專利名稱：一種尿素合成中氨碳比的監測系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及化肥行業中的尿素生產，特別涉及一種尿素合成中氨碳比 的監測系統。
背景技術：
在化肥行業的尿素生產中，需要實時、有效地監測兩種原料NH3和C02的 配比(以下簡稱氨碳比)，并根據監測的結果調整生產原料的配比，以提高尿素 合成效率和成品質量，降低能耗。
目前，普遍采用以下兩種氨碳比監測方法
1、 人工提取化驗法
該方法依靠人工從尿素合成塔中取樣，并在化學實驗室中對樣氣進行測量， 技術人員根據測得的氨碳比決定是否對生產工藝進行調整及如何調整。該監測 方法主要存在如下不足
a、 響應速度很低，監測結果嚴重滯后，測量結果的利用價值不大；
b、 個體差異會給取樣帶來不確定因素，測量準確度低； C、人工工作量大，效率低；
d、 NH3是有很強刺激性的氣體，尿素合成塔內的壓強很高，超過10MPa， 因此，易泄漏造成惡性安全事故，損害現場取樣操作人員的身體健康。
2、 間歇式采樣液相色譜法。
該方法是基于液相色譜技術來測量氨碳比，并使用DCS工業控制系統來進 行自動化閉環控制。該監測方法主要存在以下不足
a、 響應速度低，測量結果滯后，測量結果的利用價值不大；
b、 不能連續測量；
c、 系統成本很高，主要設備均依賴進口，比如測量NH3和C02的液相色譜 儀的價格就為220萬左右；
d、 系統維護量大，且維護困難，維護成本也很高， 一些關鍵器件必須依賴 進口。目前，基于DLAS (Diode Laser Absorption Spectroscopy)技術的激光光譜 氣體分析裝置廣泛應用在氣體測量中，如鋼鐵、水泥、化工、環保等領域中過 程氣體的濃度測量。
DLAS技術的基本原理為調諧測量光的波長，使其對應到待測氣體的吸收 譜線；測量光穿過待測氣體并被接收，得到測量光在所述吸收譜線處的吸收， 利用比爾-朗伯定律得到待測氣體的濃度等參數。DLAS技術具有諸多優點，如: 響應時間很短，可以達到毫秒級，可以實現連續測量；測量下限低，可用于測 量濃度為ppb級的氣體；測量精度高。
在DLAS技術中，待測氣體吸收譜線的選擇對于測量至關重要，直接影響 到測量的重要指標測量精度。
目前，在應用DLAS技術測量NH3中，如大氣中NH3的監測、SCR(或SNCR) 脫硝工藝流程中NH3的監測，選擇的吸收譜線的中心波長通常在1470 1535nm 范圍內，如1522.4nm(參見文獻《Ammonia monitoring near 1.5 }xm with diode-laser absorption sensors》M E. Webber, D S. Baer and R K. Hanson, APPLIED OPTICS, 2001， 40(12): 2031 2042)。
在應用DLAS技術測量C02中，選擇的吸收譜線的中心波長在1570 1615nm范圍內，如1599.6nm(參見文獻《Diode laser spectroscopy of C02 in the 1.6 jam region for the in陽situ sensing of the middle atmosphere》，I. Pouchet, V. Zeninari, B. Parvitte, et al， Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2004, 83: 619- 628;《Diode-Laser Sensor for Measurements of CO, C02 and CH4 in Combustion Flows》，R M Mihalcea, D S. Baer， and R K. Hanson, APPL正D OPTICS, 1997， 36(33): 8745~8752)。
