煤气化在线分析样品处理系统的可靠性研究

刘长海

（山西晋煤华昱煤化工有限责任公司，山西 晋城 048000）

在线分析仪表的安全稳定运行，许多情况下与分析仪表本身无关，往往取决于样品处理系统的完善度及其可靠性。以航天粉煤加压气化炉为例，多数项目的在线分析仪运行普遍不好，其中样品处理系统的问题比分析仪多得多，因样品处理不到位造成分析仪更换部件的项目不在少数，样品处理系统的维护量远远超过分析仪本身。

1 样品处理定义

样品处理系统是将一台或多台在线分析仪器与源流体排放点连接起来的系统，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样品，样品的状态适合分析仪所需要的操作条件。

样品处理系统包括样品提取、样品传输、样品处理、样品排放四大基本功能。

样品处理通常在取样点和分析仪附近，为了便于区分通常将前者称为前级处理单元，把后者称为主处理单元。前级处理单元对取出的样品进行初步处理，使样品适宜传输，缩短样品的传输滞后，减轻主处理单元的负担，如减压、降温、除尘、除水等；主处理单元对样品进一步处理和调节，如温度、压力、流量和精细过滤、除湿干燥、取出有害物等，安全泄压和流路切换等。

2 航天粉煤气化合成气在线分析处理系统实例

航天粉煤加压气化炉，利用纯氧和少量水蒸气为气化剂，高压CO2或N2输送煤粉，由特制的粉煤烧嘴送入高温高压的气化室完成气化反应，生成以CO和H2为主要成分的合成气。气化室多余的热量由水冷壁吸收产生中压蒸汽，煤中的灰分形成熔渣和飞灰与高温合成气一同进入激冷室进行降温分离后排出气化炉，合成气经合成气洗涤塔洗涤后送出气化装置，并在出界区前对合成气气体成分进行取样分析，粗合成气高温、高压、高含水且高粉尘含量，其工作压力为3.9MPa、温度205℃。项目采用在线色谱分析仪、红外分析仪对合成气进行分析，其样品处理系统采用如图1所示的处理方法。

图1 原样品处理系统图Fig.1 Diagram of the original sample processing system

图2 改进后的样品处理系统图Fig.2 Diagram of the improved sample processing system

如图1所示，第1步：取样。首先，经过取样根部阀将合成气送至前级处理单元（也称预处理器），经盘管（Tube Coil）式水冷器（HE）将合成气的温度降至60℃以下，冷却水为0.4MPa的脱盐水，出入口差压保持在0.2MPa以上；第2步：合成气出水冷器再经气液分离器（DV）进行初级除尘除水，底部F口定期排污，侧面G口连续排污；第3步：初级除尘出水后经过T型过滤器过滤，再经过背压式减压阀（PR）将样品压力降至0.2MPa；第4步：减压后的样品气送至主处理单元（也称处理器）进行再次处理。首先，处理器设置了泄压装置，其次设置一个快速样品回路用来快速取气；第5步：进一步旋风制冷（AC）将样品温度降至5℃～10℃，最后经过纤维可视过滤器再经流量计调节进入仪表分析。

3 在线分析仪预处理存在的不足

上述设计已具备较为完善样品处理功能，涵盖冷却，初级除尘除水，减压，样品进一步冷却，快速回路，精密过滤，安全泄压等主要功能，但仍存在缺陷与不足，具体如下：

①气化刚出来的合成气含灰分较高，经较细的1/4”取样管进入冷却器（HE）后，容易造成冷却器及取样管堵塞；②气液分离器（DV）侧面快速排水排气回路（G接口）共用一根总排火炬管，截止阀（NV）前无止回阀。当两台炉分析运行时，如果一台分析取样压力高于另一台，容易造成分析气体串气，使两台炉分析的结果一致并可能造成另一台低压的分析仪表进水损坏，或一台炉突然意外停车时，维护人员未来得及停表，造成火炬气中的水分进入仪表处理系统中致使仪表损坏；③预处理减压后的快速排水排气回路位于旋风制冷器（AC）之前，并非下方，这样旋风制冷器的水并不能完全排除，必须定期人工排除，这样蒸发的水汽就可能进到后方，影响测量指示；④表前纤维过滤器下方无排水收集装置，当过滤棉吸水饱和时，水汽可能进入仪表，影响仪表测量；⑤未考虑阻水措施；⑥分析小屋低于火炬总管的情况下，当样品因堵塞压力低或样品减压后压力过低时，旋风制冷器的排水会存在阻力，造成排水不畅；当进样压力低于火炬压力与火炬管内水柱压力之和后，分析仪表就会进水。

