4020型總烴分析儀在煉廠尾氣治理中的應用

丁蘭蘭

（中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來，煉油廠中高硫原油加工量的逐年增加，生產過程產生的硫化氫（H2S）、二氧化硫（SO2）、硫醇、硫醚等硫化物，對企業環境的影響也日益突出。輕者發出惡臭難聞的氣味，使人感到不適；重者對人造成毒害，甚至可能發生窒息死亡事故[1]。本論文的研究背景是煉廠中的液化烴脫硫醇裝置的尾氣治理單元，尾氣中的主要成分是有機硫化物和揮發性烴類，基本不含硫化氫。該尾氣治理單元采用撫研院的“低溫柴油吸收”治理裝置進行處理，經過該單元處理后排出的是否為符合環保標準的氣體，則需要進行設置用于檢測處理后的氣體中總烴類氣體濃度的分析儀表，來根據總烴類氣體濃度決定氣體是否直接外排，還是進行再次處理。一般經過該處理單元處理過的氣體濃度不是很高，故在線檢測處理后的尾氣中總烴含量較低，可選用FID 檢測器進行在線測量[2]。

4020 型總烴分析儀是Teledyne 公司在原產品良好的基礎上成功開發的數字儀器，用于測量氣體樣品中總烴類濃度，采用火焰電離檢測器（FID）對不同工藝條件下的總烴進行連續分析[3]。雖然該類分析儀的應用范圍很廣，現場投用數量也很多，但是在使用過程中若是做不到具體問題具體分析，仍然會存在問題。比如，測量數據波動大，數據測量不準與實際數據偏差較大等問題。目前，該位置的分析儀存在數據測量不準與實際數據偏差較大的問題，不能為操作人員提供準確的信息，不利于操作。故需要找出問題所在，從本質上解決問題，才可以使儀器發揮其作用。

1 4020型總烴分析儀

4020 型總烴分析儀的標準型儀器外形是一個482mm×221mm×334mm 的機箱[3]，機箱嵌入機架內，儀器門正面的人機界面的面板便于維護人員操作和維護，靠近LED 與VFD 顯示屏和人機界面的附近，安裝可控制氣體壓力和流量的旋鈕，將整個儀器面板拉出機架，可直觀地看到4020 型儀器內部的電子電路和樣品系統。

在儀器的背面有各種進氣口，如助燃氣、燃料氣、零點氣、滿量程氣和樣品氣，還有50 腳的接口供用戶信號傳輸和RS－232 端口供連接遠端的通信設備，根據用戶需求可將儀器設置成120VAC 60Hz 或230VAC 50/60Hz供電模式下運行。

1.1 測量原理

4020 型分析儀采用的是氫火焰離子化檢測器（FID），其測量原理是采樣氣體通過氫火焰后產生大量的離子。這個離子化過程使火焰噴嘴兩端的高電壓電極產生一個靜電場，正負離子分別向正負電極移動，使兩個電極之間產生電極電流，電流的強度與燃燒氣體樣本中總烴的濃度是成比例的，故測出電流強度就相當于測出氣體樣本中總烴的含量[3]。4020 型分析儀測量原理圖如圖1。

圖1 4020型分析儀測量原理圖Fig.1 Measurement principle diagram of 4020 analyzer

1.2 4020型總烴分析儀的總體結構

實際應用中一臺完整總烴分析儀由分析儀本體和預處理系統組成，分析儀本體又包括樣品系統、檢測器和電子電路部分等。預處理系統的作用主要是為分析儀本體提供符合其分析要求的樣品氣，分析儀本體主要是對預處理系統送來的樣品氣進行檢測，分析出樣品氣中的總烴濃度。

1.2.1 樣品系統部分

圖2為分析儀本體中的樣品系統管線圖。

如圖2 所示，樣品氣從右下方SAMPLE 接口處進入，燃料氣和助燃空氣分別從FUEL 接口處和AIR 接口處進入；樣品氣和燃料氣在恒溫室中的T 形管接頭中混合，形成的混合氣體和助燃空氣一起進入傳感器；之后混合氣體從傳感器組件內的檢測器的火焰尖端中逸出，助燃空氣從組件底部的另一單獨管接頭進入檢測器[3]。

圖2 分析儀本體中的樣品系統管線圖Fig.2 Pipeline diagram of the sample system in the analyzer body

