天然氣凈化裝置煙氣氧分析儀的選型與應(yīng)用

林達(dá)明，劉海泉，吳景寶

(中石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川 達(dá)州 636150)

煙氣分析儀是用于對排放煙氣中的SO2，NOx，CO等氣態(tài)污染物及氧含量進行監(jiān)測的儀器，其中的氧含量是一個重要的測量參數(shù)。目前，氣體中氧含量的測量方法和類型較多，但并不是所有的測量方法都適用于煙氣中氧含量的測量，在諸多測量方法中往往存在選型錯誤，導(dǎo)致氧含量測量準(zhǔn)確性差，傳感器使用壽命短，嚴(yán)重影響煙氣分析儀的穩(wěn)定運行。

針對某公司天然氣凈化廠煙氣氧分析儀在選型中存在的問題，結(jié)合運行中的實際情況進行深入探討，剖析原因并給出了相應(yīng)的選型方案。

1 煙氣氧分析儀的作用及重要性

天然氣凈化裝置尾氣灼燒爐是尾氣處理單元中非常重要的設(shè)備，可將裝置內(nèi)各種廢氣中所含的硫化物完全燃燒，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排入大氣。灼燒爐控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是消耗最少的燃料氣將H2S和其他硫化物盡可能地完全轉(zhuǎn)化成SO2，是通過控制其排放煙氣中過量的氧氣和灼燒爐的操作溫度來實現(xiàn)的，既要保證燃燒過程中有足夠的氧完全氧化硫化物，同時要防止氧氣含量過多，造成燃料氣的浪費，增加生產(chǎn)成本。灼燒爐的溫度過高會導(dǎo)致聯(lián)鎖停車，溫度過低會導(dǎo)致H2S沒有完全氧化而排放至大氣。因此，實時、準(zhǔn)確測量煙氣中氧含量和硫化物含量，確保以最少的燃料氣完全燃燒尾氣，防止SO2和H2S對大氣的污染和危害，實現(xiàn)節(jié)能降耗，有重要意義。

2 氣體氧分析儀的檢測原理

目前，氣體中氧含量的測量方法總體分為兩大類型： 一類是物理法的順磁式測量方法，有熱磁式、磁壓力式、磁力機械式；另一類是采用電化學(xué)式原理的測量方法，有氧化鋯、燃料電池式、電解池式。下面著重介紹常用的磁力機械式氧分析儀、電化學(xué)原理的燃料電池式氧分析儀和氧化鋯氧分析儀的檢測原理。

2.1 磁力機械式氧分析儀

磁力機械式氧分析儀是基于對氧磁化率的直接測量，它是在密閉氣室中裝有2對磁場強度相反的不均勻磁場，2個空心球置于2對磁極的間隙中，空心球之間通過連桿連接在一起，形狀類似“啞鈴”，連桿用彈性金屬帶固定在氣室殼體上，“啞鈴”只能以金屬帶為軸轉(zhuǎn)動而不能上下移動，在連桿與金屬帶交點處裝有一平面反射鏡。被測氣體由入口進入氣室后，2個空心球就被樣氣所包圍，當(dāng)被測氣體中有氧存在時，氧分子受磁場吸引，沿磁場強度梯度方向形成氧分差壓，其大小隨氧含量不同而不同，該差壓驅(qū)動空心球移動，于是“啞鈴”偏轉(zhuǎn)一個角度，偏轉(zhuǎn)角度的大小，與被測氣體中氧含量成比例關(guān)系。通過光電系統(tǒng)來測量“啞鈴”偏轉(zhuǎn)角度后，就可測量被測氣體的氧含量，原理如圖1所示。

圖1 磁力機械式氧分析儀檢測原理示意

2.2 燃料電池式氧分析儀

2.2.1 堿性液體燃料電池氧傳感器

堿性液體燃料電池氧傳感器由銀陰極加鉛陽極加KOH堿性電解液組成，適用于被測氣體中含堿性成分的場合，不適用于含酸性成分的氣體的測量，既可測常量氧，也可測微量氧。檢測原理如圖2所示，被測氣體中的氧通過聚四氟乙烯滲透膜進入電解質(zhì)層，氣體中的氧在電池中進行如式(1)所示的化學(xué)反應(yīng)：

圖2 堿性液體燃料電池氧傳感器檢測原理示意

銀陰極：

O2+ 2H2O + 4e-→4OH-

鉛陽極：

2Pb + 4OH-→2PbO+ 2H2O+4e-

電池綜合反應(yīng)：

O2+ 2Pb → 2PbO

(1)

2.2.2 酸性液體燃料電池氧傳感器

酸性液體燃料電池氧傳感器由金陰極加鉛(或石墨)和陽極加醋酸電解液組成，適用于被測氣中含酸性成分的場合，不適用于含堿性氣體成分的測量，且只能測常量氧，不能測微量氧。酸性液體燃料電池氧傳感器的原理如圖3所示，被測氣體中的氧在電解池中進行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)式與式(1)相同。

