焦炉气转化装置中在线分析系统的应用

刘伟

（华陆工程科技有限责任公司，西安710065）

1 引言

焦炉气是炼焦的主要副产物之一，其主要组分有H2、CH4、CO、CO2、O2等。焦炉气只有一部分返回炼焦炉燃烧或者供给居民作为燃料气，大部分直接送至火炬燃烧后排放到大气，浪费资源的同时也加剧了环境污染[1]。近年来，我国已成为世界上最大的焦炭生产国之一，副产焦炉气量巨大，焦炉气的综合利用成为工业化利用的研究热点[2]。利用焦炉气制乙二醇是目前焦炉气综合利用中最具增值效果的，其中又以非催化转化工艺路线具有较强的经济效益[3，4]。

采用非催化部分氧化技术的焦炉气转化装置是焦炉气制乙二醇所需合成气制备的关键环节，非催化部分氧化工艺操作温度、操作压力均较高，反应迅速且复杂，装置的操作运行有一定的危险性。对焦炉气中氧含量及焦炉气转化后H2、CO、CO2、CH4浓度的快速准确测量能够反映焦炉气转化装置是否安全平稳运行。对分析仪表合理选型才能够保证焦炉气转化装置安全平稳运行。目前，对焦炉气相关分析仪的工程应用及研究主要集中在炼焦、冶金行业中[5～7]，焦炉气非催化部分氧化等焦炉气深度利用转化装置中分析仪的工程应用介绍较少。

本文以某焦炉气制乙二醇项目的焦炉气转化装置为背景，结合非催化部分氧化工艺特点、在线分析理论及实际工程应用阐述了焦炉气转化装置在线分析系统的选型设置、应用等，对今后同类装置在线分析系统选型设置提供一定参考。

2 在线分析系统在焦炉气转化装置中的应用

某焦炉气制乙二醇项目为炼焦厂配套项目，采用非催化部分氧化工艺转化焦炉气制取合成气、间接法合成乙二醇。间接法合成乙二醇需要CO和H2等原料气。气柜储存的焦炉气经压缩、预热后与O2按一定比例送至转化炉，经反应将焦炉气中的CH4等转化为合成气（含CO和H2等），废热锅炉回收反应热后再经水洗塔净化得到合成气，最后经气体分离得到满足乙二醇合成所需的CO和H2。

2.1 激光分析仪的应用

焦炉气中氧含量超标时会有燃烧甚至爆炸的危险，为保证气柜及后续装置的安全需在气柜进口、出口设置用于检测进出气柜焦炉气氧含量的分析仪。

激光分析仪具有原位测量、不需取样及样品预处理；测量不受过程气体中粉尘影响等优势。氧气的近红外波长为0.76μm，激光分析仪对氧气的测量下限为1.0×10-4mg/L。因此，激光分析仪适用于含有粉尘、微量焦油等的焦炉气氧含量测量。为最大限度降低焦炉气中粉尘、焦油等杂质对分析仪测量的影响，采用工业纯氮（≥99.99%）对分析仪的发射和接收单元视窗进行吹扫，避免视窗污染影响测量结果。

采用激光分析仪可以快速准确地对焦炉气中氧含量进行检测，分析仪响应速度快，原位测量没有取样及样品排放，降低了分析过程中对环境的污染。

2.2 热导分析仪及红外分析仪的应用

转化炉产生的合成气各主要组分摩尔分数为28.25（CO）、65.62（H2）、2.38（CO2）、0.21（CH4）。水洗塔出口合成气的组成能够反映转化炉内反应是否正常进行，需设置合成气组分分析仪（主要分析CO、H2、CO2、CH4）。

H2热导率及相对热导率较合成气中其他组分相差较大，采用热导分析仪是测量合成气中氢气含量的有效方法。

CO、CO2、CH43种气体对红外线的吸收较强，红外分析仪具有良好的选择性，尤其适合混合气体中某一组分的测量，且测量不受其他组分变化的影响。因此，选用红外分析仪对合成气中的CO、CO2、CH43种组分浓度进行测量。

经水洗塔洗涤后的合成气会夹带一部分水分、少量未洗净的灰尘等杂质，水分如果凝成液滴将会在热导池内蒸发吸收热量，极大地影响测量结果，同时水分蒸发也会吸收红外辐射，因此，水分及杂质的存在会大大降低热导分析仪和红外分析仪的测量精度，需要采取前处理、预处理等措施去除样品中水分及灰尘等杂质。

热导分析仪和红外分析仪均不能采用原位式安装，需要前处理及预处理装置等将样品气除水、除尘、减温减压后再送至分析仪。合成气样品在前处理箱内完成过滤除尘、减压后由一体化电伴热管缆输送至预处理箱经冷凝除水后分别送至相应分析仪进行组分分析。本项目合成气操作温度为37℃、操作压力为3.6MPa（G），操作温度不高，对样品气需进行除水、除尘和减压。采用自限温一体化电伴热管缆输送样品气，避免样品气在输送过程中结露，在样品气送至预处理箱后经过涡旋制冷器除去水分，减少水分对分析仪测量结果的影响。设置快速回路以加快自取样点至分析仪的样品气输送，缩短取样管路的滞后时间，保证分析结果的实时性。快速回路和安全阀出口管线汇总后接至火炬管网，将快速回路中的样品气送至火炬燃烧，最大限度地降低快速回路排放对环境的影响。

3 结语

焦炉气转化装置的运行平稳与否直接影响乙二醇装置的原料稳定，焦炉气中氧含量关系到装置的运行安全，采用在线分析系统对相关组分进行在线监测能够为焦炉气转化装置安全平稳运行提供有力保障，同时有利于其他相关装置的安全运行。在线分析系统是焦炉气转化装置仪表设计的重点，本文对焦炉气制乙二醇项目中焦炉气转化装置采用的在线分析仪及在线分析系统应用进行了介绍，为今后同类项目在线分析系统的工程设计提供了一定参考。