燃料氣、助燃空氣和樣品氣流量控制均應用由可調節的穩壓閥、壓力表、節流閥和流量計組成的反壓調壓系統保持限流器兩端有恒定的壓降，從而使樣品氣流量穩定。由于節流閥和流量計的存在，該系統所需的旁路流量得到了控制，否則會造成過多的樣品氣流經反壓調壓系統而浪費。

1.2.2 檢測器

檢測器內檢測原理已經在測量原理部分陳述過，此處就不再此詳述，需要注意的是收集極和放大器電路板通過一根同軸電纜連接，該電纜也極有可能成為分析儀的故障點。

1.3 分析儀的預處理系統

分析儀的預處理系統的作用主要是根據工藝實際情況，經過調整樣品壓力和過濾樣品中的雜質，將樣品處理為可以使分析儀能正常工作的樣品。

采樣單元是通過防爆采樣探頭將樣品氣從管道中采出后，經過采樣管線將樣品送入預處理系統。采樣單元整體和采樣管線全程均需采用一體化電加熱120℃以上高溫伴熱，防止產生冷凝水，并使用抗腐蝕和惰性化的材料以減少樣品吸附[4]。采樣單元帶有故障報警功能，如探頭失效報警、低溫報警、系統故障報警等。

機柜中的預處理系統的作用為避免廢氣組分冷凝、吸附；多級顆粒過濾，保證樣氣潔凈。預處理系統應集成于正壓吹掃防爆機柜中[4]，預處理系統主要設備有球閥、過濾器、壓力計、管閥件、流量計、三通球閥、泵等，材質一般為材質316SS。

2 總烴分析儀在液化烴脫硫醇裝置尾氣治理上的應用

2.1 總烴分析儀所在尾氣治理的工藝流程

液化氣脫硫醇廢氣采用“低溫柴油吸收+堿液脫硫”工藝進行治理，在脫硫反應器（R-3101）廢氣出口引出一根管道（DN150），將預處理后的液化氣脫硫醇廢氣送至催化裝置的廢氣收集罐。通過壓力調節閥（PV-8003），將R-3101 的壓力控制在14KPaG。當廢氣經氮氣（N2）稀釋后，總烴濃度超過8500mg/Nm3，聯鎖打開至3#催化裝置管線上遠程開關閥（HV-8002），同時遠程關閉放空開關閥（HV-8001）。如圖3 為該部分的工藝流程監控畫面[5]。

圖3 工藝流程監控畫面Fig.3 Process flow monitoring screen

2.2 總烴分析儀的工藝條件

從上部分可知：總烴分析儀的采樣探頭安裝在控制閥PV8003 的閥后，該處管道中的工藝介質的各成分濃度、溫度和壓力都會影響分析儀是否可以穩定使用，故無論是儀表選型還是實際使用過程中，都要密切關注工藝條件的狀況，表1 為工藝條件。

表1 工藝條件Table 1 Process conditions

液化氣脫硫醇在本處安裝兩臺總烴分析儀，儀表位號分別為AT-80001、AT-80002。兩臺儀器同時存在，可以用來對兩臺儀器的測量數據顯示和比對，既可以互證測量數據準確，也可以便于及時發現其中一臺儀器數據異常后及時修理。考慮到大氣環保，采樣分析后的廢氣不能直排大氣，需通過返回管線回到原系統[5]。

3 對總烴分析儀預處理系統的改進

自首次安裝以來，該儀器運行前期測量準確，運行可靠，但是后面逐漸相繼出現多次問題。主要問題是存在數據測量不準與實際數據偏差較大，或者數據指示為零的狀況。期間經過多次標定，均不能解決指示異常的問題。測量數據為零的狀況經過廠家判斷為檢測器被污染，經過專業清洗后儀器恢復功能使用，但是兩臺儀器測量數據有偏差且與實際情況出入較大的情況仍然無法解決，隨對其預處理系統展開了分析和改進。

3.1 預處理系統需要改進的原因

安裝在該液化烴脫硫醇裝置尾氣治理中的兩臺分析儀投用不久開始出現故障。在使用過程中，兩臺分析儀在同一位置取樣，但是兩臺儀器的顯示面板上的數值相繼出現數據差距大和數據不準，與分析中心采樣分析數據相差較大。將分析儀拆下后送廠家檢查，發現儀器本身沒有問題，雖然采樣單元和采樣管線都有加熱和伴熱，但是機柜中的預處理系統無伴熱的條件。總結下來，懷疑是預處理系統無加熱和伴熱，并不能避免樣品氣組分冷凝、吸附；另外樣品氣中帶水帶油，超出了該預處理系統的處理水平，故預處理系統需要改進。

