SO2分析儀在硫磺回收裝置中的應(yīng)用

田廣

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江寧波315042）

SO2體積分?jǐn)?shù)的測量原理主要有吸收光譜法和發(fā)光法兩種。吸收光譜法分為不分光紅外吸收光譜法、紅外差分吸收光譜法、紫外差分吸收光譜法等。發(fā)光法分為光致發(fā)光（熒光）和化學(xué)發(fā)光，紫外熒光法屬于光致發(fā)光（熒光）法［1－2］。鑒于硫磺回收裝置煙道排放尾氣中含有煙塵、硫磺粉末、水蒸氣及其他氣體的工況，同時(shí)考慮到分析儀的選用應(yīng)注意以下幾個(gè)因素：分析儀的測量原理、測量范圍、精度等級(jí)、響應(yīng)時(shí)間，樣品參數(shù)，應(yīng)用的要求，樣品預(yù)處理系統(tǒng)，性能價(jià)格比［3］。如采用不分光紅外吸收光譜法SO2分析儀，根據(jù)固定源廢氣監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，要求其在煙囪采樣位置應(yīng)優(yōu)先選擇垂直管段，應(yīng)避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。采樣位置應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于6倍直徑處，并且距上述部件上游方向不小于3倍直徑［4］。另外，硫磺回收煙囪直徑約為6m，安裝在距地面約36m的高空，維護(hù)難度極大、費(fèi)用較高；而紫外差分吸收光譜法SO2分析儀具有安裝維護(hù)方便、費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。因此，經(jīng)過方案比較，選用紫外差分吸收光譜法SO2分析儀進(jìn)行測量。

1 差分吸收光譜法

差分吸收光譜法的基本原理是利用氣體分子對(duì)光線的差分吸收。在紫外和近紫外附近，分子的吸收光譜主要是由分子或原子的電子躍遷引起的，包括緩慢變化的寬帶吸收光譜和快速變化的窄帶吸收光譜，經(jīng)過初步處理后，去除寬帶吸收光譜，剩下窄帶吸收光譜，其對(duì)應(yīng)的吸收截面變化頻率比較高，有利于差分計(jì)算，通常稱這個(gè)窄帶吸收為差分吸收，對(duì)應(yīng)的吸收截面為差分吸收截面。

差分吸收光譜法又分為紅外差分吸收光譜法和紫外差分吸收光譜法，兩者只是光源不同，后者具有波長短、能量高的優(yōu)點(diǎn)，物質(zhì)吸收的紫外線能量高于紅外線，因而更容易被檢測出來。對(duì)于采用紫外光的SO2分析儀而言，用它測量熱、濕氣體樣品時(shí)，水蒸氣、其他氣體組分和光源強(qiáng)度隨時(shí)間的變化對(duì)測量結(jié)果和準(zhǔn)確度影響可以忽略不計(jì)。

利用氣體的差分吸收測量其體積分?jǐn)?shù)，最大程度上消除了瑞利散射、米散射以及燈本身光譜的慢變等因素對(duì)測量的影響。差分吸收光譜法利用一段差分吸收光譜，用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，而不是兩點(diǎn)差分，大幅削弱了儀器噪聲和其他氣體對(duì)測量結(jié)果的影響，使得測量精度和測量下限都有很大的提升［5］。

2 樣品預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

當(dāng)采用直接抽取法測量時(shí)，分析儀系統(tǒng)均需要設(shè)置樣品預(yù)處理系統(tǒng)，其作用是保證分析儀在最短的滯后時(shí)間內(nèi)得到有代表性的試樣，使試樣的狀態(tài)（溫度、壓力、流量和清潔程度）適合分析儀所需要的測量條件。樣品預(yù)處理系統(tǒng)包括試樣提取、傳輸、處理、排放的基本流程，還具有試樣流路切換、公用設(shè)施的提供、樣品系統(tǒng)的性能檢測和控制的附加功能。在線分析儀系統(tǒng)能否用好，往往不僅在分析儀本身，也取決于樣品預(yù)處理系統(tǒng)的完善程度和可靠性。無論分析儀如何復(fù)雜和精確，分析精度都要受到試樣的代表性、實(shí)時(shí)性和物理狀態(tài)的限制。事實(shí)上，樣品預(yù)處理系統(tǒng)使用中遇到的問題往往比分析儀還要多，維護(hù)量也通常超過分析儀本身。因此，樣品預(yù)處理系統(tǒng)的作用十分重要，至少要把它放在和分析儀等同的位置上考慮。

