化學(xué)傳感器在石化工業(yè)中的應(yīng)用
時間:2008-06-12 10:40:00來源:fenghy
導(dǎo)語:?石油化工產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟有重要影響,整個石化工業(yè)領(lǐng)域包括:上游的輕油裂解煉油廠、中游的塑料中間原料廠和屬于下游的塑料加工及塑料化工廠等。
石油化工產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟有重要影響,整個石化工業(yè)領(lǐng)域包括:上游的輕油裂解煉油廠、中游的塑料中間原料廠和屬于下游的塑料加工及塑料化工廠等。在上述各類工廠的生產(chǎn)工藝過程中經(jīng)常會不同程度的產(chǎn)生或排放一些污染性有害氣體如:H2S、SO2、NOX、VOC、CO、CH4、NH3、Cl2等,因此,除需使用各種化學(xué)傳感器來檢測這些有害排放物質(zhì)之外,還將它們用于生產(chǎn)工藝過程的控制、工業(yè)安全保障、工藝衛(wèi)生、環(huán)保與污染防止等多項用途。尤其是在生產(chǎn)安全和環(huán)境保護方面越來越引起各方面的高度重視。
目前石化工廠對許多化學(xué)物質(zhì)的檢測,主要依靠使用各種化學(xué)傳感器,在石化工廠中比較常見的化學(xué)傳感器有:加氫裂解反應(yīng)工藝過程檢測H2泄漏或H2S排放的傳感器,鍋爐燃燒過程的SOX和NOX排放及內(nèi)燃機等的燃燒過程控制的O2濃度的檢測傳感器,以及制造工藝所排放的VOC的監(jiān)測等。使用化學(xué)傳感器可快速準(zhǔn)確的檢測待測物或排放物的種類與濃度,傳感器對不論液相還是氣相的化學(xué)物質(zhì)或污染物質(zhì),在分析檢測過程中都起著重要作用,并且隨著化學(xué)傳感器技術(shù)的進步與發(fā)展,傳感檢測法將逐漸取代常規(guī)的傳統(tǒng)分析方法,并隨著檢測自動化技術(shù)的進步,傳感器的應(yīng)用必將更加普遍與廣泛,使用量也會與日俱增。本文簡要介紹石化工業(yè)中化學(xué)傳感器的應(yīng)用情況,如傳感器的種類、靈敏度、穩(wěn)定性、所受干擾的程度、用途需求及維修保養(yǎng)等,供有關(guān)部門及工程技術(shù)人員參考。
一、化學(xué)傳感器的原理分類
化學(xué)傳感器是一類專門用于檢測、感知化學(xué)物質(zhì)的特殊傳感器,通常用于檢測氣體或液體中的特定化學(xué)成分,并將該化學(xué)成分的濃度信號轉(zhuǎn)換為可檢知的電流或電壓信號?;瘜W(xué)傳感器除廣泛用于石油化工系統(tǒng)之外,在現(xiàn)代生活中還廣泛應(yīng)用于諸如汽車、溫室、樓宇瓦斯報警及公共場所等[4]?;瘜W(xué)傳感器的種類繁多,根據(jù)多數(shù)文獻介紹,一般常用的化學(xué)傳感器按其工作原理有以下幾種:
1. 觸媒催化或可燃性氣體傳感器,根據(jù)待測的化合物與觸媒的催化反應(yīng)所 釋放的能量H,并引起溫度的變化,再依據(jù)方程式H=CPT(式中的CP為比熱),再根據(jù)因溫度的改變T所引起其所在的電阻發(fā)生的電阻值變化,通過惠斯頓電橋測出產(chǎn)生的電壓信號。被測氣體的濃度越高,其燃燒后產(chǎn)生的熱量越多,引起電阻變化也越大,故由溫度變化的多少,可以換算成該化合物氣體的濃度值。
2.半導(dǎo)體或氣體傳感器,根據(jù)半導(dǎo)體材料與待測氣體接觸后,被吸附的氣體與半導(dǎo)體之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而引起半導(dǎo)體敏感材料的電阻特性變化,利用此類半導(dǎo)體電阻特性變化來比較測定氣體濃度的傳感器稱為電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器。
3. 電化學(xué)傳感器