在尿素合成中，高濃度的NH3和C02通入尿素合成塔內，并在高壓環境下
進行反應，測量環境較惡劣
1、 存在較多背景氣體，如H20 (濃度在4%左右)、02 (濃度在1%左右)、 NH4COONH2 (微量)和極少量的氣態尿素。
2、 尿素合成塔內NH3和C02的壓強很高，超過10MPa。
而且，NH3的濃度高，濃度范圍為60% 80%; C02的濃度較高，濃度范圍 為15% 25%。
倘若仍然使用所述基于DLAS技術的激光光譜氣體分析裝置，并利用所述吸收譜線分別去測量尿素合成塔內NH3、 C02的濃度，就會存在諸多技術難點，
如
1、 高濃度NH3對1522.4nm處對測量光的吸收非常強，即使測量光程設計 為lcm，吸收就會達到40%，造成接收到的光非常弱，甚至探測不到，增加了 測量的難度，甚至無法測量。
2、 如圖2所示，在強吸收的情況下，吸收與NH3濃度之間成非線性，大大 降低了測量精度；同時測量靈敏度隨NH3濃度的增加而降低(靈敏度是指儀器 的輸出信號變化與被測組分濃度變化之比，這一數值越大，表示儀器越靈敏， 即被測組分濃度有微小變化時，儀表就能產生足夠的響應信號，靈敏度 S = f/^， F表示吸收信號峰值，C表示被測氣體的濃度)；如當被測氣體濃
度為80%時，靈敏度僅有0.047。
3、 氣體間的干擾。如圖3所示，在1570 1615nm波長范圍內C02的吸收 譜線處，如1599.6nm，皿3的吸收也很強，嚴重干擾了C02的測量，大大降低 了 C02濃度的測量精度。在NH3的吸收譜線1522.4nm處，水也有一定程度的吸 收，干擾了NH3的測量。
4、 由于1570 1615nm波長范圍內C02譜線的吸收較小，要保證吸收信號 的信噪比達到100倍左右，則測量光程需要達到50cm，與NH3測量光程相差較 大，增加了測量系統的復雜度。
5、 氣體的吸收譜線在高壓環境下展寬情況嚴重，同時也會造成信號波形變 寬。壓強太高時，吸收信號波形的半高全寬(FWHM)會超過激光器頻率掃描 范圍，增加了測量的難度，也會大大降低測量精度。當壓強為10MPa時，吸收 信號波形在正常頻率掃描范圍內基本成一直線，根本無法測量，如圖4所示。
基于上述技術難點的存在，常規的基于DLAS技術的激光光譜氣體分析裝 置還沒能應用在尿素合成中氨碳比的監測中。
實用新型內容
為了克服現有技術中的不足，本實用新型提供了一種一種可連續、實時工 作、響應速度高、測量精度高、可靠性高、運行維護成本低的尿素合成中氨碳 比的監測系統。
為實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案
5一種尿素合成中氨碳比的監測系統，包括伴熱裝置、依次連接的取樣裝置、 預處理裝置和光譜氣體分析裝置；其中，
預處理裝置包括降壓裝置、氣液分離裝置；把待測樣本的壓強從超過10MPa 降到了常壓附近，大大降低了壓強對NH3、 C02的吸收譜線的展寬影響，很好地 滿足了 DLAS技術應用的需要；
伴熱裝置伴熱所述預處理裝置、激光光譜氣體分析裝置；
在上述處理過程中，還需伴熱待測樣本和待測樣氣，防止氣體由于溫度變 化而產生的物質堵塞或腐蝕管路等器件；
激光光譜氣體分析裝置包括激光器、探測器和分析單元，在測量NH3時激 光器的工作波長對應于NH3的吸收譜線，該吸收譜線處于以下任一波長范圍內 1460 1480nm、 1524 1548nm、 1630 1693nm、 1卯8 1938證、2165 2188nm，
在測量C02時激光器的工作波長對應于C02的吸收譜線，該吸收譜線處于以下
任一波長范圍內2049 2058nm、 2064 2075nm。
上述激光器的工作波長很好地滿足了 DLAS技術應用的需要
1、 對于高濃度NH3和C02的測量，上述選擇的譜線的吸收率適中， 一方面， 避免了 NH3和C02對測量光的強吸收；另一方面，避免了吸收信號與濃度間成 非線性，測量靈敏度高；再一方面，保證了信號有足夠的信噪比。