樣品預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是：由取樣點(diǎn)取出的試樣應(yīng)有代表性，當(dāng)通過取樣系統(tǒng)后不應(yīng)引起組分和含量的變化［6］；試樣的消耗量最少；易于操作和維護(hù)；能長期可靠的工作；系統(tǒng)構(gòu)成盡可能簡單；采用快速回路以減少試樣傳送滯后時(shí)間。

為了保證紫外差分吸收光譜法SO2分析儀數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，整個(gè)系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)如圖1所示。首先，樣氣經(jīng)過帶過濾器的取樣探頭除去樣氣中的粉塵，然后通過一體化電伴熱管纜進(jìn)入小屋內(nèi)的樣品預(yù)處理系統(tǒng)，一體化電伴熱管纜保持在120℃左右，防止樣氣中的液態(tài)水和硫磺晶體析出，影響測量準(zhǔn)確度。該樣品預(yù)處理系統(tǒng)的流程如下：樣氣先經(jīng)過兩級(jí)旋風(fēng)冷凝器除去樣氣中的水分，然后通過采樣泵加壓后分為兩路，一路為絕大多數(shù)的樣氣經(jīng)過濾器和止回閥后通過快速回路的加壓后返回到煙道下游管道；另外一路微量的樣氣經(jīng)多級(jí)過濾減壓后通過止回閥去分析儀，分析后樣氣經(jīng)止回閥加壓和快速回路匯合后回到煙道下游管道。整個(gè)流程中必須配備的設(shè)備如下：帶取樣探頭的過濾器，具有濾除硫磺粉塵功能；一體化電伴熱管纜，具有伴熱均勻、溫度控制穩(wěn)定的特點(diǎn)，有效防止溫度波動(dòng)時(shí)硫磺析出堵塞管道，導(dǎo)致樣氣失真，影響測量精度；止回閥的作用是防止快速回路的樣氣和分析后的樣氣倒灌；采樣泵的用途是抽取試樣，使試樣流動(dòng)起來并進(jìn)入分析儀。正是由于對(duì)樣品預(yù)處理系統(tǒng)考慮的足夠充分，才得以保證分析數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

圖1 樣品預(yù)處理系統(tǒng)流程示意

3 樣品預(yù)處理系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)

3.1 自動(dòng)定時(shí)反吹系統(tǒng)

實(shí)踐證明，樣品預(yù)處理系統(tǒng)長期運(yùn)行下來，還是會(huì)出現(xiàn)堵塞取樣探頭和部分取樣管道的情況。取樣探頭和旋風(fēng)冷凝器前面的取樣管道，因樣氣中少量粉塵經(jīng)長期累積會(huì)堵塞取樣探頭和過濾器。解決辦法是優(yōu)化取樣位置且通過增加PLC和電磁閥閥組構(gòu)成的自動(dòng)定時(shí)反吹系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際情況，系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置間隔時(shí)間定時(shí)向煙道內(nèi)探頭吹掃凈化風(fēng)，且要求反吹時(shí)分析儀主機(jī)具有輸出保持功能。經(jīng)過實(shí)踐證明，效果十分理想。

3.2 冷卻系統(tǒng)

旋風(fēng)冷凝器內(nèi)管道堵塞，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)由兩個(gè)原因造成：

a）由于旋風(fēng)冷凝器是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)冷凝器的凈化風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)制冷的，凈化風(fēng)量是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)減壓閥實(shí)現(xiàn)的，誤差大，溫度控制受外界環(huán)境溫度的影響大。凈化風(fēng)量過大時(shí)，脫水會(huì)結(jié)冰，堵塞管道；凈化風(fēng)的量過小時(shí)，脫水不夠，蒸汽和粉塵會(huì)結(jié)合堵塞管道。解決辦法是將旋風(fēng)冷凝器改為防爆冰箱，冰箱具有恒溫調(diào)節(jié)功能，精度高，控制穩(wěn)定，完全消除了旋風(fēng)冷凝器的弊端。實(shí)踐證明，用防爆冰箱更換旋風(fēng)冷凝器后，脫水效果非常好，堵塞管道情況很少出現(xiàn)。

