化學傳感器在石化工業中的應用

摘要：化學傳感器是一類專門用于檢測、感知化學物質的特殊傳感器，通常用于檢測氣體或液體中的特定化學成分，并將該化學成分的濃度信號轉換為可檢知的電流或電壓信號。目前石化工廠對許多化學物質的檢測，主要依靠使用各種化學傳感器。本文簡要介紹化學傳感器在石化工業中的應用情況。

關鍵詞：石油化工 化學傳感器 VOC SOX

The application of chemistry sensor in the petrochemical industry
Yang bang-chao Gu yong-lian
(university of electronic science and techlology of china ,chengdu Sichuan 610054)

ABSTRACT: The chemistry sensor is a especial sensor used to detect or sense chemistry
materials. For example , the specifical chemical ingredient in air or liquid are detected by this kind of sensors ,and are converted into detected current or voltage signal. Presently, many chemistry materials are detected by Petrochemical factoryies, mainly depending on using various chemistry sensor.This paper briefly introduces the application of chemistry sensor.

KEY WORD: etrochemical industry chemistry sensor VOC SOx

一 引言
石油化工產業對國民經濟有重要影響，整個石化工業領域包括：上游的輕油裂解煉油廠、中游的塑料中間原料廠和屬于下游的塑料加工及塑料化工廠等。在上述各類工廠的生產工藝過程中經常會不同程度的產生或排放一些污染性有害氣體如：H2S、SO2、NOX、VOC、CO、CH4、NH3、Cl2等，因此，除需使用各種化學傳感器來檢測這些有害排放物質之外，還將它們用于生產工藝過程的控制、工業安全保障、工藝衛生、環保與污染防止等多項用途。尤其是在生產安全和環境保護方面越來越引起各方面的高度重視。

目前石化工廠對許多化學物質的檢測，主要依靠使用各種化學傳感器，在石化工廠中比較常見的化學傳感器有：加氫裂解反應工藝過程檢測H2泄漏或H2S排放的傳感器，鍋爐燃燒過程的SOX和NOX排放及內燃機等的燃燒過程控制的O2濃度的檢測傳感器，以及制造工藝所排放的VOC的監測等。使用化學傳感器可快速準確的檢測待測物或排放物的種類與濃度，傳感器對不論液相還是氣相的化學物質或污染物質，在分析檢測過程中都起著重要作用，并且隨著化學傳感器技術的進步與發展，傳感檢測法將逐漸取代常規的傳統分析方法，并隨著檢測自動化技術的進步，傳感器的應用必將更加普遍與廣泛，使用量也會與日俱增。本文簡要介紹石化工業中化學傳感器的應用情況，如傳感器的種類、靈敏度、穩定性、所受干擾的程度、用途需求及維修保養等，供有關部門及工程技術人員參考。

二、化學傳感器的原理分類
化學傳感器是一類專門用于檢測、感知化學物質的特殊傳感器，通常用于檢測氣體或液體中的特定化學成分，并將該化學成分的濃度信號轉換為可檢知的電流或電壓信號。化學傳感器除廣泛用于石油化工系統之外，在現代生活中還廣泛應用于諸如汽車、溫室、樓宇瓦斯報警及公共場所等[4]。化學傳感器的種類繁多，根據多數文獻介紹，一般常用的化學傳感器按其工作原理有以下幾種：
1． 觸媒催化或可燃性氣體傳感器，根據待測的化合物與觸媒的催化反應所 釋放的能量H，并引起溫度的變化，再依據方程式H=CPT（式中的CP為比熱），再根據因溫度的改變T所引起其所在的電阻發生的電阻值變化，通過惠斯頓電橋測出產生的電壓信號。被測氣體的濃度越高，其燃燒后產生的熱量越多，引起電阻變化也越大，故由溫度變化的多少，可以換算成該化合物氣體的濃度值。
2． 半導體或氣體傳感器，根據半導體材料與待測氣體接觸后，被吸附的氣體與半導體之間發生電子轉移而引起半導體敏感材料的電阻特性變化，利用此類半導體電阻特性變化來比較測定氣體濃度的傳感器稱為電阻式半導體氣體傳感器。
3． 電化學傳感器
（1）濃差電池式氣體傳感器：利用傳感器兩面氣體濃差差異而產生濃差電勢進行測量,其濃差電勢一般符合能勢特方程。
（2） 界限電流式氣體傳感器：在一定工作電壓下由于受傳感器特定擴
散腔體及擴散孔的限制，工作電流呈現出飽和現象，并且該飽和電流值與被測氣體的濃度存在一定的函數關系，從而達到對被測氣體的測量。
4．光學式氣體傳感器：采用被測氣體的濃度與光投射強度相關的原理進行
氣體濃差測量。
5． 其他新型氣體傳感器。

