Prima Pro雙質(zhì)譜分析儀在煤氣化裝置的應(yīng)用

劉建強

（神華新疆化工有限公司，烏魯木齊 830001）

隨著近幾年煤制烯烴、煤質(zhì)油、煤制甲醇等諸多煤化工行業(yè)的興起，新建的煤氣化裝置越來越多，無論是單個氣化爐的產(chǎn)能還是單個氣化裝置氣化爐數(shù)量都有所增加，為了運行的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性，實時監(jiān)測氣化爐水洗塔出口水煤氣組分濃度越發(fā)的重要。目前主流的測量方案包括單表方案、色譜加單表方案和質(zhì)譜儀方案3 種。測量準確，故障率低，維護量低和便于分析判斷問題，成為此處在線分析儀表選型的綜合考慮因素。

1 測量方案及比較

1.1 測量方案

煤氣化爐水洗塔出口設(shè)置有在線分析儀表測量合成氣組分濃度，主要測量組分包括CH4、CO、H2、CO2、O2、N2、Ar、H2S 等，目前主要的在線分析儀表測量方案分為如下幾類：

1）單表方案：主要采用一臺紅外分析CH4含量、一臺紅外分析COCO2含量，一臺熱導(dǎo)氫分析H2含量，一臺電化學儀表分析O2含量。

表1 3種測量方案比較Table 1 Comparison of three measurement schemes

2）色譜加單表方案：一臺紅外分析CH4含量，一臺色譜分析CO、CO2、H2、CH4、H2S 含量，一臺電化學儀表分析O2含量。

3）質(zhì)譜方案：用于分析CH4、CO、H2、CO2、O2、N2、Ar、H2S 含量。

1.2 各種方案比較

從表1 可以看出，單表測量方案測量組分不全，其中H2S、N2、Ar 都無法監(jiān)測，方案中的氧濃度含量測量，由于合成氣含水量高而且是酸性氣體，電化學法的儀表的測量電極由于受到酸性氣體腐蝕導(dǎo)致在很短的時間內(nèi)就會損壞而無法測量，并且H2測量的熱導(dǎo)原理，由于CO2/CO 也有熱導(dǎo)特性而相互之間存在交叉干擾；單表加色譜法方案由于色譜測量周期較長，存在一定的滯后性，并且色譜和單表進樣時間不一樣，存在數(shù)據(jù)不同步的情況，而且同樣也存在O2含量無法監(jiān)測的情況；質(zhì)譜測量方案測量組分全面，但是由于儀表原理復(fù)雜，維護難度比較大。

2 雙質(zhì)譜設(shè)計方案

雙質(zhì)譜設(shè)計方案如圖2 所示。

8 套氣化爐水洗塔出口的樣品分別經(jīng)過各自的樣品前處理系統(tǒng)，去除冷凝后的水和固體雜質(zhì)，然后通過自限溫一體化伴熱取樣管纜恒溫傳輸?shù)綐悠奉A(yù)處理系統(tǒng)，進一步冷卻過濾除濕除雜質(zhì)后經(jīng)過質(zhì)譜儀專用進樣系統(tǒng)進入質(zhì)譜分析儀進行分析。

圖1 某項目現(xiàn)場被腐蝕的氧測量電極Fig.1 Oxygen measuring electrode corroded at a project site

圖2 雙質(zhì)譜方案方框流程圖Fig.2 Double mass spectrum scheme block flow chart

其中1 ～4 號爐合成氣進1#分析小屋各自的預(yù)處理系統(tǒng)后分成兩路，一路進1#質(zhì)譜；5 ～6 號爐合成氣進2#分析小屋各自的預(yù)處理系統(tǒng)后分成兩路，一路進2#質(zhì)譜；然后分析小屋之間通過8 根一體化伴熱取樣管纜連接各自的另一路氣體，分別進入另外一臺質(zhì)譜。

