经过方案比较，选用紫外差分吸收光谱法SO2分析仪进行测量。

1 差分吸收光谱法

差分吸收光谱法的基本原理是利用气体分子对光线的差分吸收。在紫外和近紫外附近，分子的吸收光谱主要是由分子或原子的电子跃迁引起的，包括缓慢变化的宽带吸收光谱和快速变化的窄带吸收光谱，经过初步处理后，去除宽带吸收光谱，剩下窄带吸收光谱，其对应的吸收截面变化频率比较高，有利于差分计算，通常称这个窄带吸收为差分吸收，对应的吸收截面为差分吸收截面。

差分吸收光谱法又分为红外差分吸收光谱法和紫外差分吸收光谱法，两者只是光源不同，后者具有波长短、能量高的优点，物质吸收的紫外线能量高于红外线，因而更容易被检测出来。对于采用紫外光的SO2分析仪而言，用它测量热、湿气体样品时，水蒸气、其他气体组分和光源强度随时间的变化对测量结果和准确度影响可以忽略不计。

利用气体的差分吸收测量其体积分数，最大程度上消除了瑞利散射、米散射以及灯本身光谱的慢变等因素对测量的影响。差分吸收光谱法利用一段差分吸收光谱，用最小二乘法进行数据拟合，而不是两点差分，大幅削弱了仪器噪声和其他气体对测量结果的影响，使得测量精度和测量下限都有很大的提升［5］。

2 样品预处理系统的设计原则

当采用直接抽取法测量时，分析仪系统均需要设置样品预处理系统，其作用是保证分析仪在最短的滞后时间内得到有代表性的试样，使试样的状态（温度、压力、流量和清洁程度）适合分析仪所需要的测量条件。样品预处理系统包括试样提取、传输、处理、排放的基本流程，还具有试样流路切换、公用设施的提供、样品系统的性能检测和控制的附加功能。在线分析仪系统能否用好，往往不仅在分析仪本身，也取决于样品预处理系统的完善程度和可靠性。无论分析仪如何复杂和精确，分析精度都要受到试样的代表性、实时性和物理状态的限制。事实上，样品预处理系统使用中遇到的问题往往比分析仪还要多，维护量也通常超过分析仪本身。因此，样品预处理系统的作用十分重要，至少要把它放在和分析仪等同的位置上考虑。

样品预处理系统的设计原则是：由取样点取出的试样应有代表性，当通过取样系统后不应引起组分和含量的变化［6］；试样的消耗量最少；易于操作和维护；能长期可靠的工作；系统构成尽可能简单；采用快速回路以减少试样传送滞后时间。

为了保证紫外差分吸收光谱法SO2分析仪数据的可靠性和准确性，整个系统的流程设计如图1所示。首先，样气经过带过滤器的取样探头除去样气中的粉尘，然后通过一体化电伴热管缆进入小屋内的样品预处理系统，一体化电伴热管缆保持在120℃左右，防止样气中的液态水和硫磺晶体析出，影响测量准确度。该样品预处理系统的流程如下：样气先经过两级旋风冷凝器除去样气中的水分，然后通过采样泵加压后分为两路，一路为绝大多数的样气经过滤器和止回阀后通过快速回路的加压后返回到烟道下游管道；另外一路微量的样气经多级过滤减压后通过止回阀去分析仪，分析后样气经止回阀加压和快速回路汇合后回到烟道下游管道。整个流程中必须配备的设备如下：带取样探头的过滤器，具有滤除硫磺粉尘功能；一体化电伴热管缆，具有伴热均匀、温度控制稳定的特点，有效防止温度波动时硫磺析出堵塞管道，导致样气失真，影响测量精度；止回阀的作用是防止快速回路的样气和分析后的样气倒灌；采样泵的用途是抽取试样，使试样流动起来并进入分析仪。正是由于对样品预处理系统考虑的足够充分，才得以保证分析数据的真实可靠。

图1 样品预处理系统流程示意

3 样品预处理系统的辅助系统

3.1 自动定时反吹系统

实践证明，样品预处理系统长期运行下来，还是会出现堵塞取样探头和部分取样管道的情况。取样探头和旋风冷凝器前面的取样管道，因样气中少量粉尘经长期累积会堵塞取样探头和过滤器。解决办法是优化取样位置且通过增加PLC和电磁阀阀组构成的自动定时反吹系统，根据实际情况，系统组态设置间隔时间定时向烟道内探头吹扫净化风，且要求反吹时分析仪主机具有输出保持功能。经过实践证明，效果十分理想。

3.2 冷却系统

旋风冷凝器内管道堵塞，经研究发现由两个原因造成：

a）由于旋风冷凝器是通过调节驱动冷凝器的净化风量来实现制冷的，净化风量是通过手动调节减压阀实现的，误差大，温度控制受外界环境温度的影响大。净化风量过大时，脱水会结冰，堵塞管道；净化风的量过小时，脱水不够，蒸汽和粉尘会结合堵塞管道。解决办法是将旋风冷凝器改为防爆冰箱，冰箱具有恒温调节功能，精度高，控制稳定，完全消除了旋风冷凝器的弊端。实践证明，用防爆冰箱更换旋风冷凝器后，脱水效果非常好，堵塞管道情况很少出现。

b）由于工艺操作人员用蒸汽吹扫烟道时未通知仪表维护人员，造成旋风冷凝器负荷远远不够，致使蒸汽与粉尘结合形成泥状物，在旋风冷凝器内部管线和部分取样管线发生堵塞。此时，只能通过1.0MPa（G）蒸汽手动长时间吹扫整个取样管道，直至吹扫干净。预防措施：工艺操作人员有此类操作时，应提前通知仪表操作人员将样品预处理系统取样球阀关断，防止类似情况发生，保证预处理系统正常运行。