2、 避免了在測量時NH3吸收和C02吸收之間的相互干擾；也避免或降低了
背景氣體對NH3、 C02測量的干擾。
3、 NH3譜線吸收和C02譜線吸收相當，分析儀的測量光程可以設計為相同， 簡化了系統結構。
作為優選，在測量NH3時激光器的工作波長為1462nm、 1543.8nm、 1547nm、 1630.3nm、 1639.2nm、 1642.4nm、 1645.5nm、 1646.4nm、 1652nm、 1658.7nm、 1664.3nm、 1666.8nrn、 1675.6nm、 1678.7nm、 1682.6nm、 1692.9nm、 1909.3nm、 1917.3nm、 2176.6nrn、 2178.1nm、 2180.4nm、 2187.9nm中的任一個。
作為優選，在測量CO2時激光器的工作波長為2072.66nm、 2052.04nm中的
任一個。
作為優選，所述取樣裝置安裝在尿素合成塔的頂部。作為優選，所述伴熱裝置為蒸汽伴熱裝置。所述待測樣本和待測樣氣的溫
度保持在150'C 22(TC內；否則，當溫度低于15(TC時，氣體中會析出尿素結 晶物，容易堵塞管路，而當溫度高于22(TC時，氣體中微量NH4COONH2有很高 的腐蝕性，腐蝕管路及各種器件。
作為優選，所述預處理裝置還包括反吹裝置。 與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果-
本實用新型克服了DLAS技術應用在氨碳比監測中時遇到的所有技術難點， 如吸收率、各種氣體的吸收譜線間的干擾、高壓強影響測量、測量光程等問題， 創造性地將DLAS技術應用于尿素合成中氨碳比的監測中，實現了
1、 可連續監測尿素合成塔內的氨碳比，為尿素生產提供了有價值的測量數
據；
2、 響應時間極短，為尿素生產及時提供詳盡的技術參數，有助于提高尿素 合成效率和成品質量，降低能耗；
3、 NH3、 C02的吸收譜線的恰當選擇，提高了測量的靈敏度和精度；
4、 所述監測系統結構簡單，可靠性高，可自動監測尿素合成塔內的氨碳比， 工程維護量小；
5、 所述監測系統的成本較低，運行成本很低，只消耗很低的電能。
圖1為實施例中氨碳比監測系統的結構示意圖2為在1522.4nm處NH3譜線的吸收、靈敏度與濃度的關系圖3為測量C02用譜線受NH3譜線干擾示意圖4為不同壓強下1522.4nm處NH3譜線的展寬示意圖5為在波長范圍1630 1693nm內NH3、 0)2和H20的吸收光譜圖6為在1658.7nm處NH3、 002和H20的吸收光譜圖7為在1522.4nm、 1658.7nm處NH3譜線的靈敏度與濃度的關系圖8為在波長范圍2064~2075nm內NH3、 (:02和H20的吸收光譜圖9為在波長范圍1908~1938nm內NH3、 (302和H20的吸收光譜圖；圖10為在波長范圍2049~2058nm內NH3、 (302和H20的吸收光譜圖。
具體實施方式
以下實施例對本實用新型的結構、功能和應用等情況做了進一步的說明， 是本實用新型幾種比較好的應用形式，但是本實用新型的范圍并不局限在以下 的實施例。
實施例1:
如圖1所示， 一種尿素合成中氨碳比的監測系統，包括蒸汽伴熱裝置7、依 次連接的取樣裝置2、預處理裝置9和激光光譜氣體分析裝置8。
取樣裝置2安裝在尿素合成塔1的頂部。
預處理裝置9包括蒸汽反吹裝置4、依次連接的一級降壓裝置3、 二級降壓 裝置5和氣液分離裝置6。蒸汽反吹裝置4通過三通閥14與一級降壓裝置3和 二級降壓裝置5相連。
