CN107064282B - 石化废气中总烃浓度的监测装置及方法 - Google Patents

石化废气中总烃浓度的监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石化废气中总烃浓度的监测装置及方法，主要解决现有技术中响应速度慢、监测范围小、难以应对高浓度含烃气体冲击的问题。本发明通过采用一种石化废气中总烃浓度的监测装置及方法，石化废气样品沿气体管路被采样泵抽吸后先经过一个具备排空功能的三通阀，再经过一个六通阀进入氢火焰离子化检测器，所述六通阀可通过适时切换高低气阻管路改变进入检测器的气体流量的简易技术方案较好地解决了上述问题，可用于石化废气中总烃浓度的监测中。

Description

石化废气中总烃浓度的监测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种石化废气中总烃浓度的监测装置及方法。
背景技术
用于石化行业中废气环保处理的气体处理装置，其可处理的废气浓度通常有一个最佳范围，当入口废气浓度超出设定值时，会产生处理效率下降等问题，甚至发生超温、爆炸等安全风险，为此通常需要快速(一般小于5秒)掌握入口废气中的总烃浓度，以便于控制系统通过稀释、排空等手段保护气体处理装置。同时由于工艺波动、泄漏等原因，废气中总烃浓度波动范围较大，为此需要监测系统在快速检测的同时能适应气体浓度突然变化，特别是高浓度气体(极端状况考虑100％可燃气体)的冲击。
目前常见的在线气体中总烃浓度监测装置或系统，多为针对固定污染源排放的废气中总烃浓度监测，虽然也叫在线监测系统，但是由于应用要求的不同，通常不追求监测的快速响应，特别是为了获取环保关注的非甲烷总烃的浓度值，对气体样品还要经过色谱柱或者氧化炉分离甲烷等程序，实际响应时间一般大于1分钟，因此无法保障气体处理装置的工艺控制和安全保障所需要的快速响应要求。同时此类监测系统通常用于监测环境或者固定污染源排口中的总烃浓度，因此监测范围通常小于1000mg/m3，没有考虑大范围浓度变化特别是应对高浓度总烃浓度气体的冲击的需求，直接照搬会产生检测器熄火等问题，影响监测效果。张军、王琳琳等在《甲烷和非甲烷在线色谱的研制及应用》(现代科学仪器，2013年10月，第5期，42～46页)中所发表的论文中研制的在线监测仪器，其一个循环的响应时间为3分钟，测量范围为(0.05～100)ppmv，换算成质量浓度约为(0.1～200)mg/m3。崔延青、马越超等在中国发明专利CN102621272A《一种大气碳氢化合物在线分析仪》中公开了一种基于高温转化炉的测量甲烷与非甲烷总烃的仪器，该发明未报道具体的响应时间，但是从切换氧化转化过程可以推知其周期必然较长，我们对同类仪器的使用实践表明，一个循环需要至少30秒钟以上；同时高温转化炉需要样品气体中的空气来转化除了甲烷之外的其他烃类，显然当非甲烷总烃浓度较高时，样品气体中的空气含量已经不可能从化学式上氧化完全非甲烷总烃，测量准确度在非甲烷总烃较高时明显下降。即已有的报道和发明均无法同时满足高含烃废气中总烃浓度的快速监测和高浓度时监测要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中响应速度慢、监测范围小、难以应对高浓度含烃气体冲击的问题，提供一种新的石化废气中总烃浓度的快速监测方法。该方法具有快速响应要求、监测范围大、能应对高浓度含烃气体冲击的优点。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种石化废气中总烃浓度的监测装置及方法，提供一种石化废气中总烃浓度的监测装置，包括采样泵、六通阀、氢火焰离子化检测器、低气阻管、高气阻管，进行石化废气中总烃浓度的监测，包括以下步骤:
1)石化废气管道中的废气样品通过气体管路被采样泵抽吸，经过一个三通阀后再经过六通阀进入氢火焰离子化检测器，所述三通阀的另一路连接废气管道，所述六通阀的阀位(1)、阀位(2)连接低气阻管，阀位(4)、阀位(5)连接高气阻管；
2)监测装置的控制系统将检测器给出的实时检测浓度值与预设浓度值进行比较判断，并控制六通阀的阀位；当实时检测浓度值小于预设浓度值时，六通阀处于低浓度样品进样状态，阀位(1)和(6)、阀位(5)和(4)、阀位(3)和(2)分别联通，样品气体经过六通阀的低气阻管进入检测器；当实时检测浓度值大于预设浓度值时，六通阀处于高浓度样品进样状态，阀位(1)和(2)、阀位(3)和(4)、阀位(5)和(6)分别联通，样品气体经过六通阀的高气阻管进入检测器；
3)当实时检测浓度值小于预设浓度值时，六通阀处于低浓度样品进样状态，样品气体经过六通阀的低气阻管进入检测器；废气样品气体被采样泵抽吸后在三通阀处分为2路，基于三通阀到检测器也就是进样部分气路的阻力与排空回废气管道部分气路的阻力的不同，一部分废气样品排回废气管道，另一部分的废气样品气体经过六通阀的低气阻管直接进入氢火焰离子化检测器，通过直接进样和六通阀的低气阻管气路减小气路阻力的途径使得监测系统具备较快的响应速度；
4)当气体样品中烃类浓度逐步升高，使得检测器实时检测浓度值超过预设浓度值时，监测系统做出判断并切换六通阀阀位到高浓度样品进样状态，样品气体经过六通阀的高气阻管进入检测器；废气样品气体被采样泵抽吸后在三通阀处分为2路，由于进样部分气路的阻力远大于排空回废气管道部分气路的阻力，绝大部分废气样品排回废气管道，仅一小部分的废气样品气体经过六通阀的高气阻管后进入氢火焰离子化检测器，通过增大气路阻力的途径减少了进入检测器的废气的体积流速，从而降低了烃类物质进入检测器的质量流速，避免了检测器超出线性范围或者熄火，保障检测器的正常工作。
上述技术方案中，优选地，监测系统具备检测数值的超限判断功能，当检测数值超过预先设定值时，自动启动六通阀的状态切换，以保护检测器的正常工作，预先设定值为检测器在样品气体正常进样流量条件下发生熄火的浓度点或者检测器线性范围的上限浓度点的两者之中最小值的1/5～1/2范围内；进一步优选的，预先设定值为10000mg/m3(以碳计，下同)。
上述技术方案中，优选地，监测系统的检测器设计为具备在样品气体正常进样流量以及样品气体低进样流量两种状态下均可正常工作的特点，正常进样与低流量进样状态下样品气体进入检测器的流量比达30:1。
上述技术方案中，优选地，低气阻管管路为相邻段的气路内径一致的管道，并可根据具体需要裁截相应长度以得到合适的气阻，低气阻管为内径0.5mm的不锈钢管路；高气阻管路为内径更细的管道，并可根据具体需要裁截相应长度以得到合适的气阻，进一步优选的，高气阻管路选择内径为0.1mm的不锈钢管路。
上述技术方案中，优选地，分别在高低两种浓度状态下对检测器进行校准并获得两条校准曲线，监测系统在检测时根据不同的检测状态选择相应的校准曲线进行检测，从而获得准确的检测结果。
所述的一种石化废气中总烃浓度的监测装置及方法，其特征在于：监测系统具备检测数值的超限判断功能，当检测数值超过预先设定值时，可自动启动六通阀的状态切换，以保护检测器的正常工作。进一步优选的，预先设定值为检测器在样品气体正常进样流量条件下发生熄火的浓度点或者检测器线性范围的上限浓度点的两者之中最小值的1/5～1/2范围内。
所述的一种石化废气中总烃浓度的监测装置及方法，其特征在于：监测系统的检测器设计为具备在样品气体正常进样流量以及样品气体低进样流量两种状态下均可正常工作的特点，进一步优选的，正常进样与低流量进样状态下样品气体进入检测器的流量比可达30:1。