圖3 酸性液體燃料電池氧傳感器的原理示意

堿性和酸性燃料電池傳感器陽極中的鉛在反應(yīng)中都不斷地變成氧化鉛，直至鉛電極耗盡，就像燃料不斷氧化燃燒一樣，因此該類傳感器有一定的使用壽命，且所測氧濃度越大，陽極消耗越多，電池壽命越短。

2.3 氧化鋯氧分析儀

氧化鋯氧分析儀是靠具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的氧化鋯固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理，依據(jù)濃差電池原理工作的。在一片高致密的氧化鋯固體電解質(zhì)的兩側(cè)，用燒結(jié)的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電極，再在電極焊上鉑絲作為引線，就構(gòu)成了氧化鋯濃差電池，如圖4所示。

圖4 氧化鋯濃差電池原理示意

在電池的左則通入?yún)⒈葰?空氣)，氧分壓為p0，電池右側(cè)通入被測氣，氧分壓為p1。設(shè)p0>p1，在高溫650～850 ℃，氧就從分壓大的p0側(cè)向分壓小的p1側(cè)擴散，這種擴散不是氧分子的擴散，而是O2-在固體電解質(zhì)中的擴散過程。在鉑電極的催化作用下，電池的p0側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，一個O2從鉑電極取得4個電子，變成2個O2-進入電解質(zhì)，即：

O2+4e-→2O2-

p0側(cè)的鉑電極由于大量給出電子而帶正電，成為氧濃差電池的正極或陽極。O2-進入電解質(zhì)，通過晶體的空穴向前運動到達(dá)右則的鉑電極，在電池的p1側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)，O2-在鉑電極上釋放電子并結(jié)合成O2析出，即：

2O2-→O2+4e-

p1側(cè)的鉑電極由于大量得到電子而帶負(fù)電，成為氧濃差電池的負(fù)極或陰極。這樣在兩電極上產(chǎn)生了電荷的積累，從而在兩極間形成了濃差電動勢, 其濃差電動勢的大小可用能斯特方程表示，如式(2)所示：

(2)

當(dāng)氧濃差電池工作溫度T一定，參比氣體的氧濃度c0一定時，電池產(chǎn)生的氧濃差電動勢E與被測氣體的氧濃度c1成單值函數(shù)關(guān)系，通過測量出氧濃差電動勢就可以得到被測氣體的含氧量，換算為常用對數(shù)如式(3)所示：

(3)

3 煙氣分析儀選型存在的問題

該天然氣凈化廠煙氣分析使用了AMETEK 9000RM SO2/O2分析儀，其中氧含量測量選用的是英國仕富梅的磁力機械式氧傳感器，與紫外法的SO2分析組合成一體式分析儀。從裝置投產(chǎn)以來，存在氧傳感器使用壽命短，氧含量測量不準(zhǔn)確，運行不穩(wěn)定現(xiàn)象，投產(chǎn)5年多來，更換的氧傳感器價值高達(dá)約400萬元人民幣。

經(jīng)分析，磁力機械式氧傳感器使用壽命短的根本原因是選型中存在問題。由于磁力機械式氧傳感器內(nèi)部有精密轉(zhuǎn)動部件和光學(xué)元件，對樣氣的要求非常嚴(yán)格，要求無塵無水，而天然氣凈化裝置中煙氣介質(zhì)含塵含水量高，SO2和水反應(yīng)生成腐蝕性很強的亞硫酸，即使經(jīng)過除塵除水系統(tǒng)處理，也無法處理完全，還是會含有少量的粉塵和水分，特別是在工況不正常時，含塵含水量更高。當(dāng)粉塵和酸水混合物進入該傳感器內(nèi)將彈性金屬帶、啞鈴及平面反射鏡污染或腐蝕后，“啞鈴”隨氧含量的變化則轉(zhuǎn)動緩慢或根本不轉(zhuǎn)動，平面反射鏡也無法反射發(fā)出光，就不能測量“啞鈴”偏轉(zhuǎn)角度，從而無法測量氧濃度，該傳感器就損壞了。因此，磁力機械式氧傳感器根本不適合用于測量天然氣凈化裝置煙氣中的氧含量，只適用于純凈干燥樣氣中氧含量的測量。

4 煙氣分析儀的選型

4.1 過程分析儀選型的一般原則

過程分析儀選型的一般原則如下：

1)詳盡了解分析介質(zhì)的特性、選用分析儀的技術(shù)性能及其限制條件。

2)選用分析儀檢測器的技術(shù)要求應(yīng)能滿足被分析介質(zhì)的溫度、壓力、物料性質(zhì)、全部背景氣組分及含量的要求。

3)分析儀的適用范圍、精確度、量程范圍、最小檢測量和穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)，須滿足工藝要求，性能可靠，操作、維修簡便。

