1 引言

作為21 世紀初世界公認的新世紀主要新技術之一的過程分析(PTA)技術, 在我國已得到了長足的進步,

本文將分如下8個方面進行闡述,即水質在線分析儀表及系統氣體在線分析儀表及系統在醫藥行業的應用在石化行業的應用在煉油行業的應用在冶金行業的應用在化工及其它行業的應用和在線分析儀表及系統自身的發展本文綜述內容來白第五屆中國在線分析儀器應用及發展國際論壇暨展覽會(201 2北京)參展商與工程應用學術會議水質在線分析儀表及系統需求由于環保的要求, 水質在線分析儀表及系統已經成了環保部門對轄區水質狀況進行實時監測的重要手段, 已能夠實時連續穩定可靠地提供準確快速的監測數據作為水質自動監測, 還要實行遠程監控,達到掌握主要流域重點斷面水體的水質狀況預警預報重大或流域性水質污染事故解決跨行政區域的水污染事故糾紛監督總量控制排放達標情況等目的

2.2架構

在水質自動監控系統網絡中, 中心站通過衛星和電話撥號兩種通訊方式實現對子站的實時監視, 托管站也可以通過電話撥號方式實現對所托管子站的實時監控每個子站是一個獨立的水質自動監測系統, 一般子站有一臺或多臺的多參數水質自動化分析儀組成, 另有固定式子站和流動式子站(拖車一監測小屋)共三種子站分采水單元分析單元控制單元子站站房及配套設施

2.3項目

分析單元即水質在線分析儀表,廣州怡文環境科技有限公司的EST-w QMs整體柜式水質自動監測站,具有小型化模塊化智能化 網絡化的特點一般監測項目有常規五參數分析儀(水溫PH 溶解氧DO 電導率 濁度);常用監測項目(化學需氧量COD高錳酸鹽指數總有機碳TOC氨氮總氮總磷);其它監測項目(氟化物氯化物硝酸鹽亞硝酸鹽氰化物硫酸鹽磷酸鹽 活性氯總有機碳TOC月了 2生化需氧量BODS石油類酚葉

綠素金屬離子如六價鉻等)還有把氧化還原電位(ORP) 作為常規監測項目的情況

2.4廠商

水質在線監測分析儀表及系統國際知名公司, 有美國HACH 公司德國BRAN+LUEBB 公司 德國WTW 公司 日本SHIMADZU 公司法國SERES公司等, 國內生產廠也有10 多家, 其中河北先河環保股有限公司杭州聚光科技股份有限公司北京雪迪龍科技股份有限公司均已上市力合科技(湖南)股份有限公司生產的移動式水質自動監測車已應用于應急監測, 如用于廣西柳州龍江發生的福濃度嚴重超標事故的全面監測(6 臺監測車), 受到了好評上海儀電科學儀器股份有限公司在電化學和電傳感器方面進行了模塊化設計, 組成多參數水質在線監測儀器, 具有自主知識產權, 具體有電流模塊(C OD)電位容量滴定模塊(總酸/總堿) 電位法模塊(離子)溶出法模塊化(重金屬)等污染源排放口一般安裝COD 在線分析儀, 十二五期間將會進一步安裝氨氮在線分析儀及總磷在線分析儀, 污水處理廠也需要實現工藝優化進行提標改造

2.5英國案例

位于英國Bournemouth的某污水處理廠, 日處理約4.5萬噸, BOD負荷約每天81 00kg, 氨氮負荷約147 6k g該污水處理廠在曝氣池的前端和末端各安裝了哈希公司的離子選擇性氨氮探頭, 實時監測進水氨氮負荷和出水氨氮濃度, 實行優化控制, 控制曝氣閥門和風格, 實現了出水氨氮穩定達標, 同時節約25 %的

曝氣能量又介紹除磷業績:位于意大利的某污水處理廠, 日處理量為3萬噸到5萬噸, 進水總量磷平均值為

846mg/L, 最小為3.431ng/L, 最大為16.74m留L, 出水總磷要求為0.8m留L,手動加藥量平均為40 L/h, 最大加藥量為120 L/ h由于季節}生的峰值負荷使得出水總磷超標嚴重在曝氣池末端增加哈希的PHOSPHAXSC正磷酸鹽在線分析儀, 測量實際正磷酸鹽濃度值, 并與設定值比較, 由此控制除磷的投加, 最終實現出水總磷穩定控制在0.smg/L以下, 和以前相比節省了約30% 的加藥量

