4020型总烃分析仪在炼厂尾气治理中的应用

丁兰兰

（中国石化上海高桥石油化工有限公司，上海 200137）

0 引言

近年来，炼油厂中高硫原油加工量的逐年增加，生产过程产生的硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）、硫醇、硫醚等硫化物，对企业环境的影响也日益突出。轻者发出恶臭难闻的气味，使人感到不适；重者对人造成毒害，甚至可能发生窒息死亡事故[1]。本论文的研究背景是炼厂中的液化烃脱硫醇装置的尾气治理单元，尾气中的主要成分是有机硫化物和挥发性烃类，基本不含硫化氢。该尾气治理单元采用抚研院的“低温柴油吸收”治理装置进行处理，经过该单元处理后排出的是否为符合环保标准的气体，则需要进行设置用于检测处理后的气体中总烃类气体浓度的分析仪表，来根据总烃类气体浓度决定气体是否直接外排，还是进行再次处理。一般经过该处理单元处理过的气体浓度不是很高，故在线检测处理后的尾气中总烃含量较低，可选用FID 检测器进行在线测量[2]。

4020 型总烃分析仪是Teledyne 公司在原产品良好的基础上成功开发的数字仪器，用于测量气体样品中总烃类浓度，采用火焰电离检测器（FID）对不同工艺条件下的总烃进行连续分析[3]。虽然该类分析仪的应用范围很广，现场投用数量也很多，但是在使用过程中若是做不到具体问题具体分析，仍然会存在问题。比如，测量数据波动大，数据测量不准与实际数据偏差较大等问题。目前，该位置的分析仪存在数据测量不准与实际数据偏差较大的问题，不能为操作人员提供准确的信息，不利于操作。故需要找出问题所在，从本质上解决问题，才可以使仪器发挥其作用。

1 4020型总烃分析仪

4020 型总烃分析仪的标准型仪器外形是一个482mm×221mm×334mm 的机箱[3]，机箱嵌入机架内，仪器门正面的人机界面的面板便于维护人员操作和维护，靠近LED 与VFD 显示屏和人机界面的附近，安装可控制气体压力和流量的旋钮，将整个仪器面板拉出机架，可直观地看到4020 型仪器内部的电子电路和样品系统。

在仪器的背面有各种进气口，如助燃气、燃料气、零点气、满量程气和样品气，还有50 脚的接口供用户信号传输和RS－232 端口供连接远端的通信设备，根据用户需求可将仪器设置成120VAC 60Hz 或230VAC 50/60Hz供电模式下运行。

1.1 测量原理

4020 型分析仪采用的是氢火焰离子化检测器（FID），其测量原理是采样气体通过氢火焰后产生大量的离子。这个离子化过程使火焰喷嘴两端的高电压电极产生一个静电场，正负离子分别向正负电极移动，使两个电极之间产生电极电流，电流的强度与燃烧气体样本中总烃的浓度是成比例的，故测出电流强度就相当于测出气体样本中总烃的含量[3]。4020 型分析仪测量原理图如图1。

图1 4020型分析仪测量原理图Fig.1 Measurement principle diagram of 4020 analyzer

1.2 4020型总烃分析仪的总体结构

实际应用中一台完整总烃分析仪由分析仪本体和预处理系统组成，分析仪本体又包括样品系统、检测器和电子电路部分等。预处理系统的作用主要是为分析仪本体提供符合其分析要求的样品气，分析仪本体主要是对预处理系统送来的样品气进行检测，分析出样品气中的总烃浓度。

1.2.1 样品系统部分

图2为分析仪本体中的样品系统管线图。

如图2 所示，样品气从右下方SAMPLE 接口处进入，燃料气和助燃空气分别从FUEL 接口处和AIR 接口处进入；样品气和燃料气在恒温室中的T 形管接头中混合，形成的混合气体和助燃空气一起进入传感器；之后混合气体从传感器组件内的检测器的火焰尖端中逸出，助燃空气从组件底部的另一单独管接头进入检测器[3]。

图2 分析仪本体中的样品系统管线图Fig.2 Pipeline diagram of the sample system in the analyzer body

