煤氣化在線分析樣品處理系統的可靠性研究

劉長海

（山西晉煤華昱煤化工有限責任公司，山西 晉城 048000）

在線分析儀表的安全穩定運行，許多情況下與分析儀表本身無關，往往取決于樣品處理系統的完善度及其可靠性。以航天粉煤加壓氣化爐為例，多數項目的在線分析儀運行普遍不好，其中樣品處理系統的問題比分析儀多得多，因樣品處理不到位造成分析儀更換部件的項目不在少數，樣品處理系統的維護量遠遠超過分析儀本身。

1 樣品處理定義

樣品處理系統是將一臺或多臺在線分析儀器與源流體排放點連接起來的系統，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樣品，樣品的狀態適合分析儀所需要的操作條件。

樣品處理系統包括樣品提取、樣品傳輸、樣品處理、樣品排放四大基本功能。

樣品處理通常在取樣點和分析儀附近，為了便于區分通常將前者稱為前級處理單元，把后者稱為主處理單元。前級處理單元對取出的樣品進行初步處理，使樣品適宜傳輸，縮短樣品的傳輸滯后，減輕主處理單元的負擔，如減壓、降溫、除塵、除水等；主處理單元對樣品進一步處理和調節，如溫度、壓力、流量和精細過濾、除濕干燥、取出有害物等，安全泄壓和流路切換等。

2 航天粉煤氣化合成氣在線分析處理系統實例

航天粉煤加壓氣化爐，利用純氧和少量水蒸氣為氣化劑，高壓CO2或N2輸送煤粉，由特制的粉煤燒嘴送入高溫高壓的氣化室完成氣化反應，生成以CO和H2為主要成分的合成氣。氣化室多余的熱量由水冷壁吸收產生中壓蒸汽，煤中的灰分形成熔渣和飛灰與高溫合成氣一同進入激冷室進行降溫分離后排出氣化爐，合成氣經合成氣洗滌塔洗滌后送出氣化裝置，并在出界區前對合成氣氣體成分進行取樣分析，粗合成氣高溫、高壓、高含水且高粉塵含量，其工作壓力為3.9MPa、溫度205℃。項目采用在線色譜分析儀、紅外分析儀對合成氣進行分析，其樣品處理系統采用如圖1所示的處理方法。

圖1 原樣品處理系統圖Fig.1 Diagram of the original sample processing system

圖2 改進后的樣品處理系統圖Fig.2 Diagram of the improved sample processing system

如圖1所示，第1步：取樣。首先，經過取樣根部閥將合成氣送至前級處理單元（也稱預處理器），經盤管（Tube Coil）式水冷器（HE）將合成氣的溫度降至60℃以下，冷卻水為0.4MPa的脫鹽水，出入口差壓保持在0.2MPa以上；第2步：合成氣出水冷器再經氣液分離器（DV）進行初級除塵除水，底部F口定期排污，側面G口連續排污；第3步：初級除塵出水后經過T型過濾器過濾，再經過背壓式減壓閥（PR）將樣品壓力降至0.2MPa；第4步：減壓后的樣品氣送至主處理單元（也稱處理器）進行再次處理。首先，處理器設置了泄壓裝置，其次設置一個快速樣品回路用來快速取氣；第5步：進一步旋風制冷（AC）將樣品溫度降至5℃～10℃，最后經過纖維可視過濾器再經流量計調節進入儀表分析。

3 在線分析儀預處理存在的不足

上述設計已具備較為完善樣品處理功能，涵蓋冷卻，初級除塵除水，減壓，樣品進一步冷卻，快速回路，精密過濾，安全泄壓等主要功能，但仍存在缺陷與不足，具體如下：

①氣化剛出來的合成氣含灰分較高，經較細的1/4”取樣管進入冷卻器（HE）后，容易造成冷卻器及取樣管堵塞；②氣液分離器（DV）側面快速排水排氣回路（G接口）共用一根總排火炬管，截止閥（NV）前無止回閥。當兩臺爐分析運行時，如果一臺分析取樣壓力高于另一臺，容易造成分析氣體串氣，使兩臺爐分析的結果一致并可能造成另一臺低壓的分析儀表進水損壞，或一臺爐突然意外停車時，維護人員未來得及停表，造成火炬氣中的水分進入儀表處理系統中致使儀表損壞；③預處理減壓后的快速排水排氣回路位于旋風制冷器（AC）之前，并非下方，這樣旋風制冷器的水并不能完全排除，必須定期人工排除，這樣蒸發的水汽就可能進到后方，影響測量指示；④表前纖維過濾器下方無排水收集裝置，當過濾棉吸水飽和時，水汽可能進入儀表，影響儀表測量；⑤未考慮阻水措施；⑥分析小屋低于火炬總管的情況下，當樣品因堵塞壓力低或樣品減壓后壓力過低時，旋風制冷器的排水會存在阻力，造成排水不暢；當進樣壓力低于火炬壓力與火炬管內水柱壓力之和后，分析儀表就會進水。

