聚乙烯醇醇解尾气中氧分析仪的选型设计

陈丽娟

(重庆川维石化工程有限责任公司，重庆 401122)



聚乙烯醇醇解尾气中氧分析仪的选型设计

陈丽娟

(重庆川维石化工程有限责任公司，重庆 401122)

摘要：聚乙烯醇干燥过程中,干燥机内气体的氧体积分数是控制难点。通过增设在线氧分析仪，实时在线监测氧体积分数，并控制干燥机内氮气加入量，以确保干燥系统安全、稳定运行。通过对几种常用的氧分析仪在测量原理、性能特点、安装、投资和运行维护成本等方面进行比对后，确定选用原位插入式安装的激光在线氧分析仪，实现干燥废气甲醇和非甲烷总烃的达标排放。

关键词：废气处理氧分析仪实时监测节能减排

Oxygen Analyzer Type Selection for Alcoholized PVA Tail Gas

Chen Lijuan

(Chongqing Chuanwei Petrochemical Engineering Co. Ltd., Chongqing, 401122, China)

Abstracts: O2volume fraction of gas in drying machine is very difficult to control in PVA drying process. To ensure safe and stable operation of drying system, on-line oxygen analyzer is installed to monitor real-time O2volume fraction with controlling N2charging quantity in drying machine. After comparison of measuring principles, performance features, installation, investment, cost on operation, maintenance for several common used oxygen analyzers, laser on-line oxygen analyzer with home position plug-in mounting is selected to realize emission standard of methanol and non-methane hydrocarbon for off-gas discharging.

Key words:exhaust gas treatment; oxygen analyzer; real-time monitoring; energy conservation and emission reduction

1概述

聚乙烯醇装置醇解工艺在醇解机上析出成品聚乙烯醇(PVA)，固化的聚乙烯醇压榨后进入干燥机内加热干燥。干燥在常压、氮气循环的条件下进行，蒸发出来的甲醇和醋酸甲酯引入冷凝器，与被冷却后的冷凝液逆流接触回收。尾气中含甲醇气2.3%，醋酸甲酯气1.5%，水蒸气2.0%，其余为氮气和氧气。如果工况变化或干燥系统设备、氮气管路和阀门故障等异常情况发生时，干燥机系统内蒸发气体中的氧气体积分数可能迅速上升，与甲醇、醋酸甲酯和烷烃等气体混合达到爆炸下限，遇到静电火花可能会发生爆炸，形成重大安全隐患。为了保证生产安全，需要在干燥机系统内加入氮气，目前是采用人工取样、实验室分析的方式得出干燥机系统内氧的体积分数，操作人员根据该分析数据和工作经验手动控制阀门向干燥系统充氮。由于该装置新产品低醇解度的聚乙烯醇含湿量大，导致干燥机排气量增加，继续采用上述方式不能实时得到干燥机系统内气体氧的体积分数，就不能有效控制醇解干燥系统的氮气加入量和废气排放量。

为了防止醇解干燥系统氧超标带来的安全隐患，根据系统内蒸发气体氧的体积分数来实时自动调节氮气的加入量显得十分必要。在冷凝器出口尾气管道上增设在线氧分析仪，同时增加吸收塔系统，加大尾气吸收处理能力，根据氧的体积分数自动控制干燥机内氮气加入量，使干燥机系统内氧的体积分数控制在10%以内，可以提高装置控制水平，实现废气达标排放，起到节能减排的作用。

2分析仪选型

该项目在设计过程中，选择了市场上应用较多的几种分析仪表，着重从测量原理、性能特点、安装环境要求等方面进行了对比。

2.1磁力机械式氧分析仪

磁力机械式氧分析仪是基于氧的体积磁化率高于一般气体，在磁场中具有较高顺磁特性的原理，通过处于非均匀磁场中的物体随周围介质磁性变化而受到吸力或斥力，形成一定的偏转角度，来间接得出氧的体积分数。氧的体积磁化率数值为+146，一氧化碳的体积磁化率为+53，空气的体积磁化率为+30.8，其余气体远小于空气。

