焦油是煤氣生產過程中在高溫下產生的一種復雜的高分子聚合體。煤氣生產過程中產生的焦油的一部分以極其微小的霧滴狀態懸浮于煤氣中,其霧滴粒徑為1~7μm。焦油霧會在后續的洗滌等煤氣凈化過程中被洗滌下來進入溶液或吸附于管道和設備上,造成溶液污染,產品質量降低,設備及管道堵塞。為保證后續凈化系統的正常運行,在煤氣凈化工序的開始應首先進行焦油霧的脫除。
一、電捕焦油器介紹
捕集煤氣中的焦油霧的設備有機捕焦油器和電捕焦油器,我國目前主要采用電捕焦油器捕集煤氣中的焦油霧。
電捕焦油器都是利用在高壓靜電的作用下產生正負極,使煤氣中的焦油霧在隨煤氣通過電捕焦油器時,由于受到電場的作用被捕集下來。電捕焦油器可設于焦爐煤氣鼓風機之前或后。電捕焦油器與機械除焦油器相比，具有捕焦油效率高、阻力損失小、氣體處理量大等特點。不僅可保證后續工序對氣體質量的要求，提高產品回收率，而且可明顯改善操作環境。
電捕焦油器按其沉淀極的結構形式可分為管式、蜂窩式、同心圓式和板式等類型。無論哪種結構，其工作原理，即在金屬導線與金屬管壁〔或極板〕間施加高壓直流電，以維持足以使氣體產生電離的電場，使陰陽極之間形成電暈區。
按電場理論，正離子吸附于帶負電的電暈極，負離子吸附于帶正電的沉淀極；所有被電離的正負離子均充滿電暈極與沉淀極之間的整個空間。當含焦油霧滴等雜質的煤氣通過該電場時，吸附了負離子和電子的雜質在電場庫倫力的作用下，移動到沉淀極后釋放出所帶電荷，并吸附于沉淀極上，從而達到凈化氣體的目的，通常稱為荷電現象。當吸附于沉淀極上的雜質量增加到大于其附著力時，會自動向下流趟，從電捕焦油器底部排出，凈氣體則從電捕焦油器上部離開并進入下道工序。
二、電捕焦油器氧含量監測的必要性
在通常情況下氣體是不導電的，但在高壓電場的作用下氣體內部的電子便會獲得足夠的能量成為自由電子而導電，被稱為自發性電離現象。氣體的自發性電離是建立在非均勻性電場中。在均勻性電場中，隨著電壓的增加，只要其間任何一點發生電離，兩極間將立即充滿帶電離子，整個空間的氣體被擊穿。此時電流急劇增加而形成火花放電，類似雷電形成過程。
由于煤氣為易燃易爆氣體,電捕焦油器必須保證安全操作。電捕焦油器由于電極間有電暈,可能發生火花放電現象。如果煤氣中混有氧氣,當煤氣與氧氣的混合比例達到爆炸極限時就會發生爆炸。煤氣中的氧氣主要來源于制造過程中設備及管道密封不嚴泄漏進入的空氣,或來自燃料氣化用氣化劑過剩或短路。人工煤氣在生產過程中,有時會有一定量的空氣進入煤氣中,為保證混入的空氣與煤氣混合后不達到爆炸極限,就應控制煤氣中的氧氣含量。《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028-2006)規定,當干餾煤氣中氧體積分數大于1%時,電捕焦油器應發出報警信號,當氧體積分數達到2%時,應有能立即切斷電源的措施。《工業企業煤氣安全規程 GB6222-2005》中也詳細規定了煤氣氧含量達到1%，電捕焦油器必須能夠及時切斷電源。
三、煤氣中的氧含量與爆炸極限的關系
不同煤氣的爆炸極限各不相同,各種人工煤氣的爆炸極限見表1。
表1各種人工煤氣的爆炸極限%
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名稱 |
空氣中煤氣爆炸極限 （體積分數） |
煤氣中空氣體積分數 |
煤氣中氧氣體積分數 |
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上限 |
下限 |
爆炸上限時 |
爆炸下限時 |
爆炸上限時 |
爆炸下限時 |
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焦爐煤氣 |
35.8 |
4.5 |
64.2 |
95.5 |
13.5 |
20.1 |
|
直立爐煤氣 |
40.9 |
4.9 |
59.1 |
95.1 |
12.4 |
20.0 |
|
發生爐煤氣 |
67.5 |
21.5 |
32.5 |
78.5 |
6.8 |