燃料气、助燃空气和样品气流量控制均应用由可调节的稳压阀、压力表、节流阀和流量计组成的反压调压系统保持限流器两端有恒定的压降，从而使样品气流量稳定。由于节流阀和流量计的存在，该系统所需的旁路流量得到了控制，否则会造成过多的样品气流经反压调压系统而浪费。

1.2.2 检测器

检测器内检测原理已经在测量原理部分陈述过，此处就不再此详述，需要注意的是收集极和放大器电路板通过一根同轴电缆连接，该电缆也极有可能成为分析仪的故障点。

1.3 分析仪的预处理系统

分析仪的预处理系统的作用主要是根据工艺实际情况，经过调整样品压力和过滤样品中的杂质，将样品处理为可以使分析仪能正常工作的样品。

采样单元是通过防爆采样探头将样品气从管道中采出后，经过采样管线将样品送入预处理系统。采样单元整体和采样管线全程均需采用一体化电加热120℃以上高温伴热，防止产生冷凝水，并使用抗腐蚀和惰性化的材料以减少样品吸附[4]。采样单元带有故障报警功能，如探头失效报警、低温报警、系统故障报警等。

机柜中的预处理系统的作用为避免废气组分冷凝、吸附；多级颗粒过滤，保证样气洁净。预处理系统应集成于正压吹扫防爆机柜中[4]，预处理系统主要设备有球阀、过滤器、压力计、管阀件、流量计、三通球阀、泵等，材质一般为材质316SS。

2 总烃分析仪在液化烃脱硫醇装置尾气治理上的应用

2.1 总烃分析仪所在尾气治理的工艺流程

液化气脱硫醇废气采用“低温柴油吸收+碱液脱硫”工艺进行治理，在脱硫反应器（R-3101）废气出口引出一根管道（DN150），将预处理后的液化气脱硫醇废气送至催化装置的废气收集罐。通过压力调节阀（PV-8003），将R-3101 的压力控制在14KPaG。当废气经氮气（N2）稀释后，总烃浓度超过8500mg/Nm3，联锁打开至3#催化装置管线上远程开关阀（HV-8002），同时远程关闭放空开关阀（HV-8001）。如图3 为该部分的工艺流程监控画面[5]。

图3 工艺流程监控画面Fig.3 Process flow monitoring screen

2.2 总烃分析仪的工艺条件

从上部分可知：总烃分析仪的采样探头安装在控制阀PV8003 的阀后，该处管道中的工艺介质的各成分浓度、温度和压力都会影响分析仪是否可以稳定使用，故无论是仪表选型还是实际使用过程中，都要密切关注工艺条件的状况，表1 为工艺条件。

表1 工艺条件Table 1 Process conditions

液化气脱硫醇在本处安装两台总烃分析仪，仪表位号分别为AT-80001、AT-80002。两台仪器同时存在，可以用来对两台仪器的测量数据显示和比对，既可以互证测量数据准确，也可以便于及时发现其中一台仪器数据异常后及时修理。考虑到大气环保，采样分析后的废气不能直排大气，需通过返回管线回到原系统[5]。

3 对总烃分析仪预处理系统的改进

自首次安装以来，该仪器运行前期测量准确，运行可靠，但是后面逐渐相继出现多次问题。主要问题是存在数据测量不准与实际数据偏差较大，或者数据指示为零的状况。期间经过多次标定，均不能解决指示异常的问题。测量数据为零的状况经过厂家判断为检测器被污染，经过专业清洗后仪器恢复功能使用，但是两台仪器测量数据有偏差且与实际情况出入较大的情况仍然无法解决，随对其预处理系统展开了分析和改进。

3.1 预处理系统需要改进的原因

安装在该液化烃脱硫醇装置尾气治理中的两台分析仪投用不久开始出现故障。在使用过程中，两台分析仪在同一位置取样，但是两台仪器的显示面板上的数值相继出现数据差距大和数据不准，与分析中心采样分析数据相差较大。将分析仪拆下后送厂家检查，发现仪器本身没有问题，虽然采样单元和采样管线都有加热和伴热，但是机柜中的预处理系统无伴热的条件。总结下来，怀疑是预处理系统无加热和伴热，并不能避免样品气组分冷凝、吸附；另外样品气中带水带油，超出了该预处理系统的处理水平，故预处理系统需要改进。