激光光譜氣體分析裝置8包括NH3分析儀11、 C02分析儀13。其中，所述 NEb分析儀ll由激光器、探測器、分析單元及測量室10組成，該測量麗3用 激光器的工作波長對應于NH3的吸收譜線，該吸收譜線的中心波長為1658.7nm。 C02分析儀13由激光器、探測器、分析單元和測量室12組成，該測量C02用 激光器的工作波長對應于C02的吸收譜線，該吸收譜線的中心波長為 2072.66nm。皿3分析儀11、 <:02分析儀13的測量光程相同。
蒸汽伴熱裝置7與預處理裝置9、激光光譜氣體分析裝置8相匹配，采用全 程蒸汽伴熱，保持預處理裝置9內待測樣本、激光光譜氣體分析裝置8內待測 樣氣的溫度在150。C 22(TC內。
上述尿素合成中氨碳比的監測系統的工作過程，包括以下步驟 a、譜線選擇步驟
如圖5所示，在波長范圍1630~1693nm內，NH3、 032和H20的吸收光譜 很復雜，經過詳細的比對、分析和論證，選擇中心波長為v。4658.7nm的譜線為 檢測NH3用的吸收譜線，如圖6所示；
如圖8所示，在波長范圍2064~2075nm內，NH3、 002和H20的吸收光譜 很復雜，經過詳細的比對、分析和論證，選擇中心波長為v「2072.66nm的譜線
8為檢測C02用的吸收譜線；
上述選擇的譜線很好地滿足了 DLAS技術應用的需要
1、 對于高濃度NH3和C02的測量，上述選擇的譜線的吸收率適中， 一方面，
避免了NH3和C02對測量光的強吸收；另一方面，如圖7所示，避免了該譜線
處吸收信號與濃度成非線性，測量靈敏度高，靈敏度最低為0.975，約為波長 1522.4nm處NH3譜線最低靈敏度的20倍；再一方面，保證了信號有足夠的信 噪比；
2、 避免了在測量時NH3吸收和C02吸收間的相互干擾；也避免或降低了背 景氣體對NH3、 C02測量的干擾；
3、 NH3譜線吸收和C02譜線吸收相當，則分析儀的測量光程可以設計為相
同，簡化了系統結構。
b、 取樣步驟
開啟取樣裝置2，從尿素合成塔1的頂部取出待測樣本；
c、 預處理步驟
待測樣本在一次降壓裝置3、 二級降壓裝置5中進行降壓處理，使待測樣本 的壓強降至0.10MPa，然后用氣液分離裝置6將樣本中殘留的油污和固體顆粒雜 質除去，得到待測樣氣；在上述過程中，蒸汽伴熱裝置7把所述待測樣本的溫 度伴熱到15(TC 22(TC內；避免了待測樣本溫度過低時析出尿素結晶物堵塞管 路，又避免了溫度過高時樣本中高腐蝕性的NH4COONH2腐蝕管路及各種器件；
得到的待測樣氣的壓強從超過10MPa降到了常壓，大大降低了壓強對NH3、 C02的吸收譜線的展寬影響，很好地滿足了 DLAS技術應用的需要；
d、 測量步驟
調節NH3分析儀11中激光器的工作電流和工作溫度，使激光器工作波長對 應于步驟a中選擇的NH3的吸收譜線1658.7nm;調節C02分析儀13中激光器 的工作電流和工作溫度，使激光器工作波長對應于步驟a中選擇的C02的吸收 譜線2072.66nm;
測量光穿過測量室10、 12內的待測樣氣，待測樣氣的溫度保持在150°C 22(TC內，測量光經NH3、 C02的吸收后被探測器接收；禾U用比爾-朗伯定律處理接收信號，從而分別得到待測樣氣中NH3和C02的 濃度，進而得到尿素合成中的氨碳比。
根據測得的氨碳比，來判斷尿素生產是否需要調整及如何調整。
在上述監測系統的工作過程中，即使采用了全程蒸汽伴熱，但還會有少量 的尿素結晶和機械潤滑油堆積在預處理裝置9中，當堆積到一定程度時，會堵 塞閥門和管路，這就需要用蒸汽反吹裝置4提供的高溫、高壓蒸汽反吹所述預 處理裝置9，以達到清潔和排除污物的目的，保障了監測系統的穩定運行。 實施例2:
一種尿素合成中氨碳比的監測系統，與實施例1不同的是-
1、 所述檢測NH3用激光器的工作波長對應于NH3的吸收譜線，該譜線的中 心波長為1909.3nm，如圖9所示。
2、 所述檢測C02用激光器的工作波長對應于C02的吸收譜線，該譜線的中 心波長為2052.04nm，如圖10所示。
上述尿素合成中氨碳比的監測系統的工作過程，與實施例1不同的是