2.6 中國案例

國內水質氨氮監測等復雜儀表的深入研究方面也取得很多成果, 如北京市化學工業研究院, 研制出自動化程序很高的智能分析系統, 為環境管理提供了有力的監管工具, 目前我國已有30多家企業有了認證合格的相關產品, 國內在2003年也頒布了氨氮水質自動分析儀的技術性要求(HJzTlol一2003)標準, 規定了地表水工業污水和市政污水的基于電極法和分光度法的氨氮水質自動分析儀的技術性能要求和性能試驗方之土護Z入o工業污水和工業用水, 石化企業中節能減排用的水質分析儀表與上述是一致的新鮮水處理中另有余氯分析儀;軟化及除鹽水處理中另有硬度分析儀二氧化硅分析儀; 循環冷卻水處理中另有濁度/懸浮物分析儀;凝結水回用中另有鈉離子分析儀等其中鈉離子分析儀 獨山子石化公司乙烯廠采用了Rosemoim t公司的Chempure+十1056鈉離子分析儀監測水汽聯合裝置化學水系統的陽床運行, 克服了實驗室分析不夠及時的缺點, 水處理質量提高, 并可快速判斷床層是否失效另外, 石化化工等企業在蒸汽冷凝水和冷卻水中滲入芳烴化合物, 由于后果嚴重,所以水中芳烴的在線測量受到重視賽默飛世爾的Arospector 在線芳烴分析儀, 采用高精度高重復性的脈沖紫外熒光分析法為我們提供了解決方案

3 氣體在線分析儀表及系統

3.1需求

從環保的角度看, 氣體在線分析儀表及系統比水質在線分析儀表及系統更為重要, 大氣污染物排放標準等, 從法規上要求安裝連續排放監測系統EEMS近十余年間, 我國固定污染源上安裝了1.8萬套CEM S, 具體標準有HJ/T75 固定污染源煙氣排放連續監測技術規范HJ/T76 固定污染源煙氣排放連續監測系技術要求及檢測方法HJ/TZ12 污染源在線自動監控(監測)系統傳輸標準

3.2項目

目前, 我國生產的煙塵 煙氣cEM S基本滿足了連續監測排放源排放的需要據中國環境監測總站在固定源排放廢氣連續監測統計, 采用直接監測紫外差分吸收法有北京牡丹聯友公司等4家采用稀釋抽取;發光法有北京航天益來電子公司等4家, 采用完全抽取非分散紅外法有艾默生過程控制公司(在我國有生產基地并通過我國適用性檢測)等52 家顆粒物CEM S流速(流量)和含濕度連續測量系統生產商有安徽敏測光電公司等5家目前安裝的系統中,除采用完全抽取監測法的煙氣CEMS部分采用進口分析儀外, 均采用國產產品, 打破了20 世紀90 年代國外產品一統天下的格局目前已有少量CEMS產品出口, 而且成套工程售后服務為運行保駕護航等全生命周期服務已蔚然成風, 所以CEM S在我國應用40年來, 近20 年已有了顯著的提高, 這些都為我國對固定污染源排放廢氣中的污染源實行濃度控制總量控制二氧化硫排放量交易等打下了基礎目前還試點燃煤電廠排放煙氣中汞的連續自動監測超聲波流速測定儀解決低流速(三3m/s)煙氣測定適應寬范圍氣體濃度的測定等項技術, 此外, 美國博純公司提出一種創新的冷干直抽法CEM S樣氣預處理技術是樣氣除濕的先進技術實現由點末端監測 向全過程監控 的轉變, 協調實驗室檢測項目便攜式儀器檢測項目等, 適應新形勢下對生態文明的要求大氣中揮發性有機物(VOCs)的監測方面也受到了重視空氣中揮發性有機物監測研究進展項目, 給出了VOCS在線測量方法的比較表, 如表!所示另外南京分析儀器廠開展相關研制工作, XD一40 型大氣苯系物自動檢測系統2010 年底通過全鑒定, 采用氣相色譜示富集解析及FLO 檢測技術, 以及采用南京分公司的CX一8800在線色譜儀和PC一104 嵌入式模塊測控平臺技術, 檢測樣品含量可達到ppb級水平, 數據可實現網絡連接, 主要技術,]生能達到國外(monitorTekmarVa rlan等)公司大氣苯系物監測指標, 能滿足國內環境空氣質量檢測要求表1VOCs在線測量方法比較辨率和精確度, 響應速度快抗交叉干擾耐腐蝕校準方便維護方便費用低等優點, 已用于化工石化食品等工業VCM(氯乙烯)和EDC( 二氯乙烷)生產及很多火炬一氧化碳鍋爐等安全監控場合, 大有取代取樣式測量系統之趨勢

