化學(xué)傳感器在石化工業(yè)中的應(yīng)用

作者： 2015年10月23日 來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 瀏覽量：
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石油化工產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要影響，整個(gè)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(guò)程中經(jīng)常會(huì)不同程度的產(chǎn)生或排放一些污染性
　　石油化工產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要影響，整個(gè)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(guò)程中經(jīng)常會(huì)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(lái)檢測(cè)這些有害排放物質(zhì)之外，還將它們用于生產(chǎn)工藝過(guò)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(xiàng)用途。尤其是在生產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)方面越來(lái)越引起各方面的高度重視。
 
　　目前石化工廠對(duì)許多化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)，主要依靠使用各種化學(xué)傳感器，在石化工廠中比較常見(jiàn)的化學(xué)傳感器有：加氫裂解反應(yīng)工藝過(guò)程檢測(cè)h2泄漏或h2s排放的傳感器，鍋爐燃燒過(guò)程的sox和nox排放及內(nèi)燃機(jī)等的燃燒過(guò)程控制的o2濃度的檢測(cè)傳感器，以及制造工藝所排放的voc的監(jiān)測(cè)等。使用化學(xué)傳感器可快速準(zhǔn)確的檢測(cè)待測(cè)物或排放物的種類與濃度，傳感器對(duì)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(cè)過(guò)程中都起著重要作用，并且隨著化學(xué)傳感器技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，傳感檢測(cè)法將逐漸取代常規(guī)的傳統(tǒng)分析方法，并隨著檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，傳感器的應(yīng)用必將更加普遍與廣泛，使用量也會(huì)與日俱增。本文簡(jiǎn)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(mén)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(mén)用于檢測(cè)、感知化學(xué)物質(zhì)的特殊傳感器，通常用于檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為可檢知的電流或電壓信號(hào)。化學(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(chē)、溫室、樓宇瓦斯報(bào)警及公共場(chǎng)所等[4]?；瘜W(xué)傳感器的種類繁多，根據(jù)多數(shù)文獻(xiàn)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(cè)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(guò)惠斯頓電橋測(cè)出產(chǎn)生的電壓信號(hào)。被測(cè)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(cè)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(lái)比較測(cè)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
 
　?。?）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(shì)進(jìn)行測(cè)量,其濃差電勢(shì)一般符合能勢(shì)特方程。
 
　?。?） 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(kuò)散腔體及擴(kuò)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(cè)氣體的濃度存在一定的函數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到對(duì)被測(cè)氣體的測(cè)量。
 
　　4．光學(xué)式氣體傳感器：采用被測(cè)氣體的濃度與光投射強(qiáng)度相關(guān)的原理進(jìn)行氣體濃差測(cè)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(cè)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(bào)導(dǎo)，我國(guó)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(dòng)監(jiān)測(cè)式與攜帶式兩種，自動(dòng)監(jiān)測(cè)式化學(xué)傳感器的使用量統(tǒng)計(jì)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(jì)使用3158只傳感器，由以上統(tǒng)計(jì)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(cè)的用量最大共計(jì)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(jiàn)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(jì)用量249只，可見(jiàn)攜帶式的用量明顯少于自動(dòng)監(jiān)控式的用量，即一般工廠仍以固定監(jiān)控式為主，移動(dòng)式監(jiān)控為輔，并多用于排放源固定且需隨時(shí)跟蹤檢測(cè)的場(chǎng)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(duì)ch4監(jiān)測(cè)的有91個(gè)為最多，其次為voc有78個(gè)居第二位，o2有45個(gè)居第三，從統(tǒng)計(jì)表可以看出，目前石化工廠最常使用的仍以探測(cè)碳?xì)漕惢衔镔|(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(guò)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?xì)浠衔锏?，揮發(fā)性有機(jī)氣體voc等，被統(tǒng)計(jì)調(diào)查的我國(guó)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(cè)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(duì)環(huán)保檢測(cè)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(lái)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(bào)警，空氣污染排放管制，及工藝衛(wèi)生與安全檢測(cè)、工藝過(guò)程管理等。據(jù)統(tǒng)計(jì)有71%的傳感器用于環(huán)保監(jiān)測(cè)，25%的傳感器用于生產(chǎn)工藝過(guò)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(guò)程與工藝衛(wèi)生方面的分析檢測(cè)仍多用傳統(tǒng)分析方法進(jìn)行，目前使用化學(xué)傳感器的數(shù)量并不大，但預(yù)計(jì)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(guó)某地區(qū)石化工廠中使用的化學(xué)傳感器主要由國(guó)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(cè)項(xiàng)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(guó)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器數(shù)目的12%、23|和17%，三家供應(yīng)43臺(tái)，占自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(tái)），對(duì)sox的監(jiān)測(cè)主要使用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中又以光學(xué)式傳感器的使用為主。
　　6．問(wèn)題討論與分析
 
　?。?） 干擾問(wèn)題
 
　　目前傳感器在使用中普遍存在的問(wèn)題是選擇性或受干擾等問(wèn)題，以對(duì)sox的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，最常見(jiàn)的可能干擾如水蒸氣冷凝會(huì)吸附燃燒的sox，因其溶解度很大使所測(cè)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(shí)感應(yīng)兩種物質(zhì)時(shí)，會(huì)無(wú)法分辨而導(dǎo)致測(cè)試濃度值增大，或者因吸收頻率相近產(chǎn)生干擾，如nox對(duì)sox的干擾。又如觸媒式燃燒傳感器的選擇性不夠好，對(duì)各種可燃性氣體均會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，該傳感器會(huì)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(huì)受到類似分子吸收污染粒子的影響，會(huì)引起信號(hào)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(diǎn)。
 
　?。?）化學(xué)傳感器監(jiān)測(cè)位置問(wèn)題
 
　　要求傳感器的監(jiān)測(cè)位置要以能檢測(cè)出正確的測(cè)試位置為目的。例如sox監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)、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(diǎn)是有的煙囪太高會(huì)帶來(lái)維修上的困難。
 
　?。?）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(cè)結(jié)果為：一個(gè)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(cè)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(duì)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。
 
　　三． 結(jié)論：
 
　?。?）通過(guò)對(duì)我國(guó)某地區(qū)石化工廠所使用的傳感器的統(tǒng)計(jì)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
 
　?。?）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(hù)為主（占71%），其次是工藝過(guò)程控制，在石化工廠中多采用使用價(jià)格昂貴的光學(xué)式傳感器的自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(jì)及人力成本。
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