激光氧分析仪在再生炉中的应用

董苏东，董淑兵

(1. 江苏斯尔邦石化有限公司，江苏 连云港 222000；2. 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 苏州研究所，江苏 苏州 215000)

废酸再生(SAR)装置可以将丙烯腈、MMA装置产生的废液进行焚烧，再经过处理生产硫酸产品，具有热能利用率高、污染小等特点且有很好的社会效益。江苏斯尔邦石化有限公司采用加拿大CHEMETICS专利的废酸浓缩工艺，将MMA装置废酸中水质量分数从30%降低到15%，具有效率高、设备体积小、节省燃料、流程简洁适用等优点。再生炉是SAR装置再生炉系统的关键设备，该再生炉系统利用热力学原理，使丙烯腈装置硫铵液、MMA装置废酸等含硫废液充分燃烧和分解，同时使硫与氧反应生成二氧化硫。

从废酸浓缩系统来的废酸和从丙烯腈装置来的硫铵溶液，通过空气将其雾化并喷射到再生炉中和有机物充分燃烧，在高温状态下分解成二氧化硫、氧气、二氧化碳、氮气和水蒸气。有机物充分燃烧提供硫铵及硫酸分解以及废酸中水汽化所需的部分热量，MMA装置废气也从界区送到再生炉燃烧。再生炉出口温度在900～1 050 ℃、出口氧体积分数控制在1.6%～1.9%。

该再生炉出口氧体积分数测量采用LaserGasⅡ激光氧气分析仪，该分析仪是基于可调二极管激光器吸收光谱技术(TDLAS)，在烟道、管道、过程小屋等装置内连续在线监测气体的光学仪器。

1 激光氧分析仪

1.1 激光氧分析仪组成及结构

1.1.1组成

该激光氧分析仪是利用1台发射器/接收器，彼此可反向安装，去测量通过瞄准线路径的气体平均体积分数，测量原理是红外单线吸收光谱法。

激光氧分析仪包括三个独立的单元： 带有吹扫的发射单元，带有吹扫的接收单元，电源，组成如图1所示。

1) 发射单元。包括带有温度稳定二极管激光器的激光模块，校准模块及其他主要电子单元。

2) 接收单元。包括1个聚焦透镜、光电探测器和接收器电子单元。

3) 电源。把100～240 V交流电转换为24 V直流电。

图1 激光氧分析仪组成示意

1.1.2结构

激光氧分析仪系统结构如图2所示。

图2 激光氧分析仪系统组成及结构示意

1.2 测量原理

安装在管道一侧的激光发射器可发射出在近红外波段内的激光，并被安装在管道另一侧的激光接收器所接收。由于被检测气体会吸收激光，因此接收器接收到的激光强度与发射器发射的激光强度存在差异。大多数气体只吸收特定波长的光，产生吸收光谱。不同气体吸收不同波长的近红外光，有不同的吸收光谱，且无需对其他气体成分进行补偿。

1.3 特点

该系统为在线测量，无需气体取样；无来自背景气的干扰；稳定校准，无零点漂移；响应时间低至1 s；可适用于多过程条件，如高温、高粉尘、高腐蚀性气体环境；无运动部件、无消耗；可测量全部烟道内的整体体积分数。

1.4 应用领域

该激光氧分析仪可用于如下生产领域：

1) 化工行业。如氯乙烯或PVC、丙烯酸、溶酸回收等。

2) 石化行业。如尾气处理、燃烧气体检测、硫磺回收、催化裂化装置、焚化炉通风横管等。

3) 钢铁行业。如焦炉气体、转炉煤气等。

4) 发电厂。如锅炉控制、省煤器、脱硝装置中氨流动控制。

5) 垃圾焚烧、水泥厂、铝熔炉的排放检测。

2 激光氧分析仪的日常维护

LaserGas Ⅱ激光氧分析仪应用到SAR装置再生炉后，运行中的维护包括： 透光率的调整、法兰孔的清灰、透光视镜的清洗、气密性检查、氮气吹扫流量的检查。

2.1 透光率的调整

巡检过程中除了检查记录仪表测量值外还需记录仪表的透光率，当透光率小于10%时，仪表就会出现低透光率报警，此时就需要校准透光率。

2.2 法兰孔的清灰

SAR装置在开车过程中进行再生炉升温，期间会产生大量的水汽和灰尘，随着工况稳定，燃料油、硫磺等介质在高温燃烧下，会附着在再生炉炉内壁，法兰孔周围会出现结焦挂壁现象，此时往往会使透光率变得很低，因此需制定周期性维护计划。

