氢气纯度分析仪测量精度提升探讨与改造

氢气纯度分析仪测量精度提升探讨与改造

庞晓骅

（中国石化中原石化有限责任公司，河南 濮阳 457000）

摘要：在各类制氢装置中，产品气通常设置一台热导式氢气分析仪，在线测量产品氢气纯度。由于热导式氢气分析仪，检测精度有限，很难适用到高纯氢场合。通过全面比对、分析，同时根据现场实际情况，选取红外检式测仪表进行换型改造后，分析精度、稳定性都取得的较大提升。

关键词：分析仪；精度；提升

引言

氢能源是公认的清洁能源，它比之其他能源具有热值较高、储量丰富、来源多样、应用广泛、利用形式多等特点[1]，可广泛应用于石油、化工、冶金等领域。随着氢能应用的越发广泛，市场对氢气的纯度有了更高的要求，尤其是在燃料电池方面的应用，氢气的纯度通常要求达到99.9999%以上，进一步凸显了提升制氢装置的氢分析仪检测精度和稳定性的必要性。

本文以我公司变压吸附制氢装置的产品气热导式氢气分析仪改造为例，详细介绍了氢分析仪改造的方案选择和实施效果，并提出了一系列优化建议。

1、变压吸附提纯制氢程介绍

氢气制取方法有很多种，常见的制氢方法有一下几种：电解水制氢、化石燃料制氢、生物质制氢、光化学制氢、热化学制氢、太阳能光催化分解水制氢等技术。目前，我国制氢的主要方式是化石燃料制氢，这种方法有成本低，产量大的优势。富氢原料经过再经一系列过滤、变压、吸附、提纯，就可得到相应高纯产品氢。

1.1变压吸附工艺流程

变压吸附（PSA）制氢，是对富氢气体（杂质一般为一氧化碳、甲烷等）原料进行提纯的工艺过程。该工艺是以多孔性固体物质（吸附剂）内部表面对气体分子的物理吸附为基础，在两种压力状态之间工作的可逆的物理吸附过程，它是根据混合气体中杂质组分在高压下具有较大的吸附能力，在低压下又具有较小的吸附能力，而氢气无论是高压或是低压都具有较小的吸附能力的原理。在高压下，增加杂质分压以便将其尽量多的吸附于吸附剂上。在低压下进行吸附剂的解吸或再生，排出吸附剂上的杂质[2]。经过以上步骤，富氢气体原料便得到了提纯。

1.2产品氢气纯度分析仪现状

旧的产品气氢气纯度分析仪采用的是热导式气体分析仪，检测原理如图1。

图1 热导式气体分析仪检测原理图

热导式气体分析仪是一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同的热传导能力的原理，通过测定混合气体热导系数来推算其中某些组分的含量。热导式分析仪器是结构简单、性能稳定、价廉、技术上较为成熟。但热导式分析仪适合测量常量的气体，不适用于高纯气体或者是对测量精度有较高要求的场合。此外，热导式气体分析仪对气体的压力波动、流量波动十分敏感，介质中水汽、颗粒等杂质对测量影响较大，需要安装复杂的采样预处理系统。

2、氢气纯度分析改造方向选择

氢气纯度分析主要有两种思路，一种是直接测量，一种是间接测量（杂质测量）。其中，直接测量方法主要是热导式。间接测量方法有红外式、质谱式、色谱式、电化学式等。直接测量法，适合测量常量级别的气体纯度，无法满足高精度的氢气测量，因此，本次改造将直接测量法排除在外。各种简介检测方式的优缺点如下：

（1）红外气体分析仪的测量基于某些气体对红外线的选择性吸收。简单说就是将待测气体连续不断的通过一定长度和容积的容器，从容器可以透光的两个端面中的一个端面侧边射入一束红外光，然后在另一个端面测定红外线的辐射强度，最后依据红外线的吸收与吸光物质的浓度成正比就可知道被测气体的浓度[3]。

图2 红外式气体检测仪测量原理图

红外气体分析仪的优点有测量范围宽，可分析气体上限达100%，下限至ppm级别的浓度，进行精细化处理后，还可以进行痕量 (ppb)分析，灵敏度高，测量精度高且稳定性好，反应速度快（响应时间一般在10S以内）。缺点：不能分析对称结构无极性双原子分子及单原子分子气体。

（2）质谱仪能够根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成。其优点是测量气体种类多，测试速度快，灵敏度高，结果精确，稳定性和重复性也较高。缺点是价格偏高，仪器机构复杂，环境要求高。