该分析仪测量精度和灵敏度都较高，在1×10-3量程范围内氧气的测量误差可低至±0.1%；测量范围宽，氧气可测体积分数为0～100%；因氧气的体积磁化率是温度、压力的函数，气样压力、温度及流量的变化会对测量结果带来影响，须加预处理系统对样气进行恒温、稳压、稳流处理，预处理系统复杂，维护工作量大；采用每3列共用1套分析仪系统，通过流路切换方式对每个尾气测量样气中氧的体积分数进行分析，节约了投资，但是也带来了分析滞后的问题；醇解装置振源较多，考虑到振动对磁性材料磁场强度的影响，分析仪安装时需采取抗振措施，现场划为Ⅱ区危险场所，需选用防爆分析小屋进行安装，将采样预处理系统、流路切换单元、分析器及配套设施等集成安装在分析小屋内。分析小屋占用空间大，醇解装置每列的设备管道等布置得非常紧凑，安装分析小屋会占用操作工的检维修通道，因而该方案不可行。

2.2电化学式氧分析仪

分析仪通过半通透膜有选择地让被测气体分子扩散进入传感器电解质，过滤后，气体在工作电极上发生氧化还原反应，电子转移时形成与被测气体体积分数有关的电极电流或电势。用于常量氧在线分析的电化学式氧分析仪有燃料电池式氧分析仪、氧化锆氧分析仪。

1) 燃料电池式氧分析仪的氧化还原反应可以自动进行，不需要外供电。具有分辨率高、结构简单、维护工作量小的特点，当氧体积分数升高时，其测量值与氧体积分数成非线性关系，用于常量氧的测量，其测量精度和稳定性较顺磁式氧分析器差，分析仪的线性特性在氧体积分数升高时也会变差；燃料电池阳极与氧气发生化学反应而被消耗，需定期更换电池，运行成本高。

2) 带导流管的直插式氧化锆分析仪测量精度高、测量范围广(氧气体积分数可在0～50%范围内任意设定)；转换器具有自诊断功能，可靠性和安全性高；直接原位插入式安装，响应速度快，安装方便；传感器和转换器防爆外壳设计，无需正压吹扫；检测器和转换器之间采用双屏蔽专用电缆，抗干扰能力强。但是，氧化锆分析仪探头在高温条件下运行，可能会消耗样气中的氧，导致测量的氧体积分数比实际值偏小，引起分析结果不准确。因无处获得更多的实验数据进行论证，选择氧化锆分析仪对醇解尾气中的氧体积分数进行分析，可能会存在一定的风险。

2.3激光在线氧分析仪

激光在线氧分析仪是基于激光光谱吸收技术，通过被测气体对激光的衰减强度来测量气体体积分数的一种分析仪器，光强的衰减与被测气体体积分数的函数关系可以用朗伯-比尔定律表示，根据该定律可知，被测气体体积分数越高，光的衰减强度越大。以LGA-4100和GproTM500产品为例，进行方案对比。

1) LGA-4100半导体激光吸收光谱(DLAS)技术，利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体体积分数。由半导体激光器发射出特定波长的激光束(仅能被被测气体吸收)，穿过被测气体时利用激光的光谱比较窄、远小于被测气体的吸收谱线的特性，选择某一位于特定波长的吸收光谱线，使得在所选吸收谱线波长附近无测量环境中其他气体组分的吸收谱线，避免这些背景气体组分对该被测气体的交叉吸收干涉，激光强度的衰减与被测气体的体积分数成一定的函数关系，通过测量激光强度衰减信息分析获得被测气体的体积分数。LGA-4100的光学镜片是平面镜结构，发射单元与接收单元对射式安装，为了使发射后的光能平行到达接收端，需要精准对焦，从而需要较大的管道进行安装(至少DN300)，管道的热胀冷缩会影响光的传输，所以需要定期地进行对焦；ExPxmdⅡCT5防爆设计，需正压吹扫，吹扫耗气量较大；因该项目的尾气管道只有DN50，安装空间有限，无法满足分析仪发送、接收单元及其操作平台现场安装的空间要求。

2) GproTM500采用可调谐二极管激光技术(TDL)，非接触式测量，二极管激光器具有吸收线带宽窄、可调谐性、稳定性、紧凑性及可室温下运行的特点。GproTM500可精确控制仪表的激光光源在设定波段内对所选定的氧气特征吸收谱线附近进行循环扫描，精确分析，利用SpectraIDTM技术进行对比、锁定，并与HITRAN数据库相同温度和压力条件下相同峰表面峰值的谱线进行匹配，从而得出对应的氧气的体积分数值。GproTM500采用紧凑型探头式结构设计，可原位插入式安装，简单方便，可最小安装管道为DN50；可“折叠式”光程设计使仪表光程翻倍，提高了传感器的精度；SpectraIDTM光谱定位分析专利技术，对样气中要求测量组分所对应的特定吸收谱线进行锁定分析，测量可靠性高；反射端光学视窗采用直角棱镜结构，由于直角棱镜可将任意方向的光源都平行地反射回去，因而发射出的光源经棱镜反射后返回的光路始终平行于发射光路，无需对焦；隔爆结构设计，无需吹扫。