(1)濃差電池式氣體傳感器:利用傳感器兩面氣體濃差差異而產(chǎn)生濃差電勢進行測量,其濃差電勢一般符合能勢特方程。
(2) 界限電流式氣體傳感器:在一定工作電壓下由于受傳感器特定擴散腔體及擴散孔的限制,工作電流呈現(xiàn)出飽和現(xiàn)象,并且該飽和電流值與被測氣體的濃度存在一定的函數(shù)關(guān)系,從而達到對被測氣體的測量。
4.光學(xué)式氣體傳感器:采用被測氣體的濃度與光投射強度相關(guān)的原理進行氣體濃差測量。
5. 其他新型氣體傳感器。
二、化學(xué)傳感器在石化產(chǎn)業(yè)的使用概況
1.化學(xué)傳感器的使用量
一般化學(xué)傳感器主要用于探測包括:H2S、O2、NOX、NH3、HCN、HF、COX、HCl、Cl2、SOX、CH4及VOC等,根據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo),我國某地區(qū)的89家石化工廠中所使用的化學(xué)傳感器按照工作特性又分成自動監(jiān)測式與攜帶式兩種,自動監(jiān)測式化學(xué)傳感器的使用量統(tǒng)計表如表1所示:
其中觸媒式傳感器用量最多,共有1136只,半導(dǎo)體式居第二,共972只,電化學(xué)式889只居第三位,光學(xué)式有149只居第四,其他12只,合計使用3158只傳感器,由以上統(tǒng)計可以看出化學(xué)式傳感器的使用十分普遍,其中以觸媒燃燒式傳感器的用量最大,可能的原因是其成本低廉故較受歡迎的緣故。在各類傳感器的使用中又以VOC監(jiān)測的用量最大共計1876只,其中包括觸媒式855只,約占45%,與半導(dǎo)體式817只,電化學(xué)式177只,光學(xué)式21只,其他6只,可見觸媒式仍然是用量最多的,再其次為CH4傳感器總共用量385只。
攜帶式化學(xué)傳感器的使用以半導(dǎo)體式的傳感器的用量最多共84只,電化學(xué)式居第二位共83只,觸媒式52只居第三位,光學(xué)式有7只,其他23只,總計用量249只,可見攜帶式的用量明顯少于自動監(jiān)控式的用量,即一般工廠仍以固定監(jiān)控式為主,移動式監(jiān)控為輔,并多用于排放源固定且需隨時跟蹤檢測的場合,其中攜帶式化學(xué)傳感器又以半導(dǎo)體式最多,主要可能是體積可以縮小便于攜帶,其中以對CH4監(jiān)測的有91個為最多,其次為VOC有78個居第二位,O2有45個居第三,從統(tǒng)計表可以看出,目前石化工廠最常使用的仍以探測碳氫類化合物質(zhì)的氣體為主。
2.石化工廠排放化學(xué)物質(zhì)的種類
石化工廠從制造工藝過程中所排放的化學(xué)物質(zhì)的種類甚多,例如有帶惡臭類的胺類、硫醇類等,還有毒性氣體如CO、Cl2,可燃性氣體如甲烷、碳氫化合物等,揮發(fā)性有機氣體VOC等,被統(tǒng)計調(diào)查的我國某地區(qū)幾十家石化工廠中,所排放的化學(xué)物質(zhì)如表3所示,以SOX與VOC為最多,各占38家,另外還有NOX占31家居第二位,O2的探測也占很高比例有25家,其余的特殊化學(xué)物質(zhì)如CPL、Benzene等較少,由表3可以看出,石化工廠化學(xué)傳感器的使用仍以針對環(huán)保檢測氣體較具共通性,其余特殊工藝所排放的氣體較少,而SOX與NOX大多來自石油或煤的燃燒所產(chǎn)生的環(huán)保管制性氣體。
3.化學(xué)傳感器的主要用途
化學(xué)傳感器的用途十分廣泛,如用于瓦斯泄漏報警,空氣污染排放管制,及工藝衛(wèi)生與安全檢測、工藝過程管理等。據(jù)統(tǒng)計有71%的傳感器用于環(huán)保監(jiān)測,25%的傳感器用于生產(chǎn)工藝過程控制,工藝安全與工藝衛(wèi)生方面的傳感器用量約占4%左右。由此可看出大多數(shù)的化學(xué)傳感器是用在環(huán)保方面。此外,一般石化工藝過程與工藝衛(wèi)生方面的分析檢測仍多用傳統(tǒng)分析方法進行,目前使用化學(xué)傳感器的數(shù)量并不大,但預(yù)計今后在這方面的使用量將逐漸增多。
