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摘要：介绍了硫酸装置生产过程中焚硫炉出口管道烟气中SO2体积分数测量分析的重要性，可以采用SO2分析仪测量SO2的浓度，也可以采用原位式激光气体分析仪测O2，控制好氧硫比值。分析了SO2分析仪测量SO2方案的缺点。激光原位测氧分析仪不仅能克服SO2分析仪的缺陷，而且它的响应速度快、预处理装置非常简单，在此工况中的应用会越来越广泛。
关键词：焚硫转化；SO2分析仪；激光气体分析仪；预处理
1 引言
焚硫转化是焚硫炉产生的温度在800～1000℃含SO2浓度在12%左右炉气，经废热锅炉冷却到430℃左右，进入炉气过滤器，滤去杂质后与空气混合，使温度和SO2浓度都达到合适范围后进入转化器。转化工艺的操作三要素：转化反应的温度、转化反应的进气浓度以及转化器的通气量。
转化器入口气体中SO2含量是制酸过程中一个极重要的综合性技术、经济和环保指标。
转化采用进口催化剂、“3+1”两转两吸工艺，总转化率要求达到99.8%以上，SO2浓度控制在10%～10.5%。
转化器入口气体中O2含量也是制酸过程中一个重要的技术指标。
在线实时测量焚硫炉出口气体中的O2和SO2含量，其目的是控制氧、硫的配比，而控制好O2/SO2比是提高工艺转化率的关键因素之一，对提高产品效率、节能降耗具有重要意义。氧硫比值一般控制在O2/SO2≥1.1。
2 SO2分析仪测量原理及性能
2.1 SO2分析仪测量原理
硫磺制酸的在线SO2分析仪测点位于废热锅炉出口至转化器之间的管道上，测量炉气中SO2的含量。废热锅炉出口炉气中SO2含量的测量可采用OMA-3110紫外分光光谱仪，基本构成如图1所示。
该仪器主要由辐射光源、测量室、分光光谱仪三大部分组成。辐射光源提供仪器工作波段内的宽带光谱，通过光纤传输，使光线穿透流过测量室的待测样品，再传输到分光光谱仪，经分光元件分光后，各种不同波长的光能量由探测器采集并送至数据处理模块，通过光谱分析得到各待测组分的浓度。
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图1 紫外分光光谱仪的基本构成
光源：采用脉冲氙灯。
测量室：有气体测量室和液体流通池等，以适应于不同的测量需求。
分光及光谱采集单元：采用全息凹面光栅和CCD阵列检测器。
数据处理和显示：采用32位高性能ARM处理芯片和WinCE操作系统，操作方式为触摸屏。
2.2 影响SO2分析仪正常运行的问题及解决方法
这里影响分析仪正常运行的主要问题是升华硫的堵塞和硫酸酸雾的腐蚀。
2.2.1升华硫的堵塞问题
硫磺在高温下气化变成气体，这一现象称作硫的升华。如果焚硫炉的操作不当（供氧不足或喷硫量过大），或设备出现问题（喷硫枪喷雾效果不佳、枪头损坏或脱落等），极易产生硫升华现象。
样品中的硫蒸气在废热锅炉出口取样点420℃温度下不会冷凝，但在样品传输管线、样品处理部件和分析仪中，当温度降至130℃以下时，便会冷却凝固粘附在器壁上而造成堵塞。
除了硫蒸气的冷凝堵塞之外，在每次开车时，还存在柴油油烟的粘附堵塞问题。
2.2.2硫酸露点腐蚀问题
焚硫炉内生成的SO2气体中，一部分SO2会转化成SO3（对于煤粉炉，转化率一般为1%～1.5%）。
SO3与炉气中的水蒸气结合生成硫酸蒸气，如果温度低于某一温度值，硫酸蒸气就会凝结形成硫酸溶液，从而造成腐蚀。硫酸蒸气冷凝成硫酸溶液所需最高温度简称为酸露点温度。
硫酸露点温度与样气的绝对压力、SO3含量、H2O含量等因素有关。
焚硫炉内的水分来自两个方面：
一是来自硫磺中含有的碳氢化合物与空气中的氧反应，变成了CO2和H2O；
二是由于干燥塔顶的除雾器除雾效果不好，干燥后的空气中也会带进少量水分。
2.2.3设计SO2测量样品处理系统
废热锅炉出口炉气中SO2含量的测量样品处理系统的设计，主要难点就是解决上面提到的升华硫堵塞和酸露点腐蚀问题。
取样和样品处理系统简要说明：
（1）炉气样品采用316不锈钢管引出，不锈钢管不带保温层，裸露在空气中，使420℃高温样气自然冷却降温。
（2）将样气就近通入酸洗罐中进行鼓泡洗涤，洗涤液采用浓硫酸溶液。
其作用一是除去样气中的升华硫和其他杂质（如柴油油烟、颗粒物），二是吸收炉气中的硫酸蒸汽（当炉气温度降至300℃以下时，SO3和H2O已基本形成了硫酸蒸汽），以减轻腐蚀并干燥样气。
酸洗罐材质采用316不锈钢，外带玻璃连通管，以便观察液位。酸洗罐容积1.5～2.0L为宜，由于炉气含有水分，酸洗后会使浓硫酸稀释，体积增大，需要定期更换酸洗液。
（3）经浓硫酸洗涤后的样气经两级纤维除雾器除去硫酸酸雾。
酸雾通常是指雾状的酸类物质。在空气中酸雾的颗粒很小，粒径为0.1～10μm，是介于烟气与水雾之间的物质，具有较强的腐蚀性。
样气经过酸洗后，仍然存在酸雾，酸雾的数量与硫酸浓度、酸洗温度有关。硫酸浓度过高，产生酸雾多，浓度过低，溶解SO2量大。
酸雾对系统腐蚀作用很明显，往往造成管路、阀件、流量计、仪表的腐蚀及透过率下降，预处理器件被腐蚀后会堵塞流体管路，镜片污染后会造成透过率下降，甚至无法测量。