本发明为一种用于石化行业废气中总烃浓度的快速监测系统，它克服了已有方法的监测响应速度慢、无法监测大范围浓度波动特别是应对高浓度含烃气体冲击的缺点，具有监测速度满足气体处理装置的快速响应要求、监测范围大、能应对高浓度含烃气体冲击的优点，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为该方法低浓度状态时流路示意图。
图2为该方法高浓度状态时流路示意图。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
一种石化废气中总烃浓度的监测装置及方法，如图1所示，石化废气管道中的废气样品通过气体管路被采样泵抽吸，经过一个三通阀后再经过六通阀进入氢火焰离子化检测器，所述三通阀的另一路连接废气管道，所述六通阀的阀位(1)、阀位(2)连接低气阻管，阀位(4)、阀位(5)连接高气阻管。当实时检测浓度值小于预设浓度值时，六通阀处于低浓度样品进样状态，阀位(1)和(6)、阀位(5)和(4)、阀位(3)和(2)分别联通，样品气体经过六通阀的低气阻管进入检测器；当实时检测浓度值大于预设浓度值时，六通阀处于高浓度样品进样状态，阀位(1)和(2)、阀位(3)和(4)、阀位(5)和(6)分别联通，样品气体经过六通阀的高气阻管进入检测器。采样泵流速为60mL/min，检测器的样品流速在1～60mL/min范围内均可正常工作，在60mL/min样品气体进样流量下检测器的线性范围上限为30000mg/m3，熄火浓度为50000mg/m3，预设的高低浓度进样状态切换的浓度值为10000mg/m3。从采样点到采样泵的管路为内径0.5mm长度为3m的不锈钢管路，从采样泵到三通阀为内径0.5mm长度为0.2m的不锈钢管路，从三通阀到管道排空口为内径0.5mm长度为3.3m的不锈钢管路，从三通阀到检测器(除气阻管路外)为内径0.5mm长度为0.5m的不锈钢管路，低气阻管路为内径0.5mm长度为0.05m的不锈钢管路，高气阻管路为内径0.1mm长度为0.03m的不锈钢管路。
在正常状态时，废气管道中的气体样品在采样泵(泵控制流速为70mL/min)作用下，经过过滤器后沿着低气阻管路进入三通阀，其中10mL/min的气体流量排空回废气工艺管道，60mL/min的气体快速经过六通阀的低气阻管进样至氢火焰离子化检测器中进行废气中总烃浓度检测。
经跟踪观察发现，正常工况时，废气中总烃浓度在500～7000mg/m3之间波动，监测系统控制六通阀一直处于低浓度进样状态，样品气体的浓度值检测响应时间为1s，响应迅速，保障了检测器在气体样品低浓度范围时候的快速检测。
在异常状态时，废气管道中的总烃浓度上升并超过了预设浓度值10000mg/m3，监测系统控制六通阀切换到高浓度进样状态，如图2所示。此时，废气管道中的气体样品在采样泵(泵控制流速为70mL/min)作用下，经过过滤器后沿着高气阻管路进入三通阀，由于高气阻管的作用，68mL/min的气体流量排空回废气工艺管道，仅有2mL/min的样品气体经过六通阀的高气阻管进样至氢火焰离子化检测器中进行废气中总烃浓度检测，与之前低浓度进样状态时相比，进入检测器的气体流量降低至1/30，保障了检测器在气体样品高浓度范围时候的检测数值仍处于线性范围以及检测器不熄火。
假定某时刻管道内废气浓度为极限状况的100％甲烷，质量体积浓度约合7.14×105mg/m3，在高浓度进样状态下，实际进样量相当于低浓度进样状态下的23809mg/m3，低于该型检测器的线性范围上限30000mg/m3。
【实施例2】