3.2 預處理系統的改進

根據上述原因分析，本次預處理系統改進主要針對預處理系統本身無伴熱的問題進行改進。

3.2.1 預處理系統改進前

機柜中的預處理系統改進前的布置圖及實物對照圖如圖4。

圖4 改進前預處理布置圖Fig.4 Layout of pretreatment before improvement

從圖4 中很明顯看出，從取樣管線到現場防爆機柜后，后續就再沒有采取伴熱的措施。這樣樣品氣組分就會被冷凝、吸附下來，進入檢測器中的樣品氣的量就會減少，繼而檢測到的數據就會不準，甚至檢測器會檢測不到樣品氣。

3.2.2 預處理系統改進后

機柜中的預處理系統改進后的柜內布置圖及實物對照圖如圖5。

如圖5 所示，樣品氣先后經過沉降罐和聚結器進行除水和多級過濾，再經過緩沖罐和進樣流量計進入分析儀。相比改進前，聚結器之后全程使用電伴熱帶加熱樣品管線，避免樣品氣冷凝、吸附在管路中，并有溫控器進行調節電伴熱的溫度。由于樣品氣中水分較大，且帶少量油脂，相比改造前增加了沉降罐、旋風分離器、聚結器等，經過多級顆粒過濾，確保樣品氣潔凈，并在機柜中部增加一塊隔熱板，避免預處理箱內溫度傳給分析儀。

圖5 改進后預處理布置圖Fig.5 Layout of the improved preprocessing

3.3 預處理系統改進前后的數據對比

預處理系統改進前后的分析儀分析的數據變化趨勢圖如圖6。

圖6 改進前后分析儀分析的數據變化趨勢圖Fig.6 The data change trend diagram of analyzer analysis before and after improvement

預處理系統在2020 年12 月22 日進行更換，在22日更換前兩臺儀器的示數差為1500mg/Nm3左右，更換后兩臺儀器的示數差減少至50mg/Nm3左右。改進效果比較明顯，除此之外設備故障次數從每月5 次減少每月1 ～2次，維護量大大減少，節省了設備維護費用。

4 故障問題總結

總結在使用過程中發生過的各種故障，認真分析后可以得出結論。總烴分析儀測量精度高，運行穩定，由于儀器電子部件比較精密，且從采樣至樣品氣返回，整個過程中的任何一步有故障都會造成儀器分析數據不準，或者儀器故障。簡單來講，故障出現時可從預處理系統部分和分析儀自身兩部分進行分析，但是曾經發生過的故障與工藝介質、安裝方式和日常維護等方面有關，因此要重視這些方面。

4.1 分析儀儀器自身故障

當懷疑分析儀本身運行不正常時，可用零點氣或滿量程氣對儀器進行標定和評估。確定故障發生在儀器內部，由于儀器機箱內存在危險的高電壓且很多電子零部件都很容易受靜電放電而損壞，分析儀內部的維修工作都只能由經過培訓的授權的人員來進行，如檢測器、溫度控制電路、點火和火焰保護電路和樣品系統的各部分檢查[6]，各項檢查和標定操作也可使用說明書查找。

4.2 工藝介質的影響

在檢測過程中工藝條件發生改變，分析儀分析得到的數據會有異常甚至損壞分析儀。工藝介質中經常含有水、油等其他雜質，雖然預處理系統中已經有沉降罐和緩沖罐，但是雜質嚴重情況下，會超出預處理系統的承受能力，不僅會影響數據分析測量，嚴重時甚至會損害儀器。

4.3 日常維護的影響

日常維護過程中的工作有：①可以經常比對兩天分析儀的數據，發現數據異常及時對分析儀進行維護；②檢查支持氣體和校正氣體是否已耗盡，并及時更換；③檢查儀器供電連接是否正確，電壓是否正常。

5 結束語

4020 型總烴分析儀雖然內部結構精密復雜，但人機交互界面比較友好，在運行的各階段可為操作人員提供信息和提示，使用非常簡單方便。本文結合分析儀在裝置中的應用，改進了預處理系統，但對于分析儀在使用過程中的問題，需具體問題具體分析，希望可以為4020 型總烴分析儀在其他位置的故障分析處理提供解決思路和方案。