原位式激光分析仪在乙烯裂解炉烟道气CO测量的应用体会

一、概述

在线分析仪器在化工生产中的地位越来越重要,使用在线分析仪进行质量控制、工艺监测和优化是化工生产现代化的重要标志之一。合理选用和安装在线分析仪表是提高化工产品质量，实现优化控制的保证，也是化工生产取得效益的关键^[1-4]。

在乙烯裂解装置当中，裂解炉是乙烯装置能耗的核心，其裂解炉的燃烧控制状况直接决定了装置的能耗水平和运行效率，直接影响到装置的效益水平。

目前，在裂解炉的燃烧控制方面一般采用氧化镐分析仪进行裂解炉的烟道气氧含量测量，同时裂解炉控制方案当中，一般会采用在线分析仪进行CO含量分析，以监测裂解炉烟道气中CO含量，从而实现裂解炉燃料燃烧状况监测，优化裂解炉运行状况，制裂解炉的燃烧过程，判断燃料的利用率，炉子的热效率，提高燃料燃烧效率，消除燃料浪费和热量损失，进而提高燃料利用效率，同时达到节能环保的目的。

二、裂解炉烟道气应用的特点

在乙烯装置的裂解炉分析CO的作用是，对裂解炉燃料的燃烧状况进行连续监测，控制烟道气中CO的含量低于一定的参数（一般设计值为100PPm）。

裂解炉的燃料一般为燃料油和装置产生的可燃烧废气，由于燃料清洁，燃烧后烟气的状况较为理想，工作温度一般在120到170摄氏度之间，除氮气外主要成分是氮气燃料燃烧后产生的二氧化碳和水，少量的氧气等除含有少量的颗粒外无其它杂质，是一种较为理想且便于测量的工况，一般情况下设计单位会选择红外分析仪抽取烟道气样品进行取样分析测量。

我厂裂解炉装置目前采用了一台西门子的LDS6激光分析仪对单台裂解炉进行烟道气中的CO含量进行原位分析测量，从而实现对裂解炉燃烧状况的连续监控，运行以来一直工作正常。

激光气体分析仪采用的是原位式（或称直插式）测量技术，在被测工艺管线上直接进行测量。与传统的抽取式气体分析不同，原位式分析并不需采样管路抽取、输送样气，更无需对样品进行预处理。这样，激光分析仪的基本配置较抽取式分析仪简化了许多，西门子公司的LDS6激光气体分析仪系统（如图1所示）分为中央处理单元、发射探头、接收探头、信号光缆及附件。

根据吉林的气候条件，在原有的系统基础上，厂家另提供保温箱用于冬季对探头加热、保温（见图2和图3）。

图1：LDS6激光气体分析仪系统示意

由于激光气体分析仪无需采样装置、样品输送管线和样品预处理系统，系统简单，直接在待测点完成测量，无需样品采集、输送及预处理，尽可能地缩短响应时间。

传统的抽取式气体分析仪应用时需要了解待测介质的组成，考虑各成分之间可能存在的相互干扰，以此判断与选择适合的分析仪种类。激光气体分析仪发出的激光波长被调制精确等于某种特定气体的吸收线，所发的单色激光只被扫描光谱范围内具有特定吸收谱线的特定成分有选择地吸收，测量过程中没有任何交叉干扰。相对比传统分析方法具有更高的精确度。激光分析仪的吸收谱线也可被称为“单线吸收谱”。

激光分析仪发射探头所发宽束激光穿过待测烟道，信号经接收探头获取，整个光束所穿过的气体均参与了分析，进行“线”采样，可最大限度反映整个烟道内CO的真实含量。

图2：现场安装的LDS6激光气体分析仪探头

图3：LDS6激光气体分析仪探头保温箱

三、分析仪器选用探讨

目前对于裂解炉烟道气这样的较为清洁的样品的连续取样样分析的技术已经十分成熟可靠，应用也十分广泛。但是相对于原位分析来说它的缺点也同样明显。

首先，连续取样分析的实时性受到多方面因素的影响，系统滞后较大，并且由于样品输送管道一直工作在负压条件下，存在样品管道泄漏样品收到外界干扰的的可能，样品滞后也是连续采样分析的固有特点之一，并且其滞后时间受到样品压力、温度、流量等多方面因素的影响并不稳定，从而对实时采集样品数据的准确性和精确控制造成不良影响。

其次，连续取样分析的样品典型性受到多方面因素的影响，由于连续采样系统只是对系统的单一位置进行单点连续取样，虽然在取样的选择上可以是理论上的理想点，但毕竟现场工况千变万化，单点的样品与现场实际介质还是会产生很大的差别影响分析结果的准确性和客观性；并且，样品在采样和传输的过程当中还可能由于外部条件的变化而产生变化，有时这种变化会对样品的组成成和含量产生明显的影响，从而影响测量的准确性。

同时，较长的样品传输管线也会引发故障，由于裂解炉在运行过程中需要定期进行清焦作业，此时一部分焦粒会由于采样系统的抽吸作用进入到采样和输送管道当中并可能在停留在管道中的某些位置，进而发生管道堵塞，引发故障;并且，由于烟道气中含有大量燃烧产生的气态水，当这些水进入烟道样品管线当中时，如果管道没有良好的保温伴热就会凝结成液态水，或者与管道内的焦粒和其他杂质混合堵塞管道，或者直接影响仪表测量，甚至损坏仪表。

除此之外，连续采样分析的样品预处理系统的安装与维护费用也是一笔很大的投入，以乙烯装置的工况为例，如在该点采用连续取样红外分析系统，系统中必然设置用于样品抽吸的抽吸泵并要铺设从炉顶烟道取样点到分析间的带有伴热和保温的样品管线等预处理设施，这将是一笔不小的投入，这些费用相加，基本被抵消了红外在线分析仪原本的成本优势；同时由于有较多的可动部件和设备，伴热系统消耗和其他的设备故障无法避免，会对人员维护和设备后续投入提出较高要求，产生较大后续费用，而采用激光分析仪的系统基本由于没有采样系统和可动部件所所需得备件和消耗物料极少，人员维护和检修内容极少，所以其投资基本上可以一次完成，后续的成本有较大的优势。