4 樣品處理系統的可靠性優化改進

為了合成氣在線分析儀的穩定運行，研究如下：①增加雙回路金屬直通過濾器，前后使用可靠閥門進行切斷，經過濾器過濾上方取樣，出口加裝限流孔板排放到火炬；②氣液分離器（DV）快速排氣排水回路截止閥（NV）前增加止回閥；③減壓后的快速排水排氣回路改至旋風制冷器的下方；④在表前纖維過濾器下方增加自動疏水裝置；⑤在纖維過濾器后方增加一個精密阻濕過濾器；⑥如果小屋低于火炬管，需在小屋低處增加自動儲排水處理系統，保證去火炬的管子里無液柱形成，具體實施方案如圖2所示。

優點：①增加雙回路過濾器，防止取樣管線冷卻器堵塞，過濾器可定期清理；②雙回路過濾器可來回切換，方便維護，延長運行時間；③過濾器到火炬小流量排放，可實現過濾器的自潔功能、樣氣的減壓功能；④氣液分離器（DV）快速排氣排水旁路增加止回閥，防止火炬的氣體及液體返回儀表及防止兩臺爐的樣氣串氣，影響儀表準確測量或損壞儀表；⑤將減壓后的快速排氣排水回路改至旋風制冷器的下方，可及時將旋風制冷器冷卻下來的水汽排至火炬，防止氣體帶至管路后方；⑥在纖維過濾的下方增加自動疏水裝置，可有效防止因纖維過濾棉吸水飽和后，水無法排出進入儀表的現象出現，增加儀表的安全性，也可有效避免因維護不到位造成水汽進表的現象發生；⑦在纖維過濾器后方增加一個精密阻濕過濾器，水飽和后會自動阻斷樣氣回路，保障儀表安全；⑧受空間的限制，小屋必須安裝在火炬管的下方時，應考慮增加自動儲排水處理系統，從開始設計初為小屋的穩定運行提供條件。

5 其它注意事項及維護

分析儀表的穩定運行，不僅需要完善的樣品處理方案，也離不開維護人員的精心維護和細節上的注意。本樣品系統的使用應注意以下幾點：①初級過濾器的過濾精度不易過高，過濾顆粒大小不易過小，應保證50um左右即可，過小會增加過濾器的負擔且減少過濾的連續使用時間，過大會增加后續處理的負擔，易造成后續管路堵塞；②過濾后方孔板前后可增加旁路，可定期大流量沖刷過濾器的污垢，延長過濾器在線使用時間；③水冷器內部的盤管不易過小，過小口徑的盤管會增加樣品傳輸的阻力，易造成冷卻器堵塞，3/8”的英制管較好；④氣液分離器（DV）的排水閥不易過大，也不易過小，過大的開度易造成合成氣浪費且后續取樣壓力提不上來，過小的開度會造成冷凝所產生的水不能完全及時排除，從而將水帶入主處理單元，增加主處理單元壓力，主處理單元的除水能力較弱，過多的水易進入儀表，進而會造成儀表損壞，增加維護成本；⑤旋風制冷器快速回路的管路要暢通，不能堵塞，這是主處理單元的重要除水管路，也是整個系統除水的最后保證；⑥當遇到多臺裝置的分析儀表在一個分析小屋或多臺分析儀表共用一套排放系統的時候，從工藝、設計、集成商應考慮足夠的防串防回流措施。

6 結束語

在線分析儀表在化工生產中越來越重要，樣品處理系統對在線分析儀表的穩定運行起著至關重要的作用，項目通過對設計樣品處理的方案分析及多家化工廠的運行情況，對樣品處理系統進行優化，提高了樣品處理系統的可靠性，保證在線分析儀表的安全穩定運行。