激光氧分析儀在再生爐中的應(yīng)用

董蘇東，董淑兵

(1. 江蘇斯?fàn)柊钍邢薰?，江蘇 連云港 222000；2. 天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司 蘇州研究所，江蘇 蘇州 215000)

廢酸再生(SAR)裝置可以將丙烯腈、MMA裝置產(chǎn)生的廢液進(jìn)行焚燒，再經(jīng)過(guò)處理生產(chǎn)硫酸產(chǎn)品，具有熱能利用率高、污染小等特點(diǎn)且有很好的社會(huì)效益。江蘇斯?fàn)柊钍邢薰静捎眉幽么驝HEMETICS專(zhuān)利的廢酸濃縮工藝，將MMA裝置廢酸中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%降低到15%，具有效率高、設(shè)備體積小、節(jié)省燃料、流程簡(jiǎn)潔適用等優(yōu)點(diǎn)。再生爐是SAR裝置再生爐系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，該再生爐系統(tǒng)利用熱力學(xué)原理，使丙烯腈裝置硫銨液、MMA裝置廢酸等含硫廢液充分燃燒和分解，同時(shí)使硫與氧反應(yīng)生成二氧化硫。

從廢酸濃縮系統(tǒng)來(lái)的廢酸和從丙烯腈裝置來(lái)的硫銨溶液，通過(guò)空氣將其霧化并噴射到再生爐中和有機(jī)物充分燃燒，在高溫狀態(tài)下分解成二氧化硫、氧氣、二氧化碳、氮?dú)夂退魵?。有機(jī)物充分燃燒提供硫銨及硫酸分解以及廢酸中水汽化所需的部分熱量，MMA裝置廢氣也從界區(qū)送到再生爐燃燒。再生爐出口溫度在900～1 050 ℃、出口氧體積分?jǐn)?shù)控制在1.6%～1.9%。

該再生爐出口氧體積分?jǐn)?shù)測(cè)量采用LaserGasⅡ激光氧氣分析儀，該分析儀是基于可調(diào)二極管激光器吸收光譜技術(shù)(TDLAS)，在煙道、管道、過(guò)程小屋等裝置內(nèi)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)氣體的光學(xué)儀器。

1 激光氧分析儀

1.1 激光氧分析儀組成及結(jié)構(gòu)

1.1.1組成

該激光氧分析儀是利用1臺(tái)發(fā)射器/接收器，彼此可反向安裝，去測(cè)量通過(guò)瞄準(zhǔn)線路徑的氣體平均體積分?jǐn)?shù)，測(cè)量原理是紅外單線吸收光譜法。

激光氧分析儀包括三個(gè)獨(dú)立的單元： 帶有吹掃的發(fā)射單元，帶有吹掃的接收單元，電源，組成如圖1所示。

1) 發(fā)射單元。包括帶有溫度穩(wěn)定二極管激光器的激光模塊，校準(zhǔn)模塊及其他主要電子單元。

2) 接收單元。包括1個(gè)聚焦透鏡、光電探測(cè)器和接收器電子單元。

3) 電源。把100～240 V交流電轉(zhuǎn)換為24 V直流電。

圖1 激光氧分析儀組成示意

1.1.2結(jié)構(gòu)

激光氧分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 激光氧分析儀系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)示意

1.2 測(cè)量原理

安裝在管道一側(cè)的激光發(fā)射器可發(fā)射出在近紅外波段內(nèi)的激光，并被安裝在管道另一側(cè)的激光接收器所接收。由于被檢測(cè)氣體會(huì)吸收激光，因此接收器接收到的激光強(qiáng)度與發(fā)射器發(fā)射的激光強(qiáng)度存在差異。大多數(shù)氣體只吸收特定波長(zhǎng)的光，產(chǎn)生吸收光譜。不同氣體吸收不同波長(zhǎng)的近紅外光，有不同的吸收光譜，且無(wú)需對(duì)其他氣體成分進(jìn)行補(bǔ)償。

1.3 特點(diǎn)

該系統(tǒng)為在線測(cè)量，無(wú)需氣體取樣；無(wú)來(lái)自背景氣的干擾；穩(wěn)定校準(zhǔn)，無(wú)零點(diǎn)漂移；響應(yīng)時(shí)間低至1 s；可適用于多過(guò)程條件，如高溫、高粉塵、高腐蝕性氣體環(huán)境；無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)消耗；可測(cè)量全部煙道內(nèi)的整體體積分?jǐn)?shù)。