基于以上几种分析仪的方案对比，结合该工况的特点和安装空间，选用GproTM500激光在线氧分析仪对醇解尾气中氧进行分析是最佳的方案。

3GproTM500系统设计

3.1GproTM500的工作原理

GproTM500的工作原理如图1所示。每次气体测量激光器发射出的光都分为2路，1路通过过程气体到棱镜端，另1路进入参比池进行校验校准，对激光特性进行实时补偿。

图1　GproTM500的工作原理示意

在设定的温度和压力下，激光源在760nm波段附近0.3nm的带宽以100Hz频率进行循环扫描，电流值根据程序设定进行控制。在电流激发下，波长也相应发生变化，如果样气介质中有氧气(特征吸收气体)存在，会产生特征吸收使光强下降，光谱曲线会发生变化。GproTM500能够对氧气特定波段吸收谱线的变化进行精确分析，以波长为函数记录被测气体对入射光吸收的原形吸收线，由测量的线形、线宽和强度计算出分子的吸收截面，进而计算出被测气体体积分数。GproTM500利用SpectraIDTM光谱定位分析技术，对每次扫描所选定的3个相邻吸收谱线中相邻2个谱线之间的距离进行对比，如果距离相同，说明锁定的是预先所选定的氧气的吸收线，图2为已知温度和压力下测量的3个相邻的吸收线。

图2　已知温度和压力下测量的3个相邻的吸收线

在光谱仪内存有1个HITRAN光谱数据库，在数据库中找到相同温度和压力下氧气吸收峰的峰值、相对位置和面积，与锁定的3个相邻的氧气吸收线进行比对，最终得出匹配的吸收峰对应的氧气体积分数值。

3.2系统设计

醇解装置含有易燃易爆介质，装置划分为Ⅱ区危险场所，醇解共6列干燥机，在每列干燥机的冷凝器出口至尾气吸收塔的尾气管道上分别设1台隔爆型GproTM500激光在线氧分析仪。因尾气管道尺寸只有DN50，梅特勒托利多有一款法兰夹持型的GproTM500，专门用于小管道的安装。由DCS电源分配柜提供24 V(DC)或220 V(AC)电源至现场GproTM500，分析仪控制器输出标准的4～20mA信号通过屏蔽信号电缆传输至DCS，进行氧体积分数的实时在线分析，并根据氧体积分数值自动控制氮气的加入量，以确保干燥系统安全稳定运行。

4结束语

即插即用式可调谐二极管激光技术具有高分辨率和高精确度、原位测量、响应速度快、抗交叉干扰、耐腐蚀、精确校准、零维护、长期信号稳定等优越性，使得该技术在各领域成为了最佳的选择，并得到了广泛的应用。

参考文献：

[1]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].

3版.北京： 化学工业出版社,2000: 165.

[2]王森,董镇,郭肇新,等.在线分析仪器手册[M].北京： 化学工业出版社,2008： 77,130-138,144-149.

[3]高喜奎,朱卫东，程明宵.在线分析系统工程技术[M].北京： 化学工业出版社，2014： 216-217，222-234.

[4]黄步余,李丽华.SH 3005—1999石油化工自动化仪表选型设计规范[S].北京： 化学工业出版社,2000： 15,18.

[5]张帅,董凤忠,张志荣,等.基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气测量方法的研究[J].光谱学与光谱分析,2009,29(10)： 1-2.

[6]李宁,王飞,严建华,等. 利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对气体浓度的测量[J].中国电机工程学报,2005,25(15)： 1-4.

[7]韩建武.隔爆型氧化锆分析仪的系统设计[J].化工自动化及仪表,2009,36(04)： 60-63.

[8]王健,高秀敏,顾海涛,等.半导体激光吸收光谱技术及应用 [C]//在线分析仪器的应用及发展国际论坛论文集.北京： 中国分析仪器学会,2000： 100-102.

[9]祁磊,李永红.在线红外分析仪在制氢装置中的应用[J].化工自动化及仪表,2014,41(02)： 132-133.

中图分类号：TQ056.1+6

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)01-0027-03

作者简介：陈丽娟(1983—)，女，黑龙江绥化人，2006年毕业于黑龙江齐齐哈尔大学自动化专业，现就职于重庆川维石化工程有限责任公司设计部仪表室，任自控工程师。

稿件收到日期： 2015-10-22，修改稿收到日期： 2015-12-08。