b）由于工藝操作人員用蒸汽吹掃煙道時(shí)未通知儀表維護(hù)人員，造成旋風(fēng)冷凝器負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，致使蒸汽與粉塵結(jié)合形成泥狀物，在旋風(fēng)冷凝器內(nèi)部管線和部分取樣管線發(fā)生堵塞。此時(shí)，只能通過1.0MPa（G）蒸汽手動(dòng)長時(shí)間吹掃整個(gè)取樣管道，直至吹掃干凈。預(yù)防措施：工藝操作人員有此類操作時(shí)，應(yīng)提前通知儀表操作人員將樣品預(yù)處理系統(tǒng)取樣球閥關(guān)斷，防止類似情況發(fā)生，保證預(yù)處理系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

a）為了盡可能減少液態(tài)水進(jìn)入樣品預(yù)處理系統(tǒng)，取樣探頭法蘭短管與水平煙道中心線成向上傾斜30°角。

b）分析小屋內(nèi)必須選用同心度高、內(nèi)壁光滑無毛刺的不銹鋼管。

c）為了防止在試樣傳輸過程中由于溫度下降導(dǎo)致硫磺析出，取樣探頭至分析小屋之間取樣管最好選用一體化電伴熱取樣管纜，且取樣探頭要一直通電加熱。

d）為了盡可能減少硫磺粉塵進(jìn)入樣品預(yù)處理系統(tǒng)，探頭選用帶有過濾器的取樣探頭。

e）為了防止硫磺和粉塵堵塞取樣探頭、過濾器及樣品預(yù)處理系統(tǒng)不銹鋼管，SO2分析儀配套的PLC和電磁閥組必須具有自動(dòng)定時(shí)反吹功能，且反吹時(shí)具有輸出保持功能。

f）根據(jù)文獻(xiàn)［7］，將正常運(yùn)行時(shí)不能向空間釋放易燃物質(zhì)的取樣點(diǎn)劃為第二級(jí)釋放源，存在第二級(jí)釋放源的區(qū)域可劃為2區(qū)。因此，分析儀應(yīng)選用相應(yīng)的防爆產(chǎn)品。

g）取樣探頭的開口位置也十分重要，應(yīng)避開粉塵過多的部位。

h）冷卻系統(tǒng)采用防爆冰箱代替旋風(fēng)冷凝器，脫水效果明顯，堵塞情況不復(fù)存在。

i）從分析器排出的氣體、蒸汽或液體不應(yīng)對(duì)分析器室或周圍環(huán)境造成危害［8］。

j）取樣點(diǎn)應(yīng)該離分析儀比較近，盡量減少傳輸滯后時(shí)間；取樣點(diǎn)必須符合工藝要求，使取出試樣具有代表性；取樣點(diǎn)盡量選在清潔、干燥，且溫度、壓力合適的地方，減少對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)的要求［9］。

k）為使分析儀遭遇感應(yīng)雷時(shí)不致?lián)p壞，現(xiàn)場儀表的雷電浪涌保護(hù)器應(yīng)與電氣專業(yè)的現(xiàn)場防雷電感應(yīng)的接地排相連［10］。

5 結(jié)束語

SO2分析儀系統(tǒng)是環(huán)保部門監(jiān)測煙囪排放尾氣是否達(dá)標(biāo)的一種有效保證。該分析儀系統(tǒng)經(jīng)過不斷完善，在硫磺回收裝置應(yīng)用中取得了良好效果。

［1］ 鄭朝暉，劉文清，謝品華，等.煙道SO2濃度的紫外差分吸收光譜法測量研究［J］.光電子·激光，2000（06）：613－616.

［2］ 王森.在線分析儀手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：333－334.

［3］ 謝懷仁，楊斌彥.石油化工儀表控制系統(tǒng)選用手冊(cè)［M］.北京：中國石化出版社，2004：181.

［4］ 國家環(huán)境保護(hù)總局.HJ／T 397—2007固定源廢氣監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

［5］ 周斌，劉文清，齊鋒，等.差分吸收光譜法測量大氣污染的測量誤差分析［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2002（08）：957－961.

［6］ 黃步余，李麗華.SH 3005—1999石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國石化出版社，1999.

［7］ 國家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.GB 50058—92爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，1999.

［8］ 黃衍平.SH 3006—1999石油化工控制室和自動(dòng)分析器室設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國石化出版社，1999.

［9］ 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：163.

［10］ 葉向東，惲春.SH／T 3081—2003石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國石化出版社，2004.