3.4 中國案例

西克麥哈克(北京)公司基于傅立葉技術的垃圾焚燒排放連續監測系統的設計重慶川分嚴實的傅立葉變換紅外光譜儀在焚燒爐煙氣排放連續監測的應用 , 青島佳明測控公司的大氣顆粒物PM 2.5監測儀的開發,佛山分析儀公司何桂華的基于OBD 協議的在線汽車排放分析系統 , 重慶月!分一種紫外吸收式非分光氣體分析儀結構研究 , 都顯示了寶貴的研究和應用成果關于垃圾處理諸多技術中與氣體在線分析儀表及系統還有更多課題, 也應給以關注

3.3技術

為了治理大氣和節能, 從源頭提高燃燒效率和減少煙塵減少CO50:等有毒氣體, 更是受到重視英國仕富梅集團一種基于厚膜(ThiokFilm)技術的CO 可燃氣體感測器, 可與氧化錯氧氣感測器組合成抽取式的氣體分析儀, 可以用于過程化工電力和焚燒爐, 是一個高效環保和相對廉價的氣體解決方案, 為燃燒過程的反饋控制提供了足夠的靈敏度和反應時間, 而且在一年以內運行中無需服務, 即服務要求少安裝調試運行維護都很方便, 大受客戶歡迎另外有梅勒托一利多公司高平的探頭式TDL氧氣分析儀用于關鍵之處和AM ETEKProeess/nstruments公司NewProeessGasAnalygesForTheMeaeurementofQxygenConeent:二iton,, 兩篇論文均介紹了可調諧二極管激光(TDL)或稱TunableDiodeLaserAbsorpt,on speetroseopy(TDLAS)可調諧二極管激光吸收分光器相關技術, TDL氧氣分析儀原位且直接從氣流中測量氧氣, 而且無需任何取樣或預處理設備, 具有高分

4 在醫藥食品行業的應用

4.1需求

醫藥等行業對于在線分析儀表及系統的需求, 從PAT過程分析技術來說, 與石化等行業是相似的, 特別是塔釜罐等工藝設備的測控燃燒冷卻等控制, 節能環保的要求等, 并無特別之處, 但制藥流程后處理部分,

如顆粒和藥丸干燥過程的測量控制, 在線分析儀表及系統仍有用武之地濟南金宏利實業公司AOTF一NIR光譜技術在線測量Glat流化床濕度項目, 實現顆粒和藥丸千燥過程的含水量和濕度控制作為現代制藥領域對濕度控制主要手段, 流化床噴霧制粒是一種復雜的生產過程,物料含水量變動較大, 藥物顆粒表面濕度和內部濕度準確的檢測是個難題將近紅外(M R) 反射光譜法用于流化床干燥制粒, 監測噴霧階段并且可以測定干燥終點通過在線紅外技術收集干燥不同階段產品的近紅外光譜圖,結合其它過程測量技術組合建立線性校正模型, 可以實時監測干燥過程具體采用Luminar3o75zJ型vOTr一NIR光譜儀(美國Brimros e公司), AOTF為聲光可調濾光器(Acousto一optietunablefilter), 結構簡單, 光學系統無移動

J險部件, 體積小, 集光能力強, 波長切換快, 重現性好,程序化的波長控制使得靈活性強, 在現場使用廣泛德國Mutec在線水分儀在固體水分分析方面的應用項目,采用一個安裝在不銹鋼法蘭外殼里的外置共振器, 固體物料均勻的經過測量區, 會削弱測量場的能量, 傳感器給出的信號與物料的多少和物料被極化的程度成一比例關系, 從而可以得到水分值, 它適用于測量物料表面的活性水分(附水)

4.2案例

邯鄲市兆輝電子科技有限公司的ZHDT 系列在線液體密度測試變送器在制藥行業中的應用項目, 已取得7項專利, 主要用于中藥提取工藝中, 解決了以前取樣和檢測等方面的困難zHDT系列在線液體密度測試變送器原理是采用差壓式(簡稱差壓式密度計), 因其原理比較簡單, 摘錄如下:根據P=F/S得出P=G/S=mg/s 

(l)根據p=耐v可推出:m=pv從而可以得出P=pvg/s

(2)

根據v=sh推出p=pshg/s得到:p=pgh

 (3)zHDT型密度儀桿體上有兩個測壓傳感器, 傳感器的高度為固定高度桿體插入到液體中, 因為液體密度均勻,上下兩個測壓膜片承受的介質環境溫度及液體的速度相同, 而工作壓力不同, 根據公式可以直接換算輸出液體密度該公司產品7種專利結構適用不同工藝裝置和人機界面的要求, 進行了數字化和智能化 已批量生產并投放市場