三、化學傳感器在石化產業的使用概況
1．化學傳感器的使用量
一般化學傳感器主要用于探測包括：H2S、O2、NOX、NH3、HCN、HF、
COX、HCl、Cl2、SOX、CH4及VOC等，根據有關資料報導，我國某地區的89
家石化工廠中所使用的化學傳感器按照工作特性又分成自動監測式與攜帶式兩種，自動監測式化學傳感器的使用量統計表如表1所示：
其中觸媒式傳感器用量最多，共有1136只，半導體式居第二，共972只，電化學式889只居第三位，光學式有149只居第四，其他12只，合計使用3158只傳感器，由以上統計可以看出化學式傳感器的使用十分普遍，其中以觸媒燃燒式傳感器的用量最大，可能的原因是其成本低廉故較受歡迎的緣故。在各類傳感器的使用中又以VOC監測的用量最大共計1876只，其中包括觸媒式855只，約占45%，與半導體式817只，電化學式177只，光學式21只，其他6只，可見觸媒式仍然是用量最多的，再其次為CH4傳感器總共用量385只。
攜帶式化學傳感器的使用以半導體式的傳感器的用量最多共84只，電化學式居第二位共83只，觸媒式52只居第三位，光學式有7只，其他23只，總計用量249只，可見攜帶式的用量明顯少于自動監控式的用量，即一般工廠仍以固定監控式為主，移動式監控為輔，并多用于排放源固定且需隨時跟蹤檢測的場合，其中攜帶式化學傳感器又以半導體式最多，主要可能是體積可以縮小便于攜帶，其中以對CH4監測的有91個為最多，其次為VOC有78個居第二位，O2有45個居第三，從統計表可以看出，目前石化工廠最常使用的仍以探測碳氫類化合物質的氣體為主。
2．石化工廠排放化學物質的種類
石化工廠從制造工藝過程中所排放的化學物質的種類甚多，例如有帶惡
臭類的胺類、硫醇類等，還有毒性氣體如CO、Cl2，可燃性氣體如甲烷、碳氫化合物等，揮發性有機氣體VOC等，被統計調查的我國某地區幾十家石化工廠中，所排放的化學物質如表3所示，以SOX與VOC為最多，各占38家，另外還有NOX占31家居第二位，O2的探測也占很高比例有25家，其余的特殊化學物質如CPL、Benzene等較少，由表3可以看出，石化工廠化學傳感器的使用仍以針對環保檢測氣體較具共通性，其余特殊工藝所排放的氣體較少，而SOX與NOX大多來自石油或煤的燃燒所產生的環保管制性氣體。
3．化學傳感器的主要用途
化學傳感器的用途十分廣泛，如用于瓦斯泄漏報警，空氣污染排放管制，
及工藝衛生與安全檢測、工藝過程管理等。據統計有71%的傳感器用于環保監測，25%的傳感器用于生產工藝過程控制，工藝安全與工藝衛生方面的傳感器用量約占4%左右。由此可看出大多數的化學傳感器是用在環保方面。此外，一般石化工藝過程與工藝衛生方面的分析檢測仍多用傳統分析方法進行，目前使用化學傳感器的數量并不大，但預計今后在這方面的使用量將逐漸增多。

4．化學傳感器的生產廠商
我國某地區石化工廠中使用的化學傳感器主要由國外廠商供應并提供相應的技術支撐與服務。一些有關環保方面檢測項目，例如煙道排放則由環境工程公司承包，但傳感器安裝、維修、更換也均由該公司代理國外供應商完成。以SOX傳感器為例，生產廠商很多而且分散。

可以看出在SOX自動監測系統中，傳感器主要使用COSMOS、HORIBA和THERMAL ENVIRONMENT INSTRUMENT三家產品，分別占自動監測系統中傳感器數目的12%、23|和17%，三家供應43臺，占自動監測系統52%的用量。在便攜式傳感器中，以TESTO為主，占便攜式傳感器中75%（3臺），對SOX的監測主要使用自動監測系統，其中又以光學式傳感器的使用為主。

6． 問題討論與分析
（1） 干擾問題
目前傳感器在使用中普遍存在的問題是選擇性或受干擾等問題，以對
SOX的監測系統為例，最常見的可能干擾如水蒸氣冷凝會吸附燃燒的SOX，因其溶解度很大使所測得的濃度往往就偏低；另外，光學傳感器的感光頻率在同時感應兩種物質時，會無法分辨而導致測試濃度值增大，或者因吸收頻率相近產生干擾，如NOX對SOX的干擾。又如觸媒式燃燒傳感器的選擇性不夠好，對各種可燃性氣體均會產生信號，該傳感器會有良好的再現性與較好的穩定性，但選擇性差。另外，半導體式傳感器也會受到類似分子吸收污染粒子的影響，會引起信號不準及失靈等現象；電化學傳感器也存在易受電解液干涸或環境濕度與低變化影響的缺點。
（2） 化學傳感器監測位置問題
要求傳感器的監測位置要以能檢測出正確的測試位置為目的。例如SOX監測系統的安裝地點、位置必須有一定的代表性與適應性，一般安裝在煙道排放出口前的1/3處。其好處是采樣參數有代表性，缺點是有的煙囪太高會帶來維修上的困難。
（3） 燃油成分與污染排放的關系
我們知道，燃油成分與其燃燒后污染物的排放有密切關系，例如以某石化廠煙道的SO2排放監測結果為：一個月的平均日排放值為32ppm，日最大值為34.2ppm，日最小值為29.7ppm，經分析發現SO2傳感器所偵測的排放濃度與當天燃油成分中硫含量成正比，使用SO2傳感器對鍋爐燃燒所排放的SO2量也同樣與燃油中的硫含量有密切關系。

7． 結論：
（1） 通過對我國某地區石化工廠所使用的傳感器的統計分析可以看出，目前以VOC傳感器的用量最大，而其中又以觸媒式占的比例最高（約45%），攜帶式傳感器用量明顯少于自動監測系統。
（2） 化工廠排放的化學物質以SOX和VOC最普遍，其次為NOX，化學
傳感器的應用目的又以環境保護為主（占71%），其次是工藝過程控制，在石化工廠中多采用使用價格昂貴的光學式傳感器的自動監測系統。
（3） SOX燃燒氣體排放濃度與燃燒中含硫量成正比，選用低含硫的燃燒可
大幅度節省傳感器的設計及人力成本。