隨著大氣污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，大氣主要污染物之一的二氧化硫的排放與監(jiān)測(cè)已成為公眾關(guān)注的重點(diǎn)。我國(guó)已將SO2列為法規(guī)控制空氣污染物，并將大氣中SO2的濃度水平作為評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。根據(jù)《“十二五”主要污染物總量減排監(jiān)測(cè)辦法》，污染源化學(xué)需氧量和SO2排放量的監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方式。硫磺回收裝置未完全轉(zhuǎn)化回收的硫化氫等含硫化合物輸送至天然氣凈化廠尾氣灼燒爐，經(jīng)過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為SO2并排放點(diǎn)設(shè)置了在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀。本文主要介紹非分散紅外吸收法在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀在天然氣凈化廠SO2監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。
應(yīng)用環(huán)境
天然氣凈化廠主要功能是脫除原料天然氣中含有的HSCOz和HO,并回收脫出氣中的HS制成高質(zhì)量的單質(zhì)硫。未完全回收的H2S通過(guò)尾氣灼燒爐進(jìn)行灼燒，全部轉(zhuǎn)換為SO2并排放至大氣。
以萬(wàn)州凈化廠為例:設(shè)計(jì)天然氣處理能力為200萬(wàn)Nm/d，原料天然氣H2S含量30~60g/Nm，COz含量50~100g/m。脫硫裝置通過(guò)甲基二乙醇胺(MDEA)溶液對(duì)原料天然氣中的酸性組分進(jìn)行脫除，并利用溶液再生時(shí)產(chǎn)生的酸氣通過(guò)硫磺回收裝置將酸氣組分中的HS轉(zhuǎn)化生成硫磺，設(shè)計(jì)硫磺回收率達(dá)99.25%。未完全轉(zhuǎn)化的HS通過(guò)尾氣灼燒爐燃燒為SO2并排人大氣。雖然有較高的回收率，但因酸氣量大，未完全回收的HS燃燒產(chǎn)生的SO量也非常大。萬(wàn)州凈化廠尾氣灼燒爐灼燒后的高溫廢氣主要成分見(jiàn)表1.
除表1中的主要成分外，煙氣中還含有一定量的固體粉塵，如爐膛灰以及酸氣中夾帶的管道腐蝕產(chǎn)物、催化劑粉塵等。
與常見(jiàn)的燃煤鍋爐煙氣監(jiān)測(cè)相比,天然氣凈化廠尾氣監(jiān)測(cè)具有一定的特殊性:
◆凈化廠尾氣中SO含量明顯高于燃煤鍋爐煙氣。燃煤鍋爐煙氣中的SO由煤炭中的硫分燃燒產(chǎn)生，中國(guó)煤炭資源總體含硫不高，平均硫分為09%，因此燃煤鍋爐煙氣中的SO2含量相對(duì)較低。凈化廠尾氣中的SO2為未完全反應(yīng)轉(zhuǎn)化的含硫組分燃燒產(chǎn)生，由于酸氣量大，未完全回收的硫組分燃燒產(chǎn)生的SO2在尾氣中的比例較高，約為0.152%。
◆煙氣中水分含量極高，接近60%。尾氣灼燒爐除對(duì)回收裝置尾氣進(jìn)行焚燒處理外，同時(shí)處理其他裝置的大量廢氣。例如以蒸汽作為動(dòng)力抽吸出來(lái)的液硫池混合廢氣含有大量的蒸汽，加重了尾氣的水含量。由于SO可溶于水，SO和水反應(yīng)會(huì)生成亞硫酸和硫酸等強(qiáng)酸性腐蝕物質(zhì)，雖然較高的溫度不利于反應(yīng)向正反應(yīng)發(fā)展,但尾氣中不可避免地會(huì)有帶腐蝕性的酸性物質(zhì)產(chǎn)生。
◆凈化廠尾氣排放溫度高，平均可達(dá)560℃。
SO2在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀工作原理
萬(wàn)州凈化廠使用的是分體安裝的非分散紅外SO2在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)。非分散紅外SO2分析儀是整套儀器系統(tǒng)的核心，采用的是德國(guó)SICK|MAIHAK公司開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的新型氣體分析儀器S720Ex型氣體分析儀器。它利用SOz在紅外區(qū)域7300nm附近的光吸收進(jìn)行濃度測(cè)量，當(dāng)一束恒定的7300nm的紅外光通過(guò)含有SO2氣體的介質(zhì)時(shí)，被SO2吸收，光通量被衰減,測(cè)出衰減速光能量，即可求出SO2的濃