（3）色谱检测是用载气将混合物带入色谱柱，与色谱柱内固定相相互作用，使各混合物各组分按先后次序从流出，并且依次导入检测器，从而得到各组分的检测信号，根据峰高度或峰面积可以计算出各组分含量。优点是测量范围广，精度、稳定性高。缺点是系统复杂，且价格偏高，环境要求高。

（4）电化学式气体分析仪根据化学反应所引起的离子量的变化或者电流变化来测量气体成分。常用的电化学式分析仪有定位电解式和电池式。优点是体积小、准确。缺点是使用消耗较大，抗干扰能力差、稳定性差等问题。

    通过对不同检测类型的气体分析仪进行比较，不难得出，红外式气体分析仪测量精度高、稳定性好、响应速度快，环境要求不高，且具有一定的价格优势。因此，本次改造选择使用红外式气体分析仪。

3、现场工况及改造方案介绍

3.1现场工况

如表1、表2所示，该装置原料气为甲烷氢，含少量乙烯乙烷和一氧化碳，而正常工况下，经过变压吸附后的产品气中，乙烯、乙烷、一氧化碳均被除去，仅剩微量的甲烷。

表1原料气组分表

表2 产品气组分表

3.2改造方案制定

由于产品气中的主要成分是氢气，还有微量的杂质甲烷（<10ppm），因此本方案采用一台红外分析仪，代替原来的热导式氢气分析仪，测量产品气中的微量甲烷含量，在经过折算，即可得出氢气的纯度。

本次选用的红外分析仪是西门子红外分析仪Ultramat 6，配套的取样、处理、排放系统集成于现场正压防爆柜，共同组成了分析系统。红外分析仪系统由取样图如下：

图3 红外分析仪系统图

Ultramat 6功能强大，性能优越。其采用交变NDIR双光束测量原理，具有高度的选择性，测量红外吸收波段在2~9m范围内的气体，例如：CO、CH4 以及其它碳氢化合物。单通道分析仪最多可测量2 个气体组分，而双通道分析仪则最多可同时测量4 个气体组分。主要检测特性如下：

重复性 ≤ 1%             线性误差 ≤ 1% FS

响应时间 ≤ 5秒         零点漂移 ≤ 1%FS/周     

量程漂移 ≤ 1%FS/周      最小检测限≤最小量程的1% 

环境温度影响零点和量程 ≤ 2%/10℃

4、改造效果

通过本次改造，将热导式氢分析仪改造为红外式甲烷分析仪，分析精度得到了极大提升，由原来的%0.01，提升至0.0001%。如图4所示，经过一段时间的运行观察，改造效果良好。此外，分析仪的稳定性和相应速度也得到了较大提升，对工艺操作和仪表人员维护都带来了极大的便利。

图4 产品气甲烷检测趋势图

5、总结与建议

本次改造，根据现场工况，通过测量产品氢中的甲烷杂质含量，间接测得了氢气的纯度，极大提升了检测精度和分析系统的稳定性，实现了改造目的，同时也降低了项目投资和运维成本。

经过一段时间的运行，可以看出此次改造的优化提升主要体现在以下几个方面：

(1)红外分析仪测量精度达到ppm级，相对于热导式氢分析仪有了极大的提升；

(2)红外分析仪的稳定性高，相对与热导式氢分析仪得到了较大提升；

(3)红外分析仪的相应速度能够保证在10S之内，响应速度有了较大提升；

(4)红外分析仪柜采用了正压防爆柜，满足现场防爆要求的清下，更易于维护；

(5)排放系统增加防火帽，确保了现场排放安全。

除了以上提升之外，该分析系统可根据生产需要，做进一步优化，如：

(1)选用更高精度的红外分析仪；

(2)增加伴热温控系统，减小环境温度波动；

(3)将排放引至火炬彻底消除现场排放安全风险。

6、结束语

随着社会的不断发展，能源改革的不断推进，化工行业加速高端化、精细化，相应对产品质量有了更高的要求，因此提升产品质量分析仪的精度至关重要。本次改造，通过综合比对分析，在满足测量精度等检测要求的前提下，选择投资相对低的改造方案，实现了最高性价比，为类似的仪表改造提供了一定借鉴意义。

参考文献

[1]舟丹.我国氢能产业发展前景[J].中外能源，2022.27(11):9.

[2]杜红岩.变压吸附分离技术用于催化裂化干气提纯氢[J].石油炼制与化工，1998,29(4):3-4.

[3]张乐.西门子ULTRAMAT煤气在线分析系统在工业中的应用[J].科技风，2018(18):146.

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