化学传感器在石化工业中的应用

一 引言
石油化工产业对国民经济有重要影响，整个石化工业领域包括：上游的轻油裂解炼油厂、中游的塑料中间原料厂和属于下游的塑料加工及塑料化工厂等。在上述各类工厂的生产工艺过程中经常会不同程度的产生或排放一些污染性有害气体如：H2S、SO2、NOX、VOC、CO、CH4、NH3、Cl2等，因此，除需使用各种化学传感器来检测这些有害排放物质之外，还将它们用于生产工艺过程的控制、工业安全保障、工艺卫生、环保与污染防止等多项用途。尤其是在生产安全和环境保护方面越来越引起各方面的高度重视。

目前石化工厂对许多化学物质的检测，主要依靠使用各种化学传感器，在石化工厂中比较常见的化学传感器有：加氢裂解反应工艺过程检测H2泄漏或H2S排放的传感器，锅炉燃烧过程的SOX和NOX排放及内燃机等的燃烧过程控制的O2浓度的检测传感器，以及制造工艺所排放的VOC的监测等。使用化学传感器可快速准确的检测待测物或排放物的种类与浓度，传感器对不论液相还是气相的化学物质或污染物质，在分析检测过程中都起着重要作用，并且随着化学传感器技术的进步与发展，传感检测法将逐渐取代常规的传统分析方法，并随着检测自动化技术的进步，传感器的应用必将更加普遍与广泛，使用量也会与日俱增。本文简要介绍石化工业中化学传感器的应用情况，如传感器的种类、灵敏度、稳定性、所受干扰的程度、用途需求及维修保养等，供有关部门及工程技术人员参考。
二、化学传感器的原理分类
化学传感器是一类专门用于检测、感知化学物质的特殊传感器，通常用于检测气体或液体中的特定化学成分，并将该化学成分的浓度信号转换为可检知的电流或电压信号。化学传感器除广泛用于石油化工系统之外，在现代生活中还广泛应用于诸如汽车、温室、楼宇瓦斯报警及公共场所等[4]。化学传感器的种类繁多，根据多数文献介绍，一般常用的化学传感器按其工作原理有以下几种：
1． 触媒催化或可燃性气体传感器，根据待测的化合物与触媒的催化反应所 释放的能量H，并引起温度的变化，再依据方程式H=CPT（式中的CP为比热），再根据因温度的改变T所引起其所在的电阻发生的电阻值变化，通过惠斯顿电桥测出产生的电压信号。被测气体的浓度越高，其燃烧后产生的热量越多，引起电阻变化也越大，故由温度变化的多少，可以换算成该化合物气体的浓度值。
2． 半导体或气体传感器，根据半导体材料与待测气体接触后，被吸附的气体与半导体之间发生电子转移而引起半导体敏感材料的电阻特性变化，利用此类半导体电阻特性变化来比较测定气体浓度的传感器称为电阻式半导体气体传感器。
3． 电化学传感器
（1）浓差电池式气体传感器：利用传感器两面气体浓差差异而产生浓差电势进行测量,其浓差电势一般符合能势特方程。
（2） 界限电流式气体传感器：在一定工作电压下由于受传感器特定扩
散腔体及扩散孔的限制，工作电流呈现出饱和现象，并且该饱和电流值与被测气体的浓度存在一定的函数关系，从而达到对被测气体的测量。
4．光学式气体传感器：采用被测气体的浓度与光投射强度相关的原理进行
气体浓差测量。
5． 其他新型气体传感器。
三、化学传感器在石化产业的使用概况
1．化学传感器的使用量
一般化学传感器主要用于探测包括：H2S、O2、NOX、NH3、HCN、HF、
COX、HCl、Cl2、SOX、CH4及VOC等，根据有关资料报导，我国某地区的89
家石化工厂中所使用的化学传感器按照工作特性又分成自动监测式与携带式两种，自动监测式化学传感器的使用量统计表如表1所示：
其中触媒式传感器用量最多，共有1136只，半导体式居第二，共972只，电化学式889只居第三位，光学式有149只居第四，其他12只，合计使用3158只传感器，由以上统计可以看出化学式传感器的使用十分普遍，其中以触媒燃烧式传感器的用量最大，可能的原因是其成本低廉故较受欢迎的缘故。在各类传感器的使用中又以VOC监测的用量最大共计1876只，其中包括触媒式855只，约占45%，与半导体式817只，电化学式177只，光学式21只，其他6只，可见触媒式仍然是用量最多的，再其次为CH4传感器总共用量385只。
携带式化学传感器的使用以半导体式的传感器的用量最多共84只，电化学式居第二位共83只，触媒式52只居第三位，光学式有7只，其他23只，总计用量249只，可见携带式的用量明显少于自动监控式的用量，即一般工厂仍以固定监控式为主，移动式监控为辅，并多用于排放源固定且需随时跟踪检测的场合，其中携带式化学传感器又以半导体式最多，主要可能是体积可以缩小便于携带，其中以对CH4监测的有91个为最多，其次为VOC有78个居第二位，O2有45个居第三，从统计表可以看出，目前石化工厂最常使用的仍以探测碳氢类化合物质的气体为主。
2．石化工厂排放化学物质的种类
石化工厂从制造工艺过程中所排放的化学物质的种类甚多，例如有带恶
臭类的胺类、硫醇类等，还有毒性气体如CO、Cl2，可燃性气体如甲烷、碳氢化合物等，挥发性有机气体VOC等，被统计调查的我国某地区几十家石化工厂中，所排放的化学物质如表3所示，以SOX与VOC为最多，各占38家，另外还有NOX占31家居第二位，O2的探测也占很高比例有25家，其余的特殊化学物质如CPL、Benzene等较少，由表3可以看出，石化工厂化学传感器的使用仍以针对环保检测气体较具共通性，其余特殊工艺所排放的气体较少，而SOX与NOX大多来自石油或煤的燃烧所产生的环保管制性气体。
3．化学传感器的主要用途
化学传感器的用途十分广泛，如用于瓦斯泄漏报警，空气污染排放管制，
及工艺卫生与安全检测、工艺过程管理等。据统计有71%的传感器用于环保监测，25%的传感器用于生产工艺过程控制，工艺安全与工艺卫生方面的传感器用量约占4%左右。由此可看出大多数的化学传感器是用在环保方面。此外，一般石化工艺过程与工艺卫生方面的分析检测仍多用传统分析方法进行，目前使用化学传感器的数量并不大，但预计今后在这方面的使用量将逐渐增多。
4．化学传感器的生产厂商
我国某地区石化工厂中使用的化学传感器主要由国外厂商供应并提供相应的技术支撑与服务。一些有关环保方面检测项目，例如烟道排放则由环境工程公司承包，但传感器安装、维修、更换也均由该公司代理国外供应商完成。以SOX传感器为例，生产厂商很多而且分散。

