隨著大氣污染問題的日益嚴(yán)峻，大氣主要污染物之一的二氧化硫的排放與監(jiān)測已成為公眾關(guān)注的重點。我國已將SO2列為法規(guī)控制空氣污染物，并將大氣中SO2的濃度水平作為評價空氣質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。根據(jù)《“十二五”主要污染物總量減排監(jiān)測辦法》，污染源化學(xué)需氧量和SO2排放量的監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的方式。硫磺回收裝置未完全轉(zhuǎn)化回收的硫化氫等含硫化合物輸送至天然氣凈化廠尾氣灼燒爐，經(jīng)過燃燒轉(zhuǎn)化為SO2并排放點設(shè)置了在線監(jiān)測儀。本文主要介紹非分散紅外吸收法在線監(jiān)測儀在天然氣凈化廠SO2監(jiān)測中的應(yīng)用。
應(yīng)用環(huán)境
天然氣凈化廠主要功能是脫除原料天然氣中含有的HSCOz和HO,并回收脫出氣中的HS制成高質(zhì)量的單質(zhì)硫。未完全回收的H2S通過尾氣灼燒爐進(jìn)行灼燒，全部轉(zhuǎn)換為SO2并排放至大氣。
以萬州凈化廠為例:設(shè)計天然氣處理能力為200萬Nm/d，原料天然氣H2S含量30~60g/Nm，COz含量50~100g/m。脫硫裝置通過甲基二乙醇胺(MDEA)溶液對原料天然氣中的酸性組分進(jìn)行脫除，并利用溶液再生時產(chǎn)生的酸氣通過硫磺回收裝置將酸氣組分中的HS轉(zhuǎn)化生成硫磺，設(shè)計硫磺回收率達(dá)99.25%。未完全轉(zhuǎn)化的HS通過尾氣灼燒爐燃燒為SO2并排人大氣。雖然有較高的回收率，但因酸氣量大，未完全回收的HS燃燒產(chǎn)生的SO量也非常大。萬州凈化廠尾氣灼燒爐灼燒后的高溫廢氣主要成分見表1.
除表1中的主要成分外，煙氣中還含有一定量的固體粉塵，如爐膛灰以及酸氣中夾帶的管道腐蝕產(chǎn)物、催化劑粉塵等。
與常見的燃煤鍋爐煙氣監(jiān)測相比,天然氣凈化廠尾氣監(jiān)測具有一定的特殊性:
◆凈化廠尾氣中SO含量明顯高于燃煤鍋爐煙氣。燃煤鍋爐煙氣中的SO由煤炭中的硫分燃燒產(chǎn)生，中國煤炭資源總體含硫不高，平均硫分為09%，因此燃煤鍋爐煙氣中的SO2含量相對較低。凈化廠尾氣中的SO2為未完全反應(yīng)轉(zhuǎn)化的含硫組分燃燒產(chǎn)生，由于酸氣量大，未完全回收的硫組分燃燒產(chǎn)生的SO2在尾氣中的比例較高，約為0.152%。
◆煙氣中水分含量極高，接近60%。尾氣灼燒爐除對回收裝置尾氣進(jìn)行焚燒處理外，同時處理其他裝置的大量廢氣。例如以蒸汽作為動力抽吸出來的液硫池混合廢氣含有大量的蒸汽，加重了尾氣的水含量。由于SO可溶于水，SO和水反應(yīng)會生成亞硫酸和硫酸等強酸性腐蝕物質(zhì)，雖然較高的溫度不利于反應(yīng)向正反應(yīng)發(fā)展,但尾氣中不可避免地會有帶腐蝕性的酸性物質(zhì)產(chǎn)生。
◆凈化廠尾氣排放溫度高，平均可達(dá)560℃。
SO2在線監(jiān)測儀工作原理
萬州凈化廠使用的是分體安裝的非分散紅外SO2在線監(jiān)測儀系統(tǒng)。非分散紅外SO2分析儀是整套儀器系統(tǒng)的核心，采用的是德國SICK|MAIHAK公司開發(fā)和生產(chǎn)的新型氣體分析儀器S720Ex型氣體分析儀器。它利用SOz在紅外區(qū)域7300nm附近的光吸收進(jìn)行濃度測量，當(dāng)一束恒定的7300nm的紅外光通過含有SO2氣體的介質(zhì)時，被SO2吸收，光通量被衰減,測出衰減速光能量，即可求出SO2的濃