2.3 透光视镜的清洗

该激光氧分析仪是光学类仪器，光学视窗上的灰尘或者其他污染物会影响信号的准确性，使仪表测量产生误差。除定期对法兰孔清灰，同时需清洁视镜。该仪器的设计使得在不影响测量精度的条件下，可以允许的信号强度衰减范围在10%～30%。然而，如果信号强度降低到无法测量时，液晶显示器显示〈低传输〉，此时视窗需要被清洗。为了减少灰尘在光学视窗上的堆积，正常情况下，每个仪器都配置了一个吹扫单元。如果吹扫有故障，应检查光学视窗。

光学视窗可以通过非磨损的清洁剂或溶剂清洗。如果有裂缝或者损坏，视窗应该被替换。视窗是楔形的，新视窗的定位与原视窗必须保持一致，以便保护系统的校准。

2.4 气密性的检查

在安装管线后，投用仪表前，应使用试漏液对各个管线接头处试漏，氮气吹扫管线如果漏气，空气中的氧气会对测量值造成干扰。

2.5 氮气吹扫流量的优化

吹扫气体必须干燥、洁净，检查时要注意空气过滤减压阀的滤芯，确认其是否洁净。为指定的应用确定吹扫气体推荐流量是很困难的，因为它取决于气体在灰尘中的流速，法兰长度和法兰直径等。法兰中的吹扫流速等于灰尘中气体流速的10%，如果持续吹扫一段时间后，待测气体的体积分数完全恒定，可尝试用以下步骤去测量吹扫流量：

1) 设定通过炉体内氧气所需光程的长度等于接收单元窗口到发射单元窗口的距离。

2) 长时间关闭吹扫气流，使法兰中充满气体，并测量体积分数。

3) 重新设定测量长度等于法兰端到法兰端的距离。

4) 增加吹扫流量直到其测量结果与步骤2) 的相同。如果在测试过程中视窗已变脏，需保持视窗清洁。如果获得所要求的吹扫气体量很困难，也可以根据测量结果选择调整通过气体的光路。

3 仪表的故障案例分析

3.1 仪表透光率持续走低

LaserGas Ⅱ激光氧分析仪自2015年11月投用以来运行稳定，但在2016年10～11月期间仪表透光率持续走低，几乎每天需要调整一次透光率。起初怀疑是炉体变形导致发射端与接收端法兰孔不能在同一水平线上，后经过多次处理，排除了炉体变形的原因。拆卸发射与接收端后发现通道内有积灰，炉壁开孔处存在大量结焦，导致透光率变低，清除后，仪表透光率提高到30%以上。

3.2 激光氧分析仪A表和B表测量偏差较大

激光氧分析仪A表和B表均测量再生炉内的氧体积分数，2台表均在同一水平线，平行距离约1 m，但在实际测量中A表和B表的测量偏差值达到±(0.3%～0.7%)。起初怀疑是其中1台仪表的管线漏气，使空气中的氧进入管道，导致仪表测量值高于另外1台仪表，试漏密封处理后，2台仪表仍然存在偏差。结合工艺流程及工艺设计后发现，工艺再生炉视窗存在一路仪表风，其作用是冷却视窗，由于该仪表风距离2台仪表测量点较近，导致仪表测量值存在偏差。关闭该仪表风后，2台仪表测量值接近，但由于该冷却风作用是保护视窗，设计要求不能关闭，重新打开仪表冷却风，2台仪表之间又出现了偏差值。

3.3 发射和接收端法兰孔偏离

SAR装置已开车运行3a，再生炉在长时间运行中，也慢慢地出现了炉体变形的情况。在检修过程中，进入炉体内发现两端法兰孔已经高度不一致，出现了严重的偏离，致使发射光不能完全被接收端接收到。经过反复检查测量后发现两端都存在向下偏移的情况，重新焊接固定，对光效果逐渐恢复正常。由于法兰孔径偏小的缘故，使得在调整透光率的时候，可调范围有限，为扩大仪表透光率的可调范围，遂将两端法兰孔略微扩大，调整后透光率保持在40%以上，达到了预期的效果。

4 结束语

该公司SAR装置再生炉LaserGas Ⅱ激光氧分析仪运行的稳定性与工况有着密切的关系，同时仪表自身透光率的变化又对仪表的测量起着决定性及可靠性的作用，其中还包括法兰孔的结焦以及氮气的吹扫等干扰性因素。因此维护仪表前需了解工况，保证仪表的可靠性以及测量数据的准确性。同时，维护人员提升自身的专业素质，加强日常的维护工作，保证分析仪正常运行，让在线分析仪器的作用和性能得到充分发挥。同时根据分析仪的数据能够及时调整工况，确保了装置更加安全平稳的生产。