5 在煉油石化化工行業的應用

5.1需求

在煉油石化行業, 在線分析儀表的選用越來越普遍, 投資越來越上升根據中石化咨詢公司數據, 某大型乙烯裝置, 進口自控儀表設備費2億元, 進口在線分析儀表設備費5千萬元, 即4:1; 某大型聚乙烯裝置, 進

口自控儀表設備費800 萬元, 進口在線分析儀表設備費1700萬元, 其中遠紅外總碳氫分析儀50 萬元, 在線氣相色譜儀50 萬元, 氧分析儀40 萬元, 水分析儀30萬元, 即4:0.85 ;某大型硫磺回收裝置, 進口自控儀表設備費500萬元, 進口在線分析儀設備費250 萬元, 即2:1;某油品長輸管線分輸站, 進口自控儀表設備費20 萬元,進口在線分析儀設備費100萬元, 即2:1而在線分析儀表集中在如下幾方面:在線質量分析儀(工業色譜全餾程分析儀質譜儀等)在線近紅外分析儀工業核磁共振儀放射性儀表(料位密度測量)環境監測和水質分析儀等

5.2技術

21 世紀初, PAT技術受到重視, 得益于近紅外光譜快速分析技術的迅速發展, 一臺近紅外分析儀可以在幾秒鐘內測定十幾種質量參數, 為在線質量控制創造了條件根據石油化工科學研究院汽柴油近經外光譜數據庫的建立項目, 在國內外所有汽油調合裝置中, 有95 %以上裝置采用近紅外光譜技術, 只有極少數采用了在線核磁或在線拉曼技術現在線近紅外分析技術需建立較復雜的分析模型, 才能得到可靠的測量結果(即由于近紅外光譜無特征, 具體應用時需要用相似的樣品先建立一個定量分析模型才能得到準確的分析結果;在線應用中一旦樣品組成變化較大, 則需要重新收集新的訓練樣本,并建立新的模型), 所以建模即建立光譜數據庫就顯得很重要, 他們解決了樣本來源分析模型的建立預測分析成品汽油苯和含氧量的分析, 收集了各近千個汽油柴油樣本, 建立了多種成品油的近紅外光譜數據庫, 對近紅外技術的推廣起到了很好的作用

5.3案例

(l)通力分析自控技術公司煉油過程應用在線分析技術提高油品品質和輕質油收率項目, 對油品質量在線分析應用的主要產品有:全餾程在線分析儀傾點在線分析儀飽和蒸汽壓在線分析粘度在線分析儀 閃點在

線分析儀等油品質量分析儀表, 以及各類油品預處理系統, 分析小屋及分析儀表成套系統遠程工作站, 先后在蘭州石化新疆克拉瑪依天津大港石化大連石化華北石化湖南長嶺石化廣州石化上海高橋煉油廠陜西榆林石化洛陽石化河北滄州石化山東濟南石化西安石化新疆獨山子石化武漢石化江蘇清江石化延安煉油廠等30 個煉油企業得到了很好的應用如武漢石化焦化柴油項目進行卡邊操作, 柴油95 % 點由投用前平均357 提高到投用后363 , 平均提高了6 , 按每提高l 即產生$l.IM(折合人民幣680 萬元)計算, 柴

油95 % 點提高6 , 每年增加350 萬元以上的經濟效益獨山子石化公司煉油廠加氫裂化車間的羅祥生在全餾程在線分析儀表在加氫裂化裝置中的應用探討一文中提出, 該廠60 萬加氫裂化裝置采用了IDA 系列全餾程在線分析儀(通力產品), 201 1年10 月底開始調試, 201 2年!月15 日正式投用至今運行平穩, 實現生產過程在線質量監測全塔優化控制, 年經濟效益為1519.3萬元

(2)中石化長嶺分公司在線質量儀表在先進控制系統的應用項目, 應用先進控制(APC) 與在線質量儀表成套在線質量儀表可以作為APC 系統軟儀表的校正信號, 提高了軟儀表準確率(該公司情況如表2所示), 證明了發達國家的經驗: 花了70% 的錢購置DCS, 換來的是15% 的經濟效益, 加增加30% 的投資實現先進控制和過程優化, 將可以提高產品檔次和質量, 降低能源和原材料消耗, 從而增加85% 的經濟效益還要補充一點,該公司實施先進控制的技術為:焦化裝置加熱爐控制采用了清華大學的狀態空間方程技術員; 另焦化裝置聚丙烯裝置采用Hon ey wel公司的RMPCT魯棒多變量預估控制技術;重整裝置采用APSPEN 公司DMCplus的先進控制技術