4.化學(xué)傳感器的生產(chǎn)廠商
我國某地區(qū)石化工廠中使用的化學(xué)傳感器主要由國外廠商供應(yīng)并提供相應(yīng)的技術(shù)支撐與服務(wù)。一些有關(guān)環(huán)保方面檢測項目,例如煙道排放則由環(huán)境工程公司承包,但傳感器安裝、維修、更換也均由該公司代理國外供應(yīng)商完成。以SOX傳感器為例,生產(chǎn)廠商很多而且分散。
可以看出在SOX自動監(jiān)測系統(tǒng)中,傳感器主要使用COSMOS、HORIBA和THERMAL ENVIRONMENT INSTRUMENT三家產(chǎn)品,分別占自動監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器數(shù)目的12%、23|和17%,三家供應(yīng)43臺,占自動監(jiān)測系統(tǒng)52%的用量。在便攜式傳感器中,以TESTO為主,占便攜式傳感器中75%(3臺),對SOX的監(jiān)測主要使用自動監(jiān)測系統(tǒng),其中又以光學(xué)式傳感器的使用為主。
6.問題討論與分析
(1) 干擾問題
目前傳感器在使用中普遍存在的問題是選擇性或受干擾等問題,以對SOX的監(jiān)測系統(tǒng)為例,最常見的可能干擾如水蒸氣冷凝會吸附燃燒的SOX,因其溶解度很大使所測得的濃度往往就偏低;另外,光學(xué)傳感器的感光頻率在同時感應(yīng)兩種物質(zhì)時,會無法分辨而導(dǎo)致測試濃度值增大,或者因吸收頻率相近產(chǎn)生干擾,如NOX對SOX的干擾。又如觸媒式燃燒傳感器的選擇性不夠好,對各種可燃性氣體均會產(chǎn)生信號,該傳感器會有良好的再現(xiàn)性與較好的穩(wěn)定性,但選擇性差。另外,半導(dǎo)體式傳感器也會受到類似分子吸收污染粒子的影響,會引起信號不準(zhǔn)及失靈等現(xiàn)象;電化學(xué)傳感器也存在易受電解液干涸或環(huán)境濕度與低變化影響的缺點。
(2)化學(xué)傳感器監(jiān)測位置問題
要求傳感器的監(jiān)測位置要以能檢測出正確的測試位置為目的。例如SOX監(jiān)測系統(tǒng)的安裝地點、位置必須有一定的代表性與適應(yīng)性,一般安裝在煙道排放出口前的1/3處。其好處是采樣參數(shù)有代表性,缺點是有的煙囪太高會帶來維修上的困難。
(3)燃油成分與污染排放的關(guān)系
我們知道,燃油成分與其燃燒后污染物的排放有密切關(guān)系,例如以某石化廠煙道的SO2排放監(jiān)測結(jié)果為:一個月的平均日排放值為32ppm,日最大值為34.2ppm,日最小值為29.7ppm,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)SO2傳感器所偵測的排放濃度與當(dāng)天燃油成分中硫含量成正比,使用SO2傳感器對鍋爐燃燒所排放的SO2量也同樣與燃油中的硫含量有密切關(guān)系。
[b]三. 結(jié)論:
[/b]
(1)通過對我國某地區(qū)石化工廠所使用的傳感器的統(tǒng)計分析可以看出,目前以VOC傳感器的用量最大,而其中又以觸媒式占的比例最高(約45%),攜帶式傳感器用量明顯少于自動監(jiān)測系統(tǒng)。
(2)化工廠排放的化學(xué)物質(zhì)以SOX和VOC最普遍,其次為NOX,化學(xué)傳感器的應(yīng)用目的又以環(huán)境保護為主(占71%),其次是工藝過程控制,在石化工廠中多采用使用價格昂貴的光學(xué)式傳感器的自動監(jiān)測系統(tǒng)。
(3)SOX燃燒氣體排放濃度與燃燒中含硫量成正比,選用低含硫的燃燒可大幅度節(jié)省傳感器的設(shè)計及人力成本。
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