纤维除雾器有多种类型，在硫酸装置SO2的分析中，某厂家自主研发并享有技术专利的特种纤维除雾器，过滤精度达到0.05μm，可将酸雾基本除净。
（4）除去硫酸酸雾后的样气有隔膜泵抽吸增压，再经稳压稳流环节后送入分析仪进行测量。
虽然样气压力为0.0325MPa（G），但经过酸洗鼓泡和两级过滤除雾后，压力有一定损失，泵送增压比较稳妥，且泵的抽吸作用有助于稳定酸洗罐液面上方的压力。
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图2 硫磺制酸废热锅炉出口炉气SO2测量样品处理系统
采用SO2分析仪测量废热锅炉出口炉气SO2的含量，测量样品处理系统比较复杂，由于样气经酸洗罐洗涤后带走了易溶于水的气体，改变了样气的组成导致测量误差大，分析仪尾气露天排放造成环境污染，并且由于预处理系统存在响应时间长的缺点。为克服这些缺点，近年来激光测O2分析仪被应用于废热锅炉出口管道测量O2。通过监控硫磺焚烧炉的配风量并调整进转化器的O2/ SO2比，提高工艺转化率[1]。
3 激光测O2分析仪原理及性能
3.1仪器概述
激光原位测氧分析仪的基本测量原理[2] [3]如图3所示：LGA-4300半导体激光分析仪由激光发射模块发出激光束穿过被测烟道，被安装在直径方向上的光电传感模块中的探测器吸收，分析控制模块对获得的测量信号进行数据采集和分析，得到被测气体的浓度。
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图3 LGA-4300半导体激光气体分析仪的基本测量原理
LGA-4300是LGA系列产品中用于原位安装的半导体激光气体分析产品，能对各类工业过程气体、环保排放烟气等过程气体进行快速、准确和可靠的测量。
3.2 仪器基本结构
LGA-4300由发射单元、接收单元、吹扫单元、仪器法兰、正压单元组成。LGA-4300管道安装形式如下：
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图4 LGA-4300半导体激光气体分析仪的基本结构
3.2.1发射单元
LGA-4300半导体激光气体分析仪的发射单元由人机界面、激光器驱动模块、中央处理模块、半导体激光器和精密光学元件等器件组成，主要实现半导体激光发射、光谱数据处理和人机交互等功能。
3.2.2接收单元
LGA-4300半导体激光气体分析仪的接收单元由光电传感器、信号处理模块、电源模块和精密光学元件等部分组成，接收单元的主要功能是接收传感信号，并将光谱吸收信号传输至发射单元进行处理。
3.2.3吹扫单元
在较为恶劣的现场测量场合，为了能够保证LGA-4300半导体激光气体分析仪能够长期连续运行，LGA-4300半导体激光气体分析仪需用吹扫气体对发射和接收单元上的光学视窗进行吹扫，避免测量环境中粉尘或其它污染物对视窗造成严重污染。吹扫单元由过滤器、减压阀和稳流装置等组成，可为LGA-4300半导体激光气体分析仪的吹扫气体和正压气体提供稳定流量的吹扫气源。
3.2.4安装法兰和维护切断阀
发射、接收单元通过锁箍与连接单元（或标定单元）连接，连接单元由吹扫接口、光路调整机构、维护切断阀门和安装法兰等组成。在对发射单元进行清洁或其他维护时，维护切断阀门可起到隔绝过程管道和操作环境，防止危险气体泄漏的作用。
3.2.5正压单元
防爆型的LGA-4300半导体激光气体分析仪的接收单元上内嵌了正压控制模块，该模块采用隔爆设计，内置压力传感器、信号处理、电源控制和信息显示等模块，可对发射和接收单元内部的正压防爆气体的压力情况进行实时检测和控制，确保LGA-4300半导体激光气体分析仪在危险场合的安全使用。
3.3 仪器优势
LGA-4300半导体激光气体分析仪由于采用了半导体激光吸收光谱（DLAS）技术，从根本上解决了采样预处理带来诸如响应滞后、维护频繁、易堵易漏、易损件多和运行费用高等各种问题，并具有如下特点：
（1）原位测量，检测灵敏度高，响应速度快；
（2）一体化设计，结构紧凑，可靠性高；
（3）模块化设计，可现场更换所有功能模块；
（4）智能化程度高，操作、维护方便。
4 结束语
SO2分析仪在硫酸装置焚硫转化的应用由来已久，它价格较激光气体分析仪低，但是它会造成取样阀门和管道堵塞、设备腐蚀损坏、测量误差大、环境污染、系统响应时间较长等缺陷。激光原位测氧分析仪不仅能克服SO2分析仪的缺陷，而且它的响应速度快、预处理装置非常简单，极大地满足了硫酸装置氧体积分数的在线测量要求，进而准确地调整喷磺量和空气量，控制好O2/SO2比值，保证装置连续、安全、稳定运行，在硫酸装置中的到好的应用与发展。
参考文献：
[1]熊迪佳，李卫平.激光测氧气体分析仪在硫酸装置的应用[J].石油化工自动化，2010（1）：70～71
[2]王森.在线分析仪器手册[M].北京：化学工业出版社，2008.
[3]叶俊华，陈人，孙越.激光气体浓度分析仪用于电除尘安全监控系统[J].冶金动力，2005（3）：6-8