度1-2]。整套儀器系統(tǒng)是根據(jù)凈化廠的樣氣特點(diǎn)設(shè)計(jì)。儀器系統(tǒng)由取樣探頭、復(fù)合取樣管線(xiàn)、預(yù)處理系統(tǒng)和分析儀主機(jī)兒部分組成。
活塞取樣泵P將樣氣從尾氣煙囪中抽出，進(jìn)人帶保溫的探頭。在取樣探頭內(nèi)部，有一只可更換的不銹鋼網(wǎng)狀過(guò)濾器對(duì)樣氣中的塵粒子進(jìn)行過(guò)濾。取樣探頭內(nèi)部的蒸汽伴熱將過(guò)濾器溫度保持在140℃以上，樣氣中的水分將保持為氣態(tài)，同時(shí)避免樣氣中含有的氣體雜質(zhì)液化。過(guò)濾后的樣氣通過(guò)樣氣口進(jìn)人取樣管線(xiàn)。
取樣管線(xiàn)是復(fù)合管線(xiàn),內(nèi)部由不銹鋼管線(xiàn)1根(樣氣管線(xiàn))、紫銅管線(xiàn)1根(伴熱管線(xiàn))組成，配有相應(yīng)的保溫層，外部加有防護(hù)套。蒸汽在伴熱管線(xiàn)中流動(dòng)，使旁邊樣氣管線(xiàn)中的樣氣能夠保持在140℃以上，防止樣氣中的水分冷凝、結(jié)冰或與微小塵粒共同堵寒取樣管線(xiàn)，同時(shí)減少硫等雜質(zhì)的液化、冷凝。
樣氣出復(fù)合取樣管線(xiàn)后首先經(jīng)過(guò)電磁閥DC2進(jìn)入儲(chǔ)水罐L中。在儲(chǔ)水罐中，高速流動(dòng)的樣氣經(jīng)過(guò)離心結(jié)構(gòu)將攜帶過(guò)來(lái)的水滴離心脫出。然后，進(jìn)人緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)緩沖。這樣，室溫作用下析出的水滴和氣流帶動(dòng)的水滴將在其中沉積，其產(chǎn)生的冷凝水通過(guò)電磁閥DC5和電磁閥DC3的配合，在壓縮儀表氣的作用下排出柜外。然后，由泵P將樣氣送至下一級(jí)渦流冷凝器脫水。
分析儀器所需要的05L/min流量進(jìn)入到渦流冷凝器，進(jìn)行冷凝脫水，多余氣體通過(guò)旁路流量計(jì)F2放空(提高響應(yīng)速度)。微小流量的樣氣，在渦流冷凝器內(nèi)部與儀表風(fēng)通過(guò)熱交換面充分接觸，有效進(jìn)行熱交換。同時(shí)，流速減緩，減小了氣體本身的動(dòng)能，使其沒(méi)有能力帶走冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的水滴，冷凝水滴可以在取樣泵的出口壓力和重力的作用下，向下排出渦流冷凝器的排水口。
經(jīng)過(guò)以上預(yù)處理步驟的樣氣經(jīng)過(guò)電磁閥DC6(自動(dòng)校準(zhǔn)切換)、手動(dòng)三通閥ST1精密過(guò)濾G1，通過(guò)流量計(jì)F1控制，進(jìn)人分析儀器。分析后的樣氣通過(guò)排氣管排出。
預(yù)處理系統(tǒng)完成了樣氣的高溫狀態(tài)過(guò)濾、伴熱保溫傳送、室溫緩沖粗脫水、渦流冷凝器精脫水及精過(guò)濾過(guò)程。在這過(guò)程中，完成了對(duì)塵粒的過(guò)濾以及對(duì)水的降溫冷凝排放，使樣氣能夠滿(mǎn)足分析儀器的工作條件，延長(zhǎng)其使用壽命。儀器系統(tǒng)自動(dòng)完成樣氣的高溫過(guò)濾、伴熱保溫傳送、冷凝脫水、過(guò)濾和分析的過(guò)程，自動(dòng)完成預(yù)處理產(chǎn)生的冷凝水的排放和取樣探頭的吹掃維護(hù)過(guò)程，具有手動(dòng)取樣、取樣探頭反吹、冷凝水排放等維護(hù)控制功能。
在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題及改進(jìn)建議
特殊的工況條件對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求。由于監(jiān)測(cè)廢氣中氣體成分的復(fù)雜性，以及目前市場(chǎng)中的SO2在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀一般均基于鍋爐廢氣進(jìn)行設(shè)計(jì)，其在凈化廠的應(yīng)用中遇到了很大的困難。通過(guò)一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其在凈化廠尾氣監(jiān)測(cè)實(shí)際用中存在的一些問(wèn)題，針對(duì)存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)意見(jiàn)和建議[3-4]