3 方案優(yōu)點

3.1 儀表臺件數(shù)量

在兩臺質(zhì)譜分析儀都運行良好的情況下，分別測量各自所在區(qū)域4 臺氣化爐水洗塔出口合成氣組分含量，僅兩臺質(zhì)譜就能完成8 臺氣化爐所有設(shè)計組分的快速測量，而單表方案在無法完成所有設(shè)計組分測量的前提下就需要32臺儀表，單表加色譜方案能夠完成所有設(shè)計組分測量，但是同樣需要最少24 臺表。

3.2 空間及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 臺質(zhì)譜分析儀方案只需要2 個6m2的小屋就可完成整個系統(tǒng)的集成，不僅占地面積小，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；單表方案及單表加色譜方案，由于氣化框架的空間限制及儀表數(shù)量多，需要4 個不小于10m2的分析小屋才能集成安裝下所有儀表，由于每臺儀表對預(yù)處理系統(tǒng)的要求不完全相同，不僅占用空間大，而且預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

圖3 每臺質(zhì)譜分析儀分析流路Fig.3 Analysis of the flow path of each mass spectrometer

3.3 分析周期

8 臺氣化爐的設(shè)計為正常工況下4 開4 備，平均每臺質(zhì)譜分析儀正常運行時只需要測量2 臺氣化爐的合成氣組分即可，2 臺氣化爐采用分時進樣，平均每臺氣化爐的設(shè)計組分測量周期為15s 左右，完成2 臺氣化爐的全測量周期在30s 左右；單表方案雖然為連續(xù)分析儀，但是單表紅外的T90 響應(yīng)時間一般為30s 左右，所以響應(yīng)時間基本相等；以上兩種方案的測量周期都遠小于色譜測量方案最短240s 的測量周期。

3.4 應(yīng)用中的問題判斷

在正常生產(chǎn)過程中，已知由于氧煤比配置原因、燒嘴原因、渣口差壓原因、氣化爐溫度原因或者是分析儀表故障、分析儀表需要標定、儀表預(yù)處理系統(tǒng)帶液等，都會引起分析儀表監(jiān)控的合成氣組分偏離理想的工藝操作值，而雙質(zhì)譜方案設(shè)計的采用，為合成氣分析數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏離時的問題判斷提供了極大的便利：

1）儀表維護人員迅速檢查分析預(yù)處理系統(tǒng)是否帶液，如果帶液調(diào)整后分析數(shù)據(jù)會很快恢復(fù)正常。

2）在樣品處理系統(tǒng)工作良好的前提下，由于單臺質(zhì)譜往往同時分析至少2 臺氣化爐，這幾臺氣化爐共用一套儀表測量系統(tǒng)，當一臺氣化爐產(chǎn)生偏離時，通過查看另外一臺氣化爐的測量數(shù)據(jù)可以很快判斷問題所在，如果另外一臺氣化爐分析數(shù)據(jù)正常，則可以判斷問題出在工藝操作上，工藝可以通過調(diào)整恢復(fù)。

圖4 同時測量3臺氣化爐的分析數(shù)據(jù)Fig.4 Simultaneous measurement of analytical data for three gasifiers

3）如果同一臺質(zhì)譜監(jiān)控的2 臺氣化爐數(shù)據(jù)都發(fā)生偏離，則可以查看另外一臺氣化爐的數(shù)據(jù)。如果分析正常，可以把發(fā)生偏離的這兩臺氣化爐的待測氣體引到數(shù)據(jù)正常質(zhì)譜上進行分析，如果還是不正常則證明兩臺氣化爐的工藝操作都需要調(diào)整，如果正常則證明該質(zhì)譜儀本機需要維護或者標定。

以上幾個步驟的問題判斷往往需要很短的時間（20min以內(nèi)），而單表方案由于每個氣化爐儀表不是同一臺表，而且也不具備切換其它爐子氣體測量的可能性，所以問題的判斷時間往往很長，不利于工藝迅速調(diào)整操作，也不利于儀表維護人員排除儀表具體問題。

