在线质谱仪一级预处理器在高炉监控中的成功改造

中阅俄嚣俄表ＣＨＩＮＡ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　２０１０年第３期　本期主题・科学仪器与装置　

在线质谱仪一级预处理器　在高炉监控中的成功改造　Ｔｈｅ　ＳｕｃｃｅｓｓｆｕＩ　ＴｒａｎＳｆ０ｒｍａｔｉｏｎ　Ｍ　Ｓ　ｆ０ｒ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ—ｃｏｎｔｒｏＩ　ｉ　ｎ　ｔｈｅ　●、　●　卜：ｅａＣｔＯｒ　０薛凌飞倪兴来吴德寅刘西兰　０　（兖州煤业榆林能化有限公司，　陕西榆林７１９０００）　ｉ　科学排放　Ａｂｓｔ　ｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｂｌａｓｔ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ－ｇａｓ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｇａｓ　ｍａｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ　ａ　ｐｒｅ－ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ｔｈｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｂａｓｉｓ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｐｌａｎｔ　ｓａｆｅ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｃｈｉｅｖｅ　ｇｏｏｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＳ　Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｇａｓ—ｌｉｑｕｉｄ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｐｒｅ——ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｏｆ　Ｏｎ－—ｌｉｎｅ　Ｈｉｇｈ・－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　

１引言　化工气化装置的高温气化炉（简称高炉）工艺控　制直接依赖于快速、准确的分析水煤气中ＣＯ、ＣＯ：、　ＣＨ　等组份气的浓度来实现。此外，水煤气中的附带产　品ＣＨ　的分析浓度还可以替代同样高炉工况下高温热　偶在使用过程中失效情况下的炉温。而在线质谱仪固　有的测量功能优点：取样分析时间短；可以快速准确　地在不同气体流量中进行多组份分析；通过自动校验　提高了测量精度，并且具有长期的稳定性；灵敏度高　及无损伤。使得在线质谱仪很有针对性地解决了气化　高炉工艺监控的核心问题，由此可见在线质谱仪在高　炉工艺监控中尤为重要。　兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂６０万吨／年甲　醇项目是目前中国成功投运的最大容量甲醇单线生产　线项目。它的气化装置（后称６ｌ２）选用了目前世界先　进的ＧＥ气流床高炉，相应配套了英国ＶＧ公司开发、艾　文思公司集成的Ｔｈｅｒｍｏ　ＯＮＩＸ系列在线ＶＧ　Ｐｒｉｍａ＆　Ｂ型３２流路质谱仪（目前世界公认最先进、最新型的第　４代气体分析仪）。　正因为它的先进性，意味着它对质谱仪一级预处　理器（主要功能是对质谱仪所需的测量组份气进行有　效降温和气液分离，提供给在线质谱仪实验条件测量　组份气，一级预处理器能否处理出合格的测量组份气　是在线质谱仪科学投运的前提条件）的投运有更高、　更苛刻的工艺、环保节能要求。调试时发现原设计的　本期主题・科学仪器与装置　ＣＨＩＮＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ中阗像嚣诹表　质谱仪安装在现场后不具备投运条件。仔细分析原因　为现场一级预处理器不能对测量组份气进行有效冷　却和气液分离。　２技术改造过程　为了充分发挥在线质谱仪的测量优势，必须对它　的一级预处理器进行技术改造。我们组织分析计量专　业技术组人员向质谱仪成套商北京智能安仑自控技术　有限公司、中国华陆、天辰化工设计院及在用质谱仪　企业展开综合调研，结合中国石油第一建筑安装工程　公司榆林能化甲醇厂项目部在我厂的具体安装位置及　气化工艺的实际情况，制定了科学可行的技改方案。　经为期１年多的技改、调试、技改、试运，终于攻克了该　质谱仪在线使用中的系列难题。从而有力保证了质谱　仪连续、安全、稳定运行，确保了在线质谱仪检测、分　析的稳定性和可靠性。　２．１技改初步阶段　２．１．１解决一级预处理器有效冷却　６１２原始设计建用了３套高炉，对应３套质谱仪　一级预处理器，每套高炉的测量组份气额定参数　为５．４～５．８ＭＰａ、２２０￣２４０￣Ｃ，６１２循环冷却水／回水　压差小于１．Ｏｋｇ／ｃｍ　３而质谱仪投运要求环境温度为　１５￣３５￣Ｃ、测量组份气温度为３￣６￣Ｃ（该温度范围是　测量组份气在一级预处理器的旋风分离器内最佳气　液分离温度）、测量组份气压力为２５￣ｌＯＯｋＰａ。可见，　原始组份气与质谱仪所需测量组份气的工况额定参　数相差甚大，通过原设计的质谱仪一级预处理器降温　后，测量组份气只能降温至４７￣６２￣Ｃ，这种参数的测　量组份气根本无法进行所需气体的气液分离、更谈不　上满足质谱仪工作需要，而且只要进入质谱仪本体就　会造成质谱仪的核心部件离子源损坏、旋转式真空泵　油乳化、旋转式真空泵报废，即分析仪检修人员说的　“质谱仪损坏”。　２．１．２技术组针对性技改措施　（１）通过对每套一级预处理器加装外置式冷却　器来增加测量组份气管程换热面积，可有效提高换　热效果，有益于显著降低测量组份气温度，选用的外　置取样冷却器为ＳＣ一８型，数据技术标准符合国标、行　２０１０年第３期　标。　（２）经多方考证原预处理器冷却效果差的另一　主要原因是循环水回程差压小、流速低所致。根据热　传递的基本原理，技术组制定的技术措施为加装两套　并联式防爆管道泵，以提高循环水流速、加强测量组　份气有效降温和气液分离问题。　初步技改综合示意如图１所示。　

