二氧化碳再生氣在線分析系統(tǒng)設計及應用

趙紅珠

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司,云南 開遠 661699)

我公司煤制氨系統(tǒng)大塔脫碳再生的二氧化碳氣體主要作為原料氣，用來生產(chǎn)尿素。隨著我公司煤制醇系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，氣化崗位助燃氣中配入的工藝氮氣對下游甲醇合成工序的負面影響逐漸顯現(xiàn)，用大塔脫碳崗位部分再生氣替代工藝氮氣配比的技改項目隨之確立。為了確保再生氣體二氧化碳純度達標，可燃氣體(主要成分為氫氣)含量小于安全控制指標，進而有效控制富氧氣中可燃氣體含量小于爆炸下限，確保該項目的安全可靠，必須在源頭上，即大塔脫碳崗位，建立有效的二氧化碳純度、可燃氣體含量連續(xù)監(jiān)測預警聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。因此，必須選擇有效的分析方法，快速、準確、連續(xù)的測定再生氣二氧化碳純度和可燃氣體含量。

氣化爐短接富氧配比再生二氧化碳氣示意圖如圖1。

在明確了分析基本要求的基礎上，針對現(xiàn)場條件、樣品氣特性，結合投入大小，優(yōu)化選擇合適的分析方法以及對應的分析儀器。基于此，進一步優(yōu)化選擇取樣方式、預處理方式、分析儀器安裝方式、信號傳輸方式、干擾消除方式。建立起一套完整的二氧化碳純度和氫氣在線分析系統(tǒng)，確保分析結果的準確性，分析系統(tǒng)的滯后時間(包含儀器響應時間)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、連續(xù)運行的可靠性完全能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。

1 方案分析

二氧化碳再生氣組份分析數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1可知，再生氣中含有約99%的二氧化碳氣和0.4%左右的氫氣。要分析這兩種組份有三種分析方案可以選擇。

1)手動化學分析

此方法的優(yōu)點是成本低，但分析速度慢，從取樣到分析結束至少 10 min。氣體中的水分會影響CO2分析結果，化學分析法無法消除此誤差，不能連續(xù)測量。

2)色譜分析

色譜分析準確度高、重復性好，測量范圍廣，F(xiàn)PD檢測器的測量下限能達到0.05×10-6。缺點是維護成本高，投入資金約40萬元，分析滯后，分析周期在 3 min 以上。

3)紅外線氣體分析儀和熱導式氣體分析儀

氣體分析儀器能測量多種組份，測量范圍寬。可分析氣體上限達100%，下線達×10-6級別。靈敏度高，測量精度高，一般都在±1.5%FS。反應快，響應時間(T90)一般在 10 s 以內(nèi)，有良好的選擇性，價格優(yōu)于色譜分析。此方案有兩個缺點，一是CO2對H2測定有干擾，二是樣氣中的水份對CO2氣體的測定存在干擾。

綜上分析，選用紅外線氣體分析儀測二氧化碳純度，熱導式氣體分析儀測定氫氣含量，雖然此方案存在缺點，但可以進一步優(yōu)化。

2 方案優(yōu)化

2.1 氫氣在線氣體分析儀的選型

熱導式氣體分析儀器是測量兩種混合氣體中一種組分的有效分析方法，主要用于測量氫氣。熱導式氣體分析儀的組成可劃分為熱導檢測器和電路兩部分。熱導檢測器由熱導池和測量電橋構成，熱導池作為測量電橋的橋臂連接在橋路中[1]。隨著傳感器技術的進步，目前國外生產(chǎn)的熱導式氣體分析儀器、熱導式氣相色譜儀中，已開始采用微型的熱導檢測器，其熱導池的容積是微升級的，熱敏元件也是微型的，從而大大提高了檢測的靈敏度。

幾種熱導式氣體分析儀器的主要技術性能指標見表2。

從表2看出，西門子公司的CALOMAT 6(簡稱C6)型熱導分析儀器較其他儀器來說，靈敏度高，響應快。

西門子C6沒有使用典型的TCD測量原理，其采用一種以薄膜電阻為熱敏元件的熱導池。C6測量頭內(nèi)部是一個恒溫電路，當有測量組分通過傳感器，流過被加熱電阻的電流隨著組分的變化而變化，以維持預先設定好的恒定溫度。電路檢測變化的電流并將其轉(zhuǎn)化為濃度信號。