16.5 |
|
水煤氣 |
70.4 |
6.2 |
29.6 |
93.8 |
6.2 |
19.7 |
|
油制氣 |
42.9 |
4.7 |
57.1 |
95.3 |
12.0 |
20.0 |
從表1可見,對于焦爐煤氣、直立爐煤氣、油制氣,當達到煤氣的爆炸上限,煤氣中氧體積分數為12%~13.5%(即煤氣中空氣體積分數達60%左右)時才能形成爆炸性氣體。對于發生爐煤氣及水煤氣,當煤氣中空氣體積分數達到30%左右,即煤氣中氧體積分數達到6%以上時才能達到爆炸極限。
四、電捕焦氧含量的測量方法
按照測量原理分類，目前常用的在線測量氧氣的原理主要有以下幾種：
激光氧含量測量原理、電化學氧含量測量原理、順磁氧含量測量原理、氧化鋯氧含量測量原理。
由于氧化鋯測量原理對樣品氣的溫度有要求，故一般不會在電捕焦的工況下使用。
而根據取樣方式來分類主要分為原位測量和抽取式測量。
原位式測量方式目前只能夠采用激光的原理，一般采用雙法蘭對射式結構設計，即在被測工藝管道一側安裝激光發射單元，另一側安裝接收傳感單元，為保證發射單元和接收單元光路對接，需要嚴格保證設備安裝的同軸度并進行復雜的光路調節工作。
抽取式測量方式一般先通過取樣探頭將樣氣抽取到工藝管道的外部，然后由管線將樣氣輸送到氣體凈化單元處理后，最后進入分析儀表測量。
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項目 |
原位式 |
抽取式 |
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安裝難度 |
原位式安裝管道需對射開孔，安裝時需要對光，管道直徑過大時安裝難度較大，必須專業的安裝人員才能操作。 |
抽取式安裝管道開孔少，但需要鋪設取樣管道，現場安裝需要的人員較多。 |
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維護量 |
原位測量無需復雜的采樣系統，人工維護極大減少。但無法現場標定驗證。 |
抽取式需要定期對水洗管，過濾器等進行更換維護。 |
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響應時間 |
原位式測量由于傳感器直接安裝在被測管道上，測量的響應時間很短，正常在1s以內就能得出測量結果，實現真正意義的實時測量。 |
抽取式測量由于需要將樣品氣從管道抽取出后并進行除焦油，除塵，干燥等預處理，一般系統的響應時間在30s左右。 |
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配套工程 |
原位式為了保護儀器光學視窗不受污染，當前普遍使用壓縮氮氣作為吹掃氣持續通入儀器光路中，一臺儀器氮氣用量一般在40～80L/min,消耗量十分巨大。 |
抽取式一般采用正壓防爆機柜，水洗罐，需提供壓縮空氣及潔凈水源，消耗費用低于原位式。 |
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適應工況 |
當對管道中含有大量粉塵的樣氣進行測量時，由于粉塵對激光信號的遮擋，激光信號強度將受到嚴重影響，甚至造成接收單元無法接收到激光信號的情況，導致測量失敗。故原位式只能適應較潔凈的工況條件，不適合高焦油，高粉塵的焦爐煤氣工況，只能安裝在電捕之后。 |
抽取式由于經過預處理系統，可適應絕大多數現場應用的要求。 |
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準確度 |
原位式安裝實際測量光程受煙道直徑限制，管道的振動也會影響測量穩定性，實際工況中誤差較大。 |
抽取式準確度跟分析儀表的原理相關，在同樣是激光原理的條件下，準確度和穩定性都會優于原位安裝方式。 |
六、天禹智控原位式氣體分析儀與抽取式分析系統案例
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