预处理箱预处理箱坝处理稻　图１初步技改示意图　

２００８年１１月初步改造完成后经调试、试运，夏季　同时投运两台防爆管道泵时预处理器内测量组份气温　可稳定降至５±０．５℃；春冬季互相切换投运一台管道　泵时预处理器内测量组份气温可稳定降至５４－Ｉ￣Ｃ，且　有效地将测量组份气在预处理器内的旋风分离器内　进行气液分离，有利保证了质谱仪的安全、可靠、稳定　运行。　２．２二次技改过程　２．２．１解决测量组份气排放问题　随着甲醇厂生产技术的逐渐提高，多次数据采集　总结出低排成分（经过一级预处理器选样后排向地　沟的测量组份气余集部分，以液体为主）ＣＯ、ＣＨ　等　有毒、易燃、易爆气体超标，环保节能不达标，说明排　放中的气液分离效果不佳、有待进一步改进。至２００９　年９月，６１２同时投运两套高炉后，取样组份气量剧　增，而质谱仪所需组份气仅为原始取样组份气取样的　１％～４％，出现了在线质谱仪监控系统瘫痪。　原因分析为测量组份气量大、压力大，致使：一级　中阅｛羲嚣诹表ＣＨＩＮＡ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　２０１０年第３期　本期主题・科学仪器与装置　

预处理器的旋风分离器积液不能及时排放、高低压尾　气排放公用（主要是在高、低压尾气排放水平混合管　段）及压损使低排积液不能及时排放并溢向高排设备　（经过一级预处理器选样后排向高空的测量组份气　余集部分，以气体为主），高低排积液在白应压力作用　下溢流向二级预处理器及质谱仪。　２．２．２技术组针对性技改措施　（１）改造成有效的预处理器排放装置　通过一级预处理器高低压尾气隔离排放，完全消　除了高压尾气排放因压力高在水平排放管段与低压尾　气排放相混合后对低压尾气排放出口压力损失的影　响，也从根本上杜绝了从高压尾气排放末端在气、液　分离效果差时将水带压窜人二级预处理器。详情过程　如下：　１）３台一级预处理器样　气低压尾气排放系统管线保　持现有方式不变，焊接、封堵　原３台一级预处理器取样冷　却器液相分离高压尾气排放　点，使高、低压尾气排放系统　分离开；　２）将３台一级预处理器　样气冷却器分离的高压尾气　排放管线在入原排放总管线　处截断并焊接堵死；　３）将３台一级预处理器样　气冷却器分离的高压尾气排　放出口管线配管焊接在用于进　行一级预处理器样品气冷却　器高压尾气排放气、液分离的　自制不锈钢材质圆柱形双层内　侧多孔式夹套结构的减压与　气液分离装置上，不锈钢取样　５）一级预处理器高压尾气排放管新加装的２　不　锈钢水平排放管线沿６１２四楼地板下面即三楼顶层配　管焊接至南北走向的２　不锈钢水平集管处，通过在　２　不锈钢水平集管上加装的１个２　阻火器由南侧引向　６１２　１０楼高点放空；　６）新加装的一级预处理器样气冷却器高压尾气　排放气、液分离３根２　积水下降管顺着附近厂房框架　混凝土立柱引至６１２一楼地面，通过水封罐进行封气　排水；　７）放在６ｌ２一楼地面厂房框架混凝土立柱附近新　增加的气封除水装置仿照现有实物制作，增加安装相　应管件、阀门，同时进行管线伴热、保温。最终高低压　尾气排放管线示意如图２所示。　

