李曄，袁學民，趙柱

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

對置四噴嘴水煤漿氣化采用氣流床反應器，工藝流程：水煤漿經加壓送至氣化爐噴嘴與氧氣按一定比例進行均勻混合，以霧狀的形式噴入1 250℃，6.5MPa的氣化爐內，進行非催化性的快速火焰型反應，通過控制氧量／水煤漿量，使煤部分氧化，制取水煤氣。水煤氣經過文丘里洗滌器、旋風分離器、洗滌塔洗滌除塵制成飽含水蒸氣的合成氣。

1 合成氣成分分析

水煤漿氣化工藝是以純氧和水煤漿為原料，采用氣流床反應器，在加壓非催化條件下進行部分氧化反應，生成以CO，H2為有效成分的粗煤氣，同時含有CO2，水蒸氣以及少量CH4等，在線分析儀表主要對CO，H2，CO2，CH4進行分析，響應時間需小于10s。

2 在線分析儀表選擇

根據工藝要求需要對洗滌塔出口的合成氣中CO，H2，CO2，CH4的體積分數進行分析。根據測量原理，可采用工業(yè)在線氣相色譜儀、紅外分析儀加熱導分析儀、質譜儀等分析儀表。應用質譜儀分析，可快速做出全組分氣體體積分數的精確分析，且滯后時間小，并可做相關的補償和計算。應用氣相色譜儀可做全組分體積分數分析，并可做相關補償和計算，但存在一定滯后。此外，色譜儀與質譜儀的后期有一定的維護量。采用多臺紅外分析儀加熱導式分析儀，每一臺紅外分析儀分別測量CO，CO2及CH4，熱導式分析儀測量H2。紅外分析儀有很高的選擇性系數，適合于對多種氣體的混合氣中某一待分析氣體的測量，且滿足高靈敏度、高精度響應時間的要求。筆者參與設計的某項目中采用紅外分析儀加熱導分析儀，可連續(xù)顯示相應組分的體積分數。4臺在線分析儀安裝在一個專用分析盤柜內，并配置1套氣體預處理裝置。粗合成氣處于高壓、高溫狀態(tài)，含有部分灰，要經初步減壓、降溫、除塵后，至分析室再次減壓，并進行試樣分配，分別連接至4臺分析儀。另外，混合氣組分之間的補償計算應該在積累更多分析數據的基礎上，找出組分補償的精確公式。其中測量CH4的紅外分析儀，通過分析合成氣中的CH4體積分數進行計算，間接得出氣化爐的操作溫度，這樣可對熱電偶所測的氣化爐溫度進行確定，以便實時掌握氣化爐的運行狀況，保證氣化爐安全、穩(wěn)定的運行。

3 預處理系統

為保證分析儀在最短的滯后時間內得到有代表性的工藝試樣，需要配置預處理系統。在線分析儀表對樣氣的要求很高，進入儀器的樣氣必須是無腐蝕、干燥潔凈的氣體，因而需要對樣氣進行處理。在線分析儀表運用是否成功，除分析儀表自身質量外，另一個關鍵因素是預處理系統，該系統具有以下特點：不改變樣氣的組成；維護量?。贿\行周期長。氣體的預處理過程：從水洗塔頂部取出高溫、高壓氣體首先通過減壓閥減壓，降至足夠低的壓力，然后通過水封槽對氣體進行洗滌、冷卻和穩(wěn)壓，用脫硫劑進行脫硫，再通過硅膠或五氧化二釩除去氣體中的水分，就成了可供分析的氣體。在線分析系統由取樣裝置、試樣傳輸、處理裝置（包括前處理單元和預處理單元）、分析儀表組成。

原始設計條件中合成氣各組分體積分數（濕基）如下：H2，15.43%；CO，18.83%；CO2，7.24%；H2S，0.11%；氧硫化碳，0.005%；CH4，0.022%；N2，0.24%；氬氣，0.05%；氨氣，0.033%；水蒸氣，58.04%。經4套預處理系統后有效氣體體積分數（干基）為：H2，36.77%；CO，44.88%；CO2，17.25%；CH4，0.052%。

3.1 試樣提取

試樣的提取要保證試樣具有代表性并且在滿足正常分析需要的前提下盡量減少取樣量，要求在通過取樣系統后不會引起組成和體積分數的較大變化。洗滌塔合成氣的取樣裝置如圖1所示，取樣點位于洗滌塔頂部合成氣出口管線上，氣體組分中水蒸氣的體積分數較高（約為60%），而且介質中還含有固體顆粒（碳黑、微塵等，約為1mg／m3）和反應副產物。

圖1 取樣裝置示意注：1in＝25.4mm

3.2 試樣傳輸

試樣處理系統具有將試樣從取樣點輸送到過程分析儀表入口端的功能。試樣的傳輸時間是在線分析儀時延的重要因素，傳輸管線最好是筆直地到達分析儀，保證有最小數目的彎頭和轉角。該項目試樣傳送管線采用φ10mm×1mm不銹鋼材質的Tube管。考慮到該項目在寒冷地區(qū)，合成氣中含有60%的水蒸氣，需用低壓蒸汽對試樣傳輸管線進行伴熱和保溫。另外，試樣傳輸管線應盡可能短，以減小分析儀表的滯后時間。