表2 幾種熱導式氣體分析儀器的主要技術性能指標

西門子分析儀還具有校正交叉干擾的功能，運用這項功能可以解決CO2對H2含量測定的干擾問題。

2.2 二氧化碳在線氣體分析儀的選型

從使用的檢測器類型劃分，紅外線氣體分析儀器分為采用氣動檢測器的不分光性紅外分析器和采用固體檢測器的固定分光型紅外分析器。這兩類儀器相比，前者的靈敏度和檢出限明顯優(yōu)于后者，而后者的結構簡單、調(diào)整容易、體積小、價格低又勝過前者。前者是紅外線氣體分析的傳統(tǒng)產(chǎn)品，也是目前的主流產(chǎn)品[1]。

西門子ULTRAMAT 6(簡稱U6)型紅外線分析器，是一種采用微流量檢測器的雙光路紅外分析器。微流量檢測器是一種利用敏感元件的熱敏特性測量微小氣體流量變化的新型檢測器，采用微流量檢測器可使紅外分析器光學系統(tǒng)的體積大為縮小，可靠性、耐振性等性能提高。測量高含量的CO2純度，西門子紅外分析儀測量穩(wěn)定性較好，受外界干擾小。

西門子U6的測量原理是：紅外光源被加熱到 700 ℃ 左右發(fā)出紅外光，該紅外光源可以左右移動以平衡光路系統(tǒng)；分光器將光源發(fā)出的光分成均勻的兩份，并有濾光作用；紅外光無衰減的通過參比單元，到達右邊的檢測器；檢測器填充了一定的被測組分；耦合器最大限度地減少某個干擾組分的影響；斬波器在分光器和樣氣氣室之間旋轉(zhuǎn)并交替地、周期性地斬斷兩束光線。如果氣室中有紅外光被吸收，那么將會產(chǎn)生一個被微流量傳感器轉(zhuǎn)化為電信號的脈沖氣流，脈沖氣流會導致緊密排列的鎳鉻絲電阻值發(fā)生改變，從而導致電橋中產(chǎn)生一個取決于樣氣濃度大小的偏移量[2]。

2.3 在線分析系統(tǒng)的設計

2.3.1 樣品處理系統(tǒng)

當在線分析儀器的傳感元件不直接安裝在工藝管道或設備中時，都需要配備樣品處理系統(tǒng)。樣品處理系統(tǒng)是將一臺或多臺在線分析儀器與源流體、排放點連接起來的系統(tǒng)，其作用是保證分析儀器在最短的滯后時間內(nèi)得到有代表性的樣品，樣品的狀態(tài)(溫度、壓力、流量、清潔程度)適合分析儀所需的操作條件[1]。

樣品處理系統(tǒng)需實現(xiàn)樣品提取、樣品傳輸、樣品處理、樣品排放的基本功能。樣品處理系統(tǒng)要滿足以下基本要求：①使分析儀得到的樣品與管線或設備中源流體的組成和含量一致；②樣品的消耗量最少；③易于操作和維護；④能長期可靠工作；⑤系統(tǒng)構成盡可能簡單；⑥采用快速回路以減少樣品傳送滯后時間。

2.3.2 樣品除水

通常把將氣體樣品露點降至常溫(15～20 ℃)叫做除水，而將樣品露點降至常溫以下叫做除濕或脫濕[1]。樣品除水除濕主要有冷卻降溫、慣性分離、過濾三種方法。分析方案中提到CO2再生氣樣品中含有水份，該水份對二氧化碳純度測定存在干擾，會導致分析結果不準確，因此預處理中樣品的除水除濕尤為重要。

2.3.3 在線分析系統(tǒng)設計

通過CO2再生氣分析數(shù)據(jù)表1及儀表選型分析，該系統(tǒng)中熱導式氫分析儀，選擇西門子CALOMAT 6型，最小量程0～1%，最大量程0～100%，量程可修改；紅外線二氧化碳分析儀，選擇西門子ULTRAMAT 6型，最小量程0～5%，最大量程0～100%，量程可修改。