3.5 儀表故障時的影響

雙質(zhì)譜分析方案，當其中一臺質(zhì)譜出現(xiàn)問題時，可以迅速將故障質(zhì)譜的測量流路迅速切換至另外一臺質(zhì)譜，同時啟動另外一臺質(zhì)譜對應(yīng)的測量流路即可，不會由于儀表故障而造成失去測量監(jiān)控，并且測量周期不會有顯著地增加，而含有單表的方案儀表本機都不具備這個功能，當對應(yīng)氣化爐監(jiān)測儀表故障時只能停止分析監(jiān)控。

4 現(xiàn)場實際應(yīng)用

4.1 測量正常數(shù)據(jù)

圖4 為正常生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場實際測量的氣化爐合成氣CH4、CO、H2、CO2、O2、N2、Ar、H2S 的組分含量，可以看出合成氣中的有效氣（CO+H2）在79%以上，完全符合工藝的正常操作值，而且盡量達到了有效氣范圍的合理上限，并且儀表的重復(fù)性非常好，從數(shù)據(jù)中還可以看出，這是目前以上3 種方案中唯一能準確測量微量氧含量，及時監(jiān)測氣化爐是否過氧燃燒的方案。

4.2 通過數(shù)據(jù)進行問題判斷

圖5 為2 號氣化爐生產(chǎn)運行產(chǎn)生偏差時的測量數(shù)據(jù)，從圖中可以看出現(xiàn)場實際測量的氣化爐合成氣CH4、CO、H2、CO2、O2、N2、Ar、H2S 的組分含量，其中2 號氣化爐有效氣（CO+ H2）濃度為76%左右，低于4 號爐的79%以上，通過測量數(shù)據(jù)可以看出：

1）2 號氣化爐的甲烷含量和CO2含量高于4 號爐[2]。

圖5 單臺氣化爐非正常工況的分析數(shù)據(jù)Fig.5 Analysis data of abnormal conditions of a single gasifier

圖6 甲烷分析數(shù)據(jù)與爐溫DCS趨勢圖Fig.6 Methane analysis data and furnace temperature DCS trend chart

2）2 號爐的氧含量低于4 號爐。

通過以上兩點可以說明2 號氣化爐運行與其他氣化爐存在差異性，需要通過調(diào)節(jié)負荷、氧煤比等保證反應(yīng)產(chǎn)生滿足要求的有效氣。

4.3 甲烷濃度與氣化爐爐溫

圖6 為測量數(shù)據(jù)中甲烷的測量濃度與氣化爐溫度的DCS 歷史趨勢，從圖中可儀看出，氣化爐的測量溫度與分析的甲烷濃度成反比關(guān)系，即氣化爐溫度升高時甲烷濃度降低，氣化爐溫度降低甲烷濃度升高，也滿足在壓力等其他條件不變的情況下一定范圍內(nèi)升高氣化爐溫度會提高煤氣化的有效氣CO+H2含量，CO2和CH4的含量相應(yīng)降低，反之降低溫度則CO+H2含量降低，CO2和CH4的含量相應(yīng)升高的操作特點[1,3]，進一步驗證了質(zhì)譜分析儀測量的準確性。

5 總結(jié)

通過方案的多方面對比和實際應(yīng)用的多方面驗證，證明了Prima Pro 雙質(zhì)譜方案在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、儀表臺件數(shù)量、占用分析小屋數(shù)量、測量分析周期、兩臺質(zhì)譜的完全雙冗余以及測量數(shù)據(jù)全面性和準確性等多方面的優(yōu)越性，尤其證明了雙質(zhì)譜方案能夠快速地進行問題判斷和處理，盡快地指導(dǎo)工藝進行相關(guān)操作調(diào)整以提高有效氣濃度，從而產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。