一种石化废气中总烃浓度的监测装置及方法，如图1所示，石化废气管道中的废气样品通过气体管路被采样泵抽吸，经过一个三通阀后再经过六通阀进入氢火焰离子化检测器，所述三通阀的另一路连接废气管道，所述六通阀的阀位(1)、阀位(2)连接低气阻管，阀位(4)、阀位(5)连接高气阻管。当实时检测浓度值小于预设浓度值时，六通阀处于低浓度样品进样状态，阀位(1)和(6)、阀位(5)和(4)、阀位(3)和(2)分别联通，样品气体经过六通阀的低气阻管进入检测器；当实时检测浓度值大于预设浓度值时，六通阀处于高浓度样品进样状态，阀位(1)和(2)、阀位(3)和(4)、阀位(5)和(6)分别联通，样品气体经过六通阀的高气阻管进入检测器。采样泵流速为120L/min，检测器的样品流速在1～60mL/min范围内均可正常工作，在60mL/min样品气体进样流量下检测器的线性范围上限为30000mg/m3，熄火浓度为50000mg/m3，预设的高低浓度进样状态切换的浓度值为15000mg/m3。从采样点到采样泵的管路为内径0.5mm长度为10m的不锈钢管路，从采样泵到三通阀为内径0.5mm长度为0.2m的不锈钢管路，从三通阀到管道排空口为内径0.5mm长度为10.3m的不锈钢管路，从三通阀到检测器(除气阻管路外)为内径0.5mm长度为0.5m的不锈钢管路，低气阻管路为内径0.2mm长度为0.05m的不锈钢管路，高气阻管路为内径0.1mm长度为0.1m的不锈钢管路。
在正常状态时，废气管道中的气体样品在采样泵(泵控制流速为120mL/min)作用下，经过过滤器后沿着低气阻管路进入三通阀，由于低气阻管的内径仅为0.2mm，通过选择低气阻管的长度调节气路阻力使得其与排空管路的阻力相当，结果废气样品气体中60mL/min的气体流量排空回废气工艺管道，60mL/min的气体快速经过六通阀的低气阻管进样至氢火焰离子化检测器中进行废气中总烃浓度检测。
使用标准气体进行模拟废气检测测试，标准气体中总烃浓度为在1700mg/m3，监测系统控制六通阀一直处于低浓度进样状态，样品气体的浓度值检测响应时间为2.5s，响应迅速，保障了检测器在气体样品低浓度范围时候的快速检测。
换用总烃浓度为18000mg/m3的标准气体进行测试，当监测系统检测到管道中的总烃浓度上升并超过了预设浓度值15000mg/m3时，监测系统控制六通阀切换到高浓度进样状态，如图2所示。此时，废气管道中的气体样品在采样泵(泵控制流速为120mL/min)作用下，经过过滤器后沿着高气阻管路进入三通阀，由于高气阻管的作用，118mL/min的气体流量排空回废气工艺管道，仅有2mL/min的样品气体经过六通阀的高气阻管进样至氢火焰离子化检测器中进行废气中总烃浓度检测，与之前低浓度进样状态时相比，进入检测器的气体流量降低至1/30，在高浓度进样状态下，实际进样量相当于低浓度进样状态下的600mg/m3，低于该型检测器在低浓度进样状态下的线性范围上限30000mg/m3。保障了检测器在气体样品高浓度范围时候的检测数值仍处于线性范围以及检测器不熄火。
假定某时刻管道内废气浓度为极限状况的100％甲烷，质量体积浓度约合7.14×105mg/m3，在高浓度进样状态下，实际进样量相当于低浓度进样状态下的23809mg/m3，低于该型检测器在低浓度进样状态下的线性范围上限30000mg/m3。
【实施例3】