分析滯后時間為試樣系統滯后時間加分析儀的響應時間。對于連續(xù)型分析儀表，與工藝要求的分析時限相比一般均能滿足。因此，重點應放在試樣從取樣點傳送到分析儀的過程中，包括試樣處理的各個環(huán)節(jié)，盡可能把試樣系統滯后時間延遲減至最低。試樣系統滯后時間可采用體積流量計算法：用試樣系統的總容積除以試樣體積流量，即可得到試樣傳送時間。計算公式：

式中：Tt——總的試樣傳送時間；qV——試樣體積流量，V——試樣系統總容積，由試樣管線容積和試樣處理部件容積兩部分組成：V＝πd2L／4＋∑Vi（d——試樣傳送管線內徑；L——試樣傳送管線長度；Vi——試樣處理部件容積，i＝1，2，…，n）。則Tt＝（πd2L／4＋∑Vi）／qV＝T1＋T2，T1＝πd2L／4qV，試樣通過傳送管線的時間；T2＝∑Vi／qV，試樣通過處理部件的時間。

試樣在傳送過程中還存在體積分數變化滯后問題，根據試樣體積分數階躍變化時的一階滯后效應，試樣處理部件的傳送滯后時間相當大。因此，對T2＝∑Vi／qV用一個經驗系數修正為T2＝∑Vi／qV×3。

試樣在傳送過程中同樣存在體積分數變化滯后問題，由于阻容環(huán)節(jié)體積很小，對T1＝ πd2L／4qV用一個經驗系數加以修正為T1＝πd2L／4qV×（1.2～1.5）。

3.3 處理裝置

前處理單元對取出的試樣進行初步處理，使試樣適宜傳輸，縮短試樣的傳送滯后，減輕預處理單元的負擔，如減壓、降溫、除塵、除水等。預處理單元對試樣做進一步處理和調節(jié)，如溫度、壓力、流量調節(jié)和精細過濾、除濕干燥、去除有害物等；安全泄壓、限流和流路切換，一般也包括在該單元之中。由于在線分析儀表的種類、分析的介質及工況不同，試樣預處理也不同。鑒于在線分析儀表的幾個特點，預處理系統必須達到如下要求：

a）使進入儀表的試樣條件一致，即抑制溫度、壓力及含塵量等方面的變化。b）盡量以最小的滯后把試樣送至分析儀表。c）通過預處理裝置后，被測混合氣的性質不發(fā)生改變。

d）為了在線分析儀表能連續(xù)作用，要求長時間的保持穩(wěn)定。一套完整的預處理系統由取樣（取樣探頭、取樣閥），過濾（除塵、除機械雜質），壓力調節(jié)（減壓或抽引），溫度調節(jié)（降溫或加溫），有害或干擾成分處理（除油霧、水分、腐蝕性介質等），流量調節(jié)等組成。有時還需要增加多點切換、旁路系統、管線吹掃系統、氣體混合、化學反應或轉化、管線伴熱、排氣、排液等輔助環(huán)節(jié)。

3.4 分析儀表

根據工藝要求對洗滌塔出口的合成氣中CO，H2，CO2，CH4的體積分數進行分析。紅外氣體分析儀具有測量范圍寬、靈敏度高、精度高、穩(wěn)定性好、響應時間快的特點，利用紅外線吸收原理進行測量，CO，CO2，CH4對特定波長的紅外線有一定的吸收作用，并有相對應的吸收系數，吸收掉的紅外線能量與氣體的體積分數有對應的線性關系。紅外氣體分析儀檢測器選用薄膜電容檢測器，它由金屬薄膜片動極和定極組成電容器，當接收氣室內的氣體壓力受紅外輻射能的影響而變化時，推動電容動片相對定片移動把被測組分體積分數變化轉變成電容量的變化，并送至微處理器進行數據處理。熱導分析儀是利用氣體不同的熱導速率來進行測量，由于H2的熱導系數較高，當被測氣體以恒定流速流入分析儀時，熱導池內的鉑熱電阻絲阻值會發(fā)生變化，通過電路將信號放大、溫度補償、線性化后，使其成為測量值。

在線分析儀安裝在氣化裝置的現場，現場環(huán)境為防爆2區(qū)，現場設置了分析小屋，為其提供良好的運行環(huán)境和特殊的防護。將分析儀安置于分析小屋內，以確保分析儀表的集中管理和方便維護，分析小屋內電氣部件選用防爆型。分析小屋本體為型鋼焊接框架式結構，雙層墻夾層帶保溫設計，采用內嵌式滑架結構，材料均為304不銹鋼，小屋外設有防爆電源箱、防爆信號接線箱，帶有安全鏈的鋼瓶固定架，各取樣口和公用工程接口。小屋內設有各種分析儀表，預處理器、集氣盤、排放管，防爆空調機，防爆排氣扇、暖氣包，防爆照明，并設有安全控制系統；當分析小屋內的可燃氣體（氫氣）、有毒氣體（一氧化碳）超過設置體積分數下限的10%時，防爆排氣扇通過控制系統的PLC聯鎖，置換分析小屋內空氣，并輸出報警接點信號至DCS，當報警消除后，風機自動停轉。

4 結束語

該工程開車運行一年后，以上設計的在線儀表分析系統在水煤漿氣化裝置中運行狀況良好，分析數據穩(wěn)定、可靠，分析系統維護量小，對氣化爐的穩(wěn)定操作起到了很好的指導作用，為氣化爐的安全運行提供了有效的幫助。

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