度1-2]。整套儀器系統(tǒng)是根據(jù)凈化廠的樣氣特點設(shè)計。儀器系統(tǒng)由取樣探頭、復(fù)合取樣管線、預(yù)處理系統(tǒng)和分析儀主機兒部分組成。
活塞取樣泵P將樣氣從尾氣煙囪中抽出，進(jìn)人帶保溫的探頭。在取樣探頭內(nèi)部，有一只可更換的不銹鋼網(wǎng)狀過濾器對樣氣中的塵粒子進(jìn)行過濾。取樣探頭內(nèi)部的蒸汽伴熱將過濾器溫度保持在140℃以上，樣氣中的水分將保持為氣態(tài)，同時避免樣氣中含有的氣體雜質(zhì)液化。過濾后的樣氣通過樣氣口進(jìn)人取樣管線。
取樣管線是復(fù)合管線,內(nèi)部由不銹鋼管線1根(樣氣管線)、紫銅管線1根(伴熱管線)組成，配有相應(yīng)的保溫層，外部加有防護套。蒸汽在伴熱管線中流動，使旁邊樣氣管線中的樣氣能夠保持在140℃以上，防止樣氣中的水分冷凝、結(jié)冰或與微小塵粒共同堵寒取樣管線，同時減少硫等雜質(zhì)的液化、冷凝。
樣氣出復(fù)合取樣管線后首先經(jīng)過電磁閥DC2進(jìn)入儲水罐L中。在儲水罐中，高速流動的樣氣經(jīng)過離心結(jié)構(gòu)將攜帶過來的水滴離心脫出。然后，進(jìn)人緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)緩沖。這樣，室溫作用下析出的水滴和氣流帶動的水滴將在其中沉積，其產(chǎn)生的冷凝水通過電磁閥DC5和電磁閥DC3的配合，在壓縮儀表氣的作用下排出柜外。然后，由泵P將樣氣送至下一級渦流冷凝器脫水。
分析儀器所需要的05L/min流量進(jìn)入到渦流冷凝器，進(jìn)行冷凝脫水，多余氣體通過旁路流量計F2放空(提高響應(yīng)速度)。微小流量的樣氣，在渦流冷凝器內(nèi)部與儀表風(fēng)通過熱交換面充分接觸，有效進(jìn)行熱交換。同時，流速減緩，減小了氣體本身的動能，使其沒有能力帶走冷凝過程中產(chǎn)生的水滴，冷凝水滴可以在取樣泵的出口壓力和重力的作用下，向下排出渦流冷凝器的排水口。
經(jīng)過以上預(yù)處理步驟的樣氣經(jīng)過電磁閥DC6(自動校準(zhǔn)切換)、手動三通閥ST1精密過濾G1，通過流量計F1控制，進(jìn)人分析儀器。分析后的樣氣通過排氣管排出。
預(yù)處理系統(tǒng)完成了樣氣的高溫狀態(tài)過濾、伴熱保溫傳送、室溫緩沖粗脫水、渦流冷凝器精脫水及精過濾過程。在這過程中，完成了對塵粒的過濾以及對水的降溫冷凝排放，使樣氣能夠滿足分析儀器的工作條件，延長其使用壽命。儀器系統(tǒng)自動完成樣氣的高溫過濾、伴熱保溫傳送、冷凝脫水、過濾和分析的過程，自動完成預(yù)處理產(chǎn)生的冷凝水的排放和取樣探頭的吹掃維護過程，具有手動取樣、取樣探頭反吹、冷凝水排放等維護控制功能。
在線監(jiān)測儀應(yīng)用中的常見問題及改進(jìn)建議
特殊的工況條件對在線監(jiān)測系統(tǒng)提出了更高的要求。由于監(jiān)測廢氣中氣體成分的復(fù)雜性，以及目前市場中的SO2在線監(jiān)測儀一般均基于鍋爐廢氣進(jìn)行設(shè)計，其在凈化廠的應(yīng)用中遇到了很大的困難。通過一段時間的現(xiàn)場應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其在凈化廠尾氣監(jiān)測實際用中存在的一些問題，針對存在的問題，提出了改進(jìn)意見和建議[3-4]
