[发明专利]一种基于拉曼光谱的炼厂酸性气成分的在线检测系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体混合物成分含量的在线检测系统和方法，尤其涉及一种炼厂酸性气成分的在线检测系统和方法。

背景技术

炼厂酸性气是一种石化企业中常见的混合气体，主要包含硫化氢、氢气、甲烷、乙烷、氮气等组分，通常产生于石油炼制过程中的催化裂化、催化重整、加氢精制、加氢裂化等生产装置。炼厂酸性气中含有较高浓度的硫化氢，硫化氢是一种有毒气体，排放前需要经过专门的硫回收装置进行处理，以避免对环境的危害。通常，炼油过程中产生的酸性气组成变化较大。如果不能根据酸性气成分的变化及时调整硫回收装置的操作参数，就会对回收装置的性能和能耗造成不利影响，所以对酸性气成分的在线实时检测就显得尤为重要。实时、准确的酸性气成分在线检测对保护环境、降低能耗具有重大意义。

目前混合气体成分的在线检测已存在一些方法。气相色谱法是一种常用方法，其优点在于成分检测的准确性。然而，气相色谱法测量周期长、样气预处理单元复杂，需要定期的标定和维护。此外，气相色谱法还需要对分析后的样气进行后处理。这些缺点使其并不适用于酸性气成分的在线实时检测。激光吸收光谱法是另一种现有的可供选择的方法，它具有检测速度快(≤1s)、样气无需后处理等优点。但激光吸收光谱法需要为每种气体组分配备一个不同波长的激光光源，导致测量装置复杂且价格昂贵；此外，该方法仍需要定期的模型标定。

与现有方法相比，拉曼光谱法测量时间较短(对于气体成分测量时间≤1min)，准确性好，日常运行过程中现场免维护、模型免标定。拉曼光谱法在气体成分检测应用方面目前的困难主要在于拉曼散射信号强度弱，而杂散光信号较强。本发明提供的在线检测系统和方法有效解决了拉曼散射信号的强度问题，使其适用于气体成分的实时在线检测，特别是对炼厂酸性气的实时在线检测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于拉曼光谱的炼厂酸性气成分的在线检测系统和方法，用于工业生产过程中对炼厂酸性气成分的实时在线检测。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于拉曼光谱的酸性气成分的在线检测系统，该系统主要包括拉曼采样单元和拉曼主机柜两部分，具体包括以下部件：酸性气管路、激光器、激发光纤、拉曼探头、样品池、收集光纤、光纤光谱仪、工控机、取样阀、流量计、回样阀。

下面结合该在线检测系统，简要说明拉曼光谱的测量过程：

在酸性气在线测量过程中，保持取样阀和回样阀打开，炼厂酸性气由酸性气管道经过取样阀和流量计进入样品池，再由回样阀流回到酸性气管路。激光由激光器产生，通过激发光纤和拉曼探头射入样品池。样品在激光照射下产生的拉曼散射光由拉曼探头接收，经过收集光纤传回光纤光谱仪，被光纤光谱仪内的CCD阵列所检测，同时被转化为数字信号传至工控机，工控机用于对光纤光谱仪返回的拉曼信号进行处理和分析。流量计用于指示采样管路内酸性气的流动情况。

一种基于拉曼光谱的酸性气成分的在线检测方法，该方法包括以下步骤：

(1)现场应用前的标定。标定的目的是获得酸性气中纯组分的拉曼光谱以及确定定量分析模型的模型参数，即硫化氢、氢气、甲烷、乙烷和氮气的相对拉曼强度系数。首先测量纯组分样气和已知组分含量的双组分样气的拉曼光谱。然后对原始拉曼光谱进行预处理。最后通过光谱拟合的方法计算得出各组分的相对拉曼强度系数，并基于拉曼光谱叠加原理建立酸性气成分的定量分析模型。标定需要准备的样气包括：甲烷、乙烷、氢气、氮气的纯组分样气，组分含量已知的氮气和硫化氢的双组分样气，组分含量已知的氮气和甲烷的双组分样气，组分含量已知的氮气和乙烷的双组分样气以及组分含量已知的氮气和氢气的双组分样气。

标定方法具体包括以下子步骤：

(1.1)通过在线拉曼检测系统，测得用于标定的样气的原始拉曼光谱，用于标定的样气包括：甲烷、乙烷、氢气、氮气的纯组分样气，组分含量已知的氮气和硫化氢的双组分样气，组分含量已知的氮气和甲烷的双组分样气，组分含量已知的氮气和乙烷的双组分样气以及组分含量已知的氮气和氢气的双组分样气。

(1.2)对原始拉曼光谱进行预处理，包括：暗光谱扣除、平滑滤波、基线校正和标准归一化。