◆取樣探頭腐蝕、堵塞
取樣探頭一般采用不銹鋼材料制成，并帶有金屬材質(zhì)的過(guò)濾器，對(duì)尾氣中的雜質(zhì)進(jìn)行粗過(guò)濾。高溫尾氣遇冷會(huì)冷凝，造成硫酸等腐蝕性產(chǎn)物產(chǎn)生，對(duì)取樣探頭造成腐蝕。冷凝產(chǎn)物與固體雜質(zhì)混合物凝固后會(huì)造成取樣探頭特別是探頭過(guò)濾器的堵塞。
萬(wàn)州凈化廠應(yīng)用中的改進(jìn):針對(duì)取樣探頭金屬過(guò)濾器腐蝕，選用了更耐腐蝕的不銹鋼過(guò)濾器。
建議:采用不銹鋼材質(zhì)的探頭過(guò)濾器，對(duì)取樣探頭進(jìn)行蒸汽保溫，定期清洗過(guò)濾器。
◆測(cè)量室污染
光測(cè)量室進(jìn)氣必須為無(wú)固體雜質(zhì)和冷凝物的混合氣體，如果過(guò)濾器過(guò)濾精度不夠或設(shè)置的過(guò)濾級(jí)數(shù)不夠，冷凝水未完全分離或者排水不暢都會(huì)造成測(cè)量室鏡片污染。
在萬(wàn)州凈化廠應(yīng)用中的改進(jìn):
①針對(duì)樣氣中水含量高，預(yù)處理系統(tǒng)未能將水分充分分離，導(dǎo)致測(cè)量室進(jìn)水的問(wèn)題，在渦流冷凝器前增加了一級(jí)冷凝儲(chǔ)水罐12,其功能與L一致。冷凝水滴
依靠取樣泵的出口壓力和重力的作用，連續(xù)向下排出。
②針對(duì)冷凝水排水不暢，經(jīng)分析是由于泵P的出口壓力低，冷凝罐L2及渦流冷凝器W的連續(xù)排水口僅依靠泵壓和重力的作用無(wú)法確保冷凝水順暢排出儀器。對(duì)此，將儀器增加了兩個(gè)連續(xù)排水口進(jìn)行定時(shí)壓力排水，采用具有更高壓力的儀表風(fēng)強(qiáng)行將冷凝水排出儀器。
建議:①設(shè)置多級(jí)精細(xì)過(guò)濾器，濾除樣氣中的粉塵等雜質(zhì);②選用漩渦冷凝器或壓縮機(jī)冷凝器與多級(jí)分離罐組合對(duì)樣氣中的水分進(jìn)行分離，保證分離效果;③設(shè)置自動(dòng)除、排水系統(tǒng)，保證樣氣中的水分全部冷凝、分離并全部排出，防止帶人測(cè)量室;④采用可更換的過(guò)濾組件。可更換的過(guò)濾組件使儀器的維護(hù)工作更為簡(jiǎn)便，并能隨時(shí)檢查過(guò)濾組件的性能。
◆處理器電路損壞
處理器電路損壞主要發(fā)生于一體式安裝分析儀，一-體式安裝造成分析儀與高溫尾氣直接接觸，同時(shí)高溫尾氣未經(jīng)過(guò)較大幅度降溫就進(jìn)入儀器，造成儀器溫
度超高。若開(kāi)大降溫儀表風(fēng)，則會(huì)造成樣氣在儀器內(nèi)部冷凝，進(jìn)而腐蝕、堵塞儀器。分析儀處理器電路長(zhǎng)期工作在較高的環(huán)境溫度下，電路壽命縮短，容易損壞。
建議:采用采樣、分析分體式結(jié)構(gòu)，將分析儀處理器等電路部分遠(yuǎn)離高溫環(huán)境。根據(jù)凈化廠尾氣煙囪的特點(diǎn),取樣點(diǎn)通常在距地面15m以上的高處，分體式安裝還可以將分析儀主機(jī)放置在更適于日常巡檢、維護(hù)的地面。
◆取樣管路堵塞
取樣管路堵塞常見(jiàn)于分體式安裝。由于保溫故障造成管線(xiàn)樣氣冷凝堵塞管道。
建議:測(cè)量管線(xiàn)宜采用蒸汽伴熱復(fù)合管。凈化廠有穩(wěn)定的低壓蒸汽系統(tǒng)，只要保證蒸汽壓力和疏水功能正常即能確保樣氣在測(cè)量管線(xiàn)中不冷凝。同時(shí)，與電伴熱相比，蒸汽保溫可以達(dá)到更高的保溫溫度。
結(jié)束語(yǔ)
在線(xiàn)檢測(cè)儀選型應(yīng)充分考慮天然氣凈化廠的實(shí)際工況，加強(qiáng)對(duì)SO?在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀實(shí)際應(yīng)用中保溫、過(guò)濾、冷凝等環(huán)節(jié)的日常維護(hù)。SO2在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀在凈化廠的成功應(yīng)用不僅提供了污染物外排的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還為裝置操作提供了重要的參考依據(jù)，對(duì)提高硫回收率、減少污染物排放起到了很好的促進(jìn)作用。
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