◆取樣探頭腐蝕、堵塞
取樣探頭一般采用不銹鋼材料制成，并帶有金屬材質(zhì)的過濾器，對尾氣中的雜質(zhì)進(jìn)行粗過濾。高溫尾氣遇冷會冷凝，造成硫酸等腐蝕性產(chǎn)物產(chǎn)生，對取樣探頭造成腐蝕。冷凝產(chǎn)物與固體雜質(zhì)混合物凝固后會造成取樣探頭特別是探頭過濾器的堵塞。
萬州凈化廠應(yīng)用中的改進(jìn):針對取樣探頭金屬過濾器腐蝕，選用了更耐腐蝕的不銹鋼過濾器。
建議:采用不銹鋼材質(zhì)的探頭過濾器，對取樣探頭進(jìn)行蒸汽保溫，定期清洗過濾器。
◆測量室污染
光測量室進(jìn)氣必須為無固體雜質(zhì)和冷凝物的混合氣體，如果過濾器過濾精度不夠或設(shè)置的過濾級數(shù)不夠，冷凝水未完全分離或者排水不暢都會造成測量室鏡片污染。
在萬州凈化廠應(yīng)用中的改進(jìn):
①針對樣氣中水含量高，預(yù)處理系統(tǒng)未能將水分充分分離，導(dǎo)致測量室進(jìn)水的問題，在渦流冷凝器前增加了一級冷凝儲水罐12,其功能與L一致。冷凝水滴
依靠取樣泵的出口壓力和重力的作用，連續(xù)向下排出。
②針對冷凝水排水不暢，經(jīng)分析是由于泵P的出口壓力低，冷凝罐L2及渦流冷凝器W的連續(xù)排水口僅依靠泵壓和重力的作用無法確保冷凝水順暢排出儀器。對此，將儀器增加了兩個連續(xù)排水口進(jìn)行定時壓力排水，采用具有更高壓力的儀表風(fēng)強行將冷凝水排出儀器。
建議:①設(shè)置多級精細(xì)過濾器，濾除樣氣中的粉塵等雜質(zhì);②選用漩渦冷凝器或壓縮機冷凝器與多級分離罐組合對樣氣中的水分進(jìn)行分離，保證分離效果;③設(shè)置自動除、排水系統(tǒng)，保證樣氣中的水分全部冷凝、分離并全部排出，防止帶人測量室;④采用可更換的過濾組件。可更換的過濾組件使儀器的維護工作更為簡便，并能隨時檢查過濾組件的性能。
◆處理器電路損壞
處理器電路損壞主要發(fā)生于一體式安裝分析儀，一-體式安裝造成分析儀與高溫尾氣直接接觸，同時高溫尾氣未經(jīng)過較大幅度降溫就進(jìn)入儀器，造成儀器溫
度超高。若開大降溫儀表風(fēng)，則會造成樣氣在儀器內(nèi)部冷凝，進(jìn)而腐蝕、堵塞儀器。分析儀處理器電路長期工作在較高的環(huán)境溫度下，電路壽命縮短，容易損壞。
建議:采用采樣、分析分體式結(jié)構(gòu)，將分析儀處理器等電路部分遠(yuǎn)離高溫環(huán)境。根據(jù)凈化廠尾氣煙囪的特點,取樣點通常在距地面15m以上的高處，分體式安裝還可以將分析儀主機放置在更適于日常巡檢、維護的地面。
◆取樣管路堵塞
取樣管路堵塞常見于分體式安裝。由于保溫故障造成管線樣氣冷凝堵塞管道。
建議:測量管線宜采用蒸汽伴熱復(fù)合管。凈化廠有穩(wěn)定的低壓蒸汽系統(tǒng)，只要保證蒸汽壓力和疏水功能正常即能確保樣氣在測量管線中不冷凝。同時，與電伴熱相比，蒸汽保溫可以達(dá)到更高的保溫溫度。
結(jié)束語
在線檢測儀選型應(yīng)充分考慮天然氣凈化廠的實際工況，加強對SO?在線監(jiān)測儀實際應(yīng)用中保溫、過濾、冷凝等環(huán)節(jié)的日常維護。SO2在線監(jiān)測儀在凈化廠的成功應(yīng)用不僅提供了污染物外排的監(jiān)測數(shù)據(jù)，還為裝置操作提供了重要的參考依據(jù)，對提高硫回收率、減少污染物排放起到了很好的促進(jìn)作用。
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