甲烷红外分析仪在制氢装置上的应用与改进

　　1　引　言

　　10 000Nm3/h制氢装置是为解决本厂氢源严重不足建设的,利用水蒸气与焦化干气按比例混合后进入转化炉,在转化炉管内的催化剂作用下反应生成H2、 CH4、CO及大量的水等副产物,其中氢气纯度约为69%,甲烷含量大于不等于6.0%(干基)。正常情况下转化炉出口甲烷一般在3%~5%之间,水蒸气 在30%左右,准确测量及控制甲烷含量有利于优化工艺操作,提高原料利用率和工业氢纯度。制氢装置中甲烷分析仪选用英国SERVOMEX公司生产的 2500型红外分析仪。

　　2　甲烷红外分析仪工作原理

　　甲烷红外分析仪主要是基于不同的气体有选择性地吸收2~10μm波长的红外线亦即特征波长(CH4的特征波长为3.3~7.65μm)这一性质而制作的。

　　根据郎伯-比尔定律:

　　I = I0e-KCL

　　式中:I0———通过待测组分前的光强度;I———通过待测组分后的光强度;K———待测组分的吸收系数;C———待测组分的克分子百分浓度;L———光线通过待测组分的长度。

　　当光线通过待测组分的长度L,以及通过待测组分前的光强I0一定,且K对某种待测组分而言又是一个确定的常数时,透过光强度I仅是浓　度C的单值函数,并且I随着待测组分浓度的增　　加而以指数规律下降,如图1所示。

　　从图1中可以看出,当C很小时,I与C可近似为线性关系。而且从数学式上看,当KCL很小时,郎伯-比尔定律可以用线性吸收规律来代替,即:

　　I = I0(1-KCL)

　　因此在一般红外分析仪器中,为了保证仪表的读数与浓度之间成线性关系,当被测气体一定,K即固定,只能使C、L值较小。所以,需要测量介质的浓度C不同,选用的分析管长度L就不同。

　　对于一台制造好了的红外线分析器,其样气组分已定,亦即吸收系数K一定,光源强度I一定,测量气室长度L一定,那么透过光强度I0只决定于气体中甲烷组分的浓度。直接或间接地测出透过光强度I0,便可知道样气组分中甲烷的浓度。

　　3　甲烷红外分析仪改造前运行情况及问题分析

　　制氢装置甲烷红外分析仪采样口选择在转化气余热锅炉ER-102出口,出口温度约为350℃,压力4MPa,用DN18无缝钢管采低压蒸气伴热 自一次阀至分析小屋恒温箱入口。设计初衷是使样气中所有组分包括水保持气态,直接通过红外测量室,从而测出样气组分中的甲烷含量。因此这套分析仪的预处理 系统比较简单,如图2所示。

　　甲烷红外分析仪自2001-11底投用以来,造成不能正常使用的最大问题就是无法保证所有样气组分以气态方式通过红外测量室,由于样气本身含水 量大且不固定,而测量室与采样口之间的温差悬殊,虽然采取了各种保温措施,但始终不能解决样气相态问题。工艺生产稳定时,仪器最高显示120%,这显然是 由于液态水吸收了大量的红外线,造成甲烷含量超高的假指示,使测量失去了意义。