1.4 應(yīng)用領(lǐng)域

該激光氧分析儀可用于如下生產(chǎn)領(lǐng)域：

1) 化工行業(yè)。如氯乙烯或PVC、丙烯酸、溶酸回收等。

2) 石化行業(yè)。如尾氣處理、燃燒氣體檢測(cè)、硫磺回收、催化裂化裝置、焚化爐通風(fēng)橫管等。

3) 鋼鐵行業(yè)。如焦?fàn)t氣體、轉(zhuǎn)爐煤氣等。

4) 發(fā)電廠。如鍋爐控制、省煤器、脫硝裝置中氨流動(dòng)控制。

5) 垃圾焚燒、水泥廠、鋁熔爐的排放檢測(cè)。

2 激光氧分析儀的日常維護(hù)

LaserGas Ⅱ激光氧分析儀應(yīng)用到SAR裝置再生爐后，運(yùn)行中的維護(hù)包括： 透光率的調(diào)整、法蘭孔的清灰、透光視鏡的清洗、氣密性檢查、氮?dú)獯祾吡髁康臋z查。

2.1 透光率的調(diào)整

巡檢過(guò)程中除了檢查記錄儀表測(cè)量值外還需記錄儀表的透光率，當(dāng)透光率小于10%時(shí)，儀表就會(huì)出現(xiàn)低透光率報(bào)警，此時(shí)就需要校準(zhǔn)透光率。

2.2 法蘭孔的清灰

SAR裝置在開(kāi)車(chē)過(guò)程中進(jìn)行再生爐升溫，期間會(huì)產(chǎn)生大量的水汽和灰塵，隨著工況穩(wěn)定，燃料油、硫磺等介質(zhì)在高溫燃燒下，會(huì)附著在再生爐爐內(nèi)壁，法蘭孔周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)結(jié)焦掛壁現(xiàn)象，此時(shí)往往會(huì)使透光率變得很低，因此需制定周期性維護(hù)計(jì)劃。

2.3 透光視鏡的清洗

該激光氧分析儀是光學(xué)類(lèi)儀器，光學(xué)視窗上的灰塵或者其他污染物會(huì)影響信號(hào)的準(zhǔn)確性，使儀表測(cè)量產(chǎn)生誤差。除定期對(duì)法蘭孔清灰，同時(shí)需清潔視鏡。該儀器的設(shè)計(jì)使得在不影響測(cè)量精度的條件下，可以允許的信號(hào)強(qiáng)度衰減范圍在10%～30%。然而，如果信號(hào)強(qiáng)度降低到無(wú)法測(cè)量時(shí)，液晶顯示器顯示〈低傳輸〉，此時(shí)視窗需要被清洗。為了減少灰塵在光學(xué)視窗上的堆積，正常情況下，每個(gè)儀器都配置了一個(gè)吹掃單元。如果吹掃有故障，應(yīng)檢查光學(xué)視窗。

光學(xué)視窗可以通過(guò)非磨損的清潔劑或溶劑清洗。如果有裂縫或者損壞，視窗應(yīng)該被替換。視窗是楔形的，新視窗的定位與原視窗必須保持一致，以便保護(hù)系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

2.4 氣密性的檢查

在安裝管線后，投用儀表前，應(yīng)使用試漏液對(duì)各個(gè)管線接頭處試漏，氮?dú)獯祾吖芫€如果漏氣，空氣中的氧氣會(huì)對(duì)測(cè)量值造成干擾。

2.5 氮?dú)獯祾吡髁康膬?yōu)化

吹掃氣體必須干燥、潔凈，檢查時(shí)要注意空氣過(guò)濾減壓閥的濾芯，確認(rèn)其是否潔凈。為指定的應(yīng)用確定吹掃氣體推薦流量是很困難的，因?yàn)樗Q于氣體在灰塵中的流速，法蘭長(zhǎng)度和法蘭直徑等。法蘭中的吹掃流速等于灰塵中氣體流速的10%，如果持續(xù)吹掃一段時(shí)間后，待測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)完全恒定，可嘗試用以下步驟去測(cè)量吹掃流量：