西門子U6和C6的氣體入口條件見表3所示。

表3 西門子U6和C6的主要技術要求

根據(jù)CO2再生氣的實際情況、樣品預處理的要求及分析儀主要技術要求進行預處理設計。在預處理中，多處使用減壓閥進行壓力調(diào)節(jié)，采用冷凝器、氣水分離器，自動和手動排液進行樣品除水除濕，同時解決樣品中水份對CO2氣體測定干擾的問題。其預處理流程如圖2所示。

樣品經(jīng)過預處理裝置后進入分析儀表柜，分析儀表柜內(nèi)仍需要考慮樣氣壓力控制、樣氣溫度、樣氣濕度、樣氣流量、樣品及校準氣體的切換、二次除水等。按以上需求分析柜設計流程如圖3所示。

圖3 分析柜流程圖

2.4 校正交叉干擾的通訊設置

凈化CO2再生氣送入氣化爐再利用， 樣品氣和氧氣混合送入氣化爐。樣品中含氫氣，氫氣具有易燃易爆性，氫氣在空氣中的爆炸極限是4.0%～74.2%。當氫氣和氧氣完全反應時，爆炸威力最大。因安全分析的需要，準確測定樣品中的氫氣含量非常重要，而CO2對H2測定有干擾，下面采用校正交叉干擾來消除誤差，確保氫氣測定的準確性。

當選擇西門子C6和其他廠家儀器一起使用時，可以通過模擬量輸入來實現(xiàn)用于殘余氣體變化干擾的交叉干擾校正，如圖4所示。當選擇西門子C6和U6一起使用時，便可直接通過RS485串行接口(ELAN)來進行一個交叉干擾校正，如圖5所示。

圖4 模擬輸入實現(xiàn)干擾校正

圖5 ELAN實現(xiàn)干擾校正

此系統(tǒng)中選用西門子C6和U6，校正交叉干擾通訊設置如下：

① 焊接ELAN交叉干擾線，ELAN 接口線纜如圖6所示，BUS 終端 3腳必須連接到7腳，8腳必須連接到9腳 。

②在分析儀C6的數(shù)字輸入?yún)^(qū)鍵入83→確認，進入Inter.correct(交叉干擾的校正)菜單，如圖6、圖7所示。

圖6 ELAN 接口線纜

圖7 校正干擾設置菜單

③選擇Interference correct 1選項，即通道1→選擇No interference correct(無干擾校正)→按MESA退出→按yes保存。

④測定干擾量，將CO2含量99.99%，背景氣為氮氣的標準氣通入CO2和H2表，待數(shù)值穩(wěn)定后記錄99.99%的CO2對H2測定的干擾值-10.91，如圖8所示。

圖8 干擾量測定

⑤設置干擾量，再次按83進入進入Inter.correct菜單→選擇Interference correct 1選項→將No interference correct選項切換為With var.interference influence via ELAN→按enter鍵→移動光標，輸入值99.99作為干擾氣濃度，輸入值-10.91作為干擾氣偏移量，如圖9所示。確認后退出并保存，校正交叉干擾參數(shù)配置完成。

U6和C6校正交叉干擾的通訊配置完成后，C6的動態(tài)干擾界面如圖10所示，則表示ELAN 通訊正常。

圖9 設置干擾量

圖10 ELAN 正常通訊

3 系統(tǒng)投運效果

在線分析控制系統(tǒng)投運后，同時輸入零點和量程標氣，儀表分析非常準確，歷史數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在取樣點處引入與源流體相似且被測濃度已知的實驗流體，測試儀表分析滯后時間為 19 s。兩臺分析儀的響應時間較快，滿足分析儀表的技術性能指標，響應時間記錄見表4所示。

表4 U6和C6的響應時間

通入不同濃度的H2，背景氣為CO2，驗證動態(tài)干擾校正效果，測量結果達到了設定效果，記錄結果見表5所示。

表5 校正交叉干擾后的分析數(shù)據(jù)

4 結束語

在線分析系統(tǒng)的應用，解決了分析慢、準確度低、滯后等問題。預處理的合理設計和在線分析儀表的正確選用也校正了樣品組分的交叉干擾問題。在線分析系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全，測量準確，響應快、滯后短。從投運到現(xiàn)在，6年無故障運行，產(chǎn)生了較好的節(jié)能、降耗效益。因此，在線分析儀表的應用是實現(xiàn)工藝過程先進控制和優(yōu)化控制的有效手段，同時也提高了使用維護人員的技術素質(zhì)。