1、 選擇的檢測NH3用的吸收譜線的中心波長為1909.3nm，如圖9所示。
2、 選擇的檢測C02用的吸收譜線的中心波長為2052.04nm，如圖IO所示。
附加說明上述實施例中只是列舉了測量NH3時使用的兩條吸收譜線、測 量C02時使用的兩條吸收譜線，當然還可以使用其他NH3的吸收譜線，如 1462nm、 1543.8nm、 1547nm、 1630.3nm、 1639.2nm、 1642.4nm、 1645.5nm、 1646.4nm、 1652nm、 1664.3nm、 1666.8nm、 1675.6nm、 1678.7nm、 1682.6nm、 1692.9nm、 1917.3nm、 2176.6nm、 2178.1nm、 2180.4nm、 2187.9nm中的任一個， 而這些吸收譜線的使用類似于上述實施例，在此不再贅述。
上述實施方式不應理解為對本實用新型保護范圍的限制。在不脫離本實用 新型精神的情況下，對本實用新型做出的任何形式的改變均應落入本實用新型 的保護范圍之內。
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權利要求1、一種尿素合成中氨碳比的監測系統，包括伴熱裝置、依次連接的采樣裝置、預處理裝置、激光光譜氣體分析裝置；其中，預處理裝置包括降壓裝置、氣液分離裝置；伴熱裝置伴熱所述預處理裝置、激光光譜氣體分析裝置；激光光譜氣體分析裝置包括激光器、探測器和分析單元，在測量NH3時激光器的工作波長對應于NH3的吸收譜線，該吸收譜線處于以下任一波長范圍內1460～1480nm、1524～1548nm、1630～1693nm、1908～1938nm、2165～2188nm；在測量CO2時激光器的工作波長對應于CO2的吸收譜線，該吸收譜線處于以下任一波長范圍內2049～2058nm、2064～2075nm。
2、 根據權利要求1所述的氨碳比的監測系統，其特征是在測量皿3時激光器的工作波長為1462nm、 1543.8nm、 1547nm、 1630.3nm、 1639.2nm、 1642.4nm、1645.5nm、 1646.4nm、 1652nm、 16587nm、 、 .8nm、 16756nm、1678.7nm、 1682.6nm、 1692.9nm、 1909.3nm、 1917.3nm、 2176.6nm、 2178.1nm、
3、 根據權利要求1或2所述的氨碳比的監測系統，其特征是在測量C02時激光器的工作波長為2072.66nm、 2052.04nm中的任一個。
4、 根據權利要求1或2所述的氨碳比的監測系統，其特征是所述取樣裝置安裝在尿素合成塔的頂部。
5、 根據權利要求1或2所述的氨碳比的監測系統，其特征是所述的伴熱裝置為蒸汽伴熱裝置。
6、 根據權利要求1或2所述的氨碳比的監測系統，其特征是所述預處理裝置還包括反吹裝置。
專利摘要本實用新型公開了一種尿素合成中氨碳比的監測系統，所述系統包括伴熱裝置、依次連接的取樣裝置、預處理裝置和激光光譜氣體分析裝置；伴熱裝置對預處理裝置和激光光譜氣體分析裝置實施保溫；激光光譜氣體分析裝置包括激光器、探測器和分析單元，在檢測NH<sub>3</sub>時激光器的工作波長選自以下任一波長范圍1460～1480nm、1524～1548nm、1630～1693nm、1908～1938nm、2165～2188nm，在檢測CO<sub>2</sub>時激光器的工作波長選自以下任一波長范圍2049～2058nm、2064～2075nm。本實用新型具有可連續實時監測、測量精度高、響應速度高、成本低等優點。
文檔編號G01N21/31GK201269855SQ200820165809
公開日2009年7月8日 申請日期2008年10月9日 優先權日2008年10月9日
發明者健 王, 顧海濤, 偉 黃 申請人:聚光科技(杭州)有限公司