SO2分析儀在硫磺回收裝置中的應用

田廣

（鎮海石化工程股份有限公司，浙江寧波315042）

SO2體積分數的測量原理主要有吸收光譜法和發光法兩種。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。發光法分為光致發光（熒光）和化學發光，紫外熒光法屬于光致發光（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，同時考慮到分析儀的選用應注意以下幾個因素：分析儀的測量原理、測量范圍、精度等級、響應時間，樣品參數，應用的要求，樣品預處理系統，性能價格比［3］。如采用不分光紅外吸收光譜法SO2分析儀，根據固定源廢氣監測技術規范，要求其在煙囪采樣位置應優先選擇垂直管段，應避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。采樣位置應設置在距彎頭、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，維護難度極大、費用較高；而紫外差分吸收光譜法SO2分析儀具有安裝維護方便、費用低的優點。因此，經過方案比較，選用紫外差分吸收光譜法SO2分析儀進行測量。

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，經過初步處理后，去除寬帶吸收光譜，剩下窄帶吸收光譜，其對應的吸收截面變化頻率比較高，有利于差分計算，通常稱這個窄帶吸收為差分吸收，對應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、能量高的優點，物質吸收的紫外線能量高于紅外線，因而更容易被檢測出來。對于采用紫外光的SO2分析儀而言，用它測量熱、濕氣體樣品時，水蒸氣、其他氣體組分和光源強度隨時間的變化對測量結果和準確度影響可以忽略不計。

利用氣體的差分吸收測量其體積分數，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，用最小二乘法進行數據擬合，而不是兩點差分，大幅削弱了儀器噪聲和其他氣體對測量結果的影響，使得測量精度和測量下限都有很大的提升［5］。

2 樣品預處理系統的設計原則

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

樣品預處理系統的設計原則是：由取樣點取出的試樣應有代表性，當通過取樣系統后不應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；能長期可靠的工作；系統構成盡可能簡單；采用快速回路以減少試樣傳送滯后時間。

為了保證紫外差分吸收光譜法SO2分析儀數據的可靠性和準確性，整個系統的流程設計如圖1所示。首先，樣氣經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入小屋內的樣品預處理系統，一體化電伴熱管纜保持在120℃左右，防止樣氣中的液態水和硫磺晶體析出，影響測量準確度。該樣品預處理系統的流程如下：樣氣先經過兩級旋風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，一路為絕大多數的樣氣經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多級過濾減壓后通過止回閥去分析儀，分析后樣氣經止回閥加壓和快速回路匯合后回到煙道下游管道。整個流程中必須配備的設備如下：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、溫度控制穩定的特點，有效防止溫度波動時硫磺析出堵塞管道，導致樣氣失真，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，使試樣流動起來并進入分析儀。正是由于對樣品預處理系統考慮的足夠充分，才得以保證分析數據的真實可靠。

圖1 樣品預處理系統流程示意

3 樣品預處理系統的輔助系統

3.1 自動定時反吹系統

實踐證明，樣品預處理系統長期運行下來，還是會出現堵塞取樣探頭和部分取樣管道的情況。取樣探頭和旋風冷凝器前面的取樣管道，因樣氣中少量粉塵經長期累積會堵塞取樣探頭和過濾器。解決辦法是優化取樣位置且通過增加PLC和電磁閥閥組構成的自動定時反吹系統，根據實際情況，系統組態設置間隔時間定時向煙道內探頭吹掃凈化風，且要求反吹時分析儀主機具有輸出保持功能。經過實踐證明，效果十分理想。

3.2 冷卻系統

旋風冷凝器內管道堵塞，經研究發現由兩個原因造成：

a）由于旋風冷凝器是通過調節驅動冷凝器的凈化風量來實現制冷的，凈化風量是通過手動調節減壓閥實現的，誤差大，溫度控制受外界環境溫度的影響大。凈化風量過大時，脫水會結冰，堵塞管道；凈化風的量過小時，脫水不夠，蒸汽和粉塵會結合堵塞管道。解決辦法是將旋風冷凝器改為防爆冰箱，冰箱具有恒溫調節功能，精度高，控制穩定，完全消除了旋風冷凝器的弊端。實踐證明，用防爆冰箱更換旋風冷凝器后，脫水效果非常好，堵塞管道情況很少出現。

b）由于工藝操作人員用蒸汽吹掃煙道時未通知儀表維護人員，造成旋風冷凝器負荷遠遠不夠，致使蒸汽與粉塵結合形成泥狀物，在旋風冷凝器內部管線和部分取樣管線發生堵塞。此時，只能通過1.0MPa（G）蒸汽手動長時間吹掃整個取樣管道，直至吹掃干凈。預防措施：工藝操作人員有此類操作時，應提前通知儀表操作人員將樣品預處理系統取樣球閥關斷，防止類似情況發生，保證預處理系統正常運行。

4 設計應注意的問題

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

b）分析小屋內必須選用同心度高、內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入樣品預處理系統，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、過濾器及樣品預處理系統不銹鋼管，SO2分析儀配套的PLC和電磁閥組必須具有自動定時反吹功能，且反吹時具有輸出保持功能。

f）根據文獻［7］，將正常運行時不能向空間釋放易燃物質的取樣點劃為第二級釋放源，存在第二級釋放源的區域可劃為2區。因此，分析儀應選用相應的防爆產品。

g）取樣探頭的開口位置也十分重要，應避開粉塵過多的部位。

h）冷卻系統采用防爆冰箱代替旋風冷凝器，脫水效果明顯，堵塞情況不復存在。

i）從分析器排出的氣體、蒸汽或液體不應對分析器室或周圍環境造成危害［8］。

j）取樣點應該離分析儀比較近，盡量減少傳輸滯后時間；取樣點必須符合工藝要求，使取出試樣具有代表性；取樣點盡量選在清潔、干燥，且溫度、壓力合適的地方，減少對預處理系統的要求［9］。

k）為使分析儀遭遇感應雷時不致損壞，現場儀表的雷電浪涌保護器應與電氣專業的現場防雷電感應的接地排相連［10］。

5 結束語

SO2分析儀系統是環保部門監測煙囪排放尾氣是否達標的一種有效保證。該分析儀系統經過不斷完善，在硫磺回收裝置應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［M］.北京：化學工業出版社，2008：333－334.

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

［4］ 國家環境保護總局.HJ／T 397—2007固定源廢氣監測技術規范［S］.北京：中國環境科學出版社，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］.光學學報，2002（08）：957－961.

［6］ 黃步余，李麗華.SH 3005—1999石油化工自動化儀表選型設計規范［S］.北京：中國石化出版社，1999.

［7］ 國家技術監督局，中華人民共和國建設部.GB 50058—92爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，1999.

［8］ 黃衍平.SH 3006—1999石油化工控制室和自動分析器室設計規范［S］.北京：中國石化出版社，1999.

［9］ 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊［M］.3版.北京：化學工業出版社，2000：163.

［10］ 葉向東，惲春.SH／T 3081—2003石油化工儀表接地設計規范［S］.北京：中國石化出版社，2004.