1) 設(shè)定通過(guò)爐體內(nèi)氧氣所需光程的長(zhǎng)度等于接收單元窗口到發(fā)射單元窗口的距離。

2) 長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉吹掃氣流，使法蘭中充滿(mǎn)氣體，并測(cè)量體積分?jǐn)?shù)。

3) 重新設(shè)定測(cè)量長(zhǎng)度等于法蘭端到法蘭端的距離。

4) 增加吹掃流量直到其測(cè)量結(jié)果與步驟2) 的相同。如果在測(cè)試過(guò)程中視窗已變臟，需保持視窗清潔。如果獲得所要求的吹掃氣體量很困難，也可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果選擇調(diào)整通過(guò)氣體的光路。

3 儀表的故障案例分析

3.1 儀表透光率持續(xù)走低

LaserGas Ⅱ激光氧分析儀自2015年11月投用以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，但在2016年10～11月期間儀表透光率持續(xù)走低，幾乎每天需要調(diào)整一次透光率。起初懷疑是爐體變形導(dǎo)致發(fā)射端與接收端法蘭孔不能在同一水平線上，后經(jīng)過(guò)多次處理，排除了爐體變形的原因。拆卸發(fā)射與接收端后發(fā)現(xiàn)通道內(nèi)有積灰，爐壁開(kāi)孔處存在大量結(jié)焦，導(dǎo)致透光率變低，清除后，儀表透光率提高到30%以上。

3.2 激光氧分析儀A表和B表測(cè)量偏差較大

激光氧分析儀A表和B表均測(cè)量再生爐內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)，2臺(tái)表均在同一水平線，平行距離約1 m，但在實(shí)際測(cè)量中A表和B表的測(cè)量偏差值達(dá)到±(0.3%～0.7%)。起初懷疑是其中1臺(tái)儀表的管線漏氣，使空氣中的氧進(jìn)入管道，導(dǎo)致儀表測(cè)量值高于另外1臺(tái)儀表，試漏密封處理后，2臺(tái)儀表仍然存在偏差。結(jié)合工藝流程及工藝設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，工藝再生爐視窗存在一路儀表風(fēng)，其作用是冷卻視窗，由于該儀表風(fēng)距離2臺(tái)儀表測(cè)量點(diǎn)較近，導(dǎo)致儀表測(cè)量值存在偏差。關(guān)閉該儀表風(fēng)后，2臺(tái)儀表測(cè)量值接近，但由于該冷卻風(fēng)作用是保護(hù)視窗，設(shè)計(jì)要求不能關(guān)閉，重新打開(kāi)儀表冷卻風(fēng)，2臺(tái)儀表之間又出現(xiàn)了偏差值。

3.3 發(fā)射和接收端法蘭孔偏離

SAR裝置已開(kāi)車(chē)運(yùn)行3a，再生爐在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，也慢慢地出現(xiàn)了爐體變形的情況。在檢修過(guò)程中，進(jìn)入爐體內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩端法蘭孔已經(jīng)高度不一致，出現(xiàn)了嚴(yán)重的偏離，致使發(fā)射光不能完全被接收端接收到。經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查測(cè)量后發(fā)現(xiàn)兩端都存在向下偏移的情況，重新焊接固定，對(duì)光效果逐漸恢復(fù)正常。由于法蘭孔徑偏小的緣故，使得在調(diào)整透光率的時(shí)候，可調(diào)范圍有限，為擴(kuò)大儀表透光率的可調(diào)范圍，遂將兩端法蘭孔略微擴(kuò)大，調(diào)整后透光率保持在40%以上，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

該公司SAR裝置再生爐LaserGas Ⅱ激光氧分析儀運(yùn)行的穩(wěn)定性與工況有著密切的關(guān)系，同時(shí)儀表自身透光率的變化又對(duì)儀表的測(cè)量起著決定性及可靠性的作用，其中還包括法蘭孔的結(jié)焦以及氮?dú)獾拇祾叩雀蓴_性因素。因此維護(hù)儀表前需了解工況，保證儀表的可靠性以及測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，維護(hù)人員提升自身的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，加強(qiáng)日常的維護(hù)工作，保證分析儀正常運(yùn)行，讓在線分析儀器的作用和性能得到充分發(fā)揮。同時(shí)根據(jù)分析儀的數(shù)據(jù)能夠及時(shí)調(diào)整工況，確保了裝置更加安全平穩(wěn)的生產(chǎn)。