一种石化废气中总烃浓度的监测装置及方法，如图1所示，石化废气管道中的废气样品通过气体管路被采样泵抽吸，经过一个三通阀后再经过六通阀进入氢火焰离子化检测器，所述三通阀的另一路连接废气管道，所述六通阀的阀位(1)、阀位(2)连接低气阻管，阀位(4)、阀位(5)连接高气阻管。当实时检测浓度值小于预设浓度值时，六通阀处于低浓度样品进样状态，阀位(1)和(6)、阀位(5)和(4)、阀位(3)和(2)分别联通，样品气体经过六通阀的低气阻管进入检测器；当实时检测浓度值大于预设浓度值时，六通阀处于高浓度样品进样状态，阀位(1)和(2)、阀位(3)和(4)、阀位(5)和(6)分别联通，样品气体经过六通阀的高气阻管进入检测器。采样泵流速为600L/min，检测器的样品流速在1～60mL/min范围内均可正常工作，在60mL/min样品气体进样流量下检测器的线性范围上限为30000mg/m3，熄火浓度为50000mg/m3，预设的高低浓度进样状态切换的浓度值为8000mg/m3。从采样点到采样泵的管路为内径2mm长度为3m的不锈钢管路，从采样泵到三通阀为内径2mm长度为0.2m的不锈钢管路，从三通阀到管道排空口为内径2mm长度为3.3m的不锈钢管路，从三通阀到检测器(除气阻管路外)为内径0.5mm长度为0.5m的不锈钢管路，低气阻管路为内径0.2mm长度为0.05m的不锈钢管路，高气阻管路为内径0.1mm长度为0.05m的不锈钢管路。
在正常状态时，废气管道中的气体样品在采样泵(泵控制流速为600mL/min)作用下，经过过滤器后沿着低气阻管路进入三通阀，由于低气阻管以及从三通阀到检测器的其他段气路的内径仅为0.5mm，气路阻力高于排空管路的气路阻力，结果废气样品气体中550mL/min的气体流量排空回废气工艺管道，60mL/min的气体快速经过六通阀的低气阻管进样至氢火焰离子化检测器中进行废气中总烃浓度检测。
使用标准气体进行模拟废气检测测试，标准气体中总烃浓度为在1700mg/m3，监测系统控制六通阀一直处于低浓度进样状态，样品气体的浓度值检测响应时间为1.3s，响应迅速，保障了检测器在气体样品低浓度范围时候的快速检测。
换用总烃浓度为9000mg/m3的标准气体进行测试，当监测系统检测到管道中的总烃浓度上升并超过了预设浓度值8000mg/m3时，监测系统控制六通阀切换到高浓度进样状态，如图2所示。此时，废气管道中的气体样品在采样泵(泵控制流速为600mL/min)作用下，经过过滤器后沿着高气阻管路进入三通阀，由于高气阻管的作用，599mL/min的气体流量排空回废气工艺管道，仅有1mL/min的样品气体经过六通阀的高气阻管进样至氢火焰离子化检测器中进行废气中总烃浓度检测，与之前低浓度进样状态时相比，进入检测器的气体流量降低至1/50，在高浓度进样状态下，实际进样量相当于低浓度进样状态下的180mg/m3，低于该型检测器在低浓度进样状态下的线性范围上限30000mg/m3。保障了检测器在气体样品高浓度范围时候的检测数值仍处于线性范围以及检测器不熄火。
假定某时刻管道内废气浓度为极限状况的100％甲烷，质量体积浓度约合7.14×105mg/m3，在高浓度进样状态下，实际进样量相当于低浓度进样状态下的14280mg/m3，低于该型检测器在低浓度进样状态下的线性范围上限30000mg/m3。
【比较例1】
一种石化废气中总烃浓度的在线监测方法，石化废气管道中的废气样品通过气体管路被采样泵抽吸，直接进入氢火焰离子化检测器。采样泵流速为60L/min，检测器的样品流速在1～60mL/min范围内均可正常工作，在60mL/min样品气体进样流量下检测器的线性范围上限为30000mg/m3，熄火浓度为50000mg/m3。从采样点到采样泵的管路为内径0.5mm长度为10m的不锈钢管路，从采样泵到检测器为内径0.5mm长度为0.5m的不锈钢管路。
在正常状态时，废气管道中的气体样品在采样泵(泵控制流速为60mL/min)作用下，60mL/min的气体直接经过采样管路进样至氢火焰离子化检测器中进行废气中总烃浓度检测。