可以看出在SOX自动监测系统中，传感器主要使用COSMOS、HORIBA和THERMAL ENVIRONMENT INSTRUMENT三家产品，分别占自动监测系统中传感器数目的12%、23|和17%，三家供应43台，占自动监测系统52%的用量。在便携式传感器中，以TESTO为主，占便携式传感器中75%（3台），对SOX的监测主要使用自动监测系统，其中又以光学式传感器的使用为主。
6． 问题讨论与分析
（1） 干扰问题
目前传感器在使用中普遍存在的问题是选择性或受干扰等问题，以对
SOX的监测系统为例，最常见的可能干扰如水蒸气冷凝会吸附燃烧的SOX，因其溶解度很大使所测得的浓度往往就偏低；另外，光学传感器的感光频率在同时感应两种物质时，会无法分辨而导致测试浓度值增大，或者因吸收频率相近产生干扰，如NOX对SOX的干扰。又如触媒式燃烧传感器的选择性不够好，对各种可燃性气体均会产生信号，该传感器会有良好的再现性与较好的稳定性，但选择性差。另外，半导体式传感器也会受到类似分子吸收污染粒子的影响，会引起信号不准及失灵等现象；电化学传感器也存在易受电解液干涸或环境湿度与低变化影响的缺点。
（2） 化学传感器监测位置问题
要求传感器的监测位置要以能检测出正确的测试位置为目的。例如SOX监测系统的安装地点、位置必须有一定的代表性与适应性，一般安装在烟道排放出口前的1/3处。其好处是采样参数有代表性，缺点是有的烟囱太高会带来维修上的困难。
（3） 燃油成分与污染排放的关系
我们知道，燃油成分与其燃烧后污染物的排放有密切关系，例如以某石化厂烟道的SO2排放监测结果为：一个月的平均日排放值为32ppm，日最大值为34.2ppm，日最小值为29.7ppm，经分析发现SO2传感器所侦测的排放浓度与当天燃油成分中硫含量成正比，使用SO2传感器对锅炉燃烧所排放的SO2量也同样与燃油中的硫含量有密切关系。
7． 结论：
（1） 通过对我国某地区石化工厂所使用的传感器的统计分析可以看出，目前以VOC传感器的用量最大，而其中又以触媒式占的比例最高（约45%），携带式传感器用量明显少于自动监测系统。
（2） 化工厂排放的化学物质以SOX和VOC最普遍，其次为NOX，化学
传感器的应用目的又以环境保护为主（占71%），其次是工艺过程控制，在石化工厂中多采用使用价格昂贵的光学式传感器的自动监测系统。
（3） SOX燃烧气体排放浓度与燃烧中含硫量成正比，选用低含硫的燃烧可
大幅度节省传感器的设计及人力成本。