4 样品处理系统的可靠性优化改进

为了合成气在线分析仪的稳定运行，研究如下：①增加双回路金属直通过滤器，前后使用可靠阀门进行切断，经过滤器过滤上方取样，出口加装限流孔板排放到火炬；②气液分离器（DV）快速排气排水回路截止阀（NV）前增加止回阀；③减压后的快速排水排气回路改至旋风制冷器的下方；④在表前纤维过滤器下方增加自动疏水装置；⑤在纤维过滤器后方增加一个精密阻湿过滤器；⑥如果小屋低于火炬管，需在小屋低处增加自动储排水处理系统，保证去火炬的管子里无液柱形成，具体实施方案如图2所示。

优点：①增加双回路过滤器，防止取样管线冷却器堵塞，过滤器可定期清理；②双回路过滤器可来回切换，方便维护，延长运行时间；③过滤器到火炬小流量排放，可实现过滤器的自洁功能、样气的减压功能；④气液分离器（DV）快速排气排水旁路增加止回阀，防止火炬的气体及液体返回仪表及防止两台炉的样气串气，影响仪表准确测量或损坏仪表；⑤将减压后的快速排气排水回路改至旋风制冷器的下方，可及时将旋风制冷器冷却下来的水汽排至火炬，防止气体带至管路后方；⑥在纤维过滤的下方增加自动疏水装置，可有效防止因纤维过滤棉吸水饱和后，水无法排出进入仪表的现象出现，增加仪表的安全性，也可有效避免因维护不到位造成水汽进表的现象发生；⑦在纤维过滤器后方增加一个精密阻湿过滤器，水饱和后会自动阻断样气回路，保障仪表安全；⑧受空间的限制，小屋必须安装在火炬管的下方时，应考虑增加自动储排水处理系统，从开始设计初为小屋的稳定运行提供条件。

5 其它注意事项及维护

分析仪表的稳定运行，不仅需要完善的样品处理方案，也离不开维护人员的精心维护和细节上的注意。本样品系统的使用应注意以下几点：①初级过滤器的过滤精度不易过高，过滤颗粒大小不易过小，应保证50um左右即可，过小会增加过滤器的负担且减少过滤的连续使用时间，过大会增加后续处理的负担，易造成后续管路堵塞；②过滤后方孔板前后可增加旁路，可定期大流量冲刷过滤器的污垢，延长过滤器在线使用时间；③水冷器内部的盘管不易过小，过小口径的盘管会增加样品传输的阻力，易造成冷却器堵塞，3/8”的英制管较好；④气液分离器（DV）的排水阀不易过大，也不易过小，过大的开度易造成合成气浪费且后续取样压力提不上来，过小的开度会造成冷凝所产生的水不能完全及时排除，从而将水带入主处理单元，增加主处理单元压力，主处理单元的除水能力较弱，过多的水易进入仪表，进而会造成仪表损坏，增加维护成本；⑤旋风制冷器快速回路的管路要畅通，不能堵塞，这是主处理单元的重要除水管路，也是整个系统除水的最后保证；⑥当遇到多台装置的分析仪表在一个分析小屋或多台分析仪表共用一套排放系统的时候，从工艺、设计、集成商应考虑足够的防串防回流措施。

6 结束语

在线分析仪表在化工生产中越来越重要，样品处理系统对在线分析仪表的稳定运行起着至关重要的作用，项目通过对设计样品处理的方案分析及多家化工厂的运行情况，对样品处理系统进行优化，提高了样品处理系统的可靠性，保证在线分析仪表的安全稳定运行。