表2 中石化長嶺分公司先進控制系統中作為軟儀表校正部分在線質量分析

(3)此外, 博太科電氣(上海)公司新型的天然氣水露點測量技術(輸氣管線上采用)項目聚光科技(杭州)公司在線分析系統應用于硫磺回收工藝在線監測(采用紫外差分吸收光譜DOAS技術)項目燕山石化NM R分析系統用于原油在線快速評價項目中石油錦州石化公司燃料油中硫含量的在線檢測技術 SOLAl 在線總硫分析儀項目中石化廣州分公司在線分析小屋聯鎖報警系統功能與實現等眾多項目, 也很有實用價值

(4)工業色譜過程色譜在線色譜過程氣相色譜, 這些名詞都是不同時期對于過程分析技術中最核心部分的描述, 這些年, 在線色譜在石化系統應用也有很大進步中石化廣州分公司張英濤介紹聚乙烯循環氣在線色譜分析系統的應用, 設置了兩臺ABB 公司的310 型在線色譜分析儀, 一備一用測量循環氣, 取得了成功, 經驗是:造型要合適樣品預處理系統要過關中石化長嶺分公司MAXUN] l并行色譜在長盛聚丙烯裝置項目, 即一臺色譜建立兩個應用, APPI 為微星硫分析A丁一3 1 APPZ 為氫濃度分析AE一201 (一臺色譜儀利用一套控制系統對多套分析系統進行控制數據處理及數據傳輸),已運行一年多, 效果良好獨山子石化公司苯乙烯裝置西門子在線色譜儀的故障分析及解決方案, 解決了本機閥切換時間不當色譜掛載氣流量不當LIV 閥故障樣品過濾效果差及儀表設計和預處理系統樣品冷卻不充分諸問題, 最終做到保證了苯乙烯裝置在線色譜儀表周期正常運行, 給工藝操作人員提供精確的測量數據中國環球工程公司安塞LNG項目色譜儀的通訊系統項目, 應用安塞天然氣預處理系統多臺色譜儀與DcsPc 機遠程操作等DCsModbuS協議網絡, 很有價值

(5)石化和煤化工行業還有多項工程采用在線質譜儀聚光科技(杭州)公司過程氣體質譜儀在煤化工行業中的應用項目, 美國Jian wei 博士等的Ex tr!在線質譜儀在甲醇工業氣體監測中的應用, 上海舜宇恒平科學儀器公司等的在線質譜儀在催化劑研究中的應用, 上海大學ART一Za分類方法在單顆粒氣溶膠質譜儀數據處理中的應用及其改進應用, 新疆奎屯錦疆化工有限公司與賽默飛世爾科技(中國)公司合作的Pr ina Pro在線質譜儀在合成氨工業中的應用項目, 以及南京金陵石化工程設計在線拉曼光譜儀的研制及其在芳烴裝置中的應用浙江大學工業自動化國家工程研究中心化學反應過程在線拉

6 在其它行業的應用

6., 鋼鐵

鋼鐵研究總院分析測試研究所的質譜在線分析系統對RH精煉爐真空脫氣過程的實時動態分析項目, 實

現安鋼第二煉軋廠2卻精煉爐采用質譜在線分析系統, 通過對氣體COeoZH:NZ02Ar含量的實時動態分析, 將分析結果繪制成動態的冶煉曲線, 監控工藝參數的變化,對精煉冶煉過程進行控制, 同時指導生產工藝操作取得良好效果, 不僅提高終點控制水平, 有效降低了生產成本, 而且提高了生產率和鋼的質量,減少環境污染, 降低能耗

6.2銅礦

江西銅業德興銅礦大山選礦廠采用了德國新帕克公司在線粒度分析儀oPus, 以31 段不同頻率的超聲

波掃描測量礦漿, 進入研磨和分級的中央控制系統中, 在線的粒度和濃度檢測實現過程控制與優化, 這為國內首創

6.3火電

超臨界和超超臨界機組蒸汽中氫對管道氧化的形成機理及機組產生的危害已為人們所知哈希公司蒸汽對鋼表面的氧化機理探討及溶解氫監測技術的應用項目, 對玉環北侖綏中等電廠在過熱器出口監測氫含量, 有效地減少和避免爆管又溶解氫分析儀測量蒸汽和給水中的氫濃度能夠用于反映爐前和鍋爐系統中的腐蝕活性具體測量原理電廠多用電化學法我國已有將近20 臺超臨界機組, 所以這個技術應引起重視。