3.2 预处理系统的改进

根据上述原因分析，本次预处理系统改进主要针对预处理系统本身无伴热的问题进行改进。

3.2.1 预处理系统改进前

机柜中的预处理系统改进前的布置图及实物对照图如图4。

图4 改进前预处理布置图Fig.4 Layout of pretreatment before improvement

从图4 中很明显看出，从取样管线到现场防爆机柜后，后续就再没有采取伴热的措施。这样样品气组分就会被冷凝、吸附下来，进入检测器中的样品气的量就会减少，继而检测到的数据就会不准，甚至检测器会检测不到样品气。

3.2.2 预处理系统改进后

机柜中的预处理系统改进后的柜内布置图及实物对照图如图5。

如图5 所示，样品气先后经过沉降罐和聚结器进行除水和多级过滤，再经过缓冲罐和进样流量计进入分析仪。相比改进前，聚结器之后全程使用电伴热带加热样品管线，避免样品气冷凝、吸附在管路中，并有温控器进行调节电伴热的温度。由于样品气中水分较大，且带少量油脂，相比改造前增加了沉降罐、旋风分离器、聚结器等，经过多级颗粒过滤，确保样品气洁净，并在机柜中部增加一块隔热板，避免预处理箱内温度传给分析仪。

图5 改进后预处理布置图Fig.5 Layout of the improved preprocessing

3.3 预处理系统改进前后的数据对比

预处理系统改进前后的分析仪分析的数据变化趋势图如图6。

图6 改进前后分析仪分析的数据变化趋势图Fig.6 The data change trend diagram of analyzer analysis before and after improvement

预处理系统在2020 年12 月22 日进行更换，在22日更换前两台仪器的示数差为1500mg/Nm3左右，更换后两台仪器的示数差减少至50mg/Nm3左右。改进效果比较明显，除此之外设备故障次数从每月5 次减少每月1 ～2次，维护量大大减少，节省了设备维护费用。

4 故障问题总结

总结在使用过程中发生过的各种故障，认真分析后可以得出结论。总烃分析仪测量精度高，运行稳定，由于仪器电子部件比较精密，且从采样至样品气返回，整个过程中的任何一步有故障都会造成仪器分析数据不准，或者仪器故障。简单来讲，故障出现时可从预处理系统部分和分析仪自身两部分进行分析，但是曾经发生过的故障与工艺介质、安装方式和日常维护等方面有关，因此要重视这些方面。

4.1 分析仪仪器自身故障

当怀疑分析仪本身运行不正常时，可用零点气或满量程气对仪器进行标定和评估。确定故障发生在仪器内部，由于仪器机箱内存在危险的高电压且很多电子零部件都很容易受静电放电而损坏，分析仪内部的维修工作都只能由经过培训的授权的人员来进行，如检测器、温度控制电路、点火和火焰保护电路和样品系统的各部分检查[6]，各项检查和标定操作也可使用说明书查找。

4.2 工艺介质的影响

在检测过程中工艺条件发生改变，分析仪分析得到的数据会有异常甚至损坏分析仪。工艺介质中经常含有水、油等其他杂质，虽然预处理系统中已经有沉降罐和缓冲罐，但是杂质严重情况下，会超出预处理系统的承受能力，不仅会影响数据分析测量，严重时甚至会损害仪器。

4.3 日常维护的影响

日常维护过程中的工作有：①可以经常比对两天分析仪的数据，发现数据异常及时对分析仪进行维护；②检查支持气体和校正气体是否已耗尽，并及时更换；③检查仪器供电连接是否正确，电压是否正常。

5 结束语

4020 型总烃分析仪虽然内部结构精密复杂，但人机交互界面比较友好，在运行的各阶段可为操作人员提供信息和提示，使用非常简单方便。本文结合分析仪在装置中的应用，改进了预处理系统，但对于分析仪在使用过程中的问题，需具体问题具体分析，希望可以为4020 型总烃分析仪在其他位置的故障分析处理提供解决思路和方案。