4)用于腐蝕性介質(zhì)或安裝在易燃、易爆、危險場所的分析儀表，應(yīng)符合相關(guān)條件或在采取必要的措施后能符合使用要求。

5)用于控制系統(tǒng)的分析儀表，其線性范圍和響應(yīng)時間須滿足控制系統(tǒng)的要求。

4.2 天然氣凈化裝置煙氣氧分析儀的選型

根據(jù)過程分析儀選型的一般原則，結(jié)合該裝置煙氣的介質(zhì)特性和磁力機械式氧傳感器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能，得出該工況中氧含量分析不適合選用磁力機械式氧傳感器，一般應(yīng)選用電化學(xué)酸性液體燃料電池式氧傳感器，其選型依據(jù)如下：

1)電化學(xué)酸性液體燃料電池式氧傳感器內(nèi)部由金(鉛)電極和酸性電解液組成，沒有精密轉(zhuǎn)動部件和光學(xué)元件，樣氣中即使含有沒處理完全的少量粉塵和酸性水分，對傳感器的影響也不大。

2)燃料電池式氧分析儀的精度一般均在±2%FS，有的可達(dá)到±1%FS，其重復(fù)性、穩(wěn)定性、響應(yīng)時間均能達(dá)到要求。

3)燃料電池式氧傳感器雖有一定的使用壽命，但均能達(dá)到2 a以上，且價格便宜，性價比高。

4)燃料電池式氧傳感器具有體積小、操作簡單、安裝方便等優(yōu)點，可與SO2，NOx組合成一體式煙氣分析儀。

對于氧化鋯氧分析儀，由于安裝復(fù)雜，且不能與SO2，NOx的測量組合成一體式分析儀，因此一般不用于天然氣凈化裝置煙氣中氧含量的測量，但由于其測量精度高，線性好，響應(yīng)快，傳感器使用壽命長等特點，當(dāng)在煙氣系統(tǒng)無在線濕度分析儀時，可單獨安裝用于測量煙氣中的濕基氧，以此與電化學(xué)氧分析儀測量的干基氧計算煙氣濕度。

5 電化學(xué)式氧分析儀在煙氣監(jiān)測中的應(yīng)用

5.1 氧傳感器的技術(shù)改造

結(jié)合該裝置煙氣介質(zhì)的實際情況，選用電化學(xué)式氧傳感器是最佳的選擇。原SO2/O2煙氣分析儀中氧傳感器是直接通過16針串口與分析儀連接，但市場上并無16針串口的電化學(xué)式氧傳感器，只能使用獨立的電化學(xué)式氧分析儀替代原氧傳感器。最后選用了某公司的防爆型電化學(xué)式氧分析儀，該分析儀采用電化學(xué)酸性液體燃料電池式傳感器為測量單元，將微控制器與數(shù)字化處理技術(shù)相結(jié)合，有完整的自我診斷功能，實時監(jiān)控儀器的工作狀態(tài)，具有智能、穩(wěn)定、可靠、使用壽命長等優(yōu)點。

5.2 氧分析儀的安裝

該氧分析儀采用壁掛式安裝，直接安裝于分析小屋內(nèi)煙氣分析儀旁。將煙氣分析儀出口的樣氣串連到該氧分析儀樣氣入口，氧分析儀出口再接到放空管線。9000RM煙氣分析儀設(shè)計的樣氣體積流量為2 500 ml/min，而該氧分析儀要求的樣氣體積流量是500～1 000 ml/min，串聯(lián)的氧分析儀流量比煙氣分析儀出口流量小，需要分流，因此在該氧分析儀樣氣進出口上并聯(lián)1個針閥來控制氧分析儀的流量。

5.3 改造后的效果評價和經(jīng)濟效益分析

經(jīng)改造為電化學(xué)式氧分析儀后，已穩(wěn)定運行1 a，氧含量測量值準(zhǔn)確可靠，不僅提高了氧傳感器的使用壽命，減少了維護人員的工作量，更重要的是通過對煙氣中過量氧含量的準(zhǔn)確控制，確保了尾氣灼燒爐的穩(wěn)定運行，降低了生產(chǎn)運行成本。

原每只氧傳感器約17萬元人民幣，根據(jù)其以前的使用壽命和更換周期，3列裝置按每年更換6只傳感器計算，共計約102萬元人民幣。更換為電化學(xué)式氧分析儀后，氧傳感器的壽命在2 a以上，整機壽命在5 a以上，傳感器價格按每只3 000元人民幣計算，由此每年至少可為企業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟效益約100萬元人民幣。

6 結(jié)束語

針對該天然氣凈化裝置煙氣分析儀氧傳感器使用壽命短，測量不準(zhǔn)確，運行不穩(wěn)定的狀況，通過對其選型存在問題的深入探討與分析，選用防爆型電化學(xué)式氧分析儀進行了技術(shù)改造，改變了氧傳感器選型不正確的狀況，確保了裝置的穩(wěn)定運行，大幅增加了氧傳感器的使用壽命，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。