液封罐　液封罐　液封罐　液封罐　注：７为气液分离罐排放管；２为测量组份气安全阀排放管　６为积液灌排放管；１０为旋风过滤器排放管。　

图２高低压尾气排放管线示意图　管线穿过外层柱面与内侧开孔夹层牢固焊接；　４）在原一级预处理器高压尾气排放管线截断处，　用２”不锈钢管、弯头及三通等管件与自制不锈钢材质　圆柱形双层内侧多孔式夹套结构的减压与气液分离　装置上下垂直焊接；　

（２）科学处理排放液中的气体　在每套高压尾气进入２”用管的接口处加装自制不　锈钢材质、圆柱形双层内侧多孔夹套式样品气减压气　液分离装置（规格：外层３　钢管、内层１　钢管开８０个　（下转第４３页）　中国儇霹俄表ＣＨＩＮＡ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　２０１０年第３期　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ｌ应用研究　

有所值；ＥＤＤＬ文件的安装非常简单，节省了加入新设　备或升级新设备版本的时间，无需设备的授权密钥，　而且设备的互操作测试已由独立第三方事先完成。此　外，ＥＤＤＬ作为一个单一的技术，可用于智能设备管理　软件、ＤＣＳ和手持现场设备中。　智能设备的诊断信息通过基于ＥＤＤＬ的智能设备　管理软件集成到操作员控制台，设备故障预报会在过　程受到影响前发送给相关人员。一旦信息得以集成，　

使用设备诊断信息就将自然而然地成为日常工作的一　部分，这对于预测维护计划的成功实施是至关重要　的。　

作者简介：Ｊｏｎａｓ　Ｂｅｒｇｅ是艾默生过程管理公司亚太区的　ＰｌａｎｔＷｅｂ技术总监，出生于瑞典，其在现场仪表和控制领域具　有２０多年的开发和应用经验，是基金会现场总线的开创者之一，　也是新加坡现场总线基金会的主席和ＩＳＡ－￣，会的成员。　

（上接第３５页）　①６＃Ｌ，Ｈ＝２５０，Ｌ＝３５０）如图３，可保证高压尾气排放　顺畅、不憋压，使尾气中的气相介质与液相介质能够　进行充分、有效分离，使得样品气中不会有水进入质　谱仪，保证质谱仪运行安全；同时，高压尾气排放分离　出来的液相介质中无ＣＯ等有毒、有害气体逸出，消除　了安全隐患。　／　’　＼　毒　／　彗　睾　１４）　蓦　厂　ｇ　罨　等　、　／　，　００　材质：３０４不锈钢　规格：　３”、　１”、　１４　图３自制圆柱形双层内侧多孔夹套式气液分离装置示意图　３最终改造后性能评测　历经艰辛，第２次改造于２００９年１０月２６日完成。经　调试、试运，为期两个月每日的数据采集结果和我厂质　检中心员工手动取样结果分析对比：低排中的有毒、易　燃、易爆等气体参数基本为零；同取样测点质谱仪数据　和红外分析仪数据及手动取样分析数据相对比，三者数　据相吻合，且质谱仪数据精度明显高于红外分析仪数据　精度、更高于手动取样分析数据。特别是该质谱仪自从　投运至今一直能稳定地在线服务于高炉各种工况下的　生产。可见，这种改造是一种科学的、成功的改造。　４成功改造带来的经济效益和社会效益　根据设计和初步核算，我厂甲醇产品该仪表系统　维简（维持最基本的简单生产）费用约为３Ｏ元／吨，则　此改造成功后所取得的经济效益进行科学的经济技术　分析数据表明：甲醇装置试、开车一周年的化工生产，　在线质谱分析仪一级预处理器技术改造后所能取得　的经济效益为３０５．６６万元。　能够保证在线质谱仪正常稳定运行，彻底消除安　全隐患，有力地为新一代在线质谱仪成功推广应用到　新型煤化工企业树立了典型案例，为化工设计院的未　来设计工作提供了科学的设计依据，为气化运行提供　了科学、有效的分析数据，为分析仪表检修员工创造了　安全、高效的检修条件。　在线质谱仪一级预处理器改造是新一代在线质　谱仪科技力转换在生产中的一种典型、成功、科学、　易行的改造，希望能给化工设计院等相关单位带来有　益的借鉴。　参考文献　１罗伯特Ｅ．谢尔曼过程分析仪样品处理系统技术．北　京：化学工业出版社，２００４．　２王森．在线分析仪器手册．北京：化学工业出版社，　２００８．　３热电集团．ＶＧ　Ｐｒｉｍａ（Ｅｘ）／ＶＧ　Ｓｅｎｔｉｎｅｌ在线质谱仪　用户手册第三版