经跟踪观察发现，正常工况时，废气中总烃浓度在500～7000mg/m3之间波动，样品气体的浓度值检测响应时间为2.3s，响应迅速，保障了检测器在气体样品低浓度范围时候的快速检测。
在异常状态时，废气管道中的总烃浓度上升并超过了在60mL/min进样量下的检测器线性范围上限浓度值30000mg/m3，检测器的输出开始偏离准确，甚至当检测器输出饱和后不再变化。当废气管道中的总烃浓度上升并超过了在60mL/min进样量下的检测器熄火浓度值50000mg/m3，检测器熄火，无法实现正常的监测功能。

Claims (1)

1.一种石化废气中总烃浓度的监测方法，提供一种石化废气中总烃浓度的监测装置，包括采样泵、六通阀、氢火焰离子化检测器、低气阻管、高气阻管，进行石化废气中总烃浓度的监测，包括以下步骤：
1)石化废气管道中的废气样品通过气体管路被采样泵抽吸，经过一个三通阀后再经过六通阀进入氢火焰离子化检测器，所述三通阀的另一路连接废气管道，所述六通阀的阀位1、阀位2连接低气阻管，阀位4、阀位5连接高气阻管；
2)监测装置的控制系统将检测器给出的实时检测浓度值与预设浓度值进行比较判断，并控制六通阀的阀位；当实时检测浓度值小于预设浓度值时，六通阀处于低浓度样品进样状态，阀位1和阀位6、阀位5和阀位4、阀位3和阀位2分别联通，样品气体经过六通阀的低气阻管进入检测器；当实时检测浓度值大于预设浓度值时，六通阀处于高浓度样品进样状态，阀位1和阀位2、阀位3和阀位4、阀位5和阀位6分别联通，样品气体经过六通阀的高气阻管进入检测器；
3)当实时检测浓度值小于预设浓度值时，六通阀处于低浓度样品进样状态，样品气体经过六通阀的低气阻管进入检测器；废气样品气体被采样泵抽吸后在三通阀处分为2路，基于三通阀到检测器，也就是进样部分，气路的阻力与排空回废气管道部分气路的阻力的不同，一部分废气样品排回废气管道，另一部分的废气样品气体经过六通阀的低气阻管直接进入氢火焰离子化检测器，通过直接进样和六通阀的低气阻管气路减小气路阻力的途径使得监测系统具备较快的响应速度；
4)当气体样品中烃类浓度逐步升高，使得检测器实时检测浓度值超过预设浓度值时，监测系统做出判断并切换六通阀阀位到高浓度样品进样状态，样品气体经过六通阀的高气阻管进入检测器；废气样品气体被采样泵抽吸后在三通阀处分为2路，由于进样部分气路的阻力远大于排空回废气管道部分气路的阻力，绝大部分废气样品排回废气管道，仅一小部分的废气样品气体经过六通阀的高气阻管后进入氢火焰离子化检测器，通过增大气路阻力的途径减少了进入检测器的废气的体积流速，从而降低了烃类物质进入检测器的质量流速，避免了检测器超出线性范围或者熄火，保障检测器的正常工作；监测系统具备检测数值的超限判断功能，当检测数值超过预先设定值时，自动启动六通阀的状态切换，以保护检测器的正常工作，预先设定值为检测器在样品气体正常进样流量条件下发生熄火的浓度点或者检测器线性范围的上限浓度点的两者之中最小值的1/5～1/2范围内；监测系统的检测器设计为具备在样品气体正常进样流量以及样品气体低进样流量两种状态下均可正常工作的特点，正常进样与低流量进样状态下样品气体进入检测器的流量比达30:1；低气阻管管路为相邻段的气路内径一致的管道，并可根据具体需要裁截相应长度以得到合适的气阻，低气阻管为内径0.5mm的不锈钢管路；高气阻管路为内径更细的管道，并可根据具体需要裁截相应长度以得到合适的气阻；分别在高低两种浓度状态下对检测器进行校准并获得两条校准曲线，监测系统在检测时根据不同的检测状态选择相应的校准曲线进行检测，从而获得准确的检测结果。
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