可自动吹扫校准紫外二氧化硫在线分析仪的应用

相 亮

（中国石化集团南京化学工业有限公司，江苏南京210048）

随着国家环保要求越来越高，对化工装置尾气SO2浓度控制更为严格。紫外SO2在线分析仪是测量尾气SO2浓度的关键仪器。由于气体组分复杂、仪器工作环境差，在运行过程中，随着时间积累，大部分紫外在线气体浓度分析仪光学窗口会被污染，零点量程参数会发生偏移，造成测量结果有偏差。因此，需要通过定期手动调校的方法以保证仪表测量的准确性。调校过程费时费力，客户希望能开发出一种能自动校准的紫外SO2在线分析仪。

1 分析仪工作原理

可自动吹扫校准紫外SO2在线分析仪采用紫外吸收光度法工作原理[1]，紫外光在气体或溶液中的吸收遵从比尔定律：

式中：I——吸收后光的强度；

I0——物质浓度为零（即不存在吸收物质）

时光的强度；

A——被测介质的浓度，mg/m3；

L——工作气室的长度，cm；

K——与物质及波长有关的常数。

由于特定物质对不同波长的紫外光的吸收是不一样的。利用比尔定律选择一个SO2吸收较大的紫外波长作为测量波长。该波长紫外光被SO2气体吸收后在检测端得到吸收后的光强I。同时选择一个SO2不吸收的紫外波长作为参比波长，该波长紫外光几乎不被SO2气体吸收，这样在检测端可以得到不被吸收的光强即I0。在工作气室的长度L及常数K确定的情况下，根据比尔定律就可以测出被测介质浓度A。

2 分析仪结构组成

分析仪主要由光源、测量池、检测器、计算机控制部分等组成，其结构组成示意见图1。

样气流过测量池时，由紫外光源发出的紫外光通过测量池到达检测器。测量波长中一部分紫外光在通过样气时，被样气中的二氧化硫吸收。而参比波长的紫外光在通过样气时，没有被样气中的二氧化硫吸收。这2路光通过各自的光学滤光片到达光电接收二极管。测量、参比光学滤光片只能透过相对应的283.3 nm（SO2气体吸收光谱）和358.3 nm（SO2气体不吸收光谱）特定波长的紫外光。分析仪通过分别测量参比和测量通道的光强信号，利用比尔定律计算出被测SO2介质浓度。

2.1 光源

与市场上常见的氢灯、氘灯、汞灯相比，氙灯是一种新颖的紫外光源，具有发光效率高、强度大、光谱范围宽的优点。国外已有专门针对紫外光应用而设计的紫外增强型频闪氙灯，为此选用频闪氙灯作为分析的紫外光源[2]。

2.2 测量池

测量池体采用不锈钢材料制作，是光路和气路交汇的地方，紫外光通过石英窗进入测量池，在测量池中的被测气体吸收相应波长的紫外光，被吸收后的紫外光再透过石英窗到达检测组件。测量池外围辅以恒温加热系统，将被测气体加热至120 ℃以上以去除水分、酸雾的影响。SO2传感系统结构示意见图2。

2.3 检测器

检测器由滤光片、硅光电二极管组成，二者固定在光电二极管座上。滤光片包括参比滤光片和测量滤光片2组，分别通过参比紫外波长和测量紫外波长。经过滤光后的光强由硅光电二极管进行采样，辅以整形放大电路将信号送入计算机处理系统进行计算处理。

图2 SO2传感系统结构示意

2.4 计算机控制部分

计算机控制部分将检测器传来的参比和测量信号经计算机处理，算出对应的浓度信号，信号送至液晶屏显示，并输出4～20 mA的电流信号，同时控制恒温加热系统和自动吹扫系统按设定的时序进行工作。

3 自动吹扫调校系统

在计算机控制部分控制下，自动吹扫调校系统按设定的时序周期自动分时完成零点气体、量程气体对分析仪进行吹扫。其结构示意如图3所示。

图3 自动吹扫调校系统结构示意

自动吹扫调校系统设置了样气测量、零点气体吹扫、量程气体吹扫3种工作时序。

在样气吹扫工作时序，样气进口管道接通现场工艺管道，中央处理单元控制打开样气进口控制阀F1，关闭零点气体控制阀F2、量程气体进口控制阀F3、吹扫气体控制阀F4、抽气泵B1，打开样气出口控制阀F5。工艺样气经由样气进口控制阀F1、四通接头、分析仪进口管道进入分析仪进行测量。样气流过分析仪后通过分析仪出口管道、样气出口控制阀F5回归工艺系统。

在零点气体吹扫工作时序，零点气体进口管道接通零点气体气源，中央处理单元控制打开零点气体进口控制阀F2，关闭样气进口控制阀F1、量程气体进口控制阀F3、样气出口控制阀F5，导通抽气泵B1，打开吹扫气体出口控制阀F4。零点气体经由零点气体进口控制阀F2、四通接头、分析仪进口管道进入分析仪进行零气吹扫。零点气体吹扫分析仪后通过分析仪出口管道、吹扫气体出口控制阀F4送入工艺系统。

在量程气体吹扫工作时序，量程气体进口管道接通量程气体气源，中央处理单元控制打开量程气体进口控制阀F3，关闭样气进口控制阀F1、零点气体进口控制阀F2、样气出口控制阀F5，导通抽气泵B1，打开吹扫气体出口控制阀F4。量程气体经由量程气体进口控制阀F3、四通接头、分析仪进口管道进入分析仪进行量程气体吹扫。量程气体吹扫分析仪后通过分析仪出口管道、吹扫气体出口控制阀F4送入工艺系统。

在零点气体吹扫和量程气体吹扫过程中，系统自动校准零点和量程参数，其工作周期由用户通过软件设置。整个吹扫过程在5 min左右完成，基本不影响分析仪的测量。

4 现场运行情况

山东某废酸裂解装置尾吸塔出口原先安装的SO2浓度分析仪不具备自动调校功能，在运行过程中由于工艺气体中水含量较高，预处理不完全，受水分的影响测量信号波动较大，基本上3 d左右需要手动校正一次，严重影响了仪器的正常测量，不能及时准确指导生产。

该装置更换使用具备自动吹扫校准功能的紫外SO2在线分析仪，经组装测试后进行了现场试验，分析仪按照程序设定，每12 h进行一次吹扫调校工作。现场试验数据见表1。

由表1可见：在半个月连续运行期间，该分析仪测量误差最大为量程的-2.6%，达到分析仪设定的五级（量程5%）标准，分析仪测量准确。分析仪运行期间不再需要进行零点量程校正，达到了自动调校目的，省去了人工校准步骤，实现了长时间连续测量的目的。

表1 紫外SO2在线分析仪现场测量数据

到目前为止，分析仪在现场已连续运行一年多时间，期间测量值稳定、准确，达到了自动校正的目的。

5 结语

现场运行表明，具有自动吹扫调校功能的紫外SO2在线分析仪精确度高、无需人工校准，保证了硫酸尾气SO2浓度